Elektromagnetisk pendel: 8 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

På slutten av 1980 -tallet bestemte jeg meg for at jeg ville bygge en klokke helt av tre. På den tiden var det ikke internett, så det var mye vanskeligere å forske enn det er i dag … selv om jeg klarte å brette sammen et veldig rått hjul og en pendelutslipp. Kjøretiden var begrenset og det var ganske kinkig, men det ville klikke med i noen minutter før vekten ville berøre gulvet. Mine ressurser… verktøy, penger, trebearbeidingskunnskaper… var også begrenset, noe som gjorde arbeidet med prosjektet ganske frustrerende. Så for tiden ble treklokkedrømmen forlatt. Spol fremover 30 pluss år. Jeg er pensjonist nå, jeg har mange virkelig flotte verktøy, og mine trebearbeidingskunnskaper har blitt dramatisk forbedret. Jeg har også tilgang til datamaskiner, fantastisk programvare for datamaskinassistert design (CAD) og internett. Så klokkeprosjektet er tilbake. Jeg har bestemt meg for å skrive om prosessen mens jeg jobber meg gjennom designet. Virker bare som en morsom ting å gjøre.

I utgangspunktet ønsket jeg å bygge en klokke som ble drevet av tyngdekraften og regulert av en pendel. Nylig, da jeg tilfeldigvis gravde rundt på internett, kom jeg over en fyr på øya Kauai som designer treklokker og andre typer "kinetisk kunst". Han heter Clayton Boyer. Det var oppdagelsen av Mr. Boyers klokkedesign som inspirerte meg til å fortsette mitt eget klokkeprosjekt. En av designene hans som fascinerte meg ble kalt "Toucan". Walking -rømningen som ble brukt på klokken lignet fuglens regning med samme navn. Det var en morsom klokke å se på, og designet var veldig finurlig, men det som til slutt fanget min oppmerksomhet var hvordan det ble kjørt. Det var ingen vekter eller fjærer. Pendelen syntes å magisk svinge frem og tilbake uten tap av energi. Hemmeligheten var et elektromagnetisk drivsystem som var gjemt inne i klokkebasen og en magnet på enden av pendelen. Som elektroingeniør syntes jeg at dette var veldig kult, og jeg bestemte meg for å finne ut hvordan dette fungerte og bygge min egen versjon av Mr. Boyers Toucan. For å være sikker … Jeg kunne nettopp ha kjøpt planene for klokken siden de var tilgjengelige for omtrent $ 35, men hvor er moroa i det?

Etter litt mer graving rundt på internett fant jeg ut at konseptet dateres tilbake til begynnelsen av 1960 -tallet med Kundo Anniversary Clocks. De ble drevet av et tørtcellebatteri og ville gå i et år eller så før du måtte bytte batteri (dermed antar jeg navnet). Enkelheten i drivkretsen fascinerte meg. Det var to spoler (ett sår på toppen av et annet), en germanium -transistor og et batteri. Det er alt! Jeg elsker enkle ting som fungerer, og dette kan ikke bli mye enklere. En av spolene er koblet til transistorens basisinngang, og den andre spolen er på transistorens utgangsside i serie med batteriet. Den andre brikken i puslespillet var en magnet montert på enden av en pendel. Når pendelen svinger av spolene, induserer magneten en strøm i spolen som driver basen til transistoren. Dette får transistoren til å slå på og strøm strømmer i utgangskretsen fra batteriet gjennom spolen som er i serie med den. Det er også en transformatoreffekt som får mer strøm til å bli indusert i inngangsspolen til det punktet hvor transistoren metter. Den maksimale strømmen strømmer nå på transistorens utgangsside og spolen i den kretsen får full strøm fra batteriet og skaper dermed en elektromagnet med samme polaritet som magneten i pendelen. Timingen er slik at magnetfeltet som genereres av elektromagneten frastøter magneten i pendelen mens den svinger forbi og gir den et lite spark. Når pendelen beveger seg forbi spolene, slutter strømmen å strømme i bunnen av transistoren, og den slås av. Denne prosessen gjentas hver gang pendelen svinger av spolene … gir den ekstra energien som kreves for å overvinne tapene i systemet og holde alt i bevegelse. Ryddig va? Det som er veldig bra med dette er at det bruker veldig lite strøm og batteriet vil vare lenge. Treklokker som drives av fjærer eller vekter vil bare løpe i et døgn før de må spoles tilbake. De har sin egen appell, men å snu klokken hver dag virket som en smerte for meg. Jeg kan fortsatt bygge en av disse en dag (jeg elsker Arnfield -rømninger), men foreløpig blir det elektronikk i stedet for tyngdekraften.

