感应型电磁弹射器及消防车的制作方法
本实用新型属于电磁线圈发射技术领域，更具体地说，是涉及一种感应型电磁弹射器及消防车。
背景技术：
森林火灾及城市高层楼宇失火对消防灭火及救援行动带来了极大的困难和挑战。向失火森林或失火高层楼宇发射灭火弹是实施有效灭火救援行动的重要举措，受到了消防领域的广泛关注。目前，灭火弹的发射或投掷有多种不同的形式，如火炮式发射、火箭式发射、高压气体发射以及利用压缩弹簧储能进行发射等方式。火炮式发射一般利用迫击炮、榴弹炮或火箭炮进行发射；投掷方式主要是基于携带有灭火弹的无人机或直升机等航空平台，向失火区域投掷或发射灭火弹，多采用灭火弹固定解锁投掷或利用压缩弹簧储能发射。灭火弹利用上述方式发射时，发射速度不可控或可控性差，不能灵活调节发射速度，灭火效果欠佳，且发射成本高。
随着电磁发射技术的发展，其在不同领域中的广泛应用成为可能。现有技术中有人提出利用轨道炮和重接炮混合发射装置发射消防救援装备的概念。此外，还有人提出了利用多级感应型电磁线圈发射器来发射灭火弹的研究设想，但多级驱动线圈的精确驱动控制问题比较复杂，不易解决。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种结构简单可靠、可控性好、磁耦合性能好、弹射效率高的感应型电磁弹射器；本实用新型提供的感应型电磁弹射器可应用于灭火弹发射，也可拓展至捕捉网、催泪弹或发烟弹等载荷的发射，具有较强的通用性。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种感应型电磁弹射器，包括脉冲功率电源，还包括：
发射管；
底座，固设在所述发射管一端，所述发射管的另一端开放；
驱动线圈组，位于所述发射管内且一端固定在所述底座上，所述驱动线圈组包括多个同轴套设在一起的驱动线圈，所述驱动线圈由绝缘导线绕制而成且呈圆环柱体状，所述绝缘导线连接所述脉冲功率电源；
电枢，所述电枢的首端用于连接载荷物，所述电枢的尾部用于伸入所述驱动线圈的空档中，并与所述驱动线圈感应，产生将所述电枢射出所述发射管的电磁驱动力。
进一步地，所述电枢为回转体且与所述发射管和所述驱动线圈组同轴设置，所述电枢包括：
尾柱，用于置入中心处的所述驱动线圈内；
尾环，至少设有两个，用于伸入相邻两个所述驱动线圈的空档中；
首环，用于与所述载荷物固定连接；
连接体，为圆饼状，用于将所述尾柱、尾环和首环连为一体。
进一步地，所述驱动线圈的外侧设有密封壳，所述底座上设有环形槽，所述驱动线圈位于所述密封壳和底座围成的圆环柱体状空间中，所述密封壳固设在所述底座上。
进一步地，所述底座设有用于所述绝缘导线穿过的端线引出孔，所述端线引出孔位于所述发射管内侧的开口设于所述环形槽底部。
进一步地，所述驱动线圈位于所述环形槽内的长度为所述驱动线圈轴向长度的1/5至1/3。
进一步地，所述驱动线圈与所述密封壳、所述驱动线圈与所述底座之间，以及所述密封壳与所述底座之间设有间隙，所述间隙之间填充有固化物。
进一步地，所述底座上设有用于注入所述固化物的注入孔，所述注入孔与所述间隙连通。
进一步地，所述底座为回转体且外径大于所述发射管的外径，所述底座的边沿处设有沿圆周方向分布的安装孔。
进一步地，所述驱动线圈的数量为三个。
本实用新型提供的感应型电磁弹射器，有益效果在于：相比于现有技术中驱动线圈沿轴向长度分布的多级电磁弹射器，本实用新型提供的感应型电磁弹射器包括多个同轴套设在一起的驱动线圈，电枢的尾部与所述驱动线圈间的空档适配，能够伸入所述驱动线圈的空档中；基于上述结构，可通过简单明确的动力学模型对发射过程进行数学建模，通过改变脉冲功率电源中储能脉冲电容器的容量和工作电压，方便地调节驱动电流的上升速率和大小，从而精确地改变电枢所受电磁驱动力的大小，实现载荷物发射速度的精确控制，保证载荷物能够精准地发射至目标位置。
