Elektromagnetické kyvadlo: 8 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Koncom osemdesiatych rokov som sa rozhodol, že by som chcel postaviť hodiny úplne z dreva. V tej dobe neexistoval internet, takže bolo oveľa ťažšie robiť výskum ako dnes … aj keď sa mi podarilo skĺbiť veľmi hrubý únik kolesa a kyvadla. Čas chodu bol obmedzený a bol dosť neistý, ale cvakol niekoľko minút, kým sa hmotnosť dotkla podlahy. Obmedzené boli aj moje zdroje … nástroje, peniaze, zručnosti pri práci s drevom …, vďaka ktorým bola práca na projekte dosť frustrujúca. Na čas sa teda sen o drevených hodinách upustil. Pretočte dopredu o 30 a viac rokov. Teraz som na dôchodku, mám veľa skutočne skvelých nástrojov a moje zručnosti pri práci s drevom sa dramaticky zlepšili. Mám tiež prístup k počítačom, úžasnému počítačovému softvéru (CAD) a internetu. Projekt hodín je teda opäť zapnutý. Rozhodol som sa napísať o tomto procese, keď sa prechádzam dizajnom. Zdá sa, že je to zábavná vec.

Pôvodne som chcel postaviť hodiny, ktoré boli poháňané gravitáciou a regulované kyvadlom. Nedávno, keď som náhodne kopal na internete, som stretol chlapíka na ostrove Kauai, ktorý navrhuje drevené hodiny a iné druhy „kinetického umenia“. Volá sa Clayton Boyer. Bol to objav návrhov hodín pána Boyera, ktoré ma inšpirovali pokračovať vo vlastnom hodinovom projekte. Jeden z jeho návrhov, ktorý ma fascinoval, sa nazýval „Tukan“. Chodiaci únik použitý na hodinách pripomínal účet vtáka s rovnakým názvom. Bolo zábavné sledovať hodiny a dizajn bol veľmi rozmarný, ale to, čo ma v konečnom dôsledku upútalo, bolo to, ako boli poháňané. Neexistovali žiadne závažia ani pružiny. Zdá sa, že kyvadlo sa magicky hojdalo sem a tam bez straty energie. Tajomstvom bol elektromagnetický pohon ukrytý v spodnej časti hodín a magnet na konci kyvadla. Ako elektrotechnik som si myslel, že je to naozaj úžasné, a rozhodol som sa zistiť, ako to všetko funguje, a postaviť si vlastnú verziu Toucan pána Boyera. Aby som si bol istý … mohol som si práve kúpiť plány hodín, pretože boli k dispozícii za zhruba 35 dolárov, ale kde je v tom zábava?

Po trochu dlhšom prehrabávaní sa na internete som zistil, že tento koncept sa datuje do začiatku šesťdesiatych rokov minulého storočia hodinami Kundo Anniversary Clocks. Boli napájané batériou zo suchých článkov a vydržali by zhruba jeden rok, než budete musieť batériu vymeniť (predpokladám teda názov). Zaujala ma jednoduchosť obvodu pohonu. Existovali dve cievky (jedna navinutá na druhú), germániový tranzistor a batéria. To je všetko! Mám rád jednoduché veci, ktoré fungujú, a toto už nemôže byť jednoduchšie. Jedna z cievok je pripojená k základňovému vstupu tranzistora a druhá cievka je na výstupnej strane tranzistora v sérii s batériou. Druhým dielom skladačky bol magnet upevnený na konci kyvadla. Keď sa kyvadlo otáča cievkami, magnet indukuje prúd v cievke, ktorý poháňa základňu tranzistora. To spôsobí zapnutie tranzistora a prúd prúdi vo výstupnom obvode z batérie cez cievku, ktorá je s ním v sérii. Existuje tiež transformátorový efekt, ktorý spôsobuje, že vo vstupnej cievke je indukovaný väčší prúd do bodu, kde je tranzistor nasýtený. Na výstupnej strane tranzistora teraz prúdi maximálne množstvo prúdu a cievka v tomto obvode je úplne napájaná batériou, čím sa vytvára elektromagnet s rovnakou polaritou ako magnet v kyvadle. Načasovanie je také, že magnetické pole generované elektromagnetom odpudzuje magnet v kyvadle pri jeho otáčaní a dáva mu malý úder. Akonáhle sa kyvadlo pohybuje okolo cievok, prúd prestane prúdiť v spodnej časti tranzistora a vypne sa. Tento proces sa opakuje zakaždým, keď sa kyvadlo pohne cievkami … dodáva dodatočnú energiu potrebnú na prekonanie strát v systéme a udržuje všetko v pohybe. Úhľadné čo? Skutočne skvelé na tom je, že spotrebuje veľmi málo energie a batéria vydrží veľa. Drevené hodiny poháňané pružinami alebo závažiami budú fungovať asi jeden deň, kým sa budú musieť previnúť. Majú svoju príťažlivosť, ale každodenné stáčanie hodín sa mi zdalo ako bolesť. Ešte stále môžem jedného z nich postaviť (milujem úteky Arnfielda), ale zatiaľ to bude namiesto gravitácie elektronika.

