Wahadło elektromagnetyczne: 8 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

W późnych latach 80-tych zdecydowałem, że chciałbym zbudować zegar w całości z drewna. W tamtym czasie nie było internetu, więc badanie było znacznie trudniejsze niż dzisiaj… chociaż udało mi się sklecić bardzo prymitywne koło i wychwyt wahadłowy. Czas pracy był ograniczony i był dość kłopotliwy, ale klikał przez kilka minut, zanim ciężar dotknie podłogi. Ograniczone były również moje zasoby… narzędzia, pieniądze, umiejętności obróbki drewna… co sprawiało, że praca nad projektem była dość frustrująca. Tak więc na razie porzucono marzenie o drewnianym zegarze. Przewiń do przodu o ponad 30 lat. Jestem teraz na emeryturze, mam wiele naprawdę świetnych narzędzi, a moje umiejętności w obróbce drewna znacznie się poprawiły. Mam również dostęp do komputerów, wspaniałego oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) oraz internetu. Więc projekt zegara jest znowu włączony. Zdecydowałem się napisać o procesie, kiedy przepracowuję projekt. Po prostu wydaje się zabawną rzeczą do zrobienia.

Początkowo chciałem zbudować zegar napędzany grawitacją i regulowany wahadełkiem. Ostatnio, gdy przypadkowo grzebałem w Internecie, natknąłem się na kolesia na wyspie Kauai, który projektuje drewniane zegary i inne rodzaje „sztuki kinetycznej”. Nazywa się Clayton Boyer. To odkrycie projektów zegarów pana Boyera zainspirowało mnie do kontynuowania własnego projektu zegara. Jeden z jego projektów, który mnie zafascynował, nazywał się „Tukan”. Wychwyt chodzący użyty na zegarze przypominał dziób ptaka o tej samej nazwie. To był fajny zegar do oglądania, a projekt był bardzo kapryśny, ale to, co ostatecznie przykuło moją uwagę, to sposób, w jaki był napędzany. Nie było ciężarków ani sprężyn. Wahadło wydawało się magicznie kołysać w tę iz powrotem bez utraty energii. Sekretem był system napędu elektromagnetycznego ukryty w podstawie zegara i magnes na końcu wahadła. Jako inżynier elektryk pomyślałem, że to było naprawdę fajne i postanowiłem dowiedzieć się, jak to wszystko działa i zbudować własną wersję Tukana pana Boyera. Dla pewności… mogłem po prostu kupić plany na zegar, ponieważ były dostępne za około 35 USD, ale gdzie jest w tym zabawa?

Po trochę więcej grzebaniu w Internecie odkryłem, że koncepcja pochodzi z początku lat sześćdziesiątych z zegarami Kundo Anniversary Clocks. Były zasilane suchą baterią i działały przez około rok, zanim trzeba było wymienić baterię (stąd nazwa, jak sądzę). Zaintrygowała mnie prostota układu napędowego. Były tam dwie cewki (jedna nawinięta na drugą), tranzystor germanowy i bateria. To wszystko! Uwielbiam proste rzeczy, które działają, a prościej się nie da. Jedna z cewek jest podłączona do wejścia bazy tranzystora, a druga cewka jest po stronie wyjściowej tranzystora szeregowo z baterią. Drugim elementem układanki był magnes zamontowany na końcu wahadła. Gdy wahadło kołysze się przez cewki, magnes indukuje prąd w cewce napędzającej bazę tranzystora. Powoduje to włączenie tranzystora i prąd płynie w obwodzie wyjściowym z akumulatora przez cewkę, która jest z nim połączona szeregowo. Istnieje również efekt transformatora, który powoduje indukowanie większej ilości prądu w cewce wejściowej do punktu nasycenia tranzystora. Maksymalna ilość prądu płynie teraz po stronie wyjściowej tranzystora, a cewka w tym obwodzie jest w pełni zasilana przez baterię, tworząc w ten sposób elektromagnes o tej samej polaryzacji, co magnes w wahadle. Czas jest taki, że pole magnetyczne generowane przez elektromagnes odpycha magnes w wahadle, gdy ten kołysze się i daje mu lekkiego kopniaka. Gdy wahadło przejdzie obok cewek, prąd przestaje płynąć w podstawie tranzystora i wyłącza się. Proces ten powtarza się za każdym razem, gdy wahadło kołysze się przez cewki… dostarczając dodatkową energię wymaganą do pokonania strat w systemie i utrzymania wszystkiego w ruchu. Schludny, co? To, co jest w tym naprawdę wspaniałe, to to, że zużywa bardzo mało energii, a bateria wytrzyma bardzo długo. Drewniane zegary napędzane sprężynami lub ciężarkami będą działać tylko przez około dzień, zanim trzeba je będzie nakręcić. Mają swój urok, ale codzienne nakręcanie zegara wydawało mi się uciążliwe. Być może kiedyś zbuduję jeden z nich (uwielbiam wychwyty Arnfielda), ale na razie będzie to elektronika zamiast grawitacji.

