Многоступенчатый ускоритель с бегущим переключением соленоидов

В технике электромагнитного ускорения тел известны линейные многоступенчатые ускорители [1-4]. Общими недостатками ускорителей этого типа являются низкая эффективность и большое количество цепей управления и раздельного силового питания, усложняющих конструкцию и снижающих надежность ускорителя.

Развитие конструкций ускорителей идет по нескольким направлениям.

В [5] предложена более совершенная схема коммутации на основе матрицы ключей с диагональным полумостовым включением нагрузки. Такое решение позволяет упростить конструкцию за счет снижения общего количества примененных ключей. Полумостовое включение обмоток ускорителя обеспечивает повышенную эффективность работы благодаря возврату части энергии самоиндукции обратно в источник питания (рекуперации энергии). Недостатком полумостовой схемы является необходимость применения как нижних, так и верхних запираемых ключей. Управление нижними ключами относительно потенциала общего провода (земли) реализуется достаточно просто, а для управлениями верхними ключами относительно плавающего потенциала требуются более сложные схемотехнические решения.

Повысить эффективность ускорителя возможно путем увеличения числа ступеней при одновременном снижении мощности каждой ступени. Однако при компактной реализации такого ускорителя возникают технические трудности, связанные с размещением большого количества импульсных силовых электрических цепей в непосредственной близости от чувствительных цепей датчиков и их усилителей. Это требует дополнительных затрат на обеспечение достаточной помехозащищенности и надежности, что в свою очередь, еще больше усложняет конструкцию ускорителя.

Прототипом заявляемого ускорителя является электромагнитный ускоритель метаемого тела [6] с частичной рекуперацией энергии самоиндукции обмоток соленоидов с помощью трансформаторной связи между ступенями. Недостатком такой конструкции является применение магнитопроводов сложной формы и рекуперация энергии самоиндукции только при относительно слабых магнитных полях, не вызывающих насыщения магнитопроводов.

Основной задачей предложенного решения является построение эффективного ускорителя с большим количеством ступеней, обеспечивающего частичную рекуперацию энергии самоиндукции при сильных магнитных полях, позволяющего разместить соленоиды на стволе без промежутков между ступенями, имеющего высокую надежность и помехозащищенность при простой компактной конструкции и малом количестве силовых электрических цепей.

Данная техническая задача решается следующим образом:

Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа содержит ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии.

Изобретение имеет следующие новые признаки, отличающие его от известных:

1. Последовательно расположенные отдельные ускоряющие соленоиды с тиристорными ключами объединены шинами питания и шинами коммутации в группы с чередованием так, что соседние соленоиды входят в разные группы. При этом каждый соленоид включается своим тиристорным ключом, а группа соленоидов дополнительно включается и выключается через шину коммутации групповым транзисторным ключом по сигналам управляющего устройства. Включение тока в соленоиде происходит при одновременном открытии тиристорного ключа соленоида и транзисторного группового ключа, выключение тока в соленоиде происходит путем закрытия группового ключа, после чего ток в обмотке соленоида прекращается, что вызывает автоматическое запирание тиристорного ключа соленоида. Каждый соленоид, кроме основной обмотки, содержит дополнительную сенсорную обмотку. Дополнительная обмотка подключена к управляющему выводу тиристорного ключа следующей включающейся ступени. В момент выключения тока в основной обмотке соленоида ее ЭДС самоиндукции наводит в дополнительной обмотке импульс, открывающий тиристор следующей включающейся ступени ускорителя.

2. Каждая группа соленоидов питается от своего накопительного конденсатора посредством отдельной шины питания. В момент выключения тока в обмотке любого соленоида из одной группы его энергия самоиндукции направляется через цепь рекуперации в конденсатор другой группы и заряжает его, обеспечивая повторное использование части энергии самоиндукции соленоидов.

На чертеже показана схема соединения основных частей ускорителя с двумя поочередно включаемыми группами соленоидов.

Цифрами на схеме обозначены:

1 - ферромагнитный снаряд;

2 - ствол;

3 - тяговый соленоид с основной силовой обмоткой;

4 - дополнительная сенсорная обмотка тягового соленоида;

5 - тиристорный ключ;

6 - силовые шины питания;

7 - управляющее устройство;

8 - транзисторный групповой ключ;

9 - силовые шины коммутации;

10 - цепь рекуперации энергии;

11 - конденсаторный источник энергии.

Многоступенчатый электромагнитный ускоритель устроен следующим образом: ферромагнитный снаряд 1 движется внутри цилиндрического немагнитного ствола 2 и ускоряется за счет магнитного поля тяговых соленоидов 3, соосно закрепленных на стволе. Соленоиды имеют дополнительные сенсорные обмотки 4, сигнал которых открывает тиристорные ключи 5 соленоидов. Питание соленоидов осуществляется посредством шин питания 6. Тиристорный ключ первой ступени управляется непосредственно сигналом управляющего устройства 7, а тиристорные ключи всех остальных ступеней управляются дополнительными обмотками. Нечетные и четные соленоиды с индивидуальными тиристорными ключами объединены в две группы. Управляющее устройство формирует сигналы для поочередного открытия и закрытия транзисторных групповых ключей 8. Каждый такой ключ коммутирует свою группу соленоидов через шины коммутации 9. При этом шины коммутации через рекуперационные цепи 10 соединены с конденсаторными источниками энергии 11 противоположной группы. Силовые шины питания и шины коммутации проложены вдоль ускорителя, а индивидуальные тиристорные ключи установлены рядом с каждой ступенью и подключены к сенсорным обмоткам предыдущих ступеней. Такая компоновка позволяет при увеличении числа ступеней ускорителя сохранить компактность и малое количество соединительных и силовых цепей.

