البندول الكهرومغناطيسي: 8 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

بالعودة إلى أواخر الثمانينيات ، قررت أنني أرغب في بناء ساعة بالكامل من الخشب. في ذلك الوقت لم يكن هناك إنترنت ، لذلك كان إجراء الأبحاث أكثر صعوبة مما هو عليه اليوم … على الرغم من أنني تمكنت من تجميع عجلة بدائية للغاية وميزان بندول. كان وقت التشغيل محدودًا وكان صعبًا نوعًا ما ولكنه كان ينقر لبضع دقائق قبل أن يلامس الوزن الأرض. كما كانت مواردي محدودة … الأدوات والمال ومهارات النجارة … مما جعل العمل في المشروع محبطًا إلى حد ما. لذلك ، في ذلك الوقت ، تم التخلي عن حلم الساعة الخشبية. تقدم سريعًا لمدة 30 عامًا زائدًا. أنا متقاعد الآن ، لدي الكثير من الأدوات الرائعة حقًا ، وقد تحسنت مهاراتي في النجارة بشكل كبير. لدي أيضًا إمكانية الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر وبرامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) والإنترنت. لذلك عاد مشروع الساعة. لقد قررت الكتابة عن العملية بينما أعمل في طريقي من خلال التصميم. فقط يبدو وكأنه شيء ممتع للقيام به.

في البداية كنت أرغب في بناء ساعة تحركها الجاذبية وينظمها بندول. في الآونة الأخيرة ، عندما كنت أتجول بشكل عشوائي على الإنترنت ، صادفت زميلًا في جزيرة كاواي يصمم ساعات خشبية وأنواعًا أخرى من "الفن الحركي". اسمه كلايتون بوير. كان اكتشاف تصميمات ساعة السيد بوير هو الذي ألهمني لمواصلة مشروعي الخاص بالساعة. أحد تصميماته التي أبهرتني كان يسمى "الطوقان". يشبه ميزان المشي المستخدم على مدار الساعة منقار الطائر الذي يحمل نفس الاسم. لقد كانت ساعة ممتعة للمشاهدة وكان التصميم غريب الأطوار للغاية ولكن ما لفت انتباهي في النهاية هو كيف تم دفعه. لم تكن هناك أوزان أو زنبركات. يبدو أن البندول يتأرجح بشكل سحري جيئة وذهابا دون فقدان الطاقة. كان السر عبارة عن نظام محرك كهرومغناطيسي مخفي داخل قاعدة الساعة ومغناطيس في نهاية البندول. كوني مهندسًا كهربائيًا ، اعتقدت أن هذا رائع حقًا وقررت اكتشاف كيفية عمل كل هذا وإنشاء نسختي الخاصة من Mr. Boyer’s Toucan. للتأكد … كان بإمكاني شراء الخطط على مدار الساعة نظرًا لأنها كانت متوفرة مقابل حوالي 35 دولارًا ولكن أين المتعة في ذلك؟

بعد المزيد من البحث على الإنترنت ، وجدت أن المفهوم يعود إلى أوائل الستينيات مع ساعات كوندو السنوية. كانت تعمل ببطارية خلية جافة وستعمل لمدة عام أو نحو ذلك قبل أن تضطر إلى تغيير البطارية (وبالتالي الاسم ، أفترض). أذهلتني بساطة دائرة القيادة. كان هناك ملفان (أحدهما جرح فوق الآخر) ، وترانزستور جرمانيوم وبطارية. هذا كل شئ! أحب الأشياء البسيطة التي تعمل وهذا لا يمكن أن يصبح أكثر بساطة. يتم توصيل أحد الملفات بالمدخل الأساسي للترانزستور والملف الآخر في جانب الإخراج للترانزستور في سلسلة مع البطارية. كانت القطعة الأخرى من اللغز عبارة عن مغناطيس مثبت على نهاية بندول. عندما يتأرجح البندول بواسطة الملفات ، يحث المغناطيس تيارًا داخل الملف يقود قاعدة الترانزستور. يؤدي هذا إلى تشغيل الترانزستور وتدفق التيار في دائرة الإخراج من البطارية عبر الملف المتسلسل معها. هناك أيضًا تأثير محول يتسبب في إحداث المزيد من التيار في ملف الإدخال إلى النقطة التي يشبع فيها الترانزستور. يتدفق أقصى قدر من التيار الآن في جانب الإخراج من الترانزستور ويتم تنشيط الملف في تلك الدائرة بالكامل بواسطة البطارية ، مما يؤدي إلى إنشاء مغناطيس كهربائي بنفس قطبية المغناطيس في البندول. التوقيت هو أن المجال المغناطيسي الذي يولده المغناطيس الكهربائي يصد المغناطيس في البندول وهو يتأرجح ويعطيه دفعة صغيرة. بمجرد أن يتحرك البندول إلى ما بعد ، يتوقف تيار الملفات عن التدفق في قاعدة الترانزستور وينطفئ. تتكرر هذه العملية في كل مرة يتأرجح فيها البندول بواسطة الملفات … مما يوفر الطاقة الإضافية المطلوبة للتغلب على الخسائر داخل النظام والحفاظ على كل شيء في حالة حركة. أنيق ، أليس كذلك؟ ما هو رائع حقًا في هذا هو أنه يستهلك القليل جدًا من الطاقة وستستمر البطارية لفترة طويلة. الساعات الخشبية التي تحركها زنبركات أو أوزان لن تعمل إلا ليوم واحد أو نحو ذلك قبل أن يتم إعادة لفها. لديهم جاذبيتهم الخاصة ، لكن لف عقارب الساعة كل يوم بدا لي وكأنه ألم. لا يزال بإمكاني بناء واحدة من هذه في يوم من الأيام (أحب مواكبة Arnfield) ولكن في الوقت الحالي ستكون إلكترونيات بدلاً من الجاذبية.

