Pendulum Elektromagnetik: 8 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:07

Pada akhir 1980-an, saya memutuskan bahawa saya ingin membina jam sepenuhnya dari kayu. Pada masa itu tidak ada internet sehingga jauh lebih sukar untuk melakukan penyelidikan daripada sekarang … walaupun saya berjaya menyatukan roda dan pendulum yang sangat kasar. Waktu larian adalah terhad dan agak lincah tetapi akan berjalan selama beberapa minit sebelum berat badan menyentuh lantai. Juga terhad sumber saya … alat, wang, kemahiran kerja kayu … yang menjadikan kerja projek ini agak mengecewakan. Jadi, buat masa ini, impian jam kayu ditinggalkan. Maju pantas 30 tahun ke atas. Saya telah bersara sekarang, saya mempunyai banyak alat yang sangat hebat, dan kemahiran kerja kayu saya meningkat secara mendadak. Saya juga mempunyai akses ke komputer, perisian reka bentuk bantuan komputer (CAD) yang luar biasa, dan internet. Jadi projek jam dihidupkan semula. Saya telah memutuskan untuk menulis mengenai proses itu semasa saya merancang reka bentuk. Sepertinya perkara yang menyeronokkan.

Pada mulanya saya ingin membina jam yang didorong oleh graviti dan dikawal oleh bandul. Baru-baru ini, ketika saya mencari-cari di internet secara rawak, saya menemui seorang rakan di pulau Kauai yang merancang jam kayu dan jenis "seni kinetik" lain. Namanya Clayton Boyer. Ini adalah penemuan reka bentuk jam Mr. Boyer yang memberi inspirasi kepada saya untuk meneruskan projek jam saya sendiri. Salah satu rekaannya yang menarik perhatian saya disebut "Toucan". Jalan keluar yang digunakan pada jam menyerupai bil burung dengan nama yang sama. Ini adalah jam yang menyeronokkan untuk ditonton dan reka bentuknya sangat aneh tetapi apa yang akhirnya menarik perhatian saya adalah bagaimana ia dipacu. Tidak ada berat atau mata air. Pendulum seolah-olah secara ajaib berayun ke sana kemari tanpa kehilangan tenaga. Rahsianya adalah sistem pemacu elektromagnetik yang tersembunyi di dasar jam dan magnet di hujung bandul. Sebagai jurutera elektrik, saya fikir ini sangat menarik dan saya memutuskan untuk mengetahui bagaimana semua ini berfungsi dan membina versi Mr. Boyer's Toucan saya sendiri. Yang pasti … saya mungkin hanya membeli rancangan untuk masa ini kerana ia tersedia sekitar $ 35 tetapi di mana keseronokan itu?

Setelah mencari lebih banyak di internet, saya dapati konsep itu bermula pada awal tahun 1960-an dengan Jam Ulang Tahun Kundo. Mereka dikuasakan oleh bateri sel kering dan akan habis selama setahun atau lebih sebelum anda perlu menukar bateri (begitulah namanya, saya rasa). Kesederhanaan litar pemacu menarik minat saya. Terdapat dua gegelung (satu luka di atas yang lain), transistor germanium, dan bateri. Itu sahaja! Saya suka barang mudah yang berfungsi dan ini tidak boleh menjadi lebih mudah. Salah satu gegelung disambungkan ke input asas transistor dan gegelung yang lain berada di sisi output transistor secara bersiri dengan bateri. Teka-teki lain adalah magnet yang dipasang di hujung bandul. Semasa bandul berayun oleh gegelung magnet mendorong arus di dalam gegelung yang menggerakkan dasar transistor. Ini menyebabkan transistor menyala dan arus mengalir dalam litar output dari bateri melalui gegelung yang bersambung dengannya. Terdapat juga kesan transformer yang menyebabkan arus lebih banyak disebabkan oleh gegelung input ke titik di mana transistor tepu. Jumlah arus maksimum sekarang mengalir di sisi output transistor dan gegelung dalam litar itu digerakkan sepenuhnya oleh bateri sehingga menghasilkan elektromagnet dengan polaritas yang sama dengan magnet di bandul. Pemasaannya sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan oleh elektromagnet menghalau magnet di bandul ketika ia berpusing dan memberikan tendangan kecil. Setelah bandul bergerak melepasi arus gegelung berhenti mengalir di dasar transistor dan ia mati. Proses ini diulang setiap kali bandul diayunkan oleh gegelung… membekalkan tenaga tambahan yang diperlukan untuk mengatasi kerugian dalam sistem dan membuat semuanya bergerak. Rapi ya? Apa yang sangat hebat ialah ia menggunakan tenaga yang sangat sedikit dan baterinya akan bertahan lama. Jam kayu yang didorong oleh mata air atau berat hanya akan berjalan selama satu hari atau lebih sebelum mereka harus dipusingkan. Mereka mempunyai daya tarikan tersendiri tetapi menggulung jam setiap hari terasa seperti menyakitkan bagi saya. Saya masih boleh membina salah satu dari ini suatu hari nanti (saya suka Arnfield escapements) tetapi buat masa ini ia akan menjadi elektronik dan bukannya graviti.

