Идеальная катушка

  Вход на форум   логин       пароль   Забыли пароль? Регистрация
On-line:  

Раздел: 
Gauss2k - gauss gun у тебя дома / Gauss tecnology / Идеальная катушка

Страницы: 1  новая тема

Автор Сообщение

магистр
Группа: Участники
Сообщений: 443
Добавлено: 24-10-2012 05:35
В пушке Гаусса все параметры так тесно взаимосвязаны, что изменение одного приводит к пересчёту всех остальных. Однако главный элемент электромагнитного ускорителя - собсно, катушки. Это как двигатель в автомобиле.
Основная проблема гауссовок - низкий КПД - теснее всего связана именно с катушками: более 90% всей энергии рассеиватся именно на катушках ускорителя. Поэтому я уверен, им нужно уделять наибольшее внимание.

Многие говорят, что идеальной формы катушки не существует, и для каждого гаусса катушка должна рассчитываться отдельно. Однако я считаю, что рассчёт нужно начинать именно с катушек, ибо они вносят основной вклад в эффективность всей системы.

Что я понимаю под термином "идеальная катушка"? ИМХО, это такой соленоид, который способен совершить максимальную работу по втягиванию пули, затратив на это наименее возможное количество электроэнергии. Позволю себе перефразировать сие определение более практично: соленоид должен создавать максимальную тягу, рассеивая при этом минимальную мощность. Или ещё проще: минимум провуда, максимум теслав в центре (это моё первое интуитивное предположение - чем сильнее поле катушки, тем сильнее она тянет железо). Т.е. вопрос стоит так: как нужно намотать кусок провода на ствол, чтобы полученная катушка тянула гвоздь как можно сильнее?
Для решения подобной задачи я написал несложную программу, способную рассчитывать создаваемые соленоидом вектора магнитной индукции в интересующих нас точках пространства и визуализировать полученные диаграммы, позволяя сравнивать магнитные поля соленоидов различных форм.

До сих пор буржуи мотают одно-двуслойные катушки. Наши мотают катушки потолще и покороче. Я же до недавнего времени считал, что эффективность катушки тупо тем выше, чем толще она и короче. Неправы оказались все, согласно результатам проведённой мной симуляции! На рисунке ниже изображено поперечное сечение бесконечно тонкостенного ствола с пятью катушками разнличной формы. Все пять намотаны примерно одинаковым количеством провода каждая (различие длин проводов разных катушек - 2.5% максимум). Интенсивность зелёного цвета на картинке пропорциональна длине вектора магнитной индукции (B) в каждой точке интересующего нас пространства (внутренняя часть ствола). На графике под картинкой показана сумма этих величин в соответствующих плоскостях поперечного сечения ствола, и пики на графике могут быть прямо восприняты, как суммарный магнитный поток через центральные сечения катушек. Поскольку толщина ствола везде одинакова, то чем больше поток через центральное сечение каждой из катушек, тем сильнее соответствующая катушка способна тянуть пулю "максимально эффективной формы" при "оптимальном подборе остальных параметров". Сравните:

Обратите особое внимание на форму 2-й и третьей катушки: 2-я намотана так, что имеет длину, равную диаметру внутреннего сечения, а длина третьей катушки равна толщине намота.
По графику чётко видно, что ни плоская катушка, ни длинная не дадут той же тяги, что катушка квадратного сечения - "золотая середина". Более точно, в цифрах это будет звучать так: если взять величину магнитного потока через центр третьей катушки за 1, то магнитные потоки сквозь центры всех катушек будут, соответственно, 0.64, 088, 1.00, 0.87, 0.58. Разница на лицо и вывод прост: максимальная эффективность катушки, намотанной х метрами провода будет достигнута при количестве слоёв, равном количеству витков в каждом слое. Эффективность катушки снижается как при удлинении, так и при уплощении катушки. И объяснение тому простое - при отклонении формы катушки от квадратной увеличивается доля витков, сильно удалённых от центра катушки, в результате чего поле, ими создаваемое, вносит меньший вклад в суммарный магнитный поток через центр катушки.

