Electromagnetic Pendulum: 8 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Bumalik sa huling bahagi ng 1980's napagpasyahan kong nais kong magtayo ng isang orasan na ganap na wala sa kahoy. Sa oras na walang internet kaya't higit na mahirap gawin ang pagsasaliksik kaysa sa ngayon … kahit na pinamamahalaan ko na magkasama ang isang napaka gulong krudo at pagtakas ng pendulum. Limitado ang oras ng pagtakbo at sa halip ay fiddly ngunit mag-click ito nang ilang minuto bago mahipo ang bigat sa sahig. Limitado rin ang aking mga mapagkukunan … mga tool, pera, mga kasanayan sa paggawa ng kahoy… na kung saan ay nakakadismaya sa pagtatrabaho. Kaya, para sa oras, ang pangarap na kahoy na orasan ay inabandona. Fast forward 30 plus taon. Nagretiro na ako ngayon, marami akong talagang mahusay na mga tool, at ang aking mga kasanayan sa paggawa ng kahoy ay napabuti nang malaki. Mayroon din akong access sa mga computer, kamangha-manghang computer aided design (CAD) software, at internet. Kaya't bumalik ang proyekto sa orasan. Napagpasyahan kong magsulat tungkol sa proseso habang ginagawa ko ang disenyo. Parang isang nakakatuwang gawin lang.

Sa una ay nais kong bumuo ng isang orasan na hinihimok ng gravity at kinokontrol ng isang pendulum. Kamakailan lamang, habang ako ay random na naghuhukay sa internet, nakatagpo ako ng isang kapwa sa isla ng Kauai na nagdidisenyo ng mga kahoy na orasan at iba pang mga uri ng "kinetic art". Ang pangalan niya ay Clayton Boyer. Ang pagtuklas ng mga disenyo ng orasan ni G. Boyer na nagbigay inspirasyon sa akin na ipagpatuloy ang aking sariling proyekto sa orasan. Ang isa sa kanyang mga disenyo na nabighani sa akin ay tinawag na "Toucan". Ang paglalakad na pagtakas na ginamit sa orasan ay kahawig ng singil ng ibon na may parehong pangalan. Ito ay isang nakakatuwang orasan upang panoorin at ang disenyo ay napaka-whimsical ngunit kung ano ang huli na nakuha ang aking pansin ay kung paano ito hinihimok. Walang mga timbang o bukal. Ang palawit ay tila mahiwagang nakikipag-swing na walang pagkawala ng lakas. Ang sikreto ay isang electromagnetic drive system na nakatago sa loob ng base ng orasan at isang magnet sa dulo ng pendulum. Bilang isang electrical engineer naisip ko na ito ay talagang cool at nagpasya akong alamin kung paano ito gumagana at bumuo ng aking sariling bersyon ng Mr. Boyer's Toucan. To be sure … Kakabili ko lang ng mga plano para sa orasan dahil magagamit sila sa halos $ 35 ngunit nasaan ang kasiyahan doon?

