Электромагнитный ускоритель масс Гаусса. Проект

1.

Проект
Электромагнитный ускоритель масс
Гаусса
Прищепа Данил Олегович 11А

2.

Цель проекта:
Разработать и создать устройство, которое будет работать по
принципу электромагнетизма и служить стендом для
испытания различных материалов на ударопрочность.
Задачи:
Изучить всевозможные материалы, относящиеся к теме электромагнитов и уже
существующих конструкций ускорителей.
Провести все расчеты и подготовить теоретическую часть проекта.
Разработать конечный вид устройства.
Подготовить все материалы, закупить необходимые детали.
Собрать все составные части устройства.
Сделать готовый прототип и испытать его.

3.

Актуальность
В настоящее время компактные электромагнитные ускорители
практически не применяются в каких-либо исследовательских работах.
Большая часть подобных устройств — это проекты энтузиастов, не
имеющие особого практического применения. Однако такой тип
ускорителя способен конкурировать с системами, в которых
применяется пневматика или другой принцип разгона объектов, по этому
его применение обосновано и понятно. Я хочу предложить устройство,
которое может послужить хорошим испытательным стендом для
исследования прочности различных материалов, при этом оно должно
быть компактно, безопасно и технологично.

4.

Принцип Работы
Электромагнитный ускоритель масс Гаусса, часто называемый гаусс-пушкой , — это устройство,
которое использует электромагнитные силы для разгона ферромагнитных объектов (например,
металлических снарядов) до некоторых скоростей. Принцип его работы основан на взаимодействии
магнитного поля, создаваемого электромагнитом и объектом, помещенным внутрь него. Источником
тока в таких системах обычно служит батарея конденсаторов.
В данной работе будет
рассмотрена многоступенчатая
конструкция ускорителя. В отличии
от устройств, имеющих только одну
катушку, она имеет куда большую
эффективность и позволяет
достигать больших скоростей,
однако ее внутреннее устройство
становится в разы сложней.

5.

Теоретическая часть
Любой электромагнитный
ускоритель имеет 3 основных
компонента: соленоид
(электромагнит без сердечника),
накопитель энергии (чаще всего
конденсатор) и размыкатель,
каким служит высоковольтный
тиристор. Такая компановка
является одной из составляющих
данного проекта, поскольку мы
применили 5 таких каскадов (т. е.
ускоритель имеет 5 ступеней
ускорения снаряда)
Главной задачей при разработке ускорителя является правильный
расчет соленоида. При идеальных условиях снаряд, по мере
ускорения, при нахождении в середине катушке будет иметь
максимально возможную скорость при заданных параметрах. О
расчетах этих самых параметров далее пойдет речь

6.

Расчёты
Для того, чтобы получить
максимальную
эффективность установки,
необходимо знать
идеальные параметры
ускоряющей катушки, к
которым нужно стремиться
при создании. Для этого
использовалась программа
Femm 4.2 и скрипт,
созданный специально
для проектирования
подобных систем.
Программа является симулятором взаимодействия
настоящего электромагнита с какими либо
ферромагнитными материалами. Подбирая
оптимальные параметры катушки (кол-во витков,
длина, сечение намоточного провода и т. д.)
необходимо добиться максимальной
эффективности системы.
Такой расчет необходимо
провести для каждой
ускоряющей ступени, после
чего, имея все необходимые
параметры катушек, можно
переходить к следующему
этапу создания устройства.

7.

Составляющие ускорителя
Преобразователь
Данная система является
портативной, поскольку
питается от 3-х Li-Ion
аккумуляторов. Однако это
создает необходимость в
повышающем преобразователе,
поскольку батарея
конденсаторов имеет
напряжение 400 вольт.
В программе
EasyEda был разработан
повышающий преобразователь
12-400 вольт, в основу которого
легла схема популярного ZVS
драйвера. Также он оснащен
обратной связью, что позволяет
точно регулировать выходное
напряжение.

8.

Конденсаторная батарея
Она является основной
составляющей ускорителя,
поскольку служит накопителем
энергии, необходимой для
создания сильного магнитного
поля в катушке. Она состоит из 7
элементов с напряжением и
емкостью 400v 470uf.
Конденсаторы были размещены на ранее разведенной печатной
плате. Это сделано для их удобного монтажа на стенд
впоследствии. Также на этой плате находятся разграничительные
диоды, служащие для зарядки конденсаторов.

9.

Коммутатор катушек
Тиристоры
В этой схеме они являются
выключателями,
замыкающими цепь и
кратковременно пропуская
через себя огромные токи
(до 1000 ампер). Здесь
применено 5 тиристоров
40tps12A, рассчитанных на
напряжение 1200 вольт
В любом ускорителе, содержащем более 1ой катушки, необходимо как-то
коммутировать следующие ступени
разгона. В данной работе была применена
система на оптопарах, состоящая из
инфракрасных светодиода и фотодиода.
Она располагается прямо перед
ускоряющей ступенью. По мере движения
по стволу, снаряд перекрывает световой
поток от светодиода, тем самым вызывая
срабатывание тиристора и соответственно
ступени. Была создана печатная плата,
включающая сразу 4 таких коммутатора
для каждой ступени.

10.

Ускоряющий блок
Самая сложная и ответственная часть
работы. Блок состоит из 5 катушек,
намотанных на карбоновой трубке.
Каждая катушка имеет длину 30 мм и
наматывается исходя из параметров,
полученных при расчетах. Каркас катушек,
крепления и защитный кожух были
напечатаны на 3Д принтере. Каждая из
катушек для укрепления пропитывалась
эпоксидной смолой. В сумме весь процесс
намотки занял более недели, поскольку
была необходимость в застывании
смолы. Общая длина ускорителя
получилась 210мм.

11.

Финальная сборка
После подготовки всех частей
утановки, можно переходить к
окончательной сборке прототипа. Для
основы была взята толстая фанера
350x250 мм, зашлифована и покрыта
воском. После чего производился
монтаж компонентов на основу. Для
обеспечения безопасности при работе
с устройством были разработаны и
напечатаны защитные кожухи для
всех высоковольтных частей
устройства. Для управления
устройством была сделана небольшая
панель, на которой расположились
переключатели. После всех
произведенных действий ускоритель
можно считать готовым.

12.

Тестирование прототипа
Замеры скорости
снаряда, каковым
является железный
цилиндр 6x30мм,
показали максимальную
скорость 52 м/с,
эффективность
установки в таком случае
составила
приблизительно 4%.
Замеры производились
при помощи цифрового
хронографа HT-X3006

13.

Заключение
Мы получили готовое устройство, которое можно использовать в тех задачах,
где необходимо взаимодействие объектов на высоких скоростях. Примером
такой задачи может являться испытание материалов обтекателей
транспортных средств на ударопрочность, поскольку они перемещаются со
схожей скоростью (30 м/c и более). Установка получилась компактна,
технологична и удобна в использовании. Это устройство может стать хорошим
подспорьем для исследовательских и испытательных работ.
Спасибо за внимание!