Электромагнитный маятник: 8 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:48

Еще в конце 80-х я решил, что хочу построить часы полностью из дерева. В то время не было Интернета, поэтому проводить исследования было гораздо труднее, чем сегодня… хотя мне удалось собрать очень грубое колесо и маятниковый спуск. Время работы было ограничено, и это было довольно неудобно, но он щелкал в течение нескольких минут, прежде чем вес коснулся пола. Также были ограничены мои ресурсы… инструменты, деньги, навыки работы с деревом… что делало работу над проектом довольно утомительной. Так что на время от мечты о деревянных часах отказались. Перенесемся на 30 с лишним лет вперед. Сейчас я на пенсии, у меня много действительно отличных инструментов, и мои навыки работы с деревом резко улучшились. У меня также есть доступ к компьютерам, потрясающему программному обеспечению автоматизированного проектирования (САПР) и Интернету. Итак, проект часов снова включен. Я решил написать о процессе по мере того, как я работаю над дизайном. Это кажется забавным занятием.

Изначально я хотел построить часы, которые приводятся в движение силой тяжести и регулируются маятником. Недавно, случайно копаясь в Интернете, я наткнулся на парня на острове Кауаи, который разрабатывает деревянные часы и другие виды «кинетического искусства». Его зовут Клейтон Бойер. Именно открытие часов г-на Бойера вдохновило меня на продолжение моего собственного проекта часов. Один из его проектов, который меня очаровал, назывался «Тукан». Ходячий спуск, использованный на часах, напоминал клюв одноименной птицы. На эти часы было интересно смотреть, и дизайн был очень причудливым, но в конечном итоге мое внимание привлекло то, как они управляются. Никаких грузиков и пружин не было. Маятник, казалось, волшебным образом раскачивался взад и вперед без потери энергии. Секрет заключался в системе электромагнитного привода, спрятанной в основании часов и магните на конце маятника. Будучи инженером-электриком, я подумал, что это действительно круто, и решил выяснить, как все это работает, и создать свою собственную версию Тукана мистера Бойера. Чтобы быть уверенным … Я мог бы просто купить планы на часы, так как они были доступны примерно за 35 долларов, но где в этом веселье?

Еще немного покопавшись в Интернете, я обнаружил, что эта концепция восходит к началу 1960-х годов с юбилейными часами Kundo. Они питались от сухой батареи и проработали около года, прежде чем вам пришлось менять батарею (отсюда и название, я полагаю). Меня заинтриговала простота схемы привода. Были две катушки (одна намотана поверх другой), германиевый транзистор и батарея. Это все! Я люблю простые вещи, которые работают, и это не может быть намного проще. Одна из катушек подключена к базовому входу транзистора, а другая катушка находится на выходной стороне транзистора последовательно с батареей. Другой частью головоломки был магнит, закрепленный на конце маятника. Когда маятник движется по катушкам, магнит индуцирует ток в катушке, приводящей в движение базу транзистора. Это вызывает включение транзистора, и ток течет в выходной цепи от батареи через катушку, которая включена последовательно с ней. Существует также эффект трансформатора, который вызывает наведение большего тока во входной катушке до точки насыщения транзистора. Максимальный ток теперь протекает на выходной стороне транзистора, и катушка в этой цепи полностью запитывается от батареи, создавая электромагнит с той же полярностью, что и магнит в маятнике. Время таково, что магнитное поле, создаваемое электромагнитом, отталкивает магнит в маятнике, когда он движется, и дает ему небольшой толчок. Как только маятник проходит мимо, ток катушки перестает течь в базе транзистора, и он выключается. Этот процесс повторяется каждый раз, когда маятник раскачивается катушками… обеспечивая дополнительную энергию, необходимую для преодоления потерь в системе и поддержания всего в движении. Аккуратно, да? Что действительно замечательно в этом, так это то, что он потребляет очень мало энергии, а батареи хватает на долгое время. Деревянные часы, приводимые в движение пружинами или гирями, будут работать всего день или около того, прежде чем их придется заводить. У них есть свои прелести, но заводить часы каждый день казалось мне болью. Я все еще могу построить один из них когда-нибудь (я люблю спусковые механизмы Арнфилда), но сейчас это будет электроника, а не гравитация.