Pagkatapos ng kaunting paghuhukay pa sa internet nalaman ko na ang konsepto ay nagsimula pa noong umpisa ng 1960 kasama ang Kundo Anniversary Clocks. Ang mga ito ay pinalakas ng isang dry cell baterya at tatakbo sa loob ng isang taon o higit pa bago mo baguhin ang baterya (kaya ang pangalan, palagay ko). Ang pagiging simple ng drive circuit ay naintriga sa akin. Mayroong dalawang coil (isang sugat sa tuktok ng isa pa), isang germanium transistor, at isang baterya. Yun lang! Gustung-gusto ko ang mga simpleng bagay na gumagana at hindi ito maaaring gawing mas simple. Ang isa sa mga coil ay konektado sa base input ng transistor at ang iba pang coil ay nasa gilid ng output ng transistor na serye gamit ang baterya. Ang iba pang piraso ng palaisipan ay isang pang-akit na nakakabit sa dulo ng isang palawit. Tulad ng pag-swing ng pendulum ng mga coil ang magnet ay nagpapahiwatig ng isang kasalukuyang sa loob ng coil na nagmamaneho sa base ng transistor. Ito ay sanhi ng transistor upang i-on at kasalukuyang daloy sa output circuit mula sa baterya sa pamamagitan ng likid na ay nasa serye kasama nito. Mayroon ding isang epekto ng transpormer na nagdudulot ng mas maraming kasalukuyang upang maging sapilitan sa input coil hanggang sa punto kung saan ang transistor saturates. Ang maximum na dami ng kasalukuyang dumadaloy ngayon sa output side ng transistor at ang coil sa circuit na iyon ay buong lakas ng baterya kaya't lumilikha ng isang electromagnet na may parehong polarity tulad ng magnet sa pendulum. Ang tiyempo ay tulad na ang magnetikong patlang na nabuo ng electromagnet ay nagtataboy sa pang-akit sa palawit habang nakikipag-swing ito at binibigyan ito ng kaunting sipa. Sa sandaling lumipat ang pendulum sa kasalukuyang mga coil ay hihinto sa pag-agos sa base ng transistor at ito ay patayin. Ang prosesong ito ay paulit-ulit sa tuwing ang palawit ay nagbabago ng mga coil … pagbibigay ng karagdagang enerhiya na kinakailangan upang mapagtagumpayan ang pagkalugi sa loob ng system at panatilihin ang paggalaw ng lahat. Magaling ha? Ano ang talagang mahusay tungkol dito ay gumugugol ito ng napakakaunting lakas at ang baterya ay tatagal ng mahabang panahon. Ang mga kahoy na relo na hinihimok ng mga bukal o timbang ay tatakbo lamang sa loob ng isang araw o higit pa bago sila i-rewound. Mayroon silang sariling pag-apila ngunit ang pag-ikot ng orasan araw-araw ay tila isang kirot sa akin. Maaari pa rin akong bumuo ng isa sa mga ito balang araw (gustung-gusto ko ang pagtakas ni Arnfield) ngunit sa ngayon ay magiging electronics sa halip na gravity.

Kaya't ang unang binti ng paglalakbay na ito ay upang malaman kung paano maitatayo ang electromagnetically impulsed pendulum dahil hindi lamang ito makokontrol ang orasan kundi maging ang makina na magmaneho nito. Sa huli bilang karagdagan sa tutorial na ito sa pendulo ay maglalathala ako ng maraming mga tutorial na sumasaklaw sa disenyo ng relo sa pangkalahatan, disenyo ng gear, konstruksyon ng frame, at pagkatapos ay pagsamahin ang lahat upang makumpleto ang isang gumaganang orasan. Kaya't mag-strap ka … narito kami kasama ang proseso ng disenyo para sa palawit …

Mga gamit

Ang pangunahing bahagi ng electromagnetically impulsed pendulum ay ang coil circuit. Gumamit ako ng 10d karaniwang kuko (magagamit sa iyong average na tindahan ng hardware) bilang pangunahing ferit. Ang mga kable para sa mga coil ay 35 AWG magnet wire. Ito ay isang napaka-pinong wire na pinahiran ng isang manipis na nonconductive material. Ang isang 2N4401 NPN bipolar junction transistor ay ginagamit upang makontrol ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng circuit. Sinasaklaw ng Kapton tape ang kuko at ang nakumpletong core ngunit maaari mong gamitin ang halos anumang uri ng tape. Ang mga end cap ng coil ay 1/16 pulgada na acrylic sheet pati na rin isang isang cylindrical na piraso ng oak upang ilagay ang mga kable ng transistor at coil. Ang iba't ibang mga piraso at piraso ng scrap kahoy ay ginamit para sa natitirang pagpupulong ng prototype kasama ang mga dowel rods sa isang bilang ng mga diameter. Gustung-gusto ko ang pagtatrabaho sa mga dowel rods … pinapaalala nito sa akin ang isa sa aking mga paboritong laruan sa pagkabata … Mga Laruan ng Tinker! Nalaman kong pinahiram nila nang maayos ang kanilang sarili sa pagpapaunlad ng prototype. Ang power supply ay isang plug in wall module na nag-convert ng AC 110 hanggang 9 volts DC. Sa huli ang orasan ay magtatapos na pinalakas ng baterya ngunit sa ngayon ang plug in module ay napaka-maginhawa at pare-pareho. Ang isa pang pangunahing sangkap ay isang neodymium magnet na naka-embed sa dulo ng pendulum. Ang magnet na ginamit ko ay 1/2 pulgada ang lapad at makapal na isang pulgadang pulgada.

