Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

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Diodenbrätergerät
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Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#1 Beitrag von Diodenbrätergerät »

Hallo liebe Community,
ich möchte mich kurz vorstellen bevor ich tiefer einsteige:

Ich bin Michael, 30 Jahre und arbeite in der Elektronikbranche. Ich bastel gerne an Dingen die anderen unmöglich erscheinen *Grins* Aber wie hieß es schonmal: Wenn es wie Magie erscheint, kann der Ingenieur einpacken und sich auf die Couch begeben => Work done!

Noch etwas wichtiges vorweg, wenn ich hier Umschreibungen mache wie "Umweltheizung" will ich damit niemanden auf den Schlips treten, das liegt mir fern. Ich will einfach nur die Tatsache herausstellen das hier mehr Wärme erzeugt wird wie nutzbare Beschleunigung. Teilweise versuche ich das auch etwas ironisch bzw. satirisch darzustellen. Lachen sollten wir alle, das Leben ist oft genug ernst genug. Daher bitte nicht negativ auslegen. Ich will hier nur diskutieren und Vorschläge machen aber niemandem etwas böses.

Sou, dann mal zum Hauptthema: Coilgun

Das nachfolgende ist mehr Theoretische Überlegung wie reales Bestreben etwas zu bauen. Wenn dabei etwas wirklich sinnvoll realisierbares herauskommen sollte, und ich das auch soweit als für mich realisierbar ansehe, überlege ichs mir. Was ich aber nicht möchte ist eine weitere Umweltheizung mit Nebenfunktion zu bauen.

Ich trag die Idee einer Coilgun schon etliche Jahre mit mir rum, immer mal wieder hab ich darüber nachsinniert, aber dann wieder an der Ineffizienz gescheitert. Und da ist mein Kernproblem an dem Thema, einen Massbeschleuniger in elektrischer Bauweise die nur mit 3 bis 10% der Energie beschleunigt und den Rest als Umluftheizung benutzt ist irgendwie nicht so der Hit.

Daher habe ich mir bezüglich der Thematik so meine Gedanken gemacht und will das mal Schritt für Schritt durchgehen und würde euch bitten das mal zu zerpflücken und mir zu sagen wie weit daneben ich liege (Oder einfach was ist Schwachsinn und was nicht):

1. Das Projektil (Aktiv oder Passiv):
Problem: Klassisch wird das Projektil bei CGs aus Eisen bzw. Stahl gemacht, nun wissen wir aber alle das Eisen eine magnetische Sättigung besitzt und damit die Magnetfeldstärke begrenzt. Bei einer kurzen Beschleunigungsstrecke ist aber genau das eher verdammt schlecht, weil wir ja eine möglichst hohe Kraft über möglichst viel Weg haben wollen. Weil Kraft * Weg = Geschwindigkeit
Lösung 1: Anstatt ein Eisen das eine Magnetische Begrenzung darstellt solte man einen Kupferring benutzen der per Induktion ein Gegenmagnetfeld aufbaut und damit sich von der Spule abstößt. Das Gegenmagnetfeld ist nur durch die Induktion und den elektrischen Werten des Kupferrings begrenzt. Aber ich denke (Ich habs noch nicht ausgerechnet) das die Einschränkungen des Kupferrings weit geringer sind als die des Eisenkerns. Alu geht auch, ist aber schlechter wegen dem Wiederstand.
Lösung 2: Anstatt Eisen das passiv genutzt wird, kann man es auch aktiv nutzen indem man nochmals 10 Windungen Cu Draht darum legt und diesen per Stromschienen mit Strom versorgt. Das hat zur folge das sich ein Magnetfeld durch den Eisenkern erzeugt was gegen das Magnetfeld der Coils gerichtet ist. Durch die Impedanz (Induktiver wie Ohmischer R) der Spule ergibt sich eine Stromreduktion der Strecke und eine (hoffentlich) Reduktion der Kontaktschienen.

