Sähkömagneettinen heiluri: 8 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Jo 1980 -luvun lopulla päätin rakentaa kellon kokonaan puusta. Siihen aikaan ei ollut Internetiä, joten tutkimuksen tekeminen oli paljon vaikeampaa kuin nykyään … vaikka onnistuin myös puristamaan yhteen erittäin karkean pyörän ja heilurin. Käyttöaika oli rajallinen ja se oli melko hankala, mutta se napsahti pitkin muutaman minuutin ennen kuin paino kosketti lattiaa. Rajoitetut olivat myös resurssit… työkalut, raha, puuntyöstötaidot… mikä teki projektin parissa työskentelyn melko turhauttavaksi. Joten puinen kello -unelma hylättiin toistaiseksi. Nopeasti eteenpäin 30 vuotta. Olen nyt eläkkeellä, minulla on paljon todella hienoja työkaluja ja puutyötaitoni ovat parantuneet dramaattisesti. Minulla on myös pääsy tietokoneisiin, hämmästyttävään tietokoneavusteiseen suunnitteluun (CAD) ja Internetiin. Kellohanke on siis jälleen käynnissä. Olen päättänyt kirjoittaa prosessista, kun työskentelen läpi suunnittelun. Vaikuttaa vain hauskalta toiminnalta.

Aluksi halusin rakentaa kellon, jota painovoima ohjaa ja heiluri säätelee. Äskettäin kaivaessani satunnaisesti Internetiä, törmäsin Kauai -saaren kaveriin, joka suunnittelee puukelloja ja muunlaista "kineettistä taidetta". Hänen nimensä on Clayton Boyer. Boyerin kellomallien löytäminen inspiroi minua jatkamaan omaa kelloprojektiani. Yksi hänen kiehtovista malleistaan oli nimeltään "Toucan". Kellossa käytetty kävelytie muistutti saman nimisen linnun seteliä. Se oli hauska kello katsella ja muotoilu oli erittäin oikukas, mutta lopulta kiinnitin huomioni siihen, miten sitä ajettiin. Ei ollut painoja tai jousia. Heiluri näytti heiluvan maagisesti edestakaisin ilman energian menetystä. Salaisuus oli sähkömagneettinen käyttöjärjestelmä, joka oli piilotettu kellon pohjaan, ja magneetti heilurin päässä. Sähköinsinöörinä ajattelin, että tämä oli todella siistiä, ja päätin selvittää, miten tämä kaikki toimi, ja rakentaa oman version Mr. Boyer's Toucanista. Ollakseni varma… olisin voinut ostaa kellon suunnitelmat, koska ne olivat saatavilla noin 35 dollarilla, mutta missä on hauskaa?

Tutkittuani hieman Internetissä, huomasin, että konsepti on peräisin 1960 -luvun alkupuolelta Kundon vuosipäivän kellojen kanssa. Niitä käytettiin kuivakennolla ja ne toimisivat noin vuoden, ennen kuin joudut vaihtamaan akun (luulisin siis nimen). Käyttöpiirin yksinkertaisuus kiehtoi minua. Siellä oli kaksi kelaa (yksi haava toisen päälle), germaniumtransistori ja akku. Siinä kaikki! Rakastan yksinkertaisia asioita, jotka toimivat, eikä tämä voisi olla paljon yksinkertaisempaa. Yksi käämeistä on kytketty transistorin kantatuloon ja toinen kela on transistorin lähtöpuolella sarjassa akun kanssa. Toinen palapelin pala oli magneetti, joka oli asennettu heilurin päähän. Kun heiluri kääntyy kelojen mukaan, magneetti indusoi virran käämissä, joka ohjaa transistorin pohjaa. Tämä saa transistorin käynnistymään ja virta virtaa lähtöpiirissä akusta sen kanssa sarjassa olevan kelan läpi. On myös muuntajavaikutus, joka aiheuttaa lisää virtaa induktiokäämissä siihen pisteeseen, jossa transistori kyllästyy. Suurin virran määrä virtaa nyt transistorin lähtöpuolella ja kyseisen piirin kela saa täyden virran akusta, jolloin syntyy sähkömagneetti, jonka napaisuus on sama kuin heilurin magneetti. Ajoitus on sellainen, että sähkömagneetin synnyttämä magneettikenttä torjuu heilurin magneetin sen heiluttaessa ohi ja antaa sille pienen potkun. Kun heiluri liikkuu kelojen ohi, virta lakkaa virtaamasta transistorin pohjassa ja se sammuu. Tämä prosessi toistetaan joka kerta, kun heiluri heiluttaa kelat… toimittaen tarvittavaa lisäenergiaa järjestelmän sisällä olevien häviöiden voittamiseksi ja pitäen kaiken liikkeessä. Siisti vai? Tässä on todella hienoa, että se kuluttaa hyvin vähän virtaa ja akku kestää pitkään. Puiset kellot, joita ohjaavat jouset tai painot, toimivat vain päivän tai niin ennen kuin ne on kelattava taaksepäin. Heillä on oma vetoomuksensa, mutta kellon kääntäminen joka päivä tuntui minusta tuskalta. Voin vielä joskus rakentaa yhden näistä (rakastan Arnfieldin pakopaikkoja), mutta nyt se tulee olemaan elektroniikkaa painovoiman sijaan.

