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2019年2月12日(火) 21:49

超巨大勘違い

 都心でも雪が降ると大騒ぎしていたが、結局ロクに積もらずバトルタンク出撃の密かな野望は実現しなかった。それはともかく、大変な勘違いをしていた。愕然とした。

 話は、コイルガンのシミュレーターを作ろうという再度の野望から始まる。
 コイルガンに関しては現在、ストームタイガーのレストアが主戦場である。その基礎実験を一部兼用してのガスガン電磁バルブがあるものの、そっちはコイルガンが主役ではない。
 ストームタイガーの場合、ほぼスケールモデルであり主砲コイルの物理的サイズが決まっている。更に、コンデンサーや放電回路等に使用可能な空間も限定されている。よって、威力にしろ命中精度にしろ追求しようとすれば、念入りな設計が必要だ。勘に頼って設計すべきではない。

 勘ではなく証拠に基づいた設計を行おうとすれば、精度の高いシミュレーターが大きな武器になる。順送り回生型コイルガンは、適切な通電タイミングを決定するのが非常に難しい。更に、適切なコイル仕様を決定するのは遥かに難しい。それこそ、勘に頼って設計してしまったのが元祖ストームタイガーだ。
 若干の簡易シミュレーションだけで、元祖の主砲コイルが最適ではないことが明白になってしまった。

 ストームタイガーの主砲を最適化すれば、どれぐらいの威力を出せるのか?
 コイルガンS計画のようにもっと大掛かりなコイルガンを作る場合、最適な設計とはどのようなものか?
 それを、勘と試行錯誤で追及するのは現実的ではない。ある程度の精度を持ったシミュレーターの開発に全力を注ぎ、それを活用して追及すべきだ。

 コイルガンS計画は頓挫したが、しなかったとしても最適化は絶望的だった。仮にIGBTが破損しなくても、思ったほど威力出ないね?と失望するだけの結論だったかもしれない。
 コイルガンに関しては分からないことが多過ぎる。何しろ実用性がない装置なので、大学や企業の研究所はロクに扱っていない。ほとんどすべてがアマチュアが趣味で行う電子工作であり、経験則しか出回っていない。そして順送り回生型に至っては、製造が難し過ぎるため実例もない。

 ここは自分でやるしかあるまい。すなわち、順送り回生型専用のコイルガン・シミュレーターを作る。
 結果として超多段式コイルガンがペイしないと判明するかもしれないが、実際に作るまでも無く有望ではないと判明するのであれば、それはそれで意味がある。逆に性能が出せそうだと判明すれば、高コストも容認できる。

 シミュレーターの基本方針は単純だ。純粋に計算のみでコイルガンのシミュレーションを行うのは至難だが、だったら実測値を使えば良い。
 現物のコイルを製作し、パチンコ玉の位置を変えつつコイルのインダクタンスと吸引力を測定する。それを使って、数値積分するのだ。これで明らかに、シミュレーションに必要な情報は足りている。

 だが、1つだけ落とし穴が残っていた。
 それは、インダクタンスは容易に実測できるが、吸引力の実測は難しいということ。コイルガンにおいては数百アンペア流れるが、吸引力を測定できるほどの時間そんな電流を持続させるのは無理だ。電源も無いし、コイルが燃えてしまう。となると、1Aなど小さい定電流を流し、測定するしかない。そして、大電流時の吸引力は、そこから計算する。

 では、100A流れた場合の吸引力は、1A流れた場合の何倍だろうか?
 これで、1行目に戻る。

 コイルが発生させる磁場の強さは、電流に比例する。それは、いい。
 自分が致命的に勘違いしていたのは、プロジェクタイルに働く吸引力は磁場の強さに比例すると思い込んでいた点だった。正しくは、磁場の強さの2乗に比例するのだった。結果として、プロジェクタイルに働く吸引力は電流の2乗に比例して大きくなる(磁束飽和しない場合)。
 100A流れた場合の吸引力は、1A流れた場合の100倍ではなく1万倍なのだ。

 コイルガンS計画が失敗した後、製作物も廃棄してしまった。しかし、コイル製造時に不出来として弾かれたコイル1段分が、なぜか発見された。行方不明だったおかげで、逆に廃棄を免れた皮肉。それはともかく、せっかくなのでそのコイルを使い、インダクタンスを実測してみた。吸引力は正確な測定を行うには準備が大変なので、とりあえず1A流してパチンコ玉に働く力を指先で感じようとした。

