ぽんず製造所

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レールガン

諸々

前回の記事でレールガンシミュレータを作ってみました.これにいろいろな値入れて遊んでいると,既存のレールガンを少し改造すると少し効率が上がるという計算結果が出ました.正しいかもわからない計算結果を信じながら,実際にレールガンの改造して試射してみました.

結論から言うと,改造前に比べて確かに効率は良かったが,それが本当に良くなっているのかよくわからない,という結果でした.
というのも
・改造前の実験データが5発分しかなく,今回の実験も3発しか行ってないので,サンプルが少なすぎて比較がしにくい
・効率向上はわずかで,改造によるものか,他の影響によるものかわからない
・配線の端子の錆びを掃除した影響で効率が上がった可能性
・アーマチャの形状・接触などが偶然良かった可能性
・その他諸々コンディションが良かっただけの可能性
・そもそもシミュレーション上でも効率向上はほんの少しなので偶然と見分けがつかない
などの理由が挙げられ,正直よくわからんのです.

ちなみにその時撃ったマトの写真
アルミ板(1mm)にアーマチャがめり込んで取れなくなって草

IMG_20200815_160108


IMG_20200815_160102

ベニヤ板にも撃ってみたところ,普通に貫通
IMG_20200815_175736

今回はレールガン本体のみを改造した結果であり,他にも少し改良できるところがあるみたいなので,早く試したいところです.
具体的な数値やレールガン本体の写真はまた今度で.


あと,家のテレビがぶっ壊れたんで一部の部品を拝借.
電源基板
IMG_20200826_112009

バックライト点灯用インバータ
IMG_20200826_114110
今までお疲れさまでした,まぁ部品取りにされた部品にはまだ頑張ってもらうけどな.


あとちゃんとした圧着工具を購入.
IMG_20200823_174106
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JIS規格品ではない安ものですが趣味で使うには申し分なさそうです.早く買っておけばよかったですねー
圧着工具といいLCRメータといい早く買っておけばよかった案件が多すぎて,メキメキ音を立ててQOLが上がってるのを感じる.


今月はこんな感じでした.課題・レポートに追われて工作の進捗はあまり生むことはできませんでした.

レールガンのシミュレータを作ってみたかった

今までいくつもレールガンを作ってきたわけですが,いずれも勘と経験による設計で,どうすれば良くなるとかいう根拠はほとんどありませんでした.
勘に頼るのはそろそろ限界,というかやめたくなってきたし,どんな事が起こっているのかを知りたくなったので,理論の方から攻めていくことにしました.

まずは紙とペンで,レール内の磁束がどうとか,電流値がどうとか,理論を立てながら計算していきます 恥ずかしいのでモザイクで
IMG_20200801_131355

一応それっぽいのを出すことができましたが,最終的な速度を求めたりするとわけわからん微分方程式になっちゃうので,そのまま解くことは難しいです.非線形要素もあるしきついです.
そこで,これらをシミュレータに落とし込んで計算していきます.数値計算ならパソコンで解けます.

そのまえに,シミュレータなんて作ったことないし,練習ということで,簡単なLCR直列回路のシミュレータを作ってみました.Excelで作ってます.
EaAQbH_UEAAyOJV

適当に思いついた方法ですがそれっぽい波形を出すことができました.後で教えてもらったのですがこの方法はオイラー法というらしいです.
オイラー法は欠点が多いらしいですが,それ意外の方法が理解できなかったのでとりあえずはこのまますすめます.

同じようにしてレールガンシミュレータも組んでみました.
EaZDi_kU4AAl-x1

同時に,実測波形・速度も取ってきました.電流波形はロゴスキーコイルを作って取りました.
黄色(ch1)がコンデンサ電圧波形,青(ch4)がロゴスキーコイルの波形です.ロゴスキーコイルは微分値が出てくるので,積分してやると本来の電流波形(紫の波形)になります.
DS1Z_QuickPrint31

シミュレーション波形と実測波形を見比べて,ズレの原因を考えます.
ちょっとずれてるよねー
Ead-dr7U4AE34-G

その後も,実測値との差を確認→原因を考える→紙とペンで計算→シミュレータに落とし込み→...の流れを繰り返して精度を高めていきます.

