Elektromagnetno nihalo: 8 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Konec osemdesetih let prejšnjega stoletja sem se odločil, da bom uro izdelal v celoti iz lesa. Takrat ni bilo interneta, zato je bilo raziskovanje veliko težje kot danes … čeprav mi je uspelo zložiti zelo surovo kolo in nihalo. Čas izvajanja je bil omejen in precej zvit, vendar je nekaj minut kliknil, preden se je teža dotaknila tal. Omejena so bila tudi moja sredstva … orodja, denar, veščine obdelave lesa … zaradi česar je bilo delo na projektu precej frustrirajuće. Tako so bile za nekaj časa sanje o leseni uri opuščene. Hitro 30 let naprej. Zdaj sem upokojen, imam veliko res odličnega orodja in moje sposobnosti obdelave lesa so se močno izboljšale. Imam tudi dostop do računalnikov, neverjetne programske opreme za računalniško podprto oblikovanje (CAD) in interneta. Tako se je projekt ure spet začel. Odločil sem se, da bom pisal o procesu, ko se bom potrudil skozi oblikovanje. Zdi se mi samo zabavno početje.

Sprva sem želel zgraditi uro, ki jo poganja gravitacija in jo regulira nihalo. Pred kratkim, ko sem naključno brskal po internetu, sem na otoku Kauai naletel na sodelavca, ki oblikuje lesene ure in druge vrste "kinetične umetnosti". Ime mu je Clayton Boyer. Odkritje modelov ur gospoda Boyerja me je navdihnilo za nadaljevanje lastnega projekta ure. Eden od njegovih modelov, ki me je navdušil, se je imenoval "Toucan". Hoja, ki se uporablja na uri, je spominjala na istoimenski ptičji račun. To je bila zabavna ura za gledanje in dizajn je bil zelo muhast, a tisto, kar je navsezadnje pritegnilo mojo pozornost, je bilo, kako se vozi. Ni bilo uteži ali vzmeti. Nihalo se je čarobno nihalo sem ter tja brez izgube energije. Skrivnost je bil elektromagnetni pogonski sistem, skrit v dnu ure, in magnet na koncu nihala. Kot inženir elektrotehnike sem mislil, da je to res kul, in odločil sem se, da bom ugotovil, kako vse to deluje, in zgradil svojo različico Toucana gospoda Boyerja. Zagotovo … Lahko bi pravkar kupil načrte za uro, saj so bili na voljo za približno 35 dolarjev, kje pa je v tem zabava?

Ko sem malo pobrskala po internetu, sem ugotovila, da koncept izvira iz zgodnjih šestdesetih let z urami za obletnico Kundo. Poganjali so jih s suhocelično baterijo in bi delovali približno eno leto, preden ste morali zamenjati baterijo (torej ime, predvidevam). Enostavnost pogonskega vezja me je navdušila. Bila sta dve tuljavi (ena navita drug na drugem), germanijev tranzistor in baterija. To je vse! Obožujem preproste stvari, ki delujejo in to ne bi moglo biti veliko enostavnejše. Ena od tuljav je priključena na osnovni vhod tranzistorja, druga tuljava pa je na izhodni strani tranzistorja zaporedno z baterijo. Drugi del sestavljanke je bil magnet, nameščen na koncu nihala. Med nihanjem nihaj po tuljavah magnet inducira tok v tuljavi, ki poganja osnovo tranzistorja. To povzroči, da se tranzistor vklopi in tok teče v izhodnem vezju iz baterije skozi tuljavo, ki je zaporedno z njim. Obstaja tudi učinek transformatorja, ki povzroči, da se v vhodni tuljavi inducira več toka do točke, ko tranzistor nasiči. Največja količina toka zdaj teče na izhodni strani tranzistorja, tuljava v tem vezju pa je popolnoma napolnjena z baterijo, kar ustvarja elektromagnet z enako polarnostjo kot magnet v nihalu. Časovna razporeditev je taka, da magnetno polje, ki ga ustvari elektromagnet, odbija magnet v nihalu, ko teče mimo, in mu da malo udarca. Ko se nihalo premakne mimo tuljav, tok preneha teči v dnu tranzistorja in se izklopi. Ta postopek se ponovi vsakič, ko nihalo zamahne s tuljavami … dovaja dodatno energijo, potrebno za premagovanje izgub v sistemu in ohranja vse v gibanju. Čisto a? Pri tem je res super, da porabi zelo malo energije in da bo baterija zdržala dolgo. Lesene ure, ki jih poganjajo vzmeti ali uteži, bodo delovale le kakšen dan, preden jih je treba previti. Imajo svojo privlačnost, toda vsakodnevno navijanje ure se mi je zdelo boleče. Morda bom še kdaj zgradil eno od teh (obožujem Arnfieldove pobege), ampak za zdaj bo to elektronika namesto gravitacije.

