پاندول الکترومغناطیسی: 8 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:52

در اواخر دهه 1980 من تصمیم گرفتم که می خواهم یک ساعت کاملا چوبی بسازم. در آن زمان اینترنت وجود نداشت ، بنابراین انجام تحقیقات بسیار دشوارتر از امروز بود … هرچند من موفق شدم یک چرخ بسیار خام و فرار از پاندول را با هم جمع کنم. زمان اجرا محدود بود و نسبتاً مبهم بود اما قبل از اینکه وزن به زمین برسد چند دقیقه طول می کشد. منابع من نیز محدود بودند … ابزارها ، پول ، مهارت های نجاری … که کار روی پروژه را بسیار ناامید کننده کرد. بنابراین ، در آن زمان ، رویای ساعت چوبی کنار گذاشته شد. سریع به جلو 30 سال به بالا من در حال حاضر بازنشسته شده ام ، ابزارهای بسیار عالی دارم و مهارت های نجاری من به طرز چشمگیری بهبود یافته است. همچنین به رایانه ها ، نرم افزارهای شگفت انگیز طراحی با کمک کامپیوتر (CAD) و اینترنت دسترسی دارم. بنابراین پروژه ساعت دوباره روشن می شود. من تصمیم گرفتم در مورد روند کار بنویسم و در طراحی خود کار کنم. فقط به نظر می رسد یک کار سرگرم کننده باشد.

در ابتدا می خواستم ساعتی بسازم که با نیروی گرانش حرکت می کند و توسط یک پاندول تنظیم می شود. اخیراً ، وقتی به طور تصادفی در اینترنت گشت و گذار می کردم ، در جزیره Kauai با یکی از دوستانم روبرو شدم که ساعت های چوبی و انواع دیگر "هنر جنبشی" را طراحی می کرد. نام او کلیتون بویر است. کشف طرح های ساعت آقای بویر بود که به من انگیزه داد تا پروژه ساعت خودم را ادامه دهم. یکی از طراحی های او که مرا مجذوب خود کرد ، "Toucan" نام داشت. فرار از راه رفتن که بر روی ساعت استفاده می شود شبیه صورتحساب پرنده ای با همین نام است. تماشای این ساعت سرگرم کننده بود و طراحی آن بسیار عجیب بود ، اما آنچه در نهایت توجه من را به خود جلب کرد نحوه حرکت آن بود. هیچ وزنه و چشمه ای وجود نداشت. به نظر می رسید که آونگ به طور جادویی بدون از دست دادن انرژی به این طرف و آن طرف می چرخد. راز یک سیستم محرک الکترومغناطیسی بود که در پایه ساعت پنهان شده بود و یک آهنربا در انتهای پاندول بود. من به عنوان یک مهندس برق فکر کردم که این واقعا جالب است و تصمیم گرفتم نحوه عملکرد این همه را بفهمم و نسخه خودم از Toucan آقای بویر را بسازم. برای اطمینان … من می توانم برنامه های ساعت را بخرم ، زیرا آنها با قیمت حدود 35 دلار در دسترس بودند ، اما تفریح در کجاست؟

