Elektromagnetsko njihalo: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Krajem 1980 -ih odlučio sam da bih htio sagraditi sat u potpunosti od drveta. U to vrijeme nije bilo interneta pa je bilo mnogo teže istraživati nego danas … iako sam uspio spojiti vrlo sirov kotač i njihalo. Vrijeme izvođenja bilo je ograničeno i prilično škrto, ali bi kliknulo nekoliko minuta prije nego što bi uteg dotaknuo pod. Također su bili ograničeni moji resursi … alati, novac, vještine obrade drveta … što je rad na projektu učinilo prilično frustrirajućim. Tako je neko vrijeme san o drvenom satu bio napušten. Premotajte 30 i više godina naprijed. Sada sam u mirovini, imam puno zaista sjajnih alata, a moje vještine obrade drveta su se dramatično poboljšale. Također imam pristup računalima, nevjerojatnom softveru za automatsko projektiranje (CAD) i internetu. Tako se projekt satova ponovno pokrenuo. Odlučio sam pisati o procesu dok se probijam kroz dizajn. Čini se da je to zabavna stvar.

U početku sam želio izgraditi sat koji se pokreće gravitacijom i regulira njihalom. Nedavno sam, dok sam nasumično kopao po internetu, naišao na jednog čovjeka na otoku Kauai koji dizajnira drvene satove i druge vrste "kinetičke umjetnosti". Zove se Clayton Boyer. Otkriće dizajna sata gospodina Boyera inspiriralo me da nastavim vlastiti projekt satova. Jedan od njegovih dizajna koji me fascinirao zvao se “Toucan”. Hodajući hodnik koji se koristio na satu nalikovao je na istoimeni ptičji račun. Bio je to zabavan sat za gledanje, a dizajn je bio vrlo hirovit, ali ono što mi je na kraju privuklo pažnju bilo je kako se vozi. Nije bilo utega niti opruga. Činilo se da se njihalo magično ljuljalo naprijed -natrag bez gubitka energije. Tajna je bio elektromagnetski pogonski sustav skriven u podnožju sata i magnet na kraju njihala. Kao inženjer elektrotehnike mislio sam da je to stvarno super i odlučio sam shvatiti kako sve ovo funkcionira i izgraditi vlastitu verziju Toucana gospodina Boyera. Da budem siguran … Mogao sam samo kupiti planove za sat jer su bili dostupni za oko 35 USD, ali gdje je tu zabava?

Nakon što sam malo kopao po internetu otkrio sam da koncept datira iz ranih 1960 -ih sa satovima Kundo Anniversary. Napajali su se suhom baterijom i radili bi otprilike godinu dana prije nego što ste morali promijeniti bateriju (dakle naziv, pretpostavljam). Jednostavnost pogonskog kruga zaintrigirala me. Postojale su dvije zavojnice (jedna namotana jedna na drugu), germanijev tranzistor i baterija. To je sve! Volim jednostavne stvari koje funkcioniraju, a ovo ne može biti jednostavnije. Jedna od zavojnica spojena je na osnovni ulaz tranzistora, a druga zavojnica je na izlaznoj strani tranzistora u nizu s baterijom. Drugi dio slagalice bio je magnet postavljen na kraj njihala. Dok se njihalo njiše zavojnicama, magnet inducira struju unutar zavojnice koja pokreće bazu tranzistora. Zbog toga se tranzistor uključuje i struja teče u izlaznom krugu iz baterije kroz zavojnicu koja je u nizu s njom. Postoji i učinak transformatora koji uzrokuje induciranje veće struje u ulaznoj zavojnici do točke u kojoj tranzistor zasićuje. Najveća količina struje sada teče na izlaznoj strani tranzistora, a zavojnica u tom krugu je potpuno napajana baterijom stvarajući tako elektromagnet istog polariteta kao i magnet u njihalu. Vrijeme je takvo da magnetsko polje koje stvara elektromagnet odbija magnet u njihalu dok prolazi i daje mu mali udarac. Nakon što se njihalo pomakne pored zavojnica, struja prestaje teći u podnožju tranzistora i on se isključuje. Taj se postupak ponavlja svaki put kad se njihalo njiše zavojnicama … opskrbljujući dodatnom energijom potrebnom za prevladavanje gubitaka unutar sustava i držeći sve u pokretu. Uredno ha? Ono što je zaista sjajno u vezi s ovim je što troši vrlo malo energije i baterija će trajati dugo. Drveni satovi koji se pokreću oprugama ili utezima radit će samo dan ili dva prije nego što se moraju premotati. Imaju svoju privlačnost, ali meni je svaki dan navijanje sata izgledalo kao bol. Možda ću jednoga dana ipak izgraditi jedno od njih (volim Arnfieldove bijege), ali zasad će to biti elektronika umjesto gravitacije.