Hakbang 1: Coil Core Assembly

Habang ginagawa ko ang aking pagsasaliksik para sa likaw ay tumakbo ako sa isang forum ng pag-aayos ng orasan kung saan tinatalakay ng isa sa mga thread ang mga detalye ng disenyo ng coil. Mayroon silang ilang magagaling na larawan na nagbigay sa akin ng ideya kung paano itago ang transistor at nauugnay na mga kable sa loob ng base ng coil. Ang isa pang pangunahing detalye ay binanggit nila ang mga coil na naglalaman ng 4000 liko. Wow, parang marami iyon at lumikha ng kaunting pag-aalala sa aking isipan kung gaano katwiran na ibalot ang likaw ngunit pinilit ko pa rin.

Naisip ko kung gaano kalaki ang nais kong maging tapos na ng likaw at naayos sa isang pulgada ang lapad at isang pulgada at isang kapat ang haba. Pinutol ko ang 1 pulgada na mga bilog na lapad ng 1 / 16th inch acrylic sheet upang magamit para sa mga end cap at isa pang 1 pulgada na diameter disk mula sa isang 1/2 pulgadang makapal na piraso ng oak para sa base. Nag-milled ako ng isang quarter inch channel sa oak disk pati na rin ang pagbabarena ng isang 3/16 pulgada na diameter na butas upang mapaunlakan ang transistor. Nag-drill din ako ng maliliit na butas upang ma-ruta ang mga kable sa channel sa base. Tingnan ang mga larawan para sa mga detalye. Sa una ay pinutol ko ang isang seksyon mula sa ilalim ng piraso ng acrylic upang gawing mas madali ang pagpapatakbo ng mga wire sa base. Sa paggunita, dapat ay nag-drill lamang ako ng maliliit na butas upang maitugma ang mga nasa base. Ngunit walang big deal. Ang mga butas ay drill din sa mga piraso ng acrylic at ang piraso ng oak para sa isang masikip na magkasya sa kuko. Ang pagpupulong ay ang mga sumusunod: Ilagay ang hindi naka-notched acrylic disk papunta sa kuko. Balutin ang isang 1-1 / 4 pulgada na piraso ng tape sa paligid ng kuko tulad ng ipinakita at pagkatapos ay idagdag ang notched acylic disk. Inilapat ko ang epoxy sa oak disk at pagkatapos ay inilusot ito sa kuko tulad ng na-bonded ito sa acrylic disk.

Bago ako lumipat sa proseso ng pambalot ng coil ay gumawa ako ng mabilis at maruming kalkulasyon upang makakuha ng isang magaspang na ideya kung gaano kalaki ang tapos na mga kable at ang paglaban ng kuryente ng dalawang coil. Lumitaw na maaari kong magkasya ang lahat ng mga wire sa aking pangunahing pagpupulong kaya't ako ay masaya.

Hakbang 2: Coil Winding Jig

Napagpasyahan ko na ang balot ng kawad sa paligid ng core ng buong kamay ay magiging isang malaking sakit na napasigla ng teknolohiya ng Tinker Toy na pinagsama ko ang isang jig mula sa mga dowel at scrap na piraso ng playwud at MDF. Nalaman ko na kailangan kong maglagay ng isang dab ng mainit na pandikit sa oak disk ng coil core upang hawakan ito nang maayos sa lugar. Kung hindi man mayroong isang maliit na labis na alitan sa pagpupulong at ang core ay hindi gagalaw kapag pinihit ko ang pihitan. Kaya't nang may kaunti pang sanding upang higit na mabawasan ang alitan at ang dab ng mainit na pandikit ang pagpapatakbo ay gumagana.

