Elektromagnetno klatno: 8 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Krajem 1980 -ih odlučio sam da želim 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 točak i izlaz klatna. Vrijeme izvođenja bilo je ograničeno i prilično škrto, ali bi kliknulo nekoliko minuta prije nego što bi težina dodirnula pod. Takođe su bili ograničeni moji resursi … alati, novac, vještine obrade drveta … što je rad na projektu učinilo prilično frustrirajućim. Tako je neko vrijeme san o drvenim satovima bio napušten. Brzo napred 30 i više godina. Sada sam u penziji, imam puno zaista sjajnih alata, a moje vještine obrade drveta su se dramatično poboljšale. Takođe imam pristup računarima, neverovatnom softveru za projektovanje pomoću računara (CAD) i internetu. Tako da se projekat satova ponovo pokrenuo. Odlučio sam pisati o procesu dok se probijam kroz dizajn. Čini se da je to zabavna stvar.

U početku sam htio izgraditi sat koji je pokretao gravitacija i regulirao klatno. Nedavno sam, dok sam nasumično kopao po internetu, naišao na momka 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 je korišten na satu ličio je na istoimeni ptičji račun. Bio je to zabavan sat za gledanje i dizajn je bio vrlo hirovit, ali ono što mi je na kraju privuklo pažnju je kako se vozi. Nije bilo utega niti opruga. Činilo se da se klatno magično ljulja naprijed -natrag bez gubitka energije. Tajna je bio sistem elektromagnetnog pogona skriven u dnu sata i magnet na kraju klatna. Kao inženjer elektrotehnike mislio sam da je ovo 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 dolara, ali gdje je tu zabava?

Nakon malo dubljeg kopanja po internetu otkrio sam da koncept datira iz ranih 1960 -ih sa satovima Kundo Anniversary. Napajali su se suhom ćelijskom baterijom i radili bi otprilike godinu dana prije nego što ste morali promijeniti bateriju (pretpostavljam i naziv). Zaintrigirala me jednostavnost pogonskog kruga. Postojale su dvije zavojnice (jedna namotana jedna na drugu), tranzistor od germanija 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 klatna. 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 se tranzistor zasićuje. Maksimalna količina struje sada teče na izlaznoj strani tranzistora, a zavojnica u tom krugu se potpuno napaja baterijom stvarajući tako elektromagnet istog polariteta kao i magnet u njihalu. Tajming je takav da magnetsko polje koje stvara elektromagnet odbija magnet u njihalu dok se njiše i daje mu mali udarac. Kada klatno krene pored zavojnica, struja prestaje teći u podnožju tranzistora i on se isključuje. Ovaj proces se ponavlja svaki put kad se njihalo njiše zavojnicama … dostavljajući dodatnu energiju potrebnu za prevladavanje gubitaka u sistemu i držeći sve u pokretu. Uredno a? 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. Oni imaju svoju privlačnost, ali meni je svaki dan navijanje sata izgledalo kao bol. Možda ću jednog dana ipak napraviti jedno od ovih (volim Arnfieldove bijege), ali zasad će to biti elektronika umjesto gravitacije.

Dakle, prvi korak ovog putovanja je shvatiti kako izgraditi elektromagnetski impulsno njihalo jer to neće samo regulirati sat, već će biti i motor koji ga pokreće. Konačno, pored ovog vodiča o klatnu, objaviću brojne vodiče koji se bave dizajnom satne općenito, dizajnom zupčanika, konstrukcijom okvira, a zatim sve to sastaviti da dovršim radni sat. Zato vežite … evo idemo s procesom projektiranja klatna …

Supplies

Glavna komponenta klatna s elektromagnetnim impulsom je krug zavojnice. Koristio sam 10d uobičajeni ekser (dostupan u vašoj prosječnoj željezariji) kao feritno jezgro. Ožičenje zavojnica je magnetska žica od 35 AWG. Ovo je vrlo fina žica presvučena tankim neprovodnim materijalom. 2N4401 NPN bipolarni tranzistor koristi se za kontrolu protoka struje kroz kolo. Kapton traka pokriva ekser i završeno jezgro, ali možete koristiti gotovo bilo koju vrstu trake. Završne kape zavojnice su akrilne ploče promjera 1/16 inča, kao i cilindrični komad hrasta za smještaj ožičenja tranzistora i zavojnice. Za ostatak prototipnog sklopa korišteni su različiti komadi i komadići starog drveta, zajedno sa šipkama za tiple u različitim promjerima. Obožavam raditi sa šipkama… podsjeća me na jednu od mojih najdražih 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 baterije, ali za sada je priključni modul vrlo zgodan 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 izazvalo mi je zabrinutost u mislima koliko će razumno biti omotati zavojnicu, ali sam ipak pritisnuo.

Razmišljao sam o tome koliko želim da gotova zavojnica bude velika i smjestiti se na centimetar u promjeru i na 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 usmjeriti u kanal u bazi. Za detalje pogledajte slike. U početku sam izrezao dio iz donjeg akrilnog komada kako bih olakšao provođenje žica u podnožje. U retrospektivi, trebao sam samo izbušiti male rupe kako bi se podudarale s onima u bazi. Ali ništa strašno. U akrilnim komadima također su izbušene rupe, a komad hrasta za dobro prianjanje preko eksera. Montaža je bila sljedeća: Postavite nerezanu akrilnu ploču na ekser. 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 ekser tako da je bio spojen na akrilni disk.

