Elektromagnetische slinger - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Eind jaren 80 besloot ik dat ik een klok volledig van hout wilde maken. In die tijd was er geen internet, dus het was veel moeilijker om onderzoek te doen dan nu het geval is … hoewel ik er wel in slaagde om een zeer ruw wiel en slinger-echappement in elkaar te knutselen. De looptijd was beperkt en het was nogal onhandig, maar het zou een paar minuten klikken voordat het gewicht de vloer zou raken. Ook beperkt waren mijn middelen… gereedschap, geld, houtbewerkingsvaardigheden… wat het werken aan het project nogal frustrerend maakte. Dus voor die tijd werd de droom van een houten klok verlaten. Snel vooruit 30 jaar. Ik ben nu met pensioen, ik heb heel veel geweldige gereedschappen en mijn vaardigheden op het gebied van houtbewerking zijn enorm verbeterd. Ik heb ook toegang tot computers, geweldige CAD-software (computer aided design) en internet. Het klokproject zit er dus weer op. Ik heb besloten om over het proces te schrijven terwijl ik me een weg baan door het ontwerp. Lijkt me gewoon leuk om te doen.

Aanvankelijk wilde ik een klok bouwen die werd aangedreven door de zwaartekracht en gereguleerd door een slinger. Onlangs, toen ik willekeurig op het internet aan het rondsnuffelen was, kwam ik een kerel tegen op het eiland Kauai die houten klokken en andere soorten "kinetische kunst" ontwerpt. Zijn naam is Clayton Boyer. Het was de ontdekking van de klokontwerpen van meneer Boyer die me inspireerde om mijn eigen klokproject voort te zetten. Een van zijn ontwerpen die mij fascineerde was de "Toucan". Het lopende echappement dat op de klok werd gebruikt, leek op de snavel van de gelijknamige vogel. Het was een leuke klok om naar te kijken en het ontwerp was erg grillig, maar wat uiteindelijk mijn aandacht trok, was hoe het werd aangedreven. Er waren geen gewichten of veren. De slinger leek op magische wijze heen en weer te zwaaien zonder verlies van energie. Het geheim was een elektromagnetisch aandrijfsysteem verborgen in de voet van de klok en een magneet aan het uiteinde van de slinger. Als elektrotechnisch ingenieur vond ik dit echt gaaf en ik besloot uit te zoeken hoe dit allemaal werkte en mijn eigen versie van Mr. Boyer's Toucan te bouwen. Om zeker te zijn … Ik had de plannen voor de klok gewoon kunnen kopen, aangezien ze beschikbaar waren voor ongeveer $ 35, maar waar is het plezier daarin?

Na wat meer rond te snuffelen op internet ontdekte ik dat het concept dateerde uit de vroege jaren 60 met de Kundo Anniversary Clocks. Ze werden aangedreven door een droge celbatterij en zouden ongeveer een jaar meegaan voordat je de batterij moest vervangen (vandaar de naam, veronderstel ik). De eenvoud van het aandrijfcircuit intrigeerde me. Er waren twee spoelen (de ene op de andere gewikkeld), een germaniumtransistor en een batterij. Dat is alles! Ik hou van simpele dingen die werken en dit kan niet veel eenvoudiger. Een van de spoelen is verbonden met de basisingang van de transistor en de andere spoel bevindt zich aan de uitgangszijde van de transistor in serie met de batterij. Het andere stukje van de puzzel was een magneet aan het uiteinde van een slinger. Terwijl de slinger langs de spoelen zwaait, induceert de magneet een stroom in de spoel die de basis van de transistor aandrijft. Hierdoor wordt de transistor ingeschakeld en stroomt er stroom in het uitgangscircuit van de batterij door de spoel die ermee in serie staat. Er is ook een transformatoreffect dat ervoor zorgt dat er meer stroom in de ingangsspoel wordt geïnduceerd tot het punt waar de transistor verzadigd raakt. De maximale hoeveelheid stroom vloeit nu in de uitgangszijde van de transistor en de spoel in dat circuit wordt volledig bekrachtigd door de batterij, waardoor een elektromagneet ontstaat met dezelfde polariteit als de magneet in de slinger. De timing is zodanig dat het magnetische veld dat door de elektromagneet wordt gegenereerd, de magneet in de slinger afstoot terwijl deze voorbij zwaait en hem een kleine schop geeft. Zodra de slinger voorbij de spoelen beweegt, stopt de stroom in de basis van de transistor en wordt deze uitgeschakeld. Dit proces herhaalt zich elke keer dat de slinger aan de spoelen zwaait… waardoor de extra energie wordt geleverd die nodig is om de verliezen in het systeem te overwinnen en alles in beweging te houden. Netjes toch? Het mooie hiervan is dat het heel weinig stroom verbruikt en dat de batterij lang meegaat. Houten klokken die worden aangedreven door veren of gewichten zullen slechts een dag of zo lopen voordat ze moeten worden teruggespoeld. Ze hebben hun eigen aantrekkingskracht, maar elke dag de klok opwinden leek me lastig. Misschien bouw ik ooit nog een van deze (ik ben dol op Arnfield-echappementen) maar voor nu wordt het elektronica in plaats van zwaartekracht.

