Pululf bygger en coilgun

[pululf]

Coilgun-prosjekt

 

 

Sommeren står for døren, og med det følger et nytt sommerprosjekt! I fjør prøvde jeg meg på å bygge en railgun, noe som gikk så som så. Den fungerte, men ikke veldig bra. I år vil jeg prøve meg på noe nytt, nemlig en coilgun!

 

Hva:

En coilgun er en type elektromagnetisk akselerator, siden den bruker elektrisk energi til å akselere et prosjektil. Helt grunnleggende består en coilgun av en eller flere ledningskveil(er). Når det går strøm gjennom kveilen vil det oppstå et magnetfelt rundt den som trekker prosjektilet til seg. Så skrus strømmen av, og prosjektilet fyker ut av kveilen på den andre siden. Denne animasjonen gir en pekepinn på hvordan det fungerer:

(Wikipedia)

Hvorfor:

Jeg har lenge vært interesert i elektromagnetiske akseleratorer (EMAs), siden det er en relativt uprøvd teknologi som hobbyister slik som meg selv kan prøve seg på uten at det skal koste så alt for mye. Det dekker mange forskjellige teknologiske og vitenskapelige aspekter, hovedsakelig elektronikk og elektromagnetisme. I fjor prøvde jeg meg som sagt på å bygge en railgun, som er en annen type EMA. Kondensatorbanken er navnet på den komponenten som lagrer all energien som brukes når disse akseleratorene avfyres, og er på mange måter "hjertet" i en rail- og coilgun. Jeg bygget en i fjor, og den fungerer fortsatt perfekt, så jeg bestemte meg derfor for å bruke den til noe nyttig.

Åpne spoileren for et bilde av kondensatorbanken!

 

 

Her ser du 16 stykk 300VDC 5800µF-kondensatorer, koplet i paralell for en samlet kapasitans på 98mF(!). Den klarer å lagre 4400 joule, men for å øke levetiden vil jeg ikke forsøke å lagre mer enn 3800 joule.

 

 

 

Hvordan:

Klok av skade fra railgun-prosjektet i fjor, har jeg denne gangen tatt meg god tid til å planlegge. I 6 måneder har jeg prøvd å lære så mye jeg kan om emnet, samt funnet mitt eget design som vil fungere, og som ikke vil sprenge budsjettet helt. Valget falt på et 9-stage-design, der 9 kveiler eller "coils" som det heter på engelsk, avfyres i rask rekkefølge og akselerer prosjektilet. Jeg bestemte meg for et til nå uprøvd IGBT-SCR avfyringssystem som bruker IGBTer og SCRer for å bestemme hvilke coils som skal få strøm. SCR-ene er de sorte firkantene du ser ved siden av hver coil på artikkelbildet. Strømmen leveres gjennom to kobberskinner(brune) som vil ligge ved siden av coilene. Fra det blå kontrollpanelet styrer jeg alt.

 

Slik det er nå, er elektronikkdelene på vei i posten. Disse kjøpte jeg fra amerikanske Digi-Key, og skal brukes til å bygge systemet for å måle prosjektilfarten, kondensatorbankladeren, samt alle de 9 trigger-kretsene. Prosjektilet har jeg kontaktet en maskinverksted for å få laget.

 

Jeg vil bygge den i garasjen til min far mens jeg er på besøk i sommerferien. Jeg vil begynne å bygge 7. juni, og i mellomtiden vil jeg oppdatere denne tråden med litt mer detaljert informasjon om prosjektet siden det er alt for mye til å få plass i en eneste post.

 

Planlagte oppdateringsposter:

1. Trigger-systemer

2. Simuleringer og effektivitetsbestemmelse

3. Nærmere beskrivelse av coilene

4. System for fartsmåling

 

Linker med informasjon om emnet:

Wikipedias artikkel om coilguns

4HVs wiki-artikkel om coilguns. Mer utfyllende og praktisk.

En faktisk coilgun. Ikke veldig kraftig, men estetisk bra.

 

Kommentartråd

Endret 27. mai 2012 av pululf

[pululf]

Hei igjen!

For å holde liv i workloggen inntil jeg faktisk får begynt å bygge den, så skal jeg som lovet gå litt nærmere inn på diverse detaljer på coilgunnen.

 

Jeg tenkte å begynne med coilene.