Så første etappe på denne reisen er å finne ut hvordan du bygger den elektromagnetisk impulserte pendelen, da dette ikke bare vil regulere klokken, men også motoren som driver den. Til syvende og sist, i tillegg til denne opplæringen på pendelen, vil jeg publisere en rekke opplæringsprogrammer som dekker design generelt, utstyrsdesign, rammekonstruksjon og deretter setter alt sammen for å fullføre en fungerende klokke. Så fest i … her går vi med designprosessen for pendelen …

Rekvisita

Hovedkomponenten i den elektromagnetisk impulserte pendelen er spolekretsen. Jeg brukte en 10d vanlig spiker (tilgjengelig i din gjennomsnittlige jernvarehandel) som ferritkjerne. Ledningene til spolene er 35 AWG magnettråd. Dette er en veldig fin tråd belagt med et tynt ikke -ledende materiale. En 2N4401 NPN bipolar junction transistor brukes til å kontrollere strømmen gjennom kretsen. Kapton -tape dekker spikeren og den ferdige kjernen, men du kan bruke stort sett alle typer tape. Spolens endehetter er 1/16 tommer akrylark samt et sylindrisk stykke eik for å huse transistoren og spoleledningene. Ulike biter og skrapstykker ble brukt til resten av prototypemontasjen sammen med dyvelstenger i en rekke diametre. Jeg elsker å jobbe med dyvler … det minner meg om et av mine favoritt barndomsleker … Tinker Toys! Jeg synes de egner seg ganske godt til prototypeutvikling. Strømforsyningen er en plug -in veggmodul som konverterer AC 110 til 9 volt DC. Til syvende og sist vil klokken ende opp med å bli batteridrevet, men foreløpig er plug -in -modulen veldig praktisk og konsekvent. En annen nøkkelkomponent er en neodymmagnet som er innebygd i enden av pendelen. Magneten jeg brukte er 1/2 tommer i diameter og en kvart tomme tykk.

Trinn 1: Coil Core Assembly

Da jeg forsket på spolen, løp jeg over et klokkereparasjonsforum der en av trådene diskuterte detaljene i spoledesignet. De hadde noen flotte bilder som ga meg ideen om hvordan jeg skulle skjule transistoren og tilhørende ledninger i bunnen av spolen. En annen viktig detalj var at de nevnte spolene som inneholdt 4000 svinger. Wow, det hørtes mye ut og skapte litt bekymring i tankene på hvor rimelig det skulle være å pakke inn spolen, men jeg presset på likevel.

Jeg tenkte på hvor stor jeg ønsket at den ferdige spolen skulle være, og satte meg på en tomme i diameter og en centimeter og en kvart lang. Jeg kuttet sirkler på 1 tommers diameter ut av 1/16 -tommers akrylark som skal brukes til endehettene og ytterligere en tommers diameter på en tommel eik på basen. Jeg freset en fjerdedel tommers kanal i eikeskiven, så vel som jeg boret et hull på 3/16 tommer i diameter for å få plass til transistoren. Jeg har også boret små hull for å kunne føre ledningene inn i kanalen i basen. Se bildene for detaljer. I utgangspunktet kuttet jeg en seksjon ut av det nederste akrylstykket for å gjøre det lettere å føre ledningene inn i basen. I ettertid burde jeg bare ha boret små hull for å matche dem i basen. Men ikke så farlig. Det ble også boret hull i akrylbitene og eikestykket for en tettsittende passform over spikeren. Monteringen var som følger: Legg den ikke-hakkede akrylskiven på spikeren. Fest et 1-1/4-tommers tape rundt spikeren som vist, og legg deretter til den hakkede acyliske skiven. Jeg smurte epoxy på eikeskiven og skyv den deretter på neglen slik at den ble limt til akrylskiven.

Før jeg gikk videre til spoleinnpakningsprosessen, gjorde jeg noen raske og skitne beregninger for å få en grov ide om hvor stor den ferdige ledningen ville være og den elektriske motstanden til de to spolene. Det så ut til at jeg ville være i stand til å passe hele ledningen på kjernemontasjen, så jeg var glad.