Итак, первый этап этого путешествия - выяснить, как построить маятник с электромагнитными импульсами, поскольку он будет не только регулировать часы, но и быть двигателем, который их приводит в движение. В конце концов, в дополнение к этому руководству по маятнику я опубликую ряд руководств, охватывающих проектирование часового механизма в целом, конструкцию шестерен, конструкцию рамы, а затем соберу все это вместе, чтобы создать рабочие часы. Итак, пристегнитесь … вот мы и приступим к процессу проектирования маятника …

Запасы

Основным компонентом маятника с электромагнитными импульсами является цепь катушки. В качестве ферритового сердечника я использовал обычный гвоздь 10d (можно купить в обычном хозяйственном магазине). Электропроводка для катушек представляет собой магнитопровод 35 AWG. Это очень тонкий провод, покрытый тонким непроводящим материалом. Биполярный переходной транзистор 2N4401 NPN используется для управления током, протекающим по цепи. Каптоновая лента покрывает гвоздь и готовую сердцевину, но вы можете использовать практически любую ленту. Торцевые крышки катушки представляют собой акриловый лист толщиной 1/16 дюйма, а также цилиндрический кусок дуба для размещения транзистора и проводки катушки. Для остальной части сборки прототипа использовались различные кусочки и куски древесного лома, а также дюбели разных диаметров. Я люблю работать с дюбелями… это напоминает мне одну из моих любимых детских игрушек… Тинкер-игрушки! Я считаю, что они неплохо подходят для разработки прототипов. Блок питания представляет собой подключаемый к стене модуль, который преобразует переменный ток 110 в постоянный ток 9 вольт. В конечном итоге часы будут питаться от батареи, но на данный момент подключаемый модуль очень удобен и прочен. Еще один ключевой компонент - неодимовый магнит, встроенный в конец маятника. Магнит, который я использовал, имеет диаметр 1/2 дюйма и толщину четверть дюйма.

Шаг 1: Сборка сердечника катушки

Во время исследования катушки я наткнулся на форум по ремонту часов, где в одной из веток обсуждались детали конструкции катушки. У них было несколько отличных изображений, которые натолкнули меня на идею, как скрыть транзистор и связанную с ним проводку в основании катушки. Другой ключевой деталью было то, что они упомянули катушки, содержащие 4000 витков. Вау, это звучало очень много и вызвало у меня беспокойство по поводу того, насколько разумно было бы оборачивать катушку, но я, тем не менее, продолжал.

Я подумал о том, насколько большой я хотел бы получить готовую катушку, и остановился на дюйме в диаметре и в дюйме с четвертью в длину. Я вырезал круги диаметром 1 дюйм из акрилового листа 1/16 дюйма, чтобы использовать его для торцевых заглушек, и еще один диск диаметром 1 дюйм из куска дуба толщиной 1/2 дюйма для основы. Я фрезеровал канал в четверть дюйма в дубовом диске, а также просверлил отверстие диаметром 3/16 дюйма для транзистора. Я также просверлил небольшие отверстия, чтобы можно было провести проводку в канале основания. Смотрите изображения для деталей. Сначала я вырезал часть из нижней акриловой детали, чтобы упростить ввод проводов в основание. Оглядываясь назад, я должен был просто просверлить небольшие отверстия, чтобы они совпадали с отверстиями в основании. Но ничего страшного. Также были просверлены отверстия в акриловых деталях и дубовых деталях для плотного прилегания к ногтю. Сборка была следующей: Установите акриловый диск без выемки на ноготь. Оберните 1-1 / 4-дюймовый кусок ленты вокруг гвоздя, как показано, а затем добавьте зубчатый ациловый диск. Я нанес эпоксидную смолу на дубовый диск, а затем надел ее на гвоздь так, чтобы он приклеился к акриловому диску.

Прежде чем я перешел к процессу наматывания катушек, я сделал несколько быстрых и грязных расчетов, чтобы получить приблизительное представление о том, насколько большой будет готовая проводка и электрическое сопротивление двух катушек. Оказалось, что я смогу вставить весь провод в сердечник, так что я был счастлив.

Шаг 2: приспособление для намотки катушки

Я решил, что обернуть проволоку вокруг сердечника полностью вручную будет огромной проблемой, поэтому, вдохновившись технологией Tinker Toy, я сколотил приспособление из дюбелей и обрезков фанеры и МДФ. Я обнаружил, что мне пришлось нанести немного горячего клея на дубовый диск сердечника катушки, чтобы он плотно удерживался на месте. В противном случае трение в сборке было слишком большим, и сердечник не сдвинулся бы с места, когда я повернул кривошип. Таким образом, после небольшого количества шлифовки для дальнейшего уменьшения трения и нанесения горячего клея кондуктор заработал.

