I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 ,   p p .   823 ~ 8 3 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 2 . p p 8 2 3 - 834           823       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   D e s i g a n d e v e l o p m e nt   o f   a   p o rt a bl e   el e ct r o m a g ne t ic  c o i a c c e l er a t o f o r   a dv a n c e d ef e ns e   a pp l i c a t i o n s       M .   P r i y a d h a rs in i ,   Su ni l   K u ma r   G u p t a ,   M a n o j   G up t a   D e p a r t m e n t   o f   E l e c t r i c a l   a n d   E l e c t r o n i c s   E n g i n e e r i n g ,   P o o r n i m a   U n i v e r s i t y ,   J a i p u r I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Au g   5 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Feb   2 4 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Ma r   6 ,   2 0 2 6       In   t h is   wo rk ,   a   p r o to ty p e   o six - sta g e   c o il   g u n   wa d e sig n e d   a n d   d e v e lo p e d   to   a c c e lera te  a n d   p r o p e l   a   fe rro m a g n e ti c   p ro jec ti le  a a n   a lt e rn a ti v e   tec h n o l o g y   t o   tra d it i o n a l   firea rm s,  wh ich   re l y   o n   e x p lo siv e   p o we f o r   d e fe n se   a p p li c a ti o n s.  T h e   e lec tro m a g n e ti c   c o il we re   a rra n g e d   a lo n g   th e   len g t h   o th e   b a rre a n d   we re   e n e rg ize d   o n e   a a   ti m e ,   se q u e n ti a ll y ,   fro m   o n e   e n d   o f   th e   b a rre to   th e   o th e to   a c c e lera te an d   p ro p e th e   p ro jec ti le fo rwa rd .   Th is  p a p e p re se n ts  th e   d e si g n ,   sim u latio n ,   a n d   o p ti m iza ti o n   o th e   b a rre l   a n d   p ro jec ti le,   i n c lu d in g   d e tails  o t h e   e lec tro m a g n e ti c   c o il s,   tri g g e rin g   a n d   sw it c h in g   c ircu it s ,   a n d   p u lse d   c u rre n so u rc e s.  S imu latio n we re   c o n d u c ted   u sin g   CO M S OL  M u lt i p h y sic so ftwa re   with   b o t h   sin g le - c o il   a n d   m u lt ip le - c o il   c o n fi g u ra ti o n s.   T h e   p ro t o t y p e   m o d e in c o rp o ra tes   a   n o n - fe rro m a g n e ti c   b a rre to   m in imiz e   th e   re tard in g   m a g n e ti c   field   a n d   h y ste re sis,  wh ich   c o u l d   o th e rwise   re d u c e   th e   p r o jec ti le’s   v e lo c it y .   Th e   b a rre is  e q u i p p e d   with   IR   se n so rs  to   d e tec th e   p ro jec ti le’s   m o v e m e n a n d   a c ti v a te  o d e a c ti v a te  th e   c o rre sp o n d in g   e lec tro m a g n e ti c   c o il s,  e n su r in g   e fficie n fo rwa rd   p ro p u lsio n .   Util izin g   a   c a p a c it o r   b a n k   a n d   ra p id   c h a r g in g   c ircu it s,  th e   d e v e lo p e d   p ro t o ty p e   u n it   is  c a p a b le  o p r o p e ll in g   th e   p r o jec ti le  a a   v e lo c it y   o 4 1 9   m / s   m e a su re d   a 10 - m e ter  d istan c e   a n d   c o u ld   fire  e v e ry   2   m i ll ise c o n d s   su c c e ss fu ll y .   Th e   p r o to t y p e   u n i d e v e lo p e d   is  a   h a n d h e l d   rifl e   u sin g   p o l y v i n y l   c h l o ri d e   ( P VC )   b a rre a n d   u se p ro jec ti le  with   d i m e n sio n s   m e e ti n g   th e   d e fe n se   a p p li c a ti o n .   K ey w o r d s :   E lectr o m ag n etic  ac ce ler ato r   E lectr o m ag n etic  co il  g u n   Sm o o th - b o r e   b a r r el   Fer r o   m ag n etic  p r o jectile   L au n ch   c o il   Mu zz le  v elo city   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   S u n i l   K u m a r   G u p ta   D e p a r t m e n t   o f   E l ec t r i c al   a n d   E l e c t r o n i cs   E n g i n e e r i n g ,   P o o r n im a   U n i v e r s it y     J a i p u r ,   I n d i a   E m ail:  s u n il.g u p ta@ p o o r n im a . ed u . in       1.   I NT RO D UCT I O N   T h co il  g u n s   o p er ate  with   ele ctr icity   to   p r o p el  b u llets   at  h ig h   s p ee d s ,   u n lik tr ad itio n al  f ir ea r m s   [ 1 ] .   An o th er   m eth o d   o f   tr an s p o r tat io n ,   m ilit ar y   an d   s p ac ap p lica tio n s   h av e   b ee n   u s in g   elec tr o m ag n etic  lau n ch in g   as a n   alter n ativ to   ch em ical  p r o p u ls io n   f o r   o v er   1 5 0   y ea r s   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   C o il g u n s   r ely   o n   in d u ctio n ,   o r   r elu ctan ce ,   to   ac ce ler ate  th p r o jectile  ar m atu r an d   av o id   co n tact,   an d   th u s   wea r   an d   life   cy cle  ar e   m in im ized   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   Gu n s   u s in g   i n d u ctio n   co ils   u s co n d u ctiv e,   n o n - m ag n etic  ar m atu r es,  wh er ea s   th o s b ased   o n   r el u ctan ce   c o ils   u s f er r o m a g n etic  ar m at u r es.   