Перевод статьи с http://www.coilgun.eclipse.co.uk/theory.html
by Roman.
Основы
coilgun (1 из 3)
Coilgun
электромагнитного сопротивления
Coilgun электромагнитного сопротивления - это
в своей основе соленоид, который может запускать металлические или стальные
снаряды точно в течении времени действия тока в катушке. Рисунок показывает строение очень простого coilgun
в разрезе.
Если пропустить короткий импульс тока
через катушку, снаряд начнет разгоняться (втягиваться) в катушку. Если этот импульс
прервать точно в момент, когда снаряд будет находиться в середине катушки, снаряд
покинет катушку с приобретенной
скоростью. Это, в кратких словах, как работает coilgun. Один из наиболее важных аспектов разработки coilgun – это корректировка времени действия
импульса. Существует множество усовершенствований, которые могут быть выполнены
для улучшения КПД и эта статья покажет несколько путей исследования.
Для чего это используют?
Пока coilgun не имеет какого-либо индустриального
применения в настоящем, имеются предположения, что эти системы могут быть использованы
для запуска полезных нагрузок на орбиту. Это привлекательное предложение, но существует
множество технических трудностей, которые должны быть решены, перед тем как это
сможет быть рассмотрено в качестве исполнимого проекта. Более реалистичный проект
может быть таким, где транспортному средству придается начальная скорость от
длинного coilgun ускорителя.
После вылета из coilgun транспортное средство должно запустить ракетные
двигатели для достижения орбиты. Этот проект мог бы в результате значительно
уменьшить затраты топлива. Для армии coilgun может быть в качестве технологии будущего,
но на первом месте исследований кинетических ускорителей стоит railgun [1]. Вас может удивить то, что в coilgun нет ничего нового. Пионером в этом
типе электромагнитных ускорителей был норвежский ученый Kristian Olaf Birkeland [2].
Существуют два разных типа coilgun. Первый – электромагнитного сопротивления(1)
coilgun, который
использует ферромагнитное свойство притяжения снаряда для получения ускорения.
Второй тип это индукционный coilgun, в котором сила, вызывающее ускорение
является отталкивающей и возникает из-за действия вихревых токов индуцируемых в
снаряде, когда катушка ‘стреляет’.
Документ фокусирует внимание на coilgun электромагнитного сопротивления,
хотя будущие обновления будут ближе к индукционному типу. В качестве обзора начала исследований электрического gun смотрите [3].
(1) Это названо сoilgun электромагнитного сопротивления (a reluctance), потому что сила заставляет снаряд
двигаться в направлении уменьшения магнитного сопротивления.
[1] Richard A.
[2] Alv Egeland, "Birkeland's Electromagnetic Gun: A Historical
Overview", IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 17, No. 2, April
1989.
[3] Ian R McNab, "Early Electric Gun Research", IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 35, No. 1, January 1999.
Основы Coilgun (2 из 3)
ПОПРОБУЙ ЭТО !
У Вас зудят руки по сбору coilgun, или Вы просто хотите попробовать
его с минимальными затратами. Я опишу простые комплектующие, которые могут быть
изготовлены из ширпотреба (common hobby materials). Это простой coilgun с микропереключателем времени
действия тока и питанием от 12 вольтовой батареи. Дульная энергия этого coilgun менее чем 0.5 Джоулей.
Как минимум Вам необходимы
следующие инструменты и исходные материалы:
1. Острый нож.
2. Слесарная ножовка.
3.
Ручная
дрель с набором сверл.
4. Плоский напильник.
5. Круглый напильник.
6.
Тиски
так же будут полезны.
7.
Аналоговый
или цифровой мультиметр.
8. Паяльник.
9.
5-минутная
эпоксидная смола или суперклей.
10.
Небольшой
6мм(1/4") лист доски (sheet balsa wood) и немного 3мм(1/8") фанеры.
11.
Рычажный
микропереключатель (миниатюрный на 5A или стандартный
на 15A).
12. Батарея на 12В.
