İNDÜKSİYON BOBİN SİLAHI İÇİN UYGUN STATOR BOBİNİ GEOMETRİSİNİN ARAŞTIRILIMASI İail COŞKUN Gazi Üniveitei Elektik Eğitii Bölüü Beşevle/ANKARA Oan KALENDER KK. Atubay Melek Yükek Okulu Elektik Bililei Gubu Çayıhia/BALIKESİR Yavuz EGE Balıkei Üniveitei Necati Eğiti Fakültei Fizik Eğitii Bölüü BALIKESİR ÖZET Bu çalışada, indükiyon bobin ilahı için uygun bi tato bobini geoetii aaştıılıştı. Benzeti pogalaı ile yapılan analizle ve deneyel çalışala onucunda einin fılatıcıdan çıkış hızında, tato ve ei bobininin otak indüktanını belileyen değişkenlein etkili olduğu göülüştü. İndükiyon bobin ilahında uygun tato bobini geoetiinin tepit edilei, çözülei geeken çok öneli bi pobledi. Bu akatla, ikodenetleyici kontollü yeni bi indükiyon bobin ilahı taalanış ve bu çalışa kapaında tato bobini bobini geoetiinin, einin çıkış hızına etkilei aaştıılaak onuçla ayıntılı olaak tatışılıştı. Anahta keliele: İndükiyon Bobin Silahı, Stato Bobini, Akı Yoğunlaştııcı Bobin, Mei Hızı THE RESEARCH OF THE SUITABLE STATOR COIL GEOMETRY FOR INDUCTION COIL GUN ABCTRACT In thi tudy, the uitable geoety of a tato coil fo induction coil gun have been eeached. A the eult of analye and expeiental tudie ade though iulation, the paaete deteining the utual inductance of the tato and the pojectile coil have been effective in the pojectile peed. In the induction coil gun, finding the uitable geoety of the tato coil ae one of the ot ipotant poble needed to be olved. In thi cae, a new type icocontolle bai induction coil gun ha been deigned and the effect of geoety of the tato coil on the pojectile peed ha been eeached and the eult have been dicued. Key wod: Induction coil gun, Stato Coil,Flux concentato Coil, Pojectile Speed 1.GİRİŞ Son yıllada güç elektoniği alanındaki gelişele elektoanyetik bobin ilahı alanındaki uygulaalada da öneli ileleele ağlaıştı. Özellikle adışık fılatıcılaın lazeli eafe ölçü cihazlaı ve optik enölein deveye giei üzeine değişik çalışala yapılıştı(1). İndükiyon bobin ilahı, faklı tiplede ve faklı çalışa penibine ahip elektoanyetik bobin ilahlaı içeiinde en uut veici bobin ilahı tipi olaak göülektedi(4,12). Bu doğultuda yapılan bu çalışada yeni kaakteitik özelliklee ahip ikodenetleyici kontollü bi indükiyon bobin ilahı taalanıştı. Bu akale kapaında öncelikle geliştiilen itein yapıı kıaca tanıtılış ve adından itein fılata düzeneğindeki bobinlein geoetiinin, geliştiilen elektoanyetik itede ulaşılabilecek hızlaa etkii aaştıılış ve onuçla ayıntılı olaak tatışılıştı. 40
2. MATERYAL VE YÖNTEM Bu çalışa kapaında geliştiilen indükiyon bobin ilahı teelde, bi doğual elektik akineidi. Stato bobini taafından fılatılan bi ei bobininin oluştuduğu elektoanyetik fılata düzeneği, titöleden oluşuş elektonik anahtalaa devei ile ikodenetleyici ve bilgiayalı ölçe ve kontol iteinden eydana gelektedi. Şekil 1 de itein elektik eşdeğe devei veilişti. S R I I C Stato L Mei L R M 12 Şekil 1. İndükiyon bobin ilahı elektik eşdeğe devei Şekil 1 deki devede tato agıının indüktanı L, akıı I, dienci R, ei (oto) agıının indüktanı L, akıı I, dienci R olaak göteilişti. Dolu duuda olan C kondanatöü, S anahtaı kapatılaak tato agıı üzeinden deşaj edilektedi. Stato agıında eydana gelen değişken anyetik alan, ei agıı üzeinde bi geili indükleekte ve kıa deve olaak taalanış ei agıından akacak kıa deve akıı, tato akıına te yönlü olduğu için ite kuvveti eydana