Elektromagnetisk pendul: 8 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

I slutningen af 1980’erne besluttede jeg, at jeg gerne ville bygge et ur helt ud af træ. På det tidspunkt var der ikke noget internet, så det var meget vanskeligere at forske, end det er i dag … selvom det lykkedes mig at samle et meget groft hjul og et pendul. Køretiden var begrænset, og det var temmelig besværligt, men det ville klikke med et par minutter, før vægten ville røre gulvet. Også mine ressourcer… værktøjer, penge, træbearbejdningskompetencer… var begrænsede, hvilket gjorde arbejdet med projektet ret frustrerende. Så for tiden blev træurdrømmen opgivet. Spol frem 30 plus år. Jeg er pensionist nu, jeg har mange virkelig gode værktøjer, og mine træbearbejdningsevner er forbedret dramatisk. Jeg har også adgang til computere, fantastisk computer -aided design (CAD) software og internettet. Så urprojektet er tilbage. Jeg har besluttet mig for at skrive om processen, mens jeg arbejder mig igennem designet. Det virker bare som en sjov ting at gøre.

I første omgang ville jeg bygge et ur, der blev drevet af tyngdekraften og reguleret af et pendul. For nylig, da jeg tilfældigt gravede rundt på internettet, stødte jeg på en fyr på øen Kauai, der designer træure og andre former for "kinetisk kunst". Han hedder Clayton Boyer. Det var opdagelsen af Mr. Boyers urdesign, der inspirerede mig til at fortsætte mit eget urprojekt. Et af hans designs, der fascinerede mig, blev kaldt "Toucan". Den vandring, der blev brugt på uret, lignede fuglens regning med samme navn. Det var et sjovt ur at se, og designet var meget finurligt, men det, der i sidste ende fangede min opmærksomhed, var, hvordan det blev kørt. Der var ingen vægte eller fjedre. Pendulet syntes magisk at svinge frem og tilbage uden tab af energi. Hemmeligheden var et elektromagnetisk drivsystem, der var skjult i bunden af uret og en magnet på enden af pendulet. Da jeg var elektrotekniker, syntes jeg, at det var virkelig fedt, og jeg besluttede mig for at finde ud af, hvordan det hele fungerede og bygge min egen version af Mr. Boyers Toucan. For at være sikker … Jeg kunne lige have købt planerne for uret, da de var tilgængelige for omkring $ 35, men hvor er det sjove i det?

Efter lidt mere grave rundt på internettet fandt jeg ud af, at konceptet dateres tilbage til begyndelsen af 1960’erne med Kundo Anniversary Clocks. De blev drevet af et tørcellebatteri og ville køre i et år eller deromkring, før du skulle skifte batteri (dermed antager jeg navnet). Enkelheden i drivkredsløbet fascinerede mig. Der var to spoler (et sår oven på det andet), en germanium -transistor og et batteri. Det er alt! Jeg elsker simple ting, der virker, og det kunne ikke blive meget enklere. En af spolerne er forbundet til transistorens basisindgang, og den anden spole er i transistorens udgangsside i serie med batteriet. Den anden brik i puslespillet var en magnet monteret på enden af et pendul. Når pendulet svinger af spolerne, inducerer magneten en strøm i spolen, der driver transistorens bund. Dette får transistoren til at tænde, og strøm strømmer i udgangskredsløbet fra batteriet gennem spolen, der er i serie med det. Der er også en transformereffekt, der får mere strøm til at blive induceret i inputspolen til det punkt, hvor transistoren mættes. Den maksimale strømmængde strømmer nu i transistorens udgangsside, og spolen i det kredsløb får fuld strøm fra batteriet og skaber således en elektromagnet med samme polaritet som magneten i pendulet. Timingen er sådan, at magnetfeltet, der genereres af elektromagneten, afviser magneten i pendulet, mens den svinger forbi og giver den et lille spark. Når pendulet bevæger sig forbi spolerne, stopper strømmen med at flyde i bunden af transistoren, og den slukker. Denne proces gentages hver gang pendulet svinger af spolerne … leverer den ekstra energi, der kræves for at overvinde tabene i systemet og holde alt i bevægelse. Pænt huh? Det der virkelig er godt ved dette er, at det bruger meget lidt strøm, og batteriet holder længe. Træure, der drives af fjedre eller vægte, løber kun et par dage, før de skal spoles tilbage. De har deres egen appel, men at sno uret hver dag virkede som en smerte for mig. Jeg kan stadig bygge en af disse en dag (jeg elsker Arnfield -flugt), men for nu vil det være elektronik i stedet for tyngdekraften.

