电磁级联加速运输模型的设计与制作

恩禾 曲艺 徐浩 沈梦云 陈恩怡

摘  要：该文设计制作了一种利用电磁级联加速的运输系统模型。单级单元利用电容器瞬间放电给螺线管产生的磁力对铁质物体加速，多级之间通过控制时间继电器的延时实现级间依次加速。该模型的研制结合当今运输系统发展背景，可对将来发展物流管道运输新型系统的研制具有借鉴意义。该文从原理、设计制作、磁化影响三方面对模型系统的工作过程进行介绍。

关键词：级联加速  管道运输  节能环保

中图分类号：TL252                                 文献标识码：A                         文章编号：1672-3791（2019）04（a）-0024-02

随着时代的进步，运输方式已不再局限于传统的海陆空，如无人机送货、管道投送这些新兴的的运输方式正逐渐进入人们的生活，英国政府也在21世纪初提出要在伦敦建立一套全新的地下管道物流系统，此系统为利用气压差进行物件的运输。电磁学作为物理学中的一个重要分支，对人类来说是非常重要并且极具发展前途的。依据电磁学的原理，人们已经制造出了包括电磁起重机、回转加速器和电磁加速器等一系列应用到电磁感应的原理来工作的装置。

其中电磁加速器是现在各个大国都在研究的热门领域，利用电磁加速可以在更加环保的条件下获得更好的加速效果，在战略性武器和航空航天都有着十分广阔的前景，如超级高铁、电磁炮等[1，2]。该文设计的是一种以电磁能作为动力，管道为导向的运载系统。该系统包括：（1）电路部分;（2）1个水平玻璃管作为运输管道;（3）3组独立的绕在玻璃管上螺线管线圈。运载系统电路使用24V电压，2A额定电流，通电之后首先对电路的3组电容（7400uF，35V）进行充电，当电源电流逐渐趋于0A说明充电已经完成，此时将九脚双掷开关切换到工作电路，首先时间继电器（HHS16B）开始计时工作，在达到设定时间后运行其内部的双掷开关使电容停止充电并开始向通电螺线管供电产生磁场，完成对运载体的加速。该系统以通电螺线管产生磁场对铁质物体的作用为原理，集自动化和高效于一体，节能环保。相对于履带运输灵活性更强，且采用多级分级加速，更加高效。

1  设计与实现

1.1 通电螺线管加速磁性物体原理

当铁质物体靠近磁场时被磁化，成为磁体，所以利用磁场对磁体的作用力可以实现对运载体的加速作用。磁场对磁体的作用力可表示为：

其中H为磁场强度，其定义式为H=B/μ0-M，式中B是磁感应强度，M是磁化强度，μ0是真空中的磁导率，等于4π×10-7Wb/（m·A）。H的单位是A/m。在高斯单位制中H的单位是Oe。1A/m=4π×10-3Oe，V为铁质物体体积。从（1）可以看出通过改变磁感强度的大小可以改变对铁质物体的作用力大小，也就是可以改变铁质物体的加速度。通电螺线管内部磁感强度B可表示为[3]：

其中，n为螺线管单位长度上线圈的匝数，I为通电电流。从公式（2）可以看出当固定匝数不变，改变螺线管通电电流I的大小，可以改变螺线管内磁感强度的大小。

1.2 电路设计图

电路的基本设计思路是利用通电螺线圈产生磁场，对铁质材料制造的圆柱体产生的磁力作为加速动力。利用图1电容器C对电力的储存和时间继电器TR延时开关有效控制通入螺线管中电流的有无来实现对铁质材料负载的级联加速。

（1）双掷开关S：使用九脚双掷开关实现对3组电容充电电路与放电电路的切换，避免对电容器持续充电造成能量损失，对整体电路运行有着至关重要的作用。

（2）电容器C：装置使用的电容器规格为35V，7400uF。考虑到铁质材料通过通电线圈过程存在加速区和减速区，利用电容器的放电在一瞬间完成实现强化加速区的加速效果，弱化减速区的减速效果，达到对负载加速的作用，同时电容器对于整体电路还起到一定的保护作用，由于电容器放电量是已知的，实现了固定电压为螺线圈提供电压，一定程度节约了能源。

