мендосинский двигатель и теорема Ирншоу / Хабр

На днях я увидел на просторах интернета крайне любопытную вещь: мендосинский двигатель. Ротор на подшипниках крайне низкого трения: оригинальный имел стеклянный цилиндр, подвешенный на двух иголках, современные имеют магнитный подвес оси. Двигатель бесколлекторный, на роторе подвешены солнечные батареи, которые выдают напряжение на катушки, намотанные на роторе. Ротор проворачивается в фиксированном магнитном поле статора, солнечная батарея уходит от направленного света, на её место приходит другая. Крайне элегантное решение, которое вполне под силу сделать дома каждому.

Вот на этом видео крайне подробно описан (на русском языке) принцип работы:

Но ещё больше самого двигателя мне показалась любопытной следующая вещь. В описании этого видео Дмитрий Коржевский написал следующую вещь: «Боковую опору заменить магнитом НЕВОЗМОЖНО!!! Не задавайте больше этот вопрос!»

Отмазка: я ни разу не физик, могу сильно ошибаться, поправки приветствуются.

О, это интересно. Давайте ещё раз посмотрим, как работает магнитный подвес ротора. Если мы поставим два магнита, то изолиния потенциала выглядит следующим образом в зависимости от расстояния между двумя магнитами:

То есть, мы ставим два фиксированных магнита на статоре. Магнит на оси ротора не захочет сдвинуться вбок, т.к. изолиния потенциала имеет некий локальный минимум. Он захочет выскочить вдоль оси ротора. Делаем две таких системы, получаем ось ротора, которая зафиксирована магнитным полем в радиальном направлении, но при этом нестабильна в продольном. Упираем ось в стеклянную стеночку и вуаля, получили подшипник слабого трения.

Но стеклянная стеночка — это как-то… неэлегантно, что ли? Вполне логично желание получить полностью парящий в воздухе ротор, безо всяких костылей. И явно Дмитрия затюкали этим вопросом, да так, что он был вынужден написать невозможность подобного прямо в описании видео. И ведь Дмитрий Коржевский не один такой.

Давайте посмотрим сюда, цитирую:

What would happen if the base magnets were spaced and oriented like in this drawing? Would it give it stability in the axial plane, and do away with the mirror requirement?

Или сюда, цитирую:

On a Mendocino Motor why does one side float free while the other has a tip to a wall? I know the question might sound trivial but I have worked up the idea why not use the same magnets used to levitate as a counter force on both sides of the shaft? I attached a very rough jpg of what I mean. the green magnets at the end of the shafts is what im referring to. is there some theory or law preventing this?

То есть, люди по всему миру хотят избавиться от механической поддержки оси. Я в школе учился плохо и мне невозможность создания полностью магнитного подвеса без костылей тоже ни разу не очевидна. При случае я за чашкой чая задал своему начальнику, учёному с мировым именем (не физику, прикладному математику), этот вопрос: «А почему, собственно невозможно?» И знаете, ему это тоже не было очевидно!

На вышеозначенных форумах никто толком не объяснил, почему это невозможно. В лучшем случае цитировали какую-то теорему Ирншоу, которая не слишком-то удобоварима. Итак, она гласит следующее: «Всякая равновесная конфигурация точечных зарядов неустойчива, если на них кроме кулоновских сил притяжения и отталкивания ничто не действует.» Вам ясно? Мне нет. Положим, я могу смириться с тем, что мы говорим про заряженные частицы, а не про магниты. Но дальше?

Когда мне что-то неясно, я рисую картинку. Для простоты она будет в двумерном пространстве. Давайте представим четыре закреплённых единичных заряда по углам квадрата и свободный заряд в центре квадрата. Примерно так:

Неужели свободный заряд не находится в состоянии устойчивого равновесиия? Ведь куда бы он ни двинулся, он приближается к одному из фиксированных зарядов, увеличивая силу отталкивания! Давайте попробуем нарисовать карту потенциальной энергии свободного заряда. Я в школе учился плохо, физику прогуливал, поэтому будем черпать знания из википедии. Итак, если мы имеем в пространстве только один закреплённый заряд, то он создаёт во всём пространстве электростатический потенциал.