Joten tämän matkan ensimmäinen vaihe on selvittää, kuinka rakentaa sähkömagneettisesti impulssoitu heiluri, koska se ei ainoastaan säätele kelloa, vaan on myös sitä ohjaava moottori. Lopulta tämän heilurin opetusohjelman lisäksi aion julkaista useita opetusohjelmia, jotka kattavat kellon suunnittelun yleensä, vaihteiston suunnittelun ja rungon rakenteen, ja sitten koota kaikki yhteen toimivan kellon suorittamiseksi. Joten hihna sisään … tässä mennään heilurin suunnitteluprosessiin …

Tarvikkeet

Sähkömagneettisesti impulssoidun heilurin pääkomponentti on kelapiiri. Käytin ferriittisydämenä 10d -yleistä naulaa (saatavana tavallisesta rautakaupasta). Käämien johdotus on 35 AWG -magneettijohtoa. Tämä on erittäin hieno lanka, joka on päällystetty ohuella johtamattomalla materiaalilla. 2N4401 NPN bipolaarinen liitos transistori käytetään ohjaamaan virran kulkua piirin läpi. Kapton -teippi peittää naulan ja valmiin ytimen, mutta voit käyttää melkein mitä tahansa teippiä. Käämin päätykannet ovat 1/16 tuuman akryylilevyä sekä lieriömäinen tammikappale transistorin ja kelan johdotuksen sijoittamiseksi. Prototyyppikokoonpanon loppuosassa käytettiin erilaisia puunpalasia ja -palasia yhdessä halkaisijaltaan olevien tapitangojen kanssa. Rakastan työskennellä tappitangoilla … se muistuttaa minua yhdestä lapsuuden suosikkileluistani … Tinker Toys! Mielestäni ne soveltuvat varsin hyvin prototyyppien kehittämiseen. Virtalähde on seinämoduuli, joka muuntaa 110 voltin vaihtovirtaa 9 voltin tasavirtaksi. Lopulta kello on akkukäyttöinen, mutta toistaiseksi plug -in -moduuli on erittäin kätevä ja johdonmukainen. Toinen keskeinen komponentti on neodyymimagneetti, joka on upotettu heilurin päähän. Käyttämäni magneetti on halkaisijaltaan 1/2 tuumaa ja neljäsosa tuumaa paksu.

Vaihe 1: Kelan ytimen kokoonpano

Kun tein tutkimusta kelalle, törmäsin kellon korjausfoorumiin, jossa yksi säikeistä keskusteli kelan suunnittelun yksityiskohdista. Heillä oli hienoja kuvia, jotka antoivat minulle idean siitä, miten piilottaa transistori ja siihen liittyvät johdot kelan pohjassa. Toinen tärkeä yksityiskohta oli, että he mainitsivat 4000 kierrosta sisältävät kelat. Vau, se kuulosti paljon ja aiheutti hieman huolta mielessäni siitä, kuinka järkevää oli kääriä kela, mutta jatkoin silti.

