Wirbelstrom Spulen Beschleuniger (Induction Coil Gun)

Prinzip: Die Beschleunigung durch >>> Wirbelströme <<< kann erfolgreich auch in einer Coilgun angewandt werden. Im Gegensatz zur üblichen >>> Coilgun <<< bei der die Beschleunigung durch die Anziehung eines Eisenkerns erfolgt, wird hier die abstossende Kraft von im Geschoss induzierten Wirbelströmen erzeugt. Somit ist dieses Prinzip nicht durch Sättigungserscheinungen begrenzt und beliebig skalierbar, abgesehen von thermischen- und Materialfestigkeits Grenzen. Allerdings ist die magnetische Kopplung hier deutlich schlechter und somit der Wirkungsgrad, zumindest bei kleineren Aufbauten, nicht sehr groß.

Für eine wirkungsvolle Beschleunigung muß der das Magnetfeld erzeugende Strompuls im richtigen Moment, während das Geschoss die Spule passiert, erzeugt werden. Hier geschieht das mit einer Funkenstrecke, welche durch das Geschoss gezündet wird. Diese Funkenstrecke schliesst den Triggerstromkreis und so wird mit einer Hilfswicklung um die Beschleunigungsspule in dieser ein Hochspannungspuls erzeugt welcher die Hauptfunkenstrecke triggert und somit die Hauptentladung zündet (Serientriggerung). Durch diesen Schaltungstrick wird die Anzahl der Bauteile pro Stufe auf ein Minimum reduziert.

Aufbau: Das Beschleunigerrohr ist ein Plexiglasrohr mit 10mm Innendurchmesser auf dem in 10cm Abständen die Spulen montiert sind. Die Beschleunigungsspulen bestehen aus 30 Wdg 1mm CuL Draht, darüber sind 5 Wicklungen als Triggerwicklung angebracht. Die Triggerenergie liefert ein auf 6 kV geladener 3nF Kondensator. Die Energiequelle der Beschleunigerspulen ist je ein 40 µF MP Kondensator der bei einer Ladespannung von 2.5 kV 125 Joule speichert. Die gesamte Beschleunigungsenergie beträgt somit 600 Joule.

Auf der Grundplatte ist die Röhre mit den vier Beschleunigungsspulen angebracht. Die Triggerfunkenstrecken sind Bestandteil der Spulenkörper. Im Vordergrund die vier Serienfunkenstrecken aus Plexiglasrohr mit Elektroden aus M6-Hutmuttern. Der Elektroden-abstand ist mittels Gewinde einstellbar und beträgt bei der Ladespannung von 2.5kV etwa 1..2 mm. Unter der Grundplatte sind die vier großen Bosch MP-Speicherkondensatoren gelagert und im Hintergrund sind die roten keramischen Triggerkondensatoren zu sehen.

Betrieb:
Für die ersten Tests wurde keine spezielle Einschuß-vorrichtung verwendet sondern das Alu Projektil mit Lungenkraft in das Rohr geblasen. Auf dem Foto ist zu sehen das alle Funkenstrecken wie gewünscht zünden. Aufschlüsse über den zeitlichen Verlauf gibt das Signal einer Photozelle, die vom Licht aller vier Funken-strecken beleuchtet wird. Das erhaltene Oszillogramm ist unten zu sehen

Aus der Zeitdifferenz (X-Achse 2ms/skt) der Blitze kann bei bekanntem Abstand der Funkenstrecken (95mm) die Geschwindigkeit des Projektils gemessen werden. So ergibt sich für die erste Differenz 4.8ms, für die zweite 3.4ms und die dritte 2.6ms. Die sich daraus ergebenden Geschwindigkeiten betragen 19.8 m/s, 27.9m/s und 36.5 m/s. Trägt man die Messwerte in einem Graphen auf sieht man sofort den linearen Verlauf und es ist wohl zulässig die Geschwindigkeit nach der vierten Spule mit 45m/s zu extrapolieren. Auch die Eintrittsgeschwindigkeit kann mit 11m/s ermittelt werden. Der Geschwindig-keitszuwachs beträgt 8.m/s pro Stufe

Einschuß: Zur Vorbeschleunigung wird eine einstufige Anziehungs-Coilgun verwendet. Der Aufbau ist rechts zu sehen. Die Spule besitzt etwa 100 Wicklungen 0.6 mm CuL Draht und wird von einen (roten) Elko mit 680µF 400 V gespeist. Auf Grund der niedrigen Spannung wird hier kein Funkenstrecke sondern ein kräftiger Thyristor als Schalter verwendet. Die Beschleunigung durch Anziehung setzt natürlich ein ferromagnetisches Projektil voraus , was aber für die nachfolgende Wirbelstrombeschleunig-ung von Nachteil ist.Im einen Fall wird das Geschoss in die Spule hineingezogen im anderen all aus der Spule hinausgedrängt.
Die Lösung bietet ein zweiteiliges Projektil mit einem Kopf aus Alu und einem Rückteil aus Eisen. Zwei Ausführungen wurden untersucht, im einen Fall sind Kopf- und Rückteil lose aufeinandergesteckt, im anderen Fall mit einer Schraube verbunden.

Die Bilder zeigen die Geschosse nach dem Flug durch eine Lichtschranke. Auf den zugehörigen Oszillogrammen zeigt die obere Spur die Spannung an der letzten Beschleunigungsspule, die untere das Signal der Lichtschranke. Die Zeitskale der Oszillogramme beträgt 500µs. So ergibt sich die Geschwindigkeit der Projektile in beiden Fällen zu etwa 40m/s, obwohl das rechte Projektil etwa 5mal schwerer ist als das linke und somit die fünffache Bewegungsenergie erhält.
Auf den Oszillogrammen ist zu erkennen, daß der Spannungspuls an b.z.w. der Strompuls durch die Spule starke Oszillationen zeigt und insgesamt viel zu lang ist.
Also wurde von den Spulen vier von sechs Lagen Draht wieder abgewickelt. Eine Spule hat nun zwei Lagen Wicklungen mit insgesamt 20 Wicklungen Draht.

Das linke Oszillogramm zeigt den Erfolg des Umwickelns. Die mittlere Spur zeigt wiederum die Impulse an den Spulen, die untere Spur das Signal der Lichtschranke. Nach der letzten Spule hat das Projektil eine Geschwindigkeit von ca. 100m/s

Zeit	Strecke	Geschwindigkeit
2.5ms	9.5cm	38m/s
1.5ms	9,5cm	63m/s
1.2ms	9.5cm	79m/s
1.2ms	12cm	100m/s

Der Blitz, der 1ms nach dem Durchgang durch die Lichtschranke ausgelöst wird, zeigt die Geschwindigkeit nach ca. 30 cm Flugstrecke mit 95m/s. Außerdem ist zu sehen, daß sich das zweiteilige Projektil schon getrennt hat. Der Eisenkern, der nur zum Einschuß dient, ist zurück geblieben

Der Gesamtaufbau ist auf dem linken Bild zu sehen. Der mit Aluwinkel verstärkte Plexiglas enthält die notwendigen Netzteile mit 400V, 2.5kV und 6kV.Ein Einbaumessgerät zeigt den Ladezustand der Speicherkondensatoren, die den meisten Raum einnehmen. Die Ladezeit dieser Speicher-kondensatoren beträgt ca. eine Minute. Während die Ladung der Haupt- und der Triggerkondensatoren mit einem Schalter gesteuert wird, wird der Einschußelko dauernd nachgeladen, da die Gefahr einer Überladung nicht besteht. Einzelheiten der Schaltung können aus dem Schaltplan entnommen werden.