Електромагнитно махало: 8 стъпки (със снимки)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2025-01-23 12:57

В края на 80 -те реших, че бих искал да построя часовник изцяло от дърво. По това време нямаше интернет, така че беше много по -трудно да се правят изследвания, отколкото днес … въпреки че успях да събера едно много грубо колело и махало. Времето за изпълнение беше ограничено и беше доста неудобно, но щракваше няколко минути, преди тежестта да докосне пода. Моите ресурси също бяха ограничени … инструменти, пари, умения за дървообработване … което направи работата по проекта доста разочароваща. Така че за времето мечтата на дървения часовник беше изоставена. Бързо 30 години напред. Сега съм пенсионер, имам много наистина страхотни инструменти и уменията ми за дървообработване се подобриха драстично. Имам достъп и до компютри, невероятен софтуер за автоматизирано проектиране (CAD) и интернет. Така че проектът за часовника отново е включен. Реших да пиша за процеса, докато работя по дизайна. Изглежда просто забавно нещо за правене.

Първоначално исках да построя часовник, който се задвижва от гравитацията и се регулира от махало. Наскоро, докато ровех на случаен принцип в интернет, попаднах на човек на остров Кауай, който проектира дървени часовници и други видове „кинетично изкуство“. Казва се Клейтън Бойър. Откритието на часовниковия дизайн на г -н Boyer ме вдъхнови да продължа собствения си проект за часовник. Един от неговите дизайни, който ме очарова, се нарича „Тукан“. Ходещият изход, използван на часовника, приличаше на банкнотата на птицата със същото име. Беше забавен часовник за гледане и дизайнът беше много причудлив, но това, което в крайна сметка привлече вниманието ми, беше как се управлява. Нямаше тежести и пружини. Махалото сякаш магически се люлееше насам -натам без загуба на енергия. Тайната беше система за електромагнитно задвижване, скрита в основата на часовника, и магнит в края на махалото. Като електроинженер мислех, че това е наистина страхотно и реших да разбера как работи всичко това и да създам своя собствена версия на Toucan на г -н Boyer. За да съм сигурен … Можех просто да закупя плановете за часовника, тъй като те бяха налични за около 35 долара, но къде е забавлението в това?

След още малко ровене в интернет открих, че концепцията датира от началото на 60 -те години с годишнините Kundo Anniversary. Те се захранваха от батерия със суха клетка и ще работят около година, преди да се наложи да смените батерията (по този начин името, предполагам). Простотата на задвижващата верига ме заинтригува. Имаше две намотки (едната навита върху друга), германиев транзистор и батерия. Това е всичко! Обичам прости неща, които работят и това не може да стане по -просто. Една от бобините е свързана към базовия вход на транзистора, а другата бобина е в изходната страна на транзистора последователно с батерията. Другото парче от пъзела беше магнит, монтиран на края на махалото. Докато махалото се люлее от бобините, магнитът индуцира ток в намотката, задвижващ основата на транзистора. Това кара транзистора да се включи и токът да изтича във изходната верига от батерията през бобината, която е последователно с него. Съществува и трансформаторен ефект, който кара повече ток да бъде индуциран във входната бобина до точката, в която транзисторът се насища. Максималното количество ток сега тече в изходната страна на транзистора и намотката в тази верига се захранва напълно от батерията, като по този начин се създава електромагнит със същия полярност като магнита в махалото. Времето е такова, че магнитното поле, генерирано от електромагнита, отблъсква магнита в махалото, докато се люлее, и му придава лек удар. След като махалото премине покрай намотките, токът спира да тече в основата на транзистора и той се изключва. Този процес се повтаря всеки път, когато махалото се люлее от бобините … доставяйки допълнителна енергия, необходима за преодоляване на загубите в системата и поддържайки всичко в движение. Чисто а? Това, което наистина е страхотно в това, е, че консумира много малко енергия и батерията ще издържи дълго време. Дървените часовници, които се задвижват от пружини или тежести, ще работят само около ден, преди да трябва да бъдат пренавити. Те имат своя собствена привлекателност, но навиването на часовника всеки ден ми се струваше болка. Все още може някой ден да направя едно от тези (обичам арнфийлдските изходи), но засега това ще бъде електроника, а не гравитацията.

