Aktive Coilgun Theorie Sinnvoll oder nicht?

[Prof. Radon]

Warum eigentlich nicht wie bei einem Teilchenbeschleuniger das Geschoss
in einem Kreis beschleunigen, und dann irgendwann in eine lineare Bahn entlassen?

Elektrische Softairwaffen funktionieren über den Umweg einer mechanischen Feder nach diesem Prinzip:
https://de.wikipedia.org/wiki/Softairwa ... ei:AEG.gif
So eine "elektrische Armbrust" wäre zwar sehr effektiv (schätze mindestens 50%), nur nicht besonders lehrreich oder lustig. Als Entwickler sollte man solche mittelalterlichen Lösungen jedoch stets im Hinterkopf haben: wenn der eigene Entwurf selbst hinter sowas deutlich zurückbleibt, dann taugt er eben nicht.

Hier mal ein Japaner, ab 2:50 erklärt er das mit der Energierückgewinnung:
https://youtu.be/RI_QKn9fJQU
(keine Angst, brauchst kein Japanisch können um das zu verstehen - die Bilder sagen alles)

Und hier ein Brite dessen Geschosse meinen Unterlegscheiben schon recht nahe kommen:
https://www.youtube.com/watch?v=tTuX5pjljqk

Beide jetzt nicht so die Knaller was die Durchschlagskraft angeht. Technisch meiner Meinung nach das Wegweisendste was man findet.
Na ja, vielleicht finde ich nächstes Jahr mal die Muße mich bei zu machen. Was ich mir da ausgedacht habe ist halt Schaltungstechnisch echt kein Pappenstil. Besonders das -ΔI Messen des Spulenstroms scheint nicht ganz trivial zu sein. Da sich der Gesamtstrom vermutlich nur um einen Bruchteil ändert, mit etwas Pech wird der Anstieg nicht mal negativ sondern nur flacher, muss man da vermutlich mit ein oder zwei OPVs arbeiten und eine oder zwei Differentialstufen einfügen damit man überhaupt was sieht.

[Zitzewitz]

Mit coilgun & Co. habe ich mich noch nicht genauer beschäftigt.

Ich versuche oft mal in anderen "Bahnen" zu denken:

Bei diesen Guns sah ich bisher immer nur lineare, relativ kurze Konstruktionen.
Warum eigentlich nicht wie bei einem Teilchenbeschleuniger das Geschoss
in einem Kreis beschleunigen, und dann irgendwann in eine lineare Bahn entlassen?

Man könnte eine Stahlkugel in einer Spiralbahn immer weiter beschleunigen,
bis sie dann am Ende tangential die Bahn verlässt.

Hat jemand so etwas schon versucht?

Meinst du, dass die Kugel über magnetische Kräfte beschleunigt wird ?

Im Prinzip könnte man einfach eine Kugel, durch die ein Loch durchgebohrt ist, mit einem ausreichend starken Seil an einem Drehteller an einem (mechanischen) Motor befestigen und sie erst mal auf z.B. 3000 / min im Kreis beschleunigen. Durch die Zentrifugalkraft wird das Projektil über das Seil nach außen gehalten. Und das ganze bitteschön in einem Behälter mit ausreichend dicken Wänden. Ich will nicht, dass das Seil frühzeitig reißt und mir an den Kopf fliegt. Und dann muss es genau in dem Moment, wenn der Drehwinkel richtig ist, losgelassen werden. Ich habe mal gedacht, dass ein Messer ausgefährt wird und das Seil durchschneidet. Aber das wird wahrscheinlich nicht funktionieren bei einem Stahlseil. Statt dessen könnte man das Seil in der Drehscheibe verankern und dann über einen Elektromagneten einen Riegel öffnen, so dass sich das Seil lösen kann.

Irgendwann habe ich das mal ausgerechnet. Man könnte - ein ausreichend starkes Seil vorausgesetzt - dadurch locker Energien auf das Projektil bringen, die so groß wie bei einer Pistole sind. Die Frage ist, ob das Seil die Zentrifugalkräfte aushält:

Projektilmasse: m = 100 g
Drehradius des Projektils: R = 50 cm
Drehzahl: 3000 / min = 50 / s
Geschwindigkeit des Projektils: v = 2 *Pi * 0,5 m * 50/s = 157.08 m/s
Bewegungsenergie: 1/2 * 0,1 * 157.08**2 J = 1233.7 J
Zentrifugalkraft: m * v**2 / R = 4935 N entsprechend Gewichtskraft von 503 kg

Was ich hier allerdings nicht berücksichtigt habe: Das Seil wird auch eine erhebliche Masse haben, wenn es 503 kg tragen soll. Dann wird die Zentrifugalkraft noch entsprechend stärker. Wenn man den Drehteller größer macht, kann man allerdings mit einem kurzen Seil auskommen.