Prvá časť tejto cesty je teda zistiť, ako zostrojiť elektromagneticky impulzné kyvadlo, pretože to bude nielen regulovať hodiny, ale aj motor, ktorý ich poháňa. Nakoniec okrem tohto tutoriálu o kyvadle uverejním aj niekoľko tutoriálov, ktoré sa zaoberajú návrhom hodinového strojčeka vo všeobecnosti, dizajnom prevodov, rámovej konštrukcie, a potom to všetko spojím a dokončím pracovné hodiny. Takže pripútajte sa … tu ideme na proces návrhu kyvadla …

Zásoby

Hlavnou súčasťou elektromagneticky impulzného kyvadla je obvod cievky. Ako feritové jadro som použil 10d bežný klinec (dostupný vo vašom priemernom železiarstve). Zapojenie cievok je magnetický drôt 35 AWG. Jedná sa o veľmi jemný drôt potiahnutý tenkým nevodivým materiálom. Na riadenie toku prúdu obvodom sa používa bipolárny tranzistor 2N4401 NPN. Kaptonová páska pokrýva klinec a dokončené jadro, ale môžete použiť takmer akýkoľvek druh pásky. Koncové krytky cievky sú akrylátový plech 1/16 palca a valcový kus duba, do ktorého je vložené vedenie tranzistora a cievky. Na zvyšok prototypovej zostavy boli použité rôzne kúsky a kúsky šrotu spolu s hmoždinkami v niekoľkých priemeroch. Milujem prácu s hmoždinkami … pripomína mi to jednu z mojich obľúbených hračiek z detstva … Tinker Toys! Zistil som, že sa celkom dobre hodia na vývoj prototypov. Napájací zdroj je zásuvkový nástenný modul, ktorý prevádza striedavý prúd 110 na 9 voltov. Nakoniec budú hodiny napájané batériou, ale zatiaľ je zásuvný modul veľmi pohodlný a konzistentný. Ďalšou kľúčovou súčasťou je neodýmový magnet, ktorý je uložený na konci kyvadla. Magnet, ktorý som použil, má priemer 1/2 palca a hrúbku štvrť palca.

Krok 1: Zostava jadra cievky

Keď som robil svoj výskum cievky, prešiel som cez fórum na opravu hodín, kde jedno z vlákien diskutovalo o podrobnostiach o návrhu cievky. Mali niekoľko skvelých obrázkov, ktoré mi poskytli predstavu o tom, ako skryť tranzistor a súvisiace vedenie v spodnej časti cievky. Ďalším kľúčovým detailom bolo, že spomenuli cievky obsahujúce 4000 závitov. Wow, to znelo ako veľa a v zadnej časti mojej mysli to vyvolalo určité znepokojenie nad tým, ako rozumné bude zabalenie cievky, ale napriek tomu som na to tlačil.

