Be mikrovaldiklio ir sudėtingų schemų: iš „Lego“ kaladėlių ir magneto sukurtas tikras variklis

Jamie iš „YouTube“ kanalo „Jamie’s Brick Jams“ sukūrė pilnai veikiantį elektros variklį, daugiausia naudodamas paprastus „LEGO“ kaladėlius, kelias bazines elektronikos dalis ir elementarius elektromagnetizmo principus. Jokio sudėtingo variklio modulio, jokių komplikuotų valdymo plokščių – tik magnetai, varinė viela, tranzistorius ir 9 voltų baterija.

„Daugumai variklių reikia valdiklio, bet ne šiam. Jame nėra mikrovaldiklio, greičio reguliatoriaus ir jokio mechaninio komutatoriaus“, – savo vaizdo įraše pasakojo Jamie.

Rezultatas – vienas paprasčiausių variklių, kokius tik yra matęs pasaulis. Šiuo projektu Jamie parodo, kad pagrindinės šiuolaikinių mechanizmų – automobilių, ventiliatorių ar net pramoninių robotų – veikimo idėjos gali būti suprastos naudojant labai paprastas dalis ir šiek tiek kantrybės.

Magnetai, judėjimas ir besisukanti „širdis“

Elektros varikliai dažnai atrodo sudėtingi, nes jų esminės dalys paslėptos metaliniuose korpusuose. Tačiau jų veikimo šerdis paremta paprastu principu: kai per vielos ritę teka elektra, susidaro magnetinis laukas. Jam sąveikaujant su nuolatiniu magnetu, atsiranda judesys.

Jamie variklis prasideda nuo rotoriaus – besisukančios dalies. Rotorius sudarytas iš dviejų vienas prieš kitą per ašį pritvirtintų neodiminių magnetų. Jie kruopščiai subalansuoti taip, kad rotorius suktųsi kiek įmanoma sklandžiau, be svyravimų. Kad bandymų metu magnetai laikytųsi stabiliai, teko panaudoti nedidelį kiekį laikinų klijų.

„Naudojau porą stiprių 20 x 10 mm neodiminių magnetų. Galima naudoti ir daugiau nei du, bet šie du jau suteikia pakankamai gerą rotoriaus sukimosi greitį“, – aiškino Jamie.

Šalia rotoriaus įrengta darbinė ritė. Jamie rankomis užvyniojo apie 150 vijų 27 AWG varinės vielos ant „LEGO“ formos. Kai per šią ritę teka elektra, ji sukuria magnetinį lauką. Šis laukas stumia arba traukia rotoriaus magnetus ir suteikia jiems mažą impulsą.

Variklis paleidžiamas vienu impulso signalu iš 9 voltų baterijos. Vis dėlto vieno impulso pakanka tik kelioms sekundėms – rotorius greitai praranda inerciją. Tai ir yra pagrindinis paprastų variklių iššūkis: jiems reikia labai tiksliai suderinto laiko. Jeigu magnetinis stūmimas įvyksta netinkamu momentu, rotorius gali sulėtėti arba visai sustoti.

Impulsas, kuris palaiko gyvybę

Norėdamas išlaikyti nenutrūkstamą judėjimą, Jamie pridėjo antrą ritę, kuri veikia kaip jutiklis. Šioje jutiklio rityje yra apie 100 vijų plonesnės, 32 AWG vielos. Kai pro ją praeina vienas iš rotoriaus magnetų, jutiklio rityje indukuojasi labai silpna srovė. Tas signalas nukreipiamas į paprastą grandinę su vienu TIP31C tranzistoriumi ir neprivalomu šviesos diodu (LED).

Tranzistorius čia veikia kaip automatinis jungiklis. Aptikęs signalą iš jutiklio ritės, jis trumpam įsijungia ir siunčia trumpą galingesnės srovės impulsą iš baterijos į darbinę ritę. Tas impulsas rotoriui suteikia dar vieną tiksliai laiku parinktą pastūmėjimą. Kiekvienas impulsas taip pat priverčia sužibti šviesos diodą, kuris rodo, kad laikas suderintas teisingai. Šis nenutrūkstamas ciklas – aptikimas, impulsas, pastūmėjimas – ir palaiko rotoriaus sukimąsi.

Jamie pabrėžia, kad labai svarbi yra abiejų ričių poliškumo kryptis. Jei vienos iš ričių laidai prijungiami atvirkščiai, variklis gali visai nesukti arba suktis neteisingai. Tokiu atveju dažniausiai pakanka sukeisti vielos galus vietomis, ir problema išsisprendžia.

Nors per tranzistorių teka didesnė srovė, nei būtų ideali, šiame konkrečiame sprendime jis veikia stabiliai ir patikimai. Visa elektronika čia minimali – vienas tranzistorius, vienas šviesos diodas, dvi ritės ir baterija.

Pačios paprasčiausios – dviejų magnetų – konfigūracijos variklis, dar be pavarų, pasiekia maždaug 1 300 apsisukimų per minutę (aps./min.). Įdėjus 3:1 redukcinę pavarą, greitis sumažėja, tačiau sukimo momentas pastebimai išauga. Panaudojus papildomus „LEGO“ krumpliaračius, diržinę perdavą ir net seną vairo mechanizmą iš 10-ojo dešimtmečio „LEGO“ rinkinio, variklis pajėgia varyti mažytį „LEGO“ automobilį paviršiumi.

Vėliau Jamie išbandė patobulintą rotorių su aštuoniais diske išdėstytais magnetais. Ritės liko tos pačios, tačiau pasikeitė veikimo charakteristikos. Sukimosi greitis sumažėjo iki maždaug 480 aps./min.

Užtat reikšmingai padidėjo sukimo momentas, o judėjimas tapo kur kas tolygesnis. Taip nutiko todėl, kad magnetai dažniau praeina pro jutiklio ritę, impulsai sklinda dažniau ir yra tolygiau pasiskirstę laike. Dėl tokios pastovesnės traukos mažoji transporto priemonė juda žymiai užtikrinčiau.

„Turiu pasakyti, tiesiog dievinu, kad šis dalykas veikia visiškai pats save „timinguodamas“, – džiaugėsi Jamie.

Pažvelgti į variklį iš vidaus

Iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti kaip paprastas laisvalaikio projektas. Tačiau jo esmė – aiškumas. Elektros varikliai suka didžiąją dalį šiuolaikinio pasaulio mechanizmų – nuo buitinės technikos iki elektrinių automobilių. Vis dėlto daugelis žmonių niekada nemato, kaip jie iš tikrųjų veikia.

Sukūręs variklį iš atvirai matomų, lengvai suprantamų dalių, Jamie paverčia elektromagnetizmą apčiuopiamu reiškiniu. Jo darbą stebintys mokiniai ir besidomintys technologijomis gali realiu laiku matyti, kaip veikia laiko suderinimas, magnetinė sąveika ir grįžtamojo ryšio principai.