لذا فإن المرحلة الأولى من هذه الرحلة هي معرفة كيفية بناء البندول النبضي كهرومغناطيسيًا لأن هذا لن ينظم الساعة فحسب ، بل سيكون أيضًا المحرك الذي يقودها. في النهاية ، بالإضافة إلى هذا البرنامج التعليمي حول البندول ، سأقوم بنشر عدد من البرامج التعليمية التي تغطي تصميم آلية الساعة بشكل عام ، وتصميم العتاد ، وبناء الإطار ، ثم أجمعها معًا لإكمال ساعة العمل. لذا اربط … ها نحن نبدأ عملية تصميم البندول …

اللوازم

المكون الرئيسي للبندول النبضي كهرومغناطيسيًا هو دائرة الملف. لقد استخدمت مسمارًا شائعًا 10d (متوفر في متجر الأجهزة العادي الخاص بك) كنواة الفريت. الأسلاك للملفات هي 35 سلك مغناطيسي AWG. هذا سلك رفيع للغاية مغطى بمادة رقيقة غير موصلة. يتم استخدام ترانزستور الوصل ثنائي القطب 2N4401 NPN للتحكم في تدفق التيار عبر الدائرة. يغطي شريط Kapton الظفر والقلب المكتمل ولكن يمكنك استخدام أي نوع من الشريط تقريبًا. أغطية نهاية الملف عبارة عن لوح أكريليك 1/16 بوصة بالإضافة إلى قطعة أسطوانية من خشب البلوط لإيواء أسلاك الترانزستور والملف. تم استخدام أجزاء وقطع مختلفة من الخشب الخردة لبقية تجميع النموذج الأولي جنبًا إلى جنب مع قضبان وتد في عدد من الأقطار. أحب العمل باستخدام قضبان وتد … إنها تذكرني بأحد ألعاب طفولتي المفضلة … ألعاب Tinker! أجد أنهم يصلحون بشكل جيد لتطوير النموذج الأولي. مصدر الطاقة عبارة عن وحدة توصيل في الحائط تقوم بتحويل التيار المتردد 110 إلى 9 فولت تيار مستمر. في نهاية المطاف ، ستصبح الساعة تعمل بالبطارية ولكن في الوقت الحالي ، تعتبر وحدة التوصيل مريحة للغاية ومتسقة. عنصر رئيسي آخر هو مغناطيس نيوديميوم الذي يتم تضمينه في نهاية البندول. المغناطيس الذي استخدمته يبلغ قطره 1/2 بوصة وسمكه ربع بوصة.

الخطوة 1: تجميع لفائف الأساسية

أثناء قيامي ببحثي عن الملف ، ركضت عبر منتدى لإصلاح الساعة حيث كان أحد الخيوط يناقش تفاصيل تصميم الملف. كان لديهم بعض الصور الرائعة التي أعطتني فكرة عن كيفية إخفاء الترانزستور والأسلاك المرتبطة به داخل قاعدة الملف. ومن التفاصيل الرئيسية الأخرى أنهم ذكروا الملفات التي تحتوي على 4000 لفة. واو ، لقد بدا ذلك مثل الكثير وخلق القليل من القلق في الجزء الخلفي من ذهني حول مدى معقولية التفاف الملف ولكني ضغطت على الرغم من ذلك.

