Elektromagnētiskais svārsts: 8 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Astoņdesmito gadu beigās es nolēmu, ka es gribētu pilnībā izgatavot pulksteni no koka. Tajā laikā nebija interneta, tāpēc bija daudz grūtāk veikt pētījumus nekā šodien … lai gan man izdevās savākt kopā ļoti neapstrādātu riteni un svārsta izbēgšanu. Darbības laiks bija ierobežots, un tas bija diezgan nestabils, taču tas dažas minūtes noklikšķināja, pirms svars pieskārās grīdai. Arī mani resursi bija ierobežoti… instrumenti, nauda, kokapstrādes prasmes… kas padarīja darbu pie projekta diezgan nomāktu. Tātad, laikam sapnis no koka pulksteņa tika atmests. Ātri uz priekšu 30 gadus. Tagad esmu pensijā, man ir daudz patiešām lielisku instrumentu, un manas kokapstrādes prasmes ir krasi uzlabojušās. Man ir arī piekļuve datoriem, pārsteidzošai datorizēta projektēšanas (CAD) programmatūrai un internetam. Tātad pulksteņa projekts atkal ir ieslēgts. Es esmu nolēmis rakstīt par procesu, strādājot pie dizaina. Šķiet, ka tā ir jautra lieta.

Sākotnēji es gribēju izveidot pulksteni, kuru darbināja gravitācija un regulēja svārsts. Nesen, nejauši rakņājoties internetā, es satiku kādu kolēģi Kauai salā, kurš projektē koka pulksteņus un cita veida “kinētisko mākslu”. Viņa vārds ir Kleitons Boijers. Tieši Bojera kunga pulksteņu dizaina atklāšana iedvesmoja mani turpināt savu pulksteņa projektu. Viens no viņa dizainiem, kas mani aizrāva, tika saukts par “Toucan”. Pulkstenī izmantotais pastaigas ceļš atgādināja tāda paša nosaukuma putna rēķinu. To bija jautri skatīties, un dizains bija ļoti dīvains, bet galu galā manu uzmanību piesaistīja tas, kā tas tika vadīts. Nebija svaru vai atsperu. Šķita, ka svārsts maģiski šūpojas šurpu turpu, nezaudējot enerģiju. Noslēpums bija elektromagnētiskā piedziņas sistēma, kas paslēpta pulksteņa pamatnē, un magnēts svārsta galā. Būdams elektroinženieris, es domāju, ka tas ir patiešām forši, un es nolēmu izdomāt, kā tas viss darbojas, un izveidot savu Boyer kunga Toucan versiju. Lai būtu drošs … es varētu tikko iegādāties pulksteņa plānus, jo tie bija pieejami par aptuveni 35 ASV dolāriem, bet kur tur ir jautrība?

Vēl mazliet papētot internetā, es atklāju, ka šī koncepcija aizsākās 1960. gadu sākumā ar Kundo jubilejas pulksteņiem. Tos darbināja sausā elementa akumulators, un tie darbosies apmēram gadu, pirms jums bija jāmaina akumulators (tātad nosaukums, es domāju). Piedziņas ķēdes vienkāršība mani ieinteresēja. Bija divas spoles (viena brūce virs otras), germānija tranzistors un akumulators. Tas ir viss! Man patīk vienkāršas lietas, kas darbojas, un tas nevar būt daudz vienkāršāk. Viena no spolēm ir savienota ar tranzistora bāzes ieeju, bet otra spole atrodas tranzistora izejas pusē sērijveidā ar akumulatoru. Otra puzles daļa bija magnēts, kas uzstādīts svārsta galā. Svārstam šūpojoties pa spolēm, magnēts spolē izraisa strāvu, kas virza tranzistora pamatni. Tas izraisa tranzistora ieslēgšanos un strāvas plūsmu izejas ķēdē no akumulatora caur spoli, kas ir sērijveidā ar to. Pastāv arī transformatora efekts, kas izraisa lielāku strāvas indukciju ievades spolē līdz vietai, kurā tranzistors piesātinās. Maksimālais strāvas daudzums tagad plūst tranzistora izejas pusē, un spoles šajā ķēdē pilnībā baro akumulators, tādējādi radot elektromagnētu ar tādu pašu polaritāti kā svārsta magnēts. Laiks ir tāds, ka elektromagnēta radītais magnētiskais lauks atgrūž svārsta magnētu, kad tas šūpojas, un dod tam nelielu sitienu. Tiklīdz svārsts pārvietojas gar spoles, strāva pārstāj plūst tranzistora pamatnē un izslēdzas. Šis process tiek atkārtots katru reizi, kad spoles šūpo svārstus… piegādājot papildu enerģiju, kas nepieciešama, lai pārvarētu sistēmas zaudējumus, un visu notur kustībā. Kārtīgi ja? Patiesībā lieliski tas ir tas, ka tas patērē ļoti maz enerģijas un akumulators kalpos ilgi. Koka pulksteņi, ko virza atsperes vai atsvari, darbosies tikai vienu dienu, pirms tie būs jāpārvelk. Viņiem ir sava pievilcība, bet pulksteņa griešana katru dienu man šķita sāpīga. Es vēl kādreiz varu uzbūvēt kādu no šiem (man patīk Arnfīlda izbēgšana), bet pagaidām tā būs elektronika, nevis gravitācija.

