一种基于电磁动力航模弹射器的设计制作

一种基于电磁动力航模弹射器的设计制作

项目基金：安徽省合肥市合肥工业大学大学生创新创业项目（项目编号：2017CXCYS017）摘要：本文根据航模弹射器单人操作的需求，设计了一种基于电磁动力的航模弹射器。该弹射器主要由线圈组、传动装置、航模支架组成，通过升压模块给电容充电，光电开关和可控硅控制电容给线圈组放电，形成强磁场使铁磁材料受洛伦兹力，牵引导轨上的滑块，从而实现航模的弹射。该航模弹射器具有单人可操作性、续航能力强的优点。关键词：电磁；弹射；控制；航模引言目前国内所制造的航模弹射器都为弹性力弹射器，依靠的动力为金属弹簧、橡皮筋的收缩弹力，这种弹射器需要很长的长度来手动拉动弹簧或橡皮筋，随之导致弹射器的体积变大，占地面积、重量增大。而且这种弹力弹射器至少需要两人才可以使航模正常的弹射起飞，不具备单人可操作性。而本文所述的电磁动力航模弹射器体积小，为一般弹力弹射器体积一半，极大的减少了地形因素的影响，并且具有单人可操作性。1845年，查尔斯·惠斯通制作出了世界第一台磁阻直流电动机，并用它把金属棒抛射到20米远。此后，德国数学家柯比又提出了用电磁推进方法制造"电气炮"的设想。轨道炮（RailGun）由法国人维勒鲁伯于1920年发明，轨道炮是电磁炮最常见的式样。本文所利用的原理就是电磁炮原理的简化版。1原理分析1.1电磁动力原理电磁动力航模弹射器原理类似与电磁炮和线圈炮，电磁炮是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速，使其达到打击目标所需的动能。同理，电磁动力航模弹射器是利用电容依次给定子线圈充电，在线圈周围形成强大的磁场、并与铁磁材料感应电流的磁场相互作用，产生洛伦兹力推动铁磁材料运动。考虑到交流电难以在室外使用，选用直流电源供电。单独给铁磁材料供电会增加机械结构的复杂性，因此采用感应式铁磁材料。1.2逐级加速控制原理铁磁材料每经过一个定子线圈，就让相应的电容放电，定子线圈产生磁场，铁磁材料就被加速一次。第一级定子线圈通放电通过发射开关控制，其他定子线圈通过光电开关检测铁磁材料的位置，铁磁材料到达指定位置则及时发出信号使电容放电，从而使铁磁材料达到连续加速的效果。1.3航模驱动原理铁磁材料能够连续加速运动后，将铁磁材料与导轨上的滑块使用钢丝绳相连接，中间加以滑轮，滑块能与铁磁材料同步运动。航模与滑块通过设计的装置相连接，铁磁材料向前加速时，滑块带动航模在倾斜导轨上加速，最后运动到导轨末端，航模与滑块分离而释放，完成弹射。2电路的设计2.1总体电路分析整体电路图如图1所示，图示仅为三级加速电路。从左到右依次为一、二、三级，更高级数的电路连接方式同三级电路。图1总体电路2.2升压充电电路铅酸蓄电池作为整个电路的电源，蓄电池正负极输出与升压模块输入端的正负极分别相连，正极之间串联一个充电开关，可控制蓄电池是否给升压模块供电。升压模块将12VDC输入升为450VDC输出，其输出端正负极与450V的电容相匹配连接，电容正极上正向串联整流二极管6A10，以防止电容对升压模块反向放电。各级电容相互并联，充电时升压模块依次给电容充电，放电时电容单独放电互不影响。使用时，按下充电开关即可让蓄电池充电，充满电后关闭充电开关。2.3控制放电电路2.3.1可控硅70tps16可控硅为单向三线可控硅，引脚分为K（阴极）、A（阳极）、G（控级）。单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通。单向可控硅是由三个PN结组成的半导体元件，它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点。可控硅导通条件一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压，以上两个条件须同时具备，可控硅才处于导通状态。2.3.2光电开关光电开关是利用光敏电阻，以光源为媒介，控制电路通断的原件。光电开关选用PNP常开型，一般有蓝、棕、黑三根线，蓝色为负极，棕色为正极，黑色为输出级。蓝线与棕线之间接12V直流电源，PNP型光电开关输出端输出为正信号（高电平），且输出端黑线接负载。2.4使用原理说明电容给定子线圈放电是通过可控硅控制的，而可控硅的导通，第一级是由发射开关控制的，后续级是通过光电开关控制的。使用时，电容已经充满电，按下发射开关，第一级可控硅因G极通入正向电流而导通，第一级电容则给定子线圈放电，驱动铁磁材料运动到第二级。铁磁材料到达第二级线圈前端，常开光电开关检测到铁磁材料的位置，则黑线输出正向电压给第二级可控硅G级，可控硅导通，第二级电容给线圈放电驱动铁磁材料向第三极运动，以此类推，铁磁材料持续向前加速运动。3整体结构框架弹射器整体分为三层。最底层存放电子元件等物品，中间层放置整个发射装置，绕有定子线圈的pvc管固定在中间层，上层安装有导轨和滑块，上层和中间层各有一滑轮，pvc管内的铁磁材料通过钢丝绳经过两个滑轮与最顶层的滑块相连。4总装置调试与实验将各个组件相互连接在一起就组装成了本文所述的电磁航模弹射器。经过实验，弹射器成功在实地弹射出了一架普通航模，单人操作并且可以多次弹射，续航能力也很高。5结论实验表明，以电磁为动力的航模弹射器是可行的，本文所述的弹射器确实能够有效的弹射出普通航模。此电磁动力航模弹射器具有单人可操作性、安全性高、续航能力强的优点，并且极大的减