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코일건
2015.01.25 04:00

2012-10-03 코일건 V3 프로젝트

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`0.JPG

 처음에 코일건 V3를 제작하기로 마음먹고 V2.5를 통한 실험 이후로 2년이 넘는 공백 기간이 있었습니다. V2.5를 만들 때 회로도나 기타 제작에 관련된 기록 사항이 없었기 때문에 오랜만에 다시 보기가 힘든 부분이 있었습니다. 그러다가 2012년 전기전자 관련 과목 중에 프로젝트 점수를 평가하는 수업이 있어 코일건 V3를 제작할 겸 수강을 하였습니다.



`1.JPG

 캐패시터 뱅크는 V2.5에서 사용한 것을 그대로 가져왔습니다. 2년간 보관해 오면서 구리판의 상태가 조금 나빠진 것을 볼 수 있습니다. 표면적인 현상이므로 무시하고 사용했습니다.



`2.JPG

 코일건 V3의 충전 및 제어 회로입니다. 별도의 MCU는 사용하지 않고 타이머와 비교기 IC만으로 작동하도록 되어 있습니다. 기본적인 boost converter의 topology를 적용하였습니다. 충전 전압과 배터리 저전압 레벨을 가변저항을 이용해 설정할 수 있는 것이 특징입니다. NE555쪽에 들어가는 저항값을 가변저항으로 조절하여 충전 주파수도 조절할 수 있도록 하였습니다.



`3.JPG

 코일건 V3의 회로 뒷면입니다. 큰 전류가 흐를 것으로 생각되는 부분은 구리판을 써서 패턴을 만들었습니다.



`4.JPG

 이전에 코일건 V2.5를 만들면서 구상했던 형태를 적용하여 케이스를 제작하려 했습니다. V2.5에서 사용하였던 코일을 그대로 적용하였습니다. 위쪽의 노란 띠는 장식보강용 판입니다.



`5.JPG

 케이스 윗부분에는 캐패시터 뱅크가 들어갈 수 있도록 공간을 확보하였습니다. 앞쪽에는 투사체가 가속되는 아크릴 관 뿐만이 아니라 파워 LED를 이용한 조명등과 레이저 포인터가 배치될 수 있도록 자리를 만들었습니다. 사진 위쪽에 전선으로 매달린 금속 원통이 레이저 포인터 모듈입니다. 아래 쪽에는 회로의 공기 냉각을 위해 넣을 DC 팬이 보입니다.



`6.JPG

 코일건의 주요 부품들이 한 번에 보입니다. SCR은 별도 니켈수소 전지 2개를 직렬 연결하여 트리거 전원으로 제어하였습니다.



`8.JPG

 캐패시터 팩 위쪽에는 포맥스 판을 한장 덧대어 별도로 공간을 분리하였습니다.



`9.JPG

 기존에 제작한 코일건들보다 다양한 기능을 가지고 있기 때문에 옆면에 제어 스위치와 상태 LED들을 부착하였습니다. 기본적인 충전 기능 외에 저항 방전, LED 조명, 레이저 포인터 기능을 끄고 켤 수 있습니다.



`10.JPG

 회로가 전부 연결된 상태의 사진입니다.



`11.JPG

 모든 회로를 구성하고 옆면을 붙여서 밀폐하기 전의 사진입니다. 2200이라고 써져 있는 주 전원용 리튬폴리머 배터리가 보입니다. 기존에 RC 비행기용으로 쓰고 있던 3셀 2200mAh 리튬폴리머 배터리입니다.



`12.JPG

 손잡이는 사진과 같은 바깥쪽 판 사이에 여러 개의 판을 겹쳐 고정하여 코일건 몸체에 매우 튼튼하게 부착하였습니다. 코일건 몸체가 꽤 무겁기 때문에 손잡이를 잡고 흔들었을 때 떨어지거나 부러지는 문제를 막기 위하여 생각한 방법입니다. 또한 손잡이의 검지가 닿는 부분에는 푸시 스위치를 부착하여 SCR의 발사 제어 스위치로 사용하였습니다.



`13.JPG

 뒷부분 마감을 제외한 코일건 V3의 완성된 모습입니다. 뒷부분에도 뚜껑을 덧대고 디지털 전압계를 달 계획이었으나, 현재까지 그냥 이 상태로 있습니다. 스위치는 왼쪽부터 차례대로 주 전원, 충전, 방전, LED 조명, 레이저 포인터입니다. LED는 왼쪽부터 차례대로 주 전원등, 충전 완료등, 방전등, 배터리 저전압 경보등의 역할을 합니다. 몸체의 하부 옆쪽에는 작은 구멍을 내어 내부 회로의 가변저항을 조절할 수 있도록 하였습니다. 이 가변저항은 타이머 IC의 입력 파라미터를 변화시켜 회로의 충전 주파수와 듀티비를 조절할 수 있도록 한 것입니다. 그러나 이 부분에 대해서는 실제로 드라이버를 이용해 충전 도중에 가변저항을 변화시켜 보았지만 충전 속도에 별 차이는 없었습니다. 손잡이의 앞쪽 부분에는 직렬 2구 AA 배터리 홀더가 들어있어 SCR 제어용 니켈수소 전지를 따로 삽입할 수 있습니다. 손잡이 뒤쪽으로는 주 전원으로 사용되는 리튬 폴리머 배터리를 삽입할 수 있습니다. 발사체는 V2.5처럼 M8 볼트를 사용하였고 뒤로 수동 장전합니다. 뒤쪽에 캐패시터 양단 리드를 꺼내서 충전 전압을 테스터로 측정할 수 있도록 하였습니다. 배터리가 포함된 총 시스템 무게는 1.7kg으로 측정되었습니다. 실제로 손잡이를 이용해 코일건을 잡아 보면 묵직한 무게감이 상당히 느껴집니다. 군필자인 조원분들은 K2 소총보다 훨씬 가볍다고 좋아라(?) 하셨지만요......



