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。

表1 装置运行速度测试表次数 1 2 3 4 s（cm） 152 156 161 158加速级数 1级 1级 2级 2级速度（cm/s） 307 315 325 319

图1 电路原理图

图2 工作电路示意图

(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。