پس از کمی جستجو در اینترنت ، متوجه شدم که این مفهوم به اوایل دهه 1960 با ساعت های سالگرد Kundo برمی گردد. آنها از یک باتری سلولی خشک تغذیه می کردند و قبل از اینکه شما مجبور به تغییر باتری شوید (به نظر من نام آن) یک سال یا بیشتر کار می کنند. سادگی مدار درایو مرا مجذوب خود کرد. دو سیم پیچ (یک زخم روی دیگری) ، یک ترانزیستور ژرمانیوم و یک باتری وجود داشت. این همه! من عاشق چیزهای ساده ای هستم که کار می کنند و این نمی تواند خیلی ساده تر شود. یکی از سیم پیچ ها به ورودی پایه ترانزیستور متصل است و سیم پیچ دیگر در قسمت خروجی ترانزیستور به صورت سری با باتری قرار دارد. قطعه دیگر پازل آهن ربا بود که در انتهای یک پاندول نصب شده بود. با چرخش پاندول توسط سیم پیچ ها ، آهنربا باعث ایجاد جریان درون سیم پیچ می شود که پایه ترانزیستور را هدایت می کند. این باعث می شود که ترانزیستور روشن شود و جریان در مدار خروجی از باتری از طریق سیم پیچ سری با آن جریان یابد. همچنین یک اثر ترانس وجود دارد که باعث می شود جریان بیشتری در سیم پیچ ورودی تا جایی که ترانزیستور اشباع می شود القا شود. در حال حاضر حداکثر مقدار جریان در سمت خروجی ترانزیستور جریان دارد و سیم پیچ در آن مدار به طور کامل توسط باتری انرژی می گیرد و در نتیجه الکترومغناطیس با قطبی مشابه آهنربا در پاندول ایجاد می کند. زمان بندی به گونه ای است که میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط الکترومغناطیس ، آهنربای آونگ را هنگام چرخش دفع می کند و ضربه کوچکی به آن می زند. هنگامی که پاندول از کنار سیم پیچ ها عبور می کند جریان در قاعده ترانزیستور متوقف می شود و خاموش می شود. این فرایند هر بار که پاندول توسط کویل ها تاب می خورد ، تکرار می شود … انرژی اضافی مورد نیاز برای غلبه بر تلفات درون سیستم را تامین می کند و همه چیز را در حرکت نگه می دارد. مرتب است؟ نکته بسیار جالب این است که مصرف انرژی بسیار کمی دارد و باتری آن نیز مدت زمان زیادی دوام می آورد. ساعت های چوبی که توسط فنرها یا وزنه ها حرکت می کنند ، فقط یک روز یا بیشتر کار می کنند و باید دوباره چرخانده شوند. آنها جذابیت خاص خود را دارند اما پیچاندن ساعت هر روز برای من یک درد به نظر می رسید. هنوز هم ممکن است روزی یکی از اینها را بسازم (من عاشق فرارهای آرنفیلد هستم) اما در حال حاضر به جای نیروی جاذبه ، لوازم الکترونیکی خواهد بود.

بنابراین اولین مرحله این سفر این است که بفهمیم چگونه می توان پاندول الکترومغناطیسی را ساخت ، زیرا نه تنها ساعت را تنظیم می کند ، بلکه موتور محرک آن نیز خواهد بود. در نهایت علاوه بر این آموزش روی پاندول ، تعدادی آموزش که شامل طراحی ساعت به طور کلی ، طراحی چرخ دنده ، ساخت قاب است ، منتشر می کنم و سپس همه آنها را برای تکمیل یک ساعت کاری جمع می کنم. بنابراین در بند … در اینجا ما روند طراحی پاندول را پیش می بریم…

تدارکات

جزء اصلی پاندول الکترومغناطیسی ضربه مدار سیم پیچ است. من از یک میخ معمولی 10d (موجود در فروشگاه سخت افزار متوسط شما) به عنوان هسته فریت استفاده کردم. سیم کشی سیم پیچ ها دارای سیم مگنت 35 AWG است. این یک سیم بسیار ریز است که با مواد نازک غیر رسانا پوشانده شده است. یک ترانزیستور اتصال دوقطبی 2N4401 NPN برای کنترل جریان جریان در مدار استفاده می شود. نوار کاپتون ناخن و هسته کامل را می پوشاند اما تقریباً می توانید از هر نوع نواری استفاده کنید. درپوش های انتهایی سیم پیچ دارای ورق اکریلیک 1/16 اینچی و همچنین یک قطعه استوانه ای از بلوط برای قرار دادن ترانزیستور و سیم کشی است. قطعات و تکه های مختلف چوب قراضه برای بقیه نمونه اولیه به همراه میله های رولپلاک در قطرهای مختلف استفاده شد. من عاشق کار با میله های رولپلاک هستم … این مرا به یاد یکی از اسباب بازی های مورد علاقه دوران کودکی من می اندازد … Tinker Toys! من فکر می کنم آنها به خوبی به توسعه نمونه اولیه کمک می کنند. منبع تغذیه یک ماژول دیواری است که AC 110 را به 9 ولت DC تبدیل می کند. در نهایت ساعت باتری کار می کند اما در حال حاضر ماژول پلاگین بسیار راحت و سازگار است. یکی دیگر از اجزای کلیدی آهنربای نئودیمیوم است که در انتهای پاندول جاسازی شده است. قطر آهنربایی که استفاده کردم 1/2 اینچ و ضخامت آن یک چهارم اینچ است.

