電磁級聯(lián)加速運輸模型的設計與制作

恩禾 曲藝 徐浩 沈夢云 陳恩怡

摘? 要：該文設計制作了一種利用電磁級聯(lián)加速的運輸系統(tǒng)模型。單級單元利用電容器瞬間放電給螺線管產(chǎn)生的磁力對鐵質物體加速，多級之間通過控制時間繼電器的延時實現(xiàn)級間依次加速。該模型的研制結合當今運輸系統(tǒng)發(fā)展背景，可對將來發(fā)展物流管道運輸新型系統(tǒng)的研制具有借鑒意義。該文從原理、設計制作、磁化影響三方面對模型系統(tǒng)的工作過程進行介紹。

關鍵詞：級聯(lián)加速? 管道運輸? 節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：TL252? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（a）-0024-02

隨著時代的進步，運輸方式已不再局限于傳統(tǒng)的海陸空，如無人機送貨、管道投送這些新興的的運輸方式正逐漸進入人們的生活，英國政府也在21世紀初提出要在倫敦建立一套全新的地下管道物流系統(tǒng)，此系統(tǒng)為利用氣壓差進行物件的運輸。電磁學作為物理學中的一個重要分支，對人類來說是非常重要并且極具發(fā)展前途的。依據(jù)電磁學的原理，人們已經(jīng)制造出了包括電磁起重機、回轉加速器和電磁加速器等一系列應用到電磁感應的原理來工作的裝置。

其中電磁加速器是現(xiàn)在各個大國都在研究的熱門領域，利用電磁加速可以在更加環(huán)保的條件下獲得更好的加速效果，在戰(zhàn)略性武器和航空航天都有著十分廣闊的前景，如超級高鐵、電磁炮等[1，2]。該文設計的是一種以電磁能作為動力，管道為導向的運載系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括：（1）電路部分;（2）1個水平玻璃管作為運輸管道;（3）3組獨立的繞在玻璃管上螺線管線圈。運載系統(tǒng)電路使用24V電壓，2A額定電流，通電之后首先對電路的3組電容（7400uF，35V）進行充電，當電源電流逐漸趨于0A說明充電已經(jīng)完成，此時將九腳雙擲開關切換到工作電路，首先時間繼電器（HHS16B）開始計時工作，在達到設定時間后運行其內部的雙擲開關使電容停止充電并開始向通電螺線管供電產(chǎn)生磁場，完成對運載體的加速。該系統(tǒng)以通電螺線管產(chǎn)生磁場對鐵質物體的作用為原理，集自動化和高效于一體，節(jié)能環(huán)保。相對于履帶運輸靈活性更強，且采用多級分級加速，更加高效。

1? 設計與實現(xiàn)

1.1 通電螺線管加速磁性物體原理

當鐵質物體靠近磁場時被磁化，成為磁體，所以利用磁場對磁體的作用力可以實現(xiàn)對運載體的加速作用。磁場對磁體的作用力可表示為：

其中H為磁場強度，其定義式為H=B/μ0-M，式中B是磁感應強度，M是磁化強度，μ0是真空中的磁導率，等于4π×10-7Wb/（m·A）。H的單位是A/m。在高斯單位制中H的單位是Oe。1A/m=4π×10-3Oe，V為鐵質物體體積。從（1）可以看出通過改變磁感強度的大小可以改變對鐵質物體的作用力大小，也就是可以改變鐵質物體的加速度。通電螺線管內部磁感強度B可表示為[3]：

其中，n為螺線管單位長度上線圈的匝數(shù)，I為通電電流。從公式（2）可以看出當固定匝數(shù)不變，改變螺線管通電電流I的大小，可以改變螺線管內磁感強度的大小。

1.2 電路設計圖

電路的基本設計思路是利用通電螺線圈產(chǎn)生磁場，對鐵質材料制造的圓柱體產(chǎn)生的磁力作為加速動力。利用圖1電容器C對電力的儲存和時間繼電器TR延時開關有效控制通入螺線管中電流的有無來實現(xiàn)對鐵質材料負載的級聯(lián)加速。

（1）雙擲開關S：使用九腳雙擲開關實現(xiàn)對3組電容充電電路與放電電路的切換，避免對電容器持續(xù)充電造成能量損失，對整體電路運行有著至關重要的作用。

（2）電容器C：裝置使用的電容器規(guī)格為35V，7400uF?？紤]到鐵質材料通過通電線圈過程存在加速區(qū)和減速區(qū)，利用電容器的放電在一瞬間完成實現(xiàn)強化加速區(qū)的加速效果，弱化減速區(qū)的減速效果，達到對負載加速的作用，同時電容器對于整體電路還起到一定的保護作用，由于電容器放電量是已知的，實現(xiàn)了固定電壓為螺線圈提供電壓，一定程度節(jié)約了能源。

