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1、第一次尝试全自动coilgun项目开始于2010年11月,最初的设计是一个高压,单级、电容器驱动coilgun我CG-41打了电话。我希望实现一个枪口约7.5焦耳的能量与火(学院)的4轮的速度每秒(RPS)。然而, 设计了充电电路,这是一个巨大的2.5千瓦DC-AC逆变器为了从汽车电池电力设备。逆变器是巨大的,沉重的,多个电源问题,使它从容易集成到coilgun设计。设计爆炸的规模和复杂性,以适应充电电路虽然仍未能正常工作,它必须放弃2011年6月在测试阶段。理解Coilgun物理CG-41是蛮力尝试设计一种全自动coilgun。基本上CG-33的升级版,这是一个有限的设计。我决定从头开始,并
2、重建我的枪基于物理的理解而不是线性思维。这第二个迭代将称为CG-42。coilgun是直线电机。电子产品爱好者詹姆斯保罗已经开发了一个伟大的一个基本的直线电机的数学模型在其网站上Coilgun系统。请在这里读到他的模型。从模型中一个关键的结论是thatcoils成为更高效的弹丸的速度增加。这一结论排除了单级coilgun作为一个好的设计,因为全功率时倾倒预先弹仍然进展缓慢。更好的设计采用多个低功率线圈分发加速度在更长的距离,更少的能量被浪费在初始加速度慢的部分。弹丸加速,随后线圈越来越有效所以添加更多的线圈和延长枪提高效率和增加枪口能量。这意味着一个高效、强大的coilgun将长,有尽可能多的
3、阶段。同时,不需要大电流产生更逐渐加速。全自动coilgun这是好的,因为它消除了需要电容,充电电路,及其缓慢充电时间和功率损耗。有更多了解coilgun物理,但这一点的知识已经可以认真改进设计。需求第一步是决定我要coilgun来完成。设计过程应该专注于满足这些需求在最简单、最直接的方式1。粉碎的力量:枪口的能量至少10 j2。全自动:至少10 RPS3。便携式:长度小于58厘米(CG-33长度)4。可维护性:所有零件接近进行维修或更换5。很酷的:没有磁带,纸板、木材、或彩色塑料用于建筑数学通常,coilgunners开始设计乘以电容器能量方程的预测效率因子看到他们需要多少存储能量产生压制能
4、量E。然而,由于这枪不会使用电容器,是行不通的。通过使用三个简单的运动学方程,一个同样愚蠢的但同样有用的共和党枪口能量方程可导出电池coilgun驱动在t时间和平均功率P d距离就是需要加速弹丸初速度质量m的vi vf最终速度。注意3假定常数加速度方程,这是一个与一个高度密切近似multi-staged coilgun。首先消除t喂养方程3为E方程2和重新排列来解决。假设vi = 0自弹是不动的,并使用方程1消除vf。重新排列为E解决,我们到达最后的公式枪口能源电池驱动coilgun:最常见的评论我得到coilguns是我应该使用轻弹来提高性能。这个方程显示为什么建议是错误的。这是违反直觉的,
5、但固定的权力和距离(如固定电容器银行和线圈),轻弹将获得更少的枪口能源比更重。这个方程将用于指导设计过程。弹每个coilgun的一部分,从电源到线圈,设计基于弹的属性。首先我需要确定初速我想要什么。我想至少CG-42拍摄CG-33一样快,具有初速40米/秒。我10 j枪口能源需求和方程1,这意味着弹应该有12.5克的质量。钢钉造就伟大的炮弹自他们吱吱地叫,快速的机器,体面的磁性。我碰巧有一堆6.5毫米直径的指甲遗留一个家装。如果我把他们50 mm长度和锐化,他们出来12.3 g是足够接近!钢钉好炮弹线圈的数量获得最好的效率,我想选择最长的可能加速距离和这个长度划分为尽可能多的线圈。这减少了电力
6、需要达到所需的枪口能量。平衡的是,每一个阶段必须附有一组切换硬件和电路,这很快就会变得昂贵,难以容纳一个便携式设计阶段的数量变得太高。基于我弹的长度和最大长度要求的枪,我发现8几乎可以安装到设计阶段。电池接下来选择的电池。我开始重新排列方程6 coilgun突破解决的电力需求。我已经从前面的步骤E和m。八个50 mm线圈和一个同样大小的50毫米弹,这导致d = 8 x0.05m = 0.4米。因此,弹需要提供大约500瓦特来满足炮口的能源需求。接下来,我需要想的总弹(电池)我coilgun的效率。基于其他multi-staged,电池驱动coilguns,我可能希望6和10%之间的整体效率。这