Oleh itu, langkah pertama perjalanan ini adalah untuk mengetahui cara membina pendulum elektromagnetik yang tidak bertenaga kerana ini bukan sahaja mengatur jam tetapi juga mesin yang menggerakkannya. Akhirnya selain tutorial ini pada pendulum saya akan menerbitkan sejumlah tutorial yang merangkumi reka bentuk jam secara umum, reka bentuk gear, pembinaan bingkai, dan kemudian menyatukannya untuk menyelesaikan jam kerja. Jadi ikuti … di sini kita pergi dengan proses reka bentuk pendulum …

Bekalan

Komponen utama pendulum elektromagnetik adalah litar gegelung. Saya menggunakan paku biasa 10d (tersedia di kedai perkakasan purata anda) sebagai teras ferit. Pendawaian untuk gegelung adalah wayar magnet 35 AWG. Ini adalah dawai yang sangat halus yang dilapisi dengan bahan tidak konduktif nipis. Transistor persimpangan bipolar 2N4401 NPN digunakan untuk mengawal aliran arus melalui litar. Pita Kapton meliputi paku dan inti yang lengkap tetapi anda boleh menggunakan hampir semua jenis pita. Penutup akhir gegelung adalah kepingan akrilik 1/16 inci serta sekeping oak silinder untuk menempatkan transistor dan pendawaian gegelung. Berbagai potongan kayu bekas digunakan untuk sisa prototaip bersama dengan batang dowel dalam sejumlah diameter. Saya suka bekerja dengan batang dowel … ia mengingatkan saya pada salah satu mainan kanak-kanak kegemaran saya … Mainan Tinker! Saya dapati mereka memberi peluang kepada pembangunan prototaip. Bekalan kuasa adalah modul dinding plug in yang menukar AC 110 hingga 9 volt DC. Pada akhirnya jam akan menjadi berkuasa bateri tetapi buat masa ini modul plug in sangat senang dan tahan. Komponen utama yang lain adalah magnet neodymium yang tertanam di hujung bandul. Magnet yang saya gunakan berdiameter 1/2 inci dan tebal seperempat inci.

Langkah 1: Pemasangan Teras Gegelung

Semasa saya membuat penyelidikan untuk gegelung, saya berlari di forum pembaikan jam di mana salah satu utas membincangkan perincian reka bentuk gegelung. Mereka mempunyai beberapa gambar hebat yang memberi saya idea bagaimana menyembunyikan transistor dan pendawaian yang berkaitan di dasar gegelung. Perincian penting lain ialah mereka menyebut gegelung yang berisi 4000 putaran. Wow, itu terdengar seperti banyak dan menimbulkan sedikit kebimbangan di fikiran saya tentang bagaimana masuk akal untuk membungkus gegelung tetapi saya tetap menekannya.