Формула электростатического потенциала (кулоновского потенциала) точечного заряда в вакууме:

Во всех умозрительных опытах все коэффициенты у меня равны либо нулю, либо единице. Поэтому заряд q единичный, неясный k тоже единица. То есть, один закреплённый заряд создаёт потенциал, измеряемый по формуле 1/r, где r — это расстояние до заряда. 2))
def system_potential(x,y): return unit_potential(1,1,x,y)+unit_potential(-1,1,x,y)+unit_potential(1,-1,x,y)+unit_potential(-1,-1,x,y)
contour_plot(system_potential(x,y), (x, -2, 2), (y, -2, 2), cmap=’hsv’, contours=30, region=5-system_potential(x,y), figsize=12, colorbar=True)

Вот карта, я выколол точки, где потенциальная энергия уходит в бесконечность:

По центру квадрата чётко виден локальный минимум энергии. Куда бы ни двинулась частица из центра, энергия будет увеличиваться, поэтому от небольших возмущений она явно захочет вернуться назад в центр, это точка устойчивого равновесия. Неужели Ирншоу соврал? Нет, он не соврал. Проблема в том, что я плохо нарисовал картинку. И многие ошибаются ровно так же, как и я. Остановитесь сейчас, подумайте, где я ошибся?

В данном случае ошибка в том, что в двумерном пространстве закреплённый заряд создаёт потенциал, измеряемый по формуле -ln r, где r — это расстояние до заряда, а вовсе не 1/r. Давайте на некоторое время вы мне поверите на слово и разрешите неясным образом изменить кулоновскую формулу, тогда корректный код будет выглядеть вот так:

var('x,y')
def unit_potential(a,b,x,y): return -ln(sqrt((x-a)^2 + (y-b)^2))
def system_potential(x,y): return unit_potential(1,1,x,y)+unit_potential(-1,1,x,y)+unit_potential(1,-1,x,y)+unit_potential(-1,-1,x,y)
contour_plot(system_potential(x,y), (x, -2, 2), (y, -2, 2), cmap='hsv', contours=30, region=5-system_potential(x,y), figsize=12, colorbar=True)

Вот картинка с картой потенциальной энергии:

Обратите внимание, что локальных минимумов на карте нет. Центр квадрата — седловая точка, то есть, точка неустойчивого равновесия. Как только свободный заряд сдвинется хоть на микрон от центра квадрата, он обязательно скатится и вылетит из квадрата, ускоряясь и ускоряясь.

Когда я получил явное противоречие с теоремой Ирншоу, я понял, что где-то прокололся и стал искать ошибку. Ошибку искать лучше всего последовательно с самого начала. Я тяжко вздохнул и пошёл читать, что такое уравнения Максвелла. В школе я учился не то, что бы очень плохо, оценки у меня были отличными. Только знаний вынес явно не по всем предметам. Например, уравнения Максвелла мне разве что в кошмарах снились после школы, а в университете и далее с ними сталкиваться просто не приходилось.

А оказалось, что там всё крайне просто, особенно если мы интересуемся только электростатикой! Уравнений Максвелла четыре по количеству следующих законов:

1. Закон Гаусса, он нам пригодится. Пока оставим всякие дивергенции, «на пальцах» это просто закон сохранения: энергия из ниоткуда не берётся и в никуда не уходит.

2. Закон Гаусса для магнитного поля — те же яйца, вид сбоку. Да и магнитным полем я пока не интересуюсь, т.к. разговор идёт от заряженных частицах, пропускаем.

3. Закон Фарадея: если мы двигаем магнитами, то они порождают электрическое поле, это интересно, подробнее поглядим потом.

4. Закон Ампера: если мы двигаем электрическим полем, то порождаем магнитное. На фиг, неинтересно.

Итак, эти четыре закона связывают между собой два векторных поля E и B, электрическое поле и магнитное. Эти векторные поля — это функции, которые имеют четыре аргумента (x,y,z,t), и каждой четвёрке аргументов сопоставляют один трёхмерный вектор. Магнитное нам не очень интересно в данном случае, рассмотрим поле E(x,y,z,t). Причём не забываем, что мы интересуемся электростатикой, поэтому E постоянно во времени. Очень удобно рассматривать это векторное поле как некоторую реку, где каждой в каждой точке реки мы говорим, куда и с какой скоростью течёт вода.

Закон Фарадея говорит о том, что в случае постоянное во времени поле E (мы же говорим про электростатику) не имеет вихрей.

