МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ЛИНЕЙНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
MULTISTAGE LINEAR ELECTROMAGNETIC ACCELERATOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным ускорителям масс, и может быть использовано для метания или иного ускоренного перемещения ферромагнитных твердых тел.
Известен линейный электромагнитный ускоритель [Патент РФ 2267074 RU, МПК F41B 6/00. Электромагнитный ускоритель метаемого тела / Е.В. Васильев. - №2004124653/02; заявл. 12.08.2004; опубл. 27.12.2005, Бюл. №36. - 9 с. ил.], содержащий ферромагнитное метаемое тело, цилиндрический немагнитный ствол с последовательно закрепленными на нем катушками тяговых соленоидов, попарно охваченные общим магнитопроводом, и средства коммутации цепей питания каждой из катушек по сигналам датчиков положения метаемого тела.
К недостаткам линейного электромагнитного ускорителя следует отнести низкую эффективность использования всей длины немагнитного цилиндрического ствола, что вызвано преждевременным отключением цепей питания тяговых соленоидов с целью предотвращения электромагнитного торможения метаемого тела магнитным полем катушки вследствие эффекта обратного втягивания метаемого тела при выходе его из катушки. Для достижения высоких скоростей метаемого тела это приводит к необходимости увеличения количества катушек тяговых соленоидов и, следовательно, длины цилиндрического немагнитного ствола ускорителя.
Кроме того, по мере ускоренного перемещения метаемого тела повышаются требования к точности в подаче управляющего сигнала для управления средствами коммутации цепей питания тяговых соленоидов, особенно, при их отключении, предотвращающем электромагнитное торможение.
Известен линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа [Патент РФ 2258885 RU, МПК F41B 6/00. Электромагнитный ускоритель с вращением снаряда / Е.В. Васильев. - №2004124920/02; заявл. 13.08.2004; опубл. 20.08.2005, Бюл. №23. - 5 с.: ил.], содержащий ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем катушками тяговых соленоидов, имеющими внешние магнитопроводы и средства коммутации цепей питания по сигналам датчиков положения снаряда.
К основным недостаткам линейного электромагнитного ускорителя следует отнести низкую эффективность использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола, что также связано с преждевременным отключением цепей питания тяговых соленоидов для предотвращения электромагнитного торможения магнитным полем катушки при выходе из нее метаемого снаряда, а также более высокие требования к точности сигнала управляющего средствами коммутации при отключении цепей питания тяговых соленоидов, предотвращающем электромагнитное торможение снаряда.
Наиболее близким аналогом по технической сути к заявляемому многоступенчатому линейному электромагнитному ускорителю является линейный электромагнитный ускоритель [Патент РФ 2331033 RU, МПК F41B 6/00. Многоступенчатый электромагнитный ускоритель с датчиком ускорения / Е.В. Васильев. - №20061446679/02; заявл. 14.12.2006; опубл. 10.08.2008, Бюл. №22. - 7 с.: ил.], содержащий в форме снаряда ферромагнитное метаемое тело, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем катушками тяговых соленоидов, средства коммутации цепей питания катушек соленоидов по сигналам датчика ускорения и конденсаторный источник энергии.
Данное техническое решение принимается в качестве прототипа.
Недостатком технического решения является низкая эффективность использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола, связанная с преждевременным переключением цепей питания тяговых соленоидов для предотвращения электромагнитного торможения ферромагнитного метаемого тела магнитным полем катушек, а также повышенные требования к точности в подаче сигнала управляющего средствами коммутации цепей питания катушек при отключении соленоидов, предотвращающее электромагнитное торможение снаряда.
Преждевременное отключение соленоидов приводит к снижению среднего значения протекающего в них тока и, следовательно, среднего значения действующей электромагнитной силы, определяющей начальную скорость движения ферромагнитного тела на выходе каждой ступени ускорителя, а также конечную скорость метаемого тела. Построения ускорителя с большим количеством ступеней за счет размещения тяговых соленоидов вплотную, без промежутков по длине, только частично решает проблему эффективного использования всей длины ствола.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение эффективности использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола и увеличение конечной скорости метаемого тела на выходе из ускорителя, а также снижение требований к точности в подаче сигнала управляющего устройства средствами коммутации при отключении катушек.