（3）时间继电器TR：时间继电器的型号为HHS16B，时间设置可以精确到0.01s。通过计算铁质材料在玻璃管中前进时间设置时间继电器的延时，控制电容的放电，从而实现级联加速。

1.3 工作过程

图2中“S”为主控制开关，“R”为低阻抗线圈（可根据管道实际情况增减数量），“KT”为时间继电器（数量可根据实际情况配合线圈增减），“DY”为装置的供电设备，“C”为超级电容（可根据实际情况配合线圈增减），“KT”为时间继电器控制的双掷开关，控制电容充电回路，放电回路的通断。

当九脚三档开关闭合时，继电器得电开始运行，其时间设置可由速度测算进行设定，当计时完成时，时间继电器启动并控制其内部双掷开关运作，电容充电回路断开，电容放电回路接通，线圈得电其内部磁场驱动载体运行。

2  结果与讨论

为了研究运载系统对铁质物体级联加速效果，该文测量了加速后铁质物体的运动速度，并进行了比较分析。

测算速度采用平抛法测量。具体过程如下：先测出运载系统距离地面的高度H，然后测量加速后的铁质物体（质量为0.3g）从运输管道飞出的水平距离s。这样就可以根據平抛物体运动规律计算铁质物体飞出运输管道时的速度，也就说加速后的速度v。速度可以用（3）式求出。

其中g为重力加速度。表1为一组速度数据（高度H=120cm）。

从测量结果看，运载系统成功利用磁力对静止的铁质物体实现了加速，使得铁质运载物体经单级加速后可获得约为3.11m/s的运动速度。经级联加速后的速度约为3.22 m/s，相比于单级加速获得的速度，略有加大，有加速效果并不太明显。如果随着加速级数的增加，速度值有望进一步增大。级联加速效果不明显可能是由于铁质物体在磁场中加速时被磁化的结果。由于实验中使用了铁质物体作为负载，而铁质物体在螺线管磁场作用下会被磁化。磁化后成为新的一个磁体，与螺线管磁场的相互作用表现为同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引。当位于螺线管起始位置的时候铁质物体被磁化成与螺线管磁性相反的磁级，此时铁质物体被吸引而加速，快速运动较长距离;当位于螺线管1/4处铁质物体受到的吸引力仍大于排斥力仍然会受到加速，但运动长度明显不及起始点;当位于位于螺线管中间处，螺线管磁场对铁质物体的吸引和排斥作用力均等，磁体在原地保持不动，当位于3/4及终止点处时，铁质物体所受排斥力大于吸引力，从而使得铁质物体被减速。由此可以将螺线管内部分为一个加速区（前半段）和一个减速区（后半段）。这也是该文使用电容器快速放电给螺线管通电的原因。这样设计是为了让铁质物体通过加速区时螺线管是通电的，在通过减速区时电容放电完成使得减速区减速效果降低从而提高工作效率。同時，该装置使用的玻璃纤维管会对运载体存在一定的摩擦阻力，且运送物件质量越大阻力越大。由于装置运输条件为非真空，所以存在一定的空气阻力。阻力的存在必然会影响到加速效果。因此可以考虑在未来实际使用的加速运输管道系统时采用阻力较小的管道系统。

3  结语

该文通过电容放电控制螺线管电流实现了对铁质物体的加速，并利用时间继电器实现了级与级之间延时加速的设想。利用电容的瞬放电，相较于持续供电电路，有效抑制螺线圈减速区作用。实现多级级联加速，可以充分发挥电磁驱动作为新时代动力能源绿色、高效、稳定的作用，顺应电磁驱动的时代潮流，克服现有地下物流管道系统理念对地形、车辆、空间要求严格的缺陷，提供一种新型管道物流装置的构思，该装置具备高效、无机动车辆、空间利用率高等特点。

参考文献

[1] 王群，耿云玲.电磁炮及其特点和军事应用前景[J].装备研究，2011（2）：1-7.

[2] 陈鹏旭.一种三级加速便携式电磁炮的设计和制作[J].电子科技，2018（12）：6.

[3] 马文蔚.物理学[M].6版.北京：高等教育出版社，2016.