2. Das Wirkprinzip:
Problem: Klassisch wird das Geschoss durch die Beschleunigungsstrecke gezogen. Das hat als Einschränkung das sobald die Geschossmitte die Spulenmitte überschritten hat, wird es wieder gebremst. Wenn man also die Spule zu lange bestromt, arbeitet man gegen sich selbst. (Effizienzminderung) Auch ist die Nutzbare Beschleunigungsstrecke sehr gering, da man den Einschaltpunkt nur knapp vor der Spule hat und die Zeit bis zum Ausschalten soweit deutlich kürzer wird.
Lösung: Anstatt zu ziehen sollte man drücken. Das hat wieder andere Probleme (Projektil muss mechanisch geführt werden damit es sich nicht verdrehen kann) aber es erleichtert das Design deutlich, da man nur noch einen Einschaltpunkt hat den man bestimmen muss (Spulenmitte oder etwas später) und den Ausschaltpunkt kann sogar sein wenn das Projektil schon aus dem Wirkungsbereich des Magnetfelds ist (Mindert zwar die Effizienz aber hat keinen Einfluss mehr auf das Projektil)

3. Einschaltzeit der Spulen:
Problem: Es ist schwierig die Spuleneinschaltzeit zu steuern da man meist nur einen Thyristor und die Ladung des C hat um zu bestimmen wie lange die Spule wirklich aktiv ist.
Lösung: Durch eine passende Auslegung der Spulen (Induktivität sowie Ohmischer Wiederstand) kann die Spule auf eine Spannung von 100V angepasst werden. Ziel der Anpassung sollte sein möglichst geringes I (Für sehr schnelle Ein bzw. Ausschaltzeiten) und möglichst geringer R (Umweltheizung muss nicht sein) aber maximales Magnetfeld. Damit kann man die Spulen (hoffentlich) mittels MOSFET Bänken schalten. Ich hatte mir schon eine MOSFET Bank mit 10kA designt bei 100V. Allerdings nur eine max. Einschaltzeit von 1msec. Durch die bessere Steuerbarkeit der Spulen sollte sich der Verlust der Energie eingrenzen lassen.

4. Mechanische Reibung an den Schienen:
Problem: Wie oben beschrieben denke ich sollte man Drücken anstatt Ziehen. Damit ist das Projektil aber auch geneigt sich zu drehen, da es ja einen in der Realität inhomogenen Druck erfährt. Daher muss man es durch geeignete Führung davon abhalten sich zu verkanten bzw. zu verdrehen.
Lösung: Die Reibpaarung sollte möglichst ideal sein, daher das Geschoss bzw. Teflon und die Schienen ein glattes Material, polierter Stahl, Keramik, sowas eben. Ergibt weniger Reibung, ergibt weniger Hitze und mehr nutzbare Energie. Auch die Kontaktpunkte kann man reduzieren hat aber laut der physischen Formel für Reibung keinen Einfluss

5. Magnetfeldführung:
Problem: Wie oben beschrieben sollten die Spulen möglichst schnell ein bzw. ausschaltbar sein. Daher sollten sie möglichst eine geringe Induktivität haben. Ein Eisenkern ist hier eher kontraproduktiv. Allerdings sollte das Magnetfeld auch dort ankommen wo man es benötigt, bei der Projektilbahn und nicht im Umkreis der Spule.
Lösung: An sich von der Idee, braucht es eine Luftspule ohne Eisenkern. Das Projektil sollte durch den Kern der Spule geführt werden, um die maximale Kraft erfahren zu können. Dabei sollte möglichst wenig Material in der Spule sein dass das Magnetfeld beeinflusst (Stromschienen oder ähnliches) daher währe das Induktive Design eigentlich das bessere (Projektil mit Kupferring) anstatt dem aktiven Design (Geschoss mit Gleitkontakten und Wickelung). Im Außenbereich (außerhalb der Projektilbahn) währe es eventuell sogar sinnvoll eine Abschirmung durch Eisenblech oder Mu Metall zu erreichen zwecks Störungen. Eventuell sogar eine Aluverkleidung um eine Magnetfeldkonzentration im Inneren der Spule zu erreichen.