Trinn 2: Coil Winding Jig

Jeg bestemte meg for at det ville være en enorm smerte å vikle ledningen rundt kjernen for hånd, så inspirert av Tinker Toy -teknologien broste jeg sammen en jigg av plugger og skrapstykker av kryssfiner og MDF. Jeg fant ut at jeg måtte legge en klatt varmt lim på eikeskiven til spolekjernen for å holde den godt på plass. Ellers var det litt for mye friksjon i monteringen, og kjernen ville ikke bevege seg når jeg snudde sveiven. Så med litt mer sliping for ytterligere å redusere friksjonen og diten med varmt lim, var jiggen i drift.

Trinn 3: Spoling av spolene

Ledningen er en spesiell type ledning som kalles magnettråd. Det er en veldig fin enkelt tråd som er belagt med et tynt isolerende materiale. Jeg brukte 35 AWG. Det er veldig vanlig, og akkurat som alt annet kan du få det fra Amazon. Jeg reddet spolen du ser på det første bildet fra søpla på jobben etter en lab -ryddehendelse. Ikke sikker på hvor gammel den er, men den ser ut til å ha blitt kjøpt for mange tiår siden. LOL.

Vi vil pakke to spoler, den ene oppå den andre, over spikeren i kjerneenheten. Det er viktig at begge spolene vikles i samme retning rundt enheten … ellers fungerer det ikke. Hver spole vil ha omtrent 4000 vikler rundt neglen. Nå er det ikke så stor avtale hvis du ikke ender med nøyaktig 4000 svinger på hver spole, så du trenger ikke å svette den detaljen, men jeg hadde en notisblokk som jeg pleide å holde styr på. Det tok noen timer å fullføre innpakningsprosessen, men jeg skrudde bare på en fotballkamp for å se så jeg ikke ble lei. Jeg kunne gjøre omtrent 50 svinger rundt spikeren hver pasning, så jeg skulle gjøre et par pasninger for å få hundre vikler og notere det på notatblokken og fortsatte til jeg kom til 4000 omslag.

Her er prosessen for innpakning: Begynn å pakke den indre spolen ved å tre 2 eller 3 tommer tråd inn i eikebunnen. Merk enden av denne ledningen "1". Fullfør dine 4000 wraps og sørg for at du havner tilbake på eikebunnen av kjernen. Klipp av tråden og la ca 2 eller 3 tommer ekstra lengde være slik at du kan tre den tilbake i eikebunnen. Merk denne enden som "2". Start den ytre spolen på samme måte ved å tre 2 eller 3 tommer tråd inn i eikebunnen. Merk denne enden "3". Gjør ytterligere 4000 omdreininger, klipp av tråden og tre enden inn i basen på samme måte som før. Merk denne enden som "4". Bildene 4 og 5 viser det endelige resultatet av innpakningsprosessen. Igjen … Sørg for at du pakker både den indre og den ytre spolen i samme retning !!!

Trinn 4: Fullfør kretsen

Som du kan se i skjematikken, er kretsen ekstremt enkel, noe som gjør denne enheten så utrolig kul. Jeg har sett lignende prosjekter som brukte prosessorer i stedet … som for meg er som å bruke en slegge for å drepe en flue. Jeg mener ikke å slå den typen prosjekter, men jeg er bare en stor fan av design som gjør jobben med det laveste kompleksitetsnivået.

På det andre bildet lekte jeg med forskjellige rutestrategier for ledningene. Jeg har sannsynligvis gjort en større avtale ut av det enn jeg burde. Det er bare et par viktige punkter … bare koble den som skjematisk, men siden strømforsyningen kommer til å være ekstern til spolenheten må du ha ledningene som skal kobles til strømkilden som stikker ut bunnen av enheten. Med andre ord: V+ ledningen går til kollektoren til transistoren og V-ledningen går til ledningen merket "2" på spolenheten. Så bunnlinjen din spoleenhet vil ha en positiv og en negativ terminal. Det er en god idé å merke disse som sådan når du er ferdig, slik at du ikke glemmer hvilken som er hvilken. Ah … jeg glemte nesten. Du må bruke et stykke fint sandpapir for å fjerne det isolerende belegget på magnettråden før du lodder det! For klarhet i den skjematiske … "Lo" er den ytre spolen og "Li" er den indre spolen, og vær også oppmerksom på at jeg har merket endene på spoletrådene 1, 2, 3 og 4 for å matche hvordan vi gjorde det da vi pakket inn spolene.

Jeg testet spolen før jeg potte den med epoxy … bra siden jeg hadde gjort en feil! Ha, jeg jinxet meg selv ved å snakke om hvor enkelt alt var. Så sørg for at du tester enheten før du potter den.