Поставленная задача достигается тем, что в многоступенчатом линейном электромагнитном ускорителе, содержащем ферромагнитное метаемое тело, цилиндрический немагнитный ствол с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом и соосно закрепленными катушками тяговых соленоидов со средствами их коммутации по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии, при этом отношение длины метаемого тела к постоянному шагу катушек принимается больше двух.
На фиг. 1 приведена схема расположения основных элементов конструкции многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя и его функциональная электрическая схема.
На фиг. 2 приведен вариант исполнения многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя, в котором для увеличения концентрации магнитного поля катушки тяговых соленоидов охвачены внешними магнитопроводами.
На фиг. 3 приведены графические зависимости тока и электромагнитного усилия, поясняющие работу ускорителя.
Электромагнитный ускоритель (фиг. 1) содержит ферромагнитное метаемое тело 1 с возможностью его скольжения по внутренней поверхности цилиндрического немагнитного ствола 2 с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом катушками тяговых соленоидов 3 и датчиками положения 4, управляющее устройство 5 со средствами поочередной коммутации катушек 6 и конденсаторный источник энергии 7.
Ферромагнитное метаемое тело 1 осуществляет свое движение внутри цилиндрического немагнитного ствола 2 и ускоряется под действием магнитного поля поочередно работающих катушек тяговых соленоидов 3, соосно закрепленных на немагнитном стволе с постоянным шагом. Питание тяговых соленоидов по мере продвижения метаемого тела вглубь ствола осуществляется от конденсаторного источника энергии 7 средствами поочередной коммутации катушек 6 по сигналам управляющего устройства 5, считывающего информацию с датчиков положения 4.
При данной компоновке количество ступеней линейного электромагнитного ускорителя определяется числом последовательно установленных катушек тяговых соленоидов по длине ствола.
В варианте исполнения электромагнитного ускорителя (фиг. 2) катушки тяговых соленоидов 3 дополнительно снабжены охватывающими их магнитопроводами 8, примыкающими к цилиндрическому немагнитному стволу 2, что позволяет повысить концентрацию магнитного поля в области энергопреобразования и увеличить среднее значение электромагнитной силы, действующей на ферромагнитное метаемое тело 1 при его ускорении.
T
K
T
K
Новыми признаками изобретения является то, что отключение тока в катушках соленоидов при переключении ступеней происходит при условии полного втягивания метаемого тела в соленоид, а не заблаговременно в отличие от известных решений. Для предотвращения электромагнитного торможения магнитным полем катушки отношение длины метаемого тела L к постоянному шагу катушек h принимается больше двух (L/h>2).
T
K
Необходимость принятия такого решения вызвана тем, что длительность времени снижения тока до нуля в отключенной ступени, вследствие переходного процесса, может быть сопоставима со временем движения метаемого тела во вновь включенной в работу ступени или даже превышать его. Причем с увеличением скорости метаемого тела по мере продвижения его вглубь ствола интервал времени на прохождение одной ступени ускорителя будет заметно сокращаться. В случае, если принять отношение длины метаемого тела к постоянному шагу катушек меньше двух (L/h<2), то при больших скоростях это вызовет электромагнитное торможение метаемого тела сворачивающимся магнитным полем катушки соленоида отключенной ступени.
K1
K2
K1
K2
На фиг. 3 показаны графические зависимости тока и электромагнитного усилия, поясняющие работу ускорителя на примере двух расположенных рядом катушек тяговых соленоидов по направлению движения метаемого тела. Зависимости отражают изменения тока i, i и действующих сил F, F от положения метаемого тела относительно катушек 9 (K1) и 10 (K2) тяговых соленоидов.