 元祖ストームタイガーの場合、主砲内におけるパチンコ玉の加速は平均1000Gていどである。コイルガン内において加速効率は大きく変動し、実際に加速に寄与するコイル長は半分以下。つまり、順調に加速するタイミングでは2000Gぐらいになっているはずだ。パチンコ玉は5.5グラムなので、吸引力に直すと10キログラムのオーダーになる。
 これに対しコイル電流は、順調加速時で200Aていどと想定される。つまり、吸引力が電流に比例しているのであれば、1A通電で50グラムぐらいの吸引力が働くはずである。少なくとも、自重より遥かに大きな吸引力が働いてしかるべきだ。

 ところが、実際にコイルに1A通電しても、パチンコ玉の自重さえ支えられない。容易にこぼれ落ちてしまう。いや、1Aを2Aに増やしても、ほとんど指先には力が感じられない。僅かに違和感がある程度で、予備知識がなければパチンコ玉には何の力も働いていないと思ってしまいかねない。これは、明らかにおかしい。
 実は十数年前、初めてコイルガンを製作するときにも類似の実験をしたことがある。適当に巻いた手巻きコイルに弱い電流を流したが、やはり極めて小さな力しか働かなかった。これではマトモな威力のコイルガンなど実現できないと思いつつコンデンサーからパルス大電流を与えたら、それなりの勢いで射出されたので驚いた。

 当時は深く追求しなかったが、吸引力が電流の1乗ではなく2乗に比例していると考えれば辻褄が合う。2Aでは200Aの1万分の1しか吸引力が発生せず、10キログラムの100分の1である100グラムではなく、たった1グラムの吸引力。これは、現実に合致している。
 しかし、吸引力が1グラムのオーダーだとすれば、それを正確に実測するのは困難である。電流を増やせば吸引力も2乗で増えて、まさに加速度的に測定し易くなる。だが、コイルの発熱も加速度的に増えてヤバい。
 更に、磁束飽和をどう扱うかの問題もある。

written by higashino [コイルガン戦車 1/24] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2019年2月11日(月) 18:49

1段目コイル

 なぜ、1段目のコンデンサー電圧が途中から下がらなくなるのか?
 シミュレーションの描くグラフを見ながら考えていて、気付いた。コイル電流がゼロになってしまうと、回生が停止する。電流が流れないのだから、コンデンサーの電荷も減らなくなって電圧低下が止まる。

 すなわち、コンデンサーが空になる前にコイル電流がゼロになるとマズい。

 コンデンサーが空になるまでの時間は、コンデンサーの静電容量が大きいほど長くなる。早い話が、コンデンサーの静電容量が大きくなり過ぎるとマズいのだ。試しに1段目コイル用のコンデンサー容量を190μFから100μFに減らしてみたら、1段目コイルの再通電は発生しなかった。
 だが当然ながら、容量を減らすとコイルのピーク電流も小さくなってしまう。コイルガンの威力は落ちる。
 コンデンサーの容量は大き過ぎれば回生不良からのコイルの再通電を招き、小さ過ぎれば威力が落ちる。すなわち、コイルと通電シーケンスに応じた最適容量がある。

 試しに、ハイサイドが両端に存在する旧回路で、3つのコンデンサーバンク容量を380μFから570μFに増やしたシミュレーション。1段目と2段目はコンデンサーを共有しているため、1段目の回生不良は発生しない。だが、今度は2段目が僅かに再通電を起こしている。
 ハイサイドの無い2段目にとって、570μFは若干大き過ぎるのだ。

 それでもこの程度なら影響は小さいと考えられる。電流は1〜2割大きくなっているので、通電シーケンスを全体的に0.9倍にしてみた。通電開始までの時間と通電時間の両方を、0.9倍にしてテンポアップ。磁力が足りれば、それに応じて初速が上がる。
 すると、2段目の再通電が増大した。もっとも、恐らくこの程度では影響は軽微であり実用上は問題ないと思われる。ただし、砲尾端のハイサイドも残せば・・・ってことだが。

 テンポアップすると回生電流が増大し、2段目以降はピーク電流が増大する。これは、回生型の利点だ。

 だが、シミュレーションをいじって判明したのは、別の問題である。すなわち、現在の主砲コイルは明白に1段目コイルが短過ぎる。
 1段目は回生電流による強化がなく、素のコンデンサーとコイルの特性がそのまま出る。砲尾端ハイサイドを廃止して1段目の電源コンデンサーと回生先コンデンサーを分離した場合、電源が190μFではコイルに対して大き過ぎる。これを適正容量に減らした場合、1段目コイルのピーク電流は旧ストームタイガーよりも小さくなってしまう。
 190μFあるいはそれ以上の容量を1段目コイルで使い切ろうとすれば、通電時間を伸ばさねばならない。だが、現在の通電時間は最適化されており、通電を長くするとプロジェクタイルの引き戻しが発生し威力が落ちる。

