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Costruire una CoilGun

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Non molti giorni fa ho pubblicato un post che parlava di come costruire una coilgun. In realtà si trattava di una descrizione di un progetto che mi è arrivato tramite RSS. Rileggendo questo post (ma in realtà ho sempre fatto così) ho notato che le informazioni utili che ho dato non sono molte, ho pertanto deciso di riprendere l'argomento e iniziare con questo post una nuova ERA per Technolando: cercherò (per quanto possibile) di pubblicare il maggior numero di informazioni sull'argomento trattato. Leggete per capire...

Cos'è una Coilgun



[da Wikipedia] Una Coilgun è un tipo di motore lineare sincrono (...e io che pensavo fosse una pistola :-) che è utilizzato come acceleratore di proiettili tramite una o più bobine elettromagnetiche. Queste sono utilizzate per accelerare il proiettile e portarlo ad alta velocità. Sono anche chiamate Gauss gun in riferimento al Carl Friedrich Gauss che ha formulato la descrizione matematica degli effetti elettromagnetici usati in questi accelleratori magnetici.




Una Coilgun è formata quindi da una o più bobine posizionate lungo un cilindro entro il quale scorre il proiettile, che vengono azionate in sequenza in modo da dare una spinta progressiva al proiettile.

Questo disegno spiega benissimo il principio di funzionamento:
il proiettile (in materiale ferroso) si trova per buona parte al di fuori della bobina, iniettando un'elevata corrente all'interno della spire si crea un forte campo magnetico che porta il proiettile a portarsi al centro della bobina. Se però il flusso di corrente è di breve durata il proiettile verrà si attirato verso il centro della bobina, ma venendo subito dopo a mancare il campo magnetico, la forza di inerzia lo porterà a scorrere in avanti.

File:Coilgun animation.gif

In questa animazione viene illustrato il principio di funzionamento di una Coil Gun realizzata con tre bobine, sincronizzando correttamente l'innesco delle bobine il proiettile acquista progressivamente velocità.





La costruzione

Vediamo cosa serve per costruire una coil gun.



- Proiettile: il proiettile può essere realizzato con un chiodo senza testa o con una vite il cui filetto è stato opportunamente limato (per ridurre il più possibile l'attrito).

- Canna: per la canna è opportuno scegliere un tubo il cui diametro interno consenta al proiettile di scorrere liberamente, ovviamente è indispensabile che il tubo sia in plastica o comunque un materiale che non influisca il flusso magnetico generato dalla bobina.


- Bobina: la realizzazione ma ancora di più il dimensionamento della bobina è una delle cose più difficili, ci sono una serie di infiniti calcoli per trovare il compromesso ideale, ma alla fine il metodo empirico è il più efficiente. Tranquilli, non faremo tutto a caso, più avanti vi mostrerò una serie di utility messi a disposizione da Barry, che risulteranno infinitamente utili (se non che utility sarebbero...).
- Corrente: beh purtroppo non è possibile acquistarla a kg, quindi la soluzione per averne in abbondanza è quella di immagazzinare una grande quantità di energia in alcuni condensatori di capacità elevata e scaricarli sulla bobina, la cui resistenza (abbastanza bassa) permette di ottenere la corrente di cui abbiamo bisogno.

I parametri da considerare

Come già detto il problema principale sta tutto nel dimensionamento della bobina e condensatori in modo da avere un'elevata corrente (quindi un forte campo magnetico) e una durata dell'impulso che sia sufficiente per imprimere al proiettile la più alta accelerazione possibile ma una durata abbastanza breve per non mantenere all'interno della bobina il proiettile.
Barry ci mette a disposizione dei simulatori realizzati in Java per:

- Simulare la rete RLC dove R è la resistenza della bobina, L è il suo valore e C è il valore dei condesatori.
- Simulare il tempo di scarica dei condensatori sulla bobina.
- Simulare una bobina, per ottenere la bobina del valore ideale con delle dimensioni che non siano assurde.

Nelle simulazioni si parla di AWG che è l'unità di misura della sezione di un conduttore di rame, qui riporto le varie dimensioni in modo che possiate trovare facilmente il condutore ideale:

http://tk5ep.free.fr/tech/awg/img/awg.gif


Come caricare i condensatori.

I condensatori devono avere un'elevata capacità (in termini di Farad) oppure devono essere in grado di sopportare un'elevata tensione in modo che scaricati sulla resistenza della bobina la corrente ottenuta sia elevata. Per darvi un'idea delle dimensioni dei condensatori vi riporto alcune immagini:


img_4739.jpg


12,000 microfarad capacitor

Niente male vero? In alcuni esperimenti il condensatore viene caricato direttamente con la 220V (raddrizzati ovviamente), è una pratica alquanto PERICOLOSA ma sicuramente rapida. Il problema è che se si volesse realizzare una pistola magnetica portatile non è la soluzione più comoda.

Schematic showing transformer, rectifier, capacitor, SCR and coil.

Questo è lo schema per caricare la Coil Gun con la 220V (nello schema è riportato 110V ma il principio non cambia), attenzione però ai condensatori C1 e C2 che devono reggere almeno 400V per sicurezza. Nello schema è riportato anche il circuito di innesco composto dall'SCR, dalla batteria a 9V e dal pulsante. Premendo il SW1 si attiva l'SCR che mette in corto i condensatori sulla bobina. Attenzione anche alla scelta dell'SCR che deve reggere correnti di picco elevate.

Per poter avere una pistola portatile bisogna partire dalla tensione fornita da delle batterie e sfruttando un oscillatore portarla ad una tensione in grado di caricare la batteria di condensatori.

Riporto alcuni esempi di circuiti elevatori, cliccando sull'immagine arriverete nella pagina degli autori e troverete alcune note costruttive.

http://www.coilgun.eclipse.co.uk/images/prototypes_pages_images/cs_p01A/boost_converter_board_circuit_large.gif


schema del survoltore swicthing

Queste sono solamente alcune idee su come realizzare un survultore. Una valida e più veloce alternativa potrebbe essere quella di utilizzare un piccolo inverter (12VDC -> 220VAC) e utilizzare un circuito come quello che ho mostrato prima utilizzato per caricare i condensatori con la tesnione di rete 220V.

Per la ditta in cui lavoro ho realizzato una Coil Gun utilizzando una batteria di condensatori e un microcontrollore che sfruttando un trasformatore elevatore permetteva di ottenere la tensione necessaria per caricare correttamente i Cap.

Tra l'altro questo numero è scaricabile gratuitamente, quindi approfittatene.

Riporto i link dei siti che ho utilizzato sia per realizzare il progetto qui a fianco sia per scrivere questo post. Li ho messo in ordine di utilità:

http://www.coilgun.info/mark1/home.htm

http://www.coilgun.eclipse.co.uk/index.html

http://matthack.com/category/coil-gun-v10/

http://matthack.com/category/coil-gun-v20/

http://www.powerlabs.org/coilgun.htm








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