Darkside(リンクエラー修正しました)

2007年04月の記事

<< 前のページ

2007年4月30日(月) 18:02

多段式コイルガンの回路図

 ゴム銃の場合、初速はゴムの収縮速度で制約を受けるため秒速70メートルあたりが限界となる。コイルガンの優位をはっきりさせるため、パチンコ玉を
秒速100メートルまで加速したいと考えると、規模はどうなるだろう?
 5グラム半のプロジェクタイルだと、27.5ジュールになる。多段式で効率4%を出せたとして、コンデンサーバンクは700ジュール程度を用意せねばならない。電動ガンの8.4Vミニバッテリーを2本直列で使えば、携帯用コンデンサー充電器で700ジュールを15秒程度で充電するのは可能。つまり、電源面では携帯可能となる。

 だが、球形プロジェクタイルでは30段以上にせねばならないと思われる。30段で収まれば超優秀だが、それでもハイサイドの光ゲートドライバーを30個製作し、30本の光ファイバーが這う。別途30本のローサイド信号。製作は考えただけで気が遠くなるし、故障頻度まで考えるととても製作する気分になれない。
 細長いプロジェクタイルなら遙かに製作は楽になるが、遠射の命中精度は期待できない。そんなものは作っても面白くない。純粋な科学的興味ならともなく、撃って遊べるとは思えない。遊べたとしても、すぐ飽きるだろう。

 問題は性能を引き出すために回生型回路を使いたいが、超多段式の場合にパーツ点数が増え過ぎる点にある。パーツが多ければ製作が大変になりコストと時間は掛かり、しかも故障率が増える。スリングライフルを上回る威力の実用的なコイルガンは、非実用的だ。

 ところで、回生型回路はローサイドとハイサイドのIGBTが常に同時にONにしたりOFFにする。それなのになぜ、わざわざ2つのスイッチング素子が必要なのか?
 別に自分が冗長な回路を考えたのではなく、例のイタリア人もやはり2つの素子を使っている。

 最初にコイル電流を流し始める時は良いのだ。
 別にスイッチング素子が1つであろうと2つであろうと。

 問題はOFF時にある。仮に、ハイサイドのIGBTが無ければどうなるか?
 回生したいコイル電流がフライホイールを作ってしまう。ハイサイドのIGBTはOFFになることでフライホイールが出来るのを防止し、コイル電流がコンデンサーに行くしかないようにするのだ。

 では、コイル電流の回生先として別にコンデンサーを設けるとどうなるか?
 この場合はハイサイドにIGBTが無くてもフライホイールが形成されず、すんなりC2に回収される。

 ローサイドのIGBTがONの時は、C1の電圧がC2を上回らない限り、D1が導通することはない。

 コイルに電流を与えるコンデンサーC1と、電流を回収するコンデンサーC2。両者を分ければハイサイドIGBTは不用となり、共通にすれば必要となる。

 従って、2段式コイルガンにおいてコンデンサーを2つ用意し、互いに電源と回収先を交換すればハイサイドのスイッチング素子は不用となる。

 しかし、1段目と2段目のコイルは特性が異なる。コイルガンの1段目と2段目の条件が同じということは、あり得ない。それなのにコンデンサーを分離し別々に回収を行えば、トータルの効率が低下するのは避けられない。
 ハイサイドの素子を廃止することが目的化してしまい、本来の目的が見失われている。

 では、例えば4段式コイルガンで、こんな回路はどうだろう?
 両端はハイサイド素子も備えた普通の回生型回路。真ん中の2つは回収先のコンデンサーを1つ銃口寄りとし、ハイサイド素子を廃止する。

 射撃開始すると、まずコイルL1とL2に同時通電する。ストームタイガーの主砲コイルと同じ制御でスタートだ。

 続いて、1段目のIGBTをOFFにする。コイルL1の電流はC1に回収され、その場でコイルL2の足しにされる。コイルL3に通電開始し、C2の電圧を定格より下げておく。これにより、C2に回生電流を受け入れられる。

 ここで、2段目のIGBTをOFFにする。コイルL2の電流はC2に回収され、その場でコイルL3の足しにされる。コイルL4に通電開始し、C3の電圧を定格より下げておく。これにより、C3に回生電流を受け入れられる。

 コイルガンにおいては、砲尾側から銃口側へと順番に通電すると決まっている。よって、回生先を銃口寄りの隣接コンデンサーとすれば、無駄は生じない。そして、電源と回収先が異なるためハイサイドの素子は不用となる。
 どんなに段数が増えてもハイサイドの素子が必要なのは両端の2カ所だけであり、それ以外は不用となる。30段のコイルガンなら、28段はローサイド素子だけで良い。そして、ローサイド素子は1KΩでPIC直結という超手抜きで動作可能だ。

