Nagranie Jamie’ego z kanału Jamie’s Brick Jams przyciąga uwagę nie dlatego, “bo LEGO” i nie “bo rekord”, tylko dlatego, że tu widać moment, w którym fizyka przechodzi w automatykę. Z jednej strony mamy banalny elektromagnes, a z drugiej układ, który sam wyczuwa, kiedy powinien dorzucić stosowny impuls mocy. Wszystko to bez mikrokontrolera, bez klasycznego komutatora i bez typowego sterownika. W praktyce jest to ciekawa lekcja o tym, co tak naprawdę jest “mózgiem” prostego silnika.
Co tu naprawdę “jest silnikiem”?
Rdzeniem tej interesującej konstrukcji jest wirnik z magnesami neodymowymi osadzonymi po przeciwnych stronach osi. Obok wirnika znajduje się cewka “napędowa” nawinięta na strukturze z LEGO, która obejmuje około 150 zwojów drutu w standardzie 27 AWG, co odpowiada średnicy około 0,361 mm. Druga cewka – “czujnikowa” – ma około 100 zwojów cieńszego drutu 32 AWG, czyli około 0,202 mm średnicy. Cienki drut łatwiej jest upchnąć w cewce, ale ma on większą rezystancję, podczas gdy grubszy lepiej znosi prąd, ale szybciej robi się “klockowaty” i trudniej go nawinąć równo.
Czytaj też: Nowe metamateriały z MIT mogą wchłaniać uderzenia jak kontrolowana poduszka powietrzna
Czytaj też: Miały pękać, a wytrzymują. Najbardziej bezczelny pomysł na elektronikę od lat
W typowym silniku prądu stałego moment obrotowy bierze się nie tylko z pola magnetycznego, ale też z tego, że ktoś musi przełączać kierunek prądu w uzwojeniach w odpowiednim momencie. Klasycznie robią to szczotki i komutator, a w silnikach bezszczotkowych elektronika i czujniki położenia. Tutaj jednak twórca wybrał trzecią drogę.
W tym projekcie silnika cewka czujnikowa działa jak prymitywny wyzwalacz. Sprowadza się to do tego, że kiedy magnes wirnika mija czujnik, to w cewce indukuje się krótki sygnał, trafiający na bazę tranzystora TIP31C. Tranzystor na moment się otwiera i przepuszcza impuls prądu przez cewkę napędową, a ta “popycha” wirnik dokładnie wtedy, kiedy ma to sens. W praktyce jest to więc prosta pętla sprzężenia zwrotnego w stylu: wykryj -> podaj impuls -> pozwól rozpędzić się bez tarcia “od pola” i tak w kółko.
Czytaj też: W tym miejscu rozstrzygnie się przyszłość lotnictwa. Nie uwierzysz w te silniki nowej generacji
Taki oto silnik jest w stanie rozkręcić się do około 1300 obr./min w konfiguracji z dwoma magnesami, a po dołożeniu przekładni 3:1 prędkość spada w okolice 433 obr./min, ale rośnie za to uzyskiwany moment obrotowy, który pozwala zastosować taki sprzęt w roli napędu pojazdu. Oczywiście takiego z klocków LEGO. Ciekawy jest też eksperyment z tarczą mającą osiem magnesów. Intuicyjnie ktoś mógłby oczekiwać “więcej magnesów = szybciej”, a tymczasem prędkość spadła do około 480 obr./min. przy jednoczesnym zysku na płynności oraz wyraźnie wyższym momencie obrotowym. Bierze się to z tego, że impulsy pojawiają się częściej i bardziej równomiernie rozkładają siłę w czasie. W takich układach rzeczywiście łatwo wpaść w ograniczenia wynikające z nasycenia rdzenia, rezystancji uzwojeń, a nawet z tego, że magnesy zwiększają opory, bo zwyczajnie trudniej “przepchnąć” wirnik, kiedy układ częściej wchodzi w fazę interakcji magnetycznej.