getiektedi. İki bobin aaındaki otak indüktan M ve iki bobin aaındaki ite kuvveti F ie, Lenz kanuna göe bu kuvvet aşağıdaki gibidi. dm F = I I dx [2.1] Bağıntı 2.1 e göe, tato ve ei bobini geoetiinin, çalışa geiliinin, bu iki bobin aaındaki otak indüktan eğiinin, bobinlein yapıında kullanılan alzeenin elektikel ve anyetik özellikleinin ve deveyi beleyen kaynağın geliştiilen elektoanyetik itede ulaşılabilecek hızlaa etkii öne kazanaktadı. Bu çalışa kapaında, bu paaeteleden adece tato bobini geoetiinin bi başka deyişle otak indüktanın ei itici kuvvetine etkii incelenişti. Şekil 1. deki devenin kayıpız olduğu düşünülüe eşdeğe deve Şekil 2. deki gibi olacaktı. S 1 I M I C Φ L Φ L R Şekil 2. Tek kadeeli indükiyon bobin ilahı eşdeğe devei 41
Bu şekilde he iki bobinin de kayıpız olduğu vaayılaktadı. Stato ve ei bobinleinin uygun fılata konuunda olduğu ve devede fılata işleinin başladığı andan itibaen deveye uygulanan geiliin ıfı olduğu vaayılıa Faaday kanunlaına göe iki bobinin anyetik akı bağlantılaı abit kalacaktı. Böylece devenin teel akı denklelei aşağıdaki gibi olacaktı. λ = L I + MI [2.2] Bu denklele ati founda yazılıa: λ = L I + MI [2.3] L M M I L I λ = λ Stato bobini ve ei bobini öz indüktanlaı L ve L abit fakat otak indüktan M ei bobini konuunun bi fonkiyonudu. Mei bobini, tato bobininin ekezine (ota noktaına) ulaştığında, tato bobini akıının keilei duuunda Eş. 2.4 aşağıdaki gibi ifade edilebili: L M 0 0 λ = [2.5] M 0 L I λ Buada, M 0 ei bobininin tato bobini ekezinde olduğu duudaki otak indüktanı göteektedi. Yukaıdaki denkle akı eşitliklei için çözüleek aşağıdaki gibi teka yazılabili. λ M = 0 [2.6] λ L Şekil 3 deki gibi tooid biçiindeki bi agıda anyetik akı (Φ) ifadei de aşağıdaki gibidi: 2 [2.4] d dφ 1 dz d h S Şekil 3. Tooid biçili agı Apee kanunu uygulandığında akıyoğunluğu için aşağıdaki ifade bulunu: Akı değei için: µ 0i0 N B = a 2π d = d dz aφ φ 42
φ = B. d µ 0i0N φ = 2π d dz µ φ = i N 2 h 0 0 1 2π 1 0 d d z µ i N h 2π 0 0 2 φ = ln [2.7] bulunu. Bu agılaın yan yana dizileiyle elde edilen bobin boyu l olak üzee, tato ve ei bobini aaındaki otak indüktan ifadei de aşağıdaki gibi olu. M 1 2 Φ µ 0 N N π = = [2.8] I l Doğal olaak tooid şeklindeki tato bobinin Φ anyetik akıının büyüei, ei bobinindeki Φ akıının da büyüei anlaına gelektedi. Dolayııyla bu bağıntıladan da anlaşılacağı üzee, taalanacak tato agıı geoetiinin otak indüktana ve bu nedenle de ei itici kuvveti üzeinde etkili olacağı göülektedi. Bu nedenle Şekil 4 ve Şekil 5 deki gibi aynı keit alanı ve aı ayıına ahip iki bobin tipi üzeinde çalışılıştı. Mei bobini Klaik tato bobini l Şekil 4. Klaik tipte aıladan oluşan tato bobini Mei bobini l Akı yoğunlaştııcı tato bobini Şekil 5. Akı yoğunlaştııcı tipte aıladan oluşan tato bobini 43
3. BULGULAR Şekil 4 ve Şekil 5 deki bobinlein he bi agıının keit yüzeyi, iç yaı çaplaı ( d1 ), dış yaı çaplaı ( d2 ), bobin boylaı (l ) ve aı ayılaı bibiine eşitti. Sadece aı biçileinin faklılığı nedeniyle tek aılık ei bobini ile aalaındaki otak indüktanın faklı olduğu göülüştü. Yapılan benzeti ve ei hızı ölçülei onucunda Şekil 5 deki akı yoğunlaştııcı tipteki bobin ile ei bobini aaındaki otak indüktanın diğe bobin tipinde elde edilenden düşük çalışa geililei için yaklaşık 10 kat daha fazla olduğu, 10000 V. çalışa geiliinden ona bu oanın azaldığı ve 30000 V. ta iki katı olduğu göülüştü. Bu huutaki