（3）時間繼電器TR：時間繼電器的型號為HHS16B，時間設置可以精確到0.01s。通過計算鐵質材料在玻璃管中前進時間設置時間繼電器的延時，控制電容的放電，從而實現(xiàn)級聯(lián)加速。

1.3 工作過程

圖2中“S”為主控制開關，“R”為低阻抗線圈（可根據(jù)管道實際情況增減數(shù)量），“KT”為時間繼電器（數(shù)量可根據(jù)實際情況配合線圈增減），“DY”為裝置的供電設備，“C”為超級電容（可根據(jù)實際情況配合線圈增減），“KT”為時間繼電器控制的雙擲開關，控制電容充電回路，放電回路的通斷。

當九腳三檔開關閉合時，繼電器得電開始運行，其時間設置可由速度測算進行設定，當計時完成時，時間繼電器啟動并控制其內部雙擲開關運作，電容充電回路斷開，電容放電回路接通，線圈得電其內部磁場驅動載體運行。

2? 結果與討論

為了研究運載系統(tǒng)對鐵質物體級聯(lián)加速效果，該文測量了加速后鐵質物體的運動速度，并進行了比較分析。

測算速度采用平拋法測量。具體過程如下：先測出運載系統(tǒng)距離地面的高度H，然后測量加速后的鐵質物體（質量為0.3g）從運輸管道飛出的水平距離s。這樣就可以根據(jù)平拋物體運動規(guī)律計算鐵質物體飛出運輸管道時的速度，也就說加速后的速度v。速度可以用（3）式求出。

其中g為重力加速度。表1為一組速度數(shù)據(jù)（高度H=120cm）。

從測量結果看，運載系統(tǒng)成功利用磁力對靜止的鐵質物體實現(xiàn)了加速，使得鐵質運載物體經(jīng)單級加速后可獲得約為3.11m/s的運動速度。經(jīng)級聯(lián)加速后的速度約為3.22 m/s，相比于單級加速獲得的速度，略有加大，有加速效果并不太明顯。如果隨著加速級數(shù)的增加，速度值有望進一步增大。級聯(lián)加速效果不明顯可能是由于鐵質物體在磁場中加速時被磁化的結果。由于實驗中使用了鐵質物體作為負載，而鐵質物體在螺線管磁場作用下會被磁化。磁化后成為新的一個磁體，與螺線管磁場的相互作用表現(xiàn)為同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引。當位于螺線管起始位置的時候鐵質物體被磁化成與螺線管磁性相反的磁級，此時鐵質物體被吸引而加速，快速運動較長距離;當位于螺線管1/4處鐵質物體受到的吸引力仍大于排斥力仍然會受到加速，但運動長度明顯不及起始點;當位于位于螺線管中間處，螺線管磁場對鐵質物體的吸引和排斥作用力均等，磁體在原地保持不動，當位于3/4及終止點處時，鐵質物體所受排斥力大于吸引力，從而使得鐵質物體被減速。由此可以將螺線管內部分為一個加速區(qū)（前半段）和一個減速區(qū)（后半段）。這也是該文使用電容器快速放電給螺線管通電的原因。這樣設計是為了讓鐵質物體通過加速區(qū)時螺線管是通電的，在通過減速區(qū)時電容放電完成使得減速區(qū)減速效果降低從而提高工作效率。同時，該裝置使用的玻璃纖維管會對運載體存在一定的摩擦阻力，且運送物件質量越大阻力越大。由于裝置運輸條件為非真空，所以存在一定的空氣阻力。阻力的存在必然會影響到加速效果。因此可以考慮在未來實際使用的加速運輸管道系統(tǒng)時采用阻力較小的管道系統(tǒng)。

3? 結語

該文通過電容放電控制螺線管電流實現(xiàn)了對鐵質物體的加速，并利用時間繼電器實現(xiàn)了級與級之間延時加速的設想。利用電容的瞬放電，相較于持續(xù)供電電路，有效抑制螺線圈減速區(qū)作用。實現(xiàn)多級級聯(lián)加速，可以充分發(fā)揮電磁驅動作為新時代動力能源綠色、高效、穩(wěn)定的作用，順應電磁驅動的時代潮流，克服現(xiàn)有地下物流管道系統(tǒng)理念對地形、車輛、空間要求嚴格的缺陷，提供一種新型管道物流裝置的構思，該裝置具備高效、無機動車輛、空間利用率高等特點。

參考文獻

[1] 王群，耿云玲.電磁炮及其特點和軍事應用前景[J].裝備研究，2011（2）：1-7.

[2] 陳鵬旭.一種三級加速便攜式電磁炮的設計和制作[J].電子科技，2018（12）：6.

[3] 馬文蔚.物理學[M].6版.北京：高等教育出版社，2016.