Con lắc điện từ: 8 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Quay trở lại cuối những năm 1980, tôi quyết định rằng tôi muốn chế tạo một chiếc đồng hồ hoàn toàn bằng gỗ. Vào thời điểm đó chưa có internet nên việc nghiên cứu khó khăn hơn nhiều so với ngày nay… mặc dù tôi đã cố gắng kết hợp với nhau một bánh xe và bộ thoát con lắc rất thô sơ. Thời gian chạy có giới hạn và nó khá khó khăn nhưng nó sẽ nhấp nhô trong vài phút trước khi trọng lượng chạm sàn. Nguồn lực của tôi cũng bị hạn chế… công cụ, tiền bạc, kỹ năng chế biến gỗ… khiến cho việc thực hiện dự án khá khó chịu. Vì vậy, có thời gian, giấc mơ đồng hồ gỗ đã bị bỏ rơi. Tua đi nhanh hơn 30 năm. Bây giờ tôi đã nghỉ hưu, tôi có rất nhiều công cụ thực sự tuyệt vời và kỹ năng chế biến gỗ của tôi đã được cải thiện đáng kể. Tôi cũng có quyền truy cập vào máy tính, phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) tuyệt vời và Internet. Vì vậy, dự án đồng hồ đã trở lại. Tôi đã quyết định viết về quy trình khi tôi làm việc theo cách của mình trong quá trình thiết kế. Nó có vẻ như là một điều thú vị để làm.

Ban đầu, tôi muốn chế tạo một chiếc đồng hồ được điều khiển bởi trọng lực và được điều chỉnh bởi một con lắc. Gần đây, khi tôi ngẫu nhiên tìm hiểu trên internet, tôi bắt gặp một người dân trên đảo Kauai, người thiết kế đồng hồ gỗ và các loại “nghệ thuật động học” khác. Tên anh ấy là Clayton Boyer. Chính việc khám phá ra những thiết kế đồng hồ của ông Boyer đã thôi thúc tôi tiếp tục dự án đồng hồ của riêng mình. Một trong những thiết kế của anh ấy làm tôi mê mẩn được gọi là “Toucan”. Bộ thoát hiểm đi bộ được sử dụng trên đồng hồ giống với biểu tượng của loài chim cùng tên. Đó là một chiếc đồng hồ thú vị để xem và thiết kế rất hay thay đổi nhưng điều cuối cùng thu hút sự chú ý của tôi là cách nó được điều khiển. Không có trọng lượng hay lò xo. Con lắc dường như lắc qua lắc lại một cách kỳ diệu mà không mất năng lượng. Bí mật là một hệ thống truyền động điện từ được giấu bên trong đế đồng hồ và một nam châm ở đầu con lắc. Là một kỹ sư điện, tôi nghĩ rằng điều này thực sự tuyệt vời và tôi quyết định tìm hiểu xem tất cả điều này hoạt động như thế nào và xây dựng phiên bản Mr. Boyer’s Toucan của riêng tôi. Để chắc chắn… tôi có thể vừa mua các gói cho đồng hồ vì chúng có sẵn với giá khoảng 35 đô la nhưng niềm vui ở đó ở đâu?

