Pendolo elettromagnetico: 8 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Alla fine degli anni '80 ho deciso che mi sarebbe piaciuto costruire un orologio interamente in legno. All'epoca non c'era Internet, quindi era molto più difficile fare ricerche di quanto lo sia oggi… anche se sono riuscito a mettere insieme una ruota molto rozza e uno scappamento a pendolo. Il tempo di esecuzione era limitato ed era piuttosto complicato, ma avrebbe fatto clic per alcuni minuti prima che il peso toccasse il pavimento. Anche le mie risorse erano limitate… strumenti, denaro, abilità nella lavorazione del legno… il che rendeva il lavoro al progetto piuttosto frustrante. Quindi, per l'epoca, il sogno dell'orologio in legno fu abbandonato. Avanti veloce di oltre 30 anni. Ora sono in pensione, ho molti strumenti davvero fantastici e le mie capacità di lavorazione del legno sono migliorate notevolmente. Ho anche accesso a computer, un fantastico software CAD (Computer Aided Design) e Internet. Quindi il progetto dell'orologio è di nuovo attivo. Ho deciso di scrivere del processo mentre mi faccio strada attraverso il design. Sembra solo una cosa divertente da fare.

Inizialmente volevo costruire un orologio che fosse azionato dalla gravità e regolato da un pendolo. Di recente, mentre stavo scavando casualmente su Internet, mi sono imbattuto in un tipo sull'isola di Kauai che progetta orologi di legno e altri tipi di "arte cinetica". Il suo nome è Clayton Boyer. È stata la scoperta dei design degli orologi di Mr. Boyer che mi ha ispirato a continuare il mio progetto di orologio. Uno dei suoi disegni che mi ha affascinato si chiamava il “Tucano”. Lo scappamento a piedi utilizzato sull'orologio assomigliava al becco dell'uccello con lo stesso nome. È stato un orologio divertente da guardare e il design era molto stravagante, ma ciò che alla fine ha attirato la mia attenzione è stato il modo in cui è stato guidato. Non c'erano pesi o molle. Il pendolo sembrava oscillare magicamente avanti e indietro senza perdita di energia. Il segreto era un sistema di azionamento elettromagnetico nascosto all'interno della base dell'orologio e un magnete all'estremità del pendolo. Essendo un ingegnere elettrico ho pensato che fosse davvero fantastico e ho deciso di capire come funzionava tutto questo e costruire la mia versione del tucano di Mr. Boyer. A dire il vero… avrei potuto semplicemente acquistare i piani per l'orologio dato che erano disponibili per circa $ 35, ma dov'è il divertimento in questo?

Dopo un po' di ricerche su Internet, ho scoperto che il concetto risaliva ai primi anni '60 con i Kundo Anniversary Clocks. Erano alimentati da una batteria a secco e funzionavano per circa un anno prima di dover cambiare la batteria (da qui il nome, suppongo). La semplicità del circuito di pilotaggio mi ha incuriosito. C'erano due bobine (una avvolta sopra l'altra), un transistor al germanio e una batteria. È tutto! Amo le cose semplici che funzionano e questo non potrebbe essere molto più semplice. Una delle bobine è collegata all'ingresso di base del transistor e l'altra bobina è sul lato di uscita del transistor in serie con la batteria. L'altro pezzo del puzzle era un magnete montato all'estremità di un pendolo. Quando il pendolo oscilla tra le bobine, il magnete induce una corrente all'interno della bobina che guida la base del transistor. Ciò fa sì che il transistor si accenda e la corrente fluisca nel circuito di uscita dalla batteria attraverso la bobina che è in serie con essa. C'è anche un effetto trasformatore che provoca l'induzione di più corrente nella bobina di ingresso fino al punto in cui il transistor si satura. La quantità massima di corrente scorre ora nel lato di uscita del transistor e la bobina in quel circuito è completamente energizzata dalla batteria creando così un elettromagnete con la stessa polarità del magnete nel pendolo. Il tempo è tale che il campo magnetico generato dall'elettromagnete respinge il magnete nel pendolo mentre oscilla e gli dà un piccolo calcio. Una volta che il pendolo si sposta oltre le bobine, la corrente smette di fluire nella base del transistor e si spegne. Questo processo viene ripetuto ogni volta che il pendolo oscilla tra le bobine… fornendo l'energia aggiuntiva necessaria per superare le perdite all'interno del sistema e mantenere tutto in movimento. Pulito eh? La cosa davvero fantastica di questo è che consuma pochissima energia e la batteria durerà a lungo. Gli orologi in legno che sono azionati da molle o pesi funzioneranno solo per un giorno circa prima di dover essere riavvolti. Hanno il loro fascino, ma caricare l'orologio ogni giorno mi è sembrato un dolore. Potrei ancora costruirne uno un giorno (adoro gli scappamenti di Arnfield) ma per ora sarà l'elettronica invece della gravità.

