Reluktanssi-coilgun

Reluktanssi-coilgun eli perinteinen käämiase on pohjimmiltaan solenoidi, joka pystyy ampumaan rauta- tai teräsammuksia hyvin ajoitetulla virtapulssilla. Leikkauskuvassa näkyy kaikkein yksinkertaisin muoto.

Jos käämiin ajetaan lyhyt virtapulssi, ammus kiihtyy kohti käämiä. Jos virta lopetetaan juuri ennen kuin ammus saapuu käämin keskelle, ammus jatkaa matkaansa saavuttamallaan nopeudella. Pähkinänkuoressa sanottuna käämiase toimii juuri näin. On olemassa monia tapoja parantaa toimivuutta ja Coilgun Systems tutkii niitä.

 

Mihin niitä käytetään?

Käämiaseilla ei tänä päivänä ole teollisuudessa käyttöä, mutta on ehdotettu, että niillä voitaisiin ampua kuormia kiertoradalle. Tämä on houkutteleva ehdotus, mutta monia ongelmia on ratkaistava, ennenkuin sitä voidaan pitää uskottavana projektina. Realistisempi käyttökohde voisi olla laukaisun tehostaminen, missä alukselle annetaan alkunopeus pitkässä magneettikiihdyttimessä. Sen jälkeen se käynnistäisi rakettimoottorit kiertoradalle nousua varten. Laukaisun tehostaminen voisi tuoda huomattavia säästöjä polttoainekuluissa. Sotilaallisesta näkökulmasta käämiaseet voisivat olla mahdollinen tulevaisuuden ratkaisu, mutta raidetykit ovat tällä hetkellä tutkimuksen painopisteessä. Saattaa olla yllättävää kuulla, että käämiaseessa ei ole mitään uutta, sähkömagneettisen tykin kehitti norjalainen tiedemies Kristian Olaf Birkeland 1900-luvulla.

Käämiaseita on kahta eri perustyyppiä. Ensimmäinen on reluktanssiase, joka käyttää ferromagneettista vetovoimaa kehittääkseen kiihdytyksen. Toinen tyyppi on induktanssiase (Thompsons repulsion shooter), jossa kiihdyttävä voima on induktiosta aiheutuva hylkimisvoima.

Kokeile!

Jos haluat rakentaa halvan ja helpon käämiaseen, annan tässä ohjeet rakentaa yksinkertainen käämiase yleisistä tarvikkeista. Se on yksivaiheinen käämiase, jossa on mikrokytkin ajoitusta varten ja se toimii 12V akulla tai paristolla. Muista, että rakennat laitteen täysin omalla vastuullasi, tapahtui mitä tahansa.

Tarvitset vähintään seuraavat tarvikkeet ja työkalut

 

Näiden lisäksi tarvitset käämiaseen osat

Ensin pitää päättää mitä käyttää ammuksena ja putkena. Ihannetapauksessa ammus liukuu helposti ja tiiviisti putkessa, mutta hieman väljä ammuskin käy. Aloita etsimällä sopiva putki. Materiaalilla ei ole väliä, sillä tässä testilaitteessa ei käytetä isoja energioita. Mikä tahansa muoviputki ja useimmat metalliputket (ei kuitenkaan teräsputki) käyvät, joten etsi jokin noin 30cm pitkä ja 6-10mm sisähalkaisijaltaan oleva putki. Sitten tarvitset sopivan ammuksen. Teräspultit ovat helpompia käyttää, sillä niitä löytyy monilla eri mitoilla. Katso, ettei se ole ruostumatonta terästä, sillä ne eivät yleensä tartu magneettiin. Pultin pituudella ei ole niin väliä, mutta suosittelen pitämään pituus/halkaisija suhteen välillä 2-5, toisinsanoen 10mm paksulle pultille hyvä pituus olisi 20-50mm. Toinen huomioitava asia on, että ammuksen pituus määrää käämin pituuden (tai päinvastoin). Käämin pitää olla vähintään ammuksen pituinen, joten pitempi ammus tarkoittaa pitempää käämiä. Kun sopiva pultti on löytynyt, sen pää pitää katkaista ja reunat viilata sileiksi. Sitä ei tarvitse tehdä luodin muotoiseksi, ellet todella halua, sillä ei ole tässä mallissa merkitystä. Tarkista, että ammus liukuu sulavasti koko putken läpi ja viilaa tarvittaessa ammusta ohuemmaksi.

Seuraava tavoite on käämilanka. Kuten useimmissa muissakin sähkölaitteissa, käämiaseissä käytetään emaloitua kuparilankaa. Langassa on hyvin ohut lakkakerros päällä eristeenä, jotta sen voi käämiä tiukasti ilman oikosulkuja. Myös kirkasta lankaa on mahdollista käyttää, mutta huolehdi silloin kierrosten eristyksestä. Langan halkaisija ei ole kriittinen, mutta tärkeää on saada käämiin niin iso resistanssi, että virta rajoittuu turvalliselle tasolle. Ehdottaisin virtatiheyden pitämistä 10 ja 20A/mm² välillä, tämä takaa, että mitään ei höyrysty, jos mikrokytkin jumittuu. Mikrokytkimen virrankestosta ei juuri tarvitse huolehtia, ne selviävät helposti lyhyistä virtapiikeistä, jotka ovat monta kertaa suurempia kuin ilmoitettu virrankesto. Useimmat miniatyyrikytkimet on mitoitettu 5A:lle ja isommat 15A:lle.