Hakbang 3: Paikot-ikot na Mga Coil

Ang wire ay isang espesyal na uri ng kawad na tinatawag na magnet wire. Ito ay isang napaka-pinong solong strand wire na pinahiran ng isang manipis na insulative material. Gumamit ako ng 35 AWG. Ito ay napaka-pangkaraniwan at tulad ng halos lahat ng iba pa maaari mo itong makuha mula sa Amazon. Iniligtas ko ang spool na nakikita mo sa unang larawan mula sa basurahan sa trabaho pagkatapos ng isang kaganapan sa paglilinis ng lab. Hindi sigurado kung gaano ito katanda ngunit mukhang nabili ito maraming mga dekada na ang nakakaraan. LOL.

Kami ay balot ng dalawang coil, isa sa tuktok ng iba, sa kuko sa pangunahing pagpupulong. Mahalaga na ang parehong mga coil ay balot sa parehong direksyon sa paligid ng pagpupulong … kung hindi man ay hindi ito gagana. Ang bawat likaw ay magkakaroon ng humigit-kumulang na 4000 balot sa paligid ng kuko. Ngayon hindi ito gaanong kalaki sa isang deal kung hindi ka magtapos sa eksaktong 4000 na pag-on sa bawat coil kaya hindi mo kailangang pawisan ang detalyeng iyon ngunit mayroon akong isang notepad na dati kong sinusubaybayan. Tumagal ng ilang oras upang makumpleto ang proseso ng pambalot ngunit binuksan ko lang ang isang laro sa football upang manuod kaya hindi ako nagsawa. Maaari akong gumawa ng halos 50 liko sa paligid ng kuko bawat pass upang makagawa ako ng ilang pass upang makakuha ng isang daang pambalot at tandaan iyon sa aking note pad at patuloy na magpunta hanggang sa makarating ako sa 4000 na balot.

Narito ang proseso para sa pambalot: Simulang i-balot ang panloob na likaw sa pamamagitan ng pag-thread ng 2 o 3 pulgada ng kawad sa piraso ng puno ng oak. Lagyan ng label ang dulo ng kawad na "1". Kumpletuhin ang iyong 4000 balot at siguraduhin na makatapos ka pabalik sa oak base dulo ng core. Gupitin ang kawad at iwanan ang tungkol sa 2 o 3 pulgada ng karagdagang haba upang ma-thread mo iyon pabalik sa base ng oak. Lagyan ng label ang pagtatapos na "2". Simulan ang panlabas na likaw sa parehong paraan sa pamamagitan ng pag-thread ng 2 o 3 pulgada ng kawad sa base ng oak. Lagyan ng label ang pagtatapos na "3". Gumawa ng isa pang 4000 na liko, gupitin ang kawad, at i-thread ang dulo sa base na katulad ng dati. Lagyan ng label ang pagtatapos na "4". Ang mga larawan 4 at 5 ay nagpapakita ng huling resulta ng proseso ng pambalot. Muli … Siguraduhin na balot mo ang parehong panloob at panlabas na mga coil sa parehong direksyon !!!

Hakbang 4: Pagkumpleto sa Circuit

Tulad ng nakikita mo sa eskematiko ang circuit ay lubos na simple na ginagawang hindi kapani-paniwalang cool ang aparato. Nakita ko ang mga katulad na proyekto na gumamit ng mga processor sa halip … na sa akin ay tulad ng paggamit ng isang sledge martilyo upang pumatay ng isang mabilis. Hindi ko ibig sabihin na kumatok sa mga uri ng proyekto ngunit talagang isang tagahanga ng mga disenyo ako na natapos ang trabaho sa pinakamababang antas ng pagiging kumplikado.

