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fig-01
この絵から解説しましょう。
黒い部分は、軟鉄。赤い部分はコイル。青い部分は、滑りやすいパイプです。
軟鉄でできた可動鉄心の右側の空気は、逃げる工夫がしてあるとお考えください。
このコイルに電流を流すと、可動鉄心は、右側に動きます。
この時の力はけっこう大きく、リレーの接点を動かしたりできます。
原理は、磁力線の張力
コイルに電流を流したときの磁力線の１本を、緑色の線で表します。
磁力線は、このように閉じています。そして、磁力線は、ほとんど「鉄」の中を通っています。鉄の中は、空中に比べ、５０００倍程度(99.8% 純鉄の例)磁力線が通りやすいので、磁力線の通りにくい場所は、ほとんど、可動鉄心の右側だけとなります。（オレンジ色の印がついています）
磁力線の通りにくさを、周回で考えたときの概念が磁気抵抗。可動鉄心が右側に引かれる力は、磁気抵抗の２乗に反比例します。つまり、右端に近づき、外側の固定極「外部ヨーク」に衝突する間際になって急増するわけです。
この動作は、白い部分、つまり空気中にある磁力線に「張力」があると考えると分かりやすいと思います。
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閉じた磁力線のタイプ
この絵から解説しましょう。
黒い部分は、軟鉄。赤い部分はコイル。青い部分は、滑りやすいパイプです。
軟鉄でできた可動鉄心の右側の空気は、逃げる工夫がしてあるとお考えください。
このコイルに電流を流すと、可動鉄心は、右側に動きます。
この時の力はけっこう大きく、リレーの接点を動かしたりできます。
原理は、磁力線の張力
コイルに電流を流したときの磁力線の１本を、緑色の線で表します。
磁力線の通りにくさを、周回で考えたときの概念が磁気抵抗。可動鉄心が右側に引かれる力は、磁気抵抗の２乗に反比例します。つまり、右端に近づき、外側の固定極「外部ヨーク」に衝突する間際になって急増するわけです。
この動作は、白い部分、つまり空気中にある磁力線に「張力」があると考えると分かりやすいと思います。
貫通型にしてみると
可動鉄心が、右端から飛び出すようにすれば、コイルガンになりますね。それを考えてみましょう。（ fig-03 左側 fig-04 右側 )
左側の図の可動鉄心は、磁力線の「張力」に引っ張られて右側に動きます。前述の外部ヨークと衝突するはずの時には、右の図のようになっています。ここで磁力線をじっくりご覧ください。この場面で、磁力線は、可動鉄心を右側に引っ張る役目は果たしていません。実はこの少し前から、右方向に強烈に引っ張る力が弱まって、右図の時には、値がゼロになっているのです。
さらに、もう少し、可動鉄心が右に進むと、今度は引き戻される力が働いてしまいます。
通過後は、電流を遮断します。
- 引き戻されないようにするには、勢いよく電流を遮断しなくてはなりませんが、鉄心が入って大きなインダクタンスになっているコイルの電流を切断するのは大変です。そこで、次の図のように工夫します。
fig-05
- 可動鉄心を、コイルの長さよりやや長くします。このように、鉄心が頭を出して、しっぽが隠れるまでの間、磁力線の張力は、加速にも減速にも寄与しません。この間に電流を減らし、しっぽが隠れる前に、電流、磁力線をゼロにしてしまえば、ブレーキはかからないわけです。
- 可動鉄心を長くしすぎると、効率が落ちるので、正確な計算と試行錯誤が必要になってきます。
- 特に、多段式にするには、この計算または試行錯誤を避けて通れません。難しいので、お勧めは次の方法です。
玉突きに
fig-06
- この図は、可動鉄心を弾丸に当てる方法です。非磁性の硬いボールで、可動鉄心と同じ質量の場合、可動鉄心の運動エネルギーは、すべてボールに与えられ、可動鉄心は止まります。電磁ブレーキがかかっても、止まっているので無関係。弾丸の原則はありません。
- 可動鉄心や弾丸が塑性変形をするような材質の場合には、運動エネルギー損失が発生し、弾速が遅くなることがあります。
fig-07
- この図のように、ボールと可動鉄心の間に１つメカを挟むと、可動鉄心と外部ヨークの間の引力が最後まで利用できるため、高効率になる上、ボールが割れにくくなるなどのメリットもあります。紫色で示したメカは、発射後、ゴムの力で引き戻せるようにするなど工夫が可能です。
- プル型のソレノイドを加工して利用する場合に用いられる手法です。
市販品（プッシュ型ソレノイド）
- プッシュ型のソレノイドも市販されています。多くは、戻りバネを用いており、鉄心が右いっぱいになるよりやや手前でストップすることがあり、玉突きで弾丸を飛ばすときには、戻りバネを少しカットすることが効果を高める場合があります。
- 入手先は、「プッシュ型ソレノイド」などで検索してください。
