Гауссган "BGG"

[BSVi]

Кроме теслы, каждый уважающий себя задрот должен соорудить еще и гауссган Вообще, я электроникой начал интересоваться еще в школе именно с гаусс-пушки из фаллаута. Тогда я пытался слепить ее из конденсатора и катушки. Все это было довольно примитивно, хотя и стреляло. Сейчас появилась куча технологий и способов сделать что-то более крутое, так-что, пришло время закрыть гештальт и сотворить гаусс.

Естественно, был изучен весь интернет на предмет лучших решений. В целом, моя конструкция будет сильно похожа на вот эту, конечно, и от себя что-то я добавлю.

Финальная цель, почти как у всех гауссостроителей - скорость пули от 100м/с при максимальном КПД.

Топология - матрица косых полумостов с датчиками тока и оптическими датчиками положения пули.

Лепить гаусс я буду из того, что есть под рукой. А есть 2 конденсатора 6800мкф/450в и один на 4700/450в. Пока не особо понятно, в какой последовательности это все подключать, я склоняюсь к последовательному подключению, получится 3400мкф/900в, но тут проблема с балансировкой конденсаторов, и с высоким напряжением в целом, так-что, напряжение - пока открытая тема.

Думаю, что это будет супер-долгострой, но, просто открыл тему, чтобы скидывать сюда разные наработки.

[MdAD-Q]

О, крутяк! Где-то в 2016 я тоже собирал Гауссган. Плевалось оно гвоздями на пару-тройку метров. Правда, дальше макетки с атмежкой и тремя катухами на трубке дело не пошло, т.к срочно нужны были детали для другого проектика До корпуса дело так и не дошло

[BSVi]

Итак первым делом я взялся за симуляторы - нужно же посчиать по максимуму перед тем, как что-то делать. Первое, что было интересно - как зависит КПД от количества ступеней. Для этого был взят скриптик вот отсюда, и весьма сильно переделан под мою систему.

Из скрипта был получен график КПД, и выходной скорости от тока стадии и входной скорости.

После чего был запилен скриптик, которому ты скармливаешь энергию в конденсаторе, а он говорит, при каком сочетании токов в катушках, выходная скорость пули будет максимальной. Абсолютные цифры особого значения не имеют, а графики вот:

Итак, зависимость КПД от количества катушек:

Он растет почти линейно, из чего, в целом, следует, что чем медленнее разгоняется пулька, тем более эффективной становится пушка. Правда, это для случая с одинаковыми катушками. Нелинейность - скорее всего, оптимизатор уткунлся в локальный минимум. Позже я сделал аналог монтекарло, но фоточки не сохранял.

Второй график - это зависимость оптимального тока в катушке от номера катушки.

Если сделать немного математики, то видно, что он растет так, чтобы обеспечивает постоянную прибавку энергии пули.

Из этого всего я могу сделать довольно простой вывод - нужно выбрать какую энергию на стадию, что довольно просто сделать, имея цель по энергии пули, и оптимизировать каждую стадию по передаваемой энергии. Чем больше энергии мы попробуем передать за одну стадию, тем ниже будет КПД.

[korshyn]

Ооо вот это темка подошла...
Ахахах, жиза по поводу балансировки конденсаторов - я делал для каждого отдельное питание, и через компаратор контролил зарядку...
Очень будет интересно ваше техноогические решения.

[BSVi]

Итак, с физикой катушек более-менее понятно. Еще предстоит их расчитать, но уже понятно, к чему стремиться. Но чтобы считать конкретные размеры катушек, нужно определиться с пулей.

Вообще, сначала я очень хотел использовать в качестве пули шарик 8мм. Плюсы очевидны - их можно купить сколько угодно готовых и дешево. Из минусов - КПД получается намного ниже, чем с цилиндром, от 2 до 10 раз. Ну и эффект Магнуса никто не отменял. Так-же, катушки с ними очень чувствительны к таймингам, а так-как тайминги будут отчасти предсказываться, это все врядле будет хорошо работать.

В любом случе, когда система заработает для цилиндров, можно будет попробовать ее и с шариками, но делаться пушка будет под цилиндры.

Цилиндры летают очень плохо, поэтому были рассчитаны стабилизаторы.