本实用新型还提供了消防车，所述消防车包括上述的感应型电磁弹射器，因此能够方便地对灭火弹的发射速度进行精确控制，从而能够配合发射角度调整，保证灭火弹精准地发射至目标位置，有效地进行灭火救灾。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的感应型电磁弹射器的剖面结构示意图；
图2为图1中x处的放大视图；
图3为沿图1中z-z线的剖视结构图；
图4为图3中y处的放大视图；
图5为本实用新型实施例提供的电枢的立体结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的底座的仰视结构示意图；
图7为本实用新型实施例提供的感应型电磁弹射器的一种系统等效电路模型；
图8为本实用新型实施例提供的底座的立体结构示意图。
图中：1、发射管；2、底座；21、基座；22、连接座；221、第一端线引出孔；222、第二端线引出孔；223、第三端线引出孔；224、注入孔；225、安装孔；226、插接槽；31、第一驱动线圈；32、第二驱动线圈；33、第三驱动线圈；4、电枢；41、尾柱；42、尾环；43、首环；44、连接体；51、电枢回路；52、驱动回路；53、脉冲功率电源；54、脉冲成形单元；55、高压恒流充电机；56、发射控制系统；6、密封壳；7、固化物。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请一并参阅图1及图3，现对本实用新型提供的感应型电磁弹射器进行说明。所述感应型电磁弹射器，包括脉冲功率电源、发射管1、底座2、驱动线圈组和电枢4；底座2固设在发射管1一端，发射管1的另一端开放；驱动线圈组位于发射管1内且一端固定在底座2上，所述驱动线圈组包括多个同轴套设在一起的驱动线圈；图中有三个驱动线圈，由外至内依次为第一驱动线圈31、第二驱动线圈32和第三驱动线圈33；所述驱动线圈由绝缘导线绕制而成且呈圆环柱体状，所述绝缘导线连接所述脉冲功率电源；电枢4的首端用于连接载荷物，电枢4的尾部用于伸入所述驱动线圈的空档中，并与所述驱动线圈感应，产生将电枢4射出发射管1的电磁驱动力。
发射管1一般为薄壁圆管，可以由不锈钢材料制成；发射时，电枢4连同所述载荷物从发射管1的开放端射出；所述载荷物一般为灭火弹，也可以为捕捉网、催泪弹或发烟弹等；发射管1的轴向长度一般为所述载荷物轴向长度的2至3倍。电枢4的首端一般通过螺纹或适配连接件与载荷物固定连接，电枢4的尾部与所述驱动线圈之间的空档形状适配，即当电枢4的尾部伸入所述驱动线圈之间的空档后，能够将上述空档基本填满；但是电枢4的尾部与所述驱动线圈之间仍具有适当间隙，一般为0.5至1mm，电枢4的其余部分与发射管1内壁之间也具有适当间隙，以确保发射时电枢4尽可能少的受到摩擦阻力的影响，提高发射效率；电枢可由硬质铝材制成，强度高且重量轻；所述绝缘导线可以为玻璃丝包扁铜线。
如图7所示为本实施例提供的感应型电磁弹射器的一种系统等效电路模型；电枢4对应电枢回路51；所述驱动线圈组对应驱动回路52，其中rc1和lc1分别为第一驱动线圈31的电阻和自感，rc2和lc2分别为第二驱动线圈32的电阻和自感，rc3和lc3分别为第三驱动线圈33的电阻和自感；ra1，…，ran和la1，…，lan分别为各丝状电枢圆环的电阻和自感，所述丝状电枢圆环为本领域一种常用的等效手段，发射过程中电枢4内感应涡流的分布是不均匀的，在建立数学模型时，通常根据电枢内涡流的分布情况将电枢等效剖分为诸多丝状电枢圆环，并假定每个丝状电枢圆环内的涡流分布是均匀的；mc1a1，…，mc1an为第一驱动线圈31与各丝状电枢圆环之间的互感，mc2a2，…，mc2an为第二驱动线圈32与各丝状电枢圆环之间的互感，mc3a3，…，mc3an为第三驱动线圈33与各丝状电枢圆环之间的互感，上述驱动线圈与丝状电枢圆环之间的互感参量均为电枢4相对于所述驱动线圈的位置函数；mc1c2为第一驱动线圈31和第二驱动线圈32之间的互感，mc2c3为第