Как связан электростатический потенциал с электрическим полем? Очень просто: если поле E безвихревое (наш случай), то возможно создать такой ландшафт u, что покрыв его метровым слоем воды (на всех высотах!) и «отпустив» эту воду, скорость и направление течения воды породит поле E. Если умными словами, то можно найти такую скалярную функцию u, что её градиент равен полю E.

Закон Гаусса говорит следующее: возьмём маленькую область пространства. Если мы в неё не поместили заряда специально, то количество

«воды», которое затекает в эту область, равно количеству, которое вытекает. Если хочется выпендриться, то можно сказать, что дивергенция поля E равна нулю.

Напоминаю, что поле E — это производная скалярной функции u. Если её дивергенция равна нулю, то это означает, что лапласиан функции u равен нулю. Лапласиан — это умное слово для обозначения «кривизны» функции. В случае функции одной переменной лапласиан — это просто вторая производная. Вторая производная равна нулю только у постоянной или линейной функции (логично, кривизна равна нулю). В случае функции двух переменных лапласиан — это сумма двух частных производных. Если он равен нулю, то кривизна в одном направлении обязана быть аннулирована кривизной в другом направлении. То есть, чипсы разрешены:

А вот локальных минимумов (максимумов тоже) функция с нулевым лапласианом не имеет. То есть, чипсы разрешены, а холмы нет:

Представьте, что мы обмакнём проволочное колечко (хорошо изогнутое) в мыльную воду. Тогда мыльная плёнка образует поверхность с нулевым лапласианом:

Это будет так называемая минимальная поверхность. Мыльная плёнка старается уменьшить свою площадь. Логично, что если бы на ней был некий локальный максимум, то сгладив его, мы получили бы плёнку меньшей площади. Поэтому их и нет. Итак, электростатический потенциал — это своего рода минимальная поверхность, локальных максимумов (в местах, куда мы специально заряд не помещали) не имеет.

Функция 1/r имеет нулевой лапласиан в трёхмерном пространстве, а вот в двумерном нет! Если мы хотим рисовать двумерные примеры, то нам нужно решить задачу Дирихле, я о ней уже говорил в одной из своих предыдущих статей. Для 2D это будет функция -ln r.

Update: хороший комментарий chersanya, проясняющий суть магии.

Итак, возвращаясь к нашему примеру с одной свободной заряженной частицей. Потенциал электростатического поля не имеет локальных минимумов, и, как следствие, потенциальная энергия одной частицы локальных минимумов не имеет. Поэтому одна частица не может находиться в состоянии устойчивого равновесия в постоянном поле. Поздравляю вас, мы только что доказали теорему Ирншоу. Но вот как быть с более сложными системами? Как применить эту теорему к ним?

Вот очередной пример, предложенный моим начальником, который должен был опровергнуть теорему Ирншоу. Давайте зафиксируем два заряда и создадим подвижное тело, состоящее из невесомой нерастяжимой палки с зарядами на обоих концах:

Интуитивно, если мы слегка сдвинем палку влево (вправо), то один из концов приблизится к фиксированным зарядам, и они его оттолкнут, вернув палку в изначальное положение. Где же подвох? Давайте нарисуем электрстатический потенциал двух фиксированных зарядов:

var('x,y')
def unit_potential(a,b,x,y): return -ln(sqrt((x-a)^2 + (y-b)^2))
def system_potential(x,y): return unit_potential(0,1,x,y)+unit_potential(0,-1,x,y)
contour_plot(system_potential(x,y), (x, -2, 2), (y, -2, 2), cmap='hsv', contours=30, figsize=12, colorbar=True)

Как нарисовать потенциальную энергию нашей заряженной по концам палки? Палка имеет три степени свободы (две на перемещение и одна на вращение), поэтому график будет четырёхмерным. 2))
def system_potential(x,y): return unit_potential(0,1,x,y)+unit_potential(0,-1,x,y)
def energy(x,y): return system_potential(x+2,y)+system_potential(x-2,y)
contour_plot(energy(x,y), (x, -3, 3), (y, -2, 2), cmap=’hsv’, contours=30, figsize=12, colorbar=True)

Итак, энергия палки имеет четыре пика (каждый из двух концов палки попадает на каждый из двух зарядов). Как и предполагалось, палка не захочет двигаться по горизонтали. Она убежит по вертикали!

Это логично, ведь из чего мы получили энергию? Мы сложили потенциальные энергии каждого заряда. Мы знаем, что потенциальная энергия каждого заряда — это функция с нулевым лапласианом. Их сумма тоже будет иметь нулевой лапласиан. То есть, потенциальная энергия любого (не только нашей палки!) заряженного тела не может иметь минимумов в постоянном электрическом поле!