Така че първият етап от това пътуване е да разберем как да изградим електромагнитно импулсираното махало, тъй като това не само ще регулира часовника, но и ще бъде двигателят, който го задвижва. В крайна сметка в допълнение към този урок за махалото ще публикувам редица уроци, обхващащи дизайна на часовниковия механизъм като цяло, дизайна на зъбни колела, конструкцията на рамката и след това ще събера всичко заедно, за да завърша работен часовник. Така че пристегнете… тук започваме с процеса на проектиране на махалото …

Консумативи

Основният компонент на електромагнитно импулсното махало е веригата на бобината. Използвах 10d обикновен пирон (наличен в обикновения магазин за хардуер) като феритна сърцевина. Окабеляването на бобините е 35 AWG магнитен проводник. Това е много фина тел, покрита с тънък непроводим материал. 2N4401 NPN транзистор с биполярен възел се използва за управление на токовия поток през веригата. Лентата Kapton покрива нокътя и завършената сърцевина, но можете да използвате почти всякакъв вид лента. Крайните капачки на бобината са 1/16 инчов акрилен лист, както и цилиндрично парче дъб, за да се поставят транзисторните и намотките. За останалата част от прототипния монтаж бяха използвани различни парчета и парчета скрап, заедно с пръти за дюбели в редица диаметри. Обичам да работя с пръти за дюбели … напомня ми за една от любимите ми детски играчки … Играчки за тинкер! Намирам, че те се поддават доста добре на разработването на прототипи. Захранващият блок е стенен модул, който преобразува AC 110 в 9 волта DC. В крайна сметка часовникът ще се захранва от батерии, но засега модулът за включване е много удобен и постоянен. Друг ключов компонент е неодимовият магнит, който е вграден в края на махалото. Магнитът, който използвах, е с диаметър 1/2 инча и дебелина четвърт инч.

Стъпка 1: Сглобяване на сърцевината на бобината

Докато правех изследванията си за бобината, прекосих форум за ремонт на часовници, където една от нишките обсъждаше подробностите за дизайна на бобината. Те имаха страхотни снимки, които ми дадоха идеята как да скрия транзистора и свързаното окабеляване в основата на бобината. Друг ключов детайл е, че те споменават намотките, съдържащи 4000 оборота. Уау, това звучеше много и създаде известна загриженост в съзнанието ми за това колко разумно ще бъде обгръщането на бобината, но въпреки това натиснах.

Помислих си колко голям искам да е готовата намотка и се спрях на инч в диаметър и инч и четвърт дълъг. Изрязах кръгове с диаметър 1 инч от акрилен лист 1/16 инча, който да използвам за крайните капачки и друг диск с диаметър 1 инч от парче дъб с дебелина 1/2 инч за основата. Фрезовах четвърт инчов канал в дъбовия диск, както и пробих отвор с диаметър 3/16 инча, за да настаня транзистора. Пробих и малки дупки, за да мога да направя окабеляването в канала в основата. Вижте снимките за подробности. Първоначално изрязах част от долната акрилна част, за да улесня прокарването на проводниците в основата. В ретроспекция трябваше просто да пробия малки дупки, за да съответстват на тези в основата. Но нищо страшно. В акрилните парчета също бяха пробити дупки, а дъбовото парче за плътно прилепване към нокътя. Сглобяването беше както следва: Поставете акрилния диск без зъби върху нокътя. Увийте парче лента 1-1/4 инча около нокътя, както е показано, и след това добавете назъбения ацилов диск. Нанесох епоксидна смола върху дъбовия диск и след това го плъзнах върху нокътя, така че да се залепи за акрилния диск.

Преди да преминем към процеса на навиване на бобина, направих някои бързи и мръсни изчисления, за да добия приблизителна представа за това колко голямо ще бъде завършеното окабеляване и електрическото съпротивление на двете бобини. Оказа се, че ще успея да поставя всички проводници върху основния си блок, така че бях щастлив.