二驱动线圈32和第三驱动线圈33之间的互感，mc1c3为第一驱动线圈31和第三驱动线圈33之间的互感；脉冲功率电源53由多个模块化的脉冲成形单元54组成，每个脉冲成形单元54由储能脉冲电容器c、大功率可控硅开关scr和大功率续流二极管d组成，c和u分别为储能脉冲电容器的容量和工作电压；ic1为流过第一驱动线圈31的驱动电流，ic2为流过第二驱动线圈32和第三驱动线圈33的驱动电流，各脉冲成形单元54中储能脉冲电容器可利用高压恒流充电机55充电，充电支路上的d1、d2，…dm为高压隔离硅堆，起隔离保护作用，以确保脉冲成形单元54充电时的安全，防止当某个脉冲成形单元54发生短路故障时其他已充电的脉冲成形单元54向其放电造成爆炸的危险。
所述驱动线圈的引出端线与脉冲功率电源53连接，连接时要确保驱动电流ic1流过第一驱动线圈31，驱动电流ic2流过第二驱动线圈32和第三驱动线圈33时磁极极性方向相同；可先将第二驱动线圈32和第三驱动线圈33进行顺串连接，然后与第一驱动线圈31同侧并联；脉冲功率电源53与所述驱动线圈有多种不同的连接形式，不仅仅局限于图7所示的等效电路模型；本实用新型提供的感应型电磁弹射器既可由单个脉冲功率电源驱动，也可由多个脉冲功率电源驱动，当采用多个脉冲功率电源驱动时，需要注意以下两个问题：一是要确保所有驱动线圈在被馈电时磁极极性一定要相同，确保各驱动线圈产生的磁通可在电枢4尾部后面实现磁通的重接；二是要确保多个脉冲功率电源对相应的驱动线圈馈电时，其放电情况要保持一致且与载荷物的运动情况相匹配，即电枢4尾部脱离驱动线圈前端口附近时，各驱动电流均达到其峰值。
进行发射时，首先将集成有电枢4的载荷物从发射管1的开放端装入发射管1中，此时电枢4的尾部伸入所述驱动线圈的空档中；然后由发射控制系统56发送控制信号至各脉冲成形单元54的可控硅scr开关的控制端，使已充电的储能脉冲电容器c对所述驱动线圈放电，驱动电流ic1和ic2在所述驱动线圈周围产生变化的脉冲强磁场，并在电枢4上产生感应涡流，从而使载有涡流的电枢4受到沿轴向的电磁驱动力，电枢4连同所述载荷物在所述电磁驱动力的作用下从发射管1的开放端发射出去。此外，通过发射控制系统56改变脉冲成形单元54的接入数量，即可调节整个脉冲功率电源53中总储能脉冲电容器c的容量大小，通过改变各储能脉冲电容器c的工作电压u，这样就可调节驱动电流ic1和ic2上升速率和峰值大小，从而控制电枢4所受电磁驱动力的大小和初始发射速度。
发射过程中，由于电枢4不同部位感生的电流是不同的，所以可根据电枢4内感应涡流的分布情况，将其视为多个丝状电枢圆环，如上述的图7中的rl回路，且假定每个丝状电枢圆环内的电流分布是均匀的，通过对每个丝状电枢圆环的受力求和即可得出整个电枢的受力；整个弹射系统的动力学模型由下面的式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)组成。
式(1)中，[l]、[r]、[i]、[u]、
[i]＝[ic1ic2ia1…ian]t[u]＝[uu0…0]t
续流支路作用后，电压矩阵变为零矩阵。由式(1)和初始条件
可求解电流矩阵。然后根据式(2)计算电枢受力。
f＝[i]t[m1][i](2)
在不考虑摩擦和气动阻力的情况下，电枢及载荷物运动的加速度a、速度v和位移s可分别表示为
a＝f/m(3)
式中，m表示电枢及载荷物的总质量，v0和s0分别为初始速度和初始位移，其均为0；在数值求解过程中，需对式(1)至式(5)其进行离散化处理，在某一时间步长内，应先计算互感和互感梯度等参数，再计算电流及运动学参量，当步长足够小时，可近似认为同一时间步长内电流不变，故电枢受力和加速度也不变；当利用ansoft软件中的瞬态求解器求解时，软件会首先计算互感等参量，然后再计算每一时间步长的运动情况。
