Pêndulo eletromagnético: 8 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

No final dos anos 1980, decidi que gostaria de construir um relógio inteiramente de madeira. Na época não havia internet, então era muito mais difícil fazer pesquisas do que hoje … embora eu tenha conseguido remendar uma roda e um escapamento de pêndulo muito toscos. O tempo de execução era limitado e bastante complicado, mas ele clicava por alguns minutos antes que o peso tocasse o chão. Meus recursos também eram limitados … ferramentas, dinheiro, habilidades de marcenaria … o que tornava o trabalho no projeto bastante frustrante. Então, por enquanto, o sonho do relógio de madeira foi abandonado. Avance 30 anos ou mais. Estou aposentado agora, tenho muitas ferramentas realmente ótimas e minhas habilidades de marcenaria melhoraram dramaticamente. Eu também tenho acesso a computadores, incrível software CAD (desenho auxiliado por computador) e internet. Portanto, o projeto do relógio está de volta. Decidi escrever sobre o processo enquanto trabalho meu caminho através do design. Parece uma coisa divertida de se fazer.

Inicialmente, eu queria construir um relógio movido pela gravidade e regulado por um pêndulo. Recentemente, enquanto pesquisava aleatoriamente na internet, encontrei um sujeito na ilha de Kauai que desenha relógios de madeira e outros tipos de “arte cinética”. Seu nome é Clayton Boyer. Foi a descoberta dos designs do relógio do Sr. Boyer que me inspirou a continuar meu próprio projeto de relógio. Um de seus desenhos que me fascinou foi o chamado “Tucano”. O escapamento ambulante usado no relógio assemelhava-se ao bico do pássaro com o mesmo nome. Era um relógio divertido de assistir e o design era muito caprichoso, mas o que no final das contas chamou minha atenção foi como ele foi conduzido. Não havia pesos ou molas. O pêndulo parecia balançar magicamente para frente e para trás sem perda de energia. O segredo era um sistema de acionamento eletromagnético escondido dentro da base do relógio e um ímã na ponta do pêndulo. Sendo um engenheiro elétrico, achei isso muito legal e decidi descobrir como tudo isso funcionava e construir minha própria versão do Tucano do Sr. Boyer. Para ter certeza … eu poderia apenas ter comprado os planos para o relógio, já que eles estavam disponíveis por cerca de US $ 35, mas onde está a diversão nisso?

Depois de pesquisar um pouco mais na internet, descobri que o conceito remontava ao início dos anos 1960, com os Relógios de Aniversário do Kundo. Eles eram alimentados por uma bateria de célula seca e funcionavam por cerca de um ano antes de você ter que trocar a bateria (daí o nome, suponho). A simplicidade do circuito de transmissão me intrigou. Havia duas bobinas (uma enrolada em cima da outra), um transistor de germânio e uma bateria. Isso é tudo! Eu amo coisas simples que funcionam e isso não poderia ficar mais simples. Uma das bobinas é conectada à entrada da base do transistor e a outra bobina está no lado da saída do transistor em série com a bateria. A outra peça do quebra-cabeça era um ímã montado na ponta de um pêndulo. Conforme o pêndulo oscila pelas bobinas, o ímã induz uma corrente dentro da bobina que conduz a base do transistor. Isso faz com que o transistor ligue e a corrente flua no circuito de saída da bateria através da bobina que está em série com ela. Há também um efeito de transformador que faz com que mais corrente seja induzida na bobina de entrada até o ponto em que o transistor fica saturado. A quantidade máxima de corrente agora está fluindo no lado de saída do transistor e a bobina nesse circuito é totalmente energizada pela bateria, criando assim um eletroímã com a mesma polaridade do ímã no pêndulo. O tempo é tal que o campo magnético gerado pelo eletroímã repele o ímã no pêndulo conforme ele balança e lhe dá um pequeno chute. Uma vez que o pêndulo passa, a corrente das bobinas para de fluir na base do transistor e ele desliga. Este processo se repete cada vez que o pêndulo balança pelas bobinas … fornecendo a energia adicional necessária para superar as perdas dentro do sistema e manter tudo em movimento. Legal hein? O que é realmente bom sobre isso é que ele consome muito pouca energia e a bateria vai durar muito tempo. Os relógios de madeira acionados por molas ou pesos funcionam por apenas um dia ou mais antes de terem de ser rebobinados. Eles têm seu próprio apelo, mas dar corda no relógio todos os dias parecia uma dor para mim. Eu ainda posso construir um desses algum dia (adoro escapes de Arnfield), mas por enquanto será eletrônico, em vez de gravidade.