Если кому интересно, что тут считается, то основы есть тут. Было изготовлено несколько прототипов:

После тестирования, был выбран цилиндр длинной 20мм с трубочкой в качестве стабилизатора. Довольно просто изготавливается + хорошо летает. Вес такой пульки - 8г.

[iEugene0x7CA]

Да, мы же там освоили лазерный металл, и ещё на очереди CNC-гибка.
Так что штуковину можно сделать на уровне с вот этой пушкой.

[BSVi]

Итак, приключения продолжаются. Сейчас начал рисовать механику, попутно додумывая магнитную систему. Так-как у пульки будет трубочка, по которой бить нельзя, инжектор из соленоида (про который я даже не писал тут) отменяется. Пулька будет класться в ложамент и фиксироваться двумя небольшими магнитами, должно быть довольно удобно.

Дальше было приключение с размышлениями, как это все собирать, и как обеспечить хорошее магнитное сцепление пули в первой ступени. В итоге, придумал класть пулю прямо в магнитопровод. Сейчас это вот так выглядит:

Так-же, был написан скрипт, который считает максимальную индуктивность для катушек. Вот пример вывода:

Код: Выделить всё

max_inductance_uH =

 Columns 1 through 9:

   13001.35740    9090.39571    7337.25385    6279.75271    5549.35078    5003.52817    4573.94889    4223.18530    3928.77769

 Columns 10 through 16:

    3676.31529    3456.06496    3261.17987    3086.68136    2928.84811    2784.83287    2652.41289


Теперь нужно промерять индуктивность катушек с магнитопроводом и сравнить с максимальными. К сожалению, FEMM не умеет симулировать 3д магнитопроводы, как у меня тут. Придется осваивать какой-то другой инструмент. Но, можно сделать и проще - просимулировать для цельного магнитопровода, а для пластинчатого, индуктивность точно будет меньше.

[korshyn]

Зацени Comsol multiphysic, и вроде из отчественного Elcut

[Pigball]

При всем уважении к адептам форума - гауссган, не более чем ни кому не нужная игрушка, которая не стоит вложений. Для любителей пострелять всякой хренью, проще и круче переделать "расходомер" пневматического пистика или винтаря или втюхать туда баллоны посерьезней. Другое дело - замутить рельсотрон, с предварительной пневмоподачей и пр.

[BSVi]

Так я и не говорил, что все серьезно Гаусс - игрушка, никто не тешит иллюзий. Просто, вот с детства хотел себе гаусс заиметь. А сейчас есть все для этого

Рельсотрон - слишком громоздко для хобби проекта. Есть еще томпсон и иже с ним, там можно что-то серьезнее, чем из гаусса выжать, но оно тоже будет огромным.

Модифицированная пневматика имеется.

Тем временем пробовал что-то в EMWorks сделать. Глючное говнище.

[BSVi]

Однако, товарищи, это победа. Таки одолел я EMWorks, и теперь могу посчитать индуктивность самой долбанутой катушки в мире.

Картинка при 300 витках и 100А в проводе.

Беда в том, что этого очень мало, а провода там и так очень много. Нужно что-то думать. От индуктивности напрямую зависит, сколько энергии стадия может передать в пулю. По принципу виртуальной работы, энергия пули, фактически, прямо пропорциональна изменению индуктивности.

Теперь осталось придумать, как индуктивность увеличить, хотя бы до 5mH для первой стадии, и на сколько влияет одна стадия на другую, не нужно ли ставить между ними спейсоров.

COMSOL я попробовал. Мне понравилось - оч мощный, особенно встроенный язык. Но разобраться в том, как это все работает за вменяемое время не представляется возможным, поэтому, смоделировал на чем попроще.

[BSVi]

Итак, сейчас считаю несколько разных магнитных систем, и не могу понять, какая лучше. Счиатю такие параметры - индуктивность без пули, Изменение индуктивности при втыкании пули, и сила, действующая на пулю вне катушки.

Считал для просто катушки без ничего, для магнитопровода из 3мм стальных пластин, и для цельного стального стакана. Что самое интересное, они мало чем отличаются. Все считалось для тока 100А/300 витков. Итак:

Индуктивность - 0.95мГн
Изменение - 0.2мГн
Сила - 89Н

Индуктивность - 1.51мГн
Изменение - 0.2мГн
Сила - 100Н

Индуктивность - 1.31мГн
Изменение - 0.2мГн
Сила - 96Н

Еще было интересно, сильно ли влияет дополнительные секции на индуктивность. Оказалось. не сильно. Для магнитопровода из пластинок - разница около 100мкГн или 7%.

