Lineaire Elektromagnetische Versneller

[jozef]

Beste,
Ik en een goede vriend zijn deze vakantie begonnen met het werken aan ons pws. Wij zijn van plan een variant op de coilgun te maken, die volledig mechanisch is en waarbij dus geen sensoren of computer programma's gebruikt hoeven te worden. Wij hebben dit idee van een filmpje dat we hebben gezien, we hebben al aardig wat onderzoek gedaan en snappen hoe het systeem werkt. Ik heb het principe uitgewerkt en op papier staan met schetsen, maar ik denk dat u het best even het filmpje kan kijken om het idee en ontwerp te snappen. link: https://youtu.be/v4zTAkLKgm4?feature=shared Wij zelf zijn op dit moment aangekomen bij de stap om de juiste onderdelen te gaan bestellen voor een prototype en te beslissen hoe we de constructie gaan maken. Ik zal ons gemaakte lijstje hieronder noemen, maar we hebben enkele vragen bij sommige onderdelen.

Stroomkring:
Metal brushes, om contact te maken tussen spoel en metalen plaatjes langs de rails. Hiervoor hebben we gevlochten koper draad van 10mm breed bestellen.
Metalen plaatjes, hier komen de metal brushes tegen aan om een stroomkring te laten lopen door de spoel.
Stroomdraden, van de stroombron naar de metalen plaatjes. Zijn er nog eisen aan de stroom draden waar we rekening mee moeten houden?
De energiebron. Onze vraag hierbij is: hoe sterk moet die energie bron zijn, hoeveel volt en ampere? En weet u misschien welke wij het beste kunnen kopen en waar?
Zijn er nog opmerkingen of tips over welke materialen het geschiktste zijn voor elk onderdeel qua geleiden, smeltpunt, geen schade etc.

De baan:
Rails waar over de houder met de spoel lineair kan bewegen. De coil/spoel moet soepel naar voren bewegen zonder uit zijn baan te raken en vervolgens worden weggeschoten. De rails moet niet magnetisch zijn, en de slede op de rails moet niet geleiden of in contact staan met de spoel.
Hiervoor hebben wij een T track gekocht met bijpassende T track sliders. link: https://www.amazon.nl/Sliders-verpakking-robuuste-aluminium-constructie/dp/B0FF972QG4 & https://www.amazon.nl/T-rail-aluminiumlegering-T-groef-verstekgereedschap-anodisering/dp/B0DP9CSB5R
We bouwen zelf een houder voor de spoel van kunststof of hout zodat deze niet geleidt.
Twee houten balken. Langs de rails zetten we twee houten balken om de magneten en metalen strips aan te bevestigen. Eventueel kunnen we deze in de laatste versie van kunststof maken.
Magneetlijm/dubbelzijdig tape. Om de magneten en metalen strips te bevestigen aan het hout willen we een van deze twee gebruiken. Welke raadt u aan?

Elektromagnetisme:

Magneten, misschien wel het belangrijkste. Wij zaten zelf te kijken naar magneten van rond de 40mm x 10mm x 3-5mm. We zijn er ook achter gekomen dat de magneten verschillende sterkte hebben uitgedrukt in N, hoe sterker hoe beter leek ons. We hebben uiteindelijk 20 van de volgende magneten gekocht, 10 langs beide zijde van de rails. link: https://www.supermagnete.nl/blokmagneten-neodymium/blokmagneet-36mm-8mm-4mm_Q-36-08-04-C
Spoel/Coil. Voor de spoel willen we koperdraad gebruiken, aangezien zo'n beetje alle coilguns online dit gebruiken. Ik vraag me af of hier nog een rede achter zit? Dan is de vraag hoeveel wentelingen de spoel moet hebben, en wat de dikte van de draad moet zijn. Het leek ons leuk om hier aan te gaan rekenen en meten. Maar wat denkt u dat voor nu een goede dikte van de draad zou zijn?

Dit is dus ons bestellijstje, ik hoop dat u de vragen erbij kan beantwoorden, vooral de energiebron is waar voor ons nog onduidelijkheden liggen Heeft u nog opmerkingen of zijn we iets vergeten?