Portanto, a primeira etapa desta jornada é descobrir como construir o pêndulo impulsionado eletromagneticamente, já que ele não apenas regulará o relógio, mas também será o motor que o move. No final das contas, além deste tutorial sobre o pêndulo, publicarei uma série de tutoriais cobrindo design de relógios em geral, design de engrenagens, construção de estruturas e, em seguida, reunirei tudo para completar um relógio funcional. Então, prenda-se … aqui vamos nós com o processo de design do pêndulo …

Suprimentos

O principal componente do pêndulo impulsionado eletromagneticamente é o circuito da bobina. Eu usei um prego comum 10d (disponível em uma loja de ferragens comum) como o núcleo de ferrite. A fiação para as bobinas é um fio magnético 35 AWG. Este é um fio muito fino revestido com um material não condutor fino. Um transistor de junção bipolar NPN 2N4401 é usado para controlar o fluxo de corrente através do circuito. A fita Kapton cobre a unha e o núcleo completo, mas você pode usar praticamente qualquer tipo de fita. As tampas das extremidades da bobina são de folha de acrílico de 1/16 polegada, bem como uma peça cilíndrica de carvalho para alojar o transistor e a fiação da bobina. Vários pedaços e pedaços de sucata de madeira foram usados para o resto da montagem do protótipo, juntamente com hastes de bucha em vários diâmetros. Eu adoro trabalhar com hastes de cavilha… isso me lembra um dos meus brinquedos favoritos de infância… Tinker Toys! Acho que eles se prestam muito bem ao desenvolvimento de protótipos. A fonte de alimentação é um módulo de parede que converte AC 110 em 9 volts DC. No final das contas, o relógio acabará sendo alimentado por bateria, mas por enquanto o módulo plug-in é muito conveniente e consistente. Outro componente importante é um ímã de neodímio embutido na extremidade do pêndulo. O ímã que usei tem 1/2 polegada de diâmetro e um quarto de polegada de espessura.

Etapa 1: Conjunto do núcleo da bobina

Enquanto fazia minha pesquisa para a bobina, encontrei um fórum de conserto de relógios onde um dos fios estava discutindo os detalhes do projeto da bobina. Eles tinham ótimas fotos que me deram a ideia de como ocultar o transistor e a fiação associada dentro da base da bobina. Outro detalhe importante foi que eles mencionaram as bobinas contendo 4.000 voltas. Uau, isso soou muito e criou um pouco de preocupação no fundo da minha mente de como seria razoável embrulhar a bobina, mas eu continuei mesmo assim.

Pensei em quão grande eu queria que a bobina acabada fosse e me decidi por uma polegada de diâmetro e uma polegada e um quarto de comprimento. Cortei círculos de 1 polegada de diâmetro em uma folha de acrílico de 1/16 de polegada para usar nas tampas e outro disco de 1 polegada de diâmetro de um pedaço de carvalho de 1/2 polegada de espessura para a base. Fiz um canal de um quarto de polegada no disco de carvalho, bem como fiz um orifício de 3/16 de polegada de diâmetro para acomodar o transistor. Também fiz pequenos furos para poder encaminhar a fiação para o canal na base. Veja as fotos para detalhes. Inicialmente, cortei uma seção da peça de acrílico inferior para facilitar a passagem dos fios para a base. Em retrospecto, eu deveria ter feito pequenos orifícios para combinar com os da base. Mas não é grande coisa. Também foram feitos furos nas peças de acrílico e na peça de carvalho para um ajuste confortável sobre a unha. A montagem foi a seguinte: Coloque o disco de acrílico não dentado na unha. Enrole um pedaço de fita de 1-1 / 4 polegada ao redor da unha conforme mostrado e, em seguida, adicione o disco acílico dentado. Apliquei epóxi no disco de carvalho e, em seguida, deslizei sobre a unha de forma que ficasse colado ao disco de acrílico.

Antes de passar para o processo de enrolamento da bobina, fiz alguns cálculos rápidos e sujos para ter uma ideia aproximada de quão grande seria a fiação acabada e a resistência elétrica das duas bobinas. Parecia que eu seria capaz de encaixar todo o fio em minha montagem principal, então fiquei feliz.

