Elektromágneses inga: 8 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Még a nyolcvanas évek végén úgy döntöttem, hogy egy órát szeretnék teljes egészében fából építeni. Abban az időben még nem volt internet, így sokkal nehezebb volt kutatni, mint manapság … bár sikerült összeraknom egy nagyon nyers kereket és ingamenekülést. A futási idő korlátozott volt, és meglehetősen heves, de néhány percig kattanni kezdett, mielőtt a súly a padlóhoz érne. Szintén korlátozottak voltak az erőforrásaim… eszközök, pénz, faipari készségek… ami meglehetősen frusztrálóvá tette a projekten való munkát. Így egyelőre elhagyták a fából készült óraálmot. Gyors előrehaladás 30 év felett. Most nyugdíjas vagyok, rengeteg igazán remek eszközöm van, és a faipari készségeim drámaian javultak. Hozzáférhetek a számítógépekhez, a csodálatos számítógépes tervezési (CAD) szoftverekhez és az internethez is. Tehát az óra projekt újraindul. Úgy döntöttem, hogy a tervezés során írok a folyamatról. Csak szórakoztató dolognak tűnik.

Kezdetben olyan órát akartam építeni, amelyet a gravitáció hajtott és inga szabályoz. Nemrég, amikor véletlenszerűen kotorásztam az interneten, találkoztam egy Kauai -szigeten lévő fickóval, aki fából készült órákat és más „kinetikus művészeteket” tervez. A neve Clayton Boyer. Boyer úr óraterveinek felfedezése inspirált arra, hogy folytassam saját óraprojektemet. Az egyik terve, amely lenyűgözött, a „Toucan” volt. Az órán használt gyalogos menekülés hasonlított az azonos nevű madár számlájára. Szórakoztató óra volt nézni, és a tervezés nagyon szeszélyes volt, de ami végül is felkeltette a figyelmemet, az volt, hogyan hajtották. Nem voltak súlyok vagy rugók. Úgy tűnt, hogy az inga varázslatosan lendül ide -oda energiaveszteség nélkül. A titok egy elektromágneses meghajtórendszer volt, amelyet az óra aljába rejtettek, és egy mágnes az inga végén. Villamosmérnökként azt gondoltam, hogy ez nagyon jó, és úgy döntöttem, hogy kitalálom, hogyan is működik ez az egész, és elkészítem a saját verziómat Mr. Boyer Toucan -ből. Az biztos … Megvásárolhattam volna az óra terveit, mivel körülbelül 35 dollárért kaphatók, de hol van ebben a móka?

Az interneten való nézelődés után rájöttem, hogy a koncepció a 60 -as évek elejéről, a Kundo Anniversary Clocks -ról származik. Száraz elemmel működtették őket, és körülbelül egy évig működtek, mielőtt cserélni kellett volna az akkumulátort (gondolom, így a nevet). A hajtásáramkör egyszerűsége érdekelt. Két tekercs volt (egyik seb a másik tetején), egy germánium tranzisztor és egy akkumulátor. Ez minden! Szeretem az egyszerű dolgokat, amelyek működnek, és ennél sokkal egyszerűbb nem is lehetne. Az egyik tekercs a tranzisztor bázis bemenetéhez van csatlakoztatva, a másik tekercs pedig a tranzisztor kimeneti oldalán van sorban az akkumulátorral. A rejtvény másik darabja egy inga végére szerelt mágnes volt. Amint az inga leng a tekercsek által, a mágnes áramot indukál a tekercsben, amely a tranzisztor alapját hajtja. Ennek eredményeként a tranzisztor bekapcsol, és az áram áramlik a kimeneti áramkörben az akkumulátorból a vele sorba kapcsolt tekercsen keresztül. Van egy transzformátorhatás is, amely miatt a bemeneti tekercsben több áramot indukálnak, amíg a tranzisztor telít. A legnagyobb mennyiségű áram most a tranzisztor kimeneti oldalán áramlik, és az áramkör tekercsét az akkumulátor teljesen táplálja, ezáltal az inga mágnesével megegyező polaritású elektromágnest hoz létre. Az időzítés olyan, hogy az elektromágnes által keltett mágneses mező taszítja az inga mágnesét, ahogy elfordul, és egy kis rúgást ad neki. Amint az inga elhalad a tekercsek mellett, az áram leáll a tranzisztor alján, és kikapcsol. Ezt a folyamatot minden alkalommal megismétlik, amikor az inga a tekercsek által lendül… ez biztosítja a rendszerben keletkező veszteségek leküzdéséhez szükséges további energiát, és mindent mozgásban tart. Tiszta, mi? Az igazán nagyszerű ebben az, hogy nagyon kevés energiát fogyaszt, és az akkumulátor sokáig bírja. A rugókkal vagy súlyokkal meghajtott fából készült órák csak egy napig futnak, mielőtt vissza kell tekerni. Megvan a maguk vonzereje, de az óra mindennapi tekerése fájdalomnak tűnt számomra. Lehet, hogy egyszer még építek egyet ezek közül (szeretem az Arnfield meneküléseket), de egyelőre az elektronika lesz a gravitáció helyett.