Dus het eerste deel van deze reis is om erachter te komen hoe de elektromagnetisch geïmpulseerde slinger moet worden gebouwd, omdat deze niet alleen de klok regelt, maar ook de motor is die hem aandrijft. Uiteindelijk zal ik naast deze tutorial over de slinger een aantal tutorials publiceren over uurwerkontwerp in het algemeen, tandwielontwerp, frameconstructie, en dan alles samenvoegen om een werkende klok te voltooien. Dus maak je vast … hier gaan we met het ontwerpproces voor de slinger …

Benodigdheden

Het hoofdbestanddeel van de elektromagnetisch gepulseerde slinger is het spoelcircuit. Ik gebruikte een 10d gewone spijker (verkrijgbaar bij de gemiddelde ijzerhandel) als de ferrietkern. De bedrading voor de spoelen is 35 AWG magneetdraad. Dit is een zeer fijne draad bedekt met een dun niet-geleidend materiaal. Een 2N4401 NPN bipolaire junctietransistor wordt gebruikt om de stroom door het circuit te regelen. Kapton-tape bedekt de nagel en de voltooide kern, maar je kunt vrijwel elke soort tape gebruiken. De eindkappen van de spoel zijn 1/16 inch acrylplaat en een cilindrisch stuk eikenhout om de transistor en spoelbedrading te huisvesten. Voor de rest van de prototypemontage werden verschillende stukjes en beetjes sloophout gebruikt, samen met deuvelstangen in een aantal diameters. Ik werk graag met deuvelstangen… het doet me denken aan een van mijn favoriete speelgoed uit mijn kindertijd… Tinker Toys! Ik vind dat ze zich goed lenen voor de ontwikkeling van prototypes. De voeding is een plug-in wandmodule die AC 110 omzet naar 9 volt DC. Uiteindelijk zal de klok op batterijen werken, maar voor nu is de plug-in module erg handig en consistent. Een ander belangrijk onderdeel is een neodymiummagneet die is ingebed in het uiteinde van de slinger. De magneet die ik heb gebruikt is 1/2 inch in diameter en een kwart inch dik.

Stap 1: Coil Core Assembly

Terwijl ik mijn onderzoek voor de spoel aan het doen was, kwam ik een klokreparatieforum tegen waar een van de discussies de details van het spoelontwerp besprak. Ze hadden een aantal geweldige foto's die me het idee gaven hoe ik de transistor en de bijbehorende bedrading in de basis van de spoel kon verbergen. Een ander belangrijk detail was dat ze de spoelen noemden met 4000 windingen. Wauw, dat klonk als veel en creëerde een beetje een zorg in mijn achterhoofd over hoe redelijk het zou zijn om de spoel in te pakken, maar ik zette toch door.

