Elektromagnetické kyvadlo: 8 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:19

Koncem osmdesátých let jsem se rozhodl, že bych chtěl postavit hodiny úplně ze dřeva. V té době neexistoval internet, takže bylo mnohem těžší provádět výzkum než dnes … i když se mi podařilo spojit dohromady velmi hrubý únik kola a kyvadla. Doba běhu byla omezená a byla poměrně nešikovná, ale několik minut cvakala, než se váha dotkla podlahy. Omezené byly také mé zdroje … nástroje, peníze, dovednosti při práci se dřevem … díky čemuž byla práce na projektu dosti frustrující. Takže na čas byl sen o dřevěných hodinách opuštěn. Rychle dopředu o 30 a více let. Nyní jsem v důchodu, mám spoustu opravdu skvělých nástrojů a moje dovednosti v oblasti zpracování dřeva se dramaticky zlepšily. Mám také přístup k počítačům, úžasnému softwaru pro počítačově podporovaný design (CAD) a internetu. Projekt hodin je tedy znovu zapnutý. Rozhodl jsem se napsat o procesu, když procházím návrhem. Vypadá to jako zábavná věc.

Původně jsem chtěl postavit hodiny poháněné gravitací a regulované kyvadlem. Nedávno, když jsem náhodně kopal na internetu, jsem narazil na chlapíka na ostrově Kauai, který navrhuje dřevěné hodiny a jiné druhy „kinetického umění“. Jmenuje se Clayton Boyer. Bylo to objevení návrhů hodin pana Boyera, které mě inspirovaly k pokračování vlastního hodinového projektu. Jeden z jeho návrhů, který mě fascinoval, se jmenoval „Tukan“. Chodící únik použitý na hodinách připomínal účet ptáka se stejným jménem. Bylo zábavné sledovat hodiny a design byl velmi náladový, ale to, co mě nakonec zaujalo, bylo, jak to bylo řízeno. Nebyly tam žádné závaží ani pružiny. Zdálo se, že kyvadlo magicky kmitá sem a tam bez ztráty energie. Tajemstvím byl elektromagnetický pohon ukrytý v základně hodin a magnet na konci kyvadla. Jako elektrotechnik jsem si myslel, že je to opravdu skvělé, a rozhodl jsem se zjistit, jak to všechno funguje, a vytvořit si vlastní verzi Toucan pana Boyera. Abych si byl jistý … mohl jsem si právě koupit plány na hodiny, protože byly k dispozici asi za 35 $, ale kde je v tom zábava?

Po trochu dalším procházení internetu jsem zjistil, že tento koncept pochází z počátku 60. let s hodinami Kundo Anniversary Clocks. Byly napájeny baterií se suchými články a vydržely asi rok, než jste museli vyměnit baterii (předpokládám tedy název). Zaujala mě jednoduchost obvodu pohonu. Byly tam dvě cívky (jedna navinutá na druhou), germaniový tranzistor a baterie. To je vše! Mám rád jednoduché věci, které fungují, a tohle už nemůže být mnohem jednodušší. Jedna z cívek je připojena k základnímu vstupu tranzistoru a druhá cívka je na výstupní straně tranzistoru v sérii s baterií. Další částí skládačky byl magnet upevněný na konci kyvadla. Jak se kyvadlo houpe cívkami, magnet indukuje proud uvnitř cívky pohánějící základnu tranzistoru. To způsobí zapnutí tranzistoru a proud teče ve výstupním obvodu z baterie cívkou, která je s ním v sérii. Existuje také transformátorový efekt, který způsobí, že ve vstupní cívce bude indukován větší proud do bodu, kde se tranzistor nasytí. Na výstupní straně tranzistoru nyní proudí maximální množství proudu a cívka v tomto obvodu je plně napájena baterií, čímž vzniká elektromagnet se stejnou polaritou jako magnet v kyvadle. Načasování je takové, že magnetické pole generované elektromagnetem odpuzuje magnet v kyvadle, když se otáčí, a dává mu malou kopu. Jakmile se kyvadlo pohybuje kolem cívek, proud přestane proudit v základně tranzistoru a vypne se. Tento proces se opakuje pokaždé, když se kyvadlo houpe cívkami … dodává další energii potřebnou k překonání ztrát v systému a udržuje vše v pohybu. Úhledné co? Co je na tom opravdu skvělé je, že spotřebovává velmi málo energie a baterie vydrží dlouho. Dřevěné hodiny poháněné pružinami nebo závažími poběží přibližně jeden den, než je bude nutné převinout. Mají svou vlastní přitažlivost, ale každý den měřit hodiny mi připadalo jako bolest. Ještě možná jednoho z nich jednou postavím (miluji Arnfieldovy útěky), ale prozatím to bude místo gravitace elektronika.