فكرت في مدى رغبتي في أن يكون الملف النهائي مستقرًا بقطر بوصة واحدة وطول بوصة وربع. لقد قطعت دوائر قطرها 1 بوصة من لوح أكريليك 1/16 بوصة لاستخدامها في أغطية النهاية وقرص بقطر 1 بوصة أخرى من قطعة من خشب البلوط بسمك 1/2 بوصة للقاعدة. لقد قمت بطحن قناة ربع بوصة في قرص البلوط وكذلك حفر حفرة قطرها 3/16 بوصة لاستيعاب الترانزستور. لقد قمت أيضًا بحفر ثقوب صغيرة لأتمكن من توجيه الأسلاك إلى القناة الموجودة في القاعدة. انظر الصور لمزيد من التفاصيل. في البداية ، قمت بقص جزء من قطعة الأكريليك السفلية لتسهيل تشغيل الأسلاك في القاعدة. في الماضي ، كان يجب أن أحفر ثقوبًا صغيرة لمطابقة الثقوب الموجودة في القاعدة. لكن ليس بالأمر المهم. كما تم حفر ثقوب في قطع الأكريليك وقطعة من خشب البلوط لتثبيتها بإحكام على الظفر. كان التجميع على النحو التالي: ضع قرص الأكريليك غير المسنن على الظفر. لف قطعة 1-1 / 4 بوصة من الشريط حول الظفر كما هو موضح ثم أضف القرص الأسيلي المسنن. قمت بتطبيق الايبوكسي على قرص البلوط ثم قمت بوضعه على الظفر بحيث تم ربطه بقرص الأكريليك.

قبل الانتقال إلى عملية لف الملف ، أجريت بعض الحسابات السريعة والقذرة للحصول على فكرة تقريبية عن حجم الأسلاك النهائية والمقاومة الكهربائية للملفين. يبدو أنني سأكون قادرًا على تركيب كل الأسلاك في تجميعي الأساسي لذلك كنت سعيدًا.

الخطوة 2: لفائف اللف تهزهز

قررت أن لف السلك حول القلب يدويًا بالكامل سيكون بمثابة ألم كبير مستوحى من تقنية Tinker Toy ، لقد جمعت معًا رقصة من المسامير وقطع الخردة من الخشب الرقائقي و MDF. لقد وجدت أنه كان عليّ وضع القليل من الغراء الساخن على قرص البلوط الخاص بنواة الملف لتثبيته بإحكام في مكانه. خلاف ذلك ، كان هناك القليل من الاحتكاك في التجميع ولن يتحرك القلب عندما أدرت الساعد. لذلك ، مع مزيد من الصنفرة لتقليل الاحتكاك بشكل أكبر وضغط الغراء الساخن ، أصبحت الرقصة جاهزة للعمل.

الخطوة 3: لف الملفات

السلك هو نوع خاص من الأسلاك يسمى السلك المغناطيسي. إنه سلك رفيع للغاية ومغلف بمادة عازلة رقيقة. لقد استخدمت 35 AWG. إنه شائع جدًا ومثل أي شيء آخر يمكنك الحصول عليه من أمازون. لقد أنقذت التخزين المؤقت الذي تراه في الصورة الأولى من سلة المهملات في العمل بعد حدث تنظيف معمل. لست متأكدًا من عمره ولكن يبدو أنه تم شراؤه منذ عدة عقود. مضحك جدا.

سنلف ملفين ، أحدهما فوق الآخر ، فوق المسمار في التجميع الأساسي. من الضروري أن يتم لف كلا الملفين في نفس الاتجاه حول التجميع … وإلا فلن يعمل. سيحتوي كل ملف على حوالي 4000 لفة حول الظفر. الآن ليست صفقة كبيرة إذا لم ينتهي بك الأمر مع 4000 دورة بالضبط على كل ملف ، لذلك لا تحتاج إلى تفريغ هذه التفاصيل ولكن لديّ مفكرة اعتدت على تتبعها. لقد استغرق الأمر بضع ساعات لإكمال عملية التغليف ، لكنني قمت للتو بتشغيل لعبة كرة قدم لمشاهدتها حتى لا أشعر بالملل. يمكنني إجراء حوالي 50 لفة حول الظفر في كل تمريرة ، لذا سأقوم ببعض التمريرات للحصول على مائة لف وأدوّن ذلك على دفتر الملاحظات الخاص بي واستمر في ذلك حتى وصلت إلى 4000 لفة.

