Ωmega Labs

Coilgun - topik

Az elektromos áram egyik közvetlen hatása a vezető körül kialakuló mágneses tér. Mágneses tere csak olyan tárgynak lehet, ami vagy maga is eredendően mágneses, vagy áram folyik rajta keresztül. A mágneses tér erőssége az áram erősségével egyenes arányban növekszik, ezen alapulnak az elektromágnesek. A coilgun is lényegében egy elektromágnes, amin impulzusokban folyik az áram. A lényege csupán annyi, hogy egy előre feltöltött nagyenergiájú kondenzátort kell kisütni egy solenoid (légmagos) tekercsen, aminek a középvonalába kell helyezni a ferromágneses anyagot. A dolog így is működik, de egy apró hibája van, mégpedig az, hogy ha pl. egy 500J-os kondenzátort egy kapcsolóval, netán csupasz vezetékkel kapcsoljuk a tekercsre, bizony ott szikraeső lesz, és hatalmas veszteség, leromlik a hatásfok. A megoldás egy nagyáramú félvezető, elsősorban tirisztor.
A tirisztornak megvan az a tulajdonsága, hogy hozzá lehet jutni igen nagy áramú darabokhoz, amik folyamatosüzemben ugyan nem bírnak el legtöbb esetben 200A-nél többet, de impulzusban több kA-t, vagy többször 10kA-t is. A másik előnyös tulajdonsága, hogy a gate és a pozitív oldalra rakott kisáramú kapcsolóval billenthető át kis ellenállású állásba (gyakorlatilag zárja az áramkört). A gyújtóáramra viszont ügyelni kell, egy áramkorlátozó ellenállást be kell iktatni, ha nagyobb a feszültség a tirisztoron, ugyanis hiába bír 200A-t a gate-nél maximum 1-1,5A a gyújtóáram. Ha ennél többet kap a gate-jén, akkor tönkremegy.
Az áramkorlátozó ellenállást így megfelelően kell méretezni, mégpedig a bemeneti feszültséghez. Ha változó a bemeneti feszültség, akkor egy potenciométert érdemes beiktatni.
Kondenzátort elsősorban ELKÓ-kból érdemes építeni, mert kis helyet foglalnak, és nagy energiát tudnak tárolni, az ELKÓ-k a legelterjedtebbek ebből a szempontból.
Egyszerű coilgun kapcsolása (az indítókapcsolót a gate-el és ellenállással kell sorbakötni):

coilgunsma

A töltődiódát úgy érdemes választani, hogy már tudjuk, mekkora töltőáramot képes leadni az áramforrásunk. Jelen esetben a variométer akár 20A-t is lead, a tekerés sebességétől függően.
A töltés lényege, hogy ne azonnal a maximális feszültséget kapcsoljuk a kondenzátorra, mert egy jódarabig (kapacitásfüggő) RÖVIDZÁRKÉNT viselkedik. Ez tönkreteheti az áramforrást (tápegység, elem, akksi, szabályozható trafó stb.) A dióda helyett graetz hidat is be lehet tenni, gyorsabban fog tölteni, viszont jobban beterheli a váltóáramú forrásokat. Tápegység (vagy más egyenáramú forrás) esetén sem szégyen betenni egy diódát, ha ELKÓ-t használunk, mivel így kikerüljük annak a veszélyét, hogy esetleg fordított polaritást kap a kondenzátor.
A munkatekercsnek sok gondja akad. Egyrészt a kialakítás, ami azért nagyon lényeges, mert nem mindegy, hogy milyen mágneses tér keletkezik körülötte (illetve benne). Elsődleges, hogy solenoid legyen, azaz a menetek egymás melett szorosan és esetleg több rétegben legyenek. A második, hogy mindennek vastag, tömör rézhuzalnak kell lennie, ami kibírja a kondenzátor kisütési áramát. Túl vastag nem kell, hisz ugyan nagyok az áramok, de nagyon rövid ideig tartanak, és nagyon ritkák. 2mm -től felfelé ajánlott a keresztmetszet. A tekercs, mivel minden menetén átfolyik a nagy áram, a menetei közt is fellépnek erőhatások. Ez abban nyilvánul meg, hogy kisütéskor a tekercs összerándul, kitágul, egyszóval egy gyors oszcillációt végez. A másik része a dolognak, hogy a tölténnyel ellenkező irányba próbál elindulni, ami -ha nincs erősen leszorítva - sikerül is neki, és szétveri a saját meghajtását. Így a tekercset, miután elkészítettük, ki kell önteni valamilyen ragasztóanyaggal, ami egyben tartja, és le kell fogatni.