Tehát ennek az útnak az első szakasza az, hogy kitaláljuk, hogyan építsük fel az elektromágneses impulzusú ingat, mivel ez nemcsak az órát fogja szabályozni, hanem a hajtómotort is. Végül az inga ezen oktatóanyagán kívül számos oktatóanyagot fogok közzétenni az óramű tervezéséről általában, a fogaskerekek tervezéséről, a vázszerkezetről, majd összerakom az egészet egy működő óra elkészítéséhez. Szóval heveder be… itt folytatjuk az inga tervezési folyamatát…

Kellékek

Az elektromágneses impulzusú inga fő alkotóeleme a tekercskör. Ferritmagként 10d közös szöget használtam (kapható az átlagos hardverboltban). A tekercsek huzalozása 35 AWG mágneshuzal. Ez egy nagyon finom huzal, amely vékony, nem vezető anyaggal van bevonva. A 2N4401 NPN bipoláris csomópont tranzisztor az áramkörön keresztüli áramlás szabályozására szolgál. A kapton szalag lefedi a szöget és a kész magot, de nagyjából bármilyen szalagot használhat. A tekercs zárósapkája 1/16 hüvelykes akrillemez, valamint egy hengeres tölgyfa darab a tranzisztor és a tekercs vezetékeinek elhelyezésére. A prototípus többi részéhez különféle darabokat és törmelékfákat használtak, többféle átmérőjű dübelrúddal együtt. Szeretek tiplikkel dolgozni … ez emlékeztet a gyermekkori egyik kedvenc játékomra … Csípős játékok! Úgy gondolom, hogy nagyon jól alkalmazhatók a prototípusok fejlesztéséhez. A tápegység egy dugaszolható fali modul, amely átalakítja az AC 110 -et 9 voltos DC -re. Végül az óra elemmel működik, de a csatlakozó modul nagyon kényelmes és következetes. Egy másik kulcskomponens egy neodímium mágnes, amely az inga végébe van beépítve. Az általam használt mágnes 1/2 hüvelyk átmérőjű és negyed hüvelyk vastag.

1. lépés: Tekercsmag szerelvény

Miközben kutattam a tekercset, átfutottam egy órajavító fórumon, ahol az egyik szál a tekercs kialakításának részleteiről tárgyalt. Remek képeik voltak, amelyek ötletet adtak arra, hogyan rejthetem el a tranzisztor és a hozzá kapcsolódó vezetékek a tekercs alján belül. Egy másik fontos részlet az volt, hogy megemlítették a 4000 fordulatot tartalmazó tekercseket. Hú, ez soknak hangzott, és kissé aggasztott a fejemben, hogy mennyire ésszerű lesz tekercselni, de azért tovább nyomtam.