Su ch   s y s tem s   u s lo cu r r en an d   ea s y   s witch in g   cir cu its ,   wh ich   im p r o v e   ef f icien cy   an d   s tr u ctu r al  r elia b ilit y .   T h ey   ar m o s tly   f o u n d   in   d ef en s iv ac tu ato r s   an d   elec tr o m ag n etic  to o ls   ap p licatio n s   [ 6 ] .   C o n v e n tio n al   g u n s   u s th e   ex p l o s iv n atu r e   o f   g u n p o wd er   t o   f ir p r o jectil es  alo n g   th b ar r el   to   cr ea te  n o is an d   b y - p r o d u ct  th at   n ee d s   to   b clea n ed .   C o n v er s ely ,   wh en   h ig h - s p ee d - of - d is ch ar g e   s to r e   o f   e n er g y   is   m a d to   p o wer   a n   elec tr o m ag n et  th at   en cir cles  t h b a r r el  to   in d u ce   h i g h   lev e o f   m ag n etic  f ield ,   s u b s tan tial  m ag n etic   f ield   is   f o r m ed   ar o u n d   th e   b ar r el.   E lectr o m ag n etic  c o il  g u n s   ap p ly   L o r en tz  f o r ce   t o   ac ce ler ate  f er r o m ag n etic   p r o jectiles  an d   o p er ate  lik e   lin ea r   m o to r s ,   Ma g lev   tr ain s ,   a n d   r o ller   co aster s .   T h is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 :   8 2 3 - 8 3 4   824   r em o v es  th n o is o f   g u n p o w d er ,   r esid u o f   b ar r els ,   an d   m ain ten an ce .   T h latest  r esear ch   an d   d e v elo p m e n ts   in   elec tr o n ic  war f a r m ac h in e r y   in d icate   th at  th e r ar c h an ce s   th at  co il  g u n s   co u l d   s u p er s ed tr ad itio n al  an d   g u n p o wd er - c o n tain in g   wea p o n s   in   th e   f u tu r [ 7 ] .   I n n o v atio n s   in   s cien ce   an d   en g in ee r in g   o f   m ater ials   h a v e   m ad it  p o s s ib le  to   d ev el o p   h an d - p o r tab le  co il  g u n s   a n d   lo n g - r an g elec tr o m ag n etic  ca n n o n s   to   b e   u s ed   in   n ex t - g en e r atio n   war f a r [ 8 ] .   New ly   in v en ted   co il  g u n s   ar ca p ab le  o f   s h o o tin g   p r o jectiles  b etwe en   1 0   g r am s   an d   e v en   5   k ilo g r a m s   at  a   s p e ed   to   th e   tu n e   o f   o v er   1   k ilo m eter   p er   s ec o n d   [ 9 ] .   C o il  g u n s   h av e   a   n u m b er   o f   ch allen g es  d esp ite  th ese  ad v a n tag es.  Ma k in g   th lau n ch   ef f ec tiv in v o l v es  h av in g   th e n er g y   s to r ag an d   co n v er s io n   s y s tem s   th at  ar s tr o n g   an d   ef f icien en o u g h   to   p r o d u ce   lar g elec tr ic  cu r r en ts .   T h er is   also   n ee d   f o r   a   c o o lin g   m ec h a n is m   to   c o v er   th e   co ils   an d   th e   p r o jectile  ag ain s o v er h ea tin g .   Alth o u g h   t h c o il  g u n s   d o   n o h av e   th s am m ec h an ical  wea r   as  tr a d itio n al  f ir ea r m s ,   th h i g h - v elo city   f r ictio n   m ay   s till   wea r   awa y   th b ar r el,   an d   r esear ch   is   o n g o in g   to   d ev elo p   wea r - r e s is tan m ater ials .   T h p ap er   d is cu s s es  th d esig n   an d   p r o to t y p e   o f   an   elec tr o m a g n etic  co il   g u n   i n   s ix   s tag es.  T h is   s y s tem   co m p r is es  s ix   ele ctr o m ag n etic   co ils ,   wh ich   ar e   f itted   ar o u n d   th e   len g th   o f   a   n o n - m ag n etic  b a r r el,   an d   ca u s e   ac ce ler atio n   o f   a   f er r o m ag n etic   p r o jectile  to   s p ee d   o f   4 0 0   m /s .   T h ca p ac ito r   b an k   an d   r a p id   ch a r g in g   cir c u it  f itted   to   t h p r o to ty p m o d el   allo w   f ir in g   ev er y   2   m illi s ec o n d s .   I n   th e   p ap e r ,   th e   r esu lts   o f   th e   s im u latio n   a r p r esen ted   in   a d d itio n   to   t h e   p r o to ty p m o d el  an d   its   p er f o r m an ce   an aly s is .       2.   WO RK I NG   P RINC I P L E   co il  g u n   is   m ad e   o f   a   f iel d   co il   p lace d   ar o u n d   a   ce r am ic  o r   p last ic  s tr u ctu r e ,   wh ich   f o r m s   th e   b ar r el  o f   th e   g u n ,   an d   f er r o m ag n etic  p r o jectile,   s h o t   b y   m ag n etic  f o r ce .   T h e   r esu lt in g   m ag n etic  f ield   ( tim e - v ar y in g )   e x er ted   b y   th e   co il  p u ts   a   f o r ce   th at  ac ce ler ates  th p r o jectile  to war d s   th co il ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 .   T h cu r r en i n to   th e   co il  is   s witch ed   o f f   as  th e   p r o jectile  m o v es  in to   t h co il  ce n ter ,   an d   d u e   to   th e   in er tial  m o m e n tu m ,   th p r o jec tile  p r o ce ed s   t o   m o v e   f o r war d .   T o   r ed u ce   th e   d ec eler atio n   d u to   th r etar d in g   f o r ce   with in   th co il,  th cu r r en is   ter m in ated   at  th p r o p er   tim e.   