Ik dacht na over hoe groot ik de voltooide spoel wilde hebben en zette me op een inch in diameter en een inch en een kwart lang. Ik sneed cirkels met een diameter van 1 inch uit acrylplaat van 1/16 inch om te gebruiken voor de eindkappen en nog een schijf met een diameter van 1 inch van een stuk eikenhout van 1/2 inch dik voor de basis. Ik heb een kanaal van een kwart inch in de eiken schijf gefreesd en een gat met een diameter van 3/16 inch geboord om de transistor op te nemen. Ik heb ook kleine gaatjes geboord om de bedrading in het kanaal in de basis te kunnen leiden. Zie de foto's voor details. Aanvankelijk sneed ik een gedeelte uit het onderste stuk acryl om het gemakkelijker te maken om de draden in de basis te laten lopen. Achteraf had ik gewoon kleine gaatjes moeten boren die bij die in de basis passen. Maar niet erg. Er werden ook gaten geboord in de acrylstukken en het eikenhouten stuk voor een goede pasvorm over de nagel. De montage was als volgt: Plaats de niet-gekerfde acrylschijf op de nagel. Wikkel een stuk tape van 1-1/4 inch rond de nagel zoals afgebeeld en voeg vervolgens de ingekeepte acylic schijf toe. Ik bracht epoxy aan op de eiken schijf en schoof deze vervolgens op de nagel zodat deze vastzat aan de acrylschijf.

Voordat ik verder ging met het spoelwikkelproces, deed ik wat snelle en vuile berekeningen om een globaal idee te krijgen van hoe groot de voltooide bedrading zou zijn en de elektrische weerstand van de twee spoelen. Het leek erop dat ik alle draad op mijn kernassemblage zou kunnen passen, dus ik was blij.

Stap 2: Coil Winding Jig

Ik besloot dat het een enorme pijn zou zijn om de draad helemaal met de hand om de kern te wikkelen, dus geïnspireerd door de Tinker Toy-technologie heb ik een mal in elkaar geflanst van deuvels en stukjes multiplex en MDF. Ik ontdekte dat ik een beetje hete lijm op de eiken schijf van de spoelkern moest doen om hem goed op zijn plaats te houden. Anders was er iets te veel wrijving in het geheel en zou de kern niet bewegen als ik aan de kruk draaide. Dus met een beetje meer schuren om de wrijving verder te verminderen en een beetje hete lijm was de mal operationeel.

Stap 3: Opwinden van de spoelen

De draad is een speciaal type draad dat magneetdraad wordt genoemd. Het is een zeer fijne enkelstrengige draad die is gecoat met een dun isolerend materiaal. Ik gebruikte 35AWG. Het is heel gewoon en net als bijna al het andere kun je het van Amazon krijgen. Ik heb de spoel die je op de eerste foto ziet uit de prullenbak op het werk gered na een laboratoriumopruimingsgebeurtenis. Ik weet niet zeker hoe oud het is, maar het lijkt tientallen jaren geleden te zijn gekocht. LOL.

We wikkelen twee spoelen, de ene op de andere, over de spijker in de kernconstructie. Het is essentieel dat beide spoelen in dezelfde richting rond het geheel worden gewikkeld… anders werkt het niet. Elke spoel heeft ongeveer 4000 wikkels rond de nagel. Nu is het niet zo'n groot probleem als je niet precies 4000 windingen op elke spoel krijgt, dus je hoeft je niet druk te maken over dat detail, maar ik had wel een notitieblok dat ik gebruikte om bij te houden. Het duurde een paar uur om het inpakproces te voltooien, maar ik heb net een voetbalwedstrijd aangezet om te kijken, zodat ik me niet verveelde. Ik kon elke slag ongeveer 50 slagen rond de nagel maken, dus ik zou een paar passen maken om honderd wraps te krijgen en dat op mijn notitieblok te noteren en door te gaan tot ik 4000 wraps had.