Описание работы ускорителя.

В начальный момент по сигналу управляющего устройства включается транзисторный ключ первой группы соленоидов и подается открывающий импульс на тиристорный ключ соленоида первой ступени. Ток от конденсатора первой группы течет через первый соленоид. Через заданное время, необходимое для ускорения снаряда первым соленоидом, управляющее устройство выключает первый групповой транзисторный ключ и включает второй групповой ключ. В момент выключения тока в соленоиде в его обмотке возникает импульс ЭДС самоиндукции, трансформируемый через дополнительную обмотку к управляющему выводу тиристора второй ступени. Тиристорный ключ второй ступени открывается, транзисторный ключ второй группы в этот момент уже открыт сигналом управляющего устройства и через соленоид второй ступени начинает проходить ток от второго накопительного конденсатора. Энергия самоиндукции отключенной первой ступени через цепь рекуперации энергии подзаряжает накопительный конденсатор второй группы.

Цепь рекуперации построена на основе варистора с напряжением пробоя, незначительно превышающим исходное напряжение конденсаторного источника энергии. Импульс ЭДС самоиндукции ограничивается цепью рекуперации на уровне суммы напряжения конденсаторного источника и напряжения пробоя варистора. Поддержание ЭДС самоиндукции на этом уровне, более чем в два раза превышающем исходное напряжение на конденсаторе, вызывает быстрый спад тока в отключенном соленоиде, предотвращая эффект торможения снаряда остаточным магнитным полем выключаемого соленоида.

Поочередная коммутация двух групп соленоидов обеспечивает паузы между включением ступеней в каждой группе, достаточные для выключения тиристорных ключей в ступенях одной группы за время работы ступеней другой группы. Это позволяет разместить соленоиды на стволе непосредственно друг за другом, без значительных промежутков.

Дальнейшая работа ускорителя контролируется управляющим устройством, поочередно включающим и выключающим групповые транзисторные ключи в необходимые моменты времени. При этом последовательный поочередный выбор рабочей ступени ускорителя происходит автоматически, за счет открытия тиристора каждой следующей ступени импульсом ЭДС самоиндукции предыдущей ступени в момент ее выключения.

Применение предложенных технических решений позволяет снизить количество транзисторных ключей до одного на каждую группу соленоидов, сохраняя возможность поочередного включения и выключения всех соленоидов многоступенчатого ускорителя, повысить общую эффективность преобразования электрической энергии конденсаторов в кинетическую энергию снаряда посредством повторного использования части энергии самоиндукции соленоидов. При этом обеспечивается компактная конструкция многоступенчатого ускорителя за счет питания и коммутации ступеней посредством продольных силовых шин.

Источники информации

1. Патент США №2235201. Electrcic gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

2. Патент США №1241333. Gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

3. Патент США №5125321. Apparatus for and method of operating a cylindrical pulsed induction mass launcher. МПК: F41B 6/00.

4. Патент России №2258885. Электромагнитный ускоритель с вращением снаряда. МПК: F41B 6/00.

5. Патент США №5763812. Compact personal rail gun. МПК: F41F 1/00.

6. Патент России №2267074. Электромагнитный ускоритель метаемого тела. МПК: F41В 6/00.

1. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа, содержащий ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем и последовательно расположенными тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии, отличающийся тем, что отдельные ускоряющие соленоиды с тиристорными ключами объединены шинами питания и шинами коммутации в две группы так, что соленоиды с нечетными номерами образуют первую группу, соленоиды с четными номерами образуют вторую группу, группы соленоидов поочередно включаются и выключаются через шины коммутации групповыми транзисторными ключами по сигналам управляющего устройства, включение тока в соленоиде происходит при одновременном открытии тиристорного ключа соленоида и транзисторного группового ключа, выключение тока в соленоиде происходит путем закрытия группового ключа, после чего ток в обмотке соленоида прекращается, что вызывает автоматическое запирание тиристора соленоида, каждый соленоид содержит две обмотки: основную силовую обмотку и дополнительную сенсорную, дополнительная обмотка подключена к управляющему выводу тиристорного ключа следующей ступени, в момент выключения тока в основной обмотке соленоида, ее ЭДС самоиндукции наводит в дополнительной сенсорной обмотке импульс, включающий тиристор следующей ступени ускорителя.

2. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель соленоидного типа, содержащий ферромагнитный снаряд, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства и конденсаторный источник энергии, отличающийся тем, что последовательно расположенные отдельные ускоряющие соленоиды объединены в две группы так, что соленоиды с нечетными номерами образуют первую группу, соленоиды с четными номерами образуют вторую группу, каждая группа соленоидов питается от своего накопительного конденсатора, в момент выключения тока в силовой обмотке любого соленоида из одной группы, его энергия самоиндукции направляется через цепь рекуперации в конденсатор другой группы и заряжает его, обеспечивая повторное использование части энергии самоиндукции соленоидов.