 

Coiler, kalt kveiler på norsk, er rett og slett en lang elektrisk leder som er surret rundt en form. Det som er vanligst å bruke er såkalt Magnet Wire. Magnet Wire er kobbertråd med et tynt lakk-lag som fungerer som isolasjon. Grunnen til at man bruker magnet wire isteden for vanlig ledning i coils, er at ledninger har et veldig tykt isolasjonslag, noe som ikke er bra når man ønsker å utnytte plassen i en coil så godt som mulig! I spoileren kan du se hvordan en typisk coil ser ut. Tykk kobbertråd er viklet mange ganger rundt en form, og holdt på plass av tre-bitene.

 

 

 

En coil består vanligvis av mellom 50-2000 turns av kobbertråd. Når man sender en strøm gjennom kobbertråden, vil det skapes et magnetfelt rundt og gjennom coilen, og det er dette magnetfeltet som trekker til seg prosjektilet. Trykk på spoileren for en illustrasjon:

 

 

Her ser man snittet gjennom en coil som det går strøm gjennom. Strekene er magnetfeltlinjene, og fargene indikerer styrken på magnetfeltet. Man ser at coilen oppfører seg som en vanlig stavmagnet:

 

Hvis man bygger coilen inn i et skall av jern, vil magnetfeltlinjene holde seg til jernet, og man vil må en mye høyere flukstetthet inne i coilen. Dette er bra, for da får man en mye større tiltrekkende kraft på prosjektilet, og det vil akseleres til høyere farter. Det å bygge coilen inn i et skall av jern kalles "flux enhancement". Sammenlign bildet over (uten skall av jern) med bildet under. Det er nøyaktig den samme coilen, men nå har den fått et lag av jern. Man ser at magnetfeltet holder seg til coilen og skallet dens.

 

Når prosjektilet nermer seg coilen, vil den føle en stor kraft som akselerer den inn i til midten, og magnetfeltet vil konsentrere seg rundt prosjektilet. Hvis du trykker på bildet under, vil du se en animasjon. I denne simuleringen kan man se at magnetfeltet konsentrerer seg rundt prosjektilet, og at det blir større en 2,5 Tesla! Dette er et veldig stort magnetfelt, og prosjektilet opplever en akselerasjon på over 1800 g! Til sammenligning kan mennesket tåle omtrent 5-6 g før vi besvimer. Siden coilen er veldig kort (8cm i mitt tilfelle), får den ikke store farten selv om akselerasjonen er veldig høy.

 

 

 

Coilgunnen min kommer altså til å ha 9 slike coils. Jernskallet rundt vil jeg lage av polymer og jernpulver. Jeg blander polymer og jernpulver sammen, og heller det opp i en form. Grunnen til at jeg bruker jernpulver+polymer, og ikke et solid jernskall, er på grunn av eddycurrents. Når en leder (slik som jernskallet) får en endring av magnetfluks, altså at magnetfeltet som passer gjennom det endrer seg, vil det settes opp en strøm i lederen som motsetter seg fluksforandringen. Dette vil igjen minke akselerasjonen på prosjektilet og minke effektiviteten. Og det kan vi ikke ha noe av! Ved å bruke jernpulver i polymer, vil det ikke være fysisk kontakt mellom jern-partiklene. Dermed kan det ikke gå strøm gjennom coil-skallet, og det settes ikke opp et magnetfelt som motvirker akselerasjonen. Disse "eddycurrent"-ene er en av de største grunnene til at mange hobbyister ikke klarer å lage effektive coilguns, og det er også grunnen til at løpet som prosjektilet beveger seg i må være laget av plast eller et annet ikke-ledende materiale, for ellers vil det settes opp eddycurrents i løpet.

 

Polymeret får jeg kjøpt på biltema, og jernpulveret på Ebay. Jeg må nok også kjøpe mer magnet wire. Jeg kjøpte litt for noen måneder siden, man da var planen å ha 3 coils, ikke 9!

[pululf]

Har nå begynt så smått på byggingen. Jeg venter fortsatt på en del ting i posten, så jeg bestemte meg for å begynne å bygge elektronikken som skal styre hele greia.

 

Først ut er strømforsyningen. Det er denne som skal lade opp kondensatorbanken. Den består av en likeretter, en 35-ohm motstand (ikke på bildet), og et relé. Ved hjelp av et potentiometer kan jeg sette en grense på hvor mye ladning kondensatorbanken skal ha. Når den når nivået jeg har satt, skrur releet seg på og oppladningen avsluttes.