Dit is het proces voor het inpakken: begin de binnenste spoel te wikkelen door 2 of 3 inch draad in het eiken basisstuk te rijgen. Label het uiteinde van deze draad "1". Voltooi je 4000 wraps en zorg ervoor dat je terugkomt bij het eiken basiseinde van de kern. Knip de draad door en laat ongeveer 2 of 3 inch extra lengte over zodat u die terug in de eiken basis kunt rijgen. Label dit uiteinde "2". Start de buitenste spoel op dezelfde manier door 2 of 3 inch draad in de eiken basis te rijgen. Label dit uiteinde "3". Maak nog eens 4000 windingen, knip de draad door en rijg het uiteinde op dezelfde manier in de basis als hiervoor. Label dit uiteinde "4". Foto's 4 en 5 tonen het eindresultaat van het wikkelproces. Nogmaals… Zorg ervoor dat je zowel de binnenste als de buitenste spoelen in dezelfde richting wikkelt!!!

Stap 4: Het circuit voltooien

Zoals je in het schema kunt zien, is de schakeling extreem eenvoudig, wat dit apparaat zo ongelooflijk cool maakt. Ik heb soortgelijke projecten gezien die in plaats daarvan processors gebruikten… wat voor mij hetzelfde is als het gebruik van een voorhamer om een vlieg te doden. Het is niet mijn bedoeling om dat soort projecten te kloppen, maar ik ben gewoon een grote fan van ontwerpen die de klus klaren met het laagste niveau van complexiteit.

Op de tweede foto was ik aan het spelen met verschillende routeringsstrategieën voor de bedrading. Ik heb er waarschijnlijk een grotere deal van gemaakt dan ik zou moeten. Er zijn maar een paar belangrijke punten … bedraad het gewoon zoals in het schema, maar aangezien de voeding buiten de spoelconstructie komt, moet je de draden hebben die op de stroombron worden aangesloten die uit de onderkant van de assemblage steken. Met andere woorden: de V+-draad gaat naar de collector van de transistor en de V-draad gaat naar de draad met het label "2" op uw spoeleenheid. Dus het komt erop neer dat uw spoelconstructie een positieve en een negatieve pool heeft. Het is een goed idee om deze als zodanig te labelen als je klaar bent, zodat je niet vergeet welke welke is. Ah… ik was het bijna vergeten. U moet een stuk fijn schuurpapier gebruiken om de isolerende laag op de magneetdraad te verwijderen voordat u deze gaat solderen! Voor de duidelijkheid over het schema … "Lo" is de buitenste spoel en "Li" is de binnenste spoel en houd er ook rekening mee dat ik de uiteinden van de spoeldraden 1, 2, 3 en 4 heb gelabeld om overeen te komen met hoe we het deden toen we de spoelen wikkelden.

Ik heb de spoel getest voordat ik hem met epoxy heb ingegoten … maar goed, want ik had een fout gemaakt! Ha, ik vervloekte mezelf door te praten over hoe eenvoudig alles was. Zorg er dus voor dat u uw assemblage test voordat u deze oppot.

Om de voltooide assemblage te testen, heb ik een zeldzame-aardmagneet op een stuk draad geplakt en het net over de kop van de spijker in de spoel laten bungelen. Sluit vervolgens de stroom aan op de spoel en zwaai de magneet langs de spijkerkop. Het zou vanzelf moeten gaan. Er is een sweet spot voor de afstand tussen de magneet en de spijkerkop. Te dichtbij en de beweging is schokkerig… te ver weg en het zal niet werken.

De laatste foto toont de voltooide spoel en de zeldzame aarde (neodymium) magneet die ik heb gebruikt.

Stap 5: Slingercomponenten

Toen ik eenmaal een bekend goed werkend ontwerp voor de spoelconstructie had, moest ik een prototype slinger bouwen, zodat ik de prestatiekenmerken ervan kon beoordelen. Ik was heel benieuwd hoeveel stroom het apparaat gebruikte en ik moest ook weten hoe groot de boog van de slinger zou zijn, omdat dit van invloed zou zijn op hoe ik verder ging met mijn klokontwerp.

