Elektromagnetinė švytuoklė: 8 žingsniai (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Dar devintojo dešimtmečio pabaigoje nusprendžiau, kad norėčiau pastatyti laikrodį tik iš medžio. Tuo metu nebuvo interneto, todėl buvo daug sunkiau atlikti tyrimus nei šiandien … nors man pavyko suklijuoti labai grubų ratą ir švytuoklę. Veikimo laikas buvo ribotas ir gana varginantis, tačiau jis spragtelėjo kelias minutes, kol svoris palies grindis. Taip pat riboti buvo mano ištekliai … įrankiai, pinigai, medžio apdirbimo įgūdžiai… dėl to darbas prie projekto buvo gana varginantis. Taigi, tą laiką svajonė apie medinį laikrodį buvo atsisakyta. Greitai pirmyn 30 ir daugiau metų. Dabar esu pensininkas, turiu daug tikrai puikių įrankių, o mano medžio apdirbimo įgūdžiai labai pagerėjo. Taip pat turiu prieigą prie kompiuterių, nuostabios kompiuterinio projektavimo (CAD) programinės įrangos ir interneto. Taigi laikrodžio projektas vėl įjungtas. Aš nusprendžiau parašyti apie procesą, kai dirbu kurdamas dizainą. Tiesiog atrodo smagus dalykas.

Iš pradžių norėjau sukurti laikrodį, kurį valdo gravitacija ir reguliuoja švytuoklė. Neseniai, atsitiktinai beieškodamas internete, Kauai saloje sutikau kolegą, kuris projektuoja medinius laikrodžius ir kitokio pobūdžio „kinetinį meną“. Jo vardas Clayton Boyer. Būtent P. Boyerio laikrodžio dizaino atradimas įkvėpė mane tęsti savo laikrodžio projektą. Vienas iš jo dizaino, kuris mane sužavėjo, buvo vadinamas „Toucan“. Laikrodyje naudojamas vaikščiojimas buvo panašus į to paties pavadinimo paukščio sąskaitą. Žiūrėti buvo įdomus laikrodis, o dizainas buvo labai įnoringas, tačiau galiausiai mano dėmesį patraukė tai, kaip jis buvo varomas. Nebuvo svorių ar spyruoklių. Atrodė, kad švytuoklė magiškai siūbuoja pirmyn ir atgal, neprarandant energijos. Paslaptis buvo elektromagnetinė pavaros sistema, paslėpta laikrodžio pagrinde, ir magnetas švytuoklės gale. Būdamas elektros inžinierius maniau, kad tai tikrai šaunu, ir nusprendžiau išsiaiškinti, kaip visa tai veikia, ir sukurti savo pono Boyerio „Toucan“versiją. Be abejo … aš galėjau ką tik nusipirkti laikrodžio planus, nes juos buvo galima įsigyti už maždaug 35 USD, bet kur čia linksmybės?

Dar šiek tiek pasigrožėjęs internete radau, kad ši koncepcija atsirado 1960 -ųjų pradžioje su „Kundo“jubiliejiniais laikrodžiais. Jie buvo maitinami iš sausų elementų baterijos ir veikė maždaug metus, kol turėsite pakeisti bateriją (manau, pavadinimas). Pavaros grandinės paprastumas mane sudomino. Buvo dvi ritės (viena žaizda ant kitos), germanio tranzistorius ir baterija. Tai viskas! Man patinka paprasti dalykai, kurie veikia ir tai negali būti daug paprasčiau. Viena iš ritinių yra prijungta prie tranzistoriaus pagrindo įvesties, o kita ritė yra tranzistoriaus išėjimo pusėje nuosekliai su baterija. Kitas dėlionės gabalas buvo magnetas, sumontuotas švytuoklės gale. Kai švytuoklė sukasi ritėmis, magnetas sukelia ritėje srovę, varančią tranzistoriaus pagrindą. Dėl to tranzistorius įsijungia, o srovė teka išėjimo grandinėje iš akumuliatoriaus per ritę, kuri yra nuosekliai su ja. Taip pat yra transformatoriaus efektas, dėl kurio įvesties ritėje atsiranda daugiau srovės iki taško, kuriame tranzistorius prisotinamas. Maksimalus srovės kiekis dabar teka tranzistoriaus išėjimo pusėje, o tos grandinės ritė yra visiškai įkraunama iš baterijos, taip sukuriant tokio paties poliškumo elektromagnetą kaip švytuoklėje. Laikas toks, kad elektromagneto sukurtas magnetinis laukas atstumdamas švytuoklėje esantį magnetą atstumia ir šiek tiek smūgiuoja. Kai švytuoklė juda pro ritinius, srovė nustoja tekėti tranzistoriaus pagrinde ir išsijungia. Šis procesas kartojamas kiekvieną kartą, kai ritės siūbuoja švytuoklę… tiekia papildomą energiją, reikalingą sistemos nuostoliams įveikti, ir palaiko viską. Tvarkinga a? Tai, kas išties puiku, yra tai, kad jis sunaudoja labai mažai energijos ir baterija tarnaus ilgai. Mediniai laikrodžiai, varomi spyruoklių ar svarmenų, veiks tik vieną dieną, kol juos reikės atsukti. Jie turi savo patrauklumą, tačiau laikrodžio rodymas kiekvieną dieną man atrodė kaip skausmas. Aš vis dar galiu kada nors sukurti vieną iš jų (man patinka Arnfieldo pabėgimai), bet dabar tai bus elektronika, o ne gravitacija.