Af ter   th p r o jectile  h as  lef th b ar r el,   th co il g ets r ec h ar g e d   ag ain   t o   m ak an o th e r   lau n c h .   T h f o r ce   ex er te d   o n   th ar m a tu r co n s is ten tly   p r o p els  it  f o r war d ,   allo win g   it  to   ex it  th b ar r el  with   m in im al  n o is at  s u b s o n ic  v e lo city ,   leav in g   n o   r esid u th a r eq u ir es  r ep ea te d   clea n in g .   Ad v an ce d   c o il  g u n   d esig n s   u tili ze   m u ltip le  ac ce ler ato r   co ils ,   wh ich   ar ac tiv ate d   s eq u en tially   as  th p r o jectile  m o v es  th r o u g h   th e   b ar r el.   T h p r im a r y   ch allen g with   elec tr o m ag n etic  wea p o n s   is   th en er g y   lo s s   d u r in g   th co n v er s io n   o f   elec tr ical  en er g y   in t o   k in etic  e n er g y .   T h elec tr o m ag n etic  co il  f lu x   lin k ag an d   th f o r ce   ex er ted   o n   th f er r o m ag n etic   p r o jectile  is   g iv en   b y   th f o llo win g   e x p r ess io n s   [ 4 ] ,   [ 10 ] - [ 1 2 ] .   T h f lu x   lin k ag e   o f   th c o il is   g iv en   b y   ( 1 ) .            ( 1 )     T h m ag n etic  f lu x     is   g i v en   b y :            ( 2 )     wh er B   r ep r esen ts   th f lu x   d e n s ity ,   an d   r e p r esen ts   ar ea ,   a n d   n   is   th n u m b e r   o f   tu r n s   in   th co il   [ 1 3 ] .           Fig u r 1 .   T h wo r k in g   o f   co i l g u n   [ 1 3 ]       T h f lu x   d en s ity   B   h as  lar g ef f ec t ;   th elec tr o m ag n etic  co il  m u s b as  p o wer f u as  p o s s ib le  to   m ax im ize   th f o r ce   o f   th p r o jectile ,   an d   m ax im izin g   th ar ea   an d   th n u m b er   o f   tu r n s   n   will  in cr ea s f lu x   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   a n d   d ev elo p men o f a   p o r ta b le  elec tr o ma g n etic  co il  a cc elera to r   fo r     ( M.  P r iya d h a r s in i )   825   lin k ag a n d   t h f o r ce   o n   th p r o jectile.   T h e   e x a c t   f o r c e   F   e x e r t e d   o n   t h e   f e r r o m a g n e t i c   p r o j e c t i l e   is   d e r i v e d   f r o m   F a r a d a y s   l aw   a s   ( 3 )   [ 4 ] .         (4 10 7 )   (  )   /2 ( 2 )   ( 3 )     F   f o r c e ,   i =   c u r r e n t ,   a n d   g   l e n g t h   o f   t h e   g a p   b et w e e n   t h e   s o l e n o i d   a n d   a   p ie c e   o f   m e t a l ,   =   a r e a ,   n   n u m b e r   o f   t u r n s .   4 π * 1 0 - 7   is   t h e   m a g n e ti c   c o n s t a n t   i n   m . k g .   s - 2A - 2 .   I t   is   v e r y   i m p o r t a n t   t o   m i n i m i z e   g   s i n c e   [ 4 ] .     1 / ( 2 ) 2   ( 4 )     An   ex ce s s iv n u m b er   o f   c o ils   will  r ed u ce   th e   cu r r en t,   as  in d icate d   b y   I   =   V/R   with   an   in cr ea s in   r esis tan ce .   T h v a r iab le  a   m u s also   b e   m ax im ized ,   a n d   it  is   cr u cial  t o   r ec o g n ize   th at  th e   wir e' s   cr o s s - s ec tio n al  ar ea   is   d ir ec tly   r elate d   to   t h cu r r en t,  s in ce   lar g er   ar ea   lea d s   to   lo wer   r esis tan ce .       3.   CO M P O NE N T S O F   CO I L   G UN   3 . 1 .     B lo c k   dia g ra m   Fig u r 2   s h o ws  th b u ild in g   b lo ck s   o f   co il  g u n   with   I G B T - b ased   s witch in g   cu r r en t o   th lau n ch   co il.  T h e   tu r n   ON  an d   tu r n   O FF   ar co n tr o lled   b y   a   m icr o co n tr o ller   with   an   in p u f r o m   an   I R   s en s o r .   T h e   m icr o co n tr o ller   s eq u en tially   en er g izes  th s u cc ess iv co il s   alo n g   th b ar r el,   as  s h o wn   in   Fig u r 3 ,   wh ich   illu s tr ates  th in teg r atio n   o f   m u ltip le  co ils   in   co il   g u n   with   in d iv id u al  s witch in g   cir cu its   an d   m icr o co n tr o ller - b ased   c o n tr o l.           Fig u r 2 .   T h b u il d in g   b lo ck s   o f   co il g u n           Fig u r 3 .   Sy s tem   b lo c k   d ia g r a m         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 :   8 2 3 - 8 3 4   826   3 . 2 .     P r o j ec t ile   T h p r o jectile  is   th f er r o m ag n etic  m ater ial  th at   is   u n d er   th in f lu en ce   o f   th m ag n etic  f ield ,   ac ce ler ated   an d   p r o p elled   th r o u g h   th b ar r el   [ 1 3 ] .   T h le n g th   o f   th e   p r o jectile  is   eq u al  to   th le n g th   o f   th e   co il ,   an d   th e   ex ce s s   len g t h   o u t s id th co il   is   n o t   in   th m ag n etic  f ield   an d   co n s titu tes  d ea d   weig h t   [ 1 4 ] .   