 

 

 

 

 

IGBT-kontrolleren er en annen viktig del. Den har 9 inputs, og når den mottar et signal fra en av dem, skrur den på IGBT-en. IGBT-en virker som hovedbryteren for strømmen, og det er viktig at den skrur seg på ekstremt fort. Jeg har valgt å bruke en IGBT driver som kan levere 9A pulsed til IGBTen, noe som burde være mer enn nok. De røde LED-ene vil lyse opp når det kommer et signal, og vil gi meg en lett måte å se om det er noen signaler som ikke oppfører seg som de skal før jeg tar den i bruk.

 

 

 

 

Den kretsen som skal detektere prosjektilet har det vært veldig vanskelig å få til å fungere! For det første oppdaget jeg at Op-ampen ikke tåler mer enn 6V, mens jeg hadde designet kretsen til å gi den 9V. Dessuten hadde jeg over 6V på den positive inputen, noe som også ville ødelagt den. Jeg var altså nødt til å fullstendig re-designe hele kretsen, men fortsatt kun bruke de komponentene jeg hadde i det gamle designet! Det gikk bra, og etter et par dager med mye roting (Trodde blant annet at jeg brukte NPN-transistorer når jeg faktisk brukte PNP), fikk jeg til slutt loddet alt på et kretskort.

 

 

Bruker et solderless breadboard for å teste om kretsen fungerer før jeg lodder den på et kretskort.

 

Ferdig! Fungerer perfekt. Den består av to like kretser på hver side av kortet. 9V spenning kommer fra 2-pin connectoren. Gjennom 8-pin connectoren koples det to IR LED og to fotodioder. Når prosjektilet beveger seg mellom de to LED-fotodiode-parene, vil 3-pin-connectoren gi et signal.

 

 

 

Kommentartråd

[pululf]

I dag fikk jeg den elektroniske telleren/frekvensmåleren i posten. Denne skal bygges inn i kontrollpanelet og fortelle meg hvor høy fart prosjektilet har! Liten, men veldig nyttig sak.

 

 

 

 

 

Ellers har jeg fikset på kondensatorbankladeren, oppdaget en feil som gjorde at jeg måtte endre litt på designet.

 

 

Har også fått laget frekvensgeneratoren som skal brukes til å bestemme hastigheten til prosjektilet. Det er en 555-timer krets fra Texas Instruments satt i en monostabil mode. Den gir et firkantsignal, og med en bryter kan jeg velge mellom 100 kHz og 10kHz. To potentiometerene brukes til å fininstille frekvensene. Når prosjektilet bryter en laserstråle vil denne kretsen lage et signal (enten 100 eller 10kHz), som så blir telt av den elektroniske telleren nevnt over. Når prosjektilet så har passert laseren kan jeg lese av hvor mange signaler som ble telt, og regne meg frem til hastigheten.

 

Her er noen bilder jeg tok i dag!

 

 

 

Tester om den fungerer før jeg begynner å lodde.

 

 

Jeg bruker et lite håndholdt oscilloskop for å måle frekvensen til signalet. Som man ser er signalet ikke fullstendig firkantet siden jeg nærmer meg grensen for den øvre frekvensen 555-timeren kan produsere.

 

Ferdig krets på kretskort.

 

 

Ser ut som et rottereir bak, men slik blir det ofte XD

 

 

 

Kommentartråd

Endret 11. juni 2012 av pululf

[pululf]

Hei!

 

Nå har jeg fått kveilet den første coilen. Den består av to deler, og hver coil har følgende spesifikasjoner:

- 3,3 cm lang, 30 turns per lag

- 18 lag

- Totalt rundt 550 turns

- 1.5 ohm

- 480 gram

 

Jeg har egentlig laget trecoiler, men den ene festet seg fullstendig til kveileriggen min, og ble ødelagt da jeg prøvde å få den av.... Ødela riggen i samme slengen, men den tok bare et par timer å få på beina igjen. Har også fått fem stykk én meter lange kobberskinner som jeg skal bruke som hovedstrømførererne. Hvis du ser på bildet i førsteposten, så er det de brune lange skinnene som ligger ved siden av coilene.

 

Her er noen bilder!

 

 

Dette er altså kveileriggen, hvor jeg kan stille inn hvor lang kveilen skal være.

 

Dette er den ene av de to coilene som skal settes sammen og bli én.

 

Her er begge to. De veier en del til tross for størrelsen!

 

Tok dette bildet når jeg kveilet den ene coilen.. Jeg legger maskerinstape mellom hvert lag for at den skal holde seg sammen når jeg fjerner den fra riggen.

