一種基于電磁動力航模彈射器的設(shè)計制作

一種基于電磁動力航模彈射器的設(shè)計制作

項目基金：安徽省合肥市合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（項目編號：2017CXCYS017）摘要：本文根據(jù)航模彈射器單人操作的需求，設(shè)計了一種基于電磁動力的航模彈射器。該彈射器主要由線圈組、傳動裝置、航模支架組成，通過升壓模塊給電容充電，光電開關(guān)和可控硅控制電容給線圈組放電，形成強磁場使鐵磁材料受洛倫茲力，牽引導(dǎo)軌上的滑塊，從而實現(xiàn)航模的彈射。該航模彈射器具有單人可操作性、續(xù)航能力強的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：電磁；彈射；控制；航模引言目前國內(nèi)所制造的航模彈射器都為彈性力彈射器，依靠的動力為金屬彈簧、橡皮筋的收縮彈力，這種彈射器需要很長的長度來手動拉動彈簧或橡皮筋，隨之導(dǎo)致彈射器的體積變大，占地面積、重量增大。而且這種彈力彈射器至少需要兩人才可以使航模正常的彈射起飛，不具備單人可操作性。而本文所述的電磁動力航模彈射器體積小，為一般彈力彈射器體積一半，極大的減少了地形因素的影響，并且具有單人可操作性。1845年，查爾斯·惠斯通制作出了世界第一臺磁阻直流電動機，并用它把金屬棒拋射到20米遠。此后，德國數(shù)學(xué)家柯比又提出了用電磁推進方法制造"電氣炮"的設(shè)想。軌道炮（RailGun）由法國人維勒魯伯于1920年發(fā)明，軌道炮是電磁炮最常見的式樣。本文所利用的原理就是電磁炮原理的簡化版。1原理分析1.1電磁動力原理電磁動力航模彈射器原理類似與電磁炮和線圈炮，電磁炮是利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標(biāo)所需的動能。同理，電磁動力航模彈射器是利用電容依次給定子線圈充電，在線圈周圍形成強大的磁場、并與鐵磁材料感應(yīng)電流的磁場相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力推動鐵磁材料運動。考慮到交流電難以在室外使用，選用直流電源供電。單獨給鐵磁材料供電會增加機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此采用感應(yīng)式鐵磁材料。1.2逐級加速控制原理鐵磁材料每經(jīng)過一個定子線圈，就讓相應(yīng)的電容放電，定子線圈產(chǎn)生磁場，鐵磁材料就被加速一次。第一級定子線圈通放電通過發(fā)射開關(guān)控制，其他定子線圈通過光電開關(guān)檢測鐵磁材料的位置，鐵磁材料到達指定位置則及時發(fā)出信號使電容放電，從而使鐵磁材料達到連續(xù)加速的效果。1.3航模驅(qū)動原理鐵磁材料能夠連續(xù)加速運動后，將鐵磁材料與導(dǎo)軌上的滑塊使用鋼絲繩相連接，中間加以滑輪，滑塊能與鐵磁材料同步運動。航模與滑塊通過設(shè)計的裝置相連接，鐵磁材料向前加速時，滑塊帶動航模在傾斜導(dǎo)軌上加速，最后運動到導(dǎo)軌末端，航模與滑塊分離而釋放，完成彈射。2電路的設(shè)計2.1總體電路分析整體電路圖如圖1所示，圖示僅為三級加速電路。從左到右依次為一、二、三級，更高級數(shù)的電路連接方式同三級電路。圖1總體電路2.2升壓充電電路鉛酸蓄電池作為整個電路的電源，蓄電池正負極輸出與升壓模塊輸入端的正負極分別相連，正極之間串聯(lián)一個充電開關(guān)，可控制蓄電池是否給升壓模塊供電。升壓模塊將12VDC輸入升為450VDC輸出，其輸出端正負極與450V的電容相匹配連接，電容正極上正向串聯(lián)整流二極管6A10，以防止電容對升壓模塊反向放電。各級電容相互并聯(lián)，充電時升壓模塊依次給電容充電，放電時電容單獨放電互不影響。使用時，按下充電開關(guān)即可讓蓄電池充電，充滿電后關(guān)閉充電開關(guān)。2.3控制放電電路2.3.1可控硅70tps16可控硅為單向三線可控硅，引腳分為K（陰極）、A（陽極）、G（控級）。單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。單向可控硅是由三個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體元件，它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、控制方便等優(yōu)點?？煽毓鑼?dǎo)通條件一是可控硅陽極與陰極間必須加正向電壓，二是控制極也要加正向電壓，以上兩個條件須同時具備，可控硅才處于導(dǎo)通狀態(tài)。2.3.2光電開關(guān)光電開關(guān)是利用光敏電阻，以光源為媒介，控制電路通斷的原件。光電開關(guān)選用PNP常開型，一般有藍、棕、黑三根線，藍色為負極，棕色為正極，黑色為輸出級。藍線與棕線之間接12V直流電源，PNP型光電開關(guān)輸出端輸出為正信號（高電平），且輸出端黑線接負載。2.4使用原理說明電容給定子線圈放電是通過可控硅控制的，而可控硅的導(dǎo)通，第一級是由發(fā)射開關(guān)控制的，后續(xù)級是通過光電開關(guān)控制的。使用時，電容已經(jīng)充滿電，按下發(fā)射開關(guān)，第一級可控硅因G極通入正向電流而導(dǎo)通，第一級電容則給定子線圈放電，驅(qū)動鐵磁材料運動到第二級。鐵磁材料到達第二級線圈前端，常開光電開關(guān)檢測到鐵磁材料的位置，則黑線輸出正向電壓給第二級可控硅G級，可控硅導(dǎo)通，第二級電容給線圈放電驅(qū)動鐵磁材料向第三極運動，以此類推，鐵磁材料持續(xù)向前加速運動。3整體結(jié)構(gòu)框架彈射器整體分為三層。最底層存放電子元件等物品，中間層放置整個發(fā)射裝置，繞有定子線圈的pvc管固定在中間層，上層安裝有導(dǎo)軌和滑塊，上層和中間層各有一滑輪，pvc管內(nèi)的鐵磁材料通過鋼絲繩經(jīng)過兩個滑輪與最頂層的滑塊相連。4總裝置調(diào)試與實驗將各個組件相互連接在一起就組裝成了本文所述的電磁航模彈射器。經(jīng)過實驗，彈射器成功在實地彈射出了一架普通航模，單人操作并且可以多次彈射，續(xù)航能力也很高。5結(jié)論實驗表明，以電磁為動力的航模彈射器是可行的，本文所述的彈射器確實能夠有效的彈射出普通航模。此電磁動力航模彈射器具有單人可操作性、安全性高、續(xù)航能力強的優(yōu)點，并且極大的減