TD-68 IGBT关断式电磁炮
托卡马克 2019-11-4原创 电磁炮

目前传统电路的作品不仅效率低(普遍低于5%)而且发射间隔时间较长,体型较大。我一直想制作一种效率高并且可靠美观的小体积作品。

初二时我受badboyfly入坑,当时做的第一个炮是小北的三十多块钱的套件,但一直觉得磁阻效率不高,所以在高中阶段开始玩电热感应,在估读二号和熵增等人影响下做了外场增强的轨道。虽然成果很好。但都达不到所预期的稳定连发的效果。

刚入大一在宿舍搞了一台3d打印机用于给电子作品制作外壳,在19年初产生了制作关断式磁阻的想法,第一版于19年2月开始设计制作,电路经历了一次大损坏,3d建模也是从头开始学的,模型改了6次。经过一系列困难最终于3月末完成原型机,虽然算是成功,但是仍然有很多不足的地方:

  1. 继电器控制zvs导致电压波动大(20v左右)初速也不稳定。

  2. 连发不能达到预期,射击间隔时间长(4s一发)

  3. 线圈设计不合理导致单次发射电容能量利用不高,第四级发射后能剩余220v

  4. 工艺不够完美:第一次建模不够美观舒适,整机厚度大,电路采用洞洞板占用体积可靠性差

第二版预期目标

  1. 效率稳定在10%

  2. 更小的电容和体积但威力保持不变

  3. 能够做到2s一发

  4. 电压精度5v以内

暑假期间学习了pcb的绘制后,便绘制了第二版的pcb。一直到10月2日开始采购材料和模型绘制,由于有了第一版的经验,中途没有遇到特别大的困难,作品于10月12日完全制作成功。

两版合影

IMG_20191016_125740.jpg

整机长度40cm,枪托塞入了3s4000mah的航模电池,理论上一次充电可发射500发以上。枪托可拆卸更换。重量目前没有称,不过成人单手握持没有问题。


IMG_20191011_203919.jpg

IMG_20191014_003908.jpg


电路部分

初学ad有很多不熟练之处,主控板如下图,第一次采用光耦驱动7843来控制zvs取得成功。igbt驱动电路还是要感谢WangGC对电路的分享https://www.kechuang.org/t/83079 。在实际运用中加入了一些下拉电阻使得工作更稳定。驱动电路电源通过电池升压至15.8v供电,贴片tc4420在体积上也很有优势。输入使能can上拉时即使光电遮挡,也不会触发,有效防止了电路误触发的问题。主控采用arduino nano 数据由oled屏显示电容电压和当前模式,外部有一个按键,用来切换模式。预留了程序更新的接口,可以根据需要进行后续的改进。主控板电路如下图,光电检测和发射电路并不在图中,预留了接口通过硅胶线连接。

电压采集并没有什么特别好的方案,于是采用了大电阻分压直接adc,实际效果还算稳定。

原理图.png


IMG_20190906_145921.jpg

IMG_20190906_145915.jpg

四个in口接光电,out口接igbt栅级。光电部分电路采用成品光电对射管,功率电路为了外形和节省空间采用搭棚。

IMG_20191009_223903.jpg


功率电路设计:

  1. 第一二四级330v700uf电容 第三级800uf电容,这样设计主要是为了有效利用空间,700uf电容体积25*40 800uf25*45,虽然储能不多,但是小容量在连发和体积上具有优势,闪光灯的小内阻对效率的提升也有帮助。

  2. 在第一版中偶尔会发生igbt过流损坏的问题,所以第一级单个igbt后三级采用并管方式,用的两个同批的igbt,这使得第四级在700a电流情况下可以稳定。igbt是AUGPS4067D

  3. 续流采用RHRP3060二极管和5w电阻前三级0.5欧最后一级电阻0.82欧。

发射器:

发射器较为紧凑,主要是在初期弹丸选择的时候手头有较多的8*22的弹,所以导致设计线圈时长度在30mm内

发射管是304不锈钢管8.1*8.5

线圈根据模拟结果和经验选择了

第一级0.64mm8层单层35匝线圈长25

第二级0.64mm6层单层38匝线圈长27

第三级0.77mm5层单层34匝线圈长28

第四级0.77mm4层单层35匝线圈长29

实际中可能有误差

前级采用细线圈来减小体积,使磁场紧密助于低速阶段的发射,代价是热损耗会提高。

后级用粗线圈较小电感量使得电容能充分放电,实际效果在300v发射后,除第一级余压在80v另外三级在110v左右,较第一版改进了很多。

IMG_20191008_194901.jpg

机械结构:

  1. 弹簧采用0.6mm钢丝手工绕制,供弹可靠。上电后舵机推动弹丸遮挡住第一个光电,弹丸在压力和摩擦力作用下能做到在任何朝向的稳定射击。供弹方式和第一版几乎一样

  2. 扳机是直接3d打印键压动微动开关,手感一般,3d打印件和机体通过轴承连接,所以不会出现卡死的情况,缺点是触发力小,可能出现手指误触发的情况,但这是体积较小化的方案。折中之后在程序中加入了block模式。

  3. 舵机支架方便调试安装,但是对外观有些影响

2~VJJ@`ULZ0FIUY44EYJBFJ.png

IMG_20191104_094344.jpg

IMG_20191007_185650.jpg

在后期使用中改进了程序的一个bug,使得电压精度可以稳定在5v以内,稳定性大幅提高。

现在的效果是这样:弹丸采用A3钢销8.44g8*22 

250v状态下,输入83j 速度44m/s 动能8.17j效率9.8%

320v状态下输入128j速度52.5m/s动能11.6j效率9%

20次发射后,线圈和升压部位由于有开窗设计只是温热

瞄准器用的四变点,发射时子弹虽然会翻滚,由于是通过光电进行的关断,在加尾翼上并不方便,但在10米内还是比较精准的,散布半径在五厘米内。

在程序二次改进后,我让zvs利用舵机工作的间隙同时工作,在250v情况下可做到3s两发。



文件名:乐秀视频剪辑第7部_20191031112214969.mp4 下载链接:480p(1.4MB)

320v连射速度比较稳定,连射大概2到3秒一发

1572781021596.png

数据上还算满意,效率还有很大提升的空间,下一步可能会试试半桥回收等其他结构,我觉得磁阻不能局限于单纯的堆储能堆级数,效率和稳定性也值得我们去追求。

IMG_20191016_164806.jpg


[修改于 3 个月前 - 2021-08-02 18:09:47]

+1  学术分    虎哥   2019-11-04   设计思路基本清晰,数据披露较为完备,建议加强设计目标、理论计算和实测之间的符合度检查,并分析原因。
来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
25
OMEGAERJSH
2年0个月前
1楼

3D打印着实羡慕啊....我用纸壳做的死在下供弹上了😭....供弹弹簧力不够,弹夹和弹道不契合,初始位置不好确定,归位弹簧力太大对结构破坏太严重...额...😭现在...暂时TJ了😂

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OMEGAERJSH
2年0个月前
2楼

wx_camera_1547188433906.jpg

当年做的二级的比你做的都😂大多了

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托卡马克作者
2年0个月前
3楼
引用OMEGAERJSH发表于1楼的内容
3D打印着实羡慕啊....我用纸壳做的死在下供弹上了😭....供弹弹簧力不够,弹夹和弹道不契合,初...

纸壳供弹如果不处理肯定会卡住的,你可以试试用薄亚克力板做外壳,好加工,强度也够。比纸壳也美观一些

1572853908543.jpeg


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虎哥
2年0个月前
4楼

建议统一学术名词:手持式电磁炮,手持式磁阻炮,简称手电炮。

避免出现电磁枪之类自造名词,惹起事情来😂

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托卡马克作者
2年0个月前
5楼
引用虎哥发表于4楼的内容
建议统一学术名词:手持式电磁炮,手持式磁阻炮,简称手电炮。避免出现电磁枪之类自造名词,惹起事情来😂...

我是根据参考文章的标题选择的,没有考虑太多,以后会注意

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托卡马克作者
2年0个月前
6楼

今天找了个称称了一下,也不知道算个什么水平

IMG_20191106_220749.jpg


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月溪明
2年0个月前
7楼
炮姐赛高

任何武器的进化都是由陋到精,相信不久的将来,在不断改进下,无声且高速的它会取代现有火药武器为主的现状

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hk45_0
2年0个月前
8楼

漂亮,不过你这个ZVS没有谐振电容?

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托卡马克作者
2年0个月前
9楼
引用hk45_0发表于8楼的内容
漂亮,不过你这个ZVS没有谐振电容?