Sa pangalawang larawan naglalaro ako sa paligid na may iba't ibang mga diskarte sa pagruruta para sa mga kable. Marahil ay gumawa ako ng mas malaking deal sa ito kaysa sa dapat kong gawin. Mayroong isang pares lamang ng mga pangunahing puntos … kawad lamang ito tulad ng eskematiko ngunit dahil ang suplay ng kuryente ay magiging panlabas sa pagpupulong ng coil kailangan mong magkaroon ng mga wire na kumokonekta sa pinagmulan ng kuryente na dumidikit sa ilalim ng pagpupulong. Sa madaling salita: Ang V + wire ay papunta sa kolektor ng transistor at ang V- wire ay pupunta sa wire na may label na "2" sa iyong coil assembling. Kaya't sa ilalim ng iyong pagpupulong ng coil ay magkakaroon ng positibo at isang negatibong terminal. Magandang ideya na lagyan ng label ang mga ito tulad ng tapos ka na upang hindi mo kalimutan kung alin ang alin. Ah… halos nakalimutan ko na. Kakailanganin mong gumamit ng isang piraso ng pinong liha upang matanggal ang nakakasama na patong sa magnet wire bago mo ito solder! Para sa kalinawan sa eskematiko … Ang "Lo" ay ang panlabas na likaw at ang "Li" ay panloob na likaw at tandaan din na nilagyan ko ng label ang mga dulo ng mga wire ng coil na 1, 2, 3, at 4 upang tumugma sa kung paano namin ito nagawa nang balot namin ang mga coil.

Sinubukan ko ang coil bago ko ito nilagyan ng epoxy … magandang bagay dahil nagkamali ako! Ha, jinxed ko ang aking sarili sa pamamagitan ng pag-uusap tungkol sa kung gaano kadali ang lahat. Kaya siguraduhing subukan mo ang iyong pagpupulong bago ito i-pot.

Upang subukan ang nakumpleto na pagpupulong, nag-tape ako ng isang bihirang pang-akit na lupa sa isang haba ng thread at inilagay ito sa ulo lamang ng kuko sa likid. Pagkatapos ay i-hook up ang lakas sa likaw at i-swing ang magnet na dumaan sa ulo ng kuko. Dapat itong mag-alis nang mag-isa. Mayroong isang matamis na lugar para sa distansya sa pagitan ng pang-akit at ang ulo ng kuko. Masyadong malapit at galaw ay galaw … masyadong malayo at hindi ito gagana.

Ipinapakita ng huling larawan ang nakumpletong coil pati na rin ang bihirang pang-lupa (neodymium) magnet na ginamit ko.

Hakbang 5: Mga Bahagi ng Pendulum

Sa sandaling mayroon akong isang kilalang mahusay na disenyo ng pagtatrabaho para sa pagpupulong ng coil kailangan ko upang bumuo ng isang prototype pendulum upang masuri ko ang mga katangian ng pagganap nito. Nais kong malaman kung magkano ang lakas na ginamit ng aparato at kailangan ko ring malaman kung gaano kalaki ang isang arko ng swing ng swing dahil nakakaapekto ito sa kung paano ako nagpatuloy sa aking disenyo ng orasan.

Inilagay ko ang aking pagpupulong ng coil sa loob ng isang maliit na kahon na gawa sa kahoy at nagdagdag ng isang switch at koneksyon ng kuryente. Ang kahon ay umaangkop sa loob ng isang ginupit sa ilalim ng base ng pagpupulong na ipinakita sa larawan dalawa. Ang lahat ay nababagay sa pagkikiskisan upang makagawa ako ng mga pagsasaayos kasama ang paraan upang makakuha ng pinakamainam na pagganap. Nagdagdag ako ng isang tubong tanso sa patayo sa larawan 3 upang makatulong na mabawasan ang alitan. Gumamit ako ng isang 10d na kuko para sa pin upang ikonekta ang pendulum sa patayo na piraso. Sa larawan 5 maaari mong makita ang bihirang pang-akit na lupa sa dulo ng palawit. Hindi ko nakita ang anumang sinabi na mahalaga ang magnet polarity. Mukhang hindi ito mahalaga…. aling uri ng mga bug sa akin dahil intuitively kahit papaano sa tingin ko dapat. Ngunit hindi ko pa ito binigyang pansin at palaging gumana ito kaya't hulaan ko hindi. Ipinapakita ng huling larawan ang pinagmulan ng kuryente na 9 volt DC. Ang 1 amp kasalukuyang kapasidad ay labis na labis … hindi na kailangang maging kahit saan malapit sa na tulad ng nalaman ko sa paglaon.

