Elektromagnetisk pendel: 8 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:37

I slutet av 1980 -talet bestämde jag mig för att jag skulle vilja bygga en klocka helt av trä. På den tiden fanns det inget internet så det var mycket svårare att forska än vad det är idag … även om jag lyckades kavla ihop ett mycket rått hjul och en pendelflykt. Körtiden var begränsad och det var ganska jobbigt men det skulle klicka med några minuter innan vikten skulle röra golvet. Mina resurser … verktyg, pengar, träbearbetningskunskaper … var också begränsade, vilket gjorde arbetet med projektet ganska frustrerande. Så för tiden övergavs träklockdrömmen. Snabbspolning 30 plus år. Jag är pensionär nu, jag har många riktigt bra verktyg och mina träbearbetningskunskaper har förbättrats dramatiskt. Jag har också tillgång till datorer, fantastisk programvara för datorstödd design (CAD) och internet. Så klockprojektet är igång igen. Jag har bestämt mig för att skriva om processen när jag jobbar mig igenom designen. Verkar bara som en rolig grej.

Inledningsvis ville jag bygga en klocka som drivs av gravitationen och regleras av en pendel. Nyligen, när jag slumpmässigt grävde runt på internet, stötte jag på en kollega på ön Kauai som designar träklockor och andra typer av "kinetisk konst". Han heter Clayton Boyer. Det var upptäckten av Mr Boyers klockdesigner som inspirerade mig att fortsätta mitt eget klockprojekt. En av hans designer som fascinerade mig kallades "Toucan". Walking escapement som användes på klockan liknade räkningen på fågeln med samma namn. Det var en rolig klocka att titta på och designen var väldigt nyckfull men det som i slutändan fångade min uppmärksamhet var hur den kördes. Det fanns inga vikter eller fjädrar. Pendeln tycktes magiskt svänga fram och tillbaka utan energiförlust. Hemligheten var ett elektromagnetiskt drivsystem dolt i basen av klockan och en magnet på pendelns ände. Som elektrotekniker tyckte jag att det här var riktigt coolt och jag bestämde mig för att ta reda på hur allt detta fungerade och byggde min egen version av Mr Boyers Toucan. För att vara säker … Jag kunde precis ha köpt planerna för klockan eftersom de var tillgängliga för cirka $ 35 men var är det roliga i det?

Efter att ha grävt lite mer på internet fann jag att konceptet gick tillbaka till början av 1960 -talet med Kundo Anniversary Clocks. De drivs av ett torrcellsbatteri och skulle fungera i ett år eller så innan du var tvungen att byta batteri (alltså namnet antar jag). Enkelheten i drivkretsen fascinerade mig. Det fanns två spolar (ett sår ovanpå ett annat), en germaniumtransistor och ett batteri. Det är allt! Jag älskar enkla saker som fungerar och det här kan inte bli mycket enklare. En av spolarna är ansluten till transistorns basingång och den andra spolen är i transistorns utgångssida i serie med batteriet. Den andra pusselbiten var en magnet monterad på änden av en pendel. När pendeln svänger av spolarna inducerar magneten en ström inuti spolen som driver transistorns bas. Detta gör att transistorn slås på och strömmen flödar i utgångskretsen från batteriet genom spolen som är i serie med den. Det finns också en transformatoreffekt som gör att mer ström induceras i ingångsspolen till den punkt där transistorn mättas. Den maximala mängden ström flödar nu på transistorns utgångssida och spolen i den kretsen drivs helt av batteriet och skapar därmed en elektromagnet med samma polaritet som magneten i pendeln. Tidpunkten är sådan att magnetfältet som genereras av elektromagneten stöter bort magneten i pendeln när den svänger förbi och ger den en liten kick. När pendeln rör sig förbi spolarna slutar strömmen att flyta i basen av transistorn och den stängs av. Denna process upprepas varje gång pendeln svänger av spolarna … ger den extra energi som krävs för att övervinna förlusterna i systemet och hålla allt i rörelse. Snyggt va? Det som är riktigt bra med det här är att det förbrukar väldigt lite ström och batteriet kommer att hålla länge. Träklockor som drivs av fjädrar eller vikter kommer bara att gå ett dygn innan de måste spolas tillbaka. De har sin egen dragningskraft men att slingra klockan varje dag verkade som en smärta för mig. Jag kan fortfarande bygga en av dessa någon gång (jag älskar Arnfield -rymningar) men för närvarande kommer det att bli elektronik istället för gravitation.