Etapa 2: gabarito de enrolamento da bobina

Decidi que enrolar o fio em torno do núcleo totalmente à mão seria uma dor enorme, tão inspirado pela tecnologia da Tinker Toy que remendei um gabarito com cavilhas e pedaços de madeira compensada e MDF. Descobri que precisava colocar um pouco de cola quente no disco de carvalho do núcleo da bobina para segurá-lo firmemente no lugar. Caso contrário, havia um pouco de fricção demais na montagem e o núcleo não se movia quando girei a manivela. Assim, com um pouco mais de lixamento para reduzir ainda mais o atrito e a aplicação de cola quente, o gabarito estava operacional.

Etapa 3: enrolando as bobinas

O fio é um tipo especial de fio denominado fio magnético. É um fio de fio simples muito fino revestido com um material isolante fino. Usei 35 AWG. É muito comum e, como quase tudo o mais, você pode obtê-lo na Amazon. Eu resgatei o carretel que você vê na primeira foto do lixo no trabalho após um evento de limpeza do laboratório. Não tenho certeza de quantos anos tem, mas parece ter sido comprado há muitas décadas. LOL.

Estaremos envolvendo duas bobinas, uma em cima da outra, sobre o prego no conjunto do núcleo. É essencial que ambas as bobinas sejam enroladas na mesma direção ao redor da montagem … caso contrário, não funcionará. Cada bobina terá aproximadamente 4000 voltas ao redor do prego. Agora não é grande coisa se você não terminar com exatamente 4000 voltas em cada bobina, então você não precisa se preocupar com esses detalhes, mas eu tinha um bloco de notas que costumava registrar. Demorou algumas horas para completar o processo de embrulhamento, mas acabei de ligar um jogo de futebol para assistir, então não fiquei entediado. Eu poderia dar cerca de 50 voltas ao redor do prego a cada passagem, então faria algumas passagens para obter cem voltas e anotar isso no meu bloco de notas e continuei até chegar a 4.000 voltas.

Aqui está o processo para embrulhar: comece a embrulhar a bobina interna enfiando 5 ou 3 polegadas de fio na peça de base de carvalho. Identifique a extremidade deste fio como "1". Conclua seus 4000 envoltórios e certifique-se de terminar de volta na extremidade da base de carvalho do núcleo. Corte o fio e deixe cerca de 2 ou 3 polegadas de comprimento adicional para que você possa enfiá-lo de volta na base de carvalho. Identifique esta extremidade como "2". Comece a bobina externa da mesma maneira, enfiando 2 ou 3 polegadas de fio na base de carvalho. Identifique esta extremidade como "3". Faça mais 4000 voltas, corte o fio e enrosque a extremidade na base da mesma forma que antes. Identifique esta extremidade como "4". As figuras 4 e 5 mostram o resultado final do processo de embalagem. Mais uma vez … Certifique-se de envolver as bobinas interna e externa na mesma direção !!!

Etapa 4: Concluindo o circuito

Como você pode ver no esquema, o circuito é extremamente simples, o que torna este dispositivo tão incrivelmente legal. Já vi projetos semelhantes que usavam processadores … o que para mim é como usar uma marreta para matar uma mosca. Não quero criticar esses tipos de projetos, mas sou apenas um grande fã de designs que realizam o trabalho com o nível mais baixo de complexidade.

Na segunda foto, eu estava brincando com diferentes estratégias de roteamento para a fiação. Provavelmente, fiz mais disso do que deveria. Existem apenas alguns pontos-chave … apenas conecte-o como no esquema, mas como a fonte de alimentação será externa ao conjunto da bobina, você precisa ter os fios que se conectarão à fonte de alimentação saindo da parte inferior do conjunto. Em outras palavras: o fio V + vai para o coletor do transistor e o fio V- vai para o fio identificado como "2" no conjunto da bobina. Portanto, a linha de fundo do conjunto da bobina terá um terminal positivo e um negativo. É uma boa ideia rotulá-los como tal quando terminar, para não esquecer qual é qual. Ah… quase esqueci. Você precisará usar um pedaço de lixa fina para remover o revestimento isolante do fio magnético antes de soldá-lo! Para maior clareza no esquema … "Lo" é a bobina externa e "Li" é a bobina interna e também observe que rotulei as extremidades dos fios da bobina 1, 2, 3 e 4 para combinar como fizemos quando enrolamos as bobinas.

Eu testei a bobina antes de envasá-la com epóxi … bom, já que cometi um erro! Ha, eu me azar falando sobre como tudo era simples. Portanto, certifique-se de testar sua montagem antes de envasá-la.