Dan ik heb nog algemene vragen;
Tot welke spanning en stroomsterkte kunnen we veilig werken, tijdens het testen? En welke snelheid is realistisch om te bereiken?

met vriendelijke groet,
Jozef

[Liam van Vugt]

Beste @jozef,

Jullie hebben al flink wat onderzoek gedaan! Een mechanische lineaire versneller is een erg slimme oplossing aangezien er geen ingewikkelde electronica nodig is die ook een limiet leggen aan het voltage en stroomsterkte. Qua design lijkt het erop dat jullie weten wat jullie willen maken, en het grootste probleem in mijn ogen ligt inderdaad bij de energiebron en het gebruikte voltage.
Als jullie simpelweg zo'n hoog mogelijke versnelling willen, is inderdaad zo veel mogelijk stroom door de spoel laten lopen de juiste optie. Dit raad ik echter zeker niet aan omdat je dan met gevaarlijk hoge voltages en stromen aan het werk bent waar veel ervaring voor nodig is om veilig mee om te gaan.
Natuurlijk wordt het maximale voltage (en daarmee de maximale stroom) bepaald door de regels die jullie school opleggen. Ik zou even langs een Natuurkunde docent of de directeur gaan om te vragen wat voor maximale energie jullie mogen gebruiken.

Ik zal de volgende vragen antwoorden ervanuitgaande dat jullie een duidelijke grens hebben gekregen van jullie school.
Om zoveel mogelijk elektrische energie om te zetten in versnelling is het belangrijk om de weerstand van de spoel zo laag mogelijk te houden. De spanningsbron zal namelijk een bepaalde stroom genereren in de spoel (die jullie met de wet van Ohm uit kunnen rekenen). Deze stroom bepaalt samen met de aantal windingen de magnetische veldsterkte in en buiten de spoel. En dit veld samen met de sterkte van de magneten van de rails bepaalt de versnelling.
Ik raad aan om uit te zoeken hoe je het beste de weerstand van een spoel kan meten. Met deze waarde kunnen jullie de stroom bepalen die door de spoel zal lopen, en daarmee een schatting maken voor de temperatuur van de spoel (en deze even vergelijken met het smeltpunt van de spoel ;)
De kabels die naar de spoel lopen kunnen het beste een zo'n laag mogelijke weerstand hebben zodat er geen energie verlies is tussen de bron en de spoel.

Voor de baan zou het in mijn ogen prima werken om de magneten aan hout te monteren. Eventueel kunnen jullie een rails 3D printen (wij geven een workshop waar dit zou kunnen). Maar dat kost tijd voor het modelleren en printen.

De reden dat koper veel wordt gebruikt is omdat het een relatief goedkoop is, erg goed stroom geleid en een hoge thermische geleiding heeft. Deze dingen samen maakt het erg bruikbaar voor zowel kabels als spoelen.

Dan als laatste wat voor energie bron er kan worden gebruikt: Een spannings bron zoals jullie vast wel eens hebben gebruikt bij een Natuurkunde practicum is een goede keuze. Deze kan constant een bepaald voltage leveren. Dan kunnen jullie ook experimenteren met verschillende voltages.

Voor de versnelling die jullie kunnen verwachten: dit hangt volledig af van de hoeveelheid spanning die jullie willen en mogen gebruiken. Spanningsbronnen van 48V kunnen erg gevaarlijk zijn, en zeker wanneer je werkt met open circuits zoals in jullie opstelling. Het perongeluk aanraken van een blootgestelde kabel of een spoel die onder stroom staat lijkt misschien op een fout die te stom is om te maken, maar het gebeurt vaker dan je denkt.
Als jullie een wat lager voltage gebruiken zal met de magneten en spoelen die jullie nu hebben, de versneller zeker wel werken! Ik zou geen kracht zoals op een vliegdekschip verwachten, maar zeker genoeg om een papieren vliegtuigje te lanceren.

Ik hoop hiermee de meeste vragen te hebben beantwoord. Als er meer vragen zijn, stel ze vooral! Dan kom ik daar op terug. Als jullie een wat diepgaander gesprek willen houden over het ontwerp, de componenten of de onderliggende Natuurkunde (mijn favoriet), dan kunnen we ook een gesprek plannen via bijvoorbeeld Zoom of hier fysiek in Delft.
Veel succes!

Groetjes,
Liam