Mietin, kuinka suuren halusin valmiin kelan olevan ja laskeutunut tuuman halkaisijalle ja tuuman ja neljänneksen pituiselle. Leikkasin halkaisijaltaan 1 tuuman ympyrät 1/16 tuuman akryylilevystä päätykappaleita varten ja toisen 1 tuuman halkaisijaisen levyn 1/2 tuuman paksuisesta tammikappaleesta pohjalle. Jyrsin neljäsosa tuuman kanavan tammikiekkoon ja porasin halkaisijaltaan 3/16 tuuman reiän transistorin sijoittamiseksi. Porasin myös pieniä reikiä, jotta voisin reitittää johdot kanavan pohjaan. Katso lisätietoja kuvista. Leikkasin aluksi osan akryylipohjasta, jotta johdot olisi helpompi viedä pohjaan. Jälkeenpäin ajateltuna minun olisi pitänyt porata pieniä reikiä, jotka vastaavat pohjan reikiä. Mutta ei iso juttu. Reiät porattiin myös akryylikappaleisiin ja tammikappale, joka istui tiukasti kynnen päälle. Kokoonpano oli seuraava: Aseta leikkaamaton akryylilevy naulaan. Kierrä 1-1/4 tuuman pala teippiä kynnen ympärille kuvan osoittamalla tavalla ja lisää sitten lovettu asyylilevy. Laitoin tampilevyyn epoksia ja liu'utin sen sitten naulaan niin, että se liimattiin akryylilevyyn.

Ennen kuin siirryin kelan käärintäprosessiin, tein nopeita ja likaisia laskelmia saadakseni karkean käsityksen siitä, kuinka suuri valmis johdotus olisi ja kummankin kelan sähkövastus. Näytti siltä, että pystyisin sovittamaan kaikki langat ydinkokoonpanoon, joten olin onnellinen.

Vaihe 2: Kelan käämitys

Päätin, että langan kääriminen sydämen ympärille käsin olisi valtava kipu, joten Tinker Toy -tekniikan innoittamana kootin jigin irti tapista ja vaneri- ja MDF -palasista. Huomasin, että minun piti laittaa kuumaa liimaa kelaytimen tammilevyyn pitämään se tiukasti paikallaan. Muuten kokoonpanossa oli hieman liikaa kitkaa eikä ydin liikkunut, kun käänsin kampia. Joten hiomalla hieman lisää kitkaa ja kuuman liiman hiertämistä edelleen, jigi oli toiminnassa.

Vaihe 3: Kelan käämitys

Lanka on erityinen lanka, jota kutsutaan magneettilankaksi. Se on erittäin hieno yksisäikeinen lanka, joka on päällystetty ohuella eristemateriaalilla. Käytin 35 AWG: tä. Se on hyvin yleistä ja aivan kuten melkein kaikki muu, mitä voit saada sen Amazonista. Pelastin kelan, jonka näet ensimmäisessä kuvassa, roskakorista töissä laboratorion siivoustapahtuman jälkeen. En tiedä kuinka vanha se on, mutta näyttää siltä, että se on ostettu vuosikymmeniä sitten. LOL.

Käärimme kaksi kelaa päällekkäin ydinkokoonpanon naulan päälle. On välttämätöntä, että molemmat kelat kääritään samaan suuntaan kokoonpanon ympärille … muuten se ei toimi. Jokaisessa kelassa on noin 4000 käärintää naulan ympärille. Nyt se ei ole niin suuri juttu, jos et pääty täsmälleen 4000 kierrosta jokaiseen kelaan, joten sinun ei tarvitse hikoilla tätä yksityiskohtaa, mutta minulla oli muistilehtiö, jota käytin seurata. Käärintäprosessin suorittaminen kesti muutaman tunnin, mutta laitoin juuri katsomaan jalkapallo -ottelun, jotta en kyllästyisi. Voisin tehdä noin 50 kierrosta naulan ympärillä joka kerta, joten tekisin pari passia saadakseni sata kääriä ja merkitsen sen muistiinpanolleni ja jatkan, kunnes sain 4000 kääriä.