První částí této cesty je tedy zjistit, jak vybudovat elektromagneticky impulsní kyvadlo, protože to bude nejen regulovat hodiny, ale také bude motorem, který je pohání. Nakonec kromě tohoto tutoriálu o kyvadle zveřejním také několik tutoriálů, které se týkají designu hodinového mechanismu obecně, designu ozubeného kola, konstrukce rámu, a pak to všechno spojím a dokončím pracovní hodiny. Takže připoutejte … tady jdeme na proces návrhu kyvadla …

Zásoby

Hlavní složkou elektromagneticky impulsního kyvadla je obvod cívky. Jako feritové jádro jsem použil 10d obyčejný hřebík (dostupný ve vašem průměrném železářství). Zapojení cívek je magnetický vodič 35 AWG. Jedná se o velmi jemný drát potažený tenkým nevodivým materiálem. K řízení toku proudu obvodem se používá bipolární tranzistor 2N4401 NPN. Kaptonová páska pokrývá hřebík a dokončené jádro, ale můžete použít téměř jakýkoli druh pásky. Koncové krytky cívky jsou z akrylového plechu o průměru 1/16 palce a válcového kusu dubu pro uložení kabelů tranzistoru a cívky. Pro zbytek prototypové sestavy byly použity různé kousky a kusy šrotového dřeva spolu s tyčovými hmoždinkami v řadě průměrů. Miluji práci s hmoždinkami … připomíná mi to jednu z mých oblíbených dětských hraček … Tinker Toys! Zjistil jsem, že se docela dobře hodí k vývoji prototypů. Napájecí zdroj je zásuvný nástěnný modul, který převádí střídavý proud 110 na 9 voltů. Nakonec budou hodiny napájeny z baterie, ale prozatím je zásuvný modul velmi pohodlný a konzistentní. Další klíčovou součástí je neodymový magnet, který je uložen na konci kyvadla. Magnet, který jsem použil, má průměr 1/2 palce a tloušťku čtvrt palce.

Krok 1: Sestava jádra cívky

Když jsem dělal svůj průzkum cívky, narazil jsem na fórum pro opravu hodin, kde jedno z vláken diskutovalo o podrobnostech návrhu cívky. Měli několik skvělých obrázků, které mi poskytly nápad, jak skrýt tranzistor a související zapojení v základně cívky. Dalším klíčovým detailem bylo, že zmínili cívky obsahující 4000 závitů. Páni, to znělo hodně a v zadní části mé mysli to trochu znepokojovalo, jak rozumné by bylo zabalit cívku, ale přesto jsem tlačil.

Přemýšlel jsem o tom, jak velkou chci mít hotovou cívku, a usadil se na palcovém průměru a palcovém a čtvrt dlouhém. Vystřihl jsem kruhy o průměru 1 palec z akrylového listu o průměru 1/16 palce, který jsem použil pro koncové krytky, a další disk o průměru 1 palce z 1/2 palce tlustého kusu dubu pro základnu. Vyfrézoval jsem čtvrtpalcový kanál v dubovém disku a také vyvrtal otvor o průměru 3/16 palce, aby se do něj vešel tranzistor. Také jsem vyvrtal malé otvory, abych mohl vést vedení do kanálu v základně. Podrobnosti viz obrázky. Zpočátku jsem vystřihl část ze spodního akrylového kusu, aby bylo snazší protáhnout dráty do základny. Zpětně jsem měl právě vyvrtat malé otvory, aby odpovídaly těm v základně. Ale žádný velký problém. Do akrylových kousků byly také vyvrtány otvory a dubový kus pro pohodlné uchycení přes hřebík. Montáž proběhla následovně: Umístěte akrylový disk bez vrubů na hřebík. Omotejte 1-1/4 palcový kus pásky kolem nehtu, jak je znázorněno na obrázku, a poté přidejte ozubený acylický disk. Na dubový disk jsem nanesl epoxid a poté jej nasunul na hřebík tak, aby byl spojen s akrylovým kotoučem.

Než jsem přešel k procesu balení cívek, udělal jsem pár rychlých a špinavých výpočtů, abych získal hrubou představu o tom, jak velké budou hotové kabely a elektrický odpor obou cívek. Vypadalo to, že se mi podaří namontovat veškerý drát na sestavu jádra, takže jsem byl šťastný.

Krok 2: Navíjecí přípravek na cívku

Rozhodl jsem se, že zabalení drátu kolem jádra zcela ručně by byla obrovská bolest, takže inspirovaný technologií Tinker Toy jsem dláždil přípravek z hmoždinek a zbytků překližky a MDF. Zjistil jsem, že musím na dubový kotouč jádra cívky nanést kapku horkého lepidla, aby to pevně drželo na svém místě. Jinak v sestavě došlo k příliš velkému tření a jádro se nepohybovalo, když jsem otočil klikou. S trochou dalšího broušení, aby se dále snížilo tření a kapka horkého lepidla, byl přípravek v provozu.

