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直线多极矩电磁推进系统设计与实现

申报人：陆黄丹 申报日期：2025-01-10

基本情况

2025年批次
直线多极矩电磁推进系统设计与实现 学生申报
创新训练项目
理学
物理学类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
电磁推进技术是一种利用电磁力作为推进力的技术，相较于传统的机械推进和化学推进，电磁推进技术具有高效能（相较于化学燃料推进理论上能量转化效率高约30%）、初速度不受滞止声速限制、环保性、高速度等特点。 本项目基于已有的电磁推进基础探索直线电磁推进的基本原理结构，并拟设计一款性能更优越、发射更稳定、电枢捕获效率更高的多极矩型电磁推进器。
曾经参与大创项目基于伊辛模型对生物制药企业价值链的研究与应用
主持完成广西自然科学基金一项，参与在研国家基金两项、广西自然科学基金一项。
指导教师支持本项目的开展，为本项目提供方案论证、理论指导、实验设计、经费支持等。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陆黄丹 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 总揽项目、方案设计与具体实施
董科堂 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 电磁推进系统的模型设计与数据分析
吴靖 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 电磁推进系统的电路设计
李金权 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 查找文献、方案设计
庞煜楠 物理与电子信息工程学院 应用物理学 2023 撰写阶段报告与总结报告

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
胡光辉 物理与电子信息工程学院 否

立项依据

    电磁推进技术相较于传统的机械推进和化学推进技术有着更广泛的质量推进范围，更高的初速度，更清洁环保等优点，此技术在当前航天航空、军事及民生领域得到广泛运用。但是目前常规的电磁推进技术——导轨型、线圈型、重接型，这些电磁推进技术均有了完善的发展，但仍具有各自的缺陷。
    本项针对以上技术存在的缺陷，保留已有的电磁推进技术的优点，拟设计一套高效、可控、低损耗的直线电磁推进系统，通过Magnet及Ansoft Maxwell等有限元仿真软件对电磁推进系统进行模型建立，并使用Infolytica Magnet软件进行三维瞬态运动仿真，通过理论分析与实践验证相结合的方法，检验设计的可行性，并对其性能进行分析，探索提高的途径，为相关领域的技术进步提供支撑。
        直线电磁推进系统相比较于机械结构发射，具有无噪音无磨损，推进力更加平稳，易于控制等优点。直线电磁推进系统作为一种高效、环保的推进方式，在国内外都受到了广泛的关注和研究。随着相关技术的不断发展和应用领域的不断拓展，直线电磁推进系统将会在未来的工业生产和国防领域中发挥更加重要的作用。具体研究内容包括：
1. 直线电磁推进系统的基本理论研究
        直线电磁推进系统的工作原理基于电磁感应定律和洛伦磁力定理。当导体在磁场中运动的时候，会在导体中产生感应电流，感应电流在磁场的相互作用力下产生电磁力，从而驱动道题沿着磁场的方向运动。在直线电磁推进系统中，通常通过在推进器的两旁通道的电极施加电流，在此形成垂直于通道的磁场，导体经过该磁场的时候便会在电磁的作用下产生电磁力推动导体高速喷射，进而推动导体高速前进。
2. 直线电磁推进系统的电路设计和模型设计
（1）电路设计
        在直线电磁推进系统中，电源与控制系统是确保系统稳定运行和实现高效推进的关键部分。根据直线电磁推进系统的特点，本项目将选择高效、稳定的直流电源作为主要电源，通过电池组或超级电容器储能，确保系统在运行过程中具有足够的能量供应。同时，考虑到系统的高效性和稳定性，我们将研究并应用先进的电源管理技术，如脉冲宽度调制（PWM）控制，以实现能量的精确控制和优化。我们使用电路连接模拟软件Multisim进行电路模拟并对其进行仿真测试。大致电路图如下：