Taigi pirmasis šios kelionės etapas yra išsiaiškinti, kaip sukurti elektromagnetiškai impulsuojamą švytuoklę, nes tai ne tik reguliuos laikrodį, bet ir bus variklis. Galiausiai, be šios švytuoklės pamokos, aš paskelbsiu daugybę vadovėlių, apimančių apskritai laikrodžio konstrukciją, krumpliaračio dizainą, rėmo konstrukciją, ir tada viską sujungsiu, kad užbaigčiau veikiančią laikrodį. Taigi pritvirtinkite diržą… čia mes pradedame švytuoklės projektavimo procesą …

Prekės

Pagrindinis elektromagnetiškai impulsinės švytuoklės komponentas yra ritės grandinė. Kaip ferito šerdį naudojau 10d paprastą vinį (galima įsigyti jūsų vidutinėje techninės įrangos parduotuvėje). Ritinių laidai yra 35 AWG magnetinė viela. Tai labai plona viela, padengta plona nelaidžia medžiaga. Srovės srautui per grandinę valdyti naudojamas 2N4401 NPN bipolinis sandūros tranzistorius. Kaptono juosta dengia nagą ir užbaigtą šerdį, tačiau galite naudoti beveik bet kokią juostą. Galiniai ritės dangteliai yra 1/16 colio akrilo lakštas, taip pat cilindrinis ąžuolo gabalas, skirtas tranzistoriaus ir ritės laidams. Likusiam prototipo surinkimui buvo naudojami įvairūs medžio gabaliukai ir laužas kartu su daugybės skersmenų kaiščių strypais. Man patinka dirbti su kaiščių strypais … tai man primena vieną iš mano mėgstamiausių vaikystės žaislų … „Tinker Toys“! Manau, kad jie puikiai tinka prototipų kūrimui. Maitinimo šaltinis yra kištukas į sieninį modulį, kuris konvertuoja kintamosios srovės kintamąją srovę į 9 voltų nuolatinę srovę. Galų gale laikrodis bus maitinamas baterijomis, tačiau kol kas prijungimo modulis yra labai patogus ir nuoseklus. Kitas svarbus komponentas yra neodimio magnetas, įterptas į švytuoklės galą. Mano naudojamas magnetas yra 1/2 colio skersmens ir ketvirtadalio colio storio.

1 žingsnis: ritės šerdies surinkimas

Kai tyrinėjau ritę, perėjau laikrodžių taisymo forumą, kuriame viena iš temų aptarė ritės dizaino detales. Jie turėjo puikių nuotraukų, kurios man suteikė idėją, kaip paslėpti tranzistorių ir susijusius laidus ritės pagrinde. Kita svarbi detalė buvo ta, kad jie paminėjo ritinius, kuriuose yra 4000 apsisukimų. Oho, tai skambėjo labai daug ir sukėlė šiek tiek nerimo galvoje, kaip pagrįsta bus suvynioti ritę, bet vis tiek paspaudžiau.