For å teste den ferdige monteringen teipet jeg en sjelden jordmagnet til en trådlengde og dinglet den like over spikerhodet i spolen. Koble deretter strømmen til spolen og sving magneten forbi spikerhodet. Det bør ta av seg selv. Det er et søtt sted for avstanden mellom magneten og spikerhodet. For nær og bevegelsen er rykkete … for langt, og det vil ikke fungere.

Det siste bildet viser den ferdige spolen, så vel som den sjeldne jordmagneten (neodym) som jeg brukte.

Trinn 5: Pendelkomponenter

Når jeg hadde et kjent godt fungerende design for spolemontasjen, trengte jeg å bygge opp en prototype pendel slik at jeg kunne vurdere ytelseskarakteristikken. Jeg var mest nysgjerrig på å finne ut hvor mye strøm enheten brukte, og jeg trengte også å vite hvor stor en bue pendelen ville svinge, da dette ville påvirke hvordan jeg fortsatte med klokkedesignet mitt.

Jeg pakket spolenheten inne i en liten trekasse og la til en bryter og strømtilkobling. Boksen passet inne i en utskjæring på bunnen av basenheten vist på bilde to. Alt passet friksjon slik at jeg kunne gjøre justeringer underveis for å få optimal ytelse. Jeg la et messingrør til stående i bilde 3 for å redusere friksjonen. Jeg brukte en 10d spiker til pinnen for å koble pendelen til det oppreiste stykket. På bilde 5 kan du se den sjeldne jordmagneten i enden av pendelen. Jeg fant aldri noe som sa at magnetpolaritet var viktig. Det ser ikke ut til å ha noen betydning …. hvilken type bugs meg fordi jeg synes det intuitivt burde. Men jeg har aldri vært oppmerksom på det, og det ser alltid ut til å fungere, så jeg tror ikke det. Det siste bildet viser 9 volt likestrømkilden. Strømkapasiteten på 1 amp er overkill … den trenger ikke å være i nærheten av det som jeg fant ut senere.

Trinn 6: Montering av pendelen

Basen er en to tommers tykk del av furu. Jeg ville at det skulle være tungt for å forhindre at enheten tippet når pendelen svingte. Selv om dette var en prototype, bestemte jeg meg likevel for å kle den litt og trimme den ut med tynne biter av rød sedertre. Kunne ikke hjelpe meg selv!:)

Spolemodulen kobles til undersiden av basen (bilde 2) og det hele vendes med høyre side opp (bilde 3). Stativet settes inn i toppen av basen (bilde 4). Det er en friksjonspasning. Før spikeren gjennom messingrøret i stående stilling (bilde 5). Og til slutt trykker du pendelen på spikeren (siste bilde).

Jeg justerte pendelen slik at det var et lite gap mellom den og basen.

Trinn 7: Prototype ytelsesresultater

Ved å ta en titt på diagrammet som jeg plasserte bak arbeidspendelen i videoen, kan du se at pendelen svinger forbi midtlinjen, men ikke helt kommer forbi den siste linjen. Dette plasserer hele buen som pendelen svinger mellom 72 og 80 grader … Jeg anslår rundt 75 grader. Dette er verdifull informasjon når det er på tide å designe rømningen for klokken.

Jeg koblet også en strømprobe til kraftledningen og overvåket strømtrekkingen under drift. Jeg var ekstremt glad for å finne ut at gjennomsnittlig strømtrekk var litt over 2 milliampere !!! Det som er veldig kult med det, er at jeg vil få klokken til å få batteri. Hvis jeg bruker C -batterier får jeg over 5 måneders kjøretid før jeg må bytte batterier. Ikke værst!

Grunnen til at jeg er spent på å bruke batterier er at jeg ikke vil at en strømkabel skal løpe til klokken og gi bort hemmeligheten om hvordan den fungerer. Jeg vil gjemme batteriene i bunnen av klokken. Pluss at jeg kan sette den hvor som helst.

Trinn 8: Kommer neste …

Som du kan se har jeg vært opptatt med de neste trinnene i klokkeutformingen. Jeg ble utbrent av å klippe tannhjulene. Herregud, det er en kjedelig prosess. Hvis jeg noen gang bestemmer meg for å bygge en haug med disse klokkene, tror jeg at jeg vil investere i en fin CNC -ruter !!!

Så mens jeg tok en pause fra å sage ut tannhjulene, skar jeg ut hendene og begynte å jobbe med klokkerammen. Så langt så bra!

Når jeg tenker fremover til den neste instruerbare i denne serien, tror jeg at jeg vil snakke om prosessen jeg gikk gjennom for å designe og bygge tannhjulene, så stå på den.

Ser deg da!

Willy