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

Korak 2: Zavojnica za namotavanje zavojnice

Odlučio sam da bi potpuno potpuno ručno omotavanje žice oko jezgre predstavljalo veliki bol pa sam, inspiriran tehnologijom Tinker Toy, složio komad špaleta i komadića 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 prevelikog trenja u sklopu i jezgra se ne bi pomaknula kada okrenem ručicu. Tako je uz malo više brušenja kako bi se dodatno smanjilo trenje i mrlja vrućeg ljepila šablona bila operativna.

Korak 3: Namotajte zavojnice

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

Omotat ćemo dvije zavojnice, jednu na drugu, preko eksera 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 sa točno 4000 okretaja na svakoj zavojnici pa ne morate oznojiti taj detalj, ali ja sam imao bilježnicu koju sam koristio za praćenje. Bilo je potrebno nekoliko sati da dovršim proces pakiranja, ali samo sam uključio nogometnu utakmicu da gledam kako mi nije dosadilo. Mogao sam napraviti oko 50 okreta oko nokta svaki prolaz pa bih napravio par prolaza da dobijem stotinu omota i zabilježim to na svom bloku za bilješke i nastavio sam sve dok nisam došao do 4000 omota.

Evo postupka za umotavanje: Počnite omatati unutarnju zavojnicu uvlačenjem 2 ili 3 inča žice u hrastov osnovni dio. Označite kraj ove žice "1". Dovršite svojih 4000 omota i pazite da završite na dnu jezgre od hrastovog dna. Odrežite žicu i ostavite oko 2 ili 3 inča dodatne duljine kako biste je mogli uvući natrag u hrastovu podlogu. Označite ovaj kraj kao "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 podnožje kao i prije. Označite ovaj kraj "4". Slike 4 i 5 prikazuju konačni rezultat procesa omotavanja. Opet … Pazite da zamotate i unutarnju i vanjsku zavojnicu u istom smjeru !!!

Korak 4: Dovršavanje kruga

Kao što možete vidjeti na shemi, krug 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 najmanjom razinom složenosti.

Na drugoj slici sam se igrao sa različitim strategijama usmjeravanja ožičenja. Vjerovatno 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 označene s "2" na vašem sklopu zavojnice. Dakle, zaključak je da će vaš sklop zavojnice imati pozitivan i negativan terminal. Dobra je ideja 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" je unutrašnja 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 obavezno isprobajte sklop prije stavljanja u posudu.

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

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

Korak 5: Komponente klatna

Nakon što sam imao dobro poznat radni dizajn zavojnice, morao sam izgraditi prototip klatna kako bih mogao procijeniti njegove performanse. Bilo mi je najzanimljivije saznati koliko energije uređaj koristi, a trebao sam znati i koliki će se luk njihalo zamahnuti jer će to utjecati 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. Dodao sam mjedenu cijev uspravnoj na slici 3 kako bih smanjio trenje. Koristio sam 10d ekser za iglu za povezivanje klatna s uspravnim dijelom. Na slici 5 možete vidjeti magnet za rijetke zemlje na kraju klatna. Nikada nisam pronašao ništa što kaže da je polaritet magneta važan. Izgleda da nije važno…. što me muči jer intuitivno nekako mislim da bi trebalo. Ali nikad nisam obraćao pažnju na to i čini se da uvijek djeluje pa pretpostavljam da ne. Na posljednjoj slici prikazan je izvor istosmjerne struje od 9 V. Trenutni kapacitet od 1 amp je pretjeran … ne mora biti ni blizu toga, kako sam kasnije saznao.

Korak 6: Sklapanje klatna

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

Modul zavojnice se priključuje 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. Ubacite ekser kroz mjedenu cijev u uspravnom položaju (slika 5). I na kraju pritisnite klatno na ekser (konačna slika).

Namjestio sam klatno tako da je postojao mali razmak između njega i baze.

Korak 7: Rezultati performansi prototipa

Ako pogledate grafikon koji sam postavio iza radnog klatna u videu, možete vidjeti da klatno zamahuje pored srednje linije, ali ne uspijeva preći zadnju liniju. Ovo postavlja cijeli luk koji se njihalo njiše između 72 i 80 stepeni … Ja procjenjujem oko 75 stepeni. Ovo je dragocjena informacija kada dođe vrijeme za dizajniranje hodnika za sat.

Priključio sam i sondu za struju na električni vod i nadzirao potrošnju struje tokom rada. Bio sam izuzetno zadovoljan kad sam saznao da je prosječno trenutno napajanje bilo nešto više od 2 miliampera !!! Ono što je zaista super u vezi s tim je što ću moći raditi na 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, to je dosadan proces. Ako ikada odlučim da napravim gomilu ovih satova vjerujem da ću uložiti u lijep CNC usmjerivač !!!

Tako sam, dok sam se odmarao od piljenja zubaca zupčanika, 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 da dizajniram i napravim zupčanike, pa ostanite pri tome.

Vidimo se onda!

Willy