А теперь давайте глянем, как влияет на эффективность катушки добавление слоёв. Очевидно, что каждый последующий слой всё меньше увеличивает магнитный поток через центр катушки, ибо витки расположены всё дальше от центра, и при этом длина провода всё выше (оммические потери больше). Возьмём отдельные витки разного радиуса и сравним их длину провода с магнитным потоком, создаваемым сквозь поперечное сечение ствола:

На картинке показаны 4 витка (красные стрелки указывают на них), с радиусами, соответственно, 1х, 2х, 4х и 8х. Магнитные потоки, создаваемые этими витками сквозь поперечные сечения ствола прямо под этими витками показаны на графике (пики). Заметно резкое различие между магнитным потоком витка наименьшего радиуса и всеми остальными. Это показывает, насколько однослойные катушки эффективнее многослойных. Однако при существенном увеличении радиуса витка заметна тенденция приближения магнитного потока через поперечное сечение ствола к некоему константному значению. Это значит, что в многослойных катушках магнитное поле, создаваемое витками внешних слоёв в центре катушки примерно одинаково. Однако длина провода линейно зависит от радиуса намотки слоя. Следовательно, эффективность многослойных катушек почти линейно падает с увеличением количества слоёв.

И всё же снова к вопросу о форме катушки. Мы выяснили, что отличие от квадратной формы сечения ведёт к снижению эффективности катушки. Но что хуже - удлинение или уплощение? Вот демонстрация двух катушек, намотанных одинаковым по длине проводом - первая катушка содержит один слой из 6 витков, а вторая - пять слооев по одному витку в каждом (спиральная катушка):

Спиральная катушка создаёт на 13% более слабый магнитный поток, нежели длинная катушка, что означает меньшее ускорение снаряда одинаковой длины и диаметра.
Но что будет, если мы ещё глубже вдадимся в крайность, удлиняя длинную катушку и доматывая слои к спиральной? Картина изменится, если мы возьмём провод в 10 раз длиннее, уложив его в 60 витков для длинной катушки и 26 одновитковых слоёв спиралью:

Теперь уже спиральная катушка становится эффективнее на 15%. Это является следствием того, что магнитный поток длинной катушки стремится к константному значению, зависящему от количества витков на единицу длины, из-за чего удлинение ведёт к нелинейному спаду эффективности.

Короче говоря, квадратные катушки рулят, что в очередной раз доказано. Я спать пошёл. Мотайте катушки правильно, уаааам....

магистр
Группа: Участники
Сообщений: 443
Добавлено: 25-10-2012 00:58
Ну а теперь пронаблюдаем, почему КПД крупного калибра выше. Намотаем одинаковое количество провуда на два ствола с двукратной разницей в диаметре:

Суммарный магнитный поток через центр меньшей катушки составил 0.57 величины магнитного потока второй катушки, внутренний диаметр которой в 2 раза больше (ток в обеих катушках одинаков). Это значит, что теоретически, вторая катушка может создать бОльшую тянущую силу (чуть ли не в 2 раза бОльшую), нежели катушка с меньшим внутренним диаметром, но при условии, что снаряд также увеличится в калибре в 2 раза, из-за чего его придётся вдвое укоротить, чтобы сохранилась та же пропорция между его массой и силой тяги (чтоб ускорение и, как результат, скорость не изменились). Итог: катушка двойного внутреннего диаметра может ускорить вдвое более массивный снаряд, рассеяв столько же тепловой энергии, т.е. КПД будет в 2 раза выше.
Логическое объяснение этого феномена заключается в том, что при увеличении калибра увеличивается доля создаваемого витком магнитного поля, которое попадает в пространство внутри ствола (магнитная печенька лучше усваивается ), т.к. площадь сечения пропорциональна квадарату диаметра витка, а длина провода зависит от него линейно. Следовательно, эффективность электромагнитного ускорителя линейно зависит от диаметра ствола. Под эффективностью понимается отношение приобретённой кинетической энергии снаряда соответствующей формы к рассеянной катушкой в тепло энергии.
Значит, гауссовка - это корабельное крупнокалиберное оружие, а не переносная металка иголок?