Sau khi tìm hiểu kỹ hơn một chút trên internet, tôi thấy rằng khái niệm này có từ đầu những năm 1960 với Đồng hồ kỷ niệm Kundo. Chúng được cung cấp năng lượng bằng pin khô và sẽ chạy trong một năm hoặc lâu hơn trước khi bạn phải thay pin (tôi cho là như vậy). Sự đơn giản của mạch truyền động khiến tôi tò mò. Có hai cuộn dây (một cuộn dây trên đầu một cuộn dây khác), một bóng bán dẫn germani và một pin. Đó là tất cả! Tôi thích những thứ đơn giản nhưng hoạt động được và điều này không thể đơn giản hơn. Một trong các cuộn dây được kết nối với đầu vào cơ bản của bóng bán dẫn và cuộn dây còn lại ở phía đầu ra của bóng bán dẫn mắc nối tiếp với pin. Mảnh còn lại của câu đố là một nam châm gắn trên đầu một con lắc. Khi con lắc lắc lư theo các cuộn dây, nam châm tạo ra dòng điện trong cuộn dây dẫn đến đế của bóng bán dẫn. Điều này làm cho bóng bán dẫn bật và dòng điện chạy trong mạch đầu ra từ pin qua cuộn dây mắc nối tiếp với nó. Ngoài ra còn có một hiệu ứng biến áp gây ra nhiều dòng điện hơn được tạo ra trong cuộn dây đầu vào đến điểm mà bóng bán dẫn bão hòa. Lượng dòng điện cực đại hiện đang chạy trong đầu ra của bóng bán dẫn và cuộn dây trong mạch đó được cung cấp năng lượng hoàn toàn bởi pin, do đó tạo ra một nam châm điện có cùng cực với nam châm trong con lắc. Thời gian sao cho từ trường tạo ra bởi nam châm điện đẩy nam châm trong con lắc khi nó dao động và tạo cho nó một cú hích nhỏ. Khi con lắc di chuyển qua cuộn dây, dòng điện trong cuộn dây ngừng chạy trong đế của bóng bán dẫn và nó tắt. Quá trình này được lặp lại mỗi khi con lắc lắc lư theo các cuộn dây… cung cấp năng lượng bổ sung cần thiết để khắc phục các tổn thất trong hệ thống và giữ cho mọi thứ chuyển động. Gọn gàng hả? Điều thực sự tuyệt vời về điều này là nó tiêu thụ rất ít năng lượng và pin sẽ sử dụng được lâu. Đồng hồ gỗ được dẫn động bằng lò xo hoặc quả nặng sẽ chỉ chạy trong một ngày hoặc lâu hơn trước khi chúng phải được quấn lại. Chúng có sức hấp dẫn riêng nhưng việc lên dây cót cho đồng hồ mỗi ngày dường như là một nỗi đau đối với tôi. Tôi vẫn có thể chế tạo một trong số những thứ này vào một ngày nào đó (tôi yêu các thiết bị thoát hiểm Arnfield) nhưng bây giờ nó sẽ là thiết bị điện tử thay vì trọng lực.

Vì vậy, chặng đầu tiên của cuộc hành trình này là tìm ra cách chế tạo con lắc xung điện từ vì nó sẽ không chỉ điều chỉnh đồng hồ mà còn là động cơ điều khiển nó. Cuối cùng, ngoài hướng dẫn về con lắc này, tôi sẽ xuất bản một số hướng dẫn bao gồm thiết kế đồng hồ nói chung, thiết kế bánh răng, cấu tạo khung và sau đó kết hợp tất cả lại với nhau để hoàn thành một chiếc đồng hồ hoạt động. Vì vậy, dây đeo … ở đây chúng ta đi với quy trình thiết kế cho con lắc …

Quân nhu

Thành phần chính của con lắc điện từ là cuộn dây mạch. Tôi đã sử dụng đinh 10d (có sẵn tại cửa hàng phần cứng trung bình của bạn) làm lõi ferit. Hệ thống dây cho các cuộn dây là dây điện từ 35 AWG. Đây là một loại dây rất tốt được phủ một lớp vật liệu không dẫn điện mỏng. Một bóng bán dẫn mối nối lưỡng cực 2N4401 NPN được sử dụng để điều khiển dòng điện chạy qua mạch. Băng kapton bao phủ móng tay và phần lõi đã hoàn thành nhưng bạn có thể sử dụng khá nhiều loại băng dính. Các nắp cuối của cuộn dây là tấm acrylic 1/16 inch cũng như một miếng gỗ sồi hình trụ để chứa bóng bán dẫn và dây cuộn dây. Nhiều mảnh và mảnh gỗ vụn khác nhau đã được sử dụng cho phần còn lại của cụm nguyên mẫu cùng với các thanh chốt ở một số đường kính. Tôi thích làm việc với các thanh chốt … nó gợi nhớ cho tôi về một trong những món đồ chơi yêu thích thời thơ ấu của tôi… Đồ chơi Tinker! Tôi thấy họ cho vay khá tốt để phát triển nguyên mẫu. Nguồn cung cấp là một mô-đun cắm trên tường có thể chuyển đổi AC 110 sang DC 9 volt. Cuối cùng thì đồng hồ sẽ hết pin nhưng hiện tại, mô-đun cắm vào rất thuận tiện và nhất quán. Một thành phần quan trọng khác là nam châm neodymium được gắn vào phần cuối của con lắc. Nam châm tôi sử dụng có đường kính 1/2 inch và dày 1/4 inch.