Arra gondoltam, hogy mekkora méretet szeretnék a kész tekercsnek, és egy hüvelyk átmérőjű és egy hüvelyk és egy negyed hosszúságúra helyezzük. 1 hüvelyk átmérőjű köröket vágtam ki 1/16 hüvelykes akril lapból, hogy a zárósapkákat használhassam, és egy másik 1 hüvelyk átmérőjű korongot egy 1/2 hüvelyk vastag tölgyfalapból az alaphoz. A tölgykorongban egy negyed hüvelykes csatornát martam, valamint 3/16 hüvelyk átmérőjű lyukat fúrtam a tranzisztor elhelyezésére. Kis lyukakat is fúrtam, hogy a vezetékeket az alapcsatornába lehessen vezetni. Részletekért lásd a képeket. Kezdetben kivágtam egy részt az alsó akril darabból, hogy megkönnyítsem a vezetékek behelyezését az alapba. Utólag csak kis lyukakat kellett volna fúrnom, hogy megfeleljenek az alapban lévőknek. De nem nagy ügy. Az akrildarabokban és a tölgyfa darabokban lyukakat is fúrtak, hogy jól illeszkedjenek a körömre. Az összeszerelés a következő volt: Helyezze a horpadásmentes akril lemezt a körömre. Tekerjen 1-1/4 hüvelykes szalagot a köröm köré az ábrán látható módon, majd adja hozzá a rovátkolt acil korongot. Epoxit vittem fel a tölgykorongra, majd úgy csúsztattam rá a körömre, hogy az az akril koronghoz tapadt.

Mielőtt áttértem a tekercscsomagolási folyamatra, végeztem néhány gyors és piszkos számítást, hogy nagyjából megértsem, mekkora lesz a kész huzalozás és a két tekercs elektromos ellenállása. Úgy tűnt, hogy az összes vezetéket rá tudom illeszteni a magszerelvényemre, így boldog voltam.

2. lépés: Tekercselő tekercs

Úgy döntöttem, hogy a huzal teljes körű kézi feltekerése óriási fájdalommal járna, így a Tinker Toy technológia ihlette, és egy csigát csavartam össze a dübelekből és a rétegelt lemezből és az MDF -ből. Azt tapasztaltam, hogy egy csipet forró ragasztót kell felhelyeznem a tekercsmag tölgykorongjára, hogy szorosan a helyén tartsa. Ellenkező esetben egy kicsit túl nagy volt a súrlódás a szerelvényben, és a mag nem mozdult, amikor elfordítottam a forgattyút. Így egy kis csiszolással tovább csökkenthető a súrlódás és a forró ragasztó.

3. lépés: tekercselés

A huzal egy speciális vezeték, amelyet mágneshuzalnak neveznek. Ez egy nagyon finom egyszálú huzal, amely vékony szigetelőanyaggal van bevonva. Én 35 AWG -t használtam. Nagyon gyakori, és mint szinte minden más, amit az Amazon -ról kaphat. Az első képen látható orsót kimentettem a munkahelyi szemétből egy laboratóriumi takarítási esemény után. Nem tudom, hány éves, de úgy tűnik, sok évtizede vásárolták. LOL.

Két tekercset fogunk tekerni, egyiket a másikra, a mag szerelvény körmére. Lényeges, hogy mindkét tekercset ugyanabba az irányba tekerje a szerelvény körül … különben nem fog működni. Minden tekercs körülbelül 4000 tekercset tartalmaz a köröm körül. Most már nem olyan nagy baj, ha végül nem 4000 fordulatot tesz meg minden tekercsen, így nem kell izzadnia ennek a részletnek, de volt egy jegyzettömböm, amelyet régebben nyomon követtem. Néhány órát vett igénybe a csomagolás befejezése, de csak bekapcsoltam egy focimeccset, hogy ne unatkozzak. Körülbelül 50 fordulatot tudtam megtenni a köröm körül minden egyes passznál, így pár passzot, hogy száz pakolást szerezzek, és feljegyezzem ezt a jegyzetfüzetemre, és folytattam, amíg elértem 4000 pakolást.