T h e   ce n tr al  p r o jectile  is   p er f ec s i n ce   it  will  u s th en tire   co il  len g th   u n til  it  is   d ea ctiv ated ,   as  it  w ill  o n ly   b d r awn   to   th e   co il' s   co r e.   T o   o p tim ize  th m a g n etic  f lu x   ac tin g   o n   t h b u llet,  its   d iam eter   s h o u ld   b r o u g h ly   eq u al  to   th c o il' s   in n er   d iam eter .   Fig u r 4   illu s tr ates  th p r o ject ile  p r o f ile,   s h o win g   its   cy lin d r ical  b o d y   with   p o in ted   tip   an d   an   o u ter   ca s in g ,   with   lab eled   d im e n s io n s   f o r   le n g th   a n d   d iam ete r .   Aer o d y n a m ics  is   cr u cial  f a cto r   to   co n s id er   f o r   ev er y   p r o jectile .   I n   ca s th p r o jectile  h as  a n   ae r o d y n am i tip ,   th e   air   g ap   in   t h d esig n   o f   th e   b u llet  will   r ed u ce   its   ef f icien cy   a n d   th e   m ag n etic  f lu x .   T h r em e d y   m u s b eith er   to   u s e   a   p ar a m ag n etic  tip   o n   th b u llet  s o   th at  it  will n o i n ter f er e   with   th e   m ag n etic  f lu x ,   a n d   leav e   th m etallic  p ar i n   a   f lat  a n d   cy lin d r ical  f o r m ,   o r   to   b ca r ef u with   th g r in d in g   o p er atio n   s o   th at  th e   b u llet  will  b m er ely   s lig h tly   r o u n d e d .   T h is   ef f icien c y   is   q u esti o n ab le,   th p o in te d   p r o jectile  h av in g   m o r m ag n etic   f lu x   an d   m o r d ea d   weig h t   th an   th r o u n d ed   p r o jectile ,   wh ich   h as less   m ag n etic  f lu x   an d   less   m ass .   T h len g th - to - d iam eter   r atio   m u s ex ce ed   3 : 1 ,   as  b allis tics   s cien ce   d em o n s tr ates  th at  th is   r atio   en s u r es  th p r o jectile  m ain ta in s   s tr aig h tr ajec to r y .   T h e   r atio   m u s n o ex ce e d   5 :1   wh ile  u tili zin g   s p in   s tab ilizatio n   [ 1 5 ] .   Po s itio n in g   is   im p o r tan s in ce   th co il  will   r u n   at  m ax im u m   ef f icien c y   f o r   b r ief   p e r io d   o f   tim wh en   t h ca p ac ito r   d is c h ar g es  q u ick ly .   T h e   p r o jectile  will  n o b attr ac ted   if   it   is   p lace d   f a r   f r o m   th co il' s   en tr an ce ,   wh ich   will  r esu lt  in   less   cu r r en b y   th tim e   it  g ets  th er an d   en ab le  th p r o jectile  to   ex it  th e   b ar r el  m o r s lo wly .     3 . 3 .     I g nite   co il   E n am eled   co p p er   wir is   u s ed   f o r   f o r m in g   th elec tr o m ag n etic  co il  with   b etter   in s u latio n   an d   p r o v id es   tig h tly   wr ap p e d   co il f o r   co n ce n tr ated   m ag n etic  f ield   [ 7 ] [ 16 ] - [ 1 8 ] .   T h co il p r o d u ce s   lo ts   o f   h ea t   wh en   th ca p ac ito r   b an k   d is ch ar g es   with   h ig h   c u r r e n p u ls e ,   an d   to   im p r o v th h ea d is s ip atio n ,   th e   co n d u ct o r   s ize  was  o p tim ize d   [ 1 7 ] ,   [ 1 8 ] .   Fig u r 5   s h o ws   h o ld in g   r esis to r   co n n ec te d   to   th co il  with   a   b y p ass   s witch   u s in g   tr an s is t o r .   Du r in g   th c h ar g in g   p r o ce s s ,   th ca p ac ito r   is   co n n ec ted   to   th v o ltag s o u r ce   th r o u g h   th h o ld in g   r esis to r   to   lim it  th cu r r en f lo w ,   allo win g   g r ad u al  ch ar g in g   o f   t h ca p ac ito r   till   th ca p ac ito r   v o ltag b u ild s   to   t h e   s u p p ly   v o ltag [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .     W h ile   t h v o lt a g s o u r ce   is   d i s co n n e cte d ,   t h ca p a cit o r   d is c h a r g es   t h r o u g h   t h h o ld in g   r e s is to r .   T h e   d is c h ar g e   cu r r e n t   f l o ws   i n   th e   o p p o s it d i r ec t io n   a n d   r ed u ce s   t h e   v o lta g ac r o s s   th e   ca p ac ito r .   T h e   d is c h a r g e   tim is   g i v en   b y   th e   R C   t im e   co n s t an t ,   a n d   wit h   a   la r g e   h o l d i n g   r es is t o r ,   t h e   d is c h ar g e   p r o c ess   s lo ws  d o w n ,   wh i le  s m all  r es is t o r   p r o v id es   f ast  d is ch a r g [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   T h h o l d i n g   r esis to r   en s u r es  c o n t r o lle d   d is ch a r g o f   th e   s t o r e d   e n e r g y   i n   th ca p a ci to r   an d   p r ev e n ts   s p ar k s ,   s h o c k ,   a n d   co m p o n en d a m a g e   [ 2 2 ] .   Stro k d en o tes  th d is tan ce   tr av elled   b y   t h p r o jectile ,   an d   i is   n o m in im ized   in   t h co il  g u n   d esig n   [ 2 3 ] .   T h s o len o id   d esig n   m u s ac co m m o d ate  m ax im u m   f o r ce   an d   co u ld   s u p p o r h i g h   cu r r en lev els.  T im in g   cir cu its   ar u s ed   to   m in im ize  th d u ty   cy cle  f o r   b etter   ef f icien cy   o f   th co il.  