MR9电磁炮
440Nx2024/03/25电磁炮 IP:广东

先上当前性能进度:速度127mps,效率32%,线圈全开无故障。

这个炮使用全新的架构,有很多新设计要验证,来积累经验,同时也想挑战一下只使用3个牛角电容(?!)来达到一百多的速度。阵列拓扑适合较大规模的设计,因此非常有发展潜力,几乎可以说是为高速小口径特化的优秀方案。由于每个igbt都要多次开关,考虑到器件热量的均衡和降低线圈排列的复杂度,这次采用了两个4*5的阵列共40级,每级1cm。线圈不再保持相对的满层,反正每个都大两百圈我也没法绕整齐,所以除了前5级用更细的线后面的35级统一用了0.41mm线。仿真时每级匝数逐渐地减少,保证各线圈的峰值电流相差不大。当然,这么小的储能不应该输出多大的电流,所以最大电流只有约90a。

仿真时我还发现,使用多粗的线有一些规律。粗线的电阻比细线小所以效率较高。但是,用粗线的匝数少外径大,由于安匝守恒所以电流负载高,并且线圈更重。用细线就相反,同样速度下负载和重量和效率都有所减少,线圈热容少了所以发热更严重。至于线圈参数应该是多少有最好的效率,其他大佬的文章已经给出有关方法了。实际中不必那样,应该根据器件性能和自己取舍来设计线圈。

今年本来是想完善上一个炮,移除一些严重的bug,但之前在群里忽然提出了一种新的炮管工艺,就马上把那个炮丢了搞个新的。这个新工艺据说以前在某文献中出现过,可惜在圈子里不曾提及。虽然不算复杂,但也是我独立发现的。

Image_1711348449660.jpg

炮管单元是这样子,因为初次尝试,绕线和焊线花了一整天,实话说我不想再用同样的方法做第二根。改进设计可以节约很多工夫。虽然很费劲,但侧板材料不限,当然选择了便宜又透明的亚克力!看得见这神奇的炮管真的很帅。内部仍然有大量飞线,但数量不多,也可以将它们美观地遮住。在体积上没什么优化空间,只能将线理到直。

Image_1711355272423.jpg

十几根线贯穿所有pcb支架,然后线圈有选择地粘在其中两根上。当然,线圈串联了一个二极管,也粘在支架上。每根贯线各连一个igbt,工作原理就不复述了。做好的炮管是个独立的单元,自带译码功能。

由于我的设计特点,线路很长,电阻高,所以设计上提高工作电压降低电流,能稍微提高效率。另外,这个炮具有大量对我来说的新设计细节,想一次成功不炸管,所以特意降低了功率,像上次一样。炮管用细线多匝,所有线圈有200圈以上,电阻1Ω以上,这样500v的工作电流也才100a,用4067根本不会炸。

用半桥的话整体还是没法像boost那么小。本来想做无托布局,但炮管较短,用新结构会很丑,所以画成有托布局了。正好也方便做机械半自动机匣。

)E1_0U9`@2J(A9KFM3M7V)U.png

外观这次比性能重要,所以建模花了点功夫。整个后托做成了电源总成。电容使用3个并联,容量2700uf内阻35。下方是电池和升压。上方是电源面板,包含接线、开火保险、升降压控制和dcdc。电容的粗线和控制板的细线从外边绕。

Image_1711350542987.jpg

测试的时候用这小功率电源,面板用钮子开关正合适,也是我此前一贯用的。现在换功率大点的电源,开久几秒钮子内部就焊住了要用力才扳动🤣看来以后要直接拔电池来切断电源

IMG_20240325_151638.jpg

这根扳机线本来跟别的线一起装在内部,装好之后开两炮烧了两个mcu🤣内部的emi很强,本来就直连5v没串电阻,加上感生电压就烧了这个io。这是因为我以前用的stc89非常耐造,用法也一直没改,现在换stc15才出问题了。把线挪外边加两10k电阻再改高阻输入,mcu才没烧。

最后附上现在装配好的样子,整体重量3.5kg。这几条外露的线不易安装,没什么内走的想法,但相对以前线路全外走已经好很多了。

IMG_20240330_222726.jpg

-下面是喜闻乐见的测速环节-

由于建模时的疏忽,弹头的起始位置比设定的前了3mm,这导致原定的代码不那么适用。但经过粗略调整,速度接近了预期的128m/s。 Image_1711446150407.jpg 奇妙的是,发射电压为460v而非480v,发射后剩余350v,此时效率已达32%。但是测试时必须先上膛再发射,使用半自动时反而达不到了而且速度非常不稳定。这让我不得不增加初级脉宽,在半自动时才稳定一点。设计中弹头起始位置进入线圈2mm,以前别的炮这样速度很稳定,但现在离开了1mm就非常不稳定了。