Ментальное изображение магнитных и электрических полей у людей, плотно не работавших с физикой, обманчиво. Мозг нас обманывает, рисуя картины минимумов энергии. К сожалению, это не так, и действительно создать мендосинский двигатель без опоры представляется затруднительным.

Какие могут быть лазейки? Теорема Ирншоу (если мы сделаем усилие и вообще применим её к магнитам) применима только системам неподвижных постоянных магнитов.

1. Мы можем попытаться создать динамическое магнитное поле

2. Диамагнетизм и всякие сверхпроводники также не входят в рамки теоремы Ирншоу

3. Подвижные вообще и вращающиеся в частности тела также не рассмотрены, наиболее известный пример левитрон

Так что, не всё ещё потеряно. Да, использование любой из этих вещей убьёт начисто лаконичность мендосинского двигателя, но магия свободно парящих в воздухе вещей перекроет всё!

Именно теорема Ирншоу показала невозможность существования твёрдой материи, таким образом отвергнув существовавшую модель строения атома. В итоге была построена планетарная модель атома.

все необходимое для успешной сборки двигателя

Дата публикации: 6 сентября 2019

Содержание

• Собираем мотор Мендосино своими руками: детальное рассмотрение конструкции
• Материалы, необходимые для сборки двигателя Мендосино своими руками
• Мендосинский мотор своими руками: изготовление во всех подробностях

В 1994 году все жители округа Мендосино на калифорнийском побережье наперебой обсуждали изобретение местного умельца Ларри Спринга. Небольшой мотор, подвешенный в воздухе, удивительным образом вращался сам собой и не требовал подключения к сети. Стоя на подоконнике небольшого магазинчика, загадочный движок неизменно становился предметом пристального внимания детей и взрослых. Попытки разгадать тайну мастера не увенчались успехом, пока сам Ларри не признался самым настойчивым посетителям, какой секрет он положил в основу своего изобретения.

Все оказалось очень просто. Умение подогнать законы физики друг под друга и немного смекалки позволили Спрингу сконструировать небольшой двигатель, основными элементами которого являются ротор и статор – все, как у «настоящих» моторов. Однако здесь и кроется основной секрет. В роли статора используется подставка с постоянным магнитом и магнитной опорой. А роль ротора выполняет диэлектрический каркас с комплектом солнечных батарей, смонтированных поверх вращающихся катушек.

Принцип работы двигателя основан на вращении ротора под воздействием магнитных полей, возникающих за счет прохождения электрического тока по катушкам устройства. Необходимый заряд поступает на мотор благодаря работе солнечных панелей. Получая питание по очереди, катушки за счет силы Ампера «выталкиваются» со стороны возникающего магнитного поля. Но, поскольку они зафиксированы на магнитных опорах, запускается процесс вращения. Именно так действует любой магнитно-левитационный мотор небольшой мощности, к которым относится двигатель Мендосино.

Собираем мотор Мендосино своими руками: детальное рассмотрение конструкции

Секрет американского изобретателя открыл возможность тысячам домашних умельцев сконструировать аналогичное устройство у себя дома, чтобы впечатлить родных и удивить любителей загадок природы. Однако прежде чем приниматься за работу, стоит рассмотреть устройство в деталях. На счету здесь каждый сантиметр – важно, чтобы все элементы находились на своем месте и взаимодействовали строго в рамках физических законов.

Ротор движка Мендосино имеет квадратное сечение и располагается в устройстве горизонтально. Такое решение позволяет расположить на его поверхности солнечные панели. На концах вала ротора закреплены постоянные кольцевые магниты. Благодаря созданному ими магнитному полю ротор запускается в движение, которое неспособна остановить даже сила взаимного трения металлических элементов.

Чтобы удержать ротор в подвешенном состоянии, магнитные кольца валов располагаются прямо над магнитными подставками. Еще один магнит под ротором необходим для создания магнитного поля статора, которое дает «старт» вращению ротора.