Es fragt sich noch, wie man das Seil lösen kann. Auf dem drehenden Rad am Motor kann wohl kaum ein E-Magnet sein, um einen Riegel zu öffnen. Aber von außen könnte ein E-Magnet einen Bolzen in Richtung auf das Drehrad schieben, der dann digendwie einen Riegel am Rad öffnet.

Durch das Projektil entsteht eine starke Unwucht an der Motorwelle. Ob man das in den Griff bekommmt, weiß ich im Moment nicht. Vielleicht mit einem Gegengewicht und dann nach dem "Abschießen" den Motor aktiv bremsen. Oder zwei Geschosse, an gegenüberliegenden Seiten des Drehtellers befestigt und beide zur gleichen Zeit loslassen.

**** EDIT **** Man könnte das ganze auch ohne Schnur und mit einer Stahlkugel machen, durch die kein Loch gebohrt wird: Eine Stahlscheibe mit dem gewünschten Durchmesser, z.B. 1 Meter, wird von einer Motorwelle auf 3000 / min beschleunigt. An einem Punkt des Randes wird eine Kugel durch einen "Riegel" daran gehindert, durch die Zentrifugalkraft nach außen zu schießen. Durch einen Bolzen, der von außen in Richtung Scheibe geschoben wird, wird der Riegel dann geöffnet und die Kugel durch ein Rohr "abgefeuert".

Interessant wäre natürlich auch die Frage, ob man das Projektil statt dessen durch magnetische Kräfte beschleunigen kann. Dann "einfach" im richtigen Moment das Magnetfeld abschalten und das Projektil durch ein Rohr entlassen.

[Lightsource]

Ja, ich dachte an magnetische Kräfte.
Und nein, ich denke ein Seil würde ich eher nicht versuchen.

Es geht ja um den Moment des Loslassens. Wenn man weiß wie oft man eine (ich nenne es mal: ) Orbitalbewegung machen will, dann könnte man
eine Spirale (ähnlich einer zylindrischen Feder, oder einer (Schrauben-) Mutter) aufbauen. Eine Rinne wie in einem Kugellager. Dort drinnen rollt
die zu beschleunigende Kugel und läuft immer wieder durch Elektromagneten hindurch. (Je schneller sie rollt, umso weniger Elektromagnete
benötigt sie wahrscheinlich
Ich denke, dass man beim Auskoppeln aus einem geschlossenen Ring, mittels eines elektromagnetischen Schalters, mit Timingproblemen
rechnen müsste. Aber möglicherweise sind diese ja zu bewältigen.
Bei einer Schraube allerdings sind die Umläufe fest vorgegeben, und man kann eine einfache tangentiale Auskopplungsbahn anbauen.
Man könnte sogar die Spinbewegung, die sich durch das Rollen in der Rinne aufgebaut hat, durch eine Art Schneckenform der
Auskoppelbahn in eine axiale Richtung drehen.
Das funktioniert in meiner Vorstellung. Ich müsste mal eine Zeichnung davon machen, falls ihr nicht versteht was ich meine...

Rein mechanisch könnte ich mir solch eine Beschleunigungsbahn auch vorstellen.
Wie in einer Schallplattenrille (das waren die Tonträger vor MP4 und noch vor CD) wird eine Kugel, von einem Arm der sich
dreht, von innen nach außen beschleunigt. Sobald der Arm außen angelangt ist wird er durch eine kräftige
(Aufschlags-)Feder gestoppt. Die Kugel verlässt tangential die Konstruktion, während der Arm durch die
Gänge der Rille zurückgeschleudert wird, um eine neue Kugel aufzunehmen.

[Zitzewitz]

Rein mechanisch könnte ich mir solch eine Beschleunigungsbahn auch vorstellen.
Wie in einer Schallplattenrille (das waren die Tonträger vor MP4 und noch vor CD) wird eine Kugel, von einem Arm der sich
dreht, von innen nach außen beschleunigt. Sobald der Arm außen angelangt ist wird er durch eine kräftige
(Aufschlags-)Feder gestoppt. Die Kugel verlässt tangential die Konstruktion, während der Arm durch die
Gänge der Rille zurückgeschleudert wird, um eine neue Kugel aufzunehmen.