Стъпка 2: Джиг за навиване на бобина

Реших, че обвиването на жицата около сърцевината изцяло на ръка ще бъде огромна болка, така че вдъхновена от технологията Tinker Toy, натрупах джипове и скрап парчета шперплат и MDF. Открих, че трябва да сложа парче горещо лепило върху дъбовия диск на сърцевината на бобината, за да го държа плътно на място. В противен случай имаше малко прекалено триене в монтажа и сърцевината нямаше да се движи, когато завъртя манивелата. Така че с малко повече шлайфане за допълнително намаляване на триенето и натоплянето на горещо лепило джигът е действал.

Стъпка 3: Навиване на бобините

Проводникът е специален вид тел, наречен магнитна жица. Това е много фин едножилен проводник, покрит с тънък изолационен материал. Използвах 35 AWG. Той е много често срещан и като почти всичко друго можете да го получите от Amazon. Спасих макарата, която виждате на първата снимка, от боклука по време на работа след почистване на лаборатория. Не съм сигурен на колко години е, но изглежда е закупен преди много десетилетия. LOL.

Ще увием две намотки, една върху друга, върху пирона в основата. От съществено значение е и двете намотки да бъдат увити в една и съща посока около монтажа … в противен случай няма да работи. Всяка намотка ще има приблизително 4000 обвивки около нокътя. Сега не е чак толкова голяма работа, ако не завършите с точно 4000 оборота на всяка бобина, така че не е нужно да се потите с този детайл, но имах бележник, който използвах за проследяване. Отне ми няколко часа, за да завърша процеса на опаковане, но аз просто включих футболен мач за гледане, за да не се отегча. Можех да направя около 50 завъртания около гвоздея при всяко преминаване, така че щях да направя няколко прохода, за да получа стоте опаковки и да отбележа това в бележника си и продължих, докато стигна до 4000 обвивки.

Ето процеса на опаковане: Започнете да обвивате вътрешната намотка, като вкарате 2 или 3 инча тел в дъбовата основна част. Означете края на този проводник с "1". Попълнете своите 4000 опаковки и се уверете, че се озовавате в дъбовия основен край на сърцевината. Нарежете жицата и оставете около 2 или 3 инча допълнителна дължина, за да можете да я вкарате обратно в дъбовата основа. Означете този край с "2". Стартирайте външната намотка по същия начин, като вкарате 2 или 3 инча тел в дъбовата основа. Означете този край с "3". Направете още 4000 завъртания, отрежете жицата и вкарайте края в основата, както преди. Означете този край с "4". Снимки 4 и 5 показват крайния резултат от процеса на опаковане. Отново … По дяволите, не забравяйте да увиете както вътрешната, така и външната намотки в една и съща посока !!!

Стъпка 4: Завършване на веригата

Както можете да видите на схемата, схемата е изключително проста, което прави това устройство толкова невероятно готино. Виждал съм подобни проекти, които вместо това използваха процесори … което за мен е като използване на чук за убиване на муха. Не искам да разбивам тези типове проекти, но съм просто истински голям фен на дизайна, който свършва работата с най -ниското ниво на сложност.

На втората снимка си играех с различни стратегии за маршрутизиране на окабеляването. Вероятно съм направил по -голяма сделка от това, отколкото трябва. Има само няколко ключови точки … просто го свържете по схемата, но тъй като захранването ще бъде външно към монтажа на бобината, трябва да имате проводниците, които ще се свържат към източника на захранване, стърчащи в долната част на монтажа. С други думи: V+ проводникът отива към колектора на транзистора, а V-проводникът отива към проводника, обозначен с "2" на вашия комплект бобина. Така че в крайна сметка вашият бобинен монтаж ще има положителен и отрицателен извод. Добра идея е да ги обозначите като такива, когато приключите, за да не забравите кое е кое. Ах … почти забравих. Ще трябва да използвате парче фина шкурка, за да премахнете изолационното покритие на магнитния проводник, преди да го запоите! За по -голяма яснота на схемата … "Lo" е външната намотка, а "Li" е вътрешната намотка и също така имайте предвид, че съм маркирал краищата на проводниците на бобината 1, 2, 3 и 4, за да съответстват на начина, по който го направихме когато увивахме намотките.

Тествах намотката, преди да я залея с епоксидна смола … хубаво нещо, тъй като направих грешка! Ха, успокоих се, като говорих колко просто е всичко. Така че не забравяйте да тествате монтажа си, преди да го поставите.