Så den första etappen av denna resa är att ta reda på hur man bygger den elektromagnetiskt impulserade pendeln eftersom detta inte bara kommer att reglera klockan utan också vara motorn som driver den. I slutändan utöver den här handledningen på pendeln kommer jag att publicera ett antal självstudier som täcker klockdesign i allmänhet, växeldesign, ramkonstruktion och sedan sätter ihop allt för att slutföra en fungerande klocka. Så spänn fast … här går vi med designprocessen för pendeln …

Tillbehör

Huvudkomponenten i den elektromagnetiskt impulserade pendeln är spolkretsen. Jag använde en 10d vanlig spik (finns i din genomsnittliga järnaffär) som ferritkärna. Kablarna för spolarna är 35 AWG magnettråd. Detta är en mycket fin tråd belagd med ett tunt icke -ledande material. En bipolär övergångstransistor 2N4401 NPN används för att styra strömflödet genom kretsen. Kaptontejp täcker spiken och den färdiga kärnan men du kan använda i stort sett vilken typ av tejp som helst. Spolens ändlock är 1/16 tum akrylplåt samt en cylindrisk bit ek för att rymma transistorn och spolens ledningar. Olika bitar av träskrot användes för resten av prototypen tillsammans med pluggar i ett antal diametrar. Jag älskar att arbeta med pluggar … det påminner mig om en av mina favoritbarndomsleksaker … Tinker Toys! Jag tycker att de lämpar sig ganska bra för prototyputveckling. Strömförsörjningen är en plug -in väggmodul som omvandlar AC 110 till 9 volt DC. I slutändan kommer klockan att bli batteridriven men för närvarande är inkopplingsmodulen väldigt bekväm och konsekvent. En annan nyckelkomponent är en neodymmagnet som är inbäddad i änden av pendeln. Magneten jag använde är 1/2 tum i diameter och en kvart tum tjock.

Steg 1: Coil Core Assembly

När jag gjorde min forskning för spolen sprang jag över ett klockreparationsforum där en av trådarna diskuterade detaljerna i spolens design. De hade några fantastiska bilder som gav mig idén om hur man döljer transistorn och tillhörande ledningar i spolens bas. En annan viktig detalj var att de nämnde spolarna som innehöll 4000 varv. Wow, det lät som mycket och skapade lite oro i bakhuvudet om hur rimligt det skulle vara att slå in spolen men jag tryckte på ändå.

Jag tänkte på hur stor jag ville att den färdiga spolen skulle vara och bestämde mig på en tum i diameter och en tum och en kvart lång. Jag klippte cirklar med en diameter på 1 tum från ett 1/16 tum akrylark för att använda för ändkåporna och ytterligare en 1 tum diameter skiva från en 1/2 tum tjock bit ek för basen. Jag fräst en fjärdedels tumkanal i ekskivan samt borrade ett hål med en diameter på 3/16 tum för att passa transistorn. Jag borrade också små hål för att kunna dra ledningarna in i kanalen i basen. Se bilderna för detaljer. Inledningsvis skar jag ut en sektion ur den nedre akrylbiten för att göra det lättare att föra in trådarna i basen. I efterhand borde jag precis ha borrat små hål för att matcha dem i basen. Men ingen stor grej. Det borrades också hål i akrylstyckena och ekstycket för en passande passform över spiken. Monteringen var följande: Placera den oskurna akrylskivan på spiken. Linda en 1-1/4-tums bit tejp runt spiken enligt bilden och lägg sedan till den hackade acylskivan. Jag applicerade epoxi på ekskivan och drog den sedan på spiken så att den fästes på akrylskivan.

Innan jag gick vidare till lindningsprocessen gjorde jag några snabba och smutsiga beräkningar för att få en grov uppfattning om hur stor den färdiga ledningen skulle vara och det elektriska motståndet hos de två spolarna. Det verkade som om jag skulle kunna montera hela tråden på mitt kärna så jag blev glad.