Ja, ich weiß noch, was eine Schallplatte ist . Das ist ja lustig, denn ich hatte vorher genau die gleiche Idee. Wenn der Motor schon mit voller Drehzahl läuft (z.B. 50 / s), dann muss man die Kugel in weniger als 1/50 s in die Bahn bringen, um einen Stoß mit der Wand zu vermeiden. Wenn der Motor aber zuvor still steht, kann das nicht passieren.

Ich werde mal versuchen, die Kräfte und Geschwindigkeiten bei einer solchen Bewegung in einer Schnecken / "Schallplatten"-Bahn zu berechnen - falls es nicht analytisch geht, dann eben numerisch.

**** EDIT**** Dieses Bild hatte ich gestern ergänzt. Meine Anmerkung dazu war aber allerdings Quatsch . Tatsächlich wird die Kugel durch die Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt - E-Magnet hin oder her.

[axonf]

Hallo und einen schönen guten Abend, hallo Professor Radon, so recht habe ich immer noch nicht kapiert worum es in diesem Thread geht. Ich denke schon das es von Vorteil ist, wenn das Geschoss über ein Magnetfeld im Lauf zentriert und geführt wird, das könnte man mit einer Plasma Druckwelle noch verstärken. Die reine Beschleunigungsarbeit könnte auch von viel mehr getriggerten Spulen geleistet werden. Ich finde immer noch die Gauss Gun Cobra bei YOUTUBE das Optimum was im Dij Bereich möglich ist, da geht das Geschoss auch durch ein Stapel Blechdosen, und von ner Buddel Alk bleibt auch nicht mehr viel übrig. Eine gute Nacht wünscht der axonf.

[Prof. Radon]

@axonf:
Glaube OP will das Geschoss über den ganzen Lauf über eine Schiene mit Strom versorgen und das ist, da bin ich mir ziemlich sicher, Blödsinn. Es gibt bei diesem ganzen Magnetfeldgedöns ein paar interessante Gesetzmäßigkeiten, die man sich stattdessen zu Nutze machen kann. Ich glaube am ehesten versteht man das, wenn man sich einen Sperrwandler ansieht: ein Sperrwandler besteht aus zwei eng gekoppelten Spulen, man baut mit der Primärspule ein Magnetfeld auf und wenn man die Primärspule abschaltet, fällt das Feld in die Sekundärspule. Daher hat man im Sperrwandler diesen komischen Stromverlauf:
1. Strom in der Primärspule steigt linear an, kein Strom in der Sekundärspule
2. Strom springt im Schaltmoment in der Primärspule instant auf 0 und in der Sekundärspule je nach Windungsverhältnis auf irgendeinen Wert verschieden von 0
3. Strom in der Sekundärspule fällt, je nach Last, linear ab
Nun ist mein Vorschlag, die Beschleunigerstufen in einem Gaußgewehr mal als Sperrwandler zu betrachten mit dem Projektil als Sekundärspule. Da passiert dann etwas ziemlich Interessantes: wenn du als Geschoss eine Unterlegscheibe annimmst, ist das genau eine Windung. Der Strom wird dann entsprechend des Windungsverhältnisses hochtransformiert. Also wenn deine Primärspule 100 Windungen hat und da zum Beispiel 10 A unterwegs sind, bedeutet das für so eine Unterlegscheibe, dass in ihr ein Strom von 1 kA induziert wird. Also ficken viel.
Und dann stellen sich zwei Fragen die ich mangels TET-Fähigkeiten noch nicht beantworten kann:
1. Wird die Unterlegscheibe dann aus dem Trafo rausgedrückt oder bleibt sie einfach am Kern kleben?
2. Wie lange dauert es, bis ein Strom von 1 kA in so einer Unterlegscheibe abgeklungen ist?
Zur zweiten Frage hab ich mal grob simuliert, glaube mit 1 mΩ und 100 nH als angenommene Impedanz der Unterlegscheibe und kam da schon auf einige 10 ms bis der Strom komplett abgeklungen ist. Das ist jetzt nicht so super lang, aber doch deutlich länger als man vielleicht annehmen würde. Der Grund ist klar: der Widerstand einer Unterlegscheibe ist ziemlich gering, wäre er 0 (Supraleiter) würde der Strom ewig fließen.