مرحله 1: مونتاژ هسته کویل

همانطور که در حال تحقیق برای سیم پیچ بودم ، در یک انجمن تعمیر ساعت برخورد کردم ، جایی که یکی از موضوعات در مورد جزئیات طراحی سیم پیچ بحث می کرد. آنها تصاویر فوق العاده ای داشتند که به من ایده چگونگی پنهان کردن ترانزیستور و سیم کشی مربوط به آن در پایه سیم پیچ را داد. جزئیات کلیدی دیگر این بود که آنها به سیم پیچ های حاوی 4000 دور اشاره کردند. وای ، این بسیار به نظر می رسید و کمی نگرانی را در ذهن من ایجاد کرد که چقدر منطقی است که سیم پیچ را بپیچم ، اما با این وجود من فشار آوردم.

من به این فکر کردم که چقدر می خواهم سیم پیچ تمام شده بزرگ باشد و در قطر یک اینچ و طول اینچ و ربع قرار گیرد. من دایره هایی به قطر 1 اینچ از ورق اکریلیک 1/16 اینچی را برای استفاده در سرپوش های انتهایی و دیسک 1 اینچی دیگر را از یک قطعه بلوط به ضخامت 1/2 اینچ برای پایه برش دادم. من یک کانال یک چهارم اینچی را در دیسک بلوط آسیاب کردم و یک سوراخ به قطر 3/16 اینچ را برای قرار دادن ترانزیستور حفر کردم. من همچنین سوراخ های کوچکی را ایجاد کردم تا بتوانم سیم کشی را به کانال پایه منتقل کنم. برای مشاهده جزئیات به تصاویر مراجعه کنید. در ابتدا من قسمتی از قطعه اکریلیک پایین را بریدم تا سیمها را به داخل پایه راحت تر کنم. در گذشته ، من باید فقط سوراخ های کوچکی را ایجاد می کردم تا با حفره های پایه مطابقت داشته باشد. اما چیز مهمی نیست. سوراخهایی نیز در قطعات اکریلیک و قطعه بلوط برای محکم بستن بر روی میخ حفر شده است. مونتاژ به شرح زیر است: دیسک اکریلیک بدون برش را روی میخ قرار دهید. مطابق تصویر یک نوار 1-1/4 اینچی را دور ناخن بپیچید و سپس دیسک آسیلیک شکاف دار را اضافه کنید. من اپوکسی را روی دیسک بلوط قرار دادم و سپس آن را روی میخ کشیدم به طوری که به دیسک اکریلیک چسبیده بود.

قبل از اینکه به فرایند بسته بندی سیم پیچ بپردازم ، محاسبات سریع و کثیفی انجام دادم تا بتوانم تصور دقیقی از اندازه سیم کشی به پایان رسیده و مقاومت الکتریکی دو سیم پیچ بدست آورم. به نظر می رسید که من می توانم تمام سیم را روی مونتاژ اصلی خود قرار دهم بنابراین خوشحال بودم.