Saya memikirkan betapa besarnya kehendak gegelung yang telah siap dan berdiameter satu inci diameter dan satu inci dan seperempat panjang. Saya memotong bulatan diameter 1 inci dari kepingan akrilik inci 16/16 untuk digunakan untuk penutup akhir dan cakera berdiameter 1 inci lagi dari sekeping oak setebal 1/2 inci untuk alas. Saya memasang saluran seperempat inci di cakera oak serta menggerudi lubang berdiameter 3/16 inci untuk menampung transistor. Saya juga menggerudi lubang kecil untuk mengarahkan pendawaian ke saluran di pangkalan. Lihat gambar untuk perincian. Pada mulanya saya memotong bahagian dari bahagian akrilik bawah untuk memudahkan memasukkan wayar ke pangkal. Secara retrospektif, saya semestinya hanya menggerudi lubang kecil agar sesuai dengan lubang di pangkalan. Tetapi tidak ada masalah besar. Lubang juga digerudi dalam kepingan akrilik dan kepingan kayu ek agar sesuai di atas kuku. Pemasangannya adalah seperti berikut: Letakkan cakera akrilik yang tidak berlekuk pada paku. Balut sekeping pita 1-1 / 4 inci di sekitar kuku seperti yang ditunjukkan dan kemudian tambahkan cakera asilik yang berlekuk. Saya menggunakan epoksi ke cakera kayu oak dan kemudian memasukkannya ke paku sehingga terikat pada cakera akrilik.

Sebelum saya beralih ke proses pembalut gegelung, saya melakukan beberapa pengiraan cepat dan kotor untuk mendapatkan idea kasar tentang seberapa besar pendawaian siap dan rintangan elektrik kedua gegelung. Nampaknya saya dapat memasukkan semua wayar ke pemasangan teras saya jadi saya gembira.

Langkah 2: Coil Winding Jig

Saya memutuskan bahawa membungkus wayar di sekitar inti dengan tangan akan menjadi kesakitan yang besar sehingga terinspirasi oleh teknologi Tinker Toy. Saya mendapati bahawa saya perlu meletakkan sebatan gam panas pada cakera kayu teras gegelung untuk menahannya dengan pas. Jika tidak, terdapat sedikit geseran dalam pemasangan dan inti tidak akan bergerak ketika saya memutar engkol. Oleh itu, dengan pengamplasan lebih sedikit untuk mengurangkan geseran dan tetes gam panas, jig telah beroperasi.

Langkah 3: Menggulung Gegelung

Kawat adalah jenis dawai khas yang disebut kawat magnet. Ia adalah dawai helai tunggal yang sangat halus yang dilapisi dengan bahan penebat nipis. Saya menggunakan 35 AWG. Ia sangat biasa dan seperti hampir semua perkara lain, anda boleh mendapatkannya dari Amazon. Saya menyelamatkan kili yang anda lihat pada gambar pertama dari tong sampah di tempat kerja selepas acara membersihkan makmal. Tidak pasti berapa umurnya tetapi nampaknya telah dibeli beberapa dekad yang lalu. LOL.

Kami akan membungkus dua gegelung, satu di atas yang lain, di atas paku pada pemasangan teras. Adalah mustahak bahawa kedua gegelung dibungkus ke arah yang sama di sekitar pemasangan … jika tidak, ia tidak akan berfungsi. Setiap gegelung mempunyai kira-kira 4000 bungkus kuku. Sekarang bukan masalah besar jika anda tidak mempunyai 4000 putaran pada setiap gegelung sehingga anda tidak perlu mengeluarkan butiran itu tetapi saya mempunyai notepad yang biasa saya ikuti. Perlu beberapa jam untuk menyelesaikan proses pembungkus tetapi saya hanya menghidupkan permainan bola sepak untuk menonton sehingga saya tidak bosan. Saya dapat membuat kira-kira 50 pusingan kuku setiap hantaran jadi saya akan membuat beberapa pas untuk mendapatkan seratus balutan dan mencatatnya di pad nota saya dan terus berjalan sehingga saya mendapat 4000 bungkus.