Hea s in k   o r   o th er   c o o lin g   s y s tem s   ar r eq u ir ed   to   r ed u ce   th h ea tin g   e f f ec t o f   th co il  g u n   [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ] .     3 . 4 .     B a rr el   T h b ar r el  is   en g in ee r ed   to   ac co m m o d ate  th co ils   in   s i x   s eg m en ts ,   with   s en s o r s   in teg r ated   to   au to m ate  th en g a g em en a n d   d is en g ag e m en o f   th e   co ils .   Fig u r 6   s h o ws  th e   b ar r el   d esig n   an d   th c o il  ar r an g em e n alo n g   th b ar r el.   T h e   b ar r el   u s ed   f o r   th e   p r o t o ty p d ev elo p m en t   is   o f   PVC   m ater ial  to   r ed u ce   m ag n etic  h y s ter esis   an d   r etar d in g   m ag n etic  f ield   d e v elo p e d   in   th b ar r el.   B u b ar r el  ca n   b co n s tr u cte d   f r o m   3 1 6   L   s tain less   s teel ,   wh ich   is   r o b u s s tr u ctu r al   m at er ial  th at  im p r o v es  th r ig id it y   an d   s tu r d in ess   o f   th co il g u n   f o r   f ield   ap p licatio n s .             Fig u r 4 .   Pro jectile  p r o f ile     Fig u r 5 .   C o n f ig u r atio n   o f   s o len o id   c o il   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   a n d   d ev elo p men o f a   p o r ta b le  elec tr o ma g n etic  co il  a cc elera to r   fo r     ( M.  P r iya d h a r s in i )   827       Fig u r 6 .   C o il g u n   b a r r el  with   co il a r r an g e m en t       4.   SI M UL A T I O O F   CO I L   G UN   T h s im u latio n   m o d el   o f   th e   elec tr o m ag n etic  g u n   ( E MG )   was  d esig n ed   in   C OM SOL  Mu ltip h y s ics   as sh o wn   in   Fig u r 7 .   Simu latio n   p ar am eter s   ar as f o llo ws:   ˗   C ap ac ito r : 6 0 0   V,   1 0 0 0   µF   ˗   Vo ltag So u r ce : D C   ˗   C h ar g in g   tim f o r   C ap ac ito r 1 0   m s   ˗   B ar r el  len g th : 8 1 0   m m   ˗   Ma ter ial: Fer r o m ag n etic  m ater ial  ( s ilico n   s teel)   Nu m b er   o f   c o il   s t ag es:   1   t o   6 .   T h e   m o v em e n t   o f   t h e   p r o j ec t ile   i n   t h e   b a r r el   a n d   th e   E MF   a r o u n d   it   was  s tu d i ed   as   s h o w n   i n   Fi g u r 8 .   T h s im u l ati o n   w it h   s in g le  co il   c o u l d   o b ta in   a   m a x i m u m   E MF   o f   1 0 0 . 9 1 N   o n   t h e   p r o j ec til e ,   as   s h o w n   i n   Fi g u r e   9 .   T h m a x i m u m   v el o ci ty   o b tai n ed   wi th   a   s i n g le   c o il   is   4 5 . 1 2   m /s ,   as   s h o wn   i n   Fi g u r 1 0 .   S im i la r l y ,   wit h   s ix - s t a g co il g u n ,   t h e   m a x i m u m   E MF  o n   t h e   p r o je ct ile  is   1 5 1 . 2 5   N ,   a n d   th e   m a x i m u m   v el o ci ty   a c h ie v e d   is   1 1 1 . 4 1   m /s ,   as   s h o w n   i n   Fi g u r e s   1 1   an d   12 ,   r es p ec t iv el y   [ 2 2 ] .           Fig u r 7 .   3 s im u latio n   m o d e l o f   c o il g u n   [ 1 6 ]         Fig u r 8 .   Simu lated   p r o jectile  tr ajec to r y   with in   b ar r el     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 :   8 2 3 - 8 3 4   828       Fig u r 9 .   Ma x im u m   E MF  o f   a   s in g le  co il o v er   tim e           Fig u r 1 0 .   Ma x im u m   v elo city   o f   s in g le  co il  o v er   tim e       T h e   E M F   i n   a   c o i l   g u n   h a d   i n cr e a s e d   f r o m   1 0 0 . 9 1   N   t o   1 5 1 . 2 5   N   w h e n   t h n u m b e r   o f   c o i ls   was   r ai s e d   f r o m   o n e   t o   s i x   c o i l s .   T h e   E MF   i s   s t r o n g   w it h   t h e   f i r s t   c o i l   an d   s t a r ts   t o   r e d u c e   w h e n   t h e   p r o j e c t i le   m o v e s   f r o m   t h e   f i r s t   t o   t h e   s i x t h   c o i l ,   a n d   th e   E M F   d o e s   n o t   i n c r ea s e   6   tim e s   in   a   s i n g l e   c o i l   d u e   t o   m ag n e t i c   l o s s es   i n   t h b a r r e l .   A s   a   r es u l t ,   t h e   v e l o ci t y   o f   t h e   p r o j e c t i l e   d i d   n o t   i n c r e as e   p r o p o r t i o n a l l y   w it h   t h e   i n c r e a s e   i n   t h e   n u m b e r   o f   c o i l s .       5.   P RO T O T YP E   DE V E L O P M E NT   T h Pro to ty p s y s tem   is   b u ilt  with   th f o llo win g   co m p o n e n ts   f o r   d ef en s ap p licatio n .   Fig u r 1 3 ( a )   s h o ws  th o v er all  s ch em atic  cir cu it  d iag r am   o f   th d ev el o p e d   p r o to t y p u n it,  Fig u r 13 ( b )   s h o ws   th d etailed   wo r k in g   b lo ck   d iag r am ,   an d   Fig u r e   13 ( c )   s h o ws  th c h ar g in g   an d   d is ch ar g in g   cir cu it  b lo ck   d iag r am .   