Jetzt muss man sich aber noch mal Gedanken über Sperrwandler machen: Im Moment wenn die Primärspule abgeschaltet wird und der Strom auf die Sekundärspule springt, tritt noch ein anderer Effekt auf: Die Spannung der Sekundärspule wird im Windungsverhältnis auf die Primärspule reflektiert. Bei 1 kA über 1 mΩ fällt zwar nur 1 V ab, bei einem Windungsverhältnis von 100:1 sieht man dann aber in der Primärspule 100 V. Und die muss man sperren, damit das Feld auch wirklich in die Sekundärspule fällt und nicht wieder in die Primärspule. Nun haben die meisten Gaußgewehre parallel zur Primärspule einfach eine Freilaufdiode. Also etwa 1 V, heißt bei einem Windungsverhältnis von 100:1 steigt die Spannung im Geschoss maximal auf 10 mV was dann nur noch einem Strom von 10 A entspräche. Also nix.
Das heißt an der Stelle verschenken die meisten Gaußgewehre unglaublich viel Energie. Hinzu kommt, dass der Strom einer Kurzgeschlossenen Spule sehr langsam abklingt - und genau das will man ja eigentlich vermeiden, Magnetfeld soll in dem Moment wo das Geschoss etwa in der Spulenmitte ist möglichst sofort verschwinden. Die Leute haben ihre "Stromeinschaltfähigkeiten" maximiert, können problemlos einige 100 A mit fetten Triacs schalten, das "Stromabschalten" wird hingegen nur sehr stiefmütterlich behandelt. Die typischen Freilaufdioden sind die denkbar schlechteste Strategie. Besser wäre schon eine Reihenschaltung aus Freilaufdiode und Widerstand, so dass die entstehende Spannung unterhalb der Grenzwerte des Triacs bleibt. Bei einem Spulenstrom von 600 A und einer Spannungsfestigkeit von 1000 V am Triac könnte man zum Beispiel 1 Ω nehmen. Das klingt nicht viel, aber wenn man annimmt, die Spule allein hat einen Widerstand von nur 100 mΩ würde man mit dieser einfachen Maßnahme das Abklingen des Magnetfeldes schon um den Faktor 10 beschleunigen.
Noch besser ist es, die Spule wieder auf die Ladekondensatoren arbeiten zu lassen (so wie der Japaner das macht): je höher die Spannung in dem Kondensator gegen den Eine Spule arbeitet, desto schneller klingt der Strom ab. Und alles was man dafür braucht, sind eben zwei Schalttransistoren und Freilaufdioden je Stufe statt einer.

Meh, muss mal gucken wie man Bilder hochlädt. Dann kann ich das alles anhand von Simulationen erklären. Werde die Feiertage über auch mal anfangen ein bisschen zu experimentieren. In der Theorie klingt das alles so schön... aber keine Ahnung ob es auch in der Praxis tut.

[Prof. Radon]

Ah, jetzt hab ich das mit dem Dateiupload gerafft. Dann kann ich gleich mal ein bisschen was liefern...

Im Anhang ein Gate-Treiber mit Gate-Treiber-Trafo für sehr niedrige Frequenzen. Das Ding arbeitet so ähnlich wie eine 1-Bit Flash-Speicherzelle. Also zum Umladen des Gates wird ein kurzer Stromimpuls benötigt, dann bleibt die Spannung nahezu beliebig lange am Gate stehen. Der Clou ist also, dass man bei niedrigen Frequenzen mit einem sehr kleinen Gate-Treiber-Trafo hinkommt. Der asymmetrische Gatespannungsverlauf ist gewollt, da die SiC-Transen die ich verwenden will VGS von -10...+25 V mitmachen. Das Patent ist aus dem Buch Schaltnetzteile und ihre Peripherie von Ulrich Schlienz.

Das Bild mit dem Ferritkern und der Unterlegscheibe sagt im Grunde alles über mein Konzept...
Die Kerne die ich da habe gehen bei ungefähr 500 mT in Sättigung. Hab das vor zwei Jahren alles mal durchgerechnet und kam dann pro Stufe auf ungefähr 1 Joule, das maximal im Kern gespeichert werden kann. Leistungsrekorde werde ich mit meinem ersten Aufbau also definitiv nicht aufstellen. Dass es prinzipiell funktioniert habe ich aber immerhin schon nachgewiesen, wie man in dem Video sieht. Ist nur noch nicht besonders beeindruckend. Richtig spannend wird es erst, wenn ich die ganze Elektronik aufgebaut habe und reale Daten messen kann.

Mja, soviel auch zu meinen Vorsätzen für 2023 ( •̀ ω •́ )y