7、意味着电池必须能够供应5000到8300瓦。当谈到便携式电池,锂聚合物(脂肪)细胞的最前沿技术(至少在爱好者可以支付多少)。脂肪细胞有burst-current评级100 c(amp-hours容量100倍)与六个细胞包系列(6 s)的最大电压25.2 v。这些电池可用能力2500 mah,3600 mah,5000 mah。这些电池的选择满足电力需求具有良好的利润率。谈到便携式电池,锂聚合物(脂肪)细胞有效的传播力量弹,线圈必须最大化磁力对弹丸。力量弹成正比线圈电流乘以的线,因此,电池必须有足够高的电压将大量的电流通过线圈与许多的线。出于这个原因,我选择使用两个6 s电池系列共计50.4 v
8、。我定居在3600 mah包以确保线圈可用大量的权力,很多照片可以被解雇之前,电池需要充电。电源、iCharger 106 b平衡充电器,毒液赛车22.2 v,6 s 3600 mah 50 c Li-Polymer电池组开关开关的功能将决定最大电流线圈必须设计画画。因为这个设计将使用相同的线圈(见线圈截面)每个阶段每个阶段也可以使用相同的开关。这个设计的可控硅会在所需要的电流降至零为了关掉,这不会发生在电池。我有几个遗留IGBTs CG-41这应该很好地工作。开关他们可以通过电流脉冲300,并在一个紧凑的ISOTOP包螺丝终端,使他们容易附着在母线和低规电线。盒IGBTs现在的各种损失必须考
9、虑,以确保足够的力量将会交付给线圈。我估计电池和连接电线将增加大约40 m线圈的电阻串联。此外,IGBTs将消散约900 w时进行完整的300年。这使得P =(300 * 50.4 v - 0.004* 300 2 - 900 w)= 10620 w仍然交付给线圈。这满足5000 - 8300 w功率估计好利润允许任何变化。现在的各种损失必须考虑,以确保足够的力量将会交付给线圈。我估计,最后,注意,场效应管具有相同额定电流可以使用这些IGBTs大约一半的功率损耗,但较高的额定电压IGBTs会让我更快地关掉线圈,减少“suck-back”效应和提高效率(见电压抑制部分)。桶coilgun,桶的主
10、要目的是保护内部的线圈的弹丸受损的挺了过来。桶的主要选择标准是它应该密切配合弹,最薄的墙壁。当coilgun亢奋时,弹丸和线圈与磁路。弹和线圈之间的任何空间的非磁性材料就像一个脂肪电阻器在电路和限制的传播实力从线圈弹。因此薄,紧桶减少塑料的数量和空气之间的线圈和弹丸,提高效率。金属桶是理想的,因为它薄墙, 但激励线圈会产生涡流金属材料由于其导电性。的力量浪费在这些涡流可以显著和减损coilgun的效率。削减length-wise槽桶可以减轻涡流,但我没有工具来完成这项工作。CG-42的桶,我选择了一个低摩擦聚四氟乙烯管,弹得很好。线圈对于一个积极引发coilgun这样(见线圈触发)每个线圈的电
11、感阶段不需要改变占弹丸速度的增加,所以每个阶段可以使用相同的线圈设计。的物理尺寸线圈已经由抛射体的尺寸和最大外半径我将限制枪支的物理尺寸。然后我设计了一个线圈,将适合在空间而有尽可能多的把电线最大化磁力和画一个峰值电流300安培的电池。我选择使用low-gauge铜磁铁线,最大限度地减少线圈内的电阻率和浪费的空间维度。铜电磁线电压抑制线圈是一个电感,和一个电感储存能量的磁场。当一个电感器从其电力供应,电感器使用它存储能量,产生一个电压,试图保持电流。如果我只是关掉线圈在适当的时候,线圈电感会产生电压尖峰,很容易超过最大额定电压IGBTs和摧毁他们。解决方案是抑制电压峰值通过电感能量别的地方去。