T h e   v ar io u s   co m p o n e n ts   ar e :     i)   Mic r o co n tr o ller :   T h e   m icr o c o n tr o ller   u s ed   i n   th e   p r o to ty p is   AT m eg a 3 2 8   b y   Atm el.   I is   u s ed   t o   d is p lay   th v o ltag f r o m   th c ap ac ito r s   with   f ast  ADC  in p u t   lin es,  d etec th v elo city   with   d ig ital  in p u ts ,   an d   o u t p u t to   a n   L C d is p lay .   ii)   Po wer   s u p p ly T h p o wer   s u p p ly   u s es  1 2   V,   4 0 , 0 0 0   m Ah   lead   ac id   b atter y   p ac k .   T h is   b atter y   was  ch o s en   f o r   its   ab ilit y   to   h an d le   h ea with   h ig h er   o p e r atin g   t em p er atu r an d   q u ic k   r ec h ar g e.   T h b atter y   p r o v id es a   c o n s tan t v o ltag e   to   th ch ar g in g   cir cu it to   ch ar g t h ca p ac ito r   b an k .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   a n d   d ev elo p men o f a   p o r ta b le  elec tr o ma g n etic  co il  a cc elera to r   fo r     ( M.  P r iya d h a r s in i )   829   ( a)     ( b )     ( c)       Fig u r 1 3 .   C o m p o n e n ts   o f   Pro to ty p d esig n ( a)   s ch em atic  ci r cu it d iag r am ,     ( b )   wo r k in g   b lo ck   d iag r am ,   an d   ( c)   c h ar g in g   an d   d is ch ar g in g   cir cu it       iii)   R eg u lated   p o wer   s u p p ly :   T h e   r eg u lated   p o wer   s u p p l y   is   p r o v id ed   f o r   elec tr o n ic  d e v ices  u s in g   7 8 X X   f am ily   lin ea r   v o ltag r e g u lato r s   f o r   5   DC   o u t p u t.   iv )   I n f r a - r ed   s en s o r :   T h is   is   an   i n f r ar ed   em itter /r ec eiv er   cir cu it  im p lem en ted   at  th e   en d   o f   th co il.   I ts   f u n ctio n   is   to   t u r n   th e   co il  o f f   as  th en d   o f   th p r o jectile  co m es  o u o f   th e   co il.  T h e   to tal  tim f r o m   th e   f ir s co il  to   th e   s ix th   co il   is   2   m s ,   an d   th e   I R   s en s o r   d etec ts   th p r o jectile  an d   en e r g izes   th s u b s eq u en t   co il  u p o n   its   a r r iv al.   T h is   cir c u it  v astl y   in cr ea s es  th e   ef f icie n cy   o f   t h co il   g u n   b y   e n s u r in g   th at  n o   wo r k   is   d o n ag ain s t th d ir ec tio n   in   wh ich   th p r o jectile  is   b ein g   a cc eler ated .     v)   C h ar g in g   c i r cu it:  A   DC - DC   b o o s ter   c o n v e r ts   1 2   DC   to   1 0 0   V   DC .   T h e   DC   in p u t   cu r r en f r o m   th e   s u p p ly   will  s to r e n er g y   in   th m ag n etic  f ield   o f   th e   in d u cto r   an d   will  b e   u n a b le  to   p ass   it.  W h en   th e   s witch   is   clo s ed ,   th in d u cto r   will  b eg in   to   o p p o s th e   ch an g in   in p u f lo o f   cu r r en s i n ce   th cir cu it   r esis tan ce   an d   v o ltag d r o p   b eg in   to   r ea lig n .   T h e   ter m in al  o f   th in d u cto r   c o n n ec te d   to   t h b atter y   will   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 :   8 2 3 - 8 3 4   830   b ec o m n e g ativ with   r esp ec to   th ter m in al   co n n ec ted   t o   th d i o d e,   e f f ec tiv ely   lo c k i n g   th two   in   s er ies  as  a   m u ch   lar g er   v o ltag e ,   wh ich   will  p r o ce ed   to   d u m p   th eir   co m b in ed   e n er g y   in t o   th ca p ac ito r   as  tr an s ien wav ef o r m .   T h d i o d will  b lo ck   th ca p ac ito r   f r o m   d is ch ar g in g   its elf   th r o u g h   th in d u cto r ,   th u s   ab s o r b in g   all  th e n er g y   an d   allo win g   its   v o ltag to   s t ea d ily   clim b .   Fig u r 1 4   s h o w s   th ch ar g in g   cir cu it  d iag r am .   T h b u ilt  p r o to ty p m o d el  o f   th c o il  g u n   is   ass em b led   o n   tab le  f o r   test in g   its   p er f o r m an ce ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 5   f o r   a   s ix - s tag co il  g u n   u n it.  T h v el o city   o f   th s ix - s tag co il  g u n   was  m ea s u r ed   u s in g   v elo city   m eter   co n s tr u cted   with   th p r o to ty p u n it,  as  illu s tr ated   in   Fig u r 1 6 .   p r o jectile  was  d is ch ar g ed   to war d s   a   wo o d en   b o a r d   p o s itio n ed   1 0   m ete r s   awa y ,   r esu ltin g   in   a   p en etr atio n   d ep th   o f   1   cm   u p o n   im p ac t w ith   th b o ar d .           Fig u r 1 4 .   C h ar g in g   cir cu it sch em atic           Fig u r 1 5 .   Pro to ty p e   m o d el   o f   6 - s tag co il g u n           Fig u r 1 6 .   B u llet  v elo city   m ea s u r ed   in   6 - s tag e   co il g u n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Desig n   a n d   d ev elo p men o f a   p o r ta b le  elec tr o ma g n etic  co il  a cc elera to r   fo r     ( M.  P r iya d h a r s in i )   831   6.   