 つまり、1段目コイルは短過ぎるのだ。実は、短過ぎたのだ。

 回生型コイルガンの研究を2段式で開始した当初、1段目コイルの長さは3.5ミリだった。その後、1段目コイルを長くすることで威力が上がることに気付き、長さ5ミリへと仕様変更した。だが、恐らくそれでも短過ぎる。
 コイルガンの製作例は非常に多いため、幾つかの経験則が周知になっている。そのうちの1つは、効率を重視する場合、コイルの長さはプロジェクタイルの長さと同程度が良いというものだ。直径11ミリのパチンコ玉を加速するのに、全長5ミリのコイルはいかにも短過ぎる。ここは1センチ前後を確保すべきだろう。

 どうやら、主砲コイルの作り直しを検討すべき状況だ。現在の主砲コイルでは、1段目が足を引っ張る。威力面でも、命中精度面でも、だ。4段式コイルガンだが、ほとんど3段式と変わらない。
 命中精度において、1段目が決定的に重要だが、現主砲はそこの配慮も殆ど行われていない。

written by higashino [コイルガン戦車 1/24] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2019年2月10日(日) 19:04

事前調査

 レストアに際して使用するコンデンサーを決定する前に、まずは手持ち在庫の確認を行う。

 バラして、精密LCRメーターで静電容量を実測。メーターはコイルガンの研究を始めたときに、必要だからと高精度な高級品を奮発したもので、10年経っても健在だ。
 在庫の中に、10年前の測定値が書かれているものが1つだけあった。189μFである。それを今回実測すると、185μFだった。同じコンデンサーを同じ測定器で測定し、10年で4%ぐらいしか減少していない。このコンデンサーは、かなり優秀と見てよいだろう。

 公称200μFを下回っているものが多いのは、実測で大きく上回ったものは使用済みだからである。それらは、廃棄済みでもある。
 更に10年使うことも考え、平均190μFとみなすのが無難だろう。

 なお、充電試験で使用している2個は、ここには無い。実装状態のまま測定すると、393μFだった。

 次に、主砲コイルのインダクタンスを実測する。

 1段目・・・218μH
 2段目・・・322μH
 3段目・・・315μH
 4段目・・・203μH

 たぶん、200、300、300、200を目安にして手巻きした。測定結果からして、主砲コイルは健在だ。ブレ皆無で堅牢な砲耳など、非常に苦労して製作した一品モノであり、再製作には想像するのも嫌になるほどの手間暇を要する。
 主砲ユニットが健在でなければ、レストアする気力が湧かなかっただろう。

 それでも実は、今では必要なら再製作もアリだと思っておる。伊達に10年の歳月は流れていない。仮に再製作するのであれば、ベターなものになる自信はある。そもそも、コンデンサー容量を増やせば最適なコイル構成も変わるのだ。

 久しぶりに、主砲コイルガンのシミュレーションを行う。まずは、4つのコイルに流れる電流の時間変化から。これは、両端にハイサイドが必要な旧回路の場合である。コンデンサー容量は、400ではなく380μFを3つ。

 次に、ハイサイドを銃口端のみとし、コンデンサーバンクを4つに分けた新回路の場合。コンデンサー容量は、190+380+570+570μFだ。
 放電タイミングは、取り合えず同一。

 こうして見ると、コンデンサー容量が1.5倍になってもコイル電流は1.1〜1.2倍にしか増えないことが分かる。つまり、威力は少しアップするだろうが効率は激減する。更に、新回路では1段目コイルに再通電してしまっていて、これは明白にマイナスだ。2段目コイルにも、若干の再通電がある。

 電流が増えないのは当然で、初速が上がればコイルに通電する時間も短くすべきである。しかし、初期電圧もコイルのインダクタンスも同一では、コンデンサー容量を増やすことでLC共振時間は長くなる。通電を短縮するのには不利に働く。威力を上げたければ、初期電圧を高くすべきなのだ。ところが、ストロボ用コンデンサーの大半は330Vであり、360Vが少数ある程度。だったら直列して思い切り・・・とやると今度は使えるスイッチング素子が無くなる。

 ならば、主砲コイルを再構成すべきではないか・・・という結論になる。実際にはコイルの全長が決まっている以上、初期電圧を上げないままでは大したことはできない。しかし、巻き直せば1段目を命中精度配慮型で作り直すことができる。そっちの魅力もあるのだ。