本实用新型提供的感应型电磁弹射器可单管应用，也可组合形成多管发射装置；可安装于消防车上应用于消防领域，此时所述载荷物为灭火弹；也可安装于特种车辆上应用于维稳处突防暴领域，此时所述载荷物为捕捉网、催泪弹或发烟弹等，具有通用性强的特点；同时安装在消防车或特征车辆等移动平台上也使本感应型电磁弹射器具有机动灵活的特点。应用过程中，还可根据载荷物的重量，合理设置不同数量且同轴套设在一起的驱动线圈，再利用多个脉冲功率电源对分组后的驱动线圈同时馈电，使多个驱动线圈组同时产生电磁驱动力，从而产生所需的大推力；因此本技术方案还具有能够产生瞬态大推力的优点，有望推广至微卫星姿态调整或变轨推进等领域。
本实用新型提供的感应型电磁弹射器，有益效果在于：相比于现有技术中线圈沿轴向长度分布的多级电磁弹射器，本实用新型提供的感应型电磁弹射器包括多个同轴套设在一起的驱动线圈，电枢4的尾部与所述驱动线圈间的空档适配，能够伸入所述驱动线圈的空档中；基于上述结构，可通过简单明确的动力学模型对发射过程进行数学建模，通过改变脉冲功率电源53中储能脉冲电容器的容量和工作电压，方便地调节驱动电流的上升速率和大小，从而精确地改变电枢4所受电磁驱动力的大小，实现载荷物发射速度的精确控制，保证载荷物能够精准地发射至目标位置。
作为本实用新型提供的感应型电磁弹射器的一种具体实施方式，请参阅图1、图3和图5，电枢4为回转体且与发射管1和所述驱动线圈组同轴设置，电枢4包括尾柱41、尾环42、首环43和连接体44；尾柱41用于置入中心处的所述驱动线圈内；尾环42至少设有两个，用于伸入相邻两个所述驱动线圈的空档中；首环43用于与所述载荷物固定连接；连接体44为圆饼状，用于将尾柱41、尾环42和首环43连为一体。本实施例中的尾柱41和尾环42为上一实施例中电枢4尾部的一种具体实施方式。
本实施例中，发射管1、电枢4和驱动线圈组为三个同轴设置的回转体。尾柱41用于伸入第三驱动线圈33中且与第三驱动线圈33尺寸适配，图中的两个尾环42用于分别伸入第一驱动线圈31与第二驱动线圈32之间的环形空档中，以及第二驱动线圈32与第三驱动线圈33之间的环形空档中，且尾环42与上述环形空档的尺寸适配。首环43用于与所述载荷物的尾端固定连接；首环43的外径与第一驱动线圈31外径相同且与发射管1的内径适配，首环43外圆柱面与发射管1的内壁之间具有0.5至1mm的径向间隙，保证发射过程中，发射管1内壁尽可能少的对电枢4产生摩擦阻力。
本实施例中，如图3所示，在同一截面上，形成了多层同轴套设结构，由外向内依次为第一驱动线圈31、外层的尾环42、第二驱动线圈32、内侧的尾环42、第三驱动线圈33和尾柱41；上述同轴套设结构保证了驱动线圈与电枢4之间具有较好的磁耦合性能，从而实现较高的弹射效率。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图4，所述驱动线圈的外侧设有密封壳6，底座2上设有环形槽，所述驱动线圈位于密封壳6和底座2围成的圆环柱体状空间中；密封壳6固设在底座2上。密封壳6和底座2可由环氧树脂材料制成，用于对所述驱动线圈进行安放；同时，密封壳6能够对驱动线圈进行保护，防止电枢4的尾部与所述绝缘导线的绝缘层直接接触。具体的，密封壳6与尾柱41、尾环42的侧面以及连接体44的底面之间具有0.5至1mm的径向间隙，用于尽可能减少发射过程中电枢4受到摩擦阻力；发射时尾柱41和尾环42的下端面压在密封壳6凹槽的底部端面上。一般的，如图1和图8所示，底座2包括基座21和连接座22，基座21伸入发射筒1内部，连接座22与发射筒1的封闭端固定连接，所述环形槽开设在基座21上；密封壳6最外侧的圆柱面与发射管1的内壁通过过盈配合或胶粘剂固定连接，发射管1用于容纳密封壳6处的内径大于用于容纳首环43和连接体44处的内径，上述两处连接之处形成台阶，密封壳6的上端面与所述台阶抵接，能够对密封壳6形成轴向限位；密封壳6外圆柱面的下端随发射管1的下端一起固定在所述连接座22上；连接座22上开设有用于插接发射管1和密封壳6下端的插接槽226，发射管1和密封壳6的下端涂抹胶粘剂后插入插接槽226，实现与连接座22固定连接；装配时，首先将密封壳6装入发射管1中并通过过盈配合或胶粘剂进行固定连接，然后将发射管1和密封壳6的下端涂抹胶粘剂后置入插接槽226中与连接座22固定连接。