 もちろんハイサイドが無いと、コイルの初期通電でスイッチングが遅いという問題が生じる。コイルサージを抑止するために、わざと遅くしている。50μ秒程度を要する。
 しかし、実際のOFF→ON動作は最後の10μ秒程度で行われるのであり、若干のスイッチングロスは発生するが大勢に影響しない。また、センサーでプロジェクタイルの位置を検出しないシンクロトロン型であれば、遅延も問題とならない。

 その一方で、メリットは数多い。
 全段回生型という最高効率を出せるコイルガンが、少ないパーツ点数で製作出来る。皮肉なことに、「両端」しかないストームタイガーのような2段式が一番損をする
(^_^;)
 L1からL3までのコイル電流はすべて再利用され、最後のL4だけ次弾用に余る。段数が増えるほど再利用率が向上する。後は合成磁場が最高の位置でプロジェクタイルを吸引するよう適切なタイミングでスイッチングを行うだけだ。

written by higashino [コイルガン] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(1)] [TB(0)]

この記事へのトラックバックPingURL

2007年4月29日(日) 15:54

2段式の効果

 コンデンサー充電器は出口のダイオードが性能を猛烈に左右する。逆回復時間が激遅の1N4007を使うべきではない。鈴商のDLM10Eは1N4007と同サイズ同スペックで値段も安くお薦め。ただし逆回復が速い代わりに耐圧400Vしかないため、設計上注意すること。

 さて、以前から使い慣れた放電回路で2段目コイルだけに通電してみた。コイルを打ち上げ花火の筒みたいに天井に向けて銃口からパチンコ玉を落とし込む。通電するとドカンと勢い良く天井にぶつかった。

 新しい放電回路を1段目コイルに接続し、素のコイルをガムテープ止めして試射。本来であれば新しい放電回路を単体試験するが、単体試験自体が仕込みに手間なので一気に本番プログラムをPICに書き込む。
 コイル1つに2つのコネクター。

 コイルには磁気シールドもガイド用砲身も付いていない。パチンコ玉を固定するピアノ線も張っていない。今のうちにパチンコ玉の初期位置変化に伴う初速変化を確認したいのだ。やはりコイルの内外均等にパチンコ玉を置いて撃つのが最強なのか?
 砲尾に接着されたポリカーボネイト板は直径ジャスト11ミリの穴が開いており、パチンコ玉が抱え込まれ固定される。正確ではないがそれなりに勢いの変化が分かる。砲身が無いため弾道が不安定で、弾速計ではなくダンボール紙を撃って確認。

 2段目は試作三号砲と同じ直流抵抗でインダクタンスは大きい。だから放電回路が壊れる可能性はまず無い。しかし1段目は非常にヤバい。ピーク電流もそう余裕が無いし、何よりコイルサージが怖い。通電時間は200μ秒に設定したが、それでも200A位流れるかもしれない。コンデンサー電圧もかなり高い状態なはずなので、コイルサージ電圧が高くなる条件が最高に整っている。
 IGBTのゲート電荷をスローに引き抜くという簡易対策では追い付かなかった場合、ローサイドIGBT即死だ。

 1段目は通電200μ秒固定であり、ディップスイッチは2段目の通電時間を設定する。640μ秒で射撃。640μ秒の前に1段目と一緒に200μ秒以上通電されている。パチンコ玉はいい勢いですっ飛んだ。問題は今の射撃で1段目の放電回路が壊れていないかどうか?
 何度か発射するが、特に異変は無い。弾速も試作三号砲に劣ることはなさそうだ。まだ磁気シールドを取り付けていないが、性能は大丈夫そうだ。更にパチンコ玉の位置を変えてみる。単段式の経験同様に、コイル端均等ポジション付近が最強っぽい。560μ秒通電で、測定するまでもなく試作三号砲よりパワーが出ている!

 1段目コイルを受け持つ新造ユニットのローサイドIGBTも破壊されていない。やはりサージの犯人は整流ダイオードの順回復時間だったと思われる。

 パチンコ玉の初期位置が決定したので、砲尾ポリカーボネイト板の穴を広げて整え、コイル切れ込みにピアノ線を張る。

 更に、弾道安定用の砲身は・・・試作三号砲から外して流用出来ればなぁ・・・とラジオペンチでいじると、思ったよりあっさり外れた。そして驚いた。
 何と、コイルの一部が焼けている!