Steg 2: Coil Winding Jig

Jag bestämde mig för att det skulle vara en enorm smärta att svepa tråden runt kärnan helt för hand, så inspirerad av Tinker Toy -tekniken kullade jag ihop en jigg av pluggar och rester av plywood och MDF. Jag upptäckte att jag var tvungen att lägga en klick varmt lim på ekskivan i spolkärnan för att hålla det ordentligt på plats. Annars var det lite för mycket friktion i monteringen och kärnan rörde sig inte när jag vände veven. Så med lite mer slipning för att ytterligare minska friktionen och diten av hett lim var jiggen i drift.

Steg 3: Lindning av spolarna

Tråden är en speciell typ av tråd som kallas magnettråd. Det är en mycket fin enkelsträngad tråd som är belagd med ett tunt isolerande material. Jag använde 35 AWG. Det är mycket vanligt och precis som allt annat kan du få det från Amazon. Jag räddade spolen som du ser på den första bilden från papperskorgen på jobbet efter en lab clean -event. Vet inte hur gammalt det är men det ser ut att ha köpts för många decennier sedan. LOL.

Vi kommer att linda två spolar, den ena ovanpå den andra, över spiken i kärnenheten. Det är viktigt att båda spolarna lindas i samma riktning runt enheten … annars fungerar det inte. Varje spole kommer att ha cirka 4000 omslag runt spiken. Nu är det inte så stort om du inte slutar med exakt 4000 varv på varje spole så att du inte behöver svettas i den detaljen men jag hade en anteckningsblock som jag brukade hålla reda på. Det tog några timmar att slutföra inslagningsprocessen men jag slog bara på en fotbollsmatch för att se så att jag inte blev uttråkad. Jag kunde göra ungefär 50 varv runt spiken varje pass så jag skulle göra ett par pass för att få hundra omslag och notera det på min anteckningsblock och fortsatte tills jag kom till 4000 omslag.

Här är processen för inslagning: Börja linda in den inre spolen genom att trä 2 eller 3 tum tråd i ekbotten. Märk slutet av denna tråd "1". Slutför dina 4000 omslag och se till att du hamnar tillbaka vid ekens bottenände. Klipp av tråden och lämna cirka 2 eller 3 tum extra längd så att du kan trä tillbaka den i ekbasen. Märk detta ändamål "2". Starta den yttre spolen på samma sätt genom att trä in 2 eller 3 tum tråd i ekfoten. Märk detta slut "3". Gör ytterligare 4000 varv, klipp av tråden och trä in änden i basen på samma sätt som tidigare. Märk detta ändamål "4". Bilderna 4 och 5 visar det slutliga resultatet av omslagsprocessen. Återigen … Se till att du sveper både de inre och yttre spolarna i samma riktning !!!

Steg 4: Slutföra kretsen

Som du kan se i schemat är kretsen extremt enkel vilket gör den här enheten så otroligt cool. Jag har sett liknande projekt som använde processorer istället … vilket för mig är som att använda en slägga för att döda en fluga. Jag menar inte att slå den typen av projekt men jag är bara ett riktigt stort fan av mönster som gör jobbet gjort med den lägsta komplexiteten.

På den andra bilden lekte jag med olika routningsstrategier för ledningarna. Jag gjorde nog en större affär av det än jag borde. Det finns bara ett par nyckelpunkter … bara koppla den som schemat men eftersom strömförsörjningen kommer att vara extern för spoleenheten måste du ha trådarna som ansluts till strömkällan som sticker ut botten av enheten. Med andra ord: V+ -tråden går till transistorns kollektor och V-tråden går till tråden märkt "2" på din spoleenhet. Så slutligen kommer din spoleenhet att ha en positiv och en negativ terminal. Det är en bra idé att märka dessa som sådana när du är klar så att du inte glömmer vilken som är vilken. Ah … jag glömde nästan. Du måste använda en bit fint sandpapper för att ta bort den isolerande beläggningen på magnettråden innan du lödder den! För tydlighet i schemat … "Lo" är den yttre spolen och "Li" är den inre spolen och notera också att jag har märkt ändarna på spoltrådarna 1, 2, 3 och 4 för att matcha hur vi gjorde det när vi slog in spolarna.

Jag testade spolen innan jag kastade in den med epoxi … bra eftersom jag hade gjort ett misstag! Ha, jag jinxade mig själv genom att prata om hur enkelt allt var. Så se till att du testar din montering innan du krukar in den.