Tak więc pierwszym etapem tej podróży jest wymyślenie, jak zbudować elektromagnetycznie impulsowane wahadło, ponieważ będzie ono nie tylko regulować zegar, ale także będzie napędzać go silnikiem. Ostatecznie, oprócz tego samouczka o wahadle, opublikuję kilka samouczków dotyczących ogólnego projektowania mechanizmu zegarowego, projektowania przekładni, konstrukcji ramy, a następnie połączę je w całość, aby stworzyć działający zegar. Więc zapnij… oto idziemy z procesem projektowania wahadła…

Kieszonkowe dzieci

Głównym elementem wahadła impulsowanego elektromagnetycznie jest obwód cewki. Użyłem zwykłego gwoździa 10d (dostępnego w przeciętnym sklepie z narzędziami) jako rdzenia ferrytowego. Okablowanie cewek to drut magnetyczny 35 AWG. Jest to bardzo cienki drut pokryty cienkim nieprzewodzącym materiałem. Tranzystor bipolarny 2N4401 NPN służy do sterowania przepływem prądu przez obwód. Taśma kaptonowa pokrywa gwóźdź i gotowy rdzeń, ale można użyć praktycznie każdego rodzaju taśmy. Zaślepki cewki to 1/16-calowy arkusz akrylowy, a także cylindryczny kawałek dębu, w którym mieści się okablowanie tranzystora i cewki. W pozostałej części prototypowego zestawu użyto różnych kawałków i kawałków drewna, a także prętów ustalających o różnych średnicach. Uwielbiam pracować z kołkami… przypomina mi jedną z moich ulubionych zabawek z dzieciństwa… Tinker Toys! Uważam, że całkiem dobrze nadają się do tworzenia prototypów. Zasilacz to wtykowy moduł ścienny, który przekształca prąd przemienny 110 na 9 woltów prądu stałego. Ostatecznie zegar będzie zasilany bateryjnie, ale na razie moduł wtykowy jest bardzo wygodny i spójny. Innym kluczowym elementem jest magnes neodymowy osadzony na końcu wahadła. Magnes, którego użyłem, ma średnicę 1/2 cala i grubość ćwierć cala.

Krok 1: Montaż rdzenia cewki

Kiedy prowadziłem badania nad cewką, natknąłem się na forum naprawy zegarów, gdzie jeden z wątków omawiał szczegóły konstrukcji cewki. Mieli kilka świetnych zdjęć, które podsunęły mi pomysł, jak ukryć tranzystor i związane z nim okablowanie w podstawie cewki. Kolejnym kluczowym szczegółem było to, że wspomnieli o cewkach zawierających 4000 zwojów. Wow, to brzmiało jak dużo i stworzyło trochę obawy w głębi mojego umysłu, jak rozsądne będzie owinięcie cewki, ale mimo to naciskałem.