`14.JPG

 강의실에 굴러다니는 핫식스 팩을 묶어놓고 고문한 모습입니다. 측정 결과 실제로 큰 운동에너지를 가지고 있지는 않지만 두꺼운 볼트를 이용해 알루미늄 캔을 찢을 정도의 위력을 나타내었습니다.




 코일건 V3의 발사 영상입니다. 발열에 관해서는 예상과 달리 충전 시 회로의 발열은 거의 없었습니다. 실제 수 차례의 발사 후 회로보다는 코일 자체에서 열이 상당히 발생하였으며, 연속적으로 수 십 번의 발사를 한다면 코일을 고정하는 접착제가 녹아서 떨어질 가능성이 있어 보였습니다.



 케이스를 만들기 이전에 발사부만 따로 구성해서 고속 촬영한 영상입니다. 초당 320프레임으로 촬영하였으며 1/8속도로 재생하였습니다. 발사 반동으로 인해 발사관이 뒤로 밀렸다가 앞으로 다시 튀어나오는 것을 볼 수 있습니다.



 충전 전압이 330V였을 때 충전 시간은 13초였습니다. 이 때 저장되는 캐패시터의 전기 에너지가 251.56J이고, 충전 회로의 평균 충전 전력이 19.35W임을 알 수 있습니다. 충전 회로는 가장 기본적인 형태이므로 손실이 클 것이고 실제로 배터리 쪽에서 사용되는 전력은 이것보다 훨씬 클 것입니다. 발사된 볼트의 운동에너지는 일정한 높이에서 볼트를 발사하였을 때 볼트가 낙하하는 위치를 측정하여 계산하였습니다. 측정 결과는 아래와 같습니다.


 

거리(m)

최대 탄속도(m/s) 

운동에너지(J) 

효율(%) 

 1

3.8

15.6

1.59

0.68

 2

4.0

17.4

1.97

0.78


 발사 실험에서는 효율이 1%에 미치지 못하였습니다. 발사 때마다 성능이 10% 이상씩 왔다갔다 하는데 이는 발사체의 초기 위치가 최고 운동에너지에 매우 큰 영향을 미치기 때문입니다. 그것을 계산이나 시뮬레이션을 통해 예측하는 것은 가능은 하지만 매우 복잡합니다.



V3 sim.jpg

 코일건 V3 제작에서는 MATLAB을 이용해 발사체의 최대 속도를 시뮬레이션 해 보았지만 실제 속도는 그것보다 3배 이상 크게 나왔습니다. MATLAB에서 시뮬레이션 한 방법은 먼저 코일에 흐르는 전류를 예측한 다음 솔레노이드가 만드는 자기장의 크기를 시뮬레이션 한 뒤, 그것이 작용하는 힘을 바탕으로 계산한 것입니다. 가장 큰 오차는 자성체인 철제 볼트가 코일을 통과할 때, 발사 코일이 공심 코이라고 가정하고 자기장의 크기를 계산한 것입니다. MAXWELL 같은 전자기 해석 특화 소프트웨어에서는 투자율 변화에 따른 자기장 변화를 예측할 수 있기 때문에 근사식과 MATLAB을 이용하여 계산하는 것 보다 훨씬 정확한 결과를 얻을 수 있을 것이라고 생각합니다.

하지만 특정한 충전 전압에서 투사체가 어느 위치에 놓였을 때 가장 큰 운동에너지와 에너지 효율을 가지게 되는가는 매우 여러가지 요인에 의해 결정됩니다. 투사체의 형상, 재질, 코일의 형상, 저항, 인덕턴스에 의한 시간에 대한 전류 변화, 그리고 투사체의 시간에 대한 위치가 코일의 자기적 성질에 미치는 영향 등이 모두 고려되어야만 정확한 예측이 가능합니다. 그래서 사실 이 부분은 실험적인 데이터를 통해 결정하는 것이 가장 빠른 방법이며, 시뮬레이션은 대략적인 경향성을 파악하는 데에만 사용되는 것이 효과적일 수 있습니다.



 코일건 V3는 제가 제작한 코일건 중에서 첫 번째로 자체 제작한 회로가 적용되었고, 이전 것들과 달리 어느 정도의 위력을 얻어낼 수 있었습니다. 그 외에는 요즘 인터넷에서 쉽게 구할 수 있는 코일건들의 전형적인 구성을 이루고 있습니다. 코일건 V3의 회로도는 자료실에서 확인하실 수 있습니다. 이것을 완성한 뒤로도 벌써 2년이 넘었네요. 코일건 V4를 제작하게 된다면 그 사이에 배운 것들을 적용하여 다른 곳에서 쉽게 찾을 수 없는 고급스러운(?) 코일건을 만들어보고자 하는 생각이 있습니다. 또한 좀 더 이론적으로 보강된 제작 과정을 추구하고, 결과에서 많은 데이터를 얻어내고자 합니다. 코일건 V4 외에도, 관련 구성부들에 관한 업데이트를 진행할 예정입니다. 다음 글에서 뵙도록 하겠습니다.



-- 2016-02-19 --

- 코일건 V3를 제작할 때 그렸던 기구부 조립도를 자료실에 추가하였습니다.

-> https://enssionaut.com/index.php?mid=board_data&document_srl=1212


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