 

Rakentaminen

Ensimmäiseksi pitää tehdä mikrokytkimelle aukko. Hyvän jäljen saamiseksi kannattaa putki kiristää ruuvipenkkiin. Laita ammus putken sisään puristuskohtaan, jotta putki ei menisi littuun. Kun olet valmis, käsittele aukon reunat pienellä viilalla ja varmista, että ammus mahtuu edelleen kulkemaan vapaasti. Nyt balsasuikaleet voidaan leikata ja liimata paikoilleen. Seuraavaksi liimataan käämin päätylevyt paikoilleen suoraan. Niille voi liimata myös tukia vahvistamaan rakennetta.

Ammuksena käytetään M8 pulttia. Kierteitä pitää hieman viilata tasaisemmiksi, jotta se liukuisi vapaasti. (sisähalk. on noin 7.9mm).

 

Tämä on mikrokytkimen aukko leikattuna putkeen ja asennussuikaleet liimattuna paikoilleen. Tämä on 'paxolin' putki, ilmeisesti tiivistettyä paperia.

 

Tässä ovat pääosat valmiina kasattaviksi. Käämin päätylevyt on leikattu 3mm vanerista. Keskireiät on porattu hieman liian pieniksi ja viilattu tiukasti putken ympärille sopiviksi. Tämä auttaa pitämään osat suorassa liimauksen aikana. Huomaa pieni lovi oikeanpuoleisessa levyssä sisäreunassa. Ensimmäisen käämilankakerroksen pää tulee siitä. Se on käännetty putken alapuolelle, jotta mikrokytkin ei olisi langan tiellä.

 

Tässä näkyy mikrokytkimen vivun modifikaatio, pienet nokkapihdit ovat parhaat tähän. Kytkimen pitää sulkeutua, kun vipu on noin puolivälissä liikerataansa tai se ei ehkä toimi oikein. Alla oleva läpileikkaus esittää tarvittavaa vivun muotoa. Pieni mutka vivussa pitää itse kytkimen poissa ammuksen tieltä, kun kytkimen voi asentaa hieman ylemmäs.

 

Mikrokytkimen asennustyyli. Kytkimen pitäisi sulkeutua, kun ammus on ladattu putken pään tasolle. Jos ammus on yhtä pitkä kuin käämi, kytkin avautuu hieman ennen kuin ammus on käämin keskellä tuottaen oikean ajoituksen.

 

Osat on asennettu ja valmiina langan käämimistä varten. Huomaa uudet vahvikkeet. Pikaliimaa on käytetty kaikkialla, se on paljon nopeampaa kuin epoksi, mutta katso ettet liimaa sormiasi. Jätä tarpeeksi käämilankaa näkyviin.

 

Tässä on valmis käämiase. Käämi on tehty halk. 0.8mm langasta ja siinä on 16 kerrosta, tehden resistanssiksi noin 1,5ohm. 12V akulla käämi ottaa max 8A (virrantiheys 16A/mm2). Langan loppupää tulee pienestä reiästä päätylevystä.

 

Tässä lähikuvassa näkyvät kytkennät mikrokytkimeen. Kytkin ja käämi on kytketty 2mm korvakkeisiin. Huomaa käämin johtojen välille juotettu diodi. Diodin käyttäminen on hyvä idea, sillä se pidentää kytkimen kontaktien elinikää, erityisesti suurien käämien kanssa kuten tämän. Jos katsot tarkasti, näet myös palojäljet balsapuussa, kun juotin kävi hieman liian lähellä :). Katso, että merkitset plussan ja miinuksen korvakkeisiin. Jos kytket akun väärinpäin, diodi kärähtää.

 

Akun kytkeminen

Melkein valmista, nyt tarvitsee enää kytkeä akku tai paristo käämiaseeseen. Allaolevassa kytkentäkaaviossa näkyvät eri osat ja miten ne on kytketty. Ammuksen lataaminen sulkee kytkimen SW1, joten kytkentään on lisätty ampumakytkin SW2, jotta ammuksen voi ladata akku kytkettynä. Ampumakytkimen liian lyhyestä painalluksesta ei tarvitse huolehtia, sillä ampuminen tapahtuu sekunnin murto-osassa.

 

Toimiiko se?

Tietenkin! Alkuperäiseltä sivulta löytyy AVI-video tästä käämiaseesta käytössä. Käytettynä 12V:lla ammuksen lähtönopeus oli 3,5m/s ja 24V:lla noin 5m/s. Tämä on tarpeeksi nopea ollakseen turvallinen pöydällä suoritettaviin kokeisiin. Jos haluat nopeamman käämiaseen, pitää alkaa miettiä korkeampia jännitteitä, puolijohdekytkimiä ja käämin koon optimointia. Tämä käämiase on tarkoituksella tehty karkeasti, joten se ei ole vaarallinen.