一種基于電磁動(dòng)力航模彈射器的設(shè)計(jì)制作

一種基于電磁動(dòng)力航模彈射器的設(shè)計(jì)制作

項(xiàng)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(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2017CXCYS017）摘要：本文根據(jù)航模彈射器單人操作的需求，設(shè)計(jì)了一種基于電磁動(dòng)力的航模彈射器。該彈射器主要由線圈組、傳動(dòng)裝置、航模支架組成，通過(guò)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(qiáng)磁場(chǎng)使鐵磁材料受洛倫茲力，牽引導(dǎo)軌上的滑塊，從而實(shí)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電磁；彈射；控制；航模引言目前國(guó)內(nèi)所制造的航模彈射器都為彈性力彈射器，依靠的動(dòng)力為金屬?gòu)椈?、橡皮筋的收縮彈力，這種彈射器需要很長(zhǎng)的長(zhǎng)度來(lái)手動(dòng)拉動(dòng)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(dòng)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(tái)磁阻直流電動(dòng)機(jī)，并用它把金屬棒拋射到20米遠(yuǎn)。此后，德國(guó)數(shù)學(xué)家柯比又提出了用電磁推進(jìn)方法制造"電氣炮"的設(shè)想。軌道炮（RailGun）由法國(guó)人維勒魯伯于1920年發(fā)明，軌道炮是電磁炮最常見(jiàn)的式樣。本文所利用的原理就是電磁炮原理的簡(jiǎn)化版。1原理分析1.1電磁動(dòng)力原理電磁動(dòng)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(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力來(lái)對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速，使其達(dá)到打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能。同理，電磁動(dòng)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(qiáng)大的磁場(chǎng)、并與鐵磁材料感應(yīng)電流的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力推動(dòng)鐵磁材料運(yùn)動(dòng)。考慮到交流電難以在室外使用，選用直流電源供電。單獨(dú)給鐵磁材料供電會(huì)增加機(jī)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(jí)加速控制原理鐵磁材料每經(jīng)過(guò)一個(gè)定子線圈，就讓相應(yīng)的電容放電，定子線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，鐵磁材料就被加速一次。第一級(jí)定子線圈通放電通過(guò)發(fā)射開關(guān)控制，其他定子線圈通過(guò)光電開關(guān)檢測(cè)鐵磁材料的位置，鐵磁材料到達(dá)指定位置則及時(shí)發(fā)出信號(hào)使電容放電，從而使鐵磁材料達(dá)到連續(xù)加速的效果。1.3航模驅(qū)動(dòng)原理鐵磁材料能夠連續(xù)加速運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。航模與滑塊通過(guò)設(shè)計(jì)的裝置相連接，鐵磁材料向前加速時(shí)，滑塊帶動(dòng)航模在傾斜導(dǎo)軌上加速，最后運(yùn)動(dòng)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(jì)2.1總體電路分析整體電路圖如圖1所示，圖示僅為三級(jí)加速電路。從左到右依次為一、二、三級(jí)，更高級(jí)數(shù)的電路連接方式同三級(jí)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(gè)電路的電源，蓄電池正負(fù)極輸出與升壓模塊輸入端的正負(fù)極分別相連，正極之間串聯(lián)一個(gè)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(fù)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(duì)升壓模塊反向放電。各級(jí)電容相互并聯(lián)，充電時(shí)升壓模塊依次給電容充電，放電時(shí)電容單獨(dú)放電互不影響。使用時(shí)，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(yáng)極）、G（控級(jí)）。單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號(hào)作用下由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。單向可控硅是由三個(gè)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(zhǎng)、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。可控硅導(dǎo)通條件一是可控硅陽(yáng)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(gè)條件須同時(shí)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(lán)、棕、黑三根線，藍(lán)色為負(fù)極，棕色為正極，黑色為輸出級(jí)。藍(lán)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(hào)（高電平），且輸出端黑線接負(fù)載。2.4使用原理說(shuō)明電容給定子線圈放電是通過(guò)可控硅控制的，而可控硅的導(dǎo)通，第一級(jí)是由發(fā)射開關(guān)控制的，后續(xù)級(jí)是通過(guò)光電開關(guān)控制的。使用時(shí)，電容已經(jīng)充滿電，按下發(fā)射開關(guān)，第一級(jí)可控硅因G極通入正向電流而導(dǎo)通，第一級(jí)電容則給定子線圈放電，驅(qū)動(dòng)鐵磁材料運(yùn)動(dòng)到第二級(jí)。鐵磁材料到達(dá)第二級(jí)線圈前端，常開光電開關(guān)檢測(cè)到鐵磁材料的位置，則黑線輸出正向電壓給第二級(jí)可控硅G級(jí)，可控硅導(dǎo)通，第二級(jí)電容給線圈放電驅(qū)動(dòng)鐵磁材料向第三極運(yùn)動(dòng)，以此類推，鐵磁材料持續(xù)向前加速運(yùn)動(dòng)。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(gè)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(guò)鋼絲繩經(jīng)過(guò)兩個(gè)滑輪與最頂層的滑塊相連。4總裝置調(diào)試與實(shí)驗(yàn)將各個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn)，彈射器成功在實(shí)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(shí)驗(yàn)表明，以電磁為動(dòng)力的航模彈射器是可行的，本文所述的彈射器確實(shí)能夠有效的彈射出普通航模。此電磁動(dòng)力航模彈射器具有單人可操作性、安全性高、續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且極大的減