6. Sensored vs. unsensored Einschaltzeiten Bestimmung:
Problem: Geschossgewichte und Entladeverläufe der Kondensatoren können leicht variieren und damit auch das Timing der Einschaltzeitpunkte (Ausschaltzeiten sind unkritischer)
Lösung: Ich persöhnlich sehe es als sehr Sinnvoll an die Position des Projektils zu tracken per Sensoren, da damit auch weitere Daten (Geschwindigkeiten, Energie, Effizienz, ...) berechnet werden können. Auch kann man dann per Controller die Einschaltmomente optimieren, bzw. per Code die Einschaltmomente optimieren lassen und so zu einem Statistischen Optimalwert kommen. Das funktioniert natürlich nur wenn die Projektilgewichte immer exakt das gleiche ist, bzw die Streuung sehr klein ist. Wenn man aber mal eben Schwankungen von 1-2 gramm pro Projektil hat, wird das dann schnell unmöglich ein passendes Timing zu erreichen.

7. Multistageing
Problem: Der Wirkbereich einer Spule ist nur sehr klein, im Design mit einem Induktiven Geschoss vermutlich im Bereich von max. 80mm nach der Spulenmitte, vielleicht ein paar mm mehr. Aber nicht viel, bzw. dann nicht mehr signifikant.
Lösung: Multistaging. Genauer würde ich die Spulen eher kurz halten (20mm Spulenlänge maximal) und lieber viele Spulen einbauen um so möglichst viele Stages auf der Beschleunigungsstrecke zu erreichen als nur einige wenige und dafür größer.

8. Wiederholbarkeit:
Problem: Wenn ich ein Ziel damit treffen will, auch wenn es nur 20m sind, muss ich sehr wiederholgenau Energie eintragen und damit eine sehr gleichmäßige Geschwindigkeit erreichen.
Lösung: Aktuell noch keine, da ich nicht weis wo ich dort liege +-10% / +-1% / +-0,1% / +-0,00001% ich weis es nicht. Das ist aber ein generelles Problem und nicht nur auf Coilguns bezogen.

Okay, soweit wars das mal von mir. Mir ist bewusst das ich hier einiges kontroverses beschrieben habe. Mir ist auch bewusst das sehr viele CG Designs völlig anderst sind als das was ich hier beschreibe. Ich bin auch gerne gewillt das ganze so aufzubauen und zu probieren. Material lässt sich bestellen und Möglichkeiten habe ich auch. Aber wie gesagt, ich will hier nur wissen ob ich mit meinen Gedanken richtig liege.

Ich bin gespannt wie ihr das so seht.

Grüße Michael
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#2 Beitrag von Diodenbrätergerät »

Hier noch eine kleine Ergänzung zu dem ganzen was ich als Grundlage sehe:

https://www.youtube.com/watch?v=NwHI3lnxs1Y

Nur eben anstatt dem großen Aluring über dem Eisenkern, ein kleiner Aluring in einer Luftspule. Im großen und Ganzen.
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#3 Beitrag von Diodenbrätergerät »

Okay, ich hab mir eben nochmal die Jursitische Grundlage dazu durchgelesen, ich werde nichts der gleichen bauen.
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Zero
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#4 Beitrag von Zero »

Moin
Solang du damit nicht draußen rumrennst sollte dir da keiner was können. Wissenschaftliches Demonstrationsgerät...wenns danach geht, wären wir alle schon längst im Knast.
Wollen hier alle nur basteln.

Ich weiss grad gar nicht wie effizient InduktionsCoilguns sind, aber die stoßen das Projektil in der Tat weg. Alu nimmt man da üblicherweise. Hat Onkel Rapp recht eindrucksvoll gezeigt.
Mit Hochspannung. Kurze kräftige Pulse.