çalışa onuçlaı başka bi akale kapaında ele alınacaktı. Bağıntı [2.7] de, 2 / 1 oanının ataıyla bu agıdaki akının atacağı göülektedi. Ancak 2 / 1 oanındaki atışla bilikte anyetik akı ataken, anyetik akı yolunun çapı da büyüekte ve bu agının içeiine yeleştiilecek diğe agıdan akıtacağı anyetik akının da azalaına neden olaktadı. Başka bi deyişle tato bobininin eiyi keen anyetik akı yolu, ei bobininden uzaklaşakta ve dolayııyla ei bobini üzeinden geçen anyetik akı çizgii ayıı azalakta, bunun onucunda da ei bobininde indüklenen geili ve akı değelei de azalaktadı. Bu da eiye etkiyen kuvveti azalttığı için einin çıkış hızını düşüektedi. Bu nedenle indükiyon bobin ilahı uygulaalaında Şekil 5 deki akı yoğunlaştııcı tipteki bobin tipinin kullanılaının uygun olduğu göülüştü. Ayıca bunu doğulaak aacıyla Şekil 5 deki bobin çifti için, ei agıına eneji veileden, tato bobinine 1 A. doğu akı uygulanaak tato bobinindeki akı ve he iki agı aaındaki otak indüktan için Anoft Maxwell yazılıı kullanılaak benzetile yapılıştı. Bu benzeti, tato bobini iç çapı abit tutulup, dış çapı büyütüleek tekalanıştı. Şekil 6 da benzeti odelinin elektikel eşdeğe devei ve Şekil 7 de de benzeti odeli göülektedi. L R Anoft Maxwell Model Bölgei t=0 C L L Şekil 6. Benzeti odelinin elektikel eşdeğe devei 44
y Mei haeket kanalı (Nalu) Stato bobini x Şekil 7. Benzeti odeli Mei bobini Yapılan benzetide tato bobini bakı, ei bobini de aliinyu olaak eçilişti. Büyüklüklei ie uygulaada kullanılan ölçülee eşitti. Benzetilee başlanadan önce onlu elean analizi için ını koşullaı belileniş ve evcut geoetinin 10 katı büyüklükten ona anyetik akının bu alanın dışında oladığı kabulünü yapanın uygun olduğu göülüştü. Şekil 8 de bu odelden elde edilen tato bobini anyetik akıı ve iki agı aaındaki otak indüktan değişiine ilişkin olaak elde edilen benzeti onuçlaı göteilişti. ( µ H ) ( µ Wb) Şekil 8. Stato dış çapı/iç çapının otak indüktan ile tato akıına etkii Bu benzeti onucuna göe, tato agıı dışa doğu genişledikçe bu agıdaki anyetik akının attığı ancak tato ve ei agılaı aaındaki otak indüktanın azaldığı göülüştü. Bu duu Denkle 2.6 ve Denkle 2.7 ile de uyuşaktadı. Bi onaki aşaada da, ei bobini iç çapı abit tutulup, dış çapı büyütüleek aynı benzetile tekalanıştı. Elde edilen onuç Şekil 9 da göteilişti. Şekil 9 a bakıldığında, tato bobini keiti ve tatoa uygulanan akıın abit olaı nedeniyle tato 45
akıının da abit olduğu göülektedi. Mei bobini dış çapı büyüyeek eideki anyetik akı yolu tatoa doğu genişlediği için tato agıı ile ei bobini aaındaki otak indüktan da ataktadı. Bu duu yine Denkle 2.6 ve 2.7 ile uyu içindedi. ( µ H ) ( µ Wb) Şekil 9. Mei dış/iç çapının otak indüktan ile tato anyetik akıına etkii Şekil 10 da geliştiilen akı yoğunlaştııcı tipteki tato bobini ve ei bobinlei, Şekil 11 de de bu çalışada taalanan indükiyon bobin ilahı ve deney düzeneği göülektedi. Akı yoğunlaştııcı tato bobini Titanyu, Alüinyu, Bakı ei bobinlei Şekil 10. Akı yoğunlaştııcı tato ve ei bobini Şekil 11. İndükiyon bobin ilahı ve deney düzeneği 46