مرحله 2: سیم پیچ سیم پیچ سیم پیچ

من تصمیم گرفتم که پیچاندن سیم به صورت کامل با دست درد بزرگی خواهد بود ، بنابراین با الهام از فناوری Tinker Toy من تکه تکه ای از رولپلاک و تکه تکه تخته سه لا و MDF کنار هم قرار دادم. متوجه شدم که باید یک تکه چسب داغ روی دیسک بلوط هسته سیم پیچ قرار دهم تا محکم در جای خود محکم بماند. در غیر این صورت اصطکاک کمی بیش از حد در مونتاژ وجود داشت و هنگام چرخاندن میل لنگ ، هسته حرکت نمی کند. بنابراین با کمی سنباده بیشتر برای کاهش بیشتر اصطکاک و چسباندن چسب حرارتی ، جیگ عملیاتی شد.

مرحله 3: پیچاندن سیم پیچ ها

سیم یک نوع خاص از سیم است که سیم مگنت نامیده می شود. این یک سیم تک رشته بسیار خوب است که با یک ماده عایق نازک پوشانده شده است. من از 35 AWG استفاده کردم. این بسیار رایج است و درست مانند سایر مواردی که می توانید آن را از آمازون تهیه کنید. من قرقره ای را که در تصویر اول مشاهده می کنید ، پس از اتمام آزمایش از آزمایشگاه ، از سطل زباله در محل کار نجات دادم. نمی دانم چند سال دارد ، اما به نظر می رسد چندین دهه پیش خریداری شده است. LOL

ما دو سیم پیچ ، یکی روی دیگری ، روی میخ در مجموعه اصلی می پیچیم. ضروری است که هر دو سیم پیچ در یک جهت در اطراف مجموعه پیچیده شوند … در غیر این صورت کار نمی کند. هر سیم پیچ تقریباً 4000 پیچ در اطراف ناخن خواهد داشت. حالا اگر دقیقاً 4000 دور در هر سیم پیچ به پایان نرسانید ، چندان هم مهم نیست ، بنابراین نیازی به عرق ریختن این جزئیات ندارید ، اما من یک دفترچه یادداشت داشتم که از آن استفاده می کردم. چند ساعت طول کشید تا مراحل بسته بندی کامل شود ، اما من فقط یک بازی فوتبال را برای تماشا روشن کردم تا حوصله ام سر نرود. من می توانم در هر نوبت حدود 50 دور دور ناخن بچرخانم ، بنابراین می توانم چند پاس برای صد حلقه انجام دهم و آن را روی نوار یادداشت خود یادداشت کنم و ادامه دادم تا به 4000 حلقه رسیدم.

مراحل بسته بندی به شرح زیر است: با پیچاندن سیم 2 یا 3 اینچ سیم به قطعه پایه بلوط ، سیم پیچ داخلی را بپیچید. انتهای این سیم را "1" برچسب گذاری کنید. 4000 بسته بندی خود را تکمیل کنید و مطمئن شوید که به انتهای بلوط در انتهای هسته برمی گردید. سیم را ببرید و حدود 2 یا 3 اینچ طول اضافی بگذارید تا بتوانید آن را به پایه بلوط بچسبانید. به این قسمت "2" برچسب بزنید. سیم پیچ بیرونی را به همان روش با سیم 2 یا 3 اینچ سیم به پایه بلوط شروع کنید. به این قسمت "3" برچسب بزنید. 4000 دور دیگر بچرخانید ، سیم را ببرید و انتهای آن را مانند قبل به پایه بچسبانید. به این قسمت "4" برچسب بزنید. تصاویر 4 و 5 نتیجه نهایی فرایند بسته بندی را نشان می دهد. باز هم … مطمئن باشید که سیم پیچ های داخلی و خارجی را در یک جهت پیچیده اید !!!

مرحله 4: تکمیل مدار

همانطور که در شکل می بینید مدار بسیار ساده است که باعث می شود این دستگاه فوق العاده خنک شود. من پروژه های مشابهی را دیده ام که به جای آنها از پردازنده ها استفاده کرده اند … که برای من مانند استفاده از چکش سورتمه برای کشتن مگس است. منظور من این نیست که این نوع پروژه ها را از بین ببرم ، اما من واقعاً طرفدار بزرگ طرح هایی هستم که کار را با کمترین سطح پیچیدگی انجام می دهند.