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，参阅图6及图8，底座2设有用于所述绝缘导线穿过的端线引出孔，所述端线引出孔位于发射管1内侧的开口设于所述环形槽底部。图6中虚线所示为所述驱动线圈在底座2上的对应位置。本实施例中，所述端线引出孔包括与第一驱动线圈31位置对应的第一端线引出孔221、与第二驱动线圈32位置对应的第二端线引出孔222和与第三驱动线圈33位置对应的第三端线引出孔223。第一端线引出孔221、第二端线引出孔222和第三端线引出孔223在圆周方向的夹角为120度。每个驱动线圈对应一对端线引出孔，用于引出驱动线圈的两个端线；驱动线圈的端线从端线引出孔中引出后连接脉冲功率电源。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，所述驱动线圈位于所述环形槽内的长度为所述驱动线圈轴向长度的1/5至1/3，即所述驱动线圈插入所述环形槽内的长度为自身轴向长度的1/5至1/3。一般的，驱动线圈位于所述环形槽内的长度为自身长度的1/4，位于密封壳6内的长度为自身长度的3/4，保证驱动线圈稳固的固定在所述环形槽内的同时，与电枢4之间还具有足够的耦合长度；同时上述结构还能使电枢4的尾端在轴向上向驱动线圈内错开一定距离，未与驱动线圈的底端平齐，保证电枢4位于驱动线圈内的合理初始发射位置。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图4，所述驱动线圈与密封壳6、驱动线圈与底座2之间，以及密封壳6与底座2之间设有间隙，所述间隙形成一个联通的空间区域；所述间隙之间填充有固化物7，即所述联通的空间区域内填充有固化物7。具体的，固化物7由环氧树脂和固化剂组成，在所述联通的空间区域内灌注环氧树脂及固化剂后形成固化物7，固化物7作为胶粘剂将所述驱动线圈、密封壳6、底座2和发射管1结合为一体，保证整体结构稳定可靠。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图6及图8，底座2上设有用于注入固化物7的注入孔224，注入孔224与所述间隙连通。具体的，注入孔224位于发射管1内的开口位于第一驱动线圈31对应的所述环形槽底面上。所述第一端线引出孔221、第二端线引出孔222和第三端线引出孔223在灌注环氧树脂和固化剂过程中可兼做排气孔。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图8，底座2为回转体且外径大于发射管1的外径，底座2的边沿处设有沿圆周方向分布的安装孔225。即连接座22的外径大于发射管1的外径。图中安装孔225的数量为四个，且沿圆周方向均布。借助安装孔225，本实用新型提供的感应型电磁弹射器可安装固定在消防车随动平台等发射基体上。
作为本实用新型实施例的一种具体实施方式，请参阅图1及图3，所述驱动线圈的数量为三个，即第一驱动线圈31、第二驱动线圈32和第三驱动线圈33。驱动线圈数量为三个时，既能保证整体机构简洁可靠，又能产生一般发射需要的瞬时大推力。
本实用新型还提供一种消防车，所述消防车包括上述的感应型电磁弹射器，因此能够方便地对灭火弹的发射速度进行精确控制，从而能够配合发射角度调整，保证灭火弹精准地发射至目标位置，有效地进行灭火救灾。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
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