Ik verpakte mijn spoelsamenstel in een kleine houten kist en voegde een schakelaar en stroomaansluiting toe. De doos past in een uitsparing aan de onderkant van de basiseenheid die wordt weergegeven in afbeelding twee. Alles was een wrijvingspassing, zodat ik onderweg aanpassingen kon maken om optimale prestaties te krijgen. Ik heb een koperen buis aan de staander in afbeelding 3 toegevoegd om de wrijving te verminderen. Ik gebruikte een 10d spijker voor de pin om de slinger te verbinden met het rechtopstaande stuk. Op foto 5 zie je de zeldzame-aardmagneet in het uiteinde van de slinger. Ik heb nooit iets gevonden dat zei dat magneetpolariteit belangrijk was. Het lijkt niet uit te maken…. wat me stoort, omdat ik intuïtief op de een of andere manier denk dat het zou moeten. Maar ik heb er nooit aandacht aan besteed en het lijkt altijd te werken, dus ik denk van niet. De laatste foto toont de 9 volt DC-stroombron. De stroomcapaciteit van 1 ampère is overkill … het hoeft niet in de buurt te komen, zoals ik later ontdekte.

Stap 6: De slinger monteren

De basis is een twee centimeter dik stuk dennenhout. Ik wilde dat het zwaar was om te voorkomen dat het geheel kantelde als de slinger zwaaide. Hoewel dit een prototype was, besloot ik het toch een beetje aan te kleden en af te werken met dunne stukjes red cedar. Ik kon het niet helpen!:)

De spoelmodule wordt in de onderkant van de basis gestoken (afbeelding 2) en het geheel wordt met de goede kant naar boven geklapt (afbeelding 3). De staander wordt in de bovenkant van de basis gestoken (afbeelding 4). Het is een wrijvingspassing. Steek de spijker door de koperen buis in de staander (foto 5). En druk tenslotte de slinger op de nagel (laatste foto).

Ik heb de slinger zo afgesteld dat er een kleine opening was tussen de slinger en de basis.

Stap 7: Prototype prestatieresultaten

Als je kijkt naar de grafiek die ik achter de werkende slinger in de video heb geplaatst, kun je zien dat de slinger voorbij de middelste lijn zwaait, maar niet helemaal voorbij de laatste lijn komt. Dit plaatst de hele boog die de slinger zwaait tussen 72 en 80 graden… Ik schat rond de 75 graden. Dit is waardevolle informatie wanneer het tijd is om het loopechappement voor de klok te ontwerpen.

Ik heb ook een stroomtang aangesloten op de hoogspanningslijn en de stroomafname tijdens bedrijf gecontroleerd. Ik was zeer verheugd om te ontdekken dat de gemiddelde stroomafname iets meer dan 2 milli-ampère was!!! Wat echt cool is, is dat ik de klok op batterijen kan laten werken. Als ik C-celbatterijen gebruik, heb ik meer dan 5 maanden gebruiksduur voordat ik de batterijen moet vervangen. Niet slecht!

De reden dat ik enthousiast ben over het gebruik van batterijen, is dat ik niet wil dat een stroomkabel naar de klok loopt die het geheim verklapt van hoe deze werkt. Ik verstop de batterijen in de voet van de klok. Bovendien kan ik het overal neerzetten.

Stap 8: Komende Volgende…

Zoals je kunt zien ben ik druk bezig geweest met de volgende stappen van mijn klokontwerp. Ik kreeg een burn-out bij het snijden van de tandwieltanden. Oh mijn god is dat een vervelend proces. Als ik ooit besluit om een aantal van deze klokken te bouwen, denk ik dat ik zal investeren in een mooie CNC-router!!!

Dus terwijl ik een pauze nam van het uitzagen van tandwieltanden, knipte ik de wijzers uit en begon aan het klokframe te werken. Tot zover goed!

Terwijl ik vooruitdenk aan de volgende instructable in deze serie, geloof ik dat ik zal praten over het proces dat ik heb doorlopen om de versnellingen te ontwerpen en te bouwen, dus blijf erbij.

Zie je dan!

Willy