Bước 1: Lắp ráp lõi cuộn

Khi tôi đang nghiên cứu về cuộn dây, tôi đã lướt qua một diễn đàn sửa chữa đồng hồ, nơi một trong những chủ đề đang thảo luận về các chi tiết của thiết kế cuộn dây. Họ đã có một số hình ảnh tuyệt vời cho tôi ý tưởng về cách che giấu bóng bán dẫn và hệ thống dây điện liên quan bên trong đế của cuộn dây. Một chi tiết quan trọng khác là họ đã đề cập đến các cuộn dây chứa 4000 vòng. Chà, nghe có vẻ giống rất nhiều và tạo ra một chút lo lắng trong tâm trí tôi về việc quấn cuộn dây sẽ hợp lý như thế nào nhưng tôi vẫn nhấn vào.

Tôi đã nghĩ về việc tôi muốn cuộn dây thành phẩm lớn như thế nào và đặt trên đường kính một inch và dài một inch và một phần tư. Tôi cắt các hình tròn có đường kính 1 inch từ tấm acrylic 1/16 inch để sử dụng cho các nắp cuối và một đĩa đường kính 1 inch khác từ một miếng gỗ sồi dày 1/2 inch cho phần đế. Tôi đã khoét một phần tư inch kênh trong đĩa gỗ sồi cũng như khoan một lỗ có đường kính 3/16 inch để chứa bóng bán dẫn. Tôi cũng đã khoan những lỗ nhỏ để có thể luồn dây vào kênh trong đế. Xem các hình ảnh để biết chi tiết. Ban đầu, tôi cắt một phần của miếng acrylic dưới cùng để dễ dàng luồn dây vào đế. Nhìn lại, lẽ ra tôi chỉ cần khoan những lỗ nhỏ để khớp với những lỗ ở chân đế. Nhưng không có vấn đề gì lớn. Các lỗ cũng được khoan trên miếng acrylic và miếng gỗ sồi để vừa khít với móng tay. Lắp ráp như sau: Đặt đĩa acrylic không có khía lên móng tay. Quấn một miếng băng dính 1-1 / 4 inch xung quanh móng tay như hình minh họa và sau đó thêm đĩa acylic có khía. Tôi bôi epoxy lên đĩa gỗ sồi và sau đó trượt nó lên đinh sao cho nó được liên kết với đĩa acrylic.

Trước khi chuyển sang quy trình quấn cuộn dây, tôi đã thực hiện một số tính toán nhanh và đơn giản để có một ý tưởng sơ bộ về độ lớn của hệ thống dây điện đã hoàn thành và điện trở của hai cuộn dây. Dường như tôi có thể lắp tất cả dây vào cụm lõi của mình nên tôi rất vui.

Bước 2: Đồ gá cuộn dây

Tôi quyết định rằng việc quấn dây xung quanh lõi hoàn toàn bằng tay sẽ là một nỗi đau rất lớn vì vậy lấy cảm hứng từ công nghệ Đồ chơi Tinker, tôi đã ghép lại với nhau một bộ đồ gá từ chốt và mảnh vụn của ván ép và MDF. Tôi thấy rằng tôi phải chấm một chút keo nóng vào đĩa gỗ sồi của lõi cuộn dây để giữ nó vừa khít vào vị trí. Nếu không sẽ có một chút ma sát quá lớn trong bộ phận lắp ráp và lõi sẽ không di chuyển khi tôi quay tay quay. Vì vậy, với việc chà nhám thêm một chút để giảm thêm ma sát và bôi keo nóng, đồ gá đã hoạt động.