12、这通常通过连接一个二极管anti-parallel线圈。IGBT关闭当前时,二极管开始进行,使线圈中的电流流通,它衰变和消散热量。这关闸当前必须迅速消散,任何剩余电流线圈后弹丸通过中心点会减缓弹下来。所花费的时间消散当前可以显著减少通过添加一个电阻串联二极管。CG-42中的每个线圈使用的整流二极管高浪涌电流额定值和大功率电阻迅速消散线圈关闸电流。磁通增大通量增大的做法是将线圈内一些磁性材料以减少磁路的磁阻,提高磁弹和线圈之间的联系。研究表明,亚铁结束帽可以给一个巨大的性能提升等低功率线圈的我计划。更高的权力coilguns可以浸透后盖的有限能力被磁化,使效率提高不那么重要。铁粉和环氧树脂用于形
13、成线圈端帽确定的有效性帽CG-42项目结束,我将做一个粗略的比较我的线圈之间的磁场强度和使用的研究。研究设置涉及到40 m的线圈和23个嗯,33000年该电容器银行收取60 v。这将导致平均放电电流为472 a。磁场强度方程的一个理想的线圈的中心是B =0 * N *我/ L0哪里磁常数为1.25710 - 6 T * m / N是匝数,我是当前和L是线圈的长度。研究线圈70转,27毫米长。这导致平均磁场强度为1.54 Teslas。相同的方程应用到CG-42线圈给平均场强of1.23 Teslas。如果更高的研究线圈磁场强度获得了显著的性能提高从结束帽,那么我也应该可以看到类似的性能提升如果
14、我建的类似的成分。线圈触发的重要阶段coilgun反馈切换时线圈。如果切换机制不适应,一个小不规则阶段引入了一个计时误差放大在随后的阶段。电池耗尽与重复的镜头,如线圈加热,线圈将减少电流和产生加速度。从而为室温的时序优化线圈和一个新的电池不会适合热线圈或部分耗尽电池。线圈的时机必须积极适应所有可能的情况。完成这比听起来要容易得多。一个简单的红外传感器可以被放置在每个线圈的入口,这样弹块进入线圈传感器,并清除传感器弹丸符合线圈的中心(如果弹和线圈长度相同)。电路可以触发线圈只要传感器被阻塞。这导致了近乎完美的时机,每次。这CG-42实现的一个简单的电路,只使用少量的模拟组件。弹给水系统唯一的移动
15、部件所需的机制设计提要炮弹到线圈。我能想到的最简单的方法是将炮弹存储在一个弹簧盒杂志(就像一个典型的自动武器)和穿孔的炮弹顶部的杂志通过一个现成的电磁“注射器”。电磁弹簧,所以它将回到起始位置被解雇后允许杂志中的另一个弹滑下拍摄的。大多数coilguns使用电磁饲料机制背后的电磁立即杂志的地方。然而,吃了珍贵的长度,否则会被更多的线圈,因此我选择地方杂志上面的电磁和装备用一个小“手臂”,达到推动炮弹的杂志。回位弹簧电磁机械设计完成后,我设计了一个电路,控制喷油器和允许用户选择半或全自动模式。电路还设置最大rate-of-fire,从第八阶段中读取一个信号触发,以确保只有一个镜头是一次发射。电源
16、:触发和喷油器控制电路要求低,稳定电压正常运转。可用25 v的电池太多,因此,电源必须降压电池电压更有用的东西。有两个选项进行直流降压。首先是一个线性调节器廉价、简单的设备,分流术与余热未使用的电压,降压比率高的浪费。第二个选择是巴克转换器,一个集成电路(IC)驱动一个电感和一个二极管,以减少电压。我决定,提高效率是值得的,并设计两个巴克转换器一个电源控制电路和第二个目标激光。同时,脂肪电池可以损坏如果排水低于3 v /细胞(或 18 v 6细胞总包),所以每个电池低电压检测器设计电源。这是一个简单的电路,灯红领导当电池低于18 v。最后,添加了两个绿色led电源作为指标,一个灯开启使巴克转换
17、器时控制电路,和另一个灯高端电池插入时,线圈成为动力。枪架枪的框架应该强大,轻便、紧凑,容易建立。减少零件数量,削减和弯曲的设计将拯救天的努力和挫折时。我设计的框架CG-42用便宜的,现成的铝棒和床单一起加入机器螺丝和环氧树脂。铝板,我选择合金3003因其成形性和machineability。我工作完全用手工工具所以我需要使用一个合金很容易切割,钻孔,用手弯曲。唯一的高压部分在整个设计IGBTs,发射时可达600 v。我选择所有IGBTs和转换电子分组在一个ABS塑料舱顶部的枪来改善设计的电气安全。之间的连接电池和线圈的设计厚,紧密连接导体,以减少寄生阻抗降低电力传输从电池到线圈。我选择了铜母