Prvi korak na tej poti je torej ugotoviti, kako zgraditi nihalo z elektromagnetnim impulzom, saj to ne bo samo uravnavalo ure, ampak bo tudi motor, ki ga poganja. Na koncu bom poleg te vadnice o nihalu objavil še nekaj vaj, ki zajemajo oblikovanje ur, na splošno, oblikovanje zobnikov, konstrukcijo okvirja, nato pa vse skupaj sestavil za dokončanje delovne ure. Zato pripnite… gremo s postopkom oblikovanja nihala…

Zaloge

Glavni sestavni del elektromagnetno impulznega nihala je vezje tuljave. Kot feritno jedro sem uporabil 10d navaden žebelj (na voljo v vaši povprečni trgovini s strojno opremo). Ožičenje za tuljave je magnetna žica 35 AWG. To je zelo fina žica, prevlečena s tankim neprevodnim materialom. Za krmiljenje pretoka toka skozi vezje se uporablja 2N4401 NPN bipolarni tranzistor. Kapton trak pokriva žebelj in dokončano jedro, vendar lahko uporabite skoraj vse vrste traku. Končni pokrovi tuljave so 1/16 palčne akrilne pločevine in valjasti kos hrasta za namestitev tranzistorja in tuljave. Za preostanek sestave prototipa so bili uporabljeni različni koščki in kosi odpadnega lesa skupaj s palicami za moznike v številnih premerih. Rad delam s palicami za moznike … spominja me na eno mojih najljubših igrač iz otroštva … Tinker Toys! Zdi se mi, da so zelo dobro podprti pri razvoju prototipov. Napajanje je vtični stenski modul, ki pretvori AC 110 v 9 voltov DC. Na koncu se bo ura na koncu napajala z baterijo, vendar je za zdaj vtični modul zelo priročen in dosleden. Druga ključna komponenta je neodim magnet, ki je vstavljen na koncu nihala. Magnet, ki sem ga uporabil, ima premer 1/2 palca in debelino četrtine palca.

1. korak: Sestava jedra tuljave

Med raziskovanjem tuljave sem naletel na forum za popravilo ur, kjer je ena od niti razpravljala o podrobnostih zasnove tuljave. Imeli so nekaj odličnih slik, ki so mi dale idejo, kako skriti tranzistor in s tem povezano ožičenje znotraj dna tuljave. Druga ključna podrobnost je bila, da so omenili tuljave, ki vsebujejo 4000 obratov. Wow, to je zvenelo kot veliko in mi je v mislih ustvarilo nekaj pomislekov, kako razumno bi bilo zaviti tuljavo, a sem vseeno pritisnil.

Pomislil sem, kako velik želim, da je končana tuljava, in se usedel na centimeter v premeru in centimeter in četrtino dolg. Iz 1/16 -palčnega akrilnega lista sem izrezal kroge s premerom 1 palca, ki sem ga uporabil za končne kape, in še en disk s premerom 1 palca iz 1/2 palca debelega hrasta za podlago. V hrastovem disku sem rezkal četrtinčni kanal in vrtal luknjo s premerom 3/16 palca za namestitev tranzistorja. Izvrtal sem tudi majhne luknje, da sem lahko napeljal ožičenje v kanal v podnožju. Za podrobnosti si oglejte slike. Sprva sem izrezal del iz spodnjega akrilnega kosa, da sem olajšal vodenje žic v podnožje. Če pogledam nazaj, bi moral samo izvrtati majhne luknje, ki se ujemajo z tistimi v bazi. Ampak nič hudega. V akrilnih kosih so bile izvrtane tudi luknje, hrastov kos pa za tesno prileganje čez žebelj. Montaža je bila naslednja: na žebelj položite akrilni disk z zarezo. Okrog nohta ovijte 1-1/4-palčni kos traku, kot je prikazano, nato pa dodajte zarezano akilno ploščo. Na hrastov disk sem nanesel epoksid, nato pa ga potisnil na žebelj tako, da je bil pritrjen na akrilno ploščo.

Preden sem prešel na postopek ovijanja tuljav, sem naredil nekaj hitrih in umazanih izračunov, da sem približno dojel, kako velika bi bila končana napeljava in električni upor dveh tuljav. Zdelo se je, da bom lahko vso žico namestil na jedro, tako da sem bil vesel.