Bước 3: Quấn cuộn dây

Dây điện là một loại dây đặc biệt được gọi là dây điện từ. Nó là một sợi dây đơn rất mịn được phủ một lớp vật liệu cách điện mỏng. Tôi đã sử dụng 35 AWG. Nó rất phổ biến và cũng giống như mọi thứ khác mà bạn có thể lấy từ Amazon. Tôi đã giải cứu ống chỉ mà bạn nhìn thấy trong bức ảnh đầu tiên từ thùng rác tại nơi làm việc sau một sự kiện dọn dẹp phòng thí nghiệm. Không rõ nó bao nhiêu tuổi nhưng có vẻ như nó đã được mua cách đây nhiều thập kỷ. CƯỜI LỚN.

Chúng ta sẽ quấn hai cuộn dây, cuộn này chồng lên đinh trong phần lắp ráp lõi. Điều cần thiết là cả hai cuộn dây phải được quấn theo cùng một hướng xung quanh cụm … nếu không nó sẽ không hoạt động. Mỗi cuộn dây sẽ có khoảng 4000 vòng quấn quanh đinh. Bây giờ nó không phải là vấn đề lớn nếu bạn không kết thúc với chính xác 4000 lượt trên mỗi cuộn dây, do đó bạn không cần phải đổ mồ hôi chi tiết đó nhưng tôi đã có một cuốn sổ ghi chép mà tôi đã sử dụng để theo dõi. Phải mất vài giờ để hoàn thành quá trình gói nhưng tôi chỉ bật một trận bóng đá để xem nên không cảm thấy nhàm chán. Tôi có thể thực hiện khoảng 50 vòng quanh chiếc đinh mỗi lần vượt qua vì vậy tôi sẽ thực hiện một vài đường chuyền để có được một trăm vòng và ghi lại điều đó vào sổ ghi chú của mình và tiếp tục cho đến khi tôi đạt được 4000 vòng.

Đây là quy trình quấn: Bắt đầu quấn cuộn dây bên trong bằng cách luồn dây 2 hoặc 3 inch vào miếng đế gỗ sồi. Đánh dấu phần cuối của dây này là "1". Hoàn thành 4000 vòng bọc của bạn và đảm bảo rằng bạn kết thúc trở lại ở phần cuối của lõi gỗ sồi. Cắt dây và để thêm khoảng 2 hoặc 3 inch chiều dài để bạn có thể luồn dây trở lại đế gỗ sồi. Gắn nhãn phần cuối này là "2". Bắt đầu cuộn dây bên ngoài theo cùng một cách bằng cách luồn dây 2 hoặc 3 inch vào đế gỗ sồi. Gắn nhãn phần cuối này là "3". Thực hiện thêm 4000 vòng, cắt dây và luồn phần cuối vào đế giống như trước. Gắn nhãn phần cuối này là "4". Hình 4 và 5 cho thấy kết quả cuối cùng của quá trình gói. Một lần nữa… Hãy chắc chắn rằng bạn quấn cả cuộn dây bên trong và bên ngoài theo cùng một hướng !!!

Bước 4: Hoàn thành mạch

Như bạn có thể thấy trong sơ đồ, mạch cực kỳ đơn giản làm cho thiết bị này trở nên cực kỳ mát mẻ. Tôi đã từng thấy các dự án tương tự sử dụng bộ xử lý thay thế… điều này đối với tôi giống như dùng búa tạ để giết một con ruồi. Tôi không có ý đập bỏ những loại dự án đó nhưng tôi chỉ là một fan cuồng thực sự của những thiết kế hoàn thành công việc với mức độ phức tạp thấp nhất.