إليك عملية التغليف: ابدأ في لف الملف الداخلي عن طريق ربط 2 أو 3 بوصات من الأسلاك في قطعة قاعدة البلوط. قم بتسمية نهاية هذا السلك "1". أكمل 4000 ملفًا وتأكد من أن ينتهي بك الأمر مرة أخرى عند نهاية قاعدة البلوط من القلب. اقطع السلك واترك طولًا إضافيًا يبلغ حوالي 2 أو 3 بوصات بحيث يمكنك إعادة ربطه بقاعدة البلوط. قم بتسمية هذه النهاية "2". ابدأ الملف الخارجي بنفس الطريقة عن طريق ربط 2 أو 3 بوصات من الأسلاك في قاعدة البلوط. قم بتسمية هذه النهاية "3". قم بعمل 4000 دورة أخرى ، واقطع السلك ، وقم بربط النهاية بالقاعدة كما كانت من قبل. قم بتسمية هذه النهاية بـ "4". توضح الصورتان 4 و 5 النتيجة النهائية لعملية التغليف. مرة أخرى … تأكد من قيامك بلف الملفين الداخلي والخارجي في نفس الاتجاه !!!

الخطوة 4: استكمال الدائرة

كما ترون في التخطيطي ، فإن الدائرة بسيطة للغاية مما يجعل هذا الجهاز رائعًا للغاية. لقد رأيت مشاريع مماثلة تستخدم المعالجات بدلاً من ذلك … وهو ما يشبه استخدام مطرقة ثقيلة لقتل ذبابة. لا أقصد أن أطرح هذه الأنواع من المشاريع ، لكنني مجرد معجب كبير حقيقي بالتصاميم التي تنجز المهمة بأقل مستوى من التعقيد.

في الصورة الثانية كنت ألعب باستراتيجيات توجيه مختلفة للأسلاك. ربما أبرمت صفقة أكبر مما ينبغي. لا يوجد سوى نقطتين أساسيتين … فقط قم بتوصيله مثل التخطيطي ولكن نظرًا لأن مصدر الطاقة سيكون خارجيًا لمجموعة الملف ، فأنت بحاجة إلى الحصول على الأسلاك التي ستتصل بمصدر الطاقة خارج الجزء السفلي من التجميع. بمعنى آخر: يذهب السلك V + إلى جامع الترانزستور وينتقل السلك V إلى السلك المسمى "2" في مجموعة الملف. لذا فإن الخلاصة النهائية لتجميع الملف الخاص بك سيكون لها طرف موجب وسالب. من الجيد تصنيفها على هذا النحو عند الانتهاء حتى لا تنسى أيهما. آه … كدت أنسى. ستحتاج إلى استخدام قطعة من ورق الصنفرة الناعم لإزالة الطبقة العازلة على السلك المغناطيسي قبل لحامه! من أجل توضيح المخطط … "Lo" هي الملف الخارجي و "Li" هي الملف الداخلي ، ولاحظ أيضًا أنني قمت بتسمية نهايات أسلاك الملف 1 و 2 و 3 و 4 لتتناسب مع الطريقة التي فعلناها بها عندما نلف اللفات.

لقد اختبرت الملف قبل أن أضعه في الإيبوكسي … شيء جيد منذ أن ارتكبت خطأ! ها ، لقد أزعجت نفسي بالحديث عن مدى بساطة كل شيء. لذا تأكد من اختبار التجميع الخاص بك قبل وضعه في القدر.

لاختبار التجميع المكتمل ، قمت بتسجيل مغناطيس أرضي نادر بطول خيط وعلقه فوق رأس الظفر في الملف. ثم قم بتوصيل الطاقة بالملف وقم بتدوير المغناطيس بعد رأس الظفر. يجب أن تقلع من تلقاء نفسها. هناك بقعة جميلة للمسافة بين المغناطيس ورأس الظفر. قريب جدًا والحركة متقطعة … بعيدة جدًا ولن تعمل.

تُظهر الصورة الأخيرة الملف المكتمل بالإضافة إلى مغناطيس الأرض النادرة (النيوديميوم) الذي استخدمته.

الخطوة 5: مكونات البندول

بمجرد أن كان لدي تصميم عمل جيد معروف لتجميع الملف ، كنت بحاجة إلى بناء نموذج أولي لبندول حتى أتمكن من تقييم خصائص أدائه. كنت أكثر فضولًا لمعرفة مقدار الطاقة التي يستخدمها الجهاز ، وكنت بحاجة أيضًا إلى معرفة مدى تأرجح القوس الذي سيتأرجح فيه البندول لأن هذا سيؤثر على كيفية متابعة تصميم ساعتي.