Quindi la prima tappa di questo viaggio è capire come costruire il pendolo a impulsi elettromagnetici poiché questo non solo regolerà l'orologio, ma sarà anche il motore che lo guida. Alla fine, oltre a questo tutorial sul pendolo, pubblicherò una serie di tutorial sulla progettazione di un orologio in generale, sulla progettazione degli ingranaggi, sulla costruzione del telaio e poi metterò tutto insieme per completare un orologio funzionante. Quindi allacciati… eccoci al processo di progettazione del pendolo…

Forniture

Il componente principale del pendolo a impulsi elettromagnetici è il circuito della bobina. Ho usato un chiodo comune 10d (disponibile nel tuo negozio di ferramenta medio) come nucleo di ferrite. Il cablaggio per le bobine è un filo smaltato da 35 AWG. Questo è un filo molto sottile rivestito con un sottile materiale non conduttivo. Un transistor a giunzione bipolare NPN 2N4401 viene utilizzato per controllare il flusso di corrente attraverso il circuito. Il nastro Kapton copre l'unghia e l'anima completata, ma puoi usare praticamente qualsiasi tipo di nastro. I cappucci terminali della bobina sono un foglio acrilico da 1/16 di pollice e un pezzo cilindrico di quercia per alloggiare il transistor e il cablaggio della bobina. Vari pezzi di legno di scarto sono stati utilizzati per il resto dell'assemblaggio del prototipo insieme a tasselli di vari diametri. Adoro lavorare con le bacchette… mi ricorda uno dei miei giocattoli d'infanzia preferiti… Tinker Toys! Trovo che si prestino abbastanza bene allo sviluppo di prototipi. L'alimentatore è un modulo plug-in a parete che converte AC 110 a 9 volt DC. Alla fine l'orologio finirà per essere alimentato a batteria ma per ora il modulo plug-in è molto comodo e consistente. Un altro componente chiave è un magnete al neodimio che è incorporato nell'estremità del pendolo. Il magnete che ho usato ha un diametro di 1/2 pollice e uno spessore di un quarto di pollice.

Passaggio 1: assemblaggio del nucleo della bobina

Mentre stavo facendo le mie ricerche per la bobina, mi sono imbattuto in un forum di riparazione dell'orologio in cui uno dei thread stava discutendo i dettagli del design della bobina. Avevano delle belle immagini che mi hanno dato l'idea di come nascondere il transistor e il cablaggio associato all'interno della base della bobina. Un altro dettaglio chiave è che hanno menzionato le bobine contenenti 4000 giri. Wow, sembrava molto e ha creato un po' di preoccupazione nella parte posteriore della mia mente su quanto sarebbe stato ragionevole avvolgere la bobina, ma ho comunque premuto.

Ho pensato a quanto volevo che fosse grande la bobina finita e ho optato per un pollice di diametro e un pollice e un quarto di lunghezza. Ho tagliato cerchi di 1 pollice di diametro da un foglio acrilico di 1/16 di pollice da utilizzare per i cappucci terminali e un altro disco di 1 pollice di diametro da un pezzo di quercia spesso 1/2 pollice per la base. Ho fresato un canale da un quarto di pollice nel disco di quercia e ho praticato un foro del diametro di 3/16 di pollice per ospitare il transistor. Ho anche praticato dei piccoli fori per poter instradare il cablaggio nel canale nella base. Vedere le immagini per i dettagli. Inizialmente ho tagliato una sezione dal pezzo acrilico inferiore per facilitare il passaggio dei fili nella base. Col senno di poi, avrei dovuto semplicemente praticare dei piccoli fori per abbinare quelli nella base. Ma niente di grave. Sono stati praticati anche dei fori nei pezzi di acrilico e nel pezzo di quercia per una perfetta aderenza sull'unghia. Il montaggio è stato il seguente: posizionare il disco acrilico non dentellato sull'unghia. Avvolgi un pezzo di nastro adesivo da 1-1/4 di pollice attorno all'unghia come mostrato e quindi aggiungi il disco acilico dentellato. Ho applicato la resina epossidica al disco di quercia e poi l'ho fatto scivolare sull'unghia in modo che fosse incollato al disco di acrilico.

Prima di passare al processo di avvolgimento della bobina, ho fatto alcuni calcoli veloci e sporchi per avere un'idea approssimativa di quanto grande sarebbe stato il cablaggio finito e della resistenza elettrica delle due bobine. Sembrava che sarei stato in grado di adattare tutto il filo al mio gruppo principale, quindi ero felice.