T H E O RI T I CAL A NAL YSI S   T h th eo r etica an aly s is   o f   th 6 - s tag co il  g u n   with   th e   d esig n   v alu es  is   d o n f o r   esti m atin g   th e   f o r ce   o n   th e   p r o jectile  as  in   ( 5 ) ,   m ass   o f   th p r o jectile  as  i n   ( 6 ) ,   len g th   to   d iam eter   o f   t h p r o jectile,   Mu zz le   v elo city   as in   ( 7 ) ,   an d   th lo s s es in   th u n it a s   in   ( 8 )   an d   ( 9 ) .       F =   ( 4 10 7 )  2 ( 2 ) 2   ( 5 )     W h e r e   F   =   f o r c e i   =   c u r r e n t g   =   g a p   b e t w e e n   t h e   b a r r e l   a n d   p r o j e c t i l e a   =   a r e a   o f   p r o j e c ti l e ,   a n d   n   =   n u m b e r   o f   t u r n s S u b s t i t u ti n g   v a l u e :   a   =   r 2   =   3 . 1 4 × (5 × 10 - 3 ) 2   =   7 . 8 5 × 10 - 5   m 2 n   =   1 4 0 i   =   1 0 0   a m p ,   a n d   g   =   1 . 5   mm .   i)   Ma s s   o f   p r o jectile  ( m )   v o lu m ×   d en s ity     r 2 h × d en s ity   o f   ir o n   ( 3 . 1 4 × 25 × 10 - 6 × 50 × 10 - 3 ) × 7 8 5 0   =   0 . 0 3 0 8   kgs   ( 6 )     ii)   L en g th   to   d iam eter   r atio   ( L /D)       L en g th / d iam eter       5 0   m m /1 0   m m   5   mm     iii)   Fo r ce   on  th e   p r o jectile      ×   ( 7 . 85   ×   10 5 ) 2   ( × 4 × 10 7 ) ( 100 × 140 ) 2 ( 2 × 1 . 5 × 10 3 ) 2   2 1 4 7 . 2   N     iv )   Fo r   6   s lo ts ,   f o r ce   o n   th e   p r o jec tile =   2 1 4 7 . 2 × 6 =1 2 8 8 3 . 2   N     v)   Mu zz le   v elo city     ( 2 F/(m as s   o f   p r o jectile) )       ( 2 x 1 2 8 8 3 . 2   / 0 . 0 3 0 8 )   9 1 4 . 6   m /s ec   ( 7 )     v i)   C o p p er   l o s s es   ˗   R   ρ l /  A       10   × 1 . 68 × 10 8 × 140 × 2 × π × 6 . 5 × 10 6 0 . 25 × 10 6 × π   3 . 8 4 × 10 3   Oh m s   ( 8 )     ˗   T o tal  lo s s es =   2       1 0 0 2   ×   3 . 84   × 10 3   3 8 . 4   watts   ( 9 )     v ii)   E f f icien cy   o f   s in g le - s tag e   co il g u n   T h ef f icien c y   o f   th c o il  g u n   is   ca lcu lated   as  r atio   o f   th e   k in etic  en er g y   ( KE )   as  in   ( 1 0 )   im p ar ted   o n   th p r o jectile  to   th elec tr i ca en er g y   ( E E )   as  in   ( 1 1 )   s u p p lied .   T h ca lcu latio n   is   s im p lifie d   b y   esti m atin g   th k in etic  en er g y   a n d   elec tr i ca en er g y   s u p p lied   to   f in d   th ef f icien cy   as  in   ( 1 2 )   with o u co n s id er in g   o h m ic   lo s s es,  m ag n etic  lo s s es ,   an d   air   f r ictio n   lo s s es ,   wh ich   r e q u ir e   in ten s s im u latio n   an d   e x p er i m en tal  an aly s is .       Kin etic  en er g y   ( KE )   ½   m v 2   ( 1 0 )     W h er m   m ass   o f   th p r o jec tile a n d   v   v elo city   o f   th p r o jectile  f o r   s in g le  s tag e .     E lectr ical  en er g y   ( E E )   ½   C V 2   ( 1 1 )     W h er C   to tal  ca p ac itan ce   f o r   s in g le  s tag an d   Vo lt ag ac r o s s   th c ap ac ito r   b an k .     E f f icien cy   =    El ect r i cal   En er g y 100   ( 1 2 )     Giv en   m   0 . 0 3 0 8   k g ,   v   4 5   m /s   ( s im u lated   f o r   s in g le   s tag e) ,   C   8 0 0 0   µF,   1 0 0   v o lt s KE   ½   ×   0 . 0 3 0 8   ×   45 2   3 1 . 1 8 5   J   an d   E E   ½   ×   8000  ×   10 - 6   ×   100 2   4 0   J .   v iii)   E f f icien cy   ( η )   f o r   s in g le  s tag 7 7 . 9 6   %   T h ef f icien cy   is   im p r o v ed   with   m u lti s tag d esig n ,   ad v an ce d   s witch in g   with   MO SF E T ,   p r o jectile  d esig n ,   a n d   u s in g   lo r esis tan ce   a n d   f ast s witch in g   ca p ac ito r s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po E lec  &   Dr i Sy s t Vo l.  1 7 ,   No .   2 J u n e   20 2 6 :   8 2 3 - 8 3 4   832   7.   RE SU L T   T h e   s i x - s t a g e   p r o t o t y p e   e l e c t r o m a g n e t i c   c o i l   g u n   a c h i e v e d   a   v e l o c i t y   o f   4 1 9   m / s   c o m p a r e d   t o   t h e   t h e o r e t i c a l   v a l u e   o f   9 1 4 . 6   m / s .   F i g u r e   1 6   s h o w s   t h e   m e a s u r e d   v e l o c i t y   a t t a i n e d   w i t h   t h e   e l e c t r o m a g n e t i c   c o i l   g u n .   T h e   r e d u c t i o n   i n   v e l o c i t y   i s   d u e   t o   t h e   u s e   o f   a   n o n - f e r r o m a g n e t i c   b a r r e l ,   w h i c h   h a s   l o w e r   p e r m e a b i l i t y   c o m p a r e d   t o   a   f e r r o m a g n e t i c   m a t e r i a l .   T a b l e   1   s h o w s   t h e   c o m p a r i s o n   w i t h   o t h e r   e l e c t r o m a g n e t i c   c o i l   g u n   d e s i g n s .       T ab le   1 .   