 ちなみに、1段目コイルに再通電してしまうのは、1段目用コンデンサーの電荷が途中で抜けなくなるせいで、2段目用コンデンサーとの電圧が逆転するせいである。順送り回生型回路は、銃口寄りのコンデンサー電圧の方が常に高いという前提で機能する。電圧が逆転すると、砲尾寄りのコイルが再通電してしまう。
 要するに、新回路では通電シーケンスも変更する必要がある。

 通電シーケンスの変更で解決できない場合、砲尾端にもハイサイドを設ける旧回路に戻し、1段目用と2段目用のコンデンサーを共用せねばならない。もしくは、主砲コイルの作り直し。

written by higashino [コイルガン戦車 1/24] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2019年2月5日(火) 22:11

順送り回生型回路(改)

 現状の順送り回生型回路は、銃口端と砲尾端の2箇所だけにハイサイドのスイッチング素子が必要だ。しかし実際には、どうしても必要なのは銃口端だけであり、砲尾端は必ずしも必要ではない。

 順送り回生型においてハイサイドのスイッチング素子が必要になるのは、電源コンデンサーと回生先コンデンサーが同一の場合である。
 多段式コイルガンでは砲尾側から銃口側へと順番に放電を行うため、電源コンデンサーの銃口寄り隣接コンデンサーを回収先とすることにより、無駄なく両者を別にすることが可能である。だから、もうそれ以上はコンデンサーがない銃口端を除き、ハイサイドにスイッチング素子は必要ない。
 現状で砲尾端にもハイサイドが必要になっているのは、放電シーケンスの都合で初段コイルと第2段コイルの電源コンデンサーを共用するのがスマートだからに過ぎない。別に、両者を分けたって構わない。

 ハイサイドのゲートドライブに絶縁型DC-DCコンバーターを使うとなると、それだけハイサイドのコストが高くなる。ならば、砲尾端のハイサイドは廃止するのがベターではなかろうか?
 ちなみにこれが、現状のストームタイガー搭載コイルガンの放電回路である。実際には TLP250H は使用していない。これは、「適切なゲートドライブ手段」と読み替えて欲しい。

 ここで追加の問題が、各電源となるコンデンサーバンクに使用する具体的なコンデンサーである。
 コイルガン用は数百アンペアの大電流放電となるため、通常の電解コンデンサーは使えない。カメラのストロボ用として製造されているものを使わねばならない。しかし、ストロボ用コンデンサーは入手が難しく、選択の余地が小さい。欲しいから買えるというものではなく、買えるものの中から選ぶしかない。
 現状のストームタイガーは、定格330V 200μFのものを6本使用している。だが、もはや入手できない。既にディスコンで、後継製品は存在するが入手手段がない。旧製品は鈴商で扱っていたが、鈴商はもう無いしオンライン鈴商でもストロボ用は扱っていない。

 ただし、ストームタイガーに実装されている6本と、充電器試験装置に実装されている2本と、更に在庫が4本ある。購入から約10年が経過して容量が減っているが、マシなものを選別して使うことは可能だ。
 そこで、コンデンサーバンクへの使用合計を9本に増やし、容量減少を補って逆に合計ジュールを増やすのが第一案だ。
 3つのコンデンサーバンクに2本ずつ使っていたのを、4つのコンデンサーバンクに1+2+3+3本を使用。4分割になったことで砲尾端のハイサイドを廃止する。

 むしろこれが、順送り回生型回路の本来の姿だろう。
 とっくにディスコンになった製品を使用すると、保守の問題が生じる。しかし、新規製品を採用しても、それが数年後に買える保証がない。ならば、その場その場でベストな製品を選ぶべきだ。
 そのベストが、ディスコン製品であるとは限らない。しかし、まずは手持ちの在庫を試すことから始めるのは自然だろう。

 あと、仮にIGBT問題が解決した場合、コイルライフル製作に再チャレンジしたい。その際に、命中精度改善策の一環として初段コイルを長くする構想がある。ならば尚更、2段目と電源コンデンサーを共用する意味が無くなる。砲尾端にハイサイドを使う必然性が無くなる。
 ただしコイルガン・ストームタイガーに関しては、スケールモデルの体を取っているため主砲コイルをこれ以上長く出来ない。だから、その構想を応用しての主砲コイル作り直しは現実性がない。とは言え、最終段を短くしてその分だけ初段コイルを長くするのは効果があるかもしれない。まあそれも、現状のコイルでIGBTが放電に耐えられた場合の話だ。

written by higashino [コイルガン戦車 1/24] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2019年1月29日(火) 21:59