För att testa den färdiga monteringen tejpade jag en sällsynt jordartsmagnet till en längd av tråd och dinglade den strax över spikhuvudet i spolen. Anslut sedan strömmen till spolen och sväng magneten förbi spikhuvudet. Det borde ta fart på egen hand. Det finns en söt plats för avståndet mellan magneten och spikhuvudet. För nära och rörelsen är ryckig … för långt och det fungerar inte.

Den sista bilden visar den färdiga spolen samt den sällsynta jordartsmagneten (neodym) som jag använde.

Steg 5: Pendelkomponenter

När jag väl hade en känd fungerande design för spoleenheten behövde jag bygga upp en prototyppendel så att jag kunde bedöma dess prestandaegenskaper. Jag var mest nyfiken på att ta reda på hur mycket ström enheten använde och jag behövde också veta hur stor en båge pendeln skulle svänga eftersom detta skulle påverka hur jag gick vidare med min klockdesign.

Jag packade min spoleenhet i en liten trälåda och lade till en strömbrytare och strömanslutning. Lådan passar inuti en utskärning på undersidan av basenheten som visas på bild två. Allt var en friktionspassning så att jag kunde göra justeringar längs vägen för att få optimal prestanda. Jag lade till ett mässingsrör i stolpen i bild 3 för att minska friktionen. Jag använde en 10d spik för stiftet för att ansluta pendeln till den upprättstående delen. På bild 5 kan du se den sällsynta jordartsmagneten i slutet av pendeln. Jag hittade aldrig något som sa att magnetpolaritet var viktigt. Det verkar inte spela någon roll …. vilken typ av buggar mig för att intuitivt på något sätt tycker jag att det borde. Men jag har aldrig uppmärksammat det och det verkar alltid fungera så jag antar att det inte är det. Den sista bilden visar 9 volt likströmskälla. Strömkapaciteten på 1 amp är överkill … det behöver inte vara någonstans nära det som jag fick reda på senare.

Steg 6: Montering av pendeln

Basen är en två tum tjock bit av tall. Jag ville att det skulle vara tungt för att hålla enheten från att välta när pendeln svängde. Trots att det här var en prototyp bestämde jag mig fortfarande för att klä upp den lite och trimmade ut den med tunna bitar av röd ceder. Kunde inte låta bli!:)

Spolmodulen ansluts till undersidan av basen (bild 2) och det hela vänds uppåt (bild 3). Upprättstående sätts in i toppen av basen (bild 4). Det är en friktionspassning. För in spiken genom mässingsröret i upprätt läge (bild 5). Och tryck till sist på pendeln på spiken (sista bilden).

Jag justerade pendeln så att det fanns ett litet gap mellan den och basen.

Steg 7: Prototypprestationsresultat

Genom att titta på diagrammet som jag placerade bakom arbetspendeln i videon kan du se att pendeln svänger förbi mittlinjen men inte riktigt når den sista raden. Detta placerar hela bågen som pendeln svänger mellan 72 och 80 grader … Jag uppskattar cirka 75 grader. Detta är värdefull information när det är dags att utforma vandringsutrymmet för klockan.

Jag kopplade också en strömprobe till kraftledningen och övervakade strömdragningen under drift. Jag var mycket glad över att få reda på att den genomsnittliga strömdragningen var lite över 2 milliampere !!! Det som är riktigt coolt med det är att jag kommer att kunna få klockbatteriet att driva. Om jag använder C -batterier får jag över 5 månaders drifttid innan jag måste byta batterier. Inte så dåligt!

Anledningen till att jag är upphetsad över att använda batterier är att jag inte vill att en strömkabel ska gå till klockan och avslöja hemligheten om hur den fungerar. Jag ska gömma batterierna i klockfoten. Dessutom kommer jag att kunna placera den var som helst.

Steg 8: Nästa …

Som ni ser har jag varit upptagen med nästa steg i min klockdesign. Jag blev utbränd när jag klippte kuggarna. Herregud det är en tråkig process. Om jag någonsin bestämmer mig för att bygga ett gäng av dessa klockor tror jag att jag kommer att investera i en fin CNC -router !!!

Så medan jag tog en paus från att såga ut kuggtänder skar jag ut händerna och började arbeta med klockramen. Än så länge är allt bra!

När jag tänker framåt till nästa instruerbara i den här serien tror jag att jag kommer att prata om processen jag gick igenom för att designa och bygga redskapen, så vänta på den.

Vi ses då!

Snopp