经过倒腾好几次,它还是没做到预期性能,耗电显著低于预期。过低的能耗并不意味着效率高,而是在给定时序下的功率上不去。只能增加脉宽或者电压来提高功率,减小脉宽虽然能匹配更高的速度,但功率会降低从而丢步。如果输入电压高于匹配的话同样会丢步,因为拉力太大造成了反拉,所以测试时用480v的结果还不如460v。

虽然整体实在做不到128了,但因为需要的启动电压没达到设定,所以调整了启动位置和初级脉宽以适配较高的启动电压,并且将mcu时钟调整为32mhz。当前已经做到稳定的连发。虽然动能与许久之前的上一台完工的炮相同,但是重量更轻,外观更帅,射速更快并且更加稳定。

经过这段时间对它继续折腾,电源从480v改成490v,最高达到了127。可能是拉力偏大所以最后两级减脉宽的也产生了较大的贡献。时钟仍然是32m,现在性能介于32m和33m之间。驱动的设计上有负压,但现在有一个去掉了负压,还把一个管换成75a的,仍然很稳定。看来只要驱动设计得好就没必要弄负压,对自己没信心才要用。这次折腾是为了改善发射的一致性,每次都几个us的调,调好之后发射失败率越来越低了。但因为调了很久,射了三四十次,线圈发热之后就明显不稳定了,这时候甚至能隔着3mm胶板感受到变暖。表现为电阻升高需要更长的脉宽来增加能量。启动级对电压相当敏感,容限不到10V,随着温度升高电压窗口也会变高,超出容限就会发射失败。但这时可以将弹头多推入零点几毫米来补偿。总的来说,可能由于过于精密,线圈热容只允许一段时间内打几十次,时序上需要设计更多冗余。

[修改于 1个月10天前 - 2024/06/07 20:34:22]

+1  学术分    虎哥    2024/03/29 优化思路具有创造性,开拓了新方向。
来自:物理高能技术 / 电磁炮动手实践:实验报导
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~~空空如也
gugugu
3个月24天前 修改于 3个月24天前 IP:上海
930514

sticker ,测速测速


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Erichan
3个月23天前 IP:江苏
930522

怎么解决电路板与飞线之间的绝缘问题的?

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OMEGAERJSH
3个月22天前 IP:辽宁
930531

机械半自动大爱了,不过...有图没😅

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gugugu
3个月22天前 IP:上海
930533

时序可以尝试缩放,电压提高时时序需要缩。其实为了实现负反馈调节,时序也需要适当缩(当然负反馈代价是速度会变小一点点)。按理来说行波加速时对弹头的起始位置不应该如此敏感,合理怀疑MR9并没有工作在负反馈调节的状态。


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rb-sama
3个月21天前 IP:湖北
930598

说明到末级的脉宽太小了,对速度很敏感,100mps的速度 1cm的线圈,5mm的加速距离

约为50us的脉宽,

按照STC51的1-2T时钟周期 32Mhz时钟的IO速度够快,执行一次for大概4-8个机器周期

最大时间裕度按照16*1/32M=0.5us 

单片机系统基本上是没问题的,但是写法要注意,最好能用汇编来实现,

避免反复重入函数或者程序结构导致的延迟不固定问题。

-

前几级速度不够,后级的匝数是适配高速的话,作为可以控制开和关时机的全控方案

确实可以试试前级减短脉宽的情况下,上高压,整体时序在Maxwell里面仿真的时候可以做一次归一化差异测试

来看整体电压上下变动的时候,每个线圈的加速边界离失速或者过早进入距离有多远


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440Nx作者
3个月14天前 IP:广东
930865

测波形的时候不小心把它炸了🤣

测到的波形仍然有问题,但在意料之中,某种意义上说这问题是故意弄出来验证的,但画板时考虑得不够全面。

Image_1712030519470.jpg

波形放大看是这样的,但忘了拍照: Image_1712245475058.jpg

问题不是下降沿的振荡,而是高电平的缺口。igbt短暂的关了一下,因此损失了约1/30的功率,不一定是炮管做得不好。布线方向故意画成这样,igbt硬开关时会产生脉冲,对控制信号产生正反馈:硬开时感生启动信号,硬关时感生关闭信号。器件动作的时间周期正好是us级的,并且离信号区很近。旁边的igbt关闭时产生的干扰大到把信号弄没了所以这个该开的igbt也关了一下。

虽然有这方面的考虑,比以前好,但问题没解决。多阵列的igbt会互相影响,所以没消除它就仍然没法上强度。现在电流在90a以下,管子根本不炸,但是200a以上就不一定了。

由于生活的压力,这项目必须暂停了,修也不修了等有时间再说

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gugugu
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:上海
930966

