Solenoidowy silnik sterowany PWM

Witam serdecznie, nazywam się Mikołaj Stankowiak i chciałbym zaprezentować projekt silnika elektrycznego sterowanego elektronicznie.



Od kilku lat chciałem zbudować działający model silnika elektrycznego. Założenia były proste. Model miał w efektowny sposób zamieniać energię elektryczną na mechaniczną, przy okazji dobrze się prezentując. Nie chodziło o wykorzystanie w żaden sposób otrzymanej energii. Początki były nieskomplikowane – kilkadziesiąt centymetrów drutu nawojowego, podstawa, bateria; ale chciałem czegoś poważniejszego. Ujawnił się mój brak podstawowej wiedzy. Kolejne wizje konstrukcyjne nie były realne, a budowane w całkowicie zły sposób silniki nie miały prawa działać. Po nabraniu nieco doświadczenia zacząłem szukać inspiracji. W większości filmów na YouTube dotyczących podobnych projektów załączanie cewek odbywało się w sposób mechaniczny. Nie mogąc znaleźć nic interesującego, postanowiłem zbudować urządzenie, wykorzystując elektroniczne sterowanie cewkami. Nie zastosowałem żadnych skomplikowanych i nowatorskich rozwiązań. Celem stworzenia modelu było przyjemne dla oka i ucha działanie.



Podstawa to płyta wiórowa, nóżki stanowią cztery nakrętki po napojach, od spodu zeszlifowane papierem ściernym. Głównym elementem jest talerz wraz z silnikiem z dysku twardego, który stanowi koło zamachowe. Talerze polakierowałem białym lakierem w sprayu, był to zły pomysł, ponieważ w niektórych miejscach lakier sam się odkleił. Postanowiłem tego nie poprawiać. Szczelinę pomiędzy talerzami zakleiłem białą i czarną taśmą izolacyjną, tak aby kolor wyzwalał działanie transoptorów w odpowiednich momentach. Wzór zabezpieczyłem przezroczystą taśmą i bezbarwnym lakierem nitro.

Inne elementy ruchome wykonane są z mosiądzu i niezidentyfikowanego stopu stali znalezionego w garażu wykazującego właściwości ferromagnetyczne. Jeśli chodzi o smarowanie to wystarczy kilka kropel oleju podawanego małą strzykawką. Rdzeń cewek jest wykonany z rurki mosiężnej o wewnętrznej średnicy 5 mm i długości 6 cm. Na każdą z cewek nawinięte jest około 1260 zwojów drutu emaliowanego średnicy 0,5 mm. Nawijałem ręcznie, wykorzystując do tego zbudowaną przeze mnie, prostą nawijarkę.

Licznik NE555 pozwala na regulację wypełnienia sygnału PWM o częstotliwości około 1,3 kHz. Komparator LM393 porównuje poziom napięcia transoptora z napięciem 6 V z dzielnika. Prosty obwód tranzystorowy (działający jak bramka NOR), na którego wejściu jest sygnał PWM i komparatora, steruje tranzystorem IRF2807. Ten zaś w odpowiednim momencie zamyka obwód z cewką, wprawiając w ruch elementy dysku twardego. Wszystko zasilane jest stałym napięciem 12 V z zasilacza komputerowego.

Płytka drukowana nie jest wykonana zbyt starannie, tak właściwie eksperymentowałem z termotransferem i nie wyszło do końca tak jak chciałem. Opis elementów jest wykonany tak samo jak panel przedni. Na kartkę papieru z odpowiednim nadrukiem, w celu ochrony, została nałożona folia do bindowania dokumentów. Papier na płytce wchłonął nadmiar rozpuszczonej kalafonii, przez co takie dziwne odbarwienia. Myślę, że działanie układu jest proste do zrozumienia, jednak jeśli ktoś chciałby schemat, to mogę go wstawić. Jest wykonany w Eagle, nie jest jednak zaprojektowany starannie. Ogólny koszt projektu to około 200 zł, ale część elementów już posiadałem.





Przygotowałem krótki film ukazujący ogólną budowę i działanie silnika. Jeżeli pominąłem coś istotnego to proszę zwrócić uwagę, a w miarę możliwości wstawię zdjęcia. Zapraszam do oglądania.


Link




Podczas budowy nie napotkałem żadnych problemów (oprócz konieczności wycięcia kawałka obudowy w celu jej otwarcia, mały błąd konstrukcyjny), układ działał od samego początku. Aktualnie model znajduje się na półce w pokoju, od czasu do czasu cicho pracując. Proszę o cenne uwagi i konstruktywną krytykę.