Trong hình ảnh thứ hai, tôi đang xem xét các chiến lược định tuyến khác nhau cho hệ thống dây điện. Tôi có lẽ đã làm một việc lớn hơn tôi nên làm. Chỉ có một số điểm chính… chỉ cần đấu dây như sơ đồ nhưng vì nguồn điện sẽ được gắn bên ngoài cụm cuộn dây nên bạn cần có các dây sẽ kết nối với nguồn điện nằm ở phía dưới của cụm. Nói cách khác: Dây V + đi đến bộ thu của bóng bán dẫn và dây V đi đến dây có nhãn "2" trên cụm cuộn dây của bạn. Vì vậy, điểm mấu chốt là cụm cuộn dây của bạn sẽ có một cực dương và một cực âm. Bạn nên gắn nhãn những thứ này như vậy khi bạn hoàn thành để bạn không quên cái nào là cái nào. À… tôi gần như quên mất. Bạn sẽ cần sử dụng một miếng giấy nhám mịn để loại bỏ lớp phủ cách điện trên dây điện từ trước khi hàn nó! Để rõ ràng hơn về sơ đồ… "Lo" là cuộn dây bên ngoài và "Li" là cuộn dây bên trong và cũng lưu ý rằng tôi đã gắn nhãn các đầu của dây cuộn dây 1, 2, 3 và 4 để phù hợp với cách chúng tôi đã làm nó khi chúng tôi quấn các cuộn dây.

Tôi đã kiểm tra cuộn dây trước khi tôi trồng nó bằng epoxy … điều tốt vì tôi đã mắc sai lầm! Ha, tôi tự đánh mình bằng cách nói về mọi thứ đơn giản như thế nào. Vì vậy, hãy chắc chắn rằng bạn kiểm tra bộ phận lắp ráp của mình trước khi đặt nó.

Để kiểm tra việc lắp ráp đã hoàn thiện, tôi dán một nam châm đất hiếm vào một đoạn chỉ dài và treo nó qua đầu đinh trong cuộn dây. Sau đó nối nguồn điện vào cuộn dây và xoay nam châm qua đầu đinh. Nó sẽ tự cất cánh. Có một điểm ngọt cho khoảng cách giữa nam châm và đầu đinh. Quá gần và chuyển động bị giật… quá xa và nó sẽ không hoạt động.

Hình ảnh cuối cùng cho thấy cuộn dây đã hoàn thành cũng như nam châm đất hiếm (neodymium) mà tôi đã sử dụng.

Bước 5: Các thành phần con lắc

Khi tôi đã có một thiết kế hoạt động tốt được biết đến cho cụm cuộn dây, tôi cần phải chế tạo một con lắc nguyên mẫu để tôi có thể đánh giá các đặc tính hoạt động của nó. Tôi tò mò nhất là muốn biết thiết bị đã sử dụng bao nhiêu năng lượng và tôi cũng cần biết con lắc sẽ lắc vòng cung lớn như thế nào vì điều này sẽ ảnh hưởng đến cách tôi tiến hành thiết kế đồng hồ của mình.

Tôi đóng gói cụm cuộn dây của mình bên trong một hộp gỗ nhỏ và thêm một công tắc và kết nối nguồn. Hộp vừa vặn bên trong một vết cắt ở dưới cùng của cụm cơ sở như trong hình hai. Mọi thứ đều vừa vặn để tôi có thể thực hiện các điều chỉnh trong quá trình thực hiện nhằm đạt được hiệu suất tối ưu. Tôi đã thêm một ống đồng vào ống thẳng đứng trong hình 3 để giúp giảm ma sát. Tôi dùng một chiếc đinh 10d cho chốt để nối con lắc với mảnh thẳng đứng. Trong hình 5, bạn có thể thấy nam châm đất hiếm ở cuối con lắc. Tôi chưa bao giờ tìm thấy bất cứ điều gì nói rằng cực nam châm là quan trọng. Nó dường như không thành vấn đề…. loại nào gây ra lỗi cho tôi bởi vì trực giác bằng cách nào đó tôi nghĩ rằng nó nên. Nhưng tôi chưa bao giờ chú ý đến nó và nó dường như luôn hoạt động nên tôi đoán là không. Hình cuối cùng cho thấy nguồn điện một chiều 9 volt. Công suất hiện tại 1 amp là quá mức cần thiết… nó không cần phải ở bất kỳ đâu gần với mức đó như tôi đã phát hiện ra sau này.