Krok 3: Navíjení cívek

Drát je speciální typ drátu nazývaný magnetický drát. Jedná se o velmi jemný jednovláknový drát, který je potažen tenkým izolačním materiálem. Použil jsem 35 AWG. Je to velmi běžné a stejně jako téměř vše, co můžete získat od Amazonu. Cívku, kterou vidíte na prvním obrázku, jsem zachránil z koše při práci po akci vyklizení laboratoře. Nejste si jisti, jak je starý, ale vypadá to, že byl zakoupen před mnoha desítkami let. LOL.

Na cívku v jádrové sestavě zabalíme dvě cívky, jednu na druhou. Je důležité, aby obě cívky byly obaleny stejným směrem kolem sestavy … jinak to nebude fungovat. Každá cívka bude mít přibližně 4 000 obalů kolem nehtu. Nyní to není tak velká dohoda, pokud neskončíte s přesně 4000 otáčkami na každé cívce, takže nemusíte tento detail potit, ale měl jsem poznámkový blok, který jsem používal ke sledování. Trvalo několik hodin, než jsem dokončil proces balení, ale právě jsem zapnul fotbalový zápas, abych se nenudil. Při každém průchodu jsem mohl udělat asi 50 otáček kolem hřebíku, takže bych udělal pár průchodů, abych dostal sto zábalů, a poznamenal si to na svém poznámkovém bloku a pokračoval, dokud jsem se nedostal k 4000 zábalům.

Zde je postup balení: Začněte omotávat vnitřní cívku navlečením 2 nebo 3 palců drátu do dubového základního kusu. Označte konec tohoto drátu „1“. Dokončete 4000 zábalů a ujistěte se, že skončíte zpět na dubovém základním konci jádra. Odřízněte drát a nechte asi 2 nebo 3 palce další délky, abyste jej mohli navléct zpět do dubového podkladu. Označte tento konec „2“. Vnější cívku začněte stejným způsobem tak, že do dubové základny provléknete 2 nebo 3 palce drátu. Označte tento konec „3“. Proveďte dalších 4000 otáček, ustřihněte drát a konec navlékněte do základny stejně jako předtím. Označte tento konec „4“. Obrázky 4 a 5 ukazují konečný výsledek procesu balení. Znovu … Dejte si sakra jistotu, že obalíte vnitřní i vnější cívky stejným směrem !!!

Krok 4: Dokončení obvodu

Jak vidíte na schématu, obvod je extrémně jednoduchý, díky čemuž je toto zařízení tak neuvěřitelně cool. Viděl jsem podobné projekty, které místo toho používaly procesory … což je pro mě jako použití kladiva k zabití mouchy. Nechci zaklepávat na tyto typy projektů, ale jsem opravdu velký fanoušek návrhů, které svou práci odvedou s nejnižší úrovní složitosti.

Na druhém obrázku jsem si pohrával s různými strategiemi směrování kabeláže. Pravděpodobně jsem si z toho udělal větší práci, než bych měl. Existuje jen několik klíčových bodů … stačí je zapojit podle schématu, ale protože napájecí zdroj bude mimo sestavu cívky, musíte mít vodiče, které se připojí ke zdroji energie, vyčnívající ze spodní části sestavy. Jinými slovy: V+ vodič jde do kolektoru tranzistoru a V- vodič jde do vodiče označeného „2“na vaší sestavě cívky. Sečteno a podtrženo, vaše sestava cívky bude mít kladný a záporný pól. Když je hotovo, je dobré je takto označit, abyste nezapomněli, který je který. Ach … málem bych zapomněl. Budete muset použít kousek jemného brusného papíru, abyste odstranili izolační povlak na magnetickém drátu, než jej pájíte! Pro přehlednost ve schématu … „Lo“je vnější cívka a „Li“je vnitřní cívka a také mějte na paměti, že jsem označil konce vodičů cívky 1, 2, 3 a 4, aby odpovídaly tomu, jak jsme to udělali když jsme zabalili cívky.

Testoval jsem cívku, než jsem ji zalil epoxidem … dobrá věc, protože jsem udělal chybu! Ha, promíchal jsem se tím, že jsem mluvil o tom, jak jednoduché to všechno bylo. Ujistěte se tedy, že si sestavu před zaléváním vyzkoušíte.

Abych otestoval dokončenou sestavu, nalepil jsem magnet vzácných zemin na délku závitu a zavěsil ho těsně nad hlavu hřebíku v cívce. Poté připojte napájení k cívce a otočte magnetem kolem hlavy hřebíku. Mělo by to vzlétnout samo. Vzdálenost mezi magnetem a hlavičkou hřebíku je sladká. Příliš blízko a pohyb je trhaný … příliš daleko a nebude to fungovat.