Çalışaızda, Şekil 10 da da göüldüğü gibi tato ve ei bobinleinin dış/iç yaıçap oanı abit ve değei d2 / d1 = 3 tutuluştu. Halbuki Şekil 8 deki benzetie bakıldığında yaıçaplaın oanının 1 olaı duuunda otak indüktanın daha büyük olacağı ve dolayııyla Denkle 2.1 geeğince eiye etkiyen kuvvetin ve çıkış hızının atacağı yanılgıına düşülebili. Fakat Denkle 2.1 e den de göüldüğü üzee kuvvet, adece otak indüktantaki değişie bağlı değil, tato ve ei bobininden geçen akıın büyüklüğüne de bağlıdı. Bu üç değişkenin çapıı einin çıkış hızını belileektedi. Çizelge 1 de de göüleceği gibi d2 abitken d1 / d2 oanı attııldığında tato bobinin dienci büyüdüğünden üzeinden geçen akı düşekte, tatoun anyetik akıı da azalaktadı. Göüldüğü gibi otak indüktan attııken tato akıı düşektedi. Sonuç olaak benzetile elde edilen Çizelge 1 değeleinden de anlaşılacağı üzee, eiye etkiyen kuvvet değeinin en büyük ve buna bağlı olan çıkış hızının da en yükek olduğu d2 / d1 oanının 3 ya da d1 / d2 oanının 0.3 olaı geektiği belilenişti. Çizelge 1. Alüinyu ei için benzeti onuçlaı ve ei çıkış hızlaı Mei Boyu () Dış/iç Çap oanı d1 / d2 Otak indüktan (H) Stato Bobinin Manyetik Akıı (W) Mei Bobinin Manyetik Akıı (W) Mei Çıkış Hızı (/) 10 0.2 1.06x10-9 12.01x10-9 1.08 x10-9 2.53 10 0.3 1.34 x10-9 7.52 x10-9 1.31 x10-9 25.02 10 0.4 1.43 x10-9 5.54 x10-9 1.42 x10-9 21.48 10 0.5 1.54 x10-9 4.45 x10-9 1.56 x10-9 21.09 10 0.6 1.60 x10-9 3.95 x10-9 1.61 x10-9 20.11 10 0.7 1.65 x10-9 3.71 x10-9 1.67 x10-9 19.72 10 0.8 1.71 x10-9 1.71 x10-9 3.26 x10-9 17.83 4. SONUÇ Bu çalışada bi indükiyon bobin ilahı taalanış ve uygulaaı geçekleştiilişti. Geliştiilen indükiyon bobin ilahında ei itici kuvvetine etki eden paaetele belileniş, bu paaeteleden tato bobinine ait olanla incelenişti. Bu alanda yapılan çalışalada kullanılan klaik tipteki tato bobini tipinin değiştiilei ile aynı güç koşullaı için daha büyük ei itici kuvveti elde edilebileceği göülüş ve tato bobini olaak akı yoğunlaştııcı bobin kullanılıştı. 47
Stato bobini olaak, akı yoğunlaştııcı bobin kullanıının, daha büyük ei itici kuvveti elde edileini ağladığı ve ei bobini boyunun olabildiğince kıa, d2 / d1 oanının bobin akıı göz önünde bulunduulaak küçük eçilei geektiği onucuna ulaşılıştı. KAYNAKLAR (1) Kaye, R.J., Deign and Pefoance of Sandia contactle coilgun fo 50 pojectile,, IEEE Tan. on Mag., 29: 680-685 (1993). (2) Baue, D. P., A Novel Railgun Launche Deign, IEEE Tan. on Mag., 3(1): 267-272 (1995). (3) Matyac, M. J., Chitophe, F., Jainon, K.A., Pead C. and Mahall R.A., Railgun Pefoance Enhanceent Fo Ditibution of Enegy Feed, IEEE Tan. on Mag., 31(1): 332-337 (1995). (4) Inga, S. K., Theoetical Analyi of a Collaping Field acceleato, 6th Sypoiu of Electoagnetic Launch Technology, Autin, Texa, 28-30 (1992). (5) Seely, S. and Poulaika A. D., Electoagnetic Claical and Moden Theoy and Application, Macel Dekke Inc., New Yok, 19-21 (1979). (6) He, J. L., Levi E., Zaba Z. and Bienbau L. Concening the Deign of Capacitively Diven Induction Coil Gun, IEEE Tan. on Plaa Science, 17(3): 429-438 (1984). (7) Andew, J. A., Coilgun Stuctue, IEEE Tan. on Mag., 29(1): 637-642 (1993). (8) Williaon, S., Hone C.D. and Haugh D.C., Deign of Puled Coil-Gun, IEEE Tan. on Mag., 31(1): 516-521 (1995). (9) Laithwaite, E. R., Populion Without Wheel, Englih Univeity Pe Ltd., 74-79 (1966). (10) Eliot, D. G. Tavelling-Wave Induction Launche, IEEE Tan. on Mag., 25(1): 159-163 (1989). (11) Honig, E.M., Poge in Developing Repetitive Pule Syte Utilizing Inductive Enegy Stoe, 4th IEEE Puled Powe Confeence, Albuqueque, New Mexico, 6-8 (1983). (12) McKinney, K. and Mongeau, P., Multiple Stage Puled Induction Acceleation, IEEE Tan. on Mag., 20(2): 239-242 (1984). 48