Pagalvojau, kokio dydžio noriu, kad baigta ritė būtų, ir nusėda ant colio skersmens, colio ir ketvirtadalio ilgio. Iškirpiau 1 colio skersmens apskritimus iš 1/16 colio akrilo lakšto, kad galiniai dangteliai būtų naudojami, ir dar 1 colio skersmens diską iš 1/2 colio storio ąžuolo gabalo pagrindui. Aš ąžuolo diske išfrezavau ketvirtadalio colio kanalą, taip pat išgręžiau 3/16 colio skersmens skylę, kad tilptų tranzistorius. Aš taip pat išgręžiau mažas skyles, kad galėčiau nukreipti laidus į pagrindo kanalą. Išsamesnės informacijos rasite nuotraukose. Iš pradžių iš apatinio akrilo gabalo iškirpiau dalį, kad būtų lengviau įvesti laidus į pagrindą. Žvelgiant retrospektyviai, turėčiau tiesiog išgręžti mažas skyles, kad jos atitiktų pagrindo skyles. Bet nieko didelio. Taip pat buvo išgręžtos skylės akrilo gabaluose, o ąžuolo gabalas tvirtai priglunda prie nagų. Surinkimas buvo toks: uždėkite akrilo diską be įpjovos ant nago. Apvyniokite 1-1/4 colių juostos gabalą aplink nagą, kaip parodyta, ir tada pridėkite išpjautą acilo diską. Ant ąžuolo disko užtepiau epoksidinės dervos, o po to slydau ant nagų taip, kad ji būtų priklijuota prie akrilo disko.

Prieš pereidamas prie ritės vyniojimo proceso, aš padariau keletą greitų ir nešvarių skaičiavimų, kad galėčiau apytiksliai suvokti, koks bus baigtas laidas ir dviejų ritių elektrinė varža. Atrodė, kad visą laidą galėsiu pritvirtinti prie pagrindinio mazgo, todėl buvau laimingas.

2 žingsnis: ritės apvija

Nusprendžiau, kad visiškai apvynioti vielą aplink šerdį ranka būtų didžiulis skausmas, todėl įkvėptas „Tinker Toy“technologijos, aš sukibau su svirtimi iš kaiščių ir faneros bei MDF gabalėlių. Radau, kad ant ritės šerdies ąžuolo disko turiu uždėti tamponą karštų klijų, kad jis tvirtai laikytųsi. Priešingu atveju surinkime buvo šiek tiek per daug trinties, o šerdis nejudėjo, kai pasukau alkūną. Taigi, šiek tiek daugiau šlifuojant, kad dar labiau sumažėtų trintis ir karštų klijų dažymas, svirtis veikė.

3 žingsnis: ritinių apvyniojimas

Viela yra speciali vielos rūšis, vadinama magnetine viela. Tai labai plona viengyslė viela, padengta plona izoliacine medžiaga. Aš naudojau 35 AWG. Tai labai įprasta ir kaip ir beveik visa kita, kurią galite gauti iš „Amazon“. Aš išlaisvinau ritę, kurią matote pirmoje nuotraukoje, iš šiukšlių darbe po laboratorijos valymo renginio. Nežinau, kiek jam metų, bet atrodo, kad jis buvo įsigytas prieš daugelį dešimtmečių. DAUG JUOKO.

Mes apvyniosime dvi ritines, viena ant kitos, virš šerdies mazgo vinio. Svarbu, kad abi ritės būtų apvyniotos ta pačia kryptimi aplink agregatą … kitaip jis neveiks. Kiekviena ritė apjuos nagą maždaug 4000 vyniojimų. Dabar tai nėra tokia didelė problema, jei kiekvienoje ritėje nepavyks suktis lygiai 4000 apsisukimų, kad nereikėtų prakaituoti tos detalės, bet aš turėjau užrašų knygelę, kurią naudodavau sekti. Įvyniojimo procesas užtruko kelias valandas, bet aš tiesiog įjungiau futbolo varžybas, kad nenuobodžiu. Kiekvieną kartą galėdavau apsisukti maždaug 50 apsisukimų aplink nagą, kad padaryčiau porą kartų, kad gaučiau šimtą įvyniojimų, ir užrašyčiau tai savo užrašų knygelėje, ir tęsiau, kol pasiekiau 4000 įvyniojimų.