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                                                                                                                            图 1：电路原理图
（2）模型设计
        使用建模软件如Magnet和Ansoft Maxwell等有限元仿真软件对电磁推进系统进行模型建立。
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                                                                                                                          图 2：直线电磁推进器结构图
                                                                                                                           summernote-img
                                                                                                                                图 3：多极矩轨道图
3. 仿真参数设计
        使用Infolytica Magnet软件进行三维瞬态运动仿真，并通过有限元法求解电磁场耦合问题，得出电枢在不同参数下的发射性能。
-公式为 ：F = qE + qv×B其中，F为电枢所受的电磁力，q为电荷数量，E为电场强度，B为磁感应强度。通过对不同极数和层数的探究，比较出效率性能最优的设计。
4. 直线电磁推进系统的实验验证与性能评估
（1）实验验证
        在实验开始之前，需搭建实验平台，构建直线电磁推进系统的实验环境，这涵盖直线电机、电源管理控制系统、负载装置等组件的装配与调试步骤。这一环节至关重要，需确保所有组件之间的连接既精确又牢固，从而能够顺利实现预期的电磁驱动效能。
在实验阶段，我们将向系统输入特定的信号指令，以检验其是否按照既定的方式正常运作。例如，我们会测试系统能否实现精准的直线轨迹运动、速度调控等功能。与此同时，还需密切监测并记录系统的关键运行参数，诸如电流强度、电压值、运动速度以及加速度等。这些参数不仅是评估系统性能优劣的关键依据，也为后续的数据解析工作奠定了坚实的基础。
此外，在系统持续运行的过程中，还要仔细观察并记录其性能指标的波动情况，从而全面评估系统的稳定性能和可靠程度。这一步骤有助于我们及时发现系统可能存在的故障隐患或潜在问题，为后续的系统优化提供宝贵的参考信息。
（2）性能评估
        动力性能评估：包括最大输出功率、最大转矩、加速性能等。这些指标直接关系到系统在实际应用中的动力表现，例如直线电机的加速能力和持续推力等。
        效率性能评估：系统的效率决定了能源的利用程度。对于直线电磁推进系统来说，高效率意味着更低的能耗和更高的运行经济性。效率评估需要考虑电机的损耗、控制系统的能耗等因素，并计算系统的整体效率。
控制性能评估：评估系统对电流、速度、位置等参数的精确控制能力。包括系统的响应速度、稳定性、抗干扰能力等。通过控制性能评估，可以了解系统在复杂工况下的运行表现，并为控制系统的优化设计提供依据。
热管理性能评估：直线电磁推进系统在运行过程中会产生大量的热量，因此热管理性能也是评估系统性能的重要指标之一。通过测量系统各部件的温度分布和升温情况，以用来评估系统的散热性能和热稳定性。
5. 直线电磁推进系统的应用
        直线电磁推进技术具备以下优势：首先，其电枢的起始速度不受声速极限的制约，理论上电磁推进所能达到的最大初始速度可达每秒几十千米，射程近似于导弹，且当前该技术在实验中的速度已远超声速限制。这一特性在军事上有重要应用，可以开发为电磁武器，用于防空、反舰导弹及反装甲作战，凭借其超高速度轻松突破敌方防御。其次，该技术效率高且成本低廉，传统化学炮弹的成本仅约0.1美元，而电磁能转换为动能的效率在理论上能达到50%。在航天领域，直线电磁推进技术可用于地面定点推进和航天器轨道转移，例如飞机的弹射起飞。目前，舰载机主要采用滑跃或蒸汽弹射方式起飞，效率较低，而电磁推进系统能将效率提升数十倍，与全电战舰如美国的福特级航母所采用的电磁弹射技术相匹配。再者，直线电磁推进技术能适用于广泛的质量范围，从几克到几十吨的物体均可被推动。
                                                                                                           summernote-img
                                                                                                                             图 4：电磁弹射启动飞机
        在民用方面，它可用于高速撞击实验、核聚变反应激发以及磁悬浮列车等。例如，美国洛斯阿拉莫斯实验室正计划利用电磁驱动技术将物体加速至每秒几十千米，撞击靶材，以达成托卡马克装置中控制核聚变的触发条件。
                                                                                                         summernote-img
                                                                                                                 图 5：采用电磁发射弹丸击中靶标瞬间 