 絶縁が破れて燃えたようだ。性能が低下した原因の1つかもしれない。引き抜けなかった銅短冊の一部が前面シールド裏に残っている。あれこれ作業して機械的負荷を掛けたのも悪かった気がする。

 しかしこれで、流用可能となった。
 前面シールド裏面を綺麗にして、新造2段コイルにガムテープ止めする。

 試射準備完了★

 パチンコ玉の後ろは紙片で押さえてあるだけだ。
 小さなストロボ電解2個による22ジュールだけがエネルギー源である。全体を見ると、回生型放電回路は非常に小さい。配線の途中に挟まったノードに過ぎない。
 黒いビニールはPICとの間を這う光ファイバーの遮光用。

 発射すると一直線に飛んでいく。室内だと直進弾道に近い。迫撃砲ではなくキヤノン砲な雰囲気になって来た。
 ローサイドIGBTをチェックする。大丈夫、壊れていない。
 コイルの固定も大丈夫だ。物理的に壊れているパーツも無いな?

 側面シールド無し、前面シールドあり、331V400μF投入による測定結果である。IGBTのON時間にはフライホイール状態の20μ秒を含んでいない。実際には 200+20+560+20μ秒という感じになる。


IGBT・ON時間 200+560μ秒 200+640μ秒
1 18.07 18.12
2 18.02 18.05
3 17.84 18.21
4 17.98 18.29
5 18.11 18.10
6 17.95 17.88
7 17.93 18.17
8 17.60 18.24
9 17.90 17.08
10 18.16 18.03
残存電圧 108V 88V
最高m/s 18.16 18.29
最低m/s 17.60 17.08
平均m/s 17.96 18.02
平均ジュール 0.887 0.893
初弾効率% 4.05 4.08
次弾効率% 4.43 4.39

 球形プロジェクタイルで、遂に初弾から効率4%を突破!

 2段式は明白に効果がある。640μ秒の9発目が突出して低速だが、発射時に異音がした。明らかに砲身内壁に激突してのロスだ。これを除いた9発は平均0.903ジュールであり、ともかく秒速18メートル・0.9ジュールまで来た★パワー的には18禁エアガンでもサバイバルゲーム用に調整されたものと同レベル。それが、35分の1のラジコン戦車に収まる。エアガンでは16分の1に積むのも苦労する。

 一部を除き、単段式より遙かに弾速も安定している。

 22ジュール投入で、単段フライホイール型が0.5ジュール、単段回生型が0.7ジュール。しかも2段式は通電時間とタイミングに選択の余地が多く、これ以上のパワーを出せる可能性が高い。そもそもまだ側面シールド無しである。
 果たして秒速20メートルの夢を見れるか?

written by higashino [コイルガン戦車1/35] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(2)] [TB(0)]

この記事へのトラックバックPingURL

2007年4月28日(土) 17:31

2段コイル製作

 将来的に多段コイルを長々と製作する場合も視野に入れて、長い冶具を新たに用意。写真は上段で、下段にエナメル線ボビンをセット出来るようにしてある。

 切れ込みがある1段コイルを先に巻くのは厄介なので、2段コイルから先に巻く。冶具が緩まないようにテープで止めまくる。内径決めのガムテープが右側のポリエチレン壁を突き抜け状態なので、アクリルパイプを介して抑えている。

 0.5ミリのエナメル線は何とか幅13ミリに直径22ミリで巻けた。ベト付かなくなった時点で右側のポリエチレン壁を外し、厚さ0.5ミリのポリカーボネイト板で抑える。

 この4ミリの隙間に、今度は0.35ミリのエナメル線を巻けるだけ巻く。途中にピアノ線張り用の切れ込みを設けねばならないため、作業は相当に面倒。
 何でもないような2段式コイルだが、製作には気力を要する。キツく巻き締めるには、手もかなり疲れる。

 固まったコイルはバリ取りをし、切れ込みを整える。しっかり充分な深さまで切れ込みが入っている。見た目は従来と変わらない長さ17ミリのコイルだが、2つのコイルがくっついている。配線も2セット4本。切れ込みを上にした時に配線は左に出るようまとめねばならない。

 1段コイルは0.35ミリとエナメル線が細いにも関わらず側壁なプラ板で放熱上不利。そこで、ギリギリまで銅粉混入率を増やしたエポキシで固めた。今度は機械的強度が若干不安ありだ。
 パチンコ玉を吸引するとコイルには反作用で同じ力が加わる。ストームタイガー搭載のコイルガンは短コイル高加速型なので、強大な力を受ける。エポキシは完全硬化するまで24時間要する。

 しかし、触った時のヒンヤリ感は失敗に終わった主砲コイルより明らかに良好で、有効に放熱出来そうだ。

 実測インダクタンスは1段コイルが153μHで2段コイルが370μH。磁気シールド無しの状態としては、まずまず良好。これまでの16〜17ミリ長コイルに比べ、13ミリ巻きは1割ほどインダクタンスが大きい。
 不安なのは1段目が予想より小さいことで、直流抵抗が0.9Ωとすると単独放電した場合にピーク電流が240A以上になるかもしれない。実際は2つのコイル同時に通電を始めるからもっと抑えられるだろうが、放電回路の設計上スペックは250Aだ。余裕が少なく、壊れるかもしれない。

written by higashino [コイルガン戦車1/35] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