Zamyslel som sa nad tým, ako veľkú chcem mať hotovú cievku, a usadil som sa na palcovom priemere a palcovom a štvrtinovom. Vyrezal som kruhy s priemerom 1 palec z akrylového plechu 1/16 palca, ktoré použijem na koncové kryty, a ďalší kotúč s priemerom 1 palec z 1/2 palca hrubého kusa duba ako základne. Vyfrézoval som štvrťpalcový kanál v dubovom kotúči a navŕtal som otvor s priemerom 3/16 palca, do ktorého sa zmestí tranzistor. Tiež som vyvŕtal malé otvory, aby som mohol viesť káble do kanála v základni. Podrobnosti nájdete na obrázkoch. Spočiatku som zo spodného akrylového kusu vystrihol časť, aby som uľahčil vedenie drôtov do základne. Pri spätnom pohľade som mal práve vyvŕtať malé otvory, aby zodpovedali tým v základni. Ale žiadny veľký problém. Do akrylových kúskov boli tiež vyvŕtané otvory a dubový kus, aby dobre priliehal na necht. Montáž bola nasledovná: Umiestnite akrylový kotúč s vrúbkovaním na klinec. Omotajte 1-1/4 palcový kus pásky okolo nechtu, ako je znázornené na obrázku, a potom pridajte ozubený acylický disk. Na dubový kotúč som naniesol epoxid a potom som ho navliekol na klinec tak, aby bol spojený s akrylovým kotúčom.

Predtým, ako som prešiel k procesu obaľovania cievok, som urobil niekoľko rýchlych a špinavých výpočtov, aby som získal hrubú predstavu o tom, aké veľké bude hotové vedenie a elektrický odpor dvoch cievok. Ukázalo sa, že by som dokázal namontovať všetok drôt na svoju jadrovú zostavu, takže som bol šťastný.

Krok 2: Prípravok na navíjanie cievky

Rozhodol som sa, že zabaliť drôt okolo jadra úplne ručne by bola obrovská bolesť, a tak som sa inšpiroval technológiou Tinker Toy, aby som dláždil prípravok z hmoždiniek a zvyškov preglejky a MDF. Zistil som, že musím na dubový kotúč jadra cievky naniesť kvapku horúceho lepidla, aby pevne držal na svojom mieste. V opačnom prípade bolo v zostave trochu príliš veľké trenie a jadro sa nepohlo, keď som otočil kľukou. S trochou ďalšieho brúsenia na ďalšie zníženie trenia a kvapky horúceho lepidla bol prípravok funkčný.

Krok 3: Navíjanie cievok

Drôt je špeciálny druh drôtu nazývaného magnetický drôt. Je to veľmi jemný jednovláknový drôt, ktorý je potiahnutý tenkým izolačným materiálom. Použil som 35 AWG. Je to veľmi bežné a rovnako ako všetko ostatné ho môžete získať z Amazonu. Cievku, ktorú vidíte na prvom obrázku, som zachránil z koša v práci po udalosti čistenia v laboratóriu. Nie ste si istí, ako starý je, ale zdá sa, že bol zakúpený pred mnohými desaťročiami. LOL.

Dve cievky, jednu na druhú, zabalíme cez klinec v zostave jadra. Je nevyhnutné, aby boli obe cievky zabalené v rovnakom smere okolo zostavy … inak to nebude fungovať. Každá cievka bude mať približne 4 000 omotaní okolo nechtu. Teraz to nie je také veľké riešenie, ak neskončíte s presne 4000 otáčkami na každej cievke, takže nebudete musieť potiť tento detail, ale mal som poznámkový blok, ktorý som používal na sledovanie. Dokončenie baliaceho procesu trvalo niekoľko hodín, ale zapol som si futbalový zápas, aby som sa nenudil. Pri každom prechode som mohol urobiť asi 50 otáčok okolo klinca, takže by som urobil pár prechodov, aby som dostal sto zábalov, a poznamenal som si to na svojom poznámkovom bloku. Pokračoval som, kým som sa nedostal k 4000 zábalom.