Ну а что же будет, если мы не урежем снаряд вдвое, а оставим его длину прежней? В таком случае масса снаряда станет в 4 раза больше, и для того, чтобы его ускорить на том же участке до той же скорости, нам потребуется в 4 раза бОльшая сила. Одно удвоение силы мы поимеем как результат увеличения внтреннего диаметра катушки, а второе удвоение придётся поиметь за счёт удвоения тока, что увеличит тепловые потери в 4 раза. Итого получаем учетверение кинетической энергии снаряда за счёт учетвернеия тепловых потерь, что возвращает нас к прежнему значению КПД, однако мощность уже в 4 раза выше.

Результат этих двух симуляций можно трактовать иначе: укорочение снаряда повышает КПД.

мастер
Группа: Участники
Сообщений: 107
Добавлено: 23-10-2013 22:07
Чудесная работа! Я столкнулся с проблемой невозможности проведения расчетов ввиду отсутствия ПО, переписывать скрипты для FEMM к сожалению некогда. Твоя программа может посчитать время и силу воздействия катушки, составленной из множества коротких отрезков? Если да, опишу проблему подробнее.

магистр
Группа: Участники
Сообщений: 443
Добавлено: 24-10-2013 04:42
Моя прога, о которой я уже год как забыл, насколько я помню, считала всё неверно (квадрат или первую степень где-то потерял).
Но результат, как ни странно, получался известный - катушка с максимальной тягой при минимальных тепловых потерях имеет толщину и длину намота равную внутреннему диаметру. Однако это не то, что нужно гауссам с обратным диодом - там толщина намота должна быть меньше внутреннего диаметра, чтобы увеличить тягу при той же энергии, а длина катушки должна быть больше внутреннего диаметра чтобы увеличить количество переданной пуле энергии. Такая форма катушки даёт заметно бОльшие тепловые потери по сравнению с идеальной, зато вкачивает в пулю больший процент энергии. Но поскольку с обратным диодом энергия не рекуперируется, то характеристики слегка угандоненной формы подходят гауссам на электролитах гораздо лучше.
У меня есть для ФЕММа скрипт симуляции выстрела рекуперационного гаусса на неполярных кондюках, у кого-то, насколько помню, было подобное для обычного гаусса.

мастер
Группа: Участники
Сообщений: 107
Добавлено: 24-10-2013 10:36
Нет, рекуперационный для меня слишком сложно) Катушку самую самую сильную посчитал - 10мм длинны на 25мм толщины при пуле 12,7. Проблема в том, чтобы посчитать одновременное их воздействие.

магистр
Группа: Участники
Сообщений: 443
Добавлено: 24-10-2013 14:14
Рекуперационный слишком сложно?!?! Там же на одну деталь меньше, чем в обычном гауссе! Кондюк разве что больше и дороже. Ну так выражаться верно надо же...


Группа: Участники
Сообщений: 3
Добавлено: 19-03-2018 16:25
привет Yandersen аты не мог бы дать длинну, количество витков, диаметр намот провода и его количество в м.

И пожалуйста напиши КПД.


Группа: Участники
Сообщений: 3
Добавлено: 19-03-2018 17:06
И ещё кинь прогу плез

частый гость
Группа: Участники
Сообщений: 29
Добавлено: 26-08-2018 20:38
привет Yandersen аты не мог бы дать длинну, количество витков, диаметр намот провода и его количество в м.

И пожалуйста напиши КПД.

Послушай, гений, "аты" не мог бы ещё прочитать тему и понять что Автор здесь доводит до сведения читателя информацию об "идеальной" катушке.(И также потверждает свою теорию опытами).
ЭТА ТЕМА НЕ ИНСТРУКЦИЯ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ЭМУМ. Здесь приводятся теория и технология.


Страницы: 1  новая тема
Раздел: 
Gauss2k - gauss gun у тебя дома / Gauss tecnology / Идеальная катушка

Отвечать на темы могут только зарегистрированные пользователи

KXK.RU