18、线进行电流线圈和超低计铜汽车线电池连接到母线。整个设计的外观开始用一个简单的草图然后成了比例图。接着,调整实验设计和组件重新安排一次又一次,直到容纳一切。最初的草图CG-42概念(2011年6月)。CG-42枪架的比例图结束帽第一个组件来构建磁线圈端帽。混合、成型iron-epoxy复合至少可以说是具有挑战性的。混合比例必须恰到好处。如果有太多的环氧树脂,后盖不会足够亚铁,也可能是一块塑料。如果有太多的铁,这篇文章将进行涡流和可能的裂纹时的模具。同时,适量的压缩必须应用到模具太多的压缩将导致环氧渗出,留下一个过于里面富含铁件。我不得不把9 16结束帽是好的这意味着我有一个56%的成功率与这一过
19、程。每一块花了48个小时干,使长期的努力和令人烦恼的交易。最后,结束帽是装有支架安装红外弹传感器和线圈磁铁线。成型线圈Endcaps线圈舞台设计完成Endcaps线圈结束后帽完成后,他们的位置沿桶和一些洞,所以红外探测器梁可以照耀整个桶。然后结束端点之间的线圈被伤口仔细的帮助下我的副控制。每个内部线圈层是用一层包装胶带。放置线圈结束端点线圈绕组完成线圈用钢钉作为炮弹ProjectilesAn优点是易于制造,这是一个巨大的和当你需要使其中的20个。每个弹只是测量、切割和提交。维护一个精确的长度是非常重要的,确保每个弹远远足够旅行第一阶段红外触发时推出的杂志。完成炮弹初始测试是一个好主意,以确保一
20、切工作之前你花费大量的努力精炼成最终产品。我建了一个胶合板试验台,可以很容易地把所有枪的组件进行测试。我切两个线圈铜母线和连接到电池以类似方式的最终产品是为了有一个准确的测试。电源和开关电路是基于breadboards,和一切都是连接在一起的方式使它容易拆开再进行更改和维修。我也购买了Chrony f - 1速度陷阱测量弹丸的速度为了比较我所设计的实际表现。CG-42试验台极端的科学观点的Coilgun靶场第一个测试镜头被解雇1月27日,2012年单级单电池,因为我以前从来没有建造这样的,真的不确定将会发生什么。你可以看视频的第一个测试截图。剩下的阶段被添加到试验台和解雇。初始测试结果前七阶段
21、给出下表:总效率(n)被定义为能源的百分比从电池成为弹丸动能(KE / PE * 100%)。累计总效率约为5.9%。第八阶段没有解雇,因为它的一部分在测试过程中爆炸。显然有问题需要解决在电子产品可以放入手持枪支,但我有足够的数据表明,10 j枪口能源目标是很容易实现的。开关总成接下来,我建立了塑料外壳的所有高压组件用于开关线圈。两个厚铜母线连接到电池终端运行住房两边的长度。铜rails八IGBTs之间,一个开关每个线圈。每个IGBT之间是一个小电路板包含电压抑制电子产品。最初,每个二极管电压抑制电路板包含四个系列,我误以为这是最快的方法使线圈电流。之后,我得知一个二极管/电阻方法快得多,因此
22、每个电路板被删除和更新。最后,每个阶段都有一个红色LED灯IGBT进行时。这提供了一种故障指示器如果错误地开启线圈以及一个很酷的“赛车”效应在每一个镜头。IGBTs安装铜母线制作汇流安装开关指示器领导早期的电压抑制电路板电路板安装框架枪架必须建立两次。的第一次尝试是基于设计就不能用手工具,所以我重新使用现有的铝截面减少部分,削减和关节。第二设计更强,更容易构建,但一些地区仍然不得不重做一次,两次,甚至三次,直到我有一些固体和受人尊敬的。铝框的时候完成和准备接受枪组件,我有可能摄入更多的铝锯末比一个健康的人应该但这是值得的。最终产品是非常严格和结实的,没有不安或摇摇欲坠,即使在重型负载下测试(如
23、时我不小心碰到它先是用真空吸尘器清理地板一天)。许多额外的组件框架。枪柄和触发CG-33大大改善了。人体工程学手柄是螺栓连接到框架,和触发器将顺利,一个自信的停止就像被触发。选择消防开关、电源开关、电池监测led,电路板安装支架,安全保险丝和针对激光都设计、修建、重新设计和重建并安装到框架在这个阶段。前握把提升射击时的稳定性钳子剪断用作刹车完成辅助握把LED面板灯电池led灯安装修改后的激光笔激光、开关和保险丝控制&触发完成枪架电路板电路道理在纸上行不通模拟时,和一个完美的电路模拟器不工作当你测试它的替代品,和一个完美的电路试验板不能工作一旦焊接在一起。然后你花三个星期故障排除它,却发现没有任