Tässä on käärintäprosessi: Aloita sisäkelan kääriminen kiertämällä 2 tai 3 tuumaa lankaa tammipohjakappaleeseen. Merkitse langan pää "1". Viimeistele 4000 kääriä ja varmista, että päädyt takaisin ytimen tammipohjaiseen päähän. Katkaise lanka ja jätä noin 2 tai 3 tuumaa lisäpituutta, jotta voit pujottaa sen takaisin tammipohjaan. Merkitse tämä pää 2. Aloita ulompi kela samalla tavalla kiertämällä 2 tai 3 tuumaa lankaa tammipohjaan. Merkitse tämä pää 3. Tee vielä 4000 kierrosta, katkaise lanka ja pujota pää pohjaan samalla tavalla kuin ennen. Merkitse tämä pää 4. Kuvat 4 ja 5 esittävät käärintäprosessin lopputuloksen. Jälleen… Varmista, että käärit sekä sisä- että ulkokelat samaan suuntaan !!!

Vaihe 4: Piirin suorittaminen loppuun

Kuten kaaviosta näet, piiri on erittäin yksinkertainen, mikä tekee tästä laitteesta niin uskomattoman viileän. Olen nähnyt samanlaisia projekteja, joissa käytettiin prosessoreita … mikä minusta on kuin kelkkavasaran käyttämistä kärpäsen tappamiseen. En halua lyödä tällaisia projekteja, mutta olen vain todellinen fani malleista, jotka saavat työn tehtyä mahdollisimman pienellä monimutkaisuudella.

Toisessa kuvassa leikin eri johdotusreititysstrategioilla. Tein siitä luultavasti suuremman sopimuksen kuin pitäisi. On vain muutamia keskeisiä kohtia … vain johto se kuten kaaviossa, mutta koska virtalähde tulee olemaan kelakokoonpanon ulkopuolella, sinulla on oltava virtalähteeseen liitettävät johdot, jotka tulevat ulos kokoonpanon pohjasta. Toisin sanoen: V+ -johto menee transistorin kollektoriin ja V-johdin käämikokoonpanon "2" -johtoon. Joten kelan kokoonpanossa on positiivinen ja negatiivinen napa. Nämä on hyvä merkitä sellaisiksi, kun olet valmis, jotta et unohda kumpi on mikä. Ah… melkein unohdin. Sinun on käytettävä hienoa hiekkapaperia magneettilangan eristävän pinnoitteen poistamiseksi ennen juottamista! Kaavion selvyyden vuoksi… "Lo" on ulompi kela ja "Li" on sisäkela, ja huomaa myös, että olen merkinnyt kelajohtojen päät 1, 2, 3 ja 4 vastaamaan sitä, miten teimme sen kun käärittiin kelat.

Testasin kelan ennen kuin panin sen epoksilla … hyvä asia, koska olin tehnyt virheen! Hah, hämmennyin puhumalla kuinka yksinkertaista kaikki oli. Muista siis testata kokoonpano ennen sen panemista.

Testataksesi valmiita kokoonpanoja teipasin harvinaisten maametallien magneetin langanpituuteen ja ripustin sen kelan naulan pään päälle. Kytke sitten virta kelaan ja käännä magneetti naulan pään ohi. Sen pitäisi nousta itsestään. Magneetin ja naulan pään välillä on makea paikka. Liian lähellä ja liike on nykivä… liian kaukana eikä se toimi.

Viimeisessä kuvassa näkyy valmis kela sekä käyttämäni harvinaisten maametallien (neodyymi) magneetti.

Vaihe 5: Heilurikomponentit

Kun minulla oli tunnettu hyvä työsuunnitelma kelakokoonpanolle, minun piti rakentaa heilurin prototyyppi, jotta voisin arvioida sen suorituskykyominaisuudet. Olin erittäin utelias selvittämään, kuinka paljon laitetta käytettiin, ja minun oli myös tiedettävä, kuinka suuren kaaren heiluri heiluu, koska tämä vaikuttaisi siihen, miten edistyin kellon suunnittelussa.