قمت بتعبئة مجموعة الملف الخاصة بي داخل صندوق خشبي صغير وأضفت مفتاحًا ووصلة طاقة. يتم وضع الصندوق داخل فتحة في الجزء السفلي من مجموعة القاعدة الموضحة في الصورة الثانية. كان كل شيء مناسبًا للاحتكاك حتى أتمكن من إجراء تعديلات على طول الطريق للحصول على الأداء الأمثل. أضفت أنبوبًا نحاسيًا إلى العمود القائم في الصورة 3 للمساعدة في تقليل الاحتكاك. لقد استخدمت مسمارًا 10 د للدبوس لتوصيل البندول بالقطعة المستقيمة. في الصورة 5 يمكنك رؤية المغناطيس الأرضي النادر في نهاية البندول. لم أجد أبدًا أي شيء يقول أن قطبية المغناطيس مهمة. لا يبدو أنه مهم…. أي نوع من الأخطاء يزعجني لأنني أعتقد بشكل حدسي أنه ينبغي. لكنني لم أهتم به أبدًا ويبدو أنه يعمل دائمًا ، لذا لا أعتقد ذلك. تُظهر آخر صورة مصدر طاقة 9 فولت تيار مستمر. السعة الحالية 1 أمبير مبالغ فيها … لا يلزم أن تكون قريبة من ذلك كما اكتشفت لاحقًا.

الخطوة 6: تجميع البندول

القاعدة عبارة عن قطعة صنوبر بسمك 2 بوصة. كنت أرغب في أن تكون ثقيلة للحفاظ على التجميع من الانقلاب عندما كان البندول يتأرجح. على الرغم من أن هذا كان نموذجًا أوليًا ، ما زلت قررت أن أرتديه قليلاً وقم بقصه بقطع رقيقة من الأرز الأحمر. لا يمكن أن أساعد نفسي!:)

يتم توصيل وحدة الملف في الجانب السفلي من القاعدة (الصورة 2) ويتم قلب كل شيء مع الجانب الأيمن لأعلى (الصورة 3). يتم إدخال العمود المستقيم في الجزء العلوي من القاعدة (الصورة 4). إنها نوبة احتكاك. أدخل المسمار من خلال الأنبوب النحاسي في الوضع القائم (الصورة 5). وأخيرًا اضغط على البندول على الظفر (الصورة النهائية).

لقد قمت بضبط البندول بحيث تكون هناك فجوة طفيفة بينه وبين القاعدة.

الخطوة 7: النموذج الأولي لنتائج الأداء

من خلال إلقاء نظرة على الرسم البياني الذي وضعته خلف بندول العمل في الفيديو ، يمكنك رؤية أن البندول يتأرجح متجاوزًا الخط الأوسط ولكنه لا يتجاوز السطر الأخير. هذا يضع القوس الكامل الذي يتأرجح فيه البندول بين 72 و 80 درجة … أنا أقدر حوالي 75 درجة. هذه معلومات قيمة عندما يحين وقت تصميم ميزان المشي على مدار الساعة.

لقد قمت أيضًا بتوصيل مسبار حالي بخط الطاقة ومراقبة السحب الحالي أثناء التشغيل. لقد سررت للغاية عندما علمت أن متوسط السحب الحالي كان يزيد قليلاً عن 2 ملي أمبير !!! ما هو رائع حقًا في ذلك هو أنني سأكون قادرًا على تشغيل بطارية الساعة. إذا استخدمت بطاريات الخلايا C ، فسأحصل على أكثر من 5 أشهر من وقت التشغيل قبل أن أضطر إلى تغيير البطاريات. ليس سيئا جدا!

السبب الذي يجعلني متحمسًا لاستخدام البطاريات هو أنني لا أرغب في الحصول على كابل طاقة يعمل على مدار الساعة لإعطاء سر كيفية تشغيله. سأخفي البطاريات في قاعدة الساعة. بالإضافة إلى أنني سأكون قادرًا على وضعه في أي مكان.

الخطوة 8: التالي …

كما ترى ، كنت مشغولاً بالخطوات التالية لتصميم ساعتي. لقد أصبت بالإرهاق عند قطع أسنان التروس. يا إلهي هذه عملية شاقة. إذا قررت يومًا إنشاء مجموعة من هذه الساعات ، فأنا أعتقد أنني سأستثمر في جهاز توجيه CNC لطيف !!!

لذلك أثناء أخذ استراحة من نشر أسنان التروس ، قمت بقطع اليدين وبدأت العمل على إطار الساعة. حتى الان جيدة جدا!

كما أفكر في المستقبل إلى التعليمات التالية في هذه السلسلة ، أعتقد أنني سأتحدث عن العملية التي مررت بها لتصميم وبناء التروس ، لذا احرص على ذلك.

اراك لاحقا!

ويلي