ゲートドライブ

 コイルガン戦車のレストアが成功するかどうかは、放電回路次第である。すなわち、RJP5001APP が使い物になるかどうか。
 仮に駄目でも、ストロボ用じゃないIGBTという手段もある。自分の設計するコイルガンでは最終段以外のパスル最大電流600A、最終段は1200Aを想定している。そうなると、ストロボ用でなければ非現実的に思える。しかし半導体はいちおう進歩していて、調べるとストロボ用ではない一般用途のIGBTも採用可能なのだ。

 ポイントは、ストロボ用IGBTは極端に入手困難なのに対し、一般のIGBTは簡単に買えること。だから、最新技術のものが手に入る。
 2SK3132と同サイズのパッケージで、パルス600A流せる一般用IGBTというのは存在するのだ。
 ただし高価だし、ゲート入力容量もでかくなる。回生型コイルガンにおいてはターンオフをギリギリの最高速で行うことが重要であり、ゲート入力容量がでかいと駆動回路が大変になる。RJP5001APP までなら、TLP250が使用可能だ。

 RJP5001APP を試して見て、それが駄目だったら一般用途IGBTを試すということで良いだろう。
 しかしまあいつの間にか、化け物みたいなスペックのIGBTが買えるようになっているものだ。

 IGBTの厄介な特性として、最大電流を流せるゲート電位が限定されているというものがある。ゲート電位を特定の狭い範囲内にキッチリとキープしないと、性能を引き出せない。RJP5001APP の場合、12〜17Vである。
 電源として用意し易いのは12Vと15Vだが、12Vだと下限ギリギリ。リップル次第で容易に下限を割ってしまう。よって、データーシートでも14V以上推奨となっている。ここは普通に考えると、15V駆動すべきである。
 ところが一方で、この手のゲートドライブで圧倒的に便利なTLP250Hのスペックに問題がある。

 動作電圧範囲が、10〜30Vなのだ。
 ターンオフを高速に行いたい場合、必然的に負電源を用意する。つまり、ゲートを15Vでドライブする場合、用意する電源は±15Vとなる。これは、電源電圧としては30V扱いであり、スペックのギリギリになってしまう。
 ±14Vという電源があればベストだが、無い。可変電源を組み合わせて作るのでは、サイズもコストも増大してしまう。

 状況の過酷さはIGBTが断然上なので、まだ±15Vで動かす方がマシなんだろうな。

 さて、この手の回路では常に、ハイサイドのゲートドライブが課題となる。ニーズありまくりなのだから、当然のようにドライバーICが存在する。だが、ちょっと調べても全てチャージポンプ型なのだ。すなわち、旧放電回路で自分がディスクリートで組んだ回路と同じ。ハイサイドがプルダウンされている(ローサイドがONになっている)期間にコンデンサーにチャージし、ハイサイドのゲートドライブ電源にそのコンデンサーを使用する。
 よってチャージポンプ型は、

・ハイサイドを長時間ONにできない。
・ローサイドをONにする時間を確保せねばならない。

という制約が発生し、それを考慮したハードおよびソフトの設計を要求される。不適切な設計を行うと、ハイサイドのゲートドライブに失敗する。
 はっきり言って、超ウザい。

 自分が組んだ回路がそうだっただけに、チャージポンプ方式の使い勝手の悪さは身に染みている。面倒なことは、良きに計らえよ!
 専用ICの価値って、良きに計らってくれる所にあるんじゃねぇか!
 良きに計らってくれない専用ICなんて、使ってられねぇ!

 順送り回生型だと、ハイサイドは常に2箇所しかない。だったらこの際、ゲートドライブ電源をコンデンサーではなく、絶縁型DC-DCコンバーターにすれば良いんじゃね?
 確かに高コストだが、2箇所だけだ。それぐらいなら、圧倒的な使い勝手の良さで許容できる。TLP250H自体が絶縁型ゲートドライバーなので、その電源を絶縁型DC-DCコンバーターで供給すれば、ローサイドと全く同じ扱いになる。

 複数の電源を組み合わせて±14Vを作るとか、+15Vだがマイナス側は12Vだとか、そういう電源を用意したくない最大の理由である。
 ハイサイドにも2箇所設置しなきゃいけないのに、やってられない。

 コイルガン戦車の電源を6Nから8Nに変える数少ないデメリットが、ここにある。
 6Nならば入力4.5〜9Vの DC-DCコンバーターが使えるが、8Nだと使えない。それで、少しコストアップする。とは言え、全体的なメリットを考えれば小さな問題だ。

written by higashino [コイルガン戦車 1/24] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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