В добавление к этому вам необходимы
компоненты для частей coilgun:
Первое – Вам необходимо решить, что
Вы будете использовать для снаряда и трубы (ствола) ускорителя. В идеале снаряд
будет точно по форме трубы, но слегка уменьшенный тоже будет нормальным. Начните с поиска подходящей трубы. Материал не имеет значения для опытного
coilgun, так как
он будет обладать низкой энергией. Любая пластиковая трубка и металлическая (не
стальная) будет работать, так что найдите что-нибудь около 300мм (12”) в длину
и внутренним диаметром между, скажем, 6 и 10 мм (1/4” – 3/8”). Итак, у Вас есть
ваша труба ускорителя и Вам необходимо найти подходящий снаряд. Одна и самых простых
вещей для этого – это стальной болт или гвоздь. Они бывают различной длины и диаметра,
Вам необходимо выбрать подходящие к вашей трубе. Убедитесь, что они не из нержавеющей
стали, поскольку металл может быть ферромагнитным или не ферромагнитным в
конкретном сплаве. Длина болта не так важна, но я советую сохранить соотношение
длина/диаметр между 2 и 5. Другими словами если диаметр болта 10мм, тогда длина
его должна быть 20-50мм. Кроме того Вам необходимо помнить, что от длины снаряда
будет зависеть длина катушки (или наоборот). Длина катушки должна быть, по крайней
мере, как снаряд, поэтому более длинный снаряд означает более длинную катушку. Итак,
у Вас есть подходящий болт. Очевидно, что Вам необходимо отрезать
шляпку и гладко обработать напильником края. Не существует точного указания на форму,
можно сделать подобно пуле, если Вы действительно хотите этого. Это не имеет каких-либо
различий пока у Вас coilgun с низкой энергией. Проверьте, что снаряд будет скользить
на всем пути в трубе, не застревая. Если он застревает, Вам надо будет
уменьшить напильником его диаметр до тех пор, пока он не начнет скользить
свободно. Не волнуйтесь, что у Вас может получиться слегка форма овала, наиболее
важная вещь – это прохождение через трубу без заеданий.
Следующее на повестке дня
проволока для катушки. Как и в большинстве электрических машин coilgun-ы используют эмалированную медную
проволоку, так же известную как магнитная проволока (magnet wire). Эта проволока имеет очень тонкое
лаковое покрытие для изоляции, поэтому больше проволоки может быть помещено в
ограниченном пространстве. Вы можете использовать простую толстую жилу кабеля ‘bell wire’
если Вы не можете найти эмалированную проволоку. Диаметр проволоки не критичен,
что есть важным, так это то, что катушка имеет достаточное сопротивление для
ограничения тока на безопасном уровне. Я бы предложил сохранить плотность тока между
10 и 20Амм2, это гарантирует, что ничего не испариться (сгорит) если
микропереключатель окажется включенным. Вам не следует сильно беспокоиться о
номинальном значении тока микропереключателя, он может легко справиться с
коротким импульсом в несколько номинальных величин. Большинство миниатюрных микропереключателей
идут номиналом на 5А, тогда как большие стандартные переключатели могут быть на
15А.
Конструкция
Первая вещь, которую Вам необходимо сделать – это вырезать
прорезь для микропереключателя. Чтобы сделать это хорошо, Вы следует зажать трубку в тисках. Поместите снаряд внутрь
секции трубы, чтобы пока вы зажимаете, она не раздробилась. После того как Вы вырежете
прорезь, обработайте небольшим напильником вкруг внутренних краев прорези, чтобы
удалить все заусенцы, и убедитесь, что снаряд легко может скользить. Теперь Вы можете
вырезать деревянные полоски и приклейте их на место. Далее приклейте ограничители для катушки на место. Попытайтесь закрепить их перпендикулярно трубе. Вы можете захотеть поставить несколько уголков для поддержания прямого угла между ограничителями и трубой.
|
M8
болт использован для снаряда. Мне пришлось спилить немного резьбы, чтобы он скользил
в трубе свободно (диаметр около 7.9мм). |
|
|
Это прорезь для микропереключателя, вырезанная в трубе с
прикрепленными клеем деревянными полосками. Это 'paxolin' труба (из прессованной бумаги, я думаю). |
|
Здесь мы имеем основные компоненты готовые для сборки. Ограничители
катушки вырезаны из 3мм(1/8”) фанеры. Центральные отверстия просверлены немного
меньшим диаметром, и после немного подпилены для того, чтобы крепко сидеть на
трубе. Это поможет сохранить перпендикулярность, пока они будут приклеиваться
друг к другу. Заметьте небольшой вырез в правом диске. Начало первого слоя проволоки выходит через этот вырез. Он выровнен с поверхностью трубы, поэтому проволока выйдет точно к
переключателю. |
|
|
Здесь показано изменение рычага микропереключателя. Небольшая
пара иголок от Шичиков для носа – лучше всего подойдет для этого. Переключатель
должен закрываться, когда рычаг пройдет полпути, или он не сможет работать правильно.