A csomagolás menete a következő: Kezdje a belső tekercs becsomagolását úgy, hogy 2 vagy 3 hüvelyk drótot csavar a tölgyfa alapdarabba. Címkézze fel a vezeték végét "1" -re. Végezze el a 4000 csomagolást, és győződjön meg róla, hogy a mag tölgyfa alapú végénél kerül vissza. Vágja le a drótot, és hagyjon további 2-3 hüvelyk hosszúságot, hogy vissza tudja csavarni a tölgyfa alapba. Címkézze ezt a végét "2" -vel. A külső tekercset ugyanúgy indítsa el, ha 2 vagy 3 hüvelyk drótot csavar a tölgyfa alapba. Ezt a végét címkézze "3" -ra. Végezzen további 4000 fordulatot, vágja el a vezetéket, és csavarja be a végét az alapba, mint korábban. Címkézze ezt a végét "4" -vel. A 4. és 5. kép a csomagolási folyamat végeredményét mutatja. Ismét… Győződjön meg róla, hogy a belső és a külső tekercseket is ugyanabba az irányba tekeri !!!

4. lépés: Az áramkör befejezése

Amint a sematikus ábrán látható, az áramkör rendkívül egyszerű, ami hihetetlenül hűvössé teszi ezt az eszközt. Láttam hasonló projekteket, amelyek helyett processzorokat használtak… ami számomra olyan, mint egy szánkalapács használata egy légy leölésére. Nem akarom elütni az ilyen típusú projekteket, de csak nagy rajongója vagyok a terveknek, amelyek a lehető legalacsonyabb komplexitással végzik el a munkát.

A második képen a vezetékek különböző irányítási stratégiáival játszottam. Valószínűleg nagyobb üzletet kötöttem belőle, mint kellene. Csak néhány kulcsfontosságú pont van … csak kösse be a vázlathoz hasonlóan, de mivel a tápegység a tekercsszerelvényen kívül lesz, szükség van az áramforráshoz csatlakozó vezetékek kilépésére a szerelvény alján. Más szóval: A V+ vezeték a tranzisztor kollektorához, a V-vezeték pedig a tekercsszerelvényén a "2" jelzésű vezetékhez megy. Tehát lényegében a tekercsszerelvénynek pozitív és negatív kapcsa lesz. Célszerű ezeket ilyenként címkézni, ha elkészült, hogy ne felejtse el, melyik melyik. Ah… majdnem elfelejtettem. Finom csiszolópapírral kell eltávolítani a mágneshuzal szigetelő bevonatát, mielőtt forrasztja! A sematikus érthetőség kedvéért… "Lo" a külső tekercs, a "Li" pedig a belső tekercs, és vegye figyelembe azt is, hogy a tekercshuzalok végeit 1, 2, 3 és 4 címkével jelöltem, hogy megfeleljenek a mi módunknak amikor becsomagoltuk a tekercseket.

Teszteltem a tekercset, mielőtt epoxiddal csereztem be … jó dolog, mivel hibáztam! Ha, elbódítottam magam azzal, hogy arról beszéltem, milyen egyszerű minden. Ezért győződjön meg róla, hogy teszteli a szerelvényt, mielőtt behelyezi.

A befejezett összeszerelés teszteléséhez egy ritkaföldfém mágnest ragasztottam egy szál hosszúságra, és leakasztottam a tekercsben lévő köröm feje fölé. Ezután csatlakoztassa az áramot a tekercshez, és forgassa el a mágnest a körömfej mellett. Magától kell felszállnia. Van egy édes folt a mágnes és a körömfej közötti távolsághoz. Túl közel, és a mozgás rángatózó … túl messze van, és nem fog működni.

Az utolsó képen az elkészült tekercs, valamint az általam használt ritkaföldfém (neodímium) mágnes látható.

5. lépés: Inga alkatrészek

Miután ismertem a tekercsszerelés jól működő tervét, fel kellett készítenem egy inga prototípusát, hogy felmérhessem annak teljesítményjellemzőit. A legjobban arra voltam kíváncsi, hogy mennyi energiát használ a készülék, és azt is tudnom kellett, hogy milyen nagy ívben fog lengni az inga, mivel ez befolyásolja az órám tervezésének menetét.