Korak: Kolobar za navijanje tuljav

Odločil sem se, da bo popolno ročno zavijanje žice okoli jedra velika bolečina, zato sem po navdihu tehnologije Tinker Toy skupaj zložil kos moznikov in odpadne kose vezanega lesa in MDF. Ugotovil sem, da moram na hrastov disk jedra tuljave nanesti malo vročega lepila, da ga trdno držim. V nasprotnem primeru je bilo v sklopu malo preveč trenja in jedro se ne bi premaknilo, ko bi obrnil ročico. Tako je z malo več brušenja za dodatno zmanjšanje trenja in vročega lepila šablona delovala.

3. korak: navijanje tuljav

Žica je posebna vrsta žice, imenovana magnetna žica. To je zelo fina enožična žica, prevlečena s tankim izolacijskim materialom. Uporabil sem 35 AWG. Je zelo pogost in tako kot skoraj vse ostalo ga lahko dobite pri Amazonu. Tuljak, ki ga vidite na prvi sliki, sem rešil iz smeti pri delu po dogodku čiščenja laboratorija. Ne vem, koliko je star, a zdi se, da je bil kupljen pred mnogimi desetletji. LOL.

Dve tuljavi, eno na drugo, bomo ovijali čez žebelj v sklopu jedra. Bistveno je, da sta obe tuljavi oviti v isto smer okoli sklopa … drugače ne bo delovalo. Vsaka tuljava bo imela okoli 4000 žebljev okoli nohta. Zdaj ni tako veliko, če na vsaki tuljavi ne boste imeli točno 4000 obratov, tako da vam ni treba pretiravati s temi podrobnostmi, vendar sem imel beležnico, ki sem jo spremljal. Nekaj ur je trajalo, da sem dokončal postopek zavijanja, vendar sem si samo ogledal nogometno tekmo, da mi ni bilo dolgčas. Na vsakem prehodu sem lahko naredil okoli 50 zavojev okoli nohta, tako da bi naredil nekaj prehodov, da bi dobil sto zavitkov in to zapisal na beležko in nadaljeval, dokler nisem dobil 4000 zavojev.

Tukaj je postopek za zavijanje: Začnite ovijati notranjo tuljavo tako, da vstavite 2 ali 3 palce žice v hrastov osnovni del. Konec te žice označite z "1". Dokončajte svojih 4000 ovojev in se prepričajte, da ste končali na dnu jedra iz hrastovega dna. Prerežite žico in pustite približno 2 ali 3 centimetre dodatne dolžine, da jo lahko privijete nazaj v hrastovo podlago. Ta konec označite z "2". Zunanjo tuljavo zaženite na enak način tako, da v hrastovo podlago vtaknete 2 ali 3 palce žice. Ta konec označite s "3". Naredite še 4000 zavojev, prerežite žico in konec privijte v podstavek enako kot prej. Ta konec označite s "4". Slike 4 in 5 prikazujeta končni rezultat postopka zavijanja. Še enkrat … Prekleto poskrbite, da notranje in zunanje tuljave ovijete v isto smer !!!

4. korak: Dokončanje vezja

Kot lahko vidite na shemi, je vezje zelo preprosto, zaradi česar je ta naprava tako neverjetno kul. Videl sem podobne projekte, ki so namesto tega uporabljali procesorje … kar je zame kot uporaba kladiva za ubijanje muhe. Ne mislim razbijati tovrstnih projektov, ampak sem res velik oboževalec modelov, ki delo opravijo z najnižjo stopnjo kompleksnosti.

Na drugi sliki sem se igral z različnimi usmerjevalnimi strategijami za ožičenje. Verjetno sem iz tega naredil večji posel, kot bi moral. Obstaja le nekaj ključnih točk … samo povežite tako, kot je prikazano na shemi, ker pa bo napajanje zunaj sklopa tuljave, morate imeti žice, ki se bodo priključile na vir napajanja, štrleče na dnu sklopa. Z drugimi besedami: žica V+ gre do zbiralnika tranzistorja, žica V- pa do žice z oznako "2" na vašem sklopu tuljave. Torej bo vaš sklop tuljave imel pozitiven in negativen priključek. Ko končate, je dobro, da jih označite kot take, da ne pozabite, katera je katera. Ah … skoraj sem pozabil. Pred spajkanjem boste morali odstraniti izolacijski premaz z magnetne žice s kosom finega brusnega papirja! Za jasnost sheme … "Lo" je zunanja tuljava in "Li" je notranja tuljava. Upoštevajte tudi, da sem konce žic tuljave 1, 2, 3 in 4 označil tako, da smo to naredili ko smo zavili tuljave.

Testiral sem tuljavo, preden sem jo zalil z epoksidom … dobro, ker sem naredil napako! Ha, zmešal sem se, ko sem govoril o tem, kako preprosto je vse. Zato vsekakor preizkusite sestavo, preden jo posadite.