Pakkasin käämikokoonpanoni pieneen puulaatikkoon ja lisäsin kytkimen ja virtaliitännän. Laatikko mahtuu kuvassa 2 esitetyn pohjakokoonpanon pohjassa olevan aukon sisään. Kaikki oli kitkasovitus, jotta voisin tehdä säätöjä matkan varrella parhaan suorituskyvyn saavuttamiseksi. Lisäsin messinkiputken kuvan 3 pystyasentoon kitkan vähentämiseksi. Käytin tapissa 10d naulaa heilurin liittämiseksi pystykappaleeseen. Kuvassa 5 näkyy harvinaisten maametallien magneetti heilurin päässä. En ole koskaan löytänyt mitään, joka sanoisi magneetin napaisuuden olevan tärkeä. Sillä ei tunnu olevan väliä…. mikä häiritsee minua, koska intuitiivisesti jotenkin mielestäni sen pitäisi olla. Mutta en ole koskaan kiinnittänyt siihen huomiota ja se näyttää aina toimivan, joten luulen, että ei. Viimeisessä kuvassa näkyy 9 voltin tasavirtalähde. 1 ampeerin nykyinen kapasiteetti on yliarvostettu … sen ei tarvitse olla lähellä sitä, kuten huomasin myöhemmin.

Vaihe 6: Heilurin kokoaminen

Pohja on kahden tuuman paksu mäntypala. Halusin sen olevan raskasta, jotta kokoonpano ei kaatuisi heilurin heiluttaessa. Vaikka tämä oli prototyyppi, päätin silti pukea sen hieman ja leikkasin sen ohuiksi punaisen setrin palasiksi. En voinut auttaa itseäni!:)

Käämimoduuli kytketään jalustan pohjaan (kuva 2) ja koko asia käännetään oikealle puolelle ylöspäin (kuva 3). Pysty on asetettu jalustan yläosaan (kuva 4). Se on kitkasovitus. Työnnä naula messinkiputken läpi pystyasentoon (kuva 5). Ja lopuksi paina heiluri naulaan (viimeinen kuva).

Säädin heiluria niin, että sen ja pohjan välillä oli pieni rako.

Vaihe 7: Prototyypin suorituskyvyn tulokset

Tarkastelemalla kaaviota, jonka asetin videossa toimivan heilurin taakse, näet, että heiluri heiluu keskiviivan ohi, mutta ei aivan viimeisen rivin ohi. Tämä asettaa koko kaaren, jonka heiluri heiluttaa välillä 72-80 astetta … Arvioin noin 75 astetta. Tämä on arvokasta tietoa, kun on aika suunnitella kävelytie kellolle.

Kytkin myös virtamittarin sähköjohtoon ja seurasin virrankulutusta käytön aikana. Olin erittäin iloinen kuullessani, että keskimääräinen virranotto oli hieman yli 2 milliampeeria !!! Mikä on todella hienoa siinä, että voin saada kellon paristokäyttöiseksi. Jos käytän C -kennoja, saan yli 5 kuukautta käyttöaikaa ennen kuin joudun vaihtamaan paristot. Ei liian paha!

Syy siihen, että olen innoissani paristojen käytöstä, on se, että en halua, että kelloon kulkeva virtajohto paljastaa sen toiminnan salaisuuden. Piilotan paristot kellon pohjaan. Lisäksi voin laittaa sen minne tahansa.

Vaihe 8: Seuraavaksi…

Kuten näette, olen ollut kiireinen kelloni suunnittelun seuraavien vaiheiden kanssa. Sain palovamman leikkaamalla hammaspyörän hampaita. Voi luoja, että on tylsä prosessi. Jos päätän koskaan rakentaa joukon näitä kelloja, uskon investoivani mukavaan CNC -reitittimeen !!!

Joten kun pidin tauon hammaspyörien sahaamisesta, leikkasin kädet irti ja aloin työskennellä kellokehyksen parissa. Toistaiseksi niin hyvin!

Kun ajattelen eteenpäin tämän sarjan seuraavan ohjeen suhteen, uskon puhuvani prosessista, jonka kävin läpi suunnittelemalla ja rakentamalla hammaspyörät, joten seiso sen vieressä.

Nähdään silloin!

Willy