C o m p a r is o n   with   o th er   s im ilar   elec tr o m ag n etic  co il   g u n   d esig n s   R e f e r e n c e   V e l o c i t y   m/ s   F i r i n g   c y c l e   ms   N o   c o i l   st a g e s   Tu r n s   p e r   c o i l   st a g e s   S u mm a r y   [ 2 6 ]   4 2 4   14   5   -   O n l y   si m u l a t i o n ,   n o t   a   p o r t a b l e   mo d e l   [ 1 2 ]   1 0 0   -   3   18   O n l y   s i mu l a t i o n   [ 2 7 ]   8   -   4   21   W o r k i n g   m o d e l ,   s i n g l e   st a g e   w i t h   mu l t i - l a y e r   c o i l   ( S a n d w i c h   c o i l )   [ 1 2 ]   1 3 . 3 4   5 . 4 5   1   1 4 0   W o r k i n g   m o d e l   s i n g l e   s t a g e   [ 2 8 ]   1 0 7   -   9   26   W o r k i n g   m o d e l   O u r   d e s i g n   4 1 9   a t   1 0   m   d i s t a n c e   2   6   1 4 0   W o r k i n g   m o d e l   a n d   p o r t a b l e   u n i t       8.   F UT UR E   SCO P E   T h er is   f u r th e r   s co p f o r   im p r o v em e n in   th e   p r o to ty p o f   th e   elec tr o m a g n etic  g u n ,   as   o u tlin e d   b elo w:   At  th m u zz le,   th e   v el o city   ca n   b e   ac ce ler ated   b y   in cr ea s in g   th cu r r en t,  th e   co ils   in   ea ch   s ec tio n ,   an d   th n u m b er   o f   tu r n s   p er   s ec tio n .   R ed u cin g   f ir in g   ca n   b ac c o m p lis h ed   with   o n o r   m o r c ap ac ito r   b an k s th is   wo u ld   r ed u ce   weig h an d   c o s t ,   b u wo u ld   r esu lt  in   a   h i g h e r   f ir in g   r ate.   T h ap p licatio n   o f   s u p er ca p ac ito r s   s h o u ld   b e   p u r s u ed .   T h cir c u it  cu r r en m ay   b e   ad ju s ted   b y   p o ten ti o m eter   in   o r d er   to   p r o v id e   v a r iab le - r an g g u n   o p tio n .   Po r ta b ilit y   is   also   an   is s u an d   h as  to   b c h ec k ed   with   th p e r f o r m an ce   ch ar ac ter is tics .   T h e   g r ea ter   th s p ec if icatio n s ,   th e   m o r c o ils ,   tu r n s ,   an d   ca p ac ito r   b an k s ,   wh ich   ca u s es  th s y s tem   to   b e   h ea v ier .   An   in ter f ac e   f itted   o n   th e   wea p o n   m ay   h elp   in   tr ac k in g   th e   r em ain i n g   p o wer ,   wea p o n   p r o g r am m i n g ,   m alf u n ctio n s ,   a n d   o t h er   r elev a n t d etails.       9.   CO NCLU SI O N   I is   n o v el  in   th e   s en s th at  it   is   co m p ac t,   a   p o r tab le  h an d h eld   g ad g et,   w h ich   c r ea tes  v elo city   o f     4 1 9   m /s   wh en   lo ad e d   with   f er r o m ag n etic  p r o jectile  o f   3 0 . 8   g r a m m es  an d   h as  b ar r el   m ad o f   PVC ,   with   a   d is tan ce   o f   1 0   m ete r s .   T h s p e ed   o f   th p r o to ty p is   m u ch   h i g h er   th an   t h at  o f   th s im u lated   s ix - s tag co il g u n ,   wh ich   ac h iev ed   s p ee d   o f   1 1 1 . 4 1   m /s   with   s ilico n   s teel.   T h s im u latio n   s u g g ested   th at  th m ag n etic  lo s s es o f   th f er r o m ag n etic  b ar r el  ar s u b s tan tial  an d   f ail  to   g iv th ex p ec ted   r is in   E MF.   T h ese  l o s s es ,   in   tu r n ,   r esu lt   in   d ec r ea s in   v elo city   as  c o m p ar ed   to   t h PVC   b ar r el  w ith   th p r o to ty p u n it.  T h e   d e v elo p ed   m u lti - s tag e   co il  g u n   h as  h ig h er   v elo city   as  co m p ar e d   to   th e   s in g le - s tag co il g u n ,   with   t h v el o city   d ir ec tly   p r o p o r tio n al   to   th n u m b e r   o f   s o len o i d s   in   th m u lti - co il  s etu p .   T h f ir s was  th d esig n   th at  u s ed   h ig h - p o wer   ca p ac ito r s   with   1 0 0   an d   1 0 0   Am p s ,   f ea tu r in g   PVC   b ar r el,   an d   c o u ld   s h o h ig h   m u zz le  v elo city .   T h E MG   o p er ates   at  f r eq u en cy   o f   2   m s   a n d   is   co m b in e d   with   I R   s en s o r s   to   co r r ec tly   tr ig g er   th n ex co i ac co r d in g   to   t h e   f o r war d   m o v em e n t o f   th p r o j ec tile.       ACK NO WL E DG E M E NT   W ex p r ess   m y   g r atitu d to   th Militar y   C o lleg o f   E l ec tr o n ics  an d   Me ch a n ical  E n g in ee r in g   ( MCEM E ) ,   Secu n d er ab ad ,   I n d ia,   f o r   th eir   in v al u ab le  f ee d b ac k   d u r in g   d ev elo p m en an d   f o r   p r o v id in g   test in g   f ac ilit ies d u r in g   p r o to ty p e   cr e atio n .       F UNDING   I NF O R M A T I O   T h au th o r s   h e r eb y   d ec lar e   th at  n o   f in an cial  p r o v is io n ,   g r an ts ,   o r   f u n d in g   o f   a n y   k in d   wer r ec eiv ed   f o r   th c o n d u ct  o f   t h is   r esear ch ,   an d   t h wo r k   was c ar r ied   o u t in d ep e n d en tly   with o u t a n y   ex ter n al  s u p p o r t.       AUTHO CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T     T h is   jo u r n al  u s es  th C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.