Za preizkušanje dokončanega sestave sem na dolžino niti prilepil magnet za redke zemlje in ga obesil tik nad glavo žeblja v tuljavi. Nato priključite napajanje na tuljavo in magnet zavrtite mimo glave nohta. Moral bi vzleteti sam. Razdalja med magnetom in glavo nohta je sladka točka. Preblizu in gibanje je sunkovito … predaleč in ne bo delovalo.

Zadnja slika prikazuje dokončano tuljavo in magnet za redke zemlje (neodim), ki sem ga uporabil.

5. korak: Sestavni deli nihala

Ko sem imel dobro znano delovno zasnovo tuljave, sem moral sestaviti prototip nihala, da sem lahko ocenil njegove zmogljivosti. Najbolj me je zanimalo, koliko energije je naprava porabila, prav tako pa sem moral vedeti, kako velik lok bo nihalo zanihalo, saj bi to vplivalo na to, kako sem nadaljeval z zasnovo ure.

Svoj sklop tuljave sem zapakiral v majhno leseno škatlo in dodal stikalo in priključek za napajanje. Škatla se prilega izrezu na dnu osnovnega sklopa, prikazanega na sliki dve. Vse je ustrezalo trenju, tako da sem lahko na poti prilagajal, da sem dosegel optimalno delovanje. Pokonci na sliki 3 sem dodal medeninasto cev, ki je pomagala zmanjšati trenje. Za pritrditev nihala na pokončni kos sem uporabil 10d žebelj. Na sliki 5 lahko vidite redkozemeljski magnet na koncu nihala. Nikoli nisem našel ničesar, kar bi kazalo, da je polarnost magneta pomembna. Zdi se, da ni pomembno…. kar me moti, ker intuitivno nekako mislim, da bi moralo. Ampak nikoli nisem bil pozoren na to in vedno se zdi, da deluje, zato mislim, da ne. Zadnja slika prikazuje 9 -voltni enosmerni vir napajanja. Trenutna zmogljivost 1 amp je pretirana … ni nujno, da je blizu, kot sem izvedel kasneje.

Korak 6: Sestavljanje nihala

Osnova je dva centimetra debel kos bora. Želel sem, da bi bilo težko, da se sklop ne bi prevrnil, ko se nihalo niha. Čeprav je bil to prototip, sem se vseeno odločil, da ga malce oblečem in obrežem s tankimi koščki rdeče cedre. Nisem si mogel pomagati!:)

Modul tuljave se priklopi na spodnjo stran podnožja (slika 2) in celotna stvar se obrne na desno stran navzgor (slika 3). Pokončno je vstavljeno na vrh podstavka (slika 4). Gre za trenje. Žebelj vstavite skozi medeninasto cev v pokonci (slika 5). In na koncu nihalo pritisnite na žebelj (zadnja slika).

Nihalo sem nastavil tako, da je med njim in podnožjem nastala rahla vrzel.

7. korak: Rezultati delovanja prototipov

Če pogledate grafikon, ki sem ga v videoposnetku postavil za delujoče nihalo, lahko vidite, da nihalo niha mimo srednje črte, vendar ne uspe prečkati zadnje črte. To postavlja celoten lok, ki ga nihalo niha med 72 in 80 stopinjami … Ocenjujem okoli 75 stopinj. To je dragocen podatek, ko je čas za oblikovanje sprehajalne poti za uro.

Na daljnovod sem priključil tudi tokovno sondo in med delovanjem spremljal tok. Zelo sem vesel, ko sem ugotovil, da je povprečna trenutna poraba nekaj več kot 2 miliamperov !!! Kar je res kul pri tem je, da bom lahko baterijo ure poganjal. Če uporabljam baterije s celico C, bom imel več kot 5 mesecev delovanja, preden bom moral zamenjati baterije. Ni preslabo!

Razlog, da sem navdušen nad uporabo baterij, je, da ne želim, da bi napajalni kabel tekel do ure, kar bi razkrilo skrivnost delovanja. Baterije bom skril v podnožje ure. Poleg tega ga bom lahko dal kamor koli.

8. korak: Naslednji korak…

Kot vidite, sem bil zaposlen z naslednjimi koraki oblikovanja ure. Pri rezanju zobnikov sem se opekel. O moj bog, to je dolgočasen proces. Če se kdaj odločim zgraditi kup teh ur, verjamem, da bom vlagal v lep CNC usmerjevalnik !!!

Tako sem med odmorom od žaganja zobnikov izrezal roke in začel delati na okvirju ure. Zaenkrat tako dobro!

Ko razmišljam o naslednjih navodilih v tej seriji, verjamem, da bom govoril o procesu, ki sem ga opravil pri oblikovanju in izdelavi zobnikov, zato bodite pri tem pripravljeni.

Se vidimo potem!

Willy