      经过模拟,我得出了两个结论。

     第一个结论是:我发现使用细线(如0.4线径)时因为线圈电流低 所以需要双阵列来提供更高功率。但是如果使用粗线(如0.8线径)就不需要双阵列,使用双阵列甚至是副作用,(这里引入一个前提即:电容能提供的功率其实是有上限的)。 当然代价是,单阵列时igbt需要承担的电流会更高,我的建议是让4067承受300A或许较好,如果仅为100a就有些浪费性能了。   

    第二个结论是:使用电解电容串联以提高电压的方案来提高功率 其实是无济于事的,因为电磁炮的性能其实很大程度上取决于电容的储能大小和时间常数 而串联时电容的储能大小和时间常数不变,不如改成并联来的好。  其实三水大佬以前在帖子里就证明过 低压大电流方案和高压小电流方案 其实是等价的,所以与其 使用通过串联搞成 高压小电流方案,不如改成并联大电流方案,当然前提是igbt能承受住。


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gugugu
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:上海
930985
引用gugugu发表于7楼的内容
      经过模拟,我得出了两个结论。     第一个结论是:我发现使用细线(如0.4线径)时因为...

第一:500v90a和90v500a其实是一样的,但前提是90v的电容的时间常数和500v的电容时间常数一致,但这是不可能的,因为市售的90v的电容性能很差。但是500v90a和1000v45a的效果是一样的,因为串/并联电容 其时间常数一致(关于 “高压细线(小电流)的方案和低压粗线(大电流)的方案是可以等效互换的” 的证明可以去看 定性分析 线圈炮效果与线圈匝数和电压的关系 三水大佬的帖子;关于电容的性能方面 可以参考 用“时间常数”来分析电磁炮里的电容和线圈 这篇帖子 )。

第1.2:不使用超级电容的原因一是超级电容的时间参数太大,性能远没有450v的铝电解电容好。二是和igbt性能有关,超级电容2.7v的电压如果做到和450v相同效果的话igbt需要承受的电流会非常之大,承受不住。

第1.5:如果非要上1000v来改善功率,请使用薄膜电容而非电解电容串联。但代价是薄膜电容储能密度很低。

第二:“在市面上有1200v140a的igbt,比600v的那些强得多。”  未必,我600v igbt 硬并联不就好了,同样价格下可以得到的开关管的功率容量更大!

第三:用粗线的话工程麻烦不少且线圈难绕,这个并不会,使用单阵列肯定比双阵列容易且省钱。

第四:整体也会更重,这个是真的,但可以采用铝线圈的方式大幅降低线圈重量(我已经买了铝线圈了,看上去很有搞头啊)

(我们讨论时 尽量用引用而不是评论 可能比较好,评论有字数限制不方便。)

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440Nx作者
3个月11天前 IP:广东
930987
引用gugugu发表于8楼的内容
第一:500v90a和90v500a其实是一样的,但前提是90v的电容的时间常数和500v的电容时间...

看看你这方法弄两三百的炮要多大一坨😏比方说人家有平板,你觉得贵说不如带个几斤重的电脑。不是不行,但值得吗

我这思路远远没到器件的上限,容错率高,但因为电容笨重所以没怎么想提高功率

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gugugu
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:上海
930988
引用440Nx发表于9楼的内容
看看你这方法弄两三百的炮要多大一坨😏比方说人家有平板,你觉得贵说不如带个几斤重的电脑。不是不行,但...

你说的容错高只是因为MR9现在才90A才高,你上到900v搞到200A容错就不高了啊!  (还不如用450V400A的方案🤔) 

上900v 其实面临一堆问题比如 电容均压问题,ccps要重新设计输出900v,还要担心1200V igbt的性能是否可靠(反倒是4067已经被证明很可靠了。)

当然以上所有的讨论其实都和铝电解电容的性能有关,450v的铝电解电容是现在性价比最高的选择。如果以后电解电容的技术发生了突破,比如可以耐压900v之类的,那么上900v是非常值得的,但如果仅是通过串联来上900v我认为可能是没必要的。当然了对已经是细线的MR9来说只能上900V了。。。。。


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440Nx作者
3个月11天前 IP:广东
930990
引用gugugu发表于10楼的内容
你说的容错高只是因为MR9现在才90A才高,你上到900v搞到200A容错就不高了啊!  (还不如用...

1200v管子有75a,200a不到3倍,换成4067等效已经过了3倍,哪个更稳我不好说。均压没细想,省事的办法是用的时候看着点不超压就行。ccps?那从来都不是事。

4067没在这种奇葩用法检验过,你也不知道它多次开关还有没有那么抗造。


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gugugu
3个月11天前 修改于 3个月11天前 IP:上海
930991
引用440Nx发表于11楼的内容
1200v管子有75a,200a不到3倍,换成4067等效已经过了3倍,哪个更稳我不好说。均压没细想...