Štai vyniojimo procesas: pradėkite apvynioti vidinę ritę įsukdami 2 ar 3 colių vielą į ąžuolo pagrindo gabalą. Pažymėkite šio laido galą „1“. Užbaikite 4000 įvyniojimų ir įsitikinkite, kad grįšite į ąžuolo pagrindo šerdies galą. Nupjaukite vielą ir palikite apie 2 ar 3 colius papildomo ilgio, kad galėtumėte vėl įsukti į ąžuolo pagrindą. Pažymėkite šį galą „2“. Išorinę ritę pradėkite taip pat, įsukdami 2 ar 3 colių vielą į ąžuolo pagrindą. Pažymėkite šį galą „3“. Dar 4000 apsisukimų, perpjaukite vielą ir įkiškite galą į pagrindą taip pat, kaip ir anksčiau. Pažymėkite šį galą „4“. 4 ir 5 paveiksluose parodytas galutinis vyniojimo proceso rezultatas. Vėlgi … Įsitikinkite, kad vidinius ir išorinius ritinius suvyniote ta pačia kryptimi !!!

4 žingsnis: grandinės užbaigimas

Kaip matote schemoje, grandinė yra labai paprasta, todėl šis prietaisas yra toks neįtikėtinai kietas. Mačiau panašių projektų, kuriuose vietoj to buvo naudojami procesoriai … man tai yra kaip rogių plaktuko naudojimas musei nužudyti. Aš nenoriu numušti tokių projektų, bet aš esu tikra didelė dizaino gerbėja, kuri atlieka darbą su mažiausiu sudėtingumo lygiu.

Antroje nuotraukoje aš žaidžiau su skirtingomis laidų nukreipimo strategijomis. Tikriausiai padariau didesnį sandorį nei turėčiau. Yra tik keletas pagrindinių taškų … tiesiog prijunkite jį kaip schemoje, bet kadangi maitinimo šaltinis bus išorinis ritės mazgas, jums reikia turėti laidus, kurie bus prijungti prie maitinimo šaltinio, kyšančio iš mazgo apačios. Kitaip tariant: V+ laidas eina prie tranzistoriaus kolektoriaus, o V laidas- prie vielos, pažymėtos „2“ant jūsų ritės mazgo. Taigi jūsų ritės mazgas turės teigiamą ir neigiamą gnybtą. Patartina juos pažymėti kaip tokius, kad nepamirštumėte, kuris iš jų yra. Ak … aš beveik pamiršau. Prieš lituodami magnetinį laidą, turėsite naudoti smulkų švitrinio popieriaus gabalėlį, kad pašalintumėte izoliacinę dangą! Dėl schemos aiškumo… „Lo“yra išorinė ritė, o „Li“- vidinė ritė, taip pat atkreipkite dėmesį, kad aš pažymėjau ritės laidų galus 1, 2, 3 ir 4, kad atitiktų tai, kaip mes tai padarėme kai apvyniojome ritinius.

Aš išbandžiau ritę prieš padengdamas ją epoksidine … gerai, nes suklydau! Cha, aš nusiminiau kalbėdama apie tai, kaip viskas paprasta. Taigi būtinai išbandykite savo agregatą prieš jį išpilant.

Norėdami išbandyti užbaigtą surinkimą, aš priklijavau retųjų žemių magnetą prie sriegio ilgio ir pakabinau jį tiesiai ant vinio galvutės ritėje. Tada prijunkite maitinimą prie ritės ir pasukite magnetą pro nagų galvutę. Tai turėtų kilti savaime. Yra saldus atstumas tarp magneto ir nago galvutės. Per arti ir judesys trūkčioja … per toli ir neveiks.

Paskutiniame paveikslėlyje parodyta baigta ritė ir mano naudojamas retųjų žemių (neodimio) magnetas.

5 žingsnis: švytuoklės komponentai

Kai turėjau žinomą gerą ritės mazgo darbo projektą, turėjau sukurti švytuoklės prototipą, kad galėčiau įvertinti jo veikimo charakteristikas. Man buvo įdomiausia sužinoti, kiek prietaisas sunaudoja energijos, ir man taip pat reikėjo žinoti, kokio dydžio švytuoklė suksis, nes tai turės įtakos mano laikrodžio dizainui.