Jesteś w stanie zmierzyć sprawność tego silnika?

Jak przewidziałeś start silnika jeżeli oś ciągadeł ustawi się w osi cewek ?

Cytat:

Jesteś w stanie zmierzyć sprawność tego silnika?

Nie ukrywam, byłyby to przydatne dane, ale nie mam pomysłu, jak w prosty sposób zmierzyć energię wyjściową.

Cytat:

Jak przewidziałeś start silnika jeżeli oś ciągadeł ustawi się w osi cewek ?

Nie pozostaje mi nic innego, jak ustawienie w odpowiedniej pozycji koła zamachowego, lub popchnięcie go ręką. Aby uniknąć martwych punktów musiałbym pomyśleć nad kolejnymi cewkami, a moim zdaniem dwie wystarczają. Nie chciałem też komplikować budowy czymś w rodzaju rozrusznika.

Ciekawy projekt. Myślę, że dobrym pomysłem było by umieszczenie 3 cewek co 120*, wtedy nie było by problemu z rozruchem.

mikusnt napisał:

Nie pozostaje mi nic innego, jak ustawienie w odpowiedniej pozycji koła zamachowego, lub popchnięcie go ręką. Aby uniknąć martwych punktów musiałbym pomyśleć nad kolejnymi cewkami, a moim zdaniem dwie wystarczają. Nie chciałem też komplikować budowy czymś w rodzaju rozrusznika.

Wystarczy dać wykorbienie jednej z cewek przesunięte o 90', lub jedną cewkę przesunąć tak aby była pod kątem 90' do drugiej. Wówczas wyeliminujemy martwe pole i któraś z cewek zawsze będzie w stanie ruszyć silnik.
Minusem rozwiązania będzie gorsze wyważenie układu. Ale przy takim projekcie nie powinno mieć to znaczenia.

mikusnt napisał:

Nie ukrywam, byłyby to przydatne dane, ale nie mam pomysłu, jak w prosty sposób zmierzyć energię wyjściową.

A gdyby tak za pomocą tego silnika spróbować podnieść ciężar o znanej masie?

To jest pomysł, chociaż konstrukcja nie sprzyja podnoszeniu ciężarów. Zastanawiam się też, jak zmierzyłbym pobór prądu. Jeśli się mylę to proszę o sprostowanie, ale pomimo pojemności kondensatorów rzędu 16000 µF zastosowanych na wejściu silnika, załączanie cewek powoduje zmiany natężenia prądu w czasie. Czy tani miernik uniwersalny jest w stanie podać zbliżony do rzeczywistego wynik?

Użyj do tego bocznika i oscyloskopu lub miernika z "True RMS".

Przyszło mi do głowy zrobienie wersji gwiaździstej takiego silnika (poniekąd ta zaprezentowana już jest wersją gwiaździstą, tylko o dwóch siłownikach). Natomiast silnik typu "bokser", gdzie korbowody nie są przymocowane do jednej korby na talerzu, tylko do dwóch korb przesuniętych o 180 stopni, miałby jeszcze lepsze wyważenie, bo oba rdzenie by sie jednocześnie wsuwały i wysuwały z cewki. W sumie z tego co masz, można by dośc tanio przerobić na "boksera". Choć kosztowałoby to zrobienie wału korbowego. Ale dasz radę.

Myślę, że dam sobie spokój z obliczaniem sprawności. Urządzenie nie będzie wykorzystywane do żadnych celów związanych z wykorzystaniem energii mechanicznej. Projekt powstał bardziej dla celów edukacyjnych oraz samego efektu końcowego. Zresztą nie mam bocznika, ani miernika z True RMS.

Przeróbka na silnik typu bokser byłaby interesująca, chociaż martwy punkt w pracy silnika sięgałby wtedy ponad pół obrotu. Jednym z założeń było maksymalne zmniejszenie martwego punktu, gdy żadna z cewek nie pracuje. Przy dwóch cewkach według mnie cel został osiągnięty. Nawet gdyby cewki byłyby względem siebie pod kątem 90' to i tak przez około 1/4 obrotu żadna z nich by nie pracowała.

Ostatnio zaciekawiły mnie silniki solenoidowe V8 czy V12. Wiem, że nie są to silniki spalinowe, a ich specyfika pracy jest inna. Kto wie, może kiedyś dla samego efektu końcowego i interesującego dźwięku pracy zbuduję coś na podstawie istniejących projektów.