Så det første ben i denne rejse er at finde ud af, hvordan man bygger det elektromagnetisk impulserede pendul, da dette ikke kun vil regulere uret, men også være motoren, der driver det. I sidste ende ud over denne tutorial på pendulet vil jeg offentliggøre en række selvstudier, der dækker ure design generelt, gear design, rammekonstruktion og derefter sætte det hele sammen for at fuldføre et arbejdsur. Så spænd fast … her går vi med designprocessen til pendulet …

Forbrugsvarer

Hovedkomponenten i det elektromagnetisk impulserede pendul er spolekredsløbet. Jeg brugte en 10d almindelig søm (tilgængelig i din gennemsnitlige isenkræmmer) som ferritkernen. Ledningerne til spolerne er 35 AWG magnettråd. Dette er en meget fin tråd belagt med et tyndt ikke -ledende materiale. En 2N4401 NPN bipolar junction transistor bruges til at styre strømmen gennem kredsløbet. Kapton tape dækker søm og den færdige kerne, men du kan bruge stort set enhver form for tape. Spolens endehætter er 1/16 tommer akrylplade samt et cylindrisk stykke egetræ til at huse transistoren og spoleledningerne. Forskellige bits og stykker skrot blev brugt til resten af prototypemontagen sammen med dyvelstænger i et antal diametre. Jeg elsker at arbejde med dyvler … det minder mig om et af mine foretrukne barndomslegetøj … Tinker Toys! Jeg synes, de egner sig ganske godt til prototypeudvikling. Strømforsyningen er et stik i vægmodul, der konverterer AC 110 til 9 volt DC. I sidste ende vil uret ende med at blive batteridrevet, men foreløbig er plug -in -modulet meget praktisk og konsekvent. En anden vigtig komponent er en neodymiummagnet, der er indlejret i enden af pendulet. Magneten, jeg brugte, er 1/2 tommer i diameter og en kvart tomme tyk.

Trin 1: Coil Core Assembly

Da jeg lavede min research til spolen, løb jeg over et urreparationsforum, hvor en af trådene diskuterede detaljerne i spoledesignet. De havde nogle flotte billeder, der gav mig ideen til, hvordan jeg kunne skjule transistoren og tilhørende ledninger i bunden af spolen. En anden vigtig detalje var, at de nævnte spolerne indeholdende 4000 omdrejninger. Wow, det lød som meget og skabte lidt bekymring i baghovedet om, hvor rimeligt det ville være at pakke spolen ind, men jeg trykkede på alligevel.

Jeg tænkte på, hvor stor jeg ville have, at den færdige spole skulle være og slog sig ned på en tomme i diameter og en tomme og en kvart lang. Jeg skar 1 cm diameter cirkler ud af 1/16 tommer akrylark til brug til endehætterne og en anden 1 tommer diameter disk fra et 1/2 tommer tykt stykke egetræ til basen. Jeg fræsede en kvart tommer kanal i egetræsdisken samt borede et hul på 3/16 tommer i diameter for at rumme transistoren. Jeg borede også små huller for at kunne føre ledningerne ind i kanalen i basen. Se billederne for detaljer. I første omgang skar jeg en sektion ud af det nederste akrylstykke for at gøre det lettere at føre ledningerne ind i basen. Set i bakspejlet skulle jeg lige have boret små huller for at matche dem i basen. Men ikke noget problem. Der blev også boret huller i akrylstykkerne og egstykket for en tæt pasform over sømmet. Monteringen var som følger: Læg den ikke-hakkede akrylskive på sømmet. Pak et 1-1/4 tommer stykke tape rundt om sømmet som vist, og tilføj derefter den hakkede acylisk disk. Jeg påførte epoxy på egetræsdisken og gled den derefter på neglen, så den blev bundet til akrylskiven.

Inden jeg gik videre til spoleindpakningsprocessen, lavede jeg nogle hurtige og beskidte beregninger for at få en grov ide om, hvor stor den færdige ledning ville være og de to spolers elektriske modstand. Det så ud til, at jeg ville være i stand til at montere hele ledningen på min kerneenhed, så jeg var glad.

Trin 2: Coil Winding Jig

Jeg besluttede, at det ville være en enorm smerte at vikle tråden rundt om kernen helt i hånden, så inspireret af Tinker Toy -teknologien samlede jeg en jig ud af dyvler og skrotstykker af krydsfiner og MDF. Jeg fandt ud af, at jeg var nødt til at lægge en klat varm lim på egeskiven i spolekernen for at holde den tæt på plads. Ellers var der lidt for meget friktion i samlingen, og kernen ville ikke bevæge sig, når jeg drejede håndsvinget. Så med lidt mere slibning for yderligere at reducere friktionen og en klat af varm lim var jiggen operationel.