Stoga je prvi korak ovog putovanja shvatiti kako izgraditi elektromagnetski impulsno njihalo jer to neće samo regulirati sat, već će biti i motor koji ga pokreće. U konačnici, osim ovog vodiča o njihalu, objavit ću niz vodiča koji pokrivaju dizajn satova općenito, dizajn zupčanika, konstrukciju okvira, a zatim ću sve to sastaviti kako bih dovršio radni sat. Pričvrstite … ovdje idemo s procesom projektiranja njihala …

Pribor

Glavna komponenta njihala s elektromagnetskim impulsom je krug zavojnice. Koristio sam 10d uobičajeni čavao (dostupan u vašoj prosječnoj trgovini hardvera) kao feritnu jezgru. Ožičenje zavojnica je magnetska žica od 35 AWG. Ovo je vrlo fina žica presvučena tankim neprovodljivim materijalom. Za upravljanje protokom struje kroz krug koristi se 2N4401 NPN bipolarni tranzistor. Kapton traka prekriva nokat i dovršenu jezgru, ali možete koristiti gotovo sve vrste traka. Završne kape zavojnice su 1/16 inčni akrilni lim, kao i cilindrični komad hrasta za smještaj ožičenja tranzistora i zavojnice. Za ostatak prototipnog sklopa korišteni su različiti komadi i komadići drvnog otpada, zajedno sa šipkama za tiple u brojnim promjerima. Obožavam raditi sa šipkama za tiple … podsjeća me na jednu od mojih omiljenih igračaka iz djetinjstva … Tinker Toys! Smatram da se prilično dobro snalaze u razvoju prototipa. Napajanje je utični zidni modul koji pretvara AC 110 u DC 9 volti. Na kraju će sat završiti na baterijsko napajanje, ali zasad je plug -in modul vrlo prikladan i konzistentan. Druga ključna komponenta je neodimijski magnet koji je ugrađen u kraj njihala. Magnet koji sam koristio ima promjer 1/2 inča i debljinu četvrtine inča.

Korak 1: Sklop jezgre zavojnice

Dok sam istraživao zavojnicu, naletio sam na forum za popravak satova na kojem je jedna od tema raspravljala o detaljima dizajna zavojnice. Imali su sjajne slike koje su mi dale ideju kako sakriti tranzistor i pripadajuće ožičenje unutar baze zavojnice. Drugi ključni detalj bio je da su spomenuli zavojnice koje sadrže 4000 okreta. Vau, to je zvučalo kao puno i donijelo mi je zabrinutost u mislima koliko će razumno biti omotati zavojnicu, no ipak sam pritisnuo.

Razmišljao sam o tome koliko želim da gotova zavojnica bude velika i smjestio se na centimetar u promjeru i centimetar i četvrtinu. Izrezao sam krugove promjera 1 inča iz akrilnog lima 1/16 inča koji će se koristiti za završne kape i još jedan disk promjera 1 inča iz komada hrasta debljine 1/2 inča za podlogu. Izrezao sam kanal od četvrtine inča u hrastovom disku, kao i izbušio rupu promjera 3/16 inča za smještaj tranzistora. Također sam izbušio male rupe kako bih ožičenje mogao provesti u kanal u bazi. Za detalje pogledajte slike. U početku sam izrezao dio iz donjeg akrilnog komada kako bih olakšao uvođenje žica u bazu. U retrospektivi, trebao sam samo izbušiti male rupe kako bi odgovarale onima u bazi. Ali ništa strašno. U akrilnim komadima također su izbušene rupe, a komad hrasta za dobro prianjanje preko nokta. Sastavljanje je bilo kako slijedi: Stavite akrilni disk bez ureza na nokat. Omotajte komad trake od 1-1/4 inča oko nokta, kao što je prikazano, a zatim dodajte urezani akilni disk. Nanio sam epoksid na hrastov disk, a zatim ga stavio na čavao tako da je bio pričvršćen za akrilni disk.

Prije nego što sam prešao na postupak omotavanja zavojnica, napravio sam neke brze i prljave proračune kako bih dobio približnu predodžbu o tome koliko bi bilo veliko ožičenje i električni otpor dvaju zavojnica. Činilo se da ću moći staviti svu žicu na svoj sklop jezgre pa sam bio sretan.