Bước 6: Lắp ráp con lắc

Phần đế là một khúc gỗ thông dày hai inch. Tôi muốn nó nặng để giữ cho bộ phận không bị lật khi con lắc đang lắc lư. Mặc dù đây là mẫu thử nghiệm, tôi vẫn quyết định chỉnh trang lại một chút và cắt tỉa nó bằng những miếng tuyết tùng đỏ mỏng. Không thể tự giúp mình!:)

Mô-đun cuộn dây cắm vào mặt dưới của đế (hình 2) và toàn bộ được lật ngược mặt phải lên (hình 3). Phần thẳng đứng được lắp vào phần trên cùng của đế (hình 4). Đó là một sự phù hợp ma sát. Chèn đinh qua ống đồng theo hướng thẳng đứng (hình 5). Và cuối cùng ấn con lắc vào đinh (pic cuối cùng).

Tôi điều chỉnh con lắc để có một khoảng cách nhỏ giữa nó và đế.

Bước 7: Kết quả Hiệu suất Nguyên mẫu

Bằng cách nhìn vào biểu đồ mà tôi đặt phía sau con lắc đang hoạt động trong video, bạn có thể thấy rằng con lắc dao động qua đường giữa nhưng không hoàn toàn vượt qua đường cuối cùng. Điều này đặt toàn bộ vòng cung mà con lắc dao động trong khoảng 72 đến 80 độ… Tôi ước tính khoảng 75 độ. Đây là thông tin có giá trị khi đã đến lúc thiết kế bộ thoát đi bộ cho đồng hồ.

Tôi cũng kết nối một đầu dò dòng điện với đường dây điện và theo dõi dòng điện trong quá trình hoạt động. Tôi vô cùng vui mừng khi phát hiện ra rằng mức hòa trung bình hiện tại là hơn 2 milimet một chút !!! Điều thực sự thú vị về điều đó là tôi sẽ có thể làm cho đồng hồ chạy bằng pin. Nếu tôi sử dụng pin C cell, tôi sẽ có thời gian sử dụng hơn 5 tháng trước khi phải thay pin. Không tệ lắm!

Lý do mà tôi hào hứng với việc sử dụng pin là vì tôi không muốn có một dây cáp điện chạy với đồng hồ vì bí mật về cách nó hoạt động. Tôi sẽ giấu pin trong đế đồng hồ. Thêm vào đó, tôi sẽ có thể đặt nó ở bất cứ đâu.

Bước 8: Sắp tới Tiếp theo…

Như bạn có thể thấy, tôi đang bận rộn với các bước thiết kế đồng hồ tiếp theo của mình. Tôi đã bị kiệt sức khi cắt răng bánh răng. Ôi trời ơi, đó là một quá trình tẻ nhạt. Nếu tôi quyết định xây dựng một loạt các đồng hồ này, tôi tin rằng tôi sẽ đầu tư vào một bộ định tuyến CNC đẹp !!!

Vì vậy, trong khi tạm nghỉ việc cưa các răng bánh răng, tôi đã cắt các tay và bắt đầu làm việc trên khung đồng hồ. Càng xa càng tốt!

Khi tôi nghĩ về hướng dẫn tiếp theo trong loạt bài này, tôi tin rằng tôi sẽ nói về quá trình tôi đã trải qua để thiết kế và chế tạo các bánh răng, vì vậy hãy chờ đợi nó.

Gặp bạn sau!

Sẽ y