При попадании солнечного света на одну из солнечных панелей генерируется электрический ток. Он направляется на обмотку ротора, которая находится у магнита прямо под осью. Создается магнитное поле соответствующего полюса ротора, и последний начинает вращение, отталкиваясь от магнитного поля статора. Солнечный свет поочередно попадает на каждую из солнечных батарей по четырем сторонам оси, запуская аналогичный процесс в отношении каждой из обмоток катушек. Это обеспечивает постоянное вращение ротора в его «подвешенном» состоянии. Устройство будет исправно работать при наличии интенсивного или среднего светового потока.

И последний секрет, о котором нужно знать перед началом изготовления и сборки мендосинского мотора по схеме. Постоянные магниты в подвеске ротора – обязательный элемент конструкции, благодаря которому удается преодолеть возникающую силу трения. В противном случае мощности движка окажется недостаточно, и вращение прекратится уже после первых оборотов.

Материалы, необходимые для сборки двигателя Мендосино своими руками

Для работы потребуется следующий набор материалов и инструментов:

• Деревянный штырь диаметром чуть более 10 мм;
• Термоклей;
• Шпон для изготовления ротора;
• Проволока для намотки катушек 0,28 мм в диаметре;
• Два кольцевых магнита типа RX088;
• Несколько реек и досок для основы и опор;
• Алюминий для стенки;
• Двенадцать магнитов типа RX033CS-N.

Выбор в пользу указанных моделей магнитов не случаен. Они протестированы на практике и лучше других подходят для мендосинского движка, гарантируя его работоспособность.

Мендосинский мотор своими руками: изготовление во всех подробностях

Последовательность работы выглядит следующим образом:

• В качестве вала выбран деревянный штырь около 25 см длиной. На его концах необходимо закрепить кольцевые магниты RX088.
• Рассчитывается интервал между центрами пар рабочих магнитов. Слишком большое расстояние не удержит движок на весу, тогда как маленький промежуток приведет к нестабильности положения основного плавающего магнита. Для конструкции в рамках указанных выше параметров магниты стоит расположить на расстоянии около 75 мм между центральными точками.
• Чтобы вал не задирался вверх во время движения под действием силы вращения, дальнюю пару магнитов следует установить чуть дальше от стены относительно магнита на валу. На этом этапе сборки можно поэкспериментировать, чтобы найти оптимальную точку фиксации.
• Чтобы обеспечить стабильность вращающихся магнитов, параллельно оси укладывают два магнитных диска. Взаимодействие их магнитных полей обеспечит устойчивое положение вращающегося элемента.
• Из шпона изготавливается конструкция ротора. Отдельные элементы склеиваются с помощью термоклея.
• После того как детали подсохнут, можно приступать к намотке катушек. Десять витков делают на одной стороне вала, затем десять витков — на противоположной. Аналогичным образом наматывают витки на каждой из двух оставшихся поверхностей. Число витков в каждой катушке должно составлять около 1000. После намотки провода каждой катушки помечают, чтобы отследить направление намотки.
• Теперь необходимо подключить солнечные панели – по одной на каждую катушку.

Собранный своими руками двигатель Мендосино можно использовать как наглядную модель для демонстрации принципа действия любого мотора. Остается только выбрать для него подходящее место с учетом качества естественного освещения.

Мендосино Мотор AR O-8 | Электор

• 10% скидка для членов

• Одобренные продукты

• 2000+ продуктов

Становиться участником

Архив

Проекты

€ — евро

Будьте первым, кто оставит отзыв об этом продукте

Перейти в конец галереи изображений

Перейти к началу галереи изображений

Мендосино Мотор AR O-8

Будьте первым, кто оставит отзыв об этом продукте

Обзор

Mendocino Motor AR O-8 представляет собой электродвигатель на магнитной подушке, работающий от солнечной энергии, в виде комплекта.

Свет становится движением

Двигатель Мендосино на солнечной энергии кажется парящим в воздухе. На первый взгляд, вы не можете понять, почему ротор вообще вращается. Это магия мотора.

Читать дальше

Обзор

Mendocino Motor AR O-8 — это электродвигатель на магнитной подушке, работающий от солнечной энергии, в комплекте.

Свет становится движением

Двигатель Мендосино на солнечной энергии кажется парящим в воздухе. На первый взгляд, вы не можете понять, почему ротор вообще вращается. Это магия мотора.

Подробнее

Обычная цена
€164,95

Участников

148,46 €

Срок доставки: 5 рабочих дней

• Подробности

• Технические характеристики

• Загрузки

• Видео

• Отзывы

Детали

Mendocino Motor AR O-8 представляет собой электродвигатель на магнитной подушке, работающий от солнечной энергии, в виде комплекта.

