Простая сенсорная катушка и транзистор обеспечивают импульсы мощности с заданным интервалом, превращая обычные детали LEGO в настоящий вращающийся двигатель.
В мире, наполненном высокотехнологичными робототехническими наборами и программируемыми гаджетами, один художник решил свести все к основам физики.
Джейми с YouTube-канала Jamie's Brick Jams собрал полностью рабочий электродвигатель, используя в основном обычные кубики LEGO, несколько простых электронных компонентов и простые электромагнитные принципы. Никаких сложных модулей двигателя. Никаких сложных плат управления. Только магниты, медная проволока, транзистор и 9-вольтовая батарея.
«Большинству двигателей нужен контроллер, но не этому. В нём нет микроконтроллера, регулятора скорости и механического коммутатора», — сказал Джейми в своём видео.
В результате получился один из самых простых двигателей, которые когда-либо существовали в мире. В этом проекте Джейми показывает, что основные принципы работы современных машин — автомобилей, вентиляторов и даже промышленных роботов — можно понять с помощью простых компонентов и немного терпения.
Магниты, движение и вращающееся сердце
Электродвигатели обычно выглядят сложными на вид, потому что их основные компоненты скрыты внутри металлических корпусов. Однако в основе их работы лежит простой принцип: когда электричество протекает через катушку проволоки, оно создает магнитное поле. Если это магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом, происходит движение.
Двигатель Джейми начинается с ротора — вращающейся части. В роторе используются два неодимовых магнита, установленных друг напротив друга поперек оси. Они тщательно сбалансированы, чтобы ротор вращался плавно, без раскачивания. Для удержания магнитов в неподвижном положении во время испытаний потребовалось небольшое количество временного клея.
«Я использовал пару таких мощных неодимовых магнитов размером 20 x 10 мм. Можно использовать и больше двух, но этих двух должно хватить для обеспечения хорошей скорости вращения ротора», — добавил Джейми.
Рядом с ротором находится приводная катушка. Джейми вручную намотал около 150 витков медной проволоки 27-го калибра вокруг заготовки из LEGO. Когда через эту катушку проходит электрический ток, она создает магнитное поле. Это магнитное поле толкает или притягивает магниты ротора, придавая им небольшой импульс.
Двигатель запускается одним импульсом от 9-вольтовой батареи. Однако одного импульса достаточно, чтобы он вращался всего несколько секунд. Инерция быстро иссякает. В этом и заключается главная проблема простых двигателей: им необходима точная синхронизация. Если магнитное воздействие происходит в неподходящий момент, ротор может замедлиться или остановиться.
Пульс, который поддерживает его жизнь
Для поддержания непрерывного движения Джейми добавил вторую катушку, которая действует как датчик. Эта катушка датчика имеет около 100 витков более тонкой проволоки 32-го калибра. Когда один из магнитов ротора проходит мимо, он индуцирует крошечный ток в катушке датчика. Этот небольшой сигнал передается в простую схему, содержащую один транзистор TIP31C и опциональный светодиодный индикатор.
Транзистор работает как автоматический переключатель. Когда он обнаруживает сигнал от сенсорной катушки, он кратковременно включается и посылает короткий импульс питания от батареи на управляющую катушку. Этот импульс обеспечивает ротору еще один идеально синхронизированный толчок. Каждый импульс также заставляет светодиод мигать, показывая, что синхронизация правильная. Этот непрерывный цикл — обнаружение, импульс, толчок — поддерживает вращение ротора.
Однако, как отметил Джейми, «стоит отметить, что полярность датчика и управляющей катушки имеет значение». Например, если контакты одной из катушек перепутаны, двигатель может вращаться неправильно. Обычно проблему решает замена проводов местами.
Несмотря на то, что транзистор пропускает ток, превышающий его номинальное значение, в данной конфигурации он остается стабильным и надежным. Электронная начинка минимальна: один транзистор, один светодиод, две катушки и батарея.
В своей простейшей двухмагнитной конфигурации двигатель развивает скорость около 1300 оборотов в минуту (об/мин) до включения редуктора. Когда Джейми добавляет редуктор с передаточным отношением 3:1, скорость падает, но крутящий момент значительно увеличивается. С дополнительными шестернями LEGO, ременной передачей и даже старой системой рулевого управления из набора LEGO 1990-х годов двигатель может приводить в движение небольшую машинку LEGO по поверхности.
Позже Джейми экспериментировал с модернизированным ротором, использующим восемь магнитов, расположенных на диске. Использовались те же катушки, но характеристики изменились. Скорость упала примерно до 480 об/мин.
Однако крутящий момент значительно увеличился, а движение стало более плавным. Это происходит потому, что магниты чаще проходят мимо датчика, импульсы поступают быстрее и распределены более равномерно. Эта более стабильная сила позволяет небольшому транспортному средству двигаться с гораздо большей уверенностью.
«Должен сказать, мне очень нравится, что эта штука работает в автоматическом режиме», — сказал Джейми.
Взгляд на двигатель изнутри
На первый взгляд, это может показаться простым хобби-проектом. Однако его важность заключается в ясности. Электродвигатели приводят в движение большую часть современного мира — от бытовой техники до электромобилей. И все же многие люди никогда не видят, как они на самом деле работают.
Создавая двигатель из видимых и понятных деталей, Джейми делает электромагнетизм наглядным. Благодаря его работе студенты и учащиеся могут наблюдать за процессами синхронизации, магнитным взаимодействием и обратной связью в реальном времени.
Sourse: interestingengineering.com