Inilah proses untuk membungkus: Mulailah membungkus gegelung dalam dengan memasukkan wayar 2 atau 3 inci ke bahagian dasar oak. Labelkan hujung wayar ini "1". Lengkapkan 4000 bungkus anda dan pastikan anda kembali ke hujung inti oak. Potong wayar dan tinggalkan kira-kira 2 atau 3 inci panjang tambahan sehingga anda dapat memasukkannya kembali ke dasar oak. Labelkan hujung ini "2". Mulakan gegelung luar dengan cara yang sama dengan memasukkan wayar 2 atau 3 inci ke dasar oak. Labelkan hujung ini "3". Buat 4000 giliran lagi, potong wayar, dan benang ujungnya ke dasar seperti sebelumnya. Labelkan hujung ini "4". Gambar 4 dan 5 menunjukkan hasil akhir dari proses pembalut. Sekali lagi … Pastikan anda membungkus gegelung dalam dan luar ke arah yang sama !!!

Langkah 4: Melengkapkan Litar

Seperti yang anda lihat dalam skema litar sangat mudah yang menjadikan peranti ini sangat sejuk. Saya telah melihat projek serupa yang menggunakan pemproses sebagai gantinya… yang seperti saya menggunakan slammer hammer untuk membunuh lalat. Saya tidak bermaksud menjatuhkan jenis projek itu tetapi saya hanya peminat reka bentuk yang berjaya menyelesaikan tugas dengan tahap kerumitan yang paling rendah.

Pada gambar kedua saya bermain-main dengan strategi penghalaan yang berbeza untuk pendawaian. Saya mungkin membuat perjanjian yang lebih besar daripada yang sepatutnya. Terdapat hanya beberapa perkara penting … hanya pasangkannya seperti skema tetapi kerana bekalan kuasa akan menjadi luaran ke gegelung, anda perlu mempunyai wayar yang akan menyambung ke sumber kuasa yang melekat di bahagian bawah pemasangan. Dengan kata lain: Kawat V + menuju ke pemungut transistor dan wayar V ke wayar berlabel "2" pada unit gegelung anda. Oleh itu, gegelung pemasangan anda akan mempunyai terminal positif dan negatif. Adalah idea yang baik untuk melabelnya seperti ini apabila anda selesai supaya anda tidak lupa yang mana. Ah … saya hampir lupa. Anda perlu menggunakan sekeping kertas pasir halus untuk menanggalkan lapisan penebat pada wayar magnet sebelum anda menyoldernya! Untuk kejelasan pada skema … "Lo" adalah gegelung luar dan "Li" adalah gegelung dalam dan juga perhatikan bahawa saya telah melabelkan hujung wayar gegelung 1, 2, 3, dan 4 agar sesuai dengan bagaimana kita melakukannya semasa kami membungkus gegelung.

Saya telah menguji gegelung sebelum saya meletakkannya dengan epoksi … bagus kerana saya telah melakukan kesilapan! Ha, saya menjinakkan diri dengan bercakap tentang betapa mudahnya semuanya. Oleh itu, pastikan anda menguji pemasangan anda sebelum meletakkannya.

Untuk menguji pemasangan yang telah selesai, saya mengetuk magnet bumi jarang hingga panjangnya dan menggantungnya tepat di atas kepala paku di gegelung. Kemudian sambungkan daya ke gegelung dan ayunkan magnet melewati kepala kuku. Ia harus dilepaskan dengan sendirinya. Terdapat titik manis untuk jarak antara magnet dan kepala kuku. Terlalu dekat dan gerakannya tersentak … terlalu jauh dan tidak akan berjaya.

Gambar terakhir menunjukkan gegelung yang telah siap dan juga magnet nadir bumi (neodymium) yang saya gunakan.

Langkah 5: Komponen Pendulum

Setelah saya mempunyai reka bentuk kerja yang baik untuk pemasangan gegelung, saya perlu membuat prototaip pendulum supaya saya dapat menilai ciri-ciri prestasinya. Saya sangat penasaran untuk mengetahui berapa banyak daya yang digunakan oleh peranti ini dan saya juga perlu mengetahui betapa hebatnya lengkungan pendulum kerana ini akan mempengaruhi bagaimana saya meneruskan reka bentuk jam saya.