Korak 2: Omotač namota zavojnice

Odlučio sam da bi potpuno potpuno ručno omotavanje žice oko jezgre bila velika bol pa sam, nadahnut tehnologijom Tinker Toy, složio ubod iz tipla i ostatke šperploče i MDF -a. Otkrio sam da moram staviti malo vrućeg ljepila na hrastov disk jezgre zavojnice kako bih ga čvrsto držao na mjestu. Inače je došlo do previše trenja u sklopu i jezgra se ne bi pomaknula kad okrenem ručicu. Tako je uz malo više brušenja kako bi se dodatno smanjilo trenje i mrlja vrućeg ljepila šablona radila.

Korak 3: Namotajte zavojnice

Žica je posebna vrsta žice koja se naziva magnetska žica. To je vrlo fina jednožilna žica koja je presvučena tankim izolacijskim materijalom. Koristio sam 35 AWG. Vrlo je uobičajen i kao i gotovo sve ostalo možete ga nabaviti od Amazona. Spasio sam kalem koji vidite na prvoj slici iz smeća na poslu nakon događaja čišćenja laboratorija. Nisam siguran koliko ima godina, ali izgleda da je kupljen prije mnogo desetljeća. LOL.

Omotat ćemo dvije zavojnice, jednu na drugu, preko čavla u sklopu jezgre. Bitno je da obje zavojnice budu omotane u istom smjeru oko sklopa … inače neće raditi. Svaka zavojnica će imati oko 4000 omota oko nokta. Sada nije tako velika stvar ako ne završite s točno 4000 okretaja na svakoj zavojnici pa ne morate oznojiti taj detalj, ali ja sam imao bilježnicu koju sam koristio za praćenje. Trebalo je nekoliko sati da dovršim postupak omota, ali samo sam uključio nogometnu utakmicu kako bih gledao kako mi nije dosadno. Mogao sam napraviti oko 50 okreta oko nokta svaki prolaz pa bih napravio par prolaza kako bih dobio stotinu omota i to zabilježio na bilježnici i nastavio sve dok ne dođem do 4000 omota.

Evo postupka za omatanje: Počnite omatati unutarnju zavojnicu uvlačenjem 2 ili 3 inča žice u temelj hrasta. Označite kraj ove žice "1". Dovršite svojih 4000 omota i pobrinite se da završite na dnu jezgre od hrastovog dna. Prerežite žicu i ostavite oko 2 ili 3 inča dodatne duljine kako biste je mogli uvući natrag u hrastovu podlogu. Označite ovaj kraj "2". Pokrenite vanjsku zavojnicu na isti način uvlačenjem 2 ili 3 inča žice u hrastovu podlogu. Označite ovaj kraj "3". Napravite još 4000 okreta, prerežite žicu i uvucite kraj u podlogu isto kao i prije. Označite ovaj kraj "4". Slike 4 i 5 prikazuju konačni rezultat postupka omotavanja. Opet … Pazite da zamotate i unutarnju i vanjsku zavojnicu u istom smjeru !!!

Korak 4: Dovršavanje kruga

Kao što možete vidjeti na shemi, sklop je izuzetno jednostavan što ovaj uređaj čini nevjerojatno cool. Vidio sam slične projekte koji su umjesto toga koristili procesore … što je za mene kao korištenje čekića za ubijanje muhe. Ne mislim rušiti takve vrste projekata, ali samo sam veliki ljubitelj dizajna koji posao obavljaju s najnižom razinom složenosti.

Na drugoj slici igrao sam se s različitim strategijama usmjeravanja ožičenja. Vjerojatno sam od toga napravio veći posao nego što sam trebao. Postoji samo nekoliko ključnih točaka … samo ga povežite prema shemi, ali budući da će napajanje biti vanjsko od zavojnice, morate imati žice koje će se spojiti na izvor napajanja stršeći sa dna sklopa. Drugim riječima: V+ žica ide do kolektora tranzistora, a V- žica ide do žice s oznakom "2" na vašem sklopu zavojnice. Dakle, u konačnici će vaš sklop zavojnice imati pozitivan i negativan terminal. Bilo bi dobro označiti ih kao takve kad završite kako ne biste zaboravili koja je koja. Ah … skoro sam zaboravio. Morat ćete koristiti komad finog brusnog papira za uklanjanje izolacijskog premaza na magnetskoj žici prije nego što ga lemite! Radi jasnoće sheme … "Lo" je vanjska zavojnica, a "Li" unutarnja zavojnica. Također imajte na umu da sam krajeve žica zavojnice označio 1, 2, 3 i 4 kako bi odgovarali načinu na koji smo to učinili kad smo zamotali zavojnice.

Testirao sam zavojnicu prije nego što sam je posuo epoksidom … dobra stvar jer sam pogriješio! Ha, zeznuo sam se pričajući kako je sve jednostavno. Zato svakako provjerite sklop prije nego ga stavite u lonac.