レール内の磁束分布も知りたくなったので出してみたり
EcpVWjkVAAQ-H3Y

でも上の画像は計算ミス 多分こっちが正解
Ec4SgAmVcAI6voN

上のは二次元的なデータだったけど,更に細かく知りたくなって三次元にしてみたり
EdVW8ayU4AE2DNe

上のと同じデータだけど3D表示して遊んだり

そんな感じで改良を重ねていくうちに,今度は現実世界のパラメータを正確に入力する必要が出てきてしまって,LCRメータを買っちゃいました.
IMG_20200804_014957

アーマチャの位置によってインダクタンスが変わる様子.

最終的に,実測値とほぼ同じような波形・初速・効率が得られるようになりました(ホントは実測に合うようにパラメータを設定した感のほうが強い).
z

が,まだまだガバいところがあるし,忘れている要素もありそうだし,そもそも実測値も正しいのか微妙です.
とは言え,ある程度の傾向は見れるので使い物にならないことはなさそうだし,なにより作る過程で得たものが大きかったです.

NT京都2018に出展してきました

今年もNT京都に出展してきました。
毎年おなじみのお茶の間レールガンの他にVVVFインバータも展示してきました。

こちらはレールガン
DSC_2571

ぐり氏の出展物が鉄道関連なので連動させてみようぜーwwとか言うノリで、インバータはぐり氏の出展スペースに置かせてもらいました。
vvvfinv

今回射撃したレールガンの弾です。
写真には41発しかありませんがTwitterにて1発床に落ちてたとの報告をもらって、合計42発撃ったようです。
DSC_2573

レールガン発射時の画像(撮影:ぐり氏)
発射1
発射2

来場者の方、NT京都関係者の方、ありがとうございました。

3Dプリンタを使ってみた

VVVFインバータで音楽を演奏してみました。



制御ボードをPCに接続すると、MIDIデバイスとして認識され、MIDIの演奏ができます。

MIDIVVVF

原理としては搬送波の周波数を変えているだけです。ドレミファインバータの音を音楽でやってるようなもんです。
とりあえずやってみたかっただけなのでピッチベンドとか入れてないし3和音までしか出せません。まぁ和音は音が汚くなったり、音が出にくくなってしまうようなのであまり良くはなさそうですね。


さて、学校に3Dプリンタがありまして、教員にお願いしたら使わせてもらうことが出来ました。
とりあえずテスト印刷してみました。

DSC_2320
DSC_2322

うまく出来てるようです。
普通に使えそうなことがわかったので、三相モータの軸に装着する何かを作ってみました。

motor

結構ピッタリハマって気持ちがいいです。フル回転させると遠心力でぶっ飛んできそうで怖いですがまぁなんとか大丈夫みたいです。


レールガンのマガジンも試作してみました。以前もマガジンを試作してみましたが、安定性がなさすぎて使い物になりませんでした。3Dプリンタならば複雑な構造のものでも作れるので、小型で安定なものを作ることが出来ました。

DSC_2353


バネでスライド部が押されて弾が安定するようになっています。そして外部から棒で押してやると1個ずつ出てくるようになっています。
3Dプリンタ特有の凸凹でスライドとかは厳しいかな?と思いましたが出来なくもないようです。
前のものと比べるとかなり良くなりましたが、まだ改善できる箇所がありそうです。

コンデンサ充電用小型昇圧チョッパ

以前開発した昇圧チョッパプリント基板化してみました。
現在実質凍結状態の携行型レールガン用に作りましたが、普通にコイルガンやその他高電圧実験系でも遊べると思います。
出力は以前と同じ200Wで設計して回路構成の変更等もありませんが、パワー素子とコネクタ以外はすべて表面実装化して小型化を目指した感じです。

DSC_1881

部品を詰め込みすぎてシルクが潰れてしまってるので反省

こいつはメインのMOSFETとダイオードにSiC製品を使う予定でいるんですが、壊すと金銭的ダメージがヤバイので、とりあえず普通のシリコンのダイオード・MOSFETで試作してみました。コイルも仮のものです。
動作テスト中の様子ですが、いい感じに動いてくれません。