Pomyślałem o tym, jak duży powinien być gotowy zwój i osiadłem na cala średnicy i cala i ćwierć długości. Wyciąłem koła o średnicy 1 cala z arkusza akrylowego 1/16 cala, aby użyć ich na zaślepki i kolejny dysk o średnicy 1 cala z kawałka dębu o grubości 1/2 cala na podstawę. Wyfrezowałem ćwierć cala kanał w dębowym dysku oraz wywierciłem otwór o średnicy 3/16 cala na tranzystor. Wywierciłem też małe otwory, aby móc poprowadzić okablowanie do kanału w podstawie. Zobacz zdjęcia po szczegóły. Początkowo wyciąłem kawałek z dolnego kawałka akrylu, aby ułatwić wprowadzenie przewodów do podstawy. Z perspektywy czasu powinienem był po prostu wywiercić małe otwory, aby pasowały do tych w podstawie. Ale nic wielkiego. Wywiercono również otwory w kawałkach akrylu i kawałku dębu, aby ściśle przylegały do paznokcia. Montaż przebiegał następująco: Nałożyć na paznokieć nienacięty krążek akrylowy. Owiń paznokieć kawałkiem taśmy o grubości 1-1/4 cala, jak pokazano, a następnie dodaj nacięty krążek acylowy. Nałożyłem żywicę epoksydową na krążek dębowy, a następnie wsunąłem go na paznokieć tak, aby był przyklejony do krążka akrylowego.

Zanim przeszedłem do procesu owijania cewek, wykonałem kilka szybkich i brudnych obliczeń, aby z grubsza zorientować się, jak duże będzie gotowe okablowanie i opór elektryczny dwóch cewek. Okazało się, że będę w stanie zmieścić cały drut na moim zespole rdzenia, więc byłem szczęśliwy.

Krok 2: Przyrząd do nawijania cewki

Zdecydowałem, że ręczne owijanie drutu wokół rdzenia będzie ogromnym bólem, więc zainspirowany technologią Tinker Toy skleiłem przyrząd z kołków i kawałków sklejki i płyty MDF. Odkryłem, że muszę nałożyć odrobinę gorącego kleju na dębowy krążek rdzenia cewki, aby dobrze go trzymać. W przeciwnym razie w zespole było trochę za duże tarcie i rdzeń nie poruszałby się, gdy obracałem korbą. Tak więc przy odrobinie szlifowania w celu dalszego zmniejszenia tarcia i odrobinie gorącego kleju przyrząd był gotowy do pracy.

Krok 3: Nawijanie cewek

Drut jest specjalnym rodzajem drutu zwanym drutem magnetycznym. Jest to bardzo cienki drut jednożyłowy pokryty cienkim materiałem izolacyjnym. Użyłem 35 AWG. Jest to bardzo powszechne i podobnie jak wszystko inne, co można uzyskać od Amazon. Uratowałem szpulę, którą widzisz na pierwszym zdjęciu, ze śmieci w pracy po sprzątaniu w laboratorium. Nie jestem pewien, ile ma lat, ale wygląda na to, że został zakupiony wiele dekad temu. KUPA ŚMIECHU.

Będziemy owijać dwie cewki, jedną na drugiej, na gwoździu w zespole rdzenia. Istotne jest, aby obie cewki były owinięte wokół zespołu w tym samym kierunku… w przeciwnym razie nie zadziała. Każda cewka będzie miała około 4000 owinięć wokół paznokcia. Teraz nie jest to wielka sprawa, jeśli nie skończysz z dokładnie 4000 zwojami na każdej cewce, więc nie musisz się nad tym zastanawiać, ale miałem notatnik, którego używałem do śledzenia. Ukończenie procesu pakowania zajęło kilka godzin, ale właśnie włączyłem mecz piłki nożnej do obejrzenia, więc się nie nudziłem. Mogłem wykonać około 50 obrotów wokół gwoździa przy każdym przejściu, więc wykonałem kilka przejść, aby uzyskać sto owinięć i zanotowałem to w notesie i kontynuowałem, aż doszedłem do 4000 owinięć.