در تصویر دوم من با استراتژی های مختلف مسیریابی برای سیم کشی بازی می کردم. احتمالاً من از آن توافق بزرگتر از آنچه باید انجام دادم. فقط چند نکته کلیدی وجود دارد … فقط آن را به صورت شماتیک سیم کشی کنید ، اما از آنجا که منبع تغذیه خارج از مجموعه سیم پیچ است ، باید سیم هایی را که به منبع تغذیه متصل می شوند ، از قسمت پایین مجموعه بیرون بیاورید. به عبارت دیگر: سیم V+ به کلکتور ترانزیستور می رود و سیم V به سیم با برچسب "2" در مجموعه سیم پیچ شما می رود. بنابراین مونتاژ سیم پیچ شما دارای یک پایانه مثبت و منفی است. ایده خوبی است که وقتی این کار را انجام دادید اینگونه برچسب گذاری کنید تا فراموش نکنید کدام یک کدام است. آه … تقریباً فراموش کرده بودم. برای از بین بردن پوشش عایق روی سیم آهنربا قبل از لحیم کاری ، باید از یک تکه کاغذ سنباده خوب استفاده کنید! برای شفافیت شماتیک … "Lo" سیم پیچ بیرونی و "Li" سیم پیچ داخلی است و همچنین توجه داشته باشید که من انتهای سیم های سیم پیچ 1 ، 2 ، 3 و 4 را برچسب گذاری کرده ام تا با نحوه انجام آن مطابقت داشته باشد. وقتی سیم پیچ ها را پیچیدیم.

من قبل از اینکه کویل را با اپوکسی گلدانی کنم ، تست کردم … از آنجا که من اشتباه کرده ام ، خوب است! هه ، من خودم را عصبانی کردم و صحبت کردم که همه چیز چقدر ساده است. بنابراین اطمینان حاصل کنید که قبل از گلدان ، مجموعه خود را آزمایش کنید.

برای آزمایش مجموعه کامل ، یک آهنربا خاکی کمیاب را به طول نخ چسباندم و آن را درست بالای سر میخ در سیم پیچ آویزان کردم. سپس برق را به سیم پیچ وصل کرده و آهن ربا را از بالای سر ناخن بچرخانید. باید خود به خود بلند شود. یک نقطه شیرین برای فاصله بین آهن ربا و سر میخ وجود دارد. خیلی نزدیک است و حرکت تند و تیز است … خیلی دور و کار نمی کند.

تصویر آخر سیم پیچ کامل شده و همچنین آهنربای نادر خاکی (نئودیمیوم) را که من استفاده کردم نشان می دهد.

مرحله 5: اجزای پاندول

هنگامی که یک طرح کار خوب برای مونتاژ کویل داشتم ، نیاز به ساخت یک نمونه اولیه پاندول داشتم تا بتوانم ویژگی های عملکرد آن را ارزیابی کنم. من بسیار کنجکاو بودم که بدانم دستگاه چه قدرتی مصرف می کند و همچنین باید بدانم که آونگ چقدر قوس دار می چرخد زیرا این امر بر نحوه کار من در طراحی ساعت تأثیر می گذارد.