Az ideális tekercs menetszáma 40-60menet.
A töltény súlya a kondenzátor feszültségétől, és energiájától függ.
A töltény, ha túl kicsi, mágneses szempontból telítődik, és nem fog méretéhez képest nagyobb sebességgel távozni.
A töltény, ha rosszul van helyezve a tekercs elé, vagy nem gyorsítja fel eléggé (romlik a hatásfok), vagy mikor már kirepült a töltény, akkor még folyik áram a tekercsben, így visszarántja.
A töltény, miközben áthalad a tekercsen, megváltoztatja az induktivitását.
A töltény méretezése feszültségfüggő, minél nagyobb a feszültség, annál kisebb töltényt, és minél kisebb a feszültség, annál nagyobb töltényt kell alkalmazni. A magyarázata csupán az, hogy nagy feszültség esetén hamar sül ki a kondenzátor, így rövid idő áll rendelkezésre a töltényt gyorsítani, kisebb feszültségeket ez fordítva van. Tehát a töltény méretezésénél figyelembe kell venni a feszültség/energia ARÁNYÁT
Van még egy fontos kritérium, ami a minimális energiát határozná meg. Az én véleményem szerint a rendes coilgun működtetéséhez minimálisan 50J kell (ez alatt inkább csak kidobja magából a lövedéket, mint kilövi) Azért kell ekkora energia, mert még a nagyon profin megtervezett coilgunnak is csak maximum 4-6%-os a hatásfoka.


Mindezeket figyelembe véve kell megtervezni a saját coilgun-unkat, a maximális hatásfok érdekében.

Léteznek több szegmensű coilgunok, ahol a már előre felgyorsított töltényt gyorsítja egy következő tekercs. Az ezekhez tartozó számítások hosszúak, méretezésük nagy pontosságot, és időzítés kíván. A további gyorsítótekercsek feszültsége lépcsőzetesen nő, az egyre rövidebb gyorsítóidő volta miatt.

Egy kis segítség számoláshoz : JAVA

coilguntekercs_small
coilgunfalba_small
coilgunlemezbe_small

2,2mm-es huzalból kb. 60 menet

0,3F @ 30V

Az én kondenzátorom, mivel kis feszültségű, leginkább nagyobb tömegű töltényt 'szeret' kilőni. A telítődés miatt sajnos a kisebb acélrudakat nem gyorsítja az energiával arányosan nagyobb sebességre. Amit viszont igen, az egy 100mm hosszú, 5mm vastag acélrúd. A kartondobozokat gond nélkül lövi át, a vékonyabb fémlemezekkel egyetemben.

2008.05.18 Coilgun V2:

Az előző verzióban a lassú kisülés problémát okozott a lövedék megfelelő gyorsítását illetően, ezért a 2 kondenzátort sorbakötve próbáltam ki a coilgunt. Így az eredő kapacitás 75.000uF, a feszültséget egészen 158V-ig lehet növelni, a tesztek alatt azonban 80-110V-os feszültségre volt csak feltöltve (453J tárolt energia 110V-on). A tirisztor stabil 12V-ot kap gyújtáskor egy külön tápról. A lövés után teljesen feszültségmentesíteni kell a tirisztor környékét, mert nyitva marad. A hatásfoka láthatóan javult a készüléknek, a lövedék mérete is csökkent. 6-os acélrúd, kihegyezve 4 cm hosszú. A kilépési sebesség elérheti a 20m/s-ot is (nem mértem, ez csak megközelítő érték). Kb. 10 méterre már elég pontosan lehet vele lőni, a vastagfalú konzervesdoboz falát átviszi. A kinetikus energia csak nagyon hozzávetőlegesen 10J körül mozog. Videó:

2006-2012   © Omega Labs