Oto proces owijania: Zacznij owijać wewnętrzną cewkę, nawlekając 2 lub 3 cale drutu w dębową podstawę. Oznacz koniec tego przewodu „1”. Zakończ swoje 4000 owinięć i upewnij się, że wylądujesz z powrotem na dębowym końcu rdzenia. Przetnij drut i zostaw około 2 lub 3 cale dodatkowej długości, aby można było wciągnąć go z powrotem do dębowej podstawy. Oznacz ten koniec „2”. Rozpocznij zewnętrzną cewkę w ten sam sposób, nawlekając 2 lub 3 cale drutu w dębową podstawę. Oznacz ten koniec „3”. Wykonaj kolejne 4000 obrotów, przetnij drut i włóż koniec do podstawy tak samo jak poprzednio. Oznacz ten koniec „4”. Zdjęcia 4 i 5 przedstawiają efekt końcowy procesu owijania. Znowu… Upewnij się, że owijasz zarówno wewnętrzną, jak i zewnętrzną cewkę w tym samym kierunku!!!

Krok 4: Ukończenie obwodu

Jak widać na schemacie, obwód jest niezwykle prosty, co czyni to urządzenie niesamowicie fajnym. Widziałem podobne projekty, które zamiast tego używały procesorów… co dla mnie jest jak użycie młota do zabicia muchy. Nie mam zamiaru odrzucać tego typu projektów, ale jestem po prostu wielkim fanem projektów, które wykonują pracę z najniższym poziomem złożoności.

Na drugim zdjęciu bawiłem się różnymi strategiami routingu dla okablowania. Prawdopodobnie zrobiłem z tego więcej, niż powinienem. Jest tylko kilka kluczowych punktów… po prostu podłącz go jak na schemacie, ale ponieważ zasilacz będzie znajdował się na zewnątrz zespołu cewki, musisz mieć przewody, które połączą się ze źródłem zasilania wystającymi na dole zespołu. Innymi słowy: przewód V+ idzie do kolektora tranzystora, a przewód V- do przewodu oznaczonego „2” na zespole cewki. Podsumowując, twój zespół cewki będzie miał zacisk dodatni i ujemny. Dobrym pomysłem jest oznaczenie ich jako takich po zakończeniu, aby nie zapomnieć, który z nich jest który. Ach… prawie zapomniałem. Będziesz musiał użyć kawałka drobnego papieru ściernego, aby usunąć powłokę izolacyjną z drutu magnetycznego przed jego lutowaniem! Dla jasności schematu… „Lo” to zewnętrzna cewka, a „Li” to wewnętrzna cewka, a także pamiętaj, że oznaczyłem końce przewodów cewki 1, 2, 3 i 4, aby pasowały do tego, jak to zrobiliśmy kiedy owinęliśmy cewki.

Przetestowałem cewkę, zanim zalałem ją żywicą epoksydową… dobrze, ponieważ popełniłem błąd! Ha, pechowałem się mówiąc o tym, jakie to wszystko było proste. Dlatego upewnij się, że przetestowałeś swój zespół przed zalaniem go.

Aby przetestować gotowy montaż, przykleiłem magnes ziem rzadkich do długości nici i zwisałem tuż nad główką gwoździa w cewce. Następnie podłącz zasilanie do cewki i przesuń magnes obok główki gwoździa. Powinien wystartować sam. Odległość między magnesem a główką gwoździa jest idealna. Za blisko i ruch jest nierówny… za daleko i nie zadziała.

Ostatnie zdjęcie pokazuje ukończoną cewkę oraz użyty przeze mnie magnes ziem rzadkich (neodymowy).

Krok 5: Elementy wahadła

Kiedy już miałem znany dobrze działający projekt zespołu cewki, musiałem zbudować prototypowe wahadło, aby móc ocenić jego charakterystykę działania. Byłem najbardziej ciekaw, ile mocy zużywa urządzenie, a także musiałem wiedzieć, jak wielki łuk będzie się kołysał wahadło, ponieważ wpłynęłoby to na sposób, w jaki postępowałem z moim zegarem.