0
1
T
K
На графиках указано исходное положение x метаемого тела, при котором вступает в работу катушка 9 (K1), и положение полного втягивания x, при котором одновременно подается сигнал на отключение тока катушки 9 (K1) и включение катушки 10 (K2) следующей ступени. Вследствие имеющей место индуктивности катушки 9 (K1) ток при отключении снижается за некоторое время переходного процесса, длительность которого зависит от постоянной времени цепи катушки. В связи с тем, что длина метаемого тела L превышает длину шага катушки h электромагнитного торможения от действия сворачивающегося магнитного поля катушки 9 (K1) здесь не происходит.
2
По мере ускорения метаемого тела под действием разворачивающегося магнитного поля катушки 10 (K2) и продвижения тела к положению полного втягивания x, ток катушки 9 (K1) успевает снизиться до несущественной величины.
1
2
В результате, как видно из графика на фиг. 3, при перемещении метаемого тела из положения с координатой х в положение с координатой x электромагнитные силы от действия сворачивающегося магнитного поля катушки 9 (K1) и разворачивающегося магнитного поля катушки 10 (K2) суммируются. Результирующая сила электромагнитного взаимодействия, возникающая между катушками тяговых соленоидов и метаемым телом  Движение метаемого тела происходит при постоянном воздействии электромагнитных сил и электромагнитного торможения не возникает.
Отношение длины метаемого тела к шагу катушки, предотвращающее электромагнитное торможение, устанавливается исходя из заданной максимальной скорости тела на вылете из ствола и зависит от постоянной времени в цепи катушки.
пп
max
max
пп
Если принять, что за время переходного процесса t при отключении катушки расстояние, пройденное телом в пределах одной ступени, равное постоянному шагу катушки, с максимальной скоростью V будет составлять V⋅t, то отношение длины метаемого тела к постоянному шагу будет находиться в следующей зависимости
пп
где t=4,6τ - длительность времени переходного процесса;  - постоянная времени в цепи с катушкой; L - индуктивность катушки; r - омическое сопротивление катушки.
Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель работает следующим образом.
По сигналу управляющего устройства средствами коммутации включается ток первой ступени ускорителя. Протекающий ток по катушке тягового соленоида первой ступени возбуждает магнитное поле, которое взаимодействует с ферромагнитным метаемым телом. Сила электромагнитного взаимодействия, действующая на ферромагнитное тело, вызывает его ускоренное движение внутрь соленоида. По мере продвижения метаемого тела к положению полного втягивания в катушку соленоида при действии максимального тока срабатывает датчик положения и подает сигнал на управляющее устройство. На основе сигнала датчика положения управляющее устройство средствами коммутации выключает ток в катушке соленоида первой ступени и включает ток в катушке соленоида второй ступени и т.д. По мере продвижения метаемого тела в глубь ствола процесс повторяется.
Средства коммутации по сигналам датчиков по очереди включают и выключают ток каждой ступени ускорителя. При этом, отключение тока по сигналу датчика отработавшей ступени, вследствие имеющего места переходного процесса, не противодействует дальнейшему ускоренному перемещению метаемого тела от действия силы разворачивающегося магнитного поля катушки следующей ступени.
Применение предложенного технического решения позволяет повысить эффективность использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола и увеличить конечную скорость метаемого тела на выходе из ускорителя за счет увеличения отношении длины метаемого тела к постоянному шагу катушек, которое принимается больше двух, что позволяет предотвратить электромагнитное торможение метаемого тела магнитным полем катушек и производить отключение тока в катушках соленоида при полном втягивании метаемого тела в соленоид, повысив тем самым среднее значение протекающего тока и, следовательно, среднее значение электромагнитной силы, действующей на тело в процессе его ускорения.
Кроме того, при использовании данного технического решения предъявляются более низкие требования к точности в подаче управляющего сигнала средствами коммутации, так как возникающие погрешности при отключении цепей питания катушек тяговых соленоидов существенно не отражается на работе ускорителя.