Шаг 3: Намотка катушек

Проволока - это особый тип проволоки, называемый магнитной проволокой. Это очень тонкий одножильный провод, покрытый тонким изоляционным материалом. Я использовал 35 AWG. Это очень распространено, и, как и все остальное, вы можете получить его на Amazon. Я спас катушку, которую вы видите на первом снимке, из мусорного ведра на работе после чистки в лаборатории. Не знаю, сколько ему лет, но похоже, что он был куплен много десятилетий назад. РЖУ НЕ МОГУ.

Мы будем наматывать две катушки, одну поверх другой, на гвоздь в сборке сердечника. Важно, чтобы обе катушки были намотаны вокруг сборки в одном направлении… иначе это не сработает. Каждая катушка будет иметь около 4000 витков вокруг гвоздя. Теперь это не такая уж большая проблема, если у вас не будет ровно 4000 витков на каждой катушке, поэтому вам не нужно беспокоиться об этой детали, но у меня был блокнот, который я использовал для отслеживания. На завершение процесса упаковки ушло несколько часов, но я просто включил футбольный матч, чтобы посмотреть, чтобы мне не было скучно. Я мог делать около 50 оборотов вокруг гвоздя за каждый проход, поэтому я делал пару проходов, чтобы получить сотню обертываний, и отмечать это в своем блокноте, и продолжал, пока не добрался до 4000 витков.

Вот процесс обертывания: начните наматывать внутреннюю катушку, продев 2 или 3 дюйма проволоки в дубовую основу. Обозначьте конец этого провода "1". Завершите свои 4000 обертываний и убедитесь, что вы снова оказались на дубовом конце сердцевины. Обрежьте проволоку и оставьте примерно 2 или 3 дюйма дополнительной длины, чтобы можно было продеть ее обратно в дубовую основу. Обозначьте этот конец цифрой "2". Таким же образом запустите внешнюю катушку, продев 2 или 3 дюйма проволоки в дубовую основу. Обозначьте этот конец цифрой «3». Сделайте еще 4000 витков, обрежьте проволоку и проденьте конец в основание так же, как и раньше. Обозначьте этот конец "4". На рисунках 4 и 5 показан окончательный результат процесса упаковки. Опять же… Убедитесь, что вы наматываете внутреннюю и внешнюю катушки в одном направлении !!!

Шаг 4: Завершение схемы

Как вы можете видеть на схеме, схема чрезвычайно проста, что делает это устройство невероятно крутым. Я видел похожие проекты, в которых вместо этого использовались процессоры … что для меня все равно, что убить муху кувалдой. Я не собираюсь отказываться от подобных проектов, но я просто большой поклонник дизайнов, которые выполняют работу с минимальным уровнем сложности.

На втором снимке я экспериментировал с разными стратегиями прокладки проводов. Я, наверное, сделал из этого большую сделку, чем следовало бы. Есть только пара ключевых моментов … просто подключите его, как на схеме, но поскольку источник питания будет внешним по отношению к узлу катушки, вам необходимо, чтобы провода, которые будут подключаться к источнику питания, торчали из нижней части узла. Другими словами: провод V + идет к коллектору транзистора, а провод V- идет к проводу с меткой «2» на сборке катушки. Таким образом, ваша катушка в сборе будет иметь положительную и отрицательную клеммы. Когда вы закончите, пометьте их как таковые, чтобы не забыть, какой из них какой. Ах… чуть не забыл. Вам нужно будет использовать кусок мелкой наждачной бумаги, чтобы удалить изоляционное покрытие с магнитного провода, прежде чем паять его! Для ясности схемы… «Lo» - это внешняя катушка, а «Li» - внутренняя катушка, а также обратите внимание, что я пометил концы проводов катушки 1, 2, 3 и 4, чтобы они соответствовали тому, как мы это сделали. когда мы наматывали катушки.

Я проверил катушку перед тем, как залить ее эпоксидной смолой… хорошо, так как я сделал ошибку! Ха, я сглазил, говоря о том, как все было просто. Поэтому обязательно проверьте свою сборку перед заливкой.