Spakowałem zespół cewki do małego drewnianego pudełka i dodałem przełącznik oraz złącze zasilania. Pudełko mieści się w wycięciu na spodzie podstawy, pokazanym na zdjęciu drugim. Wszystko było pasowane na wcisk, dzięki czemu mogłem dokonywać korekt po drodze, aby uzyskać optymalną wydajność. Do kolumny na zdjęciu 3 dodałem mosiężną rurkę, aby zmniejszyć tarcie. Użyłem gwoździa 10d do szpilki, aby połączyć wahadło z pionowym elementem. Na zdjęciu 5 widać magnes ziem rzadkich na końcu wahadła. Nigdy nie znalazłem niczego, co mówiłoby, że polaryzacja magnesu jest ważna. Wydaje się, że to nie ma znaczenia…. co mnie wkurza, ponieważ intuicyjnie jakoś uważam, że powinno. Ale nigdy nie zwracałem na to uwagi i zawsze wydaje się działać, więc chyba nie. Ostatnie zdjęcie pokazuje źródło zasilania 9 V DC. Wydajność prądowa 1 A jest przesadna… nie musi być blisko tej, jak się później dowiedziałem.

Krok 6: Montaż wahadła

Podstawa to kawałek sosny o grubości dwóch cali. Chciałem, żeby był ciężki, żeby nie przewrócił się, gdy wahadło się kołysze. Mimo że był to prototyp, postanowiłem go trochę ubrać i przyciąć cienkimi kawałkami czerwonego cedru. Nie mogłem się powstrzymać!:)

Moduł cewki podłącza się do spodu podstawy (zdjęcie 2) i całość jest odwrócona prawą stroną do góry (zdjęcie 3). Wspornik wkłada się w górę podstawy (rysunek 4). Jest to pasowanie na wcisk. Włóż gwóźdź przez mosiężną rurkę w stojaku (rysunek 5). I na koniec wciśnij wahadełko na gwóźdź (zdjęcie końcowe).

Wyregulowałem wahadło tak, aby między nim a podstawą była niewielka szczelina.

Krok 7: Wyniki wydajności prototypu

Patrząc na wykres, który umieściłem za wahadłem roboczym na filmie, możesz zobaczyć, że wahadło przeskakuje poza środkową linię, ale nie do końca przechodzi poza ostatnią linię. W ten sposób cały łuk wahadła waha się między 72 a 80 stopni… Szacuję około 75 stopni. To cenna informacja, gdy nadchodzi czas na zaprojektowanie wybiegu spacerowego na zegar.

Podłączyłem też sondę prądową do linii energetycznej i monitorowałem pobór prądu podczas pracy. Byłem niezmiernie zadowolony, gdy dowiedziałem się, że średni pobór prądu wynosi nieco ponad 2 miliampery!!! Co jest w tym naprawdę fajne, to że będę mógł zasilać zegar z baterii. Jeśli używam baterii typu C, będę miał ponad 5 miesięcy czasu pracy, zanim będę musiał wymienić baterie. Nieźle!

Powodem, dla którego jestem podekscytowany używaniem baterii, jest to, że nie chcę, aby kabel zasilający podłączony do zegara zdradzał tajemnicę jego działania. Baterie ukryję w podstawie zegara. Poza tym będę mógł go umieścić w dowolnym miejscu.

Krok 8: Następny…

Jak widać, byłem zajęty kolejnymi etapami projektowania mojego zegara. Wypaliłem się podczas wycinania zębów kół zębatych. O mój Boże, to żmudny proces. Jeśli kiedykolwiek zdecyduję się zbudować kilka takich zegarów, wierzę, że zainwestuję w fajny router CNC!!!

Więc w przerwie od wycinania zębów kół zębatych wyciąłem wskazówki i zacząłem pracować nad ramą zegara. Jak na razie dobrze!

Gdy myślę o następnej instrukcji z tej serii, wierzę, że opowiem o procesie, przez który przeszedłem, aby zaprojektować i zbudować koła zębate, więc bądź przy tym.

Do zobaczenia!

Willy