Скорее-всего, буду делать пластинчатый магнитопровод просто потому, что так футуристичнее выглядит и видно катушки Ну и есть еще одна идея - в начале пластинчатого магнитопровода положить шайбу, тоже попробую это отсимулирвоать.

[BSVi]

Итак, чтобы темка не заглохла, вот наброски схемы. Самым сложным было - придумать как считывать датчики. Проблема в том, что пуля длиннее катушки, и может перекрывать несколько датчиков сразу, поэтому просто соединить их последовательно не выйдет. Вариант с дифференциатором и усилителями, как используют для хронометров тоже не подходит - рядом будет много помех. Было еще несколько вариантов, но я решил проще - сгруппировать датчики в 6 групп, так, чтобы пуля не могла перекрыть датчики в одной группе. На самом деле, не обязательно ставтиь датчики на каждую катушку, можно ресинхронизировать пулю реже. На сколько реже - я не знаю

Теперь нужно посчитать номиналы, расставить пины по местам, итп.

coilgun.pdf

(275.66 КБ) 495 скачиваний

В целом, вырисовывается дизайн конструкции. Примерно так:

[BSVi]

Нарисовал плату, и, в процессе, понял, что нарисовал фигню во многих местах. Теперь нужно придумать, как сделать правильно, но, картинка осталась. В целом, силовая часть не поменяется. Нужно чуть переделать преобразователь и управление. Габариты 160*100мм

[savol]

Грамотная разводка!У меня даже не получается подписывать элементы-не хватка временного процесса!

[iEugene0x7CA]

Грамотная разводка!

Дейв Джонс нашел бы пару выражений как описать эту платку.

Целых 24 крупных детали болтаются по ветру. Платка на самом деле так себе, но т.к. ничего подобного ни я, ни Сергей до этого не крутили – нужен хоть какой-то прототип для получения самого базового опыта.

По-правильному было бы хорошо вообще не заказывать никаких платок и спаять всё на соплях/макетке/беспайке... Но у этой конструкции подразумевается наличие целых 20-ти катушек.
Собрать такой макет будет напряжно, так что придется делать по новой платке на каждую новую переделку.

[BSVi]

А, тем временем, были решены пару проблем, в том числе придумано неведомое досих схемотехническое чудо - компаратор разности сигналов с порогом. Которое, почему-то не описано нигде в литературе.

Отдельно, хочется поблагодарить ST за чип stm32f334, который я очень порывался использовать тут - в первого взгляда, там есть все, что нужно - крутой таймер, три компаратора, ОУ, быстрый дифференциальный АЦП. Но, когда начинаешь рассматирвать это все более внимательно, понимаешь, что ничего из этого не юзабельно. К примеру, у ОУ не хватает выходного тока, чтобы драйвить АЦП на какой-то приличной скорости, хотя, сам по себе, он достаточно быстрый. Или диапазон синфазного сигнала АЦП должен быть +-10% от середины питания. Одновременно ОУ и компараторы тоже нельзя использовать. Вообщем, засада с любой стороны. Вообщем, плюнул я на это дело, с нарисовал что-то на старом-добром f1 с внешней обвязкой.

В целом, мощный проц может понадобится, чтобы, анализируя ток, определять положение пули в стволе. Но, на сколько это реально сделать - пока не известно, так-что, пока закладывается только оптика.

Сейчас плата выглядит вот так:

В частности, добавлен компаратор тока преобразователя, чтобы можно было запустить его в токовом режиме. Теперь нужно посчитать и изготовить (проверить. что это вообще возможно) трансформатор-дроссель преобразователя, придумать снабберы на выходные диоды. Еще нужно на отладке набросать стремные места в алгоритме и проверить, что оно заведется как планируется перед заказом платы.

[BSVi]

Немного новостей - были заказаны платы. С плат убрал пуш-пул, и заменил более классическим флайбэком - как меньше риска, что что-то не заведется.