Csomagoltam a tekercsszerelvényemet egy kis fadobozba, és hozzáadtam egy kapcsolót és a hálózati csatlakozót. A doboz a második képen látható alapegység alján lévő kivágásba illeszkedik. Minden súrlódó illeszkedésű volt, hogy az út során kiigazíthassam az optimális teljesítményt. A súrlódás csökkentése érdekében sárgaréz csövet adtam a függőlegeshez a 3. képen. A csaphoz 10d szöget használtam, hogy összekapcsoljam az ingat a függőleges darabbal. Az 5. képen a ritkaföldfém mágnes látható az inga végén. Soha nem találtam semmit, ami azt mondta volna, hogy a mágnes polaritása fontos. Úgy tűnik, nem számít…. ami engem zavar, mert intuitív módon valahogy úgy gondolom, hogy kellene. De soha nem figyeltem rá, és úgy tűnik, mindig működik, úgyhogy szerintem nem. Az utolsó képen a 9 voltos egyenáramú tápegység látható. Az 1 amperes áramkapacitás túlzás… nem kell ennek közel lennie, mint később megtudtam.

6. lépés: Az inga összeszerelése

Az alap egy két hüvelyk vastag fenyődarab. Azt akartam, hogy nehéz legyen, nehogy a szerelvény felboruljon, amikor az inga leng. Annak ellenére, hogy ez egy prototípus volt, mégis úgy döntöttem, hogy egy kicsit felöltöztetem, és vékony vörös cédrusdarabokkal díszítettem. Nem tudtam magamon segíteni!:)

A tekercsmodul bedugódik az alap alsó oldalába (2. kép), és az egészet felfelé fordítják (3. kép). Az állvány az alap tetejére van behelyezve (4. kép). Ez súrlódó illeszkedés. Dugja be a szöget a sárgaréz csőbe a függőleges helyzetben (5. kép). És végül nyomja az ingat a körömre (utolsó kép).

Úgy állítottam be az ingat, hogy legyen egy kis rés közte és az alap között.

7. lépés: A prototípus teljesítményének eredményei

Ha megnézed a diagramot, amelyet a videóban a működő inga mögé helyeztem, láthatod, hogy az inga a középső vonal mellett leng, de nem egészen az utolsó soron. Ezzel az inga 72 és 80 fok között forog. Ez értékes információ, amikor eljön az ideje, hogy megtervezze a gyalogos mennyezetet az órához.

Csatlakoztattam egy áramszondát is a hálózati vezetékhez, és működés közben figyeltem az áramfelvételt. Rendkívül örültem, amikor megtudtam, hogy az átlagos áramfelvétel valamivel több, mint 2 milliamper volt !!! Ami igazán jó benne, az az, hogy képes lesz arra, hogy az óra akkumulátorral működjön. Ha C -elemeket használok, több mint 5 hónapos üzemidőt kapok, mielőtt elemeket kell cserélnem. Nem túl rossz!

Az ok, amiért izgatott vagyok az elemek használata miatt, az az, hogy nem akarom, hogy egy tápkábel az órához vezessen, és elárulja működésének titkát. Elrejtem az elemeket az óra aljába. Ráadásul bárhova fel tudom tenni.

8. lépés: Következő…

Mint látható, elfoglalt voltam az óra tervezésének következő lépéseivel. Leégtem a fogaskerék vágásakor. Istenem, ez egy unalmas folyamat. Ha valaha is úgy döntök, hogy megcsinálok egy csomó ilyen órát, akkor azt hiszem, hogy egy szép CNC routerbe fogok befektetni !!!

Így, miközben szünetet tartottam a fogaskerekek kivágásában, kivágtam a kezeimet, és elkezdtem dolgozni az óra keretén. Eddig jó!

Ahogy a sorozat következő tanulsága előtt gondolkodom, úgy gondolom, hogy beszélni fogok arról a folyamatról, amelyen átmentem a fogaskerekek tervezésénél és megépítésénél, így álljon készen arra.

Majd találkozunk!

Willy