4067 400A是比较稳的,更高的话可以用硬并联,并联俩管子。   在 关于IGBT的极限性能 这个帖子里提到“。。。准备用IKQ75N120CT2,英飞凌的管子,1200V300A1ms。拆机管,七块钱一个,搞了十个回来测试,发现虽然耐流是达标了,但远没有4067稳,稍不注意就挺容易烧,也许这是高压igbt的通病。” 。 1200v管子极有可能不稳啊!  “4067没在这种奇葩用法检验过。。。”,但同样的1200v管子也没在这种奇葩用法检验过啊😂


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gugugu
3个月10天前 修改于 3个月10天前 IP:上海
931006

总结一下就是,

一:高压细线小电流方案和低压粗线大电流方案等价。

二:电磁炮的功率和开关管的功率密度与 电容的时间常数和储能大小有关

    2.1  :4067的功率密度比1200v75a管子大,并联4067的功率密度比1200v150a管子大 ,而且稳,以及便宜。

    2.2 :功率和电容性能相关,在电容规模一定时,低压粗线大电流方案不需要双阵列来提高功率,因为电容性能跟不上,除非说电容储能大小提高多倍。

    2.3 :如果想追求理论极限当然是高压 粗线 大电流 大储能 好!搞 1200V560A ,但不现实啊钱包不支持啊。 sticker 上高压就只能采用细线小电流了。 

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440Nx作者
3个月10天前 IP:广东
931013
引用gugugu发表于13楼的内容
总结一下就是,一:高压细线小电流方案和低压粗线大电流方案等价。二:电磁炮的功率和开关管的功率密度与 ...

你还能去对比一下那些管子的手册,对比一下它们的压降。然后会发现人家测的ct2后缀非常的垃圾,几乎只有4067的一半…😂

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440Nx作者
2个月11天前 IP:广东
931846

今天拿出来修了一下,飞两根线。拆壳的时候试了没问题,壳装回去就boooom🤡🤡动静不是特别吓人,也就像个鞭炮在面前响

拆开一看4067当场炸成两半还烧死了一个黑坨坨,刚飞的线还不见了

Image_1715082396655.jpg

看来以后炸线尽量别修板,要修就要整个搬板

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440Nx作者
1个月29天前 IP:广东
932166

更换了电路板之后它又重新可以发射了。控制板也干脆换了新的,这个电路弄了点俺寻思的设计,但是,通电射击才发现性能没有!任何!变化!!用原来的代码仍然只能达到124的速度。不过,效率可能不止32%,这和弹头形状有关。如果是完整的圆柱体质量应该是5.54g,那么动能约为42.6j,效率能达到33.5%,实际上有倒角所以会低一点。

pcb2.png

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440Nx作者
1个月7天前 IP:广东
932889

考虑到制作时不够精确,弹头初始位置会向外偏移一点,所以按固定时序再次进行仿真。图就不放了直接说结论。此前用位置闭环的策略是激进的高效,余量很小,所以位置往外偏移半毫米都会崩,而往内偏的结果会好一些没崩太严重。于是调整之后再次烧录到mcu测试,时钟改为33m。新的时序可以使用33m的了,速度有120出头,但这还是没达到要求,它应该接近130才对。再把时钟改成32m,速度就有125了。这说明来自信号的影响其实很小,更多的可能是线圈的性能或是材料性能不够好。较慢时钟的“冗余”显著是更多的,可以让弹头更牢地“粘在行波上”,尽管这会让效率减少一点。

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440Nx作者
21天23时前 修改于 21天21时前 IP:广东
933533

整理那些线圈数据的时候发现了一个有意思的规律。我在设计线圈时对那数十级分了四个阶段。第一阶段是启动段,由于使用单一大电容,弹丸运行速度慢,导通时间长所以会造成严重的消耗。我的措施是用细线大量增加匝数,降低电流以减少浪费。第二阶段是过渡段。在启动之后由于导通位移脉宽远没达到最大(两倍线圈),所以多设置了几个大线圈过渡到最大脉宽,这几个线圈的电流和受力都差不多大。第三阶段也是过渡段,经过上一阶段之后脉宽达到合适,但电流比较低,这一阶段将快速减少匝数使电流达到设计峰值的70%左右,之后电流将随匝数减少而快速上升因此进入下一阶段。第四阶段是恒功率段,此时输出功率接近最大,匝数减幅逐渐减少,拉力也会逐渐降低。若脉宽和线径不变,则近似满足这个规律:级数每翻一倍,速度变为1.4倍,匝数变为0.8倍。

手算生成的数列确实是这样。为什么我选这个线径,其实看个人取舍。性能最好的配置不一定能做,要选自己觉得最容易出效果的。

image.png

至于为什么要分这么细,因为这样可以做到拉力曲线(包络)相当平滑

Image_1718111845418.jpg

没有公式推导,只有数值拟合。我确实没那么聪明。

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