DSC_1886

原因はスイッチング時のノイズでマイコンあたりが誤作動してたようです。配線パターンの設計能力のなさを感じる...
MOSFETのゲート抵抗を大きくしてスイッチングノイズが小さくなるようにしてみましたが変わらず...
ダイオードのリカバリ電流が悪いんでは?と思って思い切ってをSiCダイオードに交換してみると、完璧に動いてくれてました。SiCすごいです。やっぱチョッパ系にはSiCショットキー最適なんですねぇ
マイコン9,10ピンをショートしてるのは仕様です。仕様です。

色々実験してるうちにメチャクチャ汚くなってしまったので

DSC_1893

新しい基板で作り直して完成です。

DSC_1907

見た目はいいよね!だいぶ気に入ってる
サイズは46x25x21mmで出力そのまま従来の約1/4以下まで小さくなりました。
まぁ大体はインダクタがつよいおかげです。インダクタンスも低いもの(15uH)にして小型化できました。マイコンの裏側にインダクタがあります(えぇ......)ガチ設計者から怒られるやつや
あとはどうせ数秒しか動かさないしそんな大きいヒートシンク要らないだろーーーーとかいって小さめのヒートシンクを使ったからです。とかいって多分30秒くらい動かしちゃって熱くなって壊しちゃうんだろうな(池沼) ガバガバ設計すぎる。
MOSFETとダイオードは基板と共締めしています。。
コネクタはマイコンへの書き込みと動作状態などの通信を兼ねています。穴がズレてるのはピンヘッダを差し込んだ時ガバガバせずにちょうどハマってくれるというものです。ぐりにゃんから教えてもらいました。


それで出力テストしてみると、どうがんばっても設計出力より20Wも低い180Wしかでないんですよ
実験してデータを取ると、出力電圧が200Vくらいのときには出力は何故か250W出るのに、380Vまで出すと180Wになってしまうことがわかりました。

↓実際のデータ コンデンサは1250uF
時間t[s]電圧V[V]エネルギーE[J]出力P[W]
0.120025250
0.226343.230625216.153125
0.331361.230625204.1020833
0.435076.5625191.40625
0.538190.725625181.45125

このことから多分インダクタのインダクタンス不足で十分に電圧が出力できてないんだと思います。(まぁ設計段階から薄々気づいてた)
試しに大きめのコイルで試してみたら普通に200W出てくれました。
それとノイズを抑えるためにゲート抵抗を大きくしたので、ドレイン電圧立ち上がりがぬるくなって一番美味しいところがうまく出力できてないというのもあると思います。
そんなこんなで現状で200W出すのは諦めました。今度もう少しインダクタンスの高いものを買ったら実験しようと思います。



出力は180Wで良いとして、とりあえず連続で負荷をかけてみると、5秒後くらいにMOSFETが壊れてしまいました。
3回くらいやらかして、今使ってるMOSFETは20A定格で普通にスペックが足りてないことに気づきました...
ということで30A定格のものを付けました。
TO-220パッケしか付けられない設計になってるのにTO-247パッケのものを付けたかったので無理やり外付けしました。

DSC_1964

再実験すると10秒以上動かしても大丈夫でした。

コンデンサ充電テストの動画です。緑のLEDは電源ランプで赤が動作中を示します。



コンデンサは360V2.5mFで162Jです。
電源ON後、数秒後に動作開始し360Vで動作停止するというプログラムにしています。
約900msで充電完了してるので大体180Wくらいですね。
発振周波数は約100kHzくらいで可聴域外ですが、どっかが共振してるのかしらんけどうっすらチュイーンって音が聞こえます(えぇ...)

あとはMOSFETをTO-220な強いやつにすればきれいに収まってくれそうですね。いやSiCMOSFETは買ってあるんだけど、壊すの怖くて使えないんだよね...
普通のMOSFETでも220パッケで600V40A近くの定格のものもあるので今度買おうと思います。もうMOSFETじゃなくてIGBTでもいい感じもするね
あとインダクタだね 小型で大電流でインダクタンス高めなのって売ってるかなぁ

進捗があったらまた記事書きます。
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