Para testar a montagem concluída, prendi um ímã de terra rara a um pedaço de fio e o pendurei logo acima da cabeça do prego na bobina. Em seguida, conecte a energia à bobina e gire o ímã além da cabeça do prego. Deve decolar por conta própria. Existe um ponto ideal para a distância entre o ímã e a cabeça do prego. Perto demais e o movimento é espasmódico … longe demais e não funcionará.

A última imagem mostra a bobina completa, bem como o ímã de terra rara (neodímio) que usei.

Etapa 5: Componentes do pêndulo

Depois de ter conhecido um bom projeto de trabalho para a montagem da bobina, precisei construir um protótipo de pêndulo para poder avaliar suas características de desempenho. Eu estava muito curioso para descobrir quanta energia o dispositivo usava e também precisava saber o quão grande seria o arco do pêndulo, pois isso afetaria o modo como procedi com o design do meu relógio.

Embalei meu conjunto de bobina dentro de uma pequena caixa de madeira e adicionei um interruptor e uma conexão de energia. A caixa se encaixa dentro de um recorte na parte inferior do conjunto da base mostrado na figura dois. Tudo foi um ajuste de fricção para que eu pudesse fazer ajustes ao longo do caminho para obter um desempenho ideal. Eu adicionei um tubo de latão à vertical na figura 3 para ajudar a reduzir o atrito. Usei um prego 10d como pino para conectar o pêndulo à peça vertical. Na foto 5 você pode ver o ímã de terras raras no final do pêndulo. Nunca encontrei nada que dissesse que a polaridade do ímã era importante. Não parece importar…. que meio que me incomoda porque intuitivamente de alguma forma eu acho que deveria. Mas nunca prestei atenção nisso e sempre parece funcionar, então acho que não. A última foto mostra a fonte de alimentação de 9 volts DC. A capacidade de corrente de 1 amp é exagerada … não precisa ser em nenhum lugar perto disso, como descobri mais tarde.

Etapa 6: montagem do pêndulo

A base é um pedaço de pinho de cinco centímetros de espessura. Eu queria que fosse pesado para evitar que o conjunto tombasse quando o pêndulo estivesse balançando. Mesmo sendo um protótipo, decidi enfeitá-lo um pouco e aparar com pedaços finos de cedro vermelho. Não pude evitar!:)

O módulo da bobina se conecta na parte inferior da base (figura 2) e tudo é virado para cima (figura 3). A vertical é inserida na parte superior da base (figura 4). É um ajuste de fricção. Insira o prego através do tubo de latão na vertical (figura 5). E finalmente pressione o pêndulo sobre o prego (foto final).

Ajustei o pêndulo de forma que houvesse um pequeno intervalo entre ele e a base.

Etapa 7: Resultados de desempenho do protótipo

Ao dar uma olhada no gráfico que coloquei atrás do pêndulo de trabalho no vídeo, você pode ver que o pêndulo oscila além da linha do meio, mas não passa da última linha. Isso coloca todo o arco em que o pêndulo oscila entre 72 e 80 graus … Estou estimando em torno de 75 graus. Esta é uma informação valiosa na hora de projetar o escapamento ambulante para o relógio.

Também conectei uma ponta de prova de corrente à linha de força e monitorei o consumo de corrente durante a operação. Fiquei extremamente satisfeito ao descobrir que a corrente média consumida era um pouco mais de 2 miliamperes !!! O que é realmente legal nisso é que poderei fazer o relógio funcionar com bateria. Se eu usar baterias de célula C, terei mais 5 meses de autonomia antes de ter que trocar as baterias. Não é tão ruim!

O motivo pelo qual estou entusiasmado com o uso de baterias é que não quero ter um cabo de alimentação ligado ao relógio revelando o segredo de como ele funciona. Vou esconder as baterias na base do relógio. Além disso, poderei colocá-lo em qualquer lugar.

Etapa 8: a seguir …

Como você pode ver, estou ocupado com as próximas etapas do design do meu relógio. Fiquei exausto ao cortar os dentes da engrenagem. Oh meu Deus, esse é um processo tedioso. Se algum dia eu decidir construir um monte desses relógios, acredito que vou investir em uma bela fresadora CNC !!!

Então, enquanto fazia uma pausa na serragem dos dentes da engrenagem, cortei os ponteiros e comecei a trabalhar na moldura do relógio. Até agora tudo bem!

Enquanto penso no próximo instrutível desta série, acredito que falarei sobre o processo pelo qual passei para projetar e construir as engrenagens, então aguarde.

Vejo você então!

Willy