Tātad šī brauciena pirmais posms ir izdomāt, kā izveidot elektromagnētiski impulsa svārstu, jo tas ne tikai regulēs pulksteni, bet arī būs dzinējs, kas to dzen. Galu galā papildus šai svārsta apmācībai es publicēšu vairākas pamācības, kas aptver pulksteņa mehānisma dizainu kopumā, pārnesumu dizainu, rāmja konstrukciju, un pēc tam to visu salikšu, lai pabeigtu darba pulksteni. Tātad iesprādzējiet … šeit mēs turpinām svārsta projektēšanas procesu …

Piegādes

Elektromagnētiskā impulsa svārsta galvenā sastāvdaļa ir spoles ķēde. Kā ferīta serdi es izmantoju 10d parasto naglu (pieejams jūsu vidējā datortehnikas veikalā). Spoļu elektroinstalācija ir 35 AWG magnēta stieple. Šī ir ļoti smalka stieple, kas pārklāta ar plānu nevadošu materiālu. Lai kontrolētu strāvas plūsmu caur ķēdi, tiek izmantots 2N4401 NPN bipolārā savienojuma tranzistors. Kaptona lente aptver naglu un pabeigto serdi, bet jūs varat izmantot gandrīz jebkura veida lenti. Spoles gala vāciņi ir 1/16 collu akrila loksne, kā arī cilindrisks ozola gabals tranzistora un spoles vadu novietošanai. Pārējā prototipa montāžā kopā ar dībeļa stieņiem tika izmantoti dažādi koka lūžņi un gabaliņi. Man patīk strādāt ar dībeļa stieņiem … tas man atgādina vienu no manām mīļākajām bērnības rotaļlietām … Tinker Toys! Es uzskatu, ka tie ir diezgan piemēroti prototipu izstrādei. Barošanas avots ir sienas modulis, kas pārveido maiņstrāvu 110 līdz 9 voltu līdzstrāvu. Galu galā pulkstenis tiks darbināts ar akumulatoru, bet pagaidām spraudņa modulis ir ļoti ērts un konsekvents. Vēl viena svarīga sastāvdaļa ir neodīma magnēts, kas ir iebūvēts svārsta galā. Magnēts, kuru izmantoju, ir 1/2 collas diametrā un ceturtdaļas collu biezs.

1. solis: spoles serdes montāža

Veicot spoles izpēti, es skrēju pāri pulksteņu remonta forumam, kur viens no pavedieniem apsprieda spoles dizaina detaļas. Viņiem bija lieliski attēli, kas man deva ideju par to, kā slēpt tranzistoru un ar to saistīto elektroinstalāciju spoles pamatnē. Vēl viena svarīga detaļa bija tā, ka viņi minēja spoles, kurās bija 4000 apgriezienu. Oho, tas izklausījās ļoti daudz un manā prātā radīja bažas par to, cik saprātīgi būs ietīt spoli, bet es tomēr turpināju.