        随着材料科学、电力电子技术和控制理论等相关领域的发展以及全球化进程的加速，各国之间在电磁推进系统领域的交流与合作密切进展。目前，直线电磁推进系统不仅仅局限于交通和军工领域，在工业自动化、智能制造和航空航天等领域的应用也越来越广泛，各国都积极研究并想在此方面取得一些领先的地位。
        从1844年Benningfield先生首先提出电磁炮的概念，到1845年，哥伦比亚大学的Charles G.Page教授制作出世界上第一个简易的电磁推进器，在之后越来越多的科学家投入这一领域的研究之中。
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                                                                                                                         图 6：早期的电磁炮模型
        在这些国家之中，美国的技术最为前沿。美国在1978年，应 H.D.Fair 等人提出的“关于发展电磁炮和发射器的建议”，在美国陆军装备研究发展中心（ARDEC） 的提议下，成立了有关电磁发射技术研究的国家咨询委员会和技术学部。并进行一项国家计划，以评估电磁发射技术及其大范围应用的可行性，一范围包括运输、航空航天、能源和宽广的军事领域的应用。
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                                                                                                                             图 7： 美军33MJ电磁炮
        为了促进电磁发射技术理论的提高和工程技术的发展，由美国陆军军备研究和发展司令部（ARRA-DIOM）以及国防高级研究规划局主办，于1980年召开了第一届电磁发射技术讨论会，决定以后每隔2～3年召开1次，并允许其它有关国家参加，具有一定的国际性质。目前已举办了九届国际研讨会。
效法美国，欧洲各国为推动电磁发射技术的进步，建立了“欧洲电磁发射技术讨论会”制度。第一届会议于1988年9月在荷兰的德尔夫特（Delft）召开。以上这两类有关电磁发射的学术交流会，已经成为观察当今世界电磁发射技术发展的窗口。 与此同时，从1989年开始，美国国防部根据国会的一项法令，每年向两院军委会提出《国防部关键技术计划》，把电磁发射（电炮）技术放在了显要的位置，极其重视该技术的发展，并逐年增加研究经费[1]。
        相比较于国外的一些发达国家，电磁推进技术在我国的发展起步较晚。但是近些年随着越来越多的科研单贷和高校投入了电磁发射枝术领域的研究，我国在该领域的发展取得了较大的进步。最早在上世纪80年代初，我国的一些专家学者对电磁推进理论和相关技术进行了初步的研究和探索。最早在上世纪80年代初，我国的一些专家学者对电磁推进理论和相关技术进行了初步的研究和探索。1988年8月，中国科学院等离了所设计了一套导轨型电磁炮，在试验中将重为50g的弹丸加速到了3km/s，前期的研究大部分都集中在导轨型电磁推进装置。1996年，中国一程物理研究院设计制造了一套线圈型电磁推进装置,将一个重量为1kg的弹丸加速到了60m/s，并且对外详细介绍了这套推进系统的设计原理、控制系统和发射过程。在多级加速推进方面，2012年，西北机电工程研究所设计制造了一套4级的线圈型电磁推进系统，在随后的一年，又联合了华中科技大学，将4级拓展到了15 级，进行了测试，将重量为5kg的电枢加速到了220m/s，整系统的能量转化效达到14.5%[2]。
        近年来，我国工程师成功制造出连续射击后不会损坏的电磁轨道炮，至此国产电磁炮技术取得集群式突破，这是我国在电磁炮领域取得的重大进展。
我国在电磁炮领域取得了重大突破，不仅在技术瓶颈、性能优势、多种口径样机研制等方面取得了显著成果，还成功实现了电磁炮上舰测试和储能技术的领先。此外，我国在武器载荷通用电磁发射技术方面也取得了突破，为电磁发射在军事和民用领域的应用提供了广阔前景。同时我国电磁发射技术在民用转化成果也已经崭露头角，如电磁轨道灭火炮、电磁轨道橇等。
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                                                                                  图9：由我国建造的世界首个“电磁撬”
        2022年6月17日，中国第三艘航空母舰被正式命名为中国人民解放军海军福建舰，福建舰上有一个引人注目的地方，那就是它采用了电磁弹射技术。
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                                                                                             图10：福建舰航母
        2023年8月份，知名的中国舰船动力与电气工程专家、工程院院士马伟明少将和其团队在《电工技术学报》中发布题为《电磁发射技术中的现状与挑战》的论文中明确官宣：“海军工程大学攻克了大口径高磁密线圈设计制造技术、紧凑型脉冲电源技术等一系列难题，实现了百kg级一体化电磁弹出口速度达到数百m/s以上,目前正在发展中质量高马赫数(1000 m/s)电磁线圈发射技术。”
        总而言之，中国发展电磁武器技术，无论是从军用还是从民用的角度讲，拥有巨大的应用前景。
参考文献：
        [1] 李立毅,程树康,刘宝廷.直线电磁发射技术的发展现状及前景[J].微电机(伺服技术),1999,(02):26-30.
        [2] 隆小飞.多极矩电磁推进系统效率影响因素的综合分析和扭转特性研究[D].西南交通大学,2017.
1、电磁推进系统相较于传统推进系统具有能源效率高。
2、拟提出了一种新型的多极矩电磁推进模式，预期实现改善了传统电磁推进技术的缺陷，提升能量转化效率。
3、通过有限元仿真分析多种影响因素，如电压、电容和电枢结构参数等，对推进系统的效率进行了深入研究。