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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#5 Beitrag von Diodenbrätergerät »

Mein Gedanke war einen mit Kupferring, da Kupfer einen besseren Leitwert hat.

Ich würde den Sensor vor der Spule anbringen und ein Delay programmieren das sodass die Zündung der Spule nach dem ablaufen des Delays geschieht. So sollte das Projektil immer weiter angeschoben werden.
Genau so wie du es beschreibst. Ich denke damit währe bis zu 30% drinnen. Natürlich muss man jede Spule sowohl den Einschaltzeitpunkt als auch den Ausschaltzeitpunkt optimieren.

Und ja die Stromanstiegsgeschwindigkeit mus extrem schnell sein, damit auch eine hoher Stom in die Spule des Projektils induziert wird.
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HV-Juli
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#6 Beitrag von HV-Juli »

Diodenbrätergerät hat geschrieben:Mein Gedanke war einen mit Kupferring, da Kupfer einen besseren Leitwert hat.
Wie wär's mit Silber, leitet noch besser. Oder Aluminium auf -272°C abkühlen(supraleiter) :trollface:

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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#7 Beitrag von Diodenbrätergerät »

HV-Juli hat geschrieben:
Mi 2. Jun 2021, 14:46
Diodenbrätergerät hat geschrieben:Mein Gedanke war einen mit Kupferring, da Kupfer einen besseren Leitwert hat.
Wie wär's mit Silber, leitet noch besser. Oder Aluminium auf -272°C abkühlen(supraleiter) :trollface:
Wenn du die Kühleinrichtung stellst gerne, Aluminium hab ich da. :trollface: :mrgreen:
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Felix B.
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#8 Beitrag von Felix B. »

Hallo

Die Idee mit dem Wegstoßen durch Induktion ist an sich gut. Ich hab zuhause 18 Mirkowellenkondensatoren zusammengeschalten (6,5kV 18uF = 380J) und da ne flache Spule mit ca. 15Wdg. drangehängt. Ne Aludose kann ich mit dem Ding 3-4m in die Luft schießen und ein kleiner 2cm Kupferring ist draußen so hoch geflogen, dass ich ihn nichtmal gesehen hab und drinnen hat er mir ne Delle in die Decke geschossen :awesome:

Also an sich geht das. Dass es gut geht braucht man allerdings sehr hohe Spannungen um eine hohe Stromänderung hervorzurufen, die für das Wegschießen verantwortlich ist. Mit 100V und ein paar MOSFETs wird es funktionieren, aber aus meiner Erfahrung sehr schlecht. Bei diesen "niedrigeren" Spannungen ist man mit nem Eisengeschoss besser dran. Allerdings könnte ich mir schon vorstellen, dass ab einer gewissen Energie das Kupfergeschoss effizienter wird. Ich hab mal ne CG zusammengepfuscht mit 325V auf den Elkos und keiner Schaltelektronik sondern ungefähr die Kapazität so abgestimmt, dass die Elkos genug entladen sind, wenn das Projektil die Mitte erreicht. Die hat durch ein Stück Karton mit ner M6x50 Gewindestange geschossen aber mehr auch nicht, da das ohne die Spule aktiv auszuschalten sehr ineffizient ist. Aus Interesse hab ich da nen Kufperring draufgelegt und der ist nur so 1cm gehüpft. Es war zwar weniger Energie da, aber nicht viel weniger (74J statt 380J).

lg
Felix


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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#9 Beitrag von Zero »

MW caps?? Sind die pulstauglich?