Tu je postup zabalenia: Začnite omotávať vnútornú cievku navlečením 2 alebo 3 palcov drôtu do dubového základného kusu. Označte koniec tohto drôtu „1“. Dokončite 4 000 zábalov a uistite sa, že skončíte späť na dubovom konci jadra. Odrežte drôt a nechajte asi 2 alebo 3 palce ďalšej dĺžky, aby ste ho mohli prevliecť späť do dubového podkladu. Označte tento koniec „2“. Začnite vonkajšiu cievku rovnakým spôsobom navlečením 2 alebo 3 palcov drôtu do dubovej základne. Označte tento koniec „3“. Vykonajte ďalších 4000 otáčok, odstrihnite drôt a koniec navlečte do základne rovnako ako predtým. Označte tento koniec „4“. Obrázky 4 a 5 ukazujú konečný výsledok procesu balenia. Opäť … Dajte si sakra záležať na tom, aby ste vnútornú aj vonkajšiu cievku obalili rovnakým smerom !!!

Krok 4: Dokončenie obvodu

Ako môžete na schéme vidieť, obvod je veľmi jednoduchý, vďaka čomu je toto zariadenie tak neuveriteľne chladné. Videl som podobné projekty, ktoré namiesto toho používali procesory … čo je pre mňa niečo ako použitie sánky na zabitie muchy. Nechcem zaklopať na tieto typy projektov, ale som naozaj veľký fanúšik návrhov, ktoré svoju prácu vykonávajú s najnižšou náročnosťou.

Na druhom obrázku som sa pohrával s rôznymi stratégiami smerovania zapojenia. Pravdepodobne som z toho urobil väčšiu zmluvu, ako by som mal. Existuje iba niekoľko kľúčových bodov … jednoducho ich zapojte podľa schémy, ale pretože napájací zdroj bude mimo zostavy cievky, musíte mať káble, ktoré sa budú pripájať k zdroju energie, vyčnievajúce zo spodnej časti zostavy. Inými slovami: Drôt V+ ide do kolektora tranzistora a V-vodič prechádza k drôtu označenému „2“na zostave vašej cievky. Takže v konečnom dôsledku bude mať vaša zostava cievky kladný a záporný pól. Keď skončíte, je dobré ich takto označiť, aby ste nezabudli, ktorý je ktorý. Ach … skoro som zabudol. Pred spájkovaním magnetického drôtu budete musieť odstrániť kus izolačného povlaku kusom jemného brúsneho papiera! Pre prehľadnosť schémy … „Lo“je vonkajšia cievka a „Li“je vnútorná cievka, a tiež berte na vedomie, že konce vodičov cievky 1, 2, 3 a 4 som označil tak, aby zodpovedali tomu, ako sme to urobili. keď sme zabalili cievky.

Testoval som cievku predtým, ako som ju zalial epoxidom … dobrá vec, pretože som urobil chybu! Ha, premával som sa tým, že som hovoril o tom, aké jednoduché bolo všetko. Uistite sa teda, že si svoju zostavu pred zalievaním vyskúšate.

Aby som otestoval dokončenú zostavu, prilepil som magnet vzácnych zemín na dĺžku závitu a zavesil som ho tesne nad hlavu klinca v cievke. Potom pripojte napájanie k cievke a otočte magnetom okolo hlavy klinca. Malo by to vzlietnuť samo. Medzi vzdialenosťou magnetu a hlavy klinca existuje sladké miesto. Príliš blízko a pohyb je trhaný … príliš ďaleko a nebude fungovať.

Posledný obrázok ukazuje dokončenú cievku a magnet vzácnych zemín (neodym), ktorý som použil.

Krok 5: Súčasti kyvadla

Keď som mal dobre známy fungujúci návrh zostavy cievky, potreboval som postaviť prototyp kyvadla, aby som mohol posúdiť jeho výkonové charakteristiky. Najviac ma zaujímalo, koľko energie zariadenie spotrebuje, a tiež som potreboval vedieť, aký veľký oblúk sa kyvadlo bude hojdať, pretože to bude mať vplyv na to, ako som postupoval pri návrhu hodín.

