粒子加速器模型曝光:操作可与无刷直流电机相媲美

2019年08月15日 作者:suc1247

该项目是一个模型粒子加速器,可以在闭合管周围电磁推进钢球。这是高中科学项目的升级,并使用三到六个电磁铁。它从12V DC运行。

该模型的操作可与无刷直流电机相媲美,因为传感器检测转子(钢球)位置,电磁铁在计算机控制下切换。与BLDC电机一样,时序至关重要,可用于改变性能特性。另一种解释是线圈枪的圆形配置,但是使用精确定时的直流电源而不是充电电容器作为电源。默认设置和12V电源,滚珠轴承每秒旋转约4米。 如果为每个电磁铁单独调节定时脉冲,并且电压增加到20V,则可以实现高达每秒10米的速度。

基本概念

除了检测传感器中球位置的硬件中断,Arduino几乎被推到极限,并承担各种其他责任:

  • 扫描3D打印油门和相关按钮的输入。它们作为一个基本的输入系统来改变定时参数;
  • 在TFT屏幕上实时显示速度、定时特性和压力等;
  • 通过USB接口与PC机通讯,PC机上的处理程序实时显示性能;
  • 可选控制其他功能,详细描述;

标准尺寸的粒子加速器使用1米长的FEP管。FEP是高度透明的,与聚四氟乙烯具有类似的极低摩擦。下一个最大尺寸的管被用来安全地对齐FEP管的两端,形成一个几乎没有明显的连接环。所有的电磁铁和其他部件都在管子上滑动。

准确可靠地检测高速钢球是非常重要的。选择红外发光二极管和光电晶体管来完成这项任务,输出脉冲通过施密特触发器变成数字信号。即使在恒定速度下,球的圆形形状也可能导致不同的红外束遮挡时间,这取决于球在横截面上的滚动位置。因此,决定将球的速度估计为两个固定点红外光束之间的时间差,而不是单个红外光束的遮挡时间。LED/光电晶体管对的物理外壳需要多次迭代,以可靠地屏蔽环境光,精确定位并易于组装/拆卸。最后,开发了以下3D打印半壳设计。

中心孔允许整个壳体旋转,以允许管移动,或整体设计的不同尺寸半径。

电磁铁系统的设计对性能至关重要,特别要注意减减小磁通路径(如空气、塑料等)中的间小磁通路径(如空气、塑料等)中的间隙。选择的FEP管尽可能薄。虽然将线圈直接缠绕在FEP管上会使磁通路径最小化,但由于难以沿管重新定位线圈,因此很难实现,因此决定使用薄壁管。审查了一系列现有的商用线轴/电磁线圈设计,以确定其与管尺寸的兼容性,但未发现合适的匹配,需要定制设计的线轴。与需要几毫米壁厚的3D打印线轴不同,定制线轴是用大约1毫米壁厚的CNC加工的。总的来说,电磁系统包括带绕组的线轴、铁氧体环形线圈、钢叠片、用于将组件固定在一起的印刷电路板和钢球。采用铁氧体球被认为是为了避免制动电流的流动,但由于伦茨定律,成本效益铁氧体球无法获得。然而,尝试了自制铁氧体球,但事实证明,它们很难以足够的表面光滑度来制造,以保证连续滚动。

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