- 共立エレショップ アクチュエーター
- 同 動画ページ
- せんごくネット通販 ソレノイド
- 手づくりっぽいソレノイド ギガテコ
- 比較的ハイパワーを小売している タカハ機工のプッシュタイプ
大きな力を利用するには
- 最初の図のように、可動鉄心が、外部ヨークに衝突する構造の場合、一番大きな力が出ます。そのため、やはり引く力を利用したいものですね。「テコ」などを利用し、ストロークを大きくすると、それによって弾速を上げる事ができます。
- 思いのほか大きな速度に達することがありますから、くれぐれも安全とされる弾速を超えないように、してください。
- テコのレバーは、剛体または適切な弾性を持たせたもの。十分軽く作ってください。
材料
- 大切なのは、高効率の磁気回路。出来る限り、市販品を加工します。何しろ市販の電磁アクチュエータ―は、最適設計されています。磁性材料も、高透磁率。小型のものほど、小さい弾丸を飛ばすのに向いています。
- 玉突きではじく弾丸の速さは、毎秒数メートルが確保できます。
- 大きいものは、反応が鈍いので、テコで大きく動かす工夫をしてください。
- 貫通型には、ソラック電磁アクチュエータ―などがあります。小型のものを選んで、組み合わせて多段にすれば、ある程度の弾速が得られます。
電気回路
- 外側のヨークが本格的であれば、高効率なので、大げさな電源は必要ありません。利用する市販の電磁アクチュエータ―の定格を大幅に超えるエネルギーを与えても、磁気飽和してしまうだけ。「少し強め」で十分です。
反作用に備える
- 閉じた磁力線の場合、弾丸の質量が大きくて運動量に相当する反作用もばかになりません。その反作用は、コイルが受ける事になりますから、コイルは頑丈な構造で支える事が必要です。
- 反作用は、加速時だけでなく、減速時にも発生します。確実に電流をOFFにできる場合と、等質量の弾丸に玉突きさせる場合を除いて、コイルへは前後へ力がかかることを考えなくてはなりません。
- パイプに固着することで強度を持たせるのは良い方法ではありません。特に、摩擦の小さいパイプの場合、固着がはがれたりするだけでなく、勢いよく後方にコイルが飛ぶことがあります。
- そこで、図のようにコイルを頑丈な構造体で支えるわけですが、ここに鉄を使うと閉じた磁気回路が実現します。コイルの破損を防ぐことができ、しかも電磁石として強力になるので、一石二鳥。
- 強い力がかかると、コイルの巻きが崩れてしまいます。それを防ぐため、硬めのエポキシ樹脂接着剤で固めてください。（上図の緑色の部分）
貫通型の自作（回路例）
- 市販のソレノイドを購入し、分解して外部ヨークや弾丸となる鉄心を得るのが、高性能の秘訣です。それでも弾速はあまり期待できません。
- 多段型にすると、十分な威力が得られますが、危険なので、多段型の電気回路について閉じた磁力線のタイプは解説をいたしません。開放型磁力線の場合についての多段型の記述をご覧になり、自己責任で設計してください。
- ここでは１段の加速の場合について述べます。また、おおくの方が外部ヨークなしで自作なさっていますので、その形に近い場合の計算方法と駆動回路の解説をいたします。
コイルの設計
- エクセルで、線径、コイル外径、コイル内径、コイル長と印加電圧を設定したときに、抵抗値、最大電流、中心部の磁束密度を計算する表を作って検討してください。
- たとえば、内径６ミリ、外径８ミリのパイプを使います。
- 線径は０．６ミリ、ターン数２００ターン。
- コイルの内径は８ミリ、外径は１４ミリ、コイル長さ２４ミリとします。
- このとき、コイル抵抗は、0.433Ω。30Vで６９Aとなります。
- 空心時の中心部の磁束密度は、０．７２テスラほど。ネオジム磁石より６割増し程度となります。弾丸がコイルの中に入ると、弾丸は磁気飽和し、弾丸の先端の中央で２テスラ程度までの上昇で頭打ちになるかも知れません。この値は、磁性材料によって異なります。
- 弾丸は５ミリ径の軟鉄棒。長さは３０ミリほどとします。
空心時のインダクタンス
- コイルのインダクタンスを計算してくれるサイトにアクセスし、コイルの半径（直径ではないサイトもある）などを入力して計算します。コイルの径は、外径と内径の中間で考える程度の精度で十分です。
- リンク先のサイトので計算すると、インダクタンスは165μHとなりました。
- 弾丸（鉄心）が近づくにつれ、大きな透磁率の影響が出てきてインダクタンスは急増します。しかし、すぐに磁気飽和してしまうほどの磁場を与えていますから、何千、何万倍というほどにはならないと思われます。
駆動回路
- 玉突き型の場合なら、広範囲の駆動回路が使えます。
- 磁性弾丸がコイルを通過する場合には、電流を急速にOFFにすることが必要で、そのための駆動回路は、別のページに掲載します。
- タイマーでOFFにするもの。光によって弾丸の位置を検出して制御するものを掲載しています。