Weiss jetzt nicht um wieviel besser Cu wäre...wenn das so in der Gegend vom Wärmeleitwert liegt, also recht nah beisammen, dann lohnt Kupfer den Kosten wegen nicht wirklich.
Wenn da >10% mehr Power drin wären, dann auf jeden Fall. Sinn macht sowas glaub ich wirklich erst so bei 2000V aufwärts. Bei den letzten Stufen würde ich sogar noch höher gehen.
Wollte immer schonmal eine 10kV Spule wickeln, aber das wäre dann auch schon wieder ne ganz andere Nummer. Ich glaub Lackdraht wird getestet bis 1000V. War damals zumindest so.

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Felix B.
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#10 Beitrag von Felix B. »

Eigentlich nicht aber wenn man sie nicht durchgehend mit Pulsen belastet halten die das aus. Die sind ja auch nicht für die 6,5kV gemacht auf die ich die lade sondern nur für 2kV. Durchschalgen tun sie erst ab 8kV.
Die 10kV spule geht ja noch mit wenig Windungen. Ich hab einfach Lautsprecher Kabel genommen für meine Spule. Das macht 10kV locker mit.

lg


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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#11 Beitrag von Zero »

Würde das mal simulieren mit 10kV. Bei der Spannung würde ich aber lieber auf mehr Feld setzen und die Spule mit ner Lage mehr wickeln.
Glaub ich hab hier noch russische 3kV caps mit 200J. Könnte man mal probieren.

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HV-Juli
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#12 Beitrag von HV-Juli »

Felix B. hat geschrieben:Die sind ja auch nicht für die 6,5kV gemacht auf die ich die lade sondern nur für 2kV. Durchschalgen tun sie erst ab 8kV.
2-2,5kv ist die wechselspannungsfestigkeit. Auf manchen steht auch eine für dc oben, das sind dann meist 8-12kv. Und du hast gesagt die schlagen bei 8kv schon durch? Das sollten Sie ja mindestens aushalten.

LG Julian


Zero
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#13 Beitrag von Zero »

Ich würd die allein wegen der niedrigen Kapazität schon liegen lassen. Hatten die nicht nur einige uF?


oglbi
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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#14 Beitrag von oglbi »

Der Rapp hatte bei coilguns Wirkungsgrade von 1-2%.
Die Wirbelstromringe waren <1%.
Die Wirbelstromscheiben hatten einen Wirkungsgrad von 10-20%.
Das hat der Bastl aus dem Forum ausserordentlich eindrucksvoll unter Beweis gestellt (20m senkrecht).
Allerdings gibt es bei den Scheiben einen Zielkonflikt. Sie sind schwer und haben einen cw-Wert wie ein Scheunentor.
Ausserdem verbiegt sich alles. Mit Kupfer wird man da, glaube ich, nicht gluecklich.

Zero: In der Regel 1µF und 2kV. Nach Hoerensagen kann man bei Gleichstrom die doppelte Spannung nehmen.

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Re: Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

#15 Beitrag von Diodenbrätergerät »

Also Rapp habe ich mittlerweile auch gefunden (Wieder gefunden müsste ich richtig sagen).
Ich hab da auch gesehen das die Wirkundsgrade echt bescheiden waren. Was mich ehrlich wundert aber okay. Es wurde versucht. Die Geschwindigkeiten sind aber schon eindrucksvoll die er Erreicht hat mit 225m/s. Leider war das Projektil aber auch wirklich nicht gerade schwer.

Die Wirbelstromscheiben habe ich da auch im Kopf gehabt, aber wie richtig gesagt wurde, eine Aerodynamikwunder wird das in diesem Leben nicht mehr.

Nichts desto trotz macht es keine große Hoffnung auf mehr Erfolg, da die Ausführung dann doch sehr gut ist.

Die andere Variante währe die mit eine aktiven Projektil, wobei das Projektil ein gegensätzliches Magnetfeld ausbildet während des Schusses zu den Spulen. Strom kriegt es wie bei einer Railgun üer Schienen, wobei die Schienen aber keine 100kA liefern müssen sondern nur ca 1kA. Lieber noch ein paar 100A weniger damits keine Brandstellen in den Schienen gibt.
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