Чтобы проверить готовую сборку, я прикрепил магнит из редкоземельного металла к отрезку резьбы и повесил его над шляпкой гвоздя в катушке. Затем подключите питание к катушке и проведите магнитом мимо шляпки гвоздя. Он должен взлететь сам по себе. Между магнитом и шляпкой гвоздя есть идеальное место. Слишком близко - движение резкое… слишком далеко - не сработает.

На последнем снимке показана готовая катушка, а также редкоземельный (неодимовый) магнит, который я использовал.

Шаг 5: Компоненты маятника

Как только у меня была заведомо хорошо работающая конструкция катушки в сборе, мне нужно было создать прототип маятника, чтобы я мог оценить его рабочие характеристики. Мне было очень любопытно узнать, сколько энергии использует устройство, и мне также нужно было знать, насколько велика дуга будет качаться маятником, поскольку это повлияет на то, как я буду работать с моей конструкцией часов.

Я упаковал свою катушку в небольшую деревянную коробку и добавил переключатель и разъем питания. Коробка помещается в вырез в нижней части базовой сборки, показанной на рисунке 2. Все было подогнано по трению, так что я мог вносить коррективы по ходу движения, чтобы добиться оптимальной производительности. Я добавил латунную трубку к стойке на рисунке 3, чтобы уменьшить трение. Я использовал гвоздь 10d в качестве штифта, чтобы соединить маятник с вертикальной частью. На рисунке 5 вы видите редкоземельный магнит в конце маятника. Я не нашел ничего, что говорило бы о важности полярности магнита. Кажется, это не имеет значения…. какие ошибки меня беспокоят, потому что интуитивно я почему-то думаю, что это должно быть. Но я никогда не обращал на это внимания, и мне кажется, что это всегда работает, так что я думаю, что нет. На последнем рисунке показан источник питания постоянного тока на 9 вольт. Емкость по току в 1 ампер - это перебор… она не должна быть близка к этой, как я узнал позже.

Шаг 6: сборка маятника

Основа - кусок сосны толщиной два дюйма. Я хотел, чтобы он был тяжелым, чтобы сборка не опрокидывалась, когда маятник раскачивается. Несмотря на то, что это был прототип, я все же решил немного украсить его и отделал тонкими кусочками красного кедра. Ничего не мог с собой поделать!:)

Модуль катушки вставляется в нижнюю часть основания (рисунок 2), и все это переворачивается правой стороной вверх (рисунок 3). Стойка вставляется в верхнюю часть основания (рисунок 4). Это фрикционная посадка. Вставьте гвоздь через латунную трубку в стойку (рисунок 5). И, наконец, прижмите маятник к ногтю (последнее фото).

Я отрегулировал маятник так, чтобы между ним и основанием был небольшой зазор.

Шаг 7: Результаты производительности прототипа

Взглянув на диаграмму, которую я поместил за рабочим маятником на видео, вы можете увидеть, что маятник проходит за среднюю линию, но не совсем проходит мимо последней линии. Это помещает всю дугу, по которой маятник поворачивается между 72 и 80 градусами… Я оцениваю около 75 градусов. Это ценная информация, когда пришло время спроектировать шагающий спуск для часов.

Я также подключил токовый пробник к линии питания и контролировал потребление тока во время работы. Мне было очень приятно узнать, что средний ток потребления составил чуть более 2 мА !!! Что действительно круто, так это то, что я смогу заставить часы работать от батареи. Если я использую батареи типа C, я проработаю более 5 месяцев, прежде чем мне придется менять батареи. Не плохо!

Причина, по которой мне нравится использовать батарейки, заключается в том, что я не хочу, чтобы кабель питания шел к часам, раскрывая секрет того, как они работают. Я спрячу батарейки в основании часов. Плюс смогу положить куда угодно.

Шаг 8. Далее…

Как видите, я был занят следующими этапами разработки своих часов. Я действительно получил ожог при разрезании зубьев шестерни. О, черт возьми, это утомительный процесс. Если я когда-нибудь решу создать несколько таких часов, я верю, что вложу деньги в хороший фрезерный станок с ЧПУ !!!

В перерыве от выпиливания зубьев шестерни я вырезал стрелки и начал работать над корпусом часов. Все идет нормально!

Когда я думаю о следующем руководстве в этой серии, я думаю, что расскажу о процессе, который я прошел, чтобы спроектировать и построить шестерни, так что ждите этого.

Тогда увидимся!

Вилли