من مجموعه کویل خود را درون یک جعبه چوبی کوچک بسته بندی کردم و یک سوئیچ و اتصال برق به آن اضافه کردم. جعبه در داخل برش در پایین مجموعه پایه نشان داده شده در تصویر دو قرار می گیرد. همه چیز از نظر اصطکاک مناسب بود تا بتوانم در طول مسیر تنظیماتی را انجام دهم تا عملکرد مطلوب را بدست آورم. من یک لوله برنجی را به قسمت راست در تصویر 3 اضافه کردم تا اصطکاک را کاهش دهد. من برای اتصال پاندول به قطعه راست از یک میخ 10d برای سنجاق استفاده کردم. در تصویر 5 آهنربای کمیاب زمین را در انتهای پاندول مشاهده می کنید. من هرگز چیزی را پیدا نکردم که می گوید قطبیت آهنربا مهم است. بنظر نمیاد مهم باشه…. که به نوعی من را ناراحت می کند زیرا به طور شهودی به نوعی فکر می کنم باید باشد. اما من هرگز به آن توجه نکرده ام و به نظر می رسد همیشه کار می کند ، بنابراین من حدس نمی زنم. آخرین عکس منبع تغذیه DC 9 ولت را نشان می دهد. ظرفیت فعلی 1 آمپر بیش از حد است … لازم نیست جایی نزدیک به آن باشد ، همانطور که بعداً متوجه شدم.

مرحله ششم: جمع آوری پاندول

پایه یک تکه کاج به ضخامت دو اینچ است. من می خواستم سنگین باشد تا هنگام چرخش پاندول ، مجموعه از واژگون نشود. با وجود اینکه این نمونه اولیه بود ، من هنوز تصمیم گرفتم آن را کمی بپوشم و آن را با تکه های نازک سرو قرمز تزیین کنم. نتوانستم به خودم کمک کنم!:)

ماژول سیم پیچ به قسمت پایین پایه متصل می شود (تصویر 2) و همه چیز به سمت راست چرخانده می شود (تصویر 3). قائم به بالای پایه وارد می شود (تصویر 4). تناسب اصطکاک است. میخ را از طریق لوله برنجی به صورت عمودی وارد کنید (تصویر 5). و در نهایت پاندول را روی میخ فشار دهید (عکس نهایی).

پاندول را طوری تنظیم کردم که فاصله کمی بین آن و پایه وجود داشته باشد.

مرحله 7: نتایج عملکرد نمونه اولیه

با نگاهی به نمودار که پشت آونگ کار در ویدئو قرار داده اید ، می بینید که آونگ از خط میانی عبور می کند اما کاملاً از خط آخر عبور نمی کند. این کل قوس نوسان پاندول را بین 72 تا 80 درجه قرار می دهد … من حدود 75 درجه تخمین می زنم. این اطلاعات ارزشمندی در زمان طراحی زمان فرار از پیاده روی برای ساعت است.

من همچنین یک پروب فعلی را به خط برق وصل کردم و جریان را در حین کار کنترل کردم. من بسیار خوشحال شدم که متوجه شدم متوسط جریان فعلی کمی بیش از 2 میلی آمپر است !!! چیزی که واقعاً جالب است این است که من قادر خواهم بود باتری ساعت را تغذیه کنم. اگر از باتری های سلول C استفاده کنم ، بیش از 5 ماه زمان کار می کنم تا مجبور شوم باتری ها را عوض کنم. نه خیلی بد!

دلیل هیجان من در مورد استفاده از باتری ها این است که من نمی خواهم یک کابل برق به ساعت کار کند که راز عملکرد آن را فاش کند. من باتری ها را در پایه ساعت مخفی می کنم. بعلاوه من می توانم آن را در هر کجا قرار دهم.

مرحله 8: در مرحله بعدی…

همانطور که می بینید من در مراحل بعدی طراحی ساعت مشغول بودم. من با بریدن دندان های چرخ دنده دچار سوختگی شدم. اوه خدا این روند خسته کننده است اگر من تصمیم بگیرم دسته ای از این ساعت ها را بسازم ، معتقدم که روی یک روتر CNC خوب سرمایه گذاری خواهم کرد !!!

بنابراین هنگام استراحت از بریدن دندان های چرخ دنده ، عقربه ها را بریدم و شروع به کار روی قاب ساعت کردم. تا کنون خیلی خوب!

همانطور که فکر می کنم قبل از دستورالعمل بعدی در این مجموعه ، من در مورد فرآیند طراحی و ساخت چرخ دنده ها صحبت کردم ، بنابراین روی آن یکی بایستید.

بعدا می بینمت!

ویلی