После чего, начал разбираться с катушками. Было напечатано несколько прототипов, пока не добился того, что нужно. Внутренний диаметр не получилось печатать так, чтобы каркасы катушек надевались плотно, пришлось приобрести развертку. Кстати, на фоточке, каркасы уже на титановом стволе.

Для удобство настройки и верификации расчетов, был приобретен измеритель LCR.

[pro100alex]

И как измеритель LCR? Я тоже был как-то заглядывался на такой... Может таки и себе прикуплю.

[BSVi]

Измеритель, как измеритель. Хотелось бы точнее, конечно. К примеру, потери на всех CBB-81 показывает одинаково по нулям, какие из них лучше отобрать невозможно. Но за эти деньги ничего лучше не найти.

[BSVi]

Намотал трансформатор для зарядника. Зря купил LCR-метр - теперь слишком очевидно, что трансформатор получился плохо. Но времени мало и переделывать его я не буду.

Итак, измеренные параметры:
Lпервички = 3.894uH (этот параметр я подогнал, подтачивая зазор сердечника болгаркой с алмазным кругом)
Lвторички1 = 267.6uH, Kсвязи1 = 0.958
Lвторички2 = 257.10uH, Kсвязи2 = 0.968

Как видно, получилось все в разнобой, и довольно плохо. По симулятору, КПД преобразователя в токовом режиме - 70%, а после того, как преобразователь выйдет из токового режима - 89%. Перекос напряжения между выходами из-за разных индуктивностей - 1.6В. Посмотрим, что будет в реальности.

Конструкция трансформатора такая:
Сердечник EE40, зазор 1.7мм || 5 витков 0.6мм*10жил || 40 витков 0.33*1 || 40 витков 0.33*1

Вывод абсолютно ожидаемый - флайбэк сильно чувствителен к трансформатору, и, по хорошему нужно использовать что-то другое, но он простой, проверенный и работать будет.

[savol]

Старался!И главное работать будет,а секундой больше или меньше на заряд электролитов погоды не сделает!

[BSVi]

Давно не писал, отчитываюсь. Получены платы, частично собраны. Запущен проц, ацп, все преобразвоатели. С главным преобразователем пока траблы - он греется сильнее, чем хотелось бы. Пока не разбирался в чем причина, но уже несколько раз пожалел, что делал именно 900в систему. С 450в было бы все намного проще, надеюсь, оно того стоит

Кстати, из-за перекоса индуктивностей трансформатора, без нагрузки он выдает 447в на одном конденсаторе и 429в на другом. Что, как по мне, многовато перекоса, но перематывать тран оч не хочется.

Намотана первая катушка. По результатам ее измерения, я понял, что намотана она не правильно. Нашел баг в скрипте, которым ее считал и поправил. Теперь нужно намотать новую. Хотя, первые выстрелы можно и с этой сделать. Она не оптимальна, но, как-то, работать будет.

[iEugene0x7CA]

Поддончик очень кстати, когда-то пол комнаты BSVi забрызгали, когда кондёр бахнул на ST SSTC.
Он ещё и вверх фонтан устроил, жалкие сантиметры и осталось бы вечное пятнышко на потолке, напоминающее о том вечере.

[BSVi]

С НГ Всех! А вот и поздравляшка от гаусса



Было сделано куча всего. Во-первых, пришлось перейти на новый процессор, f100 серии не хватило, чтобы обсчитывать то, что планируется с достаточной скоростью. Дабы не плодить сущностей, взял проц как гитарном прерывателе stm32f303cb. Его пока более чем хватает.

Была добавлена менюшка для настройки катушек. Даже на этапе отладке удобнее все настраивать так, чем перезаливтаь код.

Были отлажены сигналы, на выходе транзисторов очень чистые переключения без овершутов.

Были поправлены косяки с зарядкой, с предзарядом бутстрепных конденсаторов.

Китайский повышающий модуль глючил при работе на емкостную нагрузку, но, потом почему-то перестал. Почему и когда оно заглючит в следующий раз - не понятно, но пока работает.

Сейчас испытано напряжение до 400в, для тестирования большего, нужно сделать стенд, так как катушка слетает со ствола при выстреле. Следующим шагом будет хронометр, чтобы можно было настраивать более-менее объективно, потом буду повышать напругу до 900в.