Es domāju par to, cik liels es vēlos, lai gatavā spole būtu, un nokārtoju uz collas diametra un collas un ceturtdaļas garas. Es izgriezu 1 collu diametra apļus no 1/16 collu akrila loksnes, lai tos izmantotu gala vāciņiem, un vēl vienu 1 collu diametra disku no 1/2 collu bieza ozola gabala pamatnei. Es frēzēju ceturtdaļas collu kanālu ozola diskā, kā arī urbju 3/16 collu diametra caurumu, lai pielāgotos tranzistoram. Es arī urbju mazus caurumus, lai varētu novietot elektroinstalāciju kanālā pamatnē. Sīkāku informāciju skatiet attēlos. Sākotnēji es izgriezu daļu no apakšējā akrila gabala, lai būtu vieglāk vadīt vadus pamatnē. Retrospektīvi, man vajadzēja tikai izurbt mazus caurumus, lai tie atbilstu tiem, kas atrodas pamatnē. Bet nav liela darīšana. Caurumi tika urbti arī akrila gabalos, un ozola gabals cieši pieguļ nagai. Montāža bija šāda: novietojiet akrila disku bez griezuma uz naga. Aptiniet 1-1/4 collu lentes gabalu ap naglu, kā parādīts attēlā, un pēc tam pievienojiet robaino akil disku. Es uzklāju epoksīdu uz ozola diska un pēc tam noslīdēju to uz naga tā, lai tas būtu pielīmēts pie akrila diska.

Pirms es pārgāju uz spoles ietīšanas procesu, es veicu dažus ātrus un netīrus aprēķinus, lai iegūtu aptuvenu priekšstatu par to, cik liela būtu gatavā elektroinstalācija, un abu spoļu elektrisko pretestību. Izrādījās, ka es varēšu visu vadu ievietot manā pamatkomplektā, tāpēc es biju laimīgs.

2. solis: spoles tinumu uzgalis

Es nolēmu, ka stieples pilnīga iesaiņošana ap serdi ar rokām būtu milzīgas sāpes, tāpēc, iedvesmojoties no Tinker Toy tehnoloģijas, es izlobīju džigu no dībeļiem un saplākšņa un MDF gabaliem. Es atklāju, ka man spolītes serdes ozolkoka diskā ir jāuzliek karsta līme, lai tā cieši turētos vietā. Pretējā gadījumā montāžā bija nedaudz pārāk daudz berzes, un, pagriežot kloķi, kodols nekustējās. Līdz ar to nedaudz vairāk slīpēšanas, lai vēl vairāk samazinātu berzi un karsto līmi, džiga darbojās.

3. solis: spoļu uztīšana

Vads ir īpašs vadu veids, ko sauc par magnēta vadu. Tas ir ļoti smalks vienvirziena vads, kas pārklāts ar plānu izolācijas materiālu. Es izmantoju 35 AWG. Tas ir ļoti izplatīts un tāpat kā gandrīz viss pārējais, ko varat iegūt no Amazon. Es izvilku spoli, kuru redzat pirmajā attēlā, no atkritumiem darbā pēc laboratorijas tīrīšanas pasākuma. Neesat pārliecināts, cik vecs tas ir, bet šķiet, ka tas tika nopirkts pirms daudzām desmitgadēm. LOL.

Mēs iesaiņosim divas spoles, vienu virs otras, virs naglas serdes mezglā. Ir svarīgi, lai abas spoles būtu ietītas vienā virzienā ap montāžu … pretējā gadījumā tas nedarbosies. Katrai spolei būs aptuveni 4000 ietīšanas ap naglu. Tagad tas nav tik liels darījums, ja jūs nebeidzat ar precīzi 4000 apgriezieniem katrā spolē, tāpēc jums nav jāsvīst šī detaļa, bet man bija piezīmju grāmatiņa, ko es izmantoju, lai izsekotu. Iesaiņošanas procesa pabeigšana prasīja dažas stundas, bet es vienkārši ieslēdzu futbola spēli, lai man nebūtu garlaicīgi. Es varētu veikt aptuveni 50 pagriezienus ap naglu katrā piespēlē, lai es izdarītu pāris piespēles, lai iegūtu simts iesaiņojumu, un atzīmētu to savā piezīmju blociņā, un turpināju iet, līdz sasniedzu 4000 iesaiņojumu.