本研究方案遵循的主线索为：理论研究—模型设计—总体设计—仿真参数设计—仿真结果及数据分析—实物测试及性能评估。技术路线如下图所示：
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                                                                                                                                 图 11：技术路线图
拟解决的问题：
        克服传统多极矩电磁推进结构缺陷，提升系统能量转换效率及电枢运动性能，改善扭转多级多极矩场发射器、双电枢模型效率与速度提升难、直线磁通切换电机的双凸极结构定位力较大等问题。
预期成果：
（1）通过本项目的研究，设计与实现性能更优越、发射更稳定、电枢捕获效率更高的多极矩型电磁电磁推进系统。
（2）预期研究结果实现实物建造、撰写论文一篇、总结报告一篇。

第一阶段（2024.12-2025.01）项目研究方案设计：
收集资料，查找文献，对所进行的研究项目充分认识，在老师指导下完成具体实验方案设计，熟悉研究方法，了解实验和测试所涉及软件、硬件以及连接方法。评估模型开发的可行性和可能出现的技术难点。
第二阶段（2025.02-2025.08）模型设计、性能模拟及实物建造：
采用multisim进行电路仿真设计，使用建模软件如Magnet和Ansoft Maxwell等有限元仿真软件对电磁推进系统进行模型建立，并使用Infolytica Magnet软件进行三维瞬态运动仿真，并通过有限元法求解电磁场耦合问题，得出电枢在不同参数下的发射性能。选择合适材料进行实物构造，并进行实物试验。
第三阶段（2025.09-2025.11）分析总结：
实验数据与结果分析，项目结果整理、论文撰写、总结报告的撰写。
查阅了电磁推进技术的相关资料与论文文献，学习了用于模型设计和电路设计相关的软件（Marget等），对电磁推进系统有了清晰的了解。
物理与电子信息工程学院拥有本项目所需的相关设备，指导老师所在的实验室具备测试模型的实验条件，可以为本项目的数据测试和改进提供条件。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 6000.00 无 5000.00 1000.00
1. 业务费 1500.00 无 500.00 1000.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 500.00 图书资料 500.00 0.00
（5）论文出版费 1000.00 出版论文 0.00 1000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 1500.00 试制设备 1500.00 0.00
4. 材料费 3000.00 实验材料 3000.00 0.00
结束

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