Свет становится движением

Двигатель Мендосино на солнечной энергии кажется парящим в воздухе. На первый взгляд, вы не можете понять, почему ротор вообще вращается. Это магия мотора.

Сила Лоренца — это очень малая электрическая сила. В условиях классной комнаты это обнаруживается по колебанию тока в магнитном поле. С двигателем Mendocino нам удалось разработать прекрасное приложение, использующее эту слабую силу для движения. Благодаря скрытому магнитному основанию двигатель очарует технически подкованных наблюдателей.

При ярком солнечном свете двигатель может развивать скорость до 1000 об/мин. Однако более впечатляющим является то, что даже слабого свечения большой чайной свечи (D = 6 см с высотой пламени около 2 см) достаточно, чтобы запустить двигатель. Мотор пока не является альтернативным источником энергии, хотя выглядит заманчиво. Предположительно, она останется привлекательной моделью, пока находчивый ум не опровергнет это предположение.

Размеры

• Все солнечные элементы 65 x 20 мм
• Диаметр зеркала: 25 мм
• Вес ротора: прибл. 150 г
• Длина модели: 160 мм
• Ширина модели: 85 мм
• Высота рамы: прибл. 85 мм
• Материал рамы: черный акрил
• Трубка из полированного алюминия
• Цвет зеркала: серебристый

Простое в использовании руководство по эксплуатации мотора Mendocino содержит более 70 иллюстраций. В нем описывается безопасный и практичный подход к строительству, а также предоставляется возможность попробовать свои решения.

Частично собранный комплект

Часть комплекта поставляется предварительно собранной. Приклеивание боросиликатного стекла к акриловой поверхности требует специальных знаний и вспомогательных средств. Мы не хотим навязывать это любителям. Например, основной магнит прикреплен к алюминиевой трубке.

Вам, как любителю, потребуются некоторые ноу-хау и соответствующие инструменты: нож для ковра, паяльник и олово, горячий клей, плоскогубцы, а также зажим или наконечник для крепления прилагаемого вспомогательного приспособления для сборки. Море удовольствия гарантировано!

Технические характеристики

Видео

Отзывы (0)

Пока нет отзывов. Будьте первым кто оценит этот продукт.

Ваш отзыв о Mendocino Motor AR O-8

Сделай свой собственный мотор Mendocino на солнечной энергии

Поиск

Подробнее

16 марта 2020 г.

1153

Мотор Mendocino — увлекательная настольная игрушка. Ротор на магнитной подушке и отсутствие каких-либо батарей или источника питания добавляют привлекательности. Хотя они выглядят довольно сложными, двигатели Mendocino на самом деле являются одной из самых простых форм бесщеточных двигателей. Они основаны на солнечных панелях, установленных непосредственно на роторе и подключенных в противоположных полярностях, чтобы автоматически изменять направление тока, протекающего через обмотки, тем самым устраняя необходимость в коммутаторе или какой-либо электронной схеме управления. Мы обсудим это более подробно далее.

Из-за относительно небольшого размера солнечных панелей, которые можно установить на ротор, этот двигатель не производит большой мощности, и вы не сможете подключить его для привода чего-то полезного. Некоторые люди добавили небольшой вентилятор на конец ротора, который выглядит довольно красиво, но на самом деле не создает большого движения воздуха.

Вот мое видео о сборке и работе двигателя Mendocino, читайте список деталей и инструкции.

Что вам понадобится для сборки собственного мотора Mendocino

• 7 неодимовых магнитов – купить здесь
• Магнитный провод 0,2 мм (калибр 32) – купить здесь
• Деревянные дюбели 4 мм (5/32″) – купить здесь
• Солнечные элементы 53×18 мм – купить здесь
• Клеевые стержни и клеевой пистолет – купить здесь

В дополнение к этому вам также потребуется распечатать на 3D-принтере некоторые пластиковые компоненты для рамы и ротора. Вы также можете сделать эти компоненты из картона или дерева, если у вас нет 3D-принтера.

• Подержанный 3D-принтер – купить здесь

Вам также понадобятся некоторые основные инструменты, такие как линейка, карандаш или маркер, канцелярский нож, кусачки и паяльник.

Как собрать двигатель Mendocino

Мы создадим двигатель Mendocino в три этапа: сначала создадим основание, затем ротор и обмотки, а затем, наконец, протестируем ротор и доработаем двигатель.