Zbalil som svoju zostavu cievky do malej drevenej škatule a pridal som vypínač a napájacie pripojenie. Krabica sa zmestila do výrezu v spodnej časti zostavy základne zobrazeného na obrázku dva. Všetko do seba zapadalo, aby som mohol na ceste vykonávať optimálne výkony. Na zvislú tyč na obrázku 3 som pridal mosadznú trubicu, aby som pomohol znížiť trenie. Na spájanie kyvadla so vzpriameným kusom som použil 10d klinček na čap. Na obrázku 5 môžete vidieť magnet vzácnych zemín na konci kyvadla. Nikdy som nenašiel nič, čo by hovorilo, že polarita magnetu je dôležitá. Zdá sa, že to nie je dôležité …. čo ma to štve, pretože si intuitívne akosi myslím, že by to malo byť. Nikdy som tomu však nevenoval pozornosť a zdá sa, že to vždy funguje, takže asi nie. Posledný obrázok zobrazuje 9voltový zdroj jednosmerného prúdu. Súčasná kapacita 1 ampér je nadmerná … nemusí to byť ani zďaleka také blízke, ako som neskôr zistil.

Krok 6: Zostavenie kyvadla

Základom je dva palce hrubý kus borovice. Chcel som, aby bol ťažký, aby sa zostava neprevrhla, keď sa kyvadlo kývalo. Aj keď to bol prototyp, stále som sa rozhodol trochu ho obliecť a orezať tenkými kúskami červeného cédra. Nemohol som si pomôcť!:)

Modul cievky sa zapojí do spodnej strany základne (obrázok 2) a celé sa preklopí pravou stranou nahor (obrázok 3). Stojan je vložený do hornej časti základne (obrázok 4). Je to trecie fit. Vsuňte klinec cez mosadznú rúrku vo zvislej polohe (obrázok 5). A nakoniec pritlačte kyvadlo na klinec (konečný obrázok).

Kyvadlo som upravil tak, aby medzi ním a základňou bola malá medzera.

Krok 7: Výsledky výkonnosti prototypu

Keď sa pozriete na graf, ktorý som umiestnil za pracovné kyvadlo vo videu, vidíte, že kyvadlo sa otáča za strednou čiarou, ale nie celkom za posledný riadok. Tým sa celý oblúk, v ktorom sa kyvadlo pohybuje, pohybuje medzi 72 a 80 stupňami … Odhadujem okolo 75 stupňov. Toto je cenná informácia, keď je čas navrhnúť kráčajúci únik pre hodiny.

Pripojil som tiež prúdovú sondu k elektrickému vedeniu a monitoroval odber prúdu počas prevádzky. Nesmierne ma potešilo, keď som zistil, že priemerný aktuálny odber bol niečo cez 2 mili-ampéry !!! Čo je na tom skutočne úžasné, budem môcť hodiny napájať z batérie. Ak použijem batérie typu C, vydržím viac ako 5 mesiacov prevádzky, než ich budem musieť vymeniť. Nie príliš zlé!

Dôvod, prečo som nadšený z používania batérií, je ten, že nechcem, aby napájací kábel bežal k hodinám a odhalil tajomstvo jeho fungovania. Batérie skryjem v spodnej časti hodín. Navyše ho budem môcť dať kdekoľvek.

Krok 8: Pripravujeme sa …

Ako vidíte, bol som zaneprázdnený ďalšími krokmi k návrhu hodín. Pri prerezávaní zubov ozubeného kolesa som sa popálil. Bože, to je únavný proces. Ak sa niekedy rozhodnem postaviť veľa týchto hodín, verím, že budem investovať do pekného CNC routera !!!

Takže keď som si dal pauzu od pílenia zubov prevodu, vyrezal som ruky a začal pracovať na ráme hodín. Zatiaľ je všetko dobré!

Keď premýšľam pred ďalším pokynom v tejto sérii, verím, že budem hovoriť o procese, ktorým som prešiel pri navrhovaní a stavaní ozubených kolies, takže na ňom stojte.

Vidíme sa potom!

Willy