Ietīšanas process ir šāds: sāciet ietīt iekšējo spoli, vītot 2 vai 3 collas stieples ozola pamatnes gabalā. Iezīmējiet šī stieples galu ar “1”. Pabeidziet 4000 iesaiņojumus un pārliecinieties, ka nokļūstat serdes ozolkoka pamatnes galā. Nogrieziet vadu un atstājiet apmēram 2 vai 3 collas papildu garuma, lai to varētu pavedināt atpakaļ ozola pamatnē. Iezīmējiet šo galu ar “2”. Sāciet ārējo spoli tādā pašā veidā, vītot 2 vai 3 collas stieples ozola pamatnē. Iezīmējiet šo galu ar “3”. Veiciet vēl 4000 apgriezienus, nogrieziet vadu un vītņojiet galu pamatnē tāpat kā iepriekš. Iezīmējiet šo galu ar “4”. 4. un 5. attēlā redzams ietīšanas procesa gala rezultāts. Atkal … Pārliecinieties, ka aptiniet iekšējās un ārējās spoles vienā virzienā !!!

4. solis: ķēdes pabeigšana

Kā redzams shēmā, ķēde ir ārkārtīgi vienkārša, kas padara šo ierīci tik neticami foršu. Esmu redzējis līdzīgus projektus, kuru vietā tika izmantoti procesori … kas man ir kā kamanu āmura izmantošana mušas nogalināšanai. Es nedomāju klauvēt pie šāda veida projektiem, bet es esmu tikai īsts dizainu cienītājs, kas darbu paveic ar viszemāko sarežģītības pakāpi.

Otrajā attēlā es spēlēju ar dažādām elektroinstalācijas maršrutēšanas stratēģijām. Es, iespējams, no tā izdarīju lielāku darījumu, nekā vajadzētu. Ir tikai daži galvenie punkti … vienkārši pievienojiet to līdzīgi kā shematiski, bet, tā kā barošanas avots būs ārpus spoles mezgla, jums ir jābūt vadiem, kas tiks savienoti ar barošanas avotu, izceļoties montāžas apakšā. Citiem vārdiem sakot: V+ vads iet uz tranzistora kolektoru, bet V vads- uz vadu ar apzīmējumu "2" jūsu spoles komplektā. Tātad jūsu spoles komplektam būs pozitīvs un negatīvs spailes. Kad esat pabeidzis, ieteicams tos atzīmēt kā tādus, lai neaizmirstu, kurš no tiem ir kurš. Ak … es gandrīz aizmirsu. Jums būs jāizmanto smalka smilšpapīra gabals, lai noņemtu izolācijas pārklājumu uz magnēta stieples pirms tā lodēšanas! Shēmas skaidrības labad… “Lo” ir ārējā spole, bet “Li” ir iekšējā spole, un ņemiet vērā arī to, ka spoles vadu galus esmu apzīmējis ar 1, 2, 3 un 4, lai tas atbilstu tam, kā mēs to darījām kad iesaiņojām spoles.

Es pārbaudīju spoli, pirms es to ieklāju ar epoksīdu … laba lieta, jo biju pieļāvusi kļūdu! Ha, es apmulsu, runājot par to, cik viss bija vienkārši. Tāpēc noteikti pārbaudiet savu mezglu pirms tā ievietošanas podā.

Lai pārbaudītu pabeigto montāžu, es pielīmēju retzemju magnētu līdz diega garumam un pakarināju to tieši virs naga galvas spolē. Pēc tam pievienojiet spolei enerģiju un pagrieziet magnētu gar naga galvu. Tam vajadzētu pacelties pats. Attālumam starp magnētu un nagu galvu ir laba vieta. Pārāk tuvu un kustība ir saraustīta … pārāk tālu, un tā nedarbosies.

Pēdējā attēlā redzama pabeigtā spole, kā arī retzemju (neodīma) magnēts, ko izmantoju.

5. solis: svārsta sastāvdaļas

Kad man bija zināms labi izstrādāts spoles mezgla dizains, man bija jāizveido svārsta prototips, lai es varētu novērtēt tā veiktspējas īpašības. Mani visvairāk interesēja uzzināt, cik daudz ierīces izmantoja, un man arī vajadzēja zināt, cik liela loka svārsts šūposies, jo tas ietekmēs manu pulksteņa konstrukciju.