Начните с 3D-печати всех компонентов в папке загрузки — Компоненты 3D-печати.

Вам понадобится следующее количество:

• 4 угловых блока основания
• 1 нижний магнитный держатель
• 2 половины ротора
• 2 магнитных держателя ротора
• 1 реактивная опора ротора

Я напечатал компоненты из черного и зеленого PLA при температуре 195°C и заполнении 15%. Зеленый PLA использовался только для держателей магнитов ротора, чтобы придать двигателю немного цвета. Вы можете использовать любой цвет или комбинацию цветов PLA или ABS для компонентов.

Сборка базовой рамы

Начните с измерения и вырезания дюбеля для основания. Вам понадобятся два отрезка по 9,5 см (3,75 дюйма) и два отрезка по 5 см (2 дюйма).

Приклейте магнит к первому угловому блоку плоской стороной внутрь, а затем приклейте один из более длинных дюбелей в центр.

Затем приклейте магнит ко второму угловому блоку в той же ориентации, а затем приклейте этот блок к дюбелю такой же длины. Убедитесь, что отверстия по бокам двух угловых блоков обращены в одном направлении. Также убедитесь, что магниты обращены друг к другу с одинаковой полярностью, то есть двумя плоскими сторонами наружу (они должны отталкиваться друг от друга).

Повторите процесс, чтобы сделать вторую базовую длину.

Затем вклейте один из более коротких дюбелей в каждый из угловых блоков на одной длине, а затем вставьте другие концы во вторую длину. Пока не приклеивайте их на место, так как вам еще нужно установить реакционную опору ротора.

Если вы используете те же компоненты, что и я, то на этом этапе вы также захотите приклеить реакционную опору ротора. Я этого не сделал, так как мне нужно было измерить плавающую высоту собранного ротора после того, как он был завершен, чтобы спроектировать реакционную опору на правильной высоте и расстоянии от основания.

Сборка ротора

Затем отмерьте деревянную шпильку длиной 12 см (4,75 дюйма) для ротора. Отрежьте один конец квадрата и используйте канцелярский нож, чтобы заточить другой конец до точки, чтобы свести к минимуму площадь контакта с реактивной опорой, сводя к минимуму трение.

Отметьте на деревянном дюбеле отметки 2 см (0,75″), 5 см (2″) и 8 см (3,25″) в качестве направляющих для приклеивания компонентов ротора, напечатанных на 3D-принтере.

Приклейте компоненты ротора, как показано ниже. Магниты вставляются в магнитные держатели с обеих сторон плоской стороной наружу (от центра). Опять же, эти два магнита собраны с одинаковыми полюсами, обращенными друг к другу (они отталкиваются друг от друга).

На этом этапе может помочь просмотр видео, чтобы убедиться в правильности ориентации и положения.

После сборки пластиковых деталей можно приступать к изготовлению обмоток. Вам нужно будет намотать около 60-100 витков провода для каждой из двух обмоток. Убедитесь, что вы меняете сторону вала ротора после каждых десяти или около того витков, чтобы ротор оставался достаточно хорошо сбалансированным.

После завершения первой обмотки оставьте провод на конце для подключения к солнечной панели, а затем запустите вторую обмотку. Убедитесь, что вы намотали такое же количество витков на вторую обмотку.

Когда ваши две обмотки будут готовы, используйте канцелярский нож, чтобы соскрести часть пластикового покрытия с концов проводов обмотки, чтобы вы могли сделать хорошее паяное соединение.

Затем припаяйте каждую обмотку, как показано на схеме ниже. Положительные и отрицательные выводы противоположных солнечных элементов спаяны вместе, и к каждому из этих выводов припаяны два вывода обмоток.

Повторите это для обоих наборов обмоток. Не беспокойтесь о том, каким образом подключены обмотки, вы проверите это на следующем шаге и при необходимости внесете какие-либо изменения.

Используйте тонкую ленту или эластичную ленту, чтобы временно зафиксировать солнечные панели на месте, пока вы проверяете ротор и соединения.

Как работает мотор Мендосино?