24、何理由再次开始工作。这样的过程了CG-42年代电路板。最后,所有事情都解决了。所有电路板的布局是预先在纸上勾勒出适合他们的小空间,同时保持整洁有条理。拥挤、混乱的电路板方便短裤和松散连接发生。当你的电路连接到两个巨大的易燃的电池,你旁边你的脸当你拍摄枪,这是一些相当严重的业务电源电路板弹给水系统建设这是一个挑战,因为移动部件通常。coilgun操作可靠,弹丸给水系统必须运行顺利,是一致的,即使当驱动每秒10倍。困难开始与该杂志。两个杂志,三个追随者和四个杂志弹簧设计,构建,和失败之前,我来到一个好的设计,可以喂炮弹没有干扰。第一个杂志被证明是错的我用锤子。最后的杂志是由弯曲铝表与环氧树脂,和春
25、天是手动弯曲钢丝。而不是使用机械锁,杂志是一个钕磁铁。喷油器电磁阀需要一些修改,让它正常工作。股票回位弹簧没有提供足够的武力收回螺线管的起始位置时受到摩擦弹簧炮弹。使用两个股票弹簧提供足够的力量,但行动是糊状的和不一致的。从新生物理实验室使用技巧,我测量弹簧的力常数和购买一个新的单弹簧,提供了两倍的力量。这助长了炮弹更可靠。经过一些时间调整的定位和stroke-length螺线管,我终于有一种机制能够支持全自动弹饲料。最后杂志印刻在铝杂志板剪杂志、追随者和基板弹簧弯曲注射器组装机制注射器在铝住房最终测试花了许多个月后所有组件连接在一起,解决各种各样的问题,整个coilgun组装和准备就绪。第一
26、闪光测试枪7月1日,2013年。第一枪是成功的。立即打第二针后,IGBT控制第一阶段失败dead-short和爆炸。电池熔断器未能旅行,让第一阶段线圈彻底融化,燃烧完全。整个事件可以观察到如下:后这段视频我很兴奋在科学我睡不着,直到凌晨两点幸运的是,电路板保险丝正常工作和保护的其他组件。IGBT的原因失败后来决心是过度电压所允许的一个熔断电阻器的电压抑制电路。第一阶段线圈必须更换,和所有8个电压抑制改装了更高的功率电阻以扩大安全裕度。由于要求4(可维护性)是快速和枪在不到两周的时间恢复运转。详细的性能描述的结果如下所示Trial2Final测试结果7.0%的总效率结果非常取悦(coilgun相
27、比,一个典型的2%)。正如所料,性能有所改善,因为最初的测试。这是由于我添加到的电阻电压抑制电路,使线圈电流更快。这样可以大大减少suck-back,尤其是在后期弹丸在哪里移动非常快。第一个和最后一个线圈的效率下降(相对于其他阶段),可能由于感应涡流的铝枪架的第一个和最后一个线圈现在安装。什么导致性能下降第六阶段,我没有理论。奇怪的是,回顾7阶段的初始测试,3 rd-to-last阶段执行低。完成永恒的锯切后,文件中,钻孔和焊接我突然意识到,没有离开要做,枪就完成了。一切比我预期,从枪的外观性能数据。所有的目标都达到了,除了射击速率为7.7次/秒。这可能是通过改变单个电阻增加注入器控制电路,但
28、我选择保持这种方式自线圈不会很快升温。电池供电coilgun方程很准确地确定所需的电力。这是因为实际的弹丸的加速度非常接近常数,方程的关键假设。猜(6 - 10%)效率也相当接近。然而,40 m串联电阻预测实际距离串联电阻是接近100 m由于意外高电池内的内部阻力。线圈只有约190而不是300我计划,但自300年过度设计,线圈仍有足够的电流满足弹能力的要求。这意味着我可以侥幸使用较小的2500毫安时的电池,但更大的电池提供的优势能够权力更多的照片。测试和制作视频的时候,我把大约100轮通过枪,电池只从50.20下降到50.20 v。我可能会火几百回合最低36 v的电池耗尽之前,需要充电。最后,我很满意结果。拿着枪让你感觉像一个疯狂的科学家,和解雇全自动爆发给射击一个可怕的破坏力和兴奋的感觉。项目完成了!