Poslední obrázek ukazuje dokončenou cívku a magnet vzácných zemin (neodym), který jsem použil.

Krok 5: Součásti kyvadla

Jakmile jsem měl dobře známý funkční návrh sestavy cívek, potřeboval jsem postavit prototypové kyvadlo, abych mohl posoudit jeho výkonnostní charakteristiky. Nejvíc mě zajímalo, kolik energie zařízení používá, a také jsem potřeboval vědět, jak velký oblouk se kyvadlo bude houpat, protože by to ovlivnilo, jak jsem postupoval při návrhu hodin.

Zabalil jsem sestavu cívky do malé dřevěné krabice a přidal vypínač a napájecí připojení. Krabice se vešla do výřezu ve spodní části sestavy základny zobrazené na obrázku dva. Všechno bylo vhodné pro tření, takže jsem po cestě mohl provádět úpravy, abych získal optimální výkon. Na sloupek na obrázku 3 jsem přidal mosaznou trubku, abych pomohl snížit tření. Použil jsem 10d hřebík na čep, abych spojil kyvadlo se vzpřímeným kusem. Na obrázku 5 můžete vidět magnet vzácných zemin na konci kyvadla. Nikdy jsem nenašel nic, co by říkalo, že polarita magnetu je důležitá. Zdá se, že to nevadí… který druh mě štve, protože si intuitivně nějak myslím, že by měl. Nikdy jsem tomu však nevěnoval pozornost a zdá se, že to vždy funguje, takže si myslím, že ne. Poslední obrázek ukazuje 9voltový stejnosměrný zdroj energie. Proudová kapacita 1 ampér je přehnaná … nemusí to být tak blízko, jak jsem později zjistil.

Krok 6: Sestavení kyvadla

Základem je dva palce silný kus borovice. Chtěl jsem, aby to bylo těžké, aby se sestava nepřevrhla, když se kyvadlo houpalo. Přestože se jednalo o prototyp, rozhodl jsem se jej trochu obléknout a ořezat tenkými kousky červeného cedru. Nemohl jsem si pomoci!:)

Modul cívky se zapojí do spodní strany základny (obrázek 2) a celá věc se převrátí pravou stranou nahoru (obrázek 3). Sloupek se vloží do horní části základny (obrázek 4). Je vhodný pro tření. Vložte hřebík mosaznou trubkou ve svislé poloze (obrázek 5). A nakonec přitlačte kyvadlo na hřebík (poslední obrázek).

Upravil jsem kyvadlo tak, aby mezi ním a základnou byla malá mezera.

Krok 7: Výsledky výkonu prototypu

Když se podíváte na graf, který jsem umístil za pracovní kyvadlo ve videu, můžete vidět, že se kyvadlo houpe za střední čárou, ale nedostává se úplně za poslední řádek. Tím se celý oblouk, kterým se kyvadlo pohybuje, pohybuje mezi 72 a 80 stupni … Odhaduji kolem 75 stupňů. To je cenná informace, když je čas navrhnout chodící únik pro hodiny.

Také jsem připojil proudovou sondu k elektrickému vedení a sledoval odběr proudu během provozu. Byl jsem nesmírně potěšen, když jsem zjistil, že průměrný aktuální odběr byl něco málo přes 2 milimetry !!! Co je na tom opravdu skvělé, je, že budu schopen napájet hodiny baterií. Pokud použiji baterie s C články, vydržím více než 5 měsíců provozu, než budu muset vyměnit baterie. Né tak špatné!

Důvod, proč jsem nadšený z používání baterií, je ten, že nechci, aby k hodinám vedl napájecí kabel, který prozradí tajemství jeho fungování. Schovám baterie do spodní části hodin. Navíc to budu moci dát kamkoli.

Krok 8: Připravujeme se …

Jak vidíte, byl jsem zaneprázdněn dalšími kroky mého návrhu hodin. Při prořezávání zubů ozubeného kola jsem se popálil. Proboha, to je únavný proces. Pokud se někdy rozhodnu postavit spoustu těchto hodin, věřím, že budu investovat do pěkného CNC routeru !!!

Takže když jsem si dal pauzu od vyřezávání zubů ozubeného kola, vyřízl jsem ruce a začal pracovat na rámu hodin. Zatím je vše dobré!

Jak přemýšlím dopředu k dalšímu instruktážnímu dílu v této sérii, věřím, že budu mluvit o procesu, který jsem absolvoval při navrhování a stavění ozubených kol, takže na něm zůstaňte.

Uvidíme se potom!

Willy