Aš supakavau ritės mazgą medinėje dėžutėje ir pridėjau jungiklį bei maitinimo jungtį. Dėžutė tilpo į išpjovą pagrindo mazgo apačioje, parodyta antroje nuotraukoje. Viskas buvo tinkama trinčiai, kad galėčiau atlikti pakeitimus, kad pasiekčiau optimalų našumą. Aš pridėjau žalvarinį vamzdelį prie 3 paveiksle esančios vertikalios padėties, kad sumažėtų trintis. Aš naudoju 10d vinį kaiščiui, kad švytuoklė būtų prijungta prie vertikalios dalies. 5 paveiksle galite pamatyti retųjų žemių magnetą švytuoklės gale. Niekada neradau nieko, kas pasakytų, kad magneto poliškumas yra svarbus. Atrodo, kad tai nesvarbu…. kuris mane trikdo, nes intuityviai kažkaip manau, kad turėtų. Bet aš niekada nekreipiau į tai dėmesio ir atrodo, kad tai visada veikia, todėl manau, kad ne. Paskutinė nuotrauka rodo 9 voltų nuolatinės srovės šaltinį. 1 ampero srovės talpa yra per didelė … ji neturi būti arti to, kaip sužinojau vėliau.

6 žingsnis: švytuoklės surinkimas

Pagrindas yra dviejų colių storio pušies gabalėlis. Norėjau, kad jis būtų sunkus, kad agregatas neapvirstų, kai švytuoklė siūbuoja. Nors tai buvo prototipas, vis tiek nusprendžiau jį šiek tiek pasipuošti ir apipjaustyti plonais raudonojo kedro gabalėliais. Negalėjau sau padėti!:)

Ritės modulis prijungiamas prie apatinės pagrindo pusės (2 pav.), O visa tai apverčiama dešine puse į viršų (3 pav.). Stalas įkišamas į pagrindo viršų (4 pav.). Tai tinka trinčiai. Įkiškite vinį per žalvarinį vamzdį vertikaliai (5 pav.). Ir galiausiai paspauskite švytuoklę ant nago (paskutinė nuotrauka).

Švytuoklę sureguliavau taip, kad tarp jos ir pagrindo būtų nedidelis tarpas.

7 žingsnis: prototipo našumo rezultatai

Žiūrėdami į diagramą, kurią vaizdo įraše padėjau už darbinės švytuoklės, galite pamatyti, kad švytuoklė svyruoja pro vidurinę liniją, bet ne peržengia paskutinės eilutės ribų. Dėl to švytuoklė svyruoja nuo 72 iki 80 laipsnių… Tai vertinga informacija, kai atėjo laikas suplanuoti laikrodžiui skirtą pėsčiųjų taką.

Aš taip pat prijungiau srovės zondą prie elektros linijos ir stebėjau srovės traukimą veikimo metu. Man buvo be galo malonu sužinoti, kad vidutinė srovės įtampa buvo šiek tiek didesnė nei 2 miliamperiai !!! Kas yra tikrai šaunu, tai galėsiu padaryti laikrodžio bateriją. Jei naudoju C elementų baterijas, man reikės daugiau nei 5 mėnesių veikimo laiko, kol turėsiu pakeisti baterijas. Neblogai!

Aš jaudinuosi dėl baterijų naudojimo, nes nenoriu, kad maitinimo kabelis būtų prijungtas prie laikrodžio, atskleisdamas jo veikimo paslaptį. Aš paslėpsiu baterijas laikrodžio pagrinde. Be to, galėsiu įdėti bet kur.

8 veiksmas: artėja toliau…

Kaip matote, buvau užsiėmęs kitais savo laikrodžio dizaino žingsniais. Mane sudegino pjovimo krumpliaračio dantys. O dieve, tai varginantis procesas. Jei kada nors nuspręsiu sukurti krūvą šių laikrodžių, tikiu, kad investuosiu į gražų CNC maršrutizatorių !!!

Taigi, darydamas pertrauką pjovimo krumpliaračio dantims, aš išpjoviau rankas ir pradėjau dirbti prie laikrodžio rėmo. Kol kas viskas gerai!

Kai galvoju apie kitą šios serijos pamokomą dalyką, manau, kad pakalbėsiu apie procesą, kurį patyriau kurdamas ir kurdamas krumpliaračius, kad jie būtų toje vietoje.

Iki pasimatymo!

Vilis