有的啊,图中那个cb2就是,没有用标准电路符号表示。。。

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kc-83598
2年0个月前
10楼

能分享一下你的3d模型吗?用木头用的很绝望啊   QAQ

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托卡马克作者
1年11个月前
11楼
引用kc-83598发表于10楼的内容
能分享一下你的3d模型吗?用木头用的很绝望啊   QAQ

attachment icon 机械.rar 3.27MB RAR 356次下载

我这个模型只是适用于这个电路,可能其他的电路用着并不方便。。



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托卡马克作者
1年11个月前 修改于 1年11个月前
12楼

以下是各级的参数

根据效果进行的反向模拟 3JAN1452]O6JL}[{XWDAB`9.png

5A{P8HA3W@L$L2}0K7))4SE.png

X$1$))_(8V3Y]AX8$ZC{P{C.png

}{6M43QSTV(VP0Y6[VE~_FV.png

在模拟时候发现,之前没有注意的续流电阻阻值对效率有很大影响。尤其是在快速放电的后级。我前三级是0.5Ω的电阻,最后一级是0.82Ω。若最后一级改用0.5Ω,效率会由10以上降低到8左右。

建议在igbt能承受关断尖峰的情况下尽量选择较大的电阻以获得更好的效果。当然半桥的续流方式速度更快,下一版准备试一下半桥回收的方案。


250v连射


文件名:乐秀视频剪辑第8部_20191130005416247.mp4 下载链接:480p(2.0MB)


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kc-87923
1年3个月前 修改于 1年3个月前
13楼

续流电阻原来这么小的

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kc-87923
1年3个月前
14楼

请问模拟器里LRC电流峰值那个数值乘以续流电阻值就是IGBT要承受的尖峰电压吗?另外请问能否用并联多个快恢复二极管的方式来替代续流电阻+二极管?

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zRed
1年3个月前
15楼

这个好(✪▽✪)


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漫步星空768
1年2个月前
16楼

如果使用光敏树脂打印,外表应该好看很多。如果米多些,采用黑尼龙打印,那更吊了。

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KCA4356
7个月14天前
18楼

楼主你好,我想问下你。我做了一级的,准备调试二级,但是控制第二个线圈的光电开关位置不知道怎么准确的打孔,软件上仿真,二级线圈长30MM,一级线圈长23MM.仿真软件模拟的二级最佳初始位置是-30,炮弹的长度是20MM 。一级加速后炮弹初速为22M/S。那么这个光电开关开孔位置如何算呢?这个是调试出来的还是算的

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vyuyan
6个月14天前
19楼

瞻仰大佬风范

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1627806006
5个月5天前
20楼

大佬,我想问问图上的普通电容是瓷片的还是石墨的?还是说是其他的电容吗?以及K1那里用的开关是拨码开关吗?

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半个萌
1个月14天前
21楼

igbt怎么控制的啊,是不是需要单片机,有现成模块吗

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托卡马克作者
1个月14天前
22楼
引用半个萌发表于21楼的内容
igbt怎么控制的啊,是不是需要单片机,有现成模块吗

这个方案里面,igbt的通断时间是由光电的遮挡时间决定的。光电模块遮挡输出高电平,与控制信号相与,输入到驱动芯片tc4420的2脚。由tc4420的67脚驱动igbt。可以不使用单片机的。

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托卡马克作者
1个月14天前
23楼
引用半个萌发表于24楼的内容
哦哦,我不会写单片机,想做个关断炮,该怎么弄啊

可以先从简单的无关断炮做起,然后再一步步来用更高级的驱动方式。

另外最近在b站看到了一个不错的电磁炮科普系列,推荐刚入门的新手看看【用IGBT替换可控硅做电磁炮电子开关-电磁炮科普系列-哔哩哔哩】

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半个萌
1个月14天前
24楼
引用托卡马克发表于22楼的内容
这个方案里面,igbt的通断时间是由光电的遮挡时间决定的。光电模块遮挡输出高电平,与控制信号相与,输...

哦哦,我不会写单片机,想做个关断炮,该怎么弄啊

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KCA4356
1个月7天前
25楼

资料三极管PNP电磁炮.JPG

如果光电开关模块的电压比较器有上拉电阻。驱动部分我应该改成这样子。R4不能少.如果是电压比较器的话,有个上拉电阻。等效于上图中的R1.如果没有R4,Q2饱和导通后R2上的电压只有VBE+VQ2CE-VQ1CE,大约0.6V-0.7V。这个电压远远低于TC4420的高电平阀门电压的。有R4,导通后R2的电压就有4.7V左右,这个是可以被TC4420识别成高电平的。进而驱动后级IGBT

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侠哥
28天5时前
26楼

为什么每一级的发射时间不用单片机延时控制呢?

用单片机延时控制就不用光电门了,而且每一级发射的时间都可以调整。

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托卡马克作者
28天3时前
27楼
引用侠哥发表于26楼的内容
为什么每一级的发射时间不用单片机延时控制呢?用单片机延时控制就不用光电门了,而且每一级发射的时间都可...

当时本人水平有限做不出来,为了简单方便是直接用光电信号控制的。现在用的就是stm32延时控制了,可以看我的新帖子。


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