Kako bih testirao dovršeni sklop, zalijepio sam magnet za rijetke zemlje na duljinu niti i objesio ga neposredno iznad glave čavla u zavojnici. Zatim priključite napajanje na zavojnicu i zamahnite magnetom pored glave nokta. Trebala bi poletjeti sama od sebe. Postoji slatko mjesto za udaljenost između magneta i glave nokta. Preblizu i pokret je trzaj … predaleko i neće uspjeti.

Posljednja slika prikazuje dovršenu zavojnicu, kao i magnet za rijetke zemlje (neodimij) koji sam koristio.

Korak 5: Komponente njihala

Nakon što sam imao dobro poznat radni dizajn zavojnice, morao sam izgraditi prototip njihala kako bih mogao procijeniti njegove karakteristike. Bilo mi je najzanimljivije saznati koliku snagu uređaj koristi, a također sam morao znati i koliki bi se luk njihalo zamahnulo jer bi to utjecalo na to kako sam nastavio sa dizajnom sata.

Spakirao sam sklop zavojnice u malu drvenu kutiju i dodao prekidač i priključak za napajanje. Kutija se uklapa u izrez na dnu osnovnog sklopa prikazanog na slici dva. Sve je odgovaralo trenju, tako da sam usput mogao prilagoditi kako bih postigao optimalne performanse. Uspravljenom na slici 3 dodala sam mjedenu cijev kako bih smanjila trenje. Koristio sam 10d čavao za iglu za povezivanje njihala s uspravnim dijelom. Na slici 5 možete vidjeti magnet za rijetke zemlje na kraju njihala. Nikada nisam pronašao ništa što bi reklo da je polaritet magneta važan. Čini se da nije važno…. što me buni jer intuitivno nekako mislim da bi trebalo. Ali nikad nisam obraćao pozornost na to i čini se da uvijek djeluje pa pretpostavljam da ne. Posljednja slika prikazuje izvor istosmjerne struje od 9 V. Trenutni kapacitet od 1 amp je pretjeran … ne mora biti blizu toga, kako sam kasnije saznao.

Korak 6: Sastavljanje njihala

Baza je komad bora debljine 2 inča. Htio sam da bude teško kako se sklop ne bi prevrnuo kad se njihalo njihalo. Iako je ovo bio prototip, ipak sam ga odlučio malo dotjerati i obrezati tankim komadima crvenog cedra. Nisam si mogao pomoći!:)

Modul zavojnice priključuje se na donju stranu baze (slika 2) i cijela je stvar okrenuta desnom stranom prema gore (slika 3). Uspravno je umetnuto u vrh baze (slika 4). Odgovara trenju. Umetnite čavao kroz mjedenu cijev u uspravnom položaju (slika 5). I na kraju pritisnite visak na čavao (posljednja slika).

Njihalo sam namjestio tako da postoji mali razmak između njega i baze.

Korak 7: Rezultati izvedbe prototipa

Ako pogledate grafikon koji sam postavio iza radnog njihala u videu, možete vidjeti da se njihalo ljulja pored srednje linije, ali ne uspijeva preći posljednju liniju. Ovo postavlja cijeli luk koji se njihalo njiše između 72 i 80 stupnjeva … Procjenjujem oko 75 stupnjeva. Ovo je vrijedna informacija kada je vrijeme za projektiranje hodnika za sat.

Također sam spojio strujnu sondu na električni vod i nadzirao potrošnju struje tijekom rada. Izuzetno mi je drago bilo saznati da je prosječno trenutno napajanje nešto više od 2 miliampera !!! Ono što je jako cool u tome je što ću moći napajati bateriju sata. Ako koristim C ćelijske baterije, dobit ću više od 5 mjeseci rada prije nego što moram zamijeniti baterije. Nije loše!

Razlog zbog kojeg sam uzbuđen zbog korištenja baterija je taj što ne želim da kabel za napajanje ide do sata odajući tajnu kako radi. Sakriću baterije u podnožje sata. Osim toga, moći ću ga staviti bilo gdje.

Korak 8: Slijedi …

Kao što vidite, bio sam zauzet sljedećim koracima dizajna sata. Opekao sam se zbog rezanja zubaca zupčanika. Bože, je li to dosadan proces. Odlučim li ikada izgraditi hrpu ovih satova vjerujem da ću uložiti u lijep CNC usmjerivač !!!

Tako sam na predahu od piljenja zubaca izrezao kazaljke i počeo raditi na okviru sata. Zasada je dobro!

Dok razmišljam o sljedećim instrukcijama u ovoj seriji, vjerujem da ću govoriti o procesu kroz koji sam prošao osmišljavajući i izrađujući zupčanike, pa ostanite pri tome.

Vidimo se onda!

Willy