 

Kobberskinner!

 

 

Her ser man den ødelagte coilen. Det innerste laget ble dratt ut med kveileriggen! Fullstendig ubrukbar, men kobbertråden kan fortsatt brukes i en annen coil. Tar dermed vare på den.

 

 

 

Kommentartråd

Endret 19. juni 2012 av pululf

[pululf]

I dag har jeg jobbet på platen som coilgunnen skal bygges på. Har fått festet den første støtten, samt skrudd på strømskinnene. I morgen skal jeg prøve å få fikset elektronikken som skal festes på strømskinnene (SCR-ene, en motstand og en power diode), samt bli ferdig med IGBT-modulen som jeg fikk begynt på i dag, men som jeg desverre ikke har bilder av.

 

Tar og poster bildene utenfor en spoilertag denne gangen siden det er ganske få av dem.

 

 

 

Endret 20. juni 2012 av pululf

[pululf]

Hei igjen!

 

Nå har jeg laget kontrollpanelet og den første "leddet" (stage).

Kontrollpanelet er delt opp i to rom, det nederste skal romme all elektronikken for photo-triggerene, mens det øverste rommet har resten, slik som strømforsyningen, kondensatorbankladeren, elektrononikken for fartsmåleren, samt litt annet småtteri. Panelet er ikke helt ferdig heller, siden jeg mangler en skrutrekker for knottene som skal på potentiometerene. Jeg må også finne en måte å feste en rektangulær 9-dip bryter.

 

 

 

 

Kappen til det første leddet laget jeg av en mix av polyester og jernpulver. Polyester og pulver ble blander sammen i en omtrent 4/6 ratio og helt oppi former. Jeg hadde først tenkt å ha det nærmere 1/4, men da ble det som en fuktig "paste" som ikke kunne helles. Ved å bruke 4 deler polyester og 6 deler jernpulver var det akkuratt flytende nok til å få oppi formene. De er laget av pakningsgummi jeg kjøpte på biltema.

 

 

Ute av formen:

 

Pusse litt for å få vekk de stygge kantene:

 

Da var kveilene på plass inne i kappen!

 

 

Kveil med kappe og endestykker, montert på platen:

 

Her er et bilde av prosjektilet. Den er laget av en stålstang med diameter 12,7 mm, og stålet er av typen EN1A, altså har den et veldig lavt karboninnhold. Det er så nærme rent jern man kan komme og fortsatt regnes som stål. Den veier 75 gram.

 

Jeg testet ut kveilen ved å kople den opp til et 18V drill-batteri, og det er skikkelig trekk i den! Gleder meg veldig til å få testet den ut skikkelig.

Endret 2. juli 2012 av pululf

[pululf]

Hei!

 

Det har stått stille med prosjektet en stund nå. Jeg klarte å ødelegge IGBT-modulen min ved den første prøve-avskytningen, og måtte dermed bestille ny på nettet. Det tok to uker før den kom frem, og i mellomtiden var det ikke stort jeg kunne gjøre. Når den først kom, viste det seg at IGBT-driveren min var veldig dårlig laga, og måtte dermed lage en helt ny en. Men så ville IGBTen ikke skru seg på når spenningen over den var over 100 volt.

 

Det har altså vært problem etter problem nå i det siste Det var meningen jeg skulle fyre den av på ordentlig i dag, men det styrtregner, så det må jeg altså vente med. Når det blir bra vær skal jeg få tatt masse bilder, filme, etc, og forhåptentligvis vil den fungere skikkelig!

 

Men det kan ikke være oppdatering uten bilder, å her har dere to:

 

Her ser man min nye igbt-modul. Den består av to igbt-er som hver kan takle 550A, eller 1100A i en 1ms-puls. Det skal nok være nok for min bruk.. Man ser også den nye igbt-driveren (den har blitt endret enda mer, men har ikke bilde av den).

 

Og slik ser det ut når jeg tester coilgunen. Her har jeg bare én kondensator, men når den avfyres på ordentlig vil det være 16 av dem.

 

Kommentartråd

Endret 28. juli 2012 av pululf

[pululf]

Dårlige nyheter:

Det ble en kortslutning under avfyringen, og igbt-modulen ble herpa. Jeg har bestemt meg for å legge prosjektet på is siden sommerferien snart er ferdig, og at en ny modul vil koste 2-3 tusen kroner.

 

Beklager dette for alle som har fulgt med!

Endret 31. juli 2012 av pululf