Saya mengemas unit gegelung saya di dalam kotak kayu kecil dan menambah suis dan sambungan kuasa. Kotak itu sesuai di dalam potongan di bahagian bawah unit dasar yang ditunjukkan pada gambar dua. Semuanya sesuai dengan geseran sehingga saya dapat membuat penyesuaian sepanjang mendapatkan prestasi yang optimum. Saya menambah tiub tembaga pada tegak dalam gambar 3 untuk membantu mengurangkan geseran. Saya menggunakan paku 10d untuk pin untuk menyambungkan bandul ke bahagian tegak. Dalam gambar 5 anda dapat melihat magnet bumi jarang di hujung bandul. Saya tidak pernah menemui apa-apa yang mengatakan kekutuban magnet adalah penting. Nampaknya tidak penting…. macam mana yang mengganggu saya kerana intuitif entah bagaimana saya fikir ia sepatutnya. Tetapi saya tidak pernah memperhatikannya dan nampaknya selalu berfungsi jadi saya rasa tidak. Gambar terakhir menunjukkan sumber kuasa DC 9 volt. Kapasiti 1 amp semasa adalah berlebihan … ia tidak perlu berada dekat dengan yang saya ketahui kemudian.

Langkah 6: Menyusun Pendulum

Pangkalnya adalah sepotong pinus setebal dua inci. Saya mahu berat agar pemasangan tidak terbalik ketika bandul berayun. Walaupun ini adalah prototaip, saya tetap memutuskan untuk memakainya sedikit dan memangkasnya dengan potongan cedar merah nipis. Tidak dapat menahan diri!:)

Modul gegelung dipasang ke bahagian bawah pangkal (gambar 2) dan keseluruhannya dibalikkan ke kanan ke atas (gambar 3). Bahagian atas dimasukkan ke bahagian atas pangkal (gambar 4). Ia sesuai dengan geseran. Masukkan paku melalui tiub kuningan di bahagian tegak (gambar 5). Dan akhirnya tekan pendulum ke kuku (gambar akhir).

Saya menyesuaikan bandul sehingga ada sedikit jurang antara ia dan dasar.

Langkah 7: Hasil Prestasi Prototaip

Dengan melihat carta yang saya letakkan di belakang bandul yang berfungsi di dalam video, anda dapat melihat bahawa bandul berayun melewati garis tengah tetapi tidak berjaya melewati garis terakhir. Ini meletakkan seluruh arka bahawa bandul berayun antara 72 dan 80 darjah … Saya menganggarkan sekitar 75 darjah. Ini adalah maklumat berharga apabila tiba masanya untuk merancang jalan keluar untuk jam.

Saya juga menghubungkan probe semasa ke talian kuasa dan memantau tarikan semasa semasa operasi. Saya berasa sangat gembira apabila mengetahui bahawa undian semasa rata-rata adalah lebih dari 2 mili amp !!! Apa yang sangat menggembirakan ialah saya dapat menjadikan bateri jam dihidupkan. Sekiranya saya menggunakan bateri sel C, saya akan mendapat masa jangka masa lebih dari 5 bulan sebelum saya menukar bateri. Boleh tahan!

Sebab saya teruja menggunakan bateri adalah kerana saya tidak mahu kabel kuasa berjalan sehingga jam memberikan rahsia bagaimana ia beroperasi. Saya akan menyembunyikan bateri di dasar jam. Tambahan saya akan dapat meletakkannya di mana sahaja.

Langkah 8: Akan Datang Selanjutnya …

Seperti yang anda lihat, saya sibuk dengan langkah seterusnya dalam reka bentuk jam saya. Saya betul-betul terbakar kerana memotong gigi gigi. Ya ampun, ini adalah proses yang membosankan. Sekiranya saya membuat keputusan untuk membina sekumpulan jam ini, saya percaya bahawa saya akan melabur dalam penghala CNC yang bagus !!!

Oleh itu, sambil berhenti dari menggergaji gigi gigi, saya memotong tangan dan mula mengerjakan bingkai jam. Setakat ini bagus!

Semasa saya berfikir ke depan untuk instruksi berikutnya dalam siri ini, saya percaya saya akan membincangkan proses yang saya lalui untuk merancang dan membina roda gigi agar tetap berada di tahap yang sama.

Jumpa awak nanti!

Willy