Passaggio 2: maschera di avvolgimento della bobina

Ho deciso che avvolgere il filo attorno al nucleo completamente a mano sarebbe stato un enorme dolore, così ispirato dalla tecnologia Tinker Toy ho messo insieme una maschera con tasselli e pezzi di scarto di compensato e MDF. Ho scoperto che dovevo mettere una piccola quantità di colla a caldo sul disco di quercia del nucleo della bobina per tenerlo saldamente in posizione. Altrimenti c'era un po' troppo attrito nell'assemblaggio e il nucleo non si muoveva quando giravo la manovella. Quindi, con un po' più di carteggiatura per ridurre ulteriormente l'attrito e il tocco di colla a caldo, la maschera era operativa.

Passaggio 3: avvolgimento delle bobine

Il filo è un tipo speciale di filo chiamato filo smaltato. È un filo a filo singolo molto sottile rivestito con un sottile materiale isolante. Ho usato 35 AWG. È molto comune e proprio come quasi tutto il resto puoi ottenerlo da Amazon. Ho salvato la bobina che vedete nella prima foto dalla spazzatura al lavoro dopo un evento di pulizia del laboratorio. Non sono sicuro di quanti anni abbia, ma sembra essere stato acquistato molti decenni fa. LOL.

Avvolgeremo due bobine, una sopra l'altra, sopra il chiodo nell'assieme centrale. È essenziale che entrambe le bobine siano avvolte nella stessa direzione attorno al gruppo… altrimenti non funzionerà. Ogni bobina avrà circa 4000 avvolgimenti attorno all'unghia. Ora non è un grosso problema se non si finisce con esattamente 4000 giri su ogni bobina, quindi non è necessario sudare su quel dettaglio, ma avevo un blocco note che usavo per tenere traccia. Ci sono volute alcune ore per completare il processo di confezionamento, ma ho appena acceso una partita di calcio per guardarla in modo da non annoiarmi. Potrei fare circa 50 giri attorno all'unghia ogni passaggio, quindi farei un paio di passaggi per ottenere un centinaio di avvolgimenti e prenderne nota sul mio taccuino e continuare fino a quando non sono arrivato a 4000 avvolgimenti.

Ecco il processo per avvolgere: inizia a avvolgere la bobina interna infilando 2 o 3 pollici di filo nel pezzo di base in quercia. Etichetta l'estremità di questo filo "1". Completa i tuoi 4000 involucri e assicurati di tornare all'estremità della base di quercia del nucleo. Taglia il filo e lascia circa 2 o 3 pollici di lunghezza aggiuntiva in modo da poterlo infilare di nuovo nella base di quercia. Etichetta questa estremità "2". Inizia la bobina esterna allo stesso modo infilando 2 o 3 pollici di filo nella base di quercia. Etichetta questa estremità "3". Fai altri 4000 giri, taglia il filo e infila l'estremità nella base come prima. Etichetta questa estremità "4". Le immagini 4 e 5 mostrano il risultato finale del processo di avvolgimento. Ancora una volta… Assicurati di avvolgere sia la bobina interna che quella esterna nella stessa direzione!!!

Passaggio 4: completamento del circuito

Come puoi vedere nello schema, il circuito è estremamente semplice, il che rende questo dispositivo così incredibilmente interessante. Ho visto progetti simili che usavano invece processori… che per me è come usare una mazza per uccidere una mosca. Non intendo smentire quei tipi di progetti, ma sono solo un vero grande fan dei design che portano a termine il lavoro con il livello più basso di complessità.

Nella seconda immagine stavo giocando con diverse strategie di instradamento per il cablaggio. Probabilmente ne ho fatto un affare più grande di quanto avrei dovuto. Ci sono solo un paio di punti chiave … basta collegarlo come lo schema ma poiché l'alimentatore sarà esterno al gruppo bobina è necessario che i fili che si collegheranno alla fonte di alimentazione sporgano dal fondo del gruppo. In altre parole: il filo V+ va al collettore del transistor e il filo V- va al filo etichettato "2" sul gruppo bobina. Quindi, in conclusione, il tuo gruppo bobina avrà un terminale positivo e uno negativo. È una buona idea etichettarli come tali quando hai finito in modo da non dimenticare quale è quale. Ah… quasi dimenticavo. Dovrai usare un pezzo di carta vetrata fine per rimuovere il rivestimento isolante sul filo smaltato prima di saldarlo! Per chiarezza sullo schema… "Lo" è la bobina esterna e "Li" è la bobina interna e prendi nota anche che ho etichettato le estremità dei fili della bobina 1, 2, 3 e 4 in modo che corrispondano a come l'abbiamo fatto quando abbiamo avvolto le bobine.

Ho testato la bobina prima di riempirla con la resina epossidica… buona cosa perché avevo commesso un errore! Ah, mi sono sfortunato parlando di quanto tutto fosse semplice. Quindi assicurati di testare il tuo assemblaggio prima di metterlo in vaso.