За да тествам завършения монтаж, залепих магнит за рядка земя с дължина на конец и го закачих точно над главата на пирона в бобината. След това свържете захранването към бобината и завъртете магнита покрай главата на нокътя. Тя трябва да излети сама. Има сладко място за разстоянието между магнита и главата на нокътя. Твърде близо и движението е рязко … твърде далеч и няма да работи.

Последната снимка показва завършената намотка, както и редкоземния (неодимов) магнит, който използвах.

Стъпка 5: Компоненти на махалото

След като имах известен добър работен дизайн за монтажа на бобината, трябваше да изградя прототип на махало, за да мога да оценя неговите характеристики. Най -любопитно ми беше да разбера колко мощност използва устройството, а също така трябваше да знам колко голяма дъга ще се люлее махалото, тъй като това ще повлияе на начина, по който продължавам с дизайна на часовника си.

Опаковах моята бобина в малка дървена кутия и добавих превключвател и захранваща връзка. Кутията се побира в изрез в долната част на основния възел, показан на снимка втора. Всичко беше подходящо за триене, за да мога да направя корекции по пътя, за да постигна оптимална работа. Добавих месингова тръба към изправената на снимка 3, за да помогна за намаляване на триенето. Използвах 10d пирон за щифта, за да свържа махалото към изправеното парче. На снимка 5 можете да видите редкоземния магнит в края на махалото. Никога не открих нещо, което да казва, че полярността на магнита е важна. Явно няма значение …. което ме смущава, защото интуитивно някак си мисля, че трябва. Но никога не съм обръщал внимание на това и винаги изглежда да работи, така че предполагам, че не. Последната снимка показва 9 -волтов източник на постоянен ток. Токовият капацитет от 1 ампер е прекален … не е нужно да е близо до това, както разбрах по -късно.

Стъпка 6: Сглобяване на махалото

Основата е парче бор с дебелина 2 инча. Исках да е тежък, за да не се преобърне монтажът, когато махалото се люлее. Въпреки че това беше прототип, все пак реших да го облека малко и го подстригах с тънки парченца червен кедър. Не можех да се сдържа!:)

Модулът на бобината се включва в долната страна на основата (снимка 2) и всичко е обърнато от дясната страна нагоре (снимка 3). Изправеният е поставен в горната част на основата (снимка 4). Той е подходящ за триене. Поставете пирона през месинговата тръба в изправено положение (снимка 5). И накрая натиснете махалото върху нокътя (последна снимка).

Нагласих махалото така, че да има малка пролука между него и основата.

Стъпка 7: Резултати от работата на прототипа

Като погледнете диаграмата, която поставих зад работещото махало във видеото, можете да видите, че махалото се люлее покрай средната линия, но не успява да премине през последната линия. Това поставя цялата дъга, която махалото се люлее между 72 и 80 градуса … Изчислявам около 75 градуса. Това е ценна информация, когато е време да проектирате пешеходното бягство за часовника.

Свързах също токова сонда към електропровода и наблюдавах текущото изтегляне по време на работа. Бях изключително доволен да разбера, че средното текущо теглене е малко над 2 мили-ампера !!! Това, което е наистина готино, е, че ще мога да накарам батерията на часовника да се захранва. Ако използвам C -клетъчни батерии, ще получа повече от 5 месеца време за работа, преди да трябва да сменя батериите. Не е много лошо!

Причината, поради която съм развълнуван от използването на батерии, е, че не искам захранващият кабел да работи към часовника, разкривайки тайната за това как работи. Ще скрия батериите в основата на часовника. Освен това ще мога да го поставя навсякъде.

Стъпка 8: Следваща …

Както можете да видите, бях зает със следващите стъпки от дизайна на часовника си. Изгорях при изрязването на зъбите на зъбното колело. Боже мой, това е досаден процес. Ако някога реша да построя куп от тези часовници, вярвам, че ще инвестирам в хубав CNC рутер !!!

И така, докато си почивах от изрязването на зъбите на зъбното колело, изрязах стрелките и започнах да работя върху рамката на часовника. Дотук добре!

Докато мисля за следващата инструкция в тази серия, вярвам, че ще говоря за процеса, през който преминах, за да проектирам и изградя зъбните колела, така че останете на това.

Ще се видим тогава!

Уили