Trin 3: Vikling af spolerne

Tråden er en særlig type tråd kaldet magnettråd. Det er en meget fin enkeltstrenget tråd, der er belagt med et tyndt isolerende materiale. Jeg brugte 35 AWG. Det er meget almindeligt, og ligesom næsten alt andet kan du få det fra Amazon. Jeg reddede den spole, du ser på det første billede, fra skraldespanden på arbejde efter en laboratorieoprydning. Ved ikke hvor gammel den er, men det ser ud til at være købt for mange årtier siden. LOL.

Vi vil vikle to spoler, den ene oven på den anden, over sømmet i kerneenheden. Det er vigtigt, at begge spoler vikles i samme retning omkring samlingen … ellers virker det ikke. Hver spole vil have cirka 4000 vikler omkring neglen. Nu er det ikke så stort, hvis du ikke ender med præcis 4000 omdrejninger på hver spole, så du ikke behøver at svede den detalje, men jeg havde et notesblok, som jeg plejede at holde styr på. Det tog et par timer at fuldføre indpakningsprocessen, men jeg tænder bare for en fodboldkamp for at se, så jeg ikke keder mig. Jeg kunne lave omkring 50 omdrejninger omkring sømmet hver pasning, så jeg ville lave et par afleveringer for at få hundrede indpakninger og notere det på min notesblok og fortsatte, indtil jeg nåede 4000 omslag.

Her er processen til indpakning: Start indpakningen af den indvendige spole ved at tråde 2 eller 3 tommer tråd ind i bunden af egetræet. Mærk enden af denne ledning "1". Gennemfør dine 4000 indpakninger, og sørg for at havne tilbage ved kernens egetræsenden. Klip tråden, og lad ca. Mærk denne ende "2". Start den ydre spole på samme måde ved at tråde 2 eller 3 tommer tråd ind i egetræsfoden. Mærk denne ende "3". Lav yderligere 4000 omdrejninger, klip tråden, og tråd enden ind i bunden på samme måde som før. Mærk denne ende "4". Billeder 4 og 5 viser det endelige resultat af indpakningsprocessen. Igen … Sørg for, at du pakker både den indre og den ydre spole i samme retning !!!

Trin 4: Afslutning af kredsløbet

Som du kan se i skematikken, er kredsløbet ekstremt enkelt, hvilket gør denne enhed så utrolig sej. Jeg har set lignende projekter, der brugte processorer i stedet … hvilket for mig er som at bruge en slædehammer til at dræbe en flue. Jeg mener ikke at banke den slags projekter, men jeg er bare en rigtig stor fan af designs, der får jobbet udført med det laveste kompleksitetsniveau.

På det andet billede legede jeg med forskellige routingsstrategier for ledningerne. Jeg har nok gjort en større aftale ud af det, end jeg burde. Der er kun et par nøglepunkter … bare tilslut den som skematisk, men da strømforsyningen kommer til at være ekstern i forhold til spolemodulet, skal du have de ledninger, der tilsluttes strømkilden, der stikker bunden af enheden ud. Med andre ord: V+ -tråden går til transistorens kollektor, og V-ledningen går til ledningen mærket "2" på din spoleenhed. Så bundlinjen vil din spoleenhed have en positiv og en negativ terminal. Det er en god idé at mærke disse som sådan, når du er færdig, så du ikke glemmer, hvilken der er hvilken. Ah… jeg glemte næsten. Du skal bruge et stykke fint sandpapir til at fjerne den isolerende belægning på magnetwiren, før du lodder det! For klarhed over den skematiske … "Lo" er den ydre spole og "Li" er den indre spole, og vær også opmærksom på, at jeg har mærket enderne på spoletrådene 1, 2, 3 og 4, så de matcher, hvordan vi gjorde det da vi pakkede spolerne ind.

Jeg testede spolen, før jeg potte den med epoxy … godt, da jeg havde begået en fejl! Ha, jeg jinxede mig selv ved at tale om, hvor simpelt alt var. Så sørg for at teste din samling, før du putter den.

For at teste den færdige samling tapede jeg en sjælden jordmagnet til en trådlængde og dinglede den lige over hovedet på sømmen i spolen. Tilslut derefter strømmen til spolen og sving magneten forbi sømhovedet. Det burde tage af sig selv. Der er et sødt sted for afstanden mellem magneten og sømhovedet. For tæt på og bevægelsen er rykende … for langt, og det virker ikke.