Es iesaiņoju savu spoles komplektu nelielā koka kastē un pievienoju slēdzi un strāvas savienojumu. Kastīte iederas izgriezumā pamatnes mezgla apakšā, kas parādīts otrajā attēlā. Viss bija piemērots berzei, lai es varētu veikt pielāgojumus, lai iegūtu optimālu veiktspēju. Es pievienoju misiņa cauruli vertikāli 3. attēlā, lai palīdzētu samazināt berzi. Es izmantoju 10d naglu tapai, lai savienotu svārstu ar vertikālo gabalu. 5. attēlā var redzēt retzemju magnētu svārsta galā. Es nekad neatradu neko, kas teiktu, ka magnēta polaritāte ir svarīga. Šķiet, ka tam nav nozīmes…. kas mani kaitina, jo intuitīvi kaut kā man šķiet, ka tā vajadzētu. Bet es nekad tam neesmu pievērsis uzmanību, un šķiet, ka tas vienmēr darbojas, tāpēc es domāju, ka nē. Pēdējais attēls parāda 9 voltu līdzstrāvas avotu. 1 amp strāvas jauda ir pārmērīga … tai nav jābūt tuvu tai, kā es uzzināju vēlāk.

6. darbība: svārsta salikšana

Pamatne ir divu collu biezs priedes gabals. Es gribēju, lai tas būtu smags, lai montāža neapgāztos svārsta šūpošanās laikā. Lai gan tas bija prototips, es tomēr nolēmu to mazliet uzpost un izgriezu ar plāniem sarkanā ciedra gabaliņiem. Es nevarēju palīdzēt sev!:)

Spoles modulis tiek pievienots pamatnes apakšējai pusei (2. attēls), un visa lieta tiek pagriezta ar labo pusi uz augšu (3. attēls). Statīvs ir ievietots pamatnes augšpusē (4. attēls). Tas ir piemērots berzei. Ievietojiet naglu caur misiņa cauruli vertikālā stāvoklī (5. attēls). Un visbeidzot nospiediet svārstu uz naga (pēdējais attēls).

Pielāgoju svārstu tā, lai starp to un pamatni būtu neliela sprauga.

7. darbība. Prototipu darbības rezultāti

Aplūkojot diagrammu, ko es ievietoju aiz darba svārsta video, jūs varat redzēt, ka svārsts šūpojas gar vidējo līniju, bet nepārsniedz pēdējo rindu. Tas novieto visu loku, kurā svārsts svārstās no 72 līdz 80 grādiem … Es lēšu aptuveni 75 grādus. Šī ir vērtīga informācija, kad ir pienācis laiks izstrādāt pulksteņa nobrauktuvi.

Es arī pievienoju strāvas zondi elektropārvades līnijai un darbības laikā uzraudzīju strāvas padevi. Man bija ārkārtīgi liels prieks uzzināt, ka vidējais strāvas patēriņš bija nedaudz virs 2 miliamperiem !!! Kas ir patiešām forši, es varēšu padarīt pulksteņa akumulatoru darbināmu. Ja es izmantoju C šūnu baterijas, man būs jāgaida vairāk nekā 5 mēneši, pirms būs jāmaina baterijas. Nav slikti!

Iemesls, kāpēc esmu sajūsmā par bateriju izmantošanu, ir tas, ka es nevēlos, lai strāvas kabelis darbotos pēc pulksteņa, kas atklātu tā darbības noslēpumu. Es slēpšu baterijas pulksteņa pamatnē. Turklāt es to varēšu ievietot jebkur.

8. darbība. Nākamie…

Kā redzat, esmu bijis aizņemts ar nākamajiem pulksteņa dizaina soļiem. Man bija apdegums, griežot zobrata zobus. Ak dievs, tas ir garlaicīgs process. Ja es kādreiz nolemšu izveidot šo pulksteņu kopu, es uzskatu, ka ieguldīšu jaukā CNC maršrutētājā !!!

Tāpēc, atpūšoties zobratu zāģēšanā, es izgriezu rokas un sāku strādāt pie pulksteņa rāmja. Tik tālu, labi!

Domājot par nākamo pamācību šajā sērijā, es uzskatu, ka es runāšu par procesu, kurā es izgāju, lai projektētu un izveidotu pārnesumus, tāpēc esiet gatavi šim.

Tad jau redzēsimies!

Vilis