В секции ниже показано необходимая форма рычага. Небольшой загиб рычага позволяет
переключателю быть установленным выше, оставляя конец загиба вне пути снаряда. |
|
Геометрическое положение микропереключателя. Микропереключатель
должен быть замкнут, когда снаряд заряжен до конца в трубу. Если снаряд такой
же длины, как и катушка, переключатель откроется ненадолго, пока снаряд не
окажется в середине катушки, давая хороший импульс тока. |
|
|
Собранные части, готовые к намотке провода. Обратите
внимание на дополнительные укрепляющие
уголки. Был использован суперклей, он намного быстрее чем эпоксидная смола, но
будьте осторожны, чтобы не склеить свои пальцы. (были случаи!). Убедитесь,
что Вы оставили достаточно проволоки, чтобы она достала до переключателя. |
|
|
Это собранный coilgun. Катушка
намотана проводом 0.8мм и имеет 16 слоев дающих сопротивление около 1,5 Ом. Использование
12В батареи даст короткий импульс тока амплитудой 8А (плотность тока 16A/мм2.) Конец провода просовывается через маленькое отверстие в ограничителе катушки. |
|
Эта
вырезка показывает соединения микропереключателя. Переключатель и катушка
подключаются к 2мм медным выводам.
Заметьте, что диод припаян к концам катушки. Это
хорошая идея использовать ‘коммутационный’ диод, поскольку это продлит жизнь контактам
микропереключателя, особенно с катушкой большой индукции как здесь. Если Вы внимательно
посмотрите, Вы также увидите прожженные отметки на дереве, которые сделаны
паяльником. Убедитесь в соответствии полярности и выводов. Если Вы подадите
напряжение неправильно, это может сжечь диод. Прочтите раздел Inductive Switching, если Вам
необходимо узнать об этом подробнее. |
|
Подсоединение батареи
Вы уже
дошли до этого раздела! Все, что Вам теперь нужно, - это простая схема для подключения
батареи к coilgun. Схема ниже показывает различные части и как они соединены. Заряд снаряда замыкает SW1, поэтому Я добавил кнопку ‘огонь’ (SW2) так, что теперь снаряд может заряжаться при подключенной батарее. Вам не надо беспокоиться о том, чтобы
удерживать кнопку ‘огонь’ короткое время, после выстрела.
(1N5401 – аналог КД280Б)
Работает?
Конечно!
Посмотрите AVI фильм (basic_coilgun_movie.avi) этого coilgun в действии. Запуск от 12 вольт дает дульную скорость
3.5м/с, от 24 вольт скорость увеличится до, приблизительно, 5м/с. Это
достаточно быстро, чтобы заинтересовать и безопасно для экспериментов на столе.
Если Вы ищете более быстрый coilgun, тогда Вам необходимо будет
подумать о увеличении напряжения, полупроводниковом переключателе и об
оптимизации геометрии вашей катушки. Этот coilgun умышленно неоптимизирован, поэтому
он не опасен.
Основы Coilgun (3 из 3)
Индукционный Coilgun
Классический индукционный
coilgun
в основе своей
идентичен coilgun электромагнитного сопротивления с точки зрения своей
конструкции. Разница состоит в том, что снаряд отталкивается от катушки благодаря
действию вихревых токов, индуцируемых в снаряде. Снаряд должен быть не ферромагнитным
(из меди или алюминия) и стартовая позиция должна быть немного дальше центра в
катушке (??? otherwise it wont experience a net force when the coil is fired).
Переключаемый(The
Reconnection) Coilgun
Переключаемый coilgun (так же известный как ускоритель
плоских дисков) состоит из двух катушек с двух сторон снаряда. Когда импульс тока
воздействует на катушки в снаряде, появляются
вихревые токи и взаимодействие тока в
катушках и вихревых токов выталкивают снаряд. Как только снаряд покинет катушки линии магнитного потока катушек (As the
projectile leaves the coils the flux lines from the coils 'reconnect', hence the
name [1]). Цилиндрический
индукционный coilgun выше
так же вышел из reconnection coilgun.
Coilgun Томпсона
Это другой вариант индукционного
coilgun
и он работает по тому
же принципу, как и классический индукционный coilgun. Снова снаряд изготовлен из неферромагнитного
материала как медь или алюминий. Рисунок ниже показывает один из возможных
дизайнов простого coilgun Томпсона.
Когда катушка стреляет, стальной
сердечник становится намагниченным и магнитный поток увеличивается в значении, что
вызывает периферический вихревой ток и снаряде. Индукционный ток, взаимодействуя
с током катушки, отталкивает снаряд от сердечника. Больший магнитный поток вызывает больший индукционный
ток и результирующую силу, действующую на снаряд.
Для выработки большего магнитного
потока обычно необходимо использовать высокое напряжение (>100 V). Из-за риска электрического удара
от высоковольтного конденсатора эти варианты coilgun-ов не подходят для начинающих..
[1]
M. Cowan et al, "The Reconnection Gun", IEEE Transactions on
Magnetics, VOL. MAG 22, NO. 6, November 1986.