В принципе, этот двигатель создает крутящий момент, полагаясь на одну панель, ту, что находится на противоположной стороне прямого участка обмотки ротора, которая находится над магнитом статора, создавая ток в обмотке благодаря направленному источнику света. Ток создает вокруг обмотки магнитное поле, которое противодействует полю магнита статора и заставляет его отдаляться от магнита. Поскольку все компоненты установлены на движущемся роторе, это приводит к тому, что панель перемещается из источника света, останавливая поток тока, а следующая панель попадает в источник света, создавая ток в следующей обмотке. Панели соединены с противоположной полярностью, так что ток всегда течет в одном и том же направлении относительно магнита статора, создавая крутящий момент в одном и том же направлении. Если смотреть с точки зрения обмотки, ток постоянно меняет направление, в зависимости от того, какая панель находится под светом. Это очень простой способ заменить коммутатор или электронную схему управления, хотя он не создает большого крутящего момента из-за низкого отношения мощности к весу элемента.

Вы можете прочитать немного больше о том, как работает мотор Mendocino, на их странице в Википедии.

Проверка ротора и паяных соединений

Теперь вам нужно проверить ротор. Приклейте магнит статора на плоскую поверхность, а затем поместите основание по центру магнита. Если хотите, вы можете использовать магнитный держатель, напечатанный на 3D-принтере.

Затем я использовал рулон припоя в качестве временной точки реакции, поскольку мне нужно было измерить плавающую высоту ротора, чтобы спроектировать реактивный рычаг, напечатанный на 3D-принтере. Вы можете использовать напечатанный на 3D-принтере, если ваши компоненты идентичны.

Установите ротор на подшипники. Возможно, вам придется внести некоторые коррективы в положение магнитов, чтобы заставить его плавать правильно. Магниты ротора должны располагаться почти прямо над базовыми магнитами, но немного ближе к точке реакции, чтобы магнитная сила удерживала ротор прижатым к точке реакции. Этот шаг может быть довольно разочаровывающим, чтобы сделать все правильно. Если вы используете разные магниты, вам также нужно поиграть с шириной основного магнита, чтобы убедиться, что вы найдете «наилучшее» место, где ротор подвешен достаточно высоко, чтобы ничто не касалось основания и что основные магниты достаточно далеко друг от друга, чтобы ротор был устойчивым.

Теперь вам нужно проверить правильность подключения панелей. Каждая пара солнечных панелей будет создавать крутящий момент в одном направлении. Вы должны убедиться, что оба набора создают этот крутящий момент в одном и том же направлении, иначе ваш двигатель не будет вращаться. Начните с одной обмотки прямо над магнитом статора в темном месте и посветите на верхнюю панель (напротив этой обмотки). Вы должны заметить, что обмотка плавно отклоняется от магнита в одном направлении. Запишите панель и это направление. Затем вращайте ротор 90 градусов, чтобы следующая обмотка (половина второй обмотки) находилась над магнитом статора. Повторите процесс со светом и убедитесь, что ротор отклоняется в том же направлении. Если это так, то вы можете сбалансировать ротор и приклеить панели на место. Если они отклоняются в противоположных направлениях, вам нужно поменять местами соединения обмотки на одном наборе панелей. Это можно сделать на любом наборе, и вам просто нужно поменять местами два соединения обмотки. Не меняйте соединения между любыми солнечными панелями или на второй обмотке. Если на этом этапе ничего не происходит, вам нужно снова проверить соединения обмоток или, возможно, добавить больше обмоток к ротору.

Затем проверьте балансировку ротора. Ваш ротор должен свободно вращаться и не должен иметь каких-либо значительных тяжелых мест, на которые он имеет тенденцию падать. Скорее всего, вам не удастся добиться идеального результата, но вы должны свести к минимуму любые тяжелые пятна, насколько это возможно. Это можно сделать, приклеив небольшие кусочки припоя на внутреннюю сторону панели, противоположную тяжелой стороне, пока она не будет должным образом сбалансирована.

Затем можно приклеить солнечные панели на место. Это может потребоваться сделать в сочетании с этапом балансировки ротора в качестве итеративного процесса, поскольку вы будете изменять балансировку, добавляя клей и удаляя ленту, но это также ограничит ваш доступ к задней части панелей, чтобы добавить больше припоя.

Наконец, приклейте реакционную опору ротора на место и приклейте остальные соединения к основанию, если вы еще этого не сделали. Вы также можете приклеить магнит статора к держателю магнита и к основанию, чтобы сделать весь двигатель портативным.

Теперь вы сможете запустить мотор Mendocino. Двигатель лучше всего работает в темном месте, где направленный источник света падает на него под углом примерно 30 градусов к вертикали.