Det sidste billede viser den færdige spole samt den sjældne jordart (neodym) magnet, som jeg brugte.

Trin 5: Pendulkomponenter

Når jeg havde et kendt godt fungerende design til spoleenheden, havde jeg brug for at bygge en prototype pendul, så jeg kunne vurdere dens ydeevneegenskaber. Jeg var mest nysgerrig efter at finde ud af, hvor meget strøm enheden brugte, og jeg havde også brug for at vide, hvor stor en bue pendulet ville svinge, da dette ville påvirke, hvordan jeg fortsatte med mit urdesign.

Jeg pakkede min spolemontage inde i en lille trækasse og tilføjede en kontakt og strømforbindelse. Kassen passer ind i en udskæring i bunden af baseenheden vist på billede to. Alt passede til friktion, så jeg undervejs kunne foretage justeringer for at få optimal ydeevne. Jeg tilføjede et messingrør til opretstående i billede 3 for at reducere friktionen. Jeg brugte en 10d søm til stiften til at forbinde pendulet til det opretstående stykke. På billede 5 kan du se den sjældne jordartsmagnet i enden af pendulet. Jeg fandt aldrig noget, der sagde, at magnetpolariteten var vigtig. Det ser ikke ud til at være ligegyldigt…. hvilken slags bugs mig, fordi jeg intuitivt på en eller anden måde synes, det burde. Men jeg har aldrig været opmærksom på det, og det ser altid ud til at fungere, så det tror jeg ikke. Det sidste billede viser 9 volt DC strømkilden. Strømkapaciteten på 1 amp er overkill … det behøver ikke at være tæt på det, som jeg fandt ud af senere.

Trin 6: Montering af pendulet

Basen er en to tommer tyk klump fyr. Jeg ville have det til at være tungt for at forhindre forsamlingen i at vælte, når pendulet svingede. Selvom dette var en prototype, besluttede jeg stadig at klæde det lidt på og trimmede det ud med tynde stykker rød cedertræ. Kunne ikke hjælpe mig selv!:)

Spolemodulet tilsluttes bunden af bunden (billede 2), og det hele vendes med højre side op (billede 3). Den lodrette er indsat i toppen af basen (billede 4). Det er en friktionspasning. Sæt sømmet gennem messingrøret i lodret stilling (billede 5). Og tryk endelig pendulet på sømmet (sidste billede).

Jeg justerede pendulet, så der var et lille mellemrum mellem det og basen.

Trin 7: Prototype præstationsresultater

Ved at se på diagrammet, som jeg placerede bag arbejdspendulet i videoen, kan du se, at pendulet svinger forbi midterlinjen, men ikke helt når det forbi den sidste linje. Dette placerer hele den bue, som pendulet svinger mellem 72 og 80 grader … Jeg anslår omkring 75 grader. Dette er værdifuld information, når det er tid til at designe vandreflugten til uret.

Jeg har også tilsluttet en strømprobe til strømledningen og overvåget strømforbruget under drift. Jeg var yderst glad for at finde ud af, at den gennemsnitlige strømtrækning var lidt over 2 milliampere !!! Det, der virkelig er fedt ved det, er, at jeg vil være i stand til at få urets batteri til at køre. Hvis jeg bruger C -batterier, får jeg mere end 5 måneders driftstid, før jeg skal skifte batterier. Ikke dårligt!

Grunden til, at jeg er begejstret for at bruge batterier, er, at jeg ikke vil have et strømkabel til at køre til uret, der giver hemmeligheden om, hvordan det fungerer, væk. Jeg skjuler batterierne i bunden af uret. Plus jeg vil kunne placere det overalt.

Trin 8: Næste …

Som du kan se, har jeg haft travlt med de næste trin i mit urdesign. Jeg blev brændt ud af at skære tandhjulene. Åh gud det er en kedelig proces. Hvis jeg nogensinde beslutter mig for at bygge en flok af disse ure, tror jeg på, at jeg vil investere i en flot CNC -router !!!

Så mens jeg tog en pause fra at save geartænder ud, skar jeg hænderne ud og begyndte at arbejde på urrammen. Så langt så godt!

Da jeg tænker frem til den næste instruerbare i denne serie, tror jeg, at jeg vil tale om den proces, jeg gennemgik for at designe og bygge gearene, så stå ved den.

Vi ses!

Willy