Hakbang 6: Pag-iipon ng Pendulum

Ang base ay isang dalawang pulgada na makapal na tipak ng pine. Nais kong maging mabigat upang maiwasang magtipid ang pagpupulong kapag nag-swing ang pendulum. Kahit na ito ay isang prototype nagpasya pa rin akong bihisan ito nang kaunti at pinutol ito ng manipis na mga piraso ng pulang cedar. Hindi mapigilan ang sarili ko!:)

Ang module ng coil plugs sa ilalim na bahagi ng base (larawan 2) at ang buong bagay ay baligtad sa kanang bahagi pataas (larawan 3). Ang patayo ay ipinasok sa tuktok ng base (larawan 4). Ito ay isang fit na magkasya. Ipasok ang kuko sa pamamagitan ng tubo na tanso sa patayo (larawan 5). At sa wakas ay pindutin ang pendulum papunta sa kuko (huling larawan).

Inayos ko ang pendulo upang mayroong isang bahagyang agwat sa pagitan nito at ng base.

Hakbang 7: Mga Resulta sa Pagganap ng Prototype

Sa pamamagitan ng pagtingin sa tsart na inilagay ko sa likuran ng gumaganang palawit sa video makikita mo na ang palawit ay nagbabago sa gitnang linya ngunit hindi nito nalampasan ang huling linya. Inilalagay nito ang buong arko na ang palawit ay nagbabago sa pagitan ng 72 at 80 degree … Tinatantiya ko ang humigit-kumulang na 75 degree. Ito ay mahalagang impormasyon kapag oras na upang mag-disenyo ng paglalakad sa paglalakad para sa orasan.

Ikinonekta ko rin ang isang kasalukuyang pagsisiyasat sa linya ng kuryente at sinusubaybayan ang kasalukuyang pagguhit sa panahon ng operasyon. Ako ay lubos na nasiyahan upang malaman na ang average na kasalukuyang gumuhit ay isang maliit na higit sa 2 milli-amps !!! Ano ang talagang cool tungkol dito ay magagawa kong palakasin ang baterya ng orasan. Kung gagamit ako ng C cell baterya makakakuha ako ng higit sa 5 buwan ng run time bago ko baguhin ang mga baterya. Hindi masyadong masama!

Ang dahilan kung bakit nasasabik ako tungkol sa paggamit ng mga baterya ay hindi ko nais na magkaroon ng isang power cable na tumatakbo sa orasan na nagbibigay ng lihim kung paano ito gumana. Itatago ko ang mga baterya sa base ng orasan. Dagdag nito mailalagay ko ito kahit saan.

Hakbang 8: Susunod Na Susunod…

Tulad ng nakikita mong naging abala ako sa mga susunod na hakbang ng aking disenyo ng orasan. Nasunog ako sa pagputol ng mga ngipin ng gear. Naku ay isang nakakapagod na proseso. Kung magpasya man akong magtayo ng isang bungkos ng mga orasan ay naniniwala ako na mamumuhunan ako sa isang magandang CNC router !!!

Kaya't habang nagpapahinga mula sa paglabas ng mga ngipin ng gear ay pinutol ko ang mga kamay at nagsimulang magtrabaho sa frame ng orasan. Sa ngayon napakahusay!

Habang iniisip ko nang maaga ang susunod na maituturo sa seryeng ito naniniwala akong pag-uusapan ko ang proseso na dumaan ako sa disenyo at pagbuo ng mga gears kaya't tumayo sa isang iyon.

Magkita tayo nun!

Si Willy