Per testare l'assemblaggio completato ho fissato un magnete di terre rare a una lunghezza di filo e l'ho fatto penzolare appena sopra la testa del chiodo nella bobina. Quindi collegare l'alimentazione alla bobina e far oscillare il magnete oltre la testa del chiodo. Dovrebbe decollare da solo. C'è un punto debole per la distanza tra il magnete e la testa del chiodo. Troppo vicino e il movimento è a scatti… troppo lontano e non funzionerà.

L'ultima immagine mostra la bobina completata e il magnete in terre rare (neodimio) che ho usato.

Passaggio 5: componenti del pendolo

Una volta ottenuto un buon progetto funzionante per l'assieme della bobina, avevo bisogno di costruire un prototipo di pendolo in modo da poterne valutare le caratteristiche prestazionali. Ero molto curioso di scoprire quanta potenza utilizzava il dispositivo e avevo anche bisogno di sapere quanto grande arco avrebbe oscillato il pendolo in quanto ciò avrebbe influenzato il modo in cui procedevo con la progettazione del mio orologio.

Ho confezionato il mio gruppo bobina in una piccola scatola di legno e ho aggiunto un interruttore e una connessione di alimentazione. La scatola si inserisce all'interno di un ritaglio sul fondo del gruppo base mostrato nella figura due. Tutto era a frizione in modo che potessi apportare modifiche lungo la strada per ottenere prestazioni ottimali. Ho aggiunto un tubo di ottone al montante nella figura 3 per ridurre l'attrito. Ho usato un chiodo 10d per il perno per collegare il pendolo al pezzo verticale. Nella foto 5 puoi vedere il magnete di terre rare all'estremità del pendolo. Non ho mai trovato nulla che dicesse che la polarità del magnete fosse importante. Non sembra importare…. che tipo di bug mi perché intuitivamente in qualche modo penso che dovrebbe. Ma non ci ho mai prestato attenzione e sembra sempre funzionare, quindi credo di no. L'ultima immagine mostra la fonte di alimentazione a 9 volt DC. La capacità di 1 amp di corrente è eccessiva… non è necessario che sia vicina a quella, come ho scoperto in seguito.

Passaggio 6: assemblaggio del pendolo

La base è un pezzo di pino spesso due pollici. Volevo che fosse pesante per evitare che il gruppo si ribaltasse quando il pendolo oscillava. Anche se questo era un prototipo, ho comunque deciso di vestirlo un po' e di rifinirlo con sottili pezzi di cedro rosso. Non potevo aiutare me stesso!:)

Il modulo bobina si inserisce nella parte inferiore della base (immagine 2) e il tutto viene capovolto verso l'alto (immagine 3). Il montante va inserito nella parte superiore della base (foto 4). È un accoppiamento ad attrito. Inserire il chiodo attraverso il tubo di ottone nel montante (figura 5). E infine premi il pendolo sull'unghia (foto finale).

Ho regolato il pendolo in modo che ci fosse un leggero spazio tra esso e la base.

Passaggio 7: risultati delle prestazioni del prototipo

Dando un'occhiata al grafico che ho posizionato dietro il pendolo funzionante nel video, puoi vedere che il pendolo oscilla oltre la linea centrale ma non supera l'ultima linea. Questo pone l'intero arco che il pendolo oscilla tra 72 e 80 gradi… Sto stimando intorno a 75 gradi. Questa è un'informazione preziosa quando è il momento di progettare lo scappamento a piedi per l'orologio.

Ho anche collegato una sonda di corrente alla linea di alimentazione e ho monitorato l'assorbimento di corrente durante il funzionamento. Sono stato estremamente contento di scoprire che l'assorbimento di corrente medio era poco più di 2 milli-ampere!!! La cosa davvero interessante è che sarò in grado di alimentare l'orologio a batteria. Se utilizzo batterie a celle C avrò oltre 5 mesi di autonomia prima di dover cambiare le batterie. Non male!

Il motivo per cui sono entusiasta dell'uso delle batterie è che non voglio avere un cavo di alimentazione collegato all'orologio che svela il segreto di come funziona. Nasconderò le batterie nella base dell'orologio. Inoltre sarò in grado di metterlo ovunque.

Passaggio 8: Prossimamente…

Come puoi vedere, sono stato impegnato con i prossimi passi della progettazione del mio orologio. Mi sono bruciato tagliando i denti dell'ingranaggio. Oh mio Dio, è un processo noioso. Se mai decidessi di costruire un mucchio di questi orologi credo che investirò in un bel router CNC!!!

Così, durante una pausa dal taglio dei denti degli ingranaggi, ho tagliato le lancette e ho iniziato a lavorare sul telaio dell'orologio. Fin qui tutto bene!

Mentre penso al prossimo istruttore di questa serie, credo che parlerò del processo che ho seguito per progettare e costruire gli ingranaggi, quindi tieni duro su quello.

Ci vediamo!

Willy