この記事へのトラックバックPingURL

2007年4月27日(金) 17:07

ユニット部完成

 自分の回生型回路全く同じことを考えているイタリア人が居る。
 みんな考えることは同じなんだな・・・
 向こうは球形ではなく普通の円柱プロジェクタイルみたいだが、偶然にも重さはほぼ同じである。インナーバレルを使用しているため、効率ロスがあると思われる。

 さて、FUSN4はチップ型であり、2×2個を綺麗に合体させるには適切な準備が必要だ。ハンダゴテを握る前に正否は決まってしまう。

 鈴メッキ銅線をハンダ付けする。やはり導線が付いていた方が圧倒的に後の作業性が向上するし柔軟な実装が可能だ。それに、かなり熱量を与えないと綺麗に仕上がらないため、独立処理することで他のパーツに余計な熱を与えずに済む。

 IGBTユニットにダイオードユニットをハンダ付け。

 メインコイル接続用の配線も取り付ける。

 単純化後でも放電回路を組み立てる手間は膨大である。自分がことある毎にゴム銃を比較に出すのは、コイルガンを組み立てる大変さに参っているからである。
 ゴム一本張れば高速でパチンコ玉を撃ち出せるスリングショットに対抗可能なレベルのコイルガンを製作しようとすれば、気の遠くなる労力を要する。そこまでしてゴム銃ではなくコイルガンにする意味はあるのか?

 それを常に考えざるを得ない。数少ない解の1つが小型ラジコン戦車だ。

 コンデンサーバンクに並列接続。2組の回生型回路を2個のコンデンサーに別々に取り付けるのではなく、共有。ずっと実験に使っていたまさに同じコンデンサーなので、注入ジュールもこれまでと全く同じ。
 つまり、2段に「分割」することでどれだけパワーが変化するか?効果が一目瞭然で明らかとなる。

 試験中は扱い易さを考慮し、ある程度長々と配線を引き回さざるを得ない。早く本番実装し余分な配線を切り詰めたいという欲求が湧いてくる。

 この後PIC側にもLEDを増設し光ファイバーを這わせ、プログラムを組み替えねばならない。

written by higashino [コイルガン戦車1/35] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

この記事へのトラックバックPingURL

2007年4月26日(木) 17:14

2セット目

 ローサイドIGBTの破壊に対策を施した新しい回生回路は、今のところちゃんと動いている。IGBTが壊れていないかこまめにチェックしているが、大丈夫だ。

 そこで多段式実験への第一歩として、2セット目の回生回路を組む。もうお馴染みとなったIGBTユニットの製作からだ。
 この手の工作は開始当初こそ逆接続などのミスが多発しがちだが、一度うまく動けばそれを見ながら配線が可能であり、一気に配線ミスが減る。

 手間を省くため、光ゲートドライバーを在庫から持ってくるだけでなく光ファイバーアダプターも既存の旧作から取り外して使う。
 内径5ミリの真鍮パイプだけ新しく切り出して、アルミ製の内側アダプターをハメる。この小さなアダプターも製作に苦労しまくった過去がある。写真では見えないが最内部にある外径2ミリの銅管が戦略物資。ラジコン用のパーツで安価ながら売り切れていることが多く入手難。

 光ゲートドライバーはエポキシで固め、同時に真鍮パイプもTPS601Aに接着する。
 エポキシで固めるとツェナダイオードが見難くなり、極性が分からなくなる。そんな場合はテスターの出番。20KΩのレンジにして抵抗値を測定する。テスターの+側がVcc側だと絶縁状態だが、GND側にするとツェナを通して微小電流が流れ、6〜10KΩの抵抗値が表示される。
 これで、極性が分かる。

 ローサイドはゲートドライバーを廃止し1KΩだけ接続されているため、回生回路の製作が楽になった。ハイサイドのOSコンデンサーも廃止してある。

 1KΩを入れる位置は理屈上はどこでもいいが、サージ耐性を少しでも向上させるためIGBTのツェナ直後にした。
 プルダウン5.1KΩも既に取り付けてある。

 楽になったと言ってもユニットを組む手間は相当なものだ。この後にはダイオードユニット製作が待っている。

written by higashino [コイルガン戦車1/35] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

この記事へのトラックバックPingURL

<< 前のページ

Darkside(リンクエラー修正しました)

Generated by MySketch GE 1.4.1

Remodelling origin is MySketch 2.7.4