研究团队开发特斯拉线圈设计
极客集团国家科学研究所的研究人员开始了一项雄心勃勃的研究和实验计划，试图发现特斯拉线圈(tc)的新用途。
提到特斯拉线圈(TC)，很多人可能会猜测它与以托马斯·爱迪生的同时代和竞争对手尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)命名的开创性电动汽车有关。在某种程度上，他们是正确的。特斯拉开发的交流发电和传输技术已经成为电力传输的全球标准，没有这一点，可能就没有电动汽车。但这些汽车本身并不使用tc，除了一些高中实验室和科学博物馆之外，其他地方也不使用tc。这些线圈是特斯拉短暂的努力，旨在创造一种开放的无线技术，无需电缆就能在全球范围内传输电力。
现在，在ac实现一个世纪后，极客集团国家科学研究所(位于密歇根州大急流城的科学、技术、工程和数学(STEM)集体)的研究人员。他们正在重新审视特斯拉的愿景，并寻求发现新的用途。在线性运动技术的帮助下，他们开始了一项雄心勃勃的研究和实验计划，这在特斯拉的时代是不可能实现的。汤姆逊工业公司捐赠了一个高精度滚珠丝杠组件，这将帮助极客集团的高能工程团队缠绕他们实验所需的数千个线圈。
TC基础知识
TC的前提是基础物理。电流通过导线产生磁场，导线周围变化的磁场产生电流，电容器和电感储存能量形成谐振电路——一个电子摆。
在TC中，电源为电容器组充电到适度电压，直到开关将其连接到底部的低匝数主线圈。这导致一个大的交流“振铃”或振荡流过这个线圈，这导致一个大磁场包络一个更大的，高转数次级线圈。
这导致电流开始在次级线圈中流动，为顶部端子(称为“顶部负载”)和地面之间形成的电容器充电。这个谐振电路继续振荡，并在线圈之间传递功率，直到开关打开或振铃完全衰减。在脉冲后的足够时间内，一个适当定时的附加脉冲可以使振荡的振幅增加，直到以火花、电弧和电晕放电的形式开始发生主要的能量损失。
在一个正常的，很容易理解的配电变压器中，电线是非常紧密和强耦合的，因此在错误的条件下，巨大的电流可以在它们之间流动。在TC中，这种紧密耦合实际上是有问题的，因为它迫使强烈依赖初级和次级线圈之间的匝比。这种强耦合也使得储存在次级线圈中的电力有可能泄漏回初级线圈。通过大大降低这两个线圈相互作用的能力，TC可以导致振荡超过传统变压器计算所显示的电压水平。
在TC中，该比例可能在1:20到1:100之间，而传统的计算建议输出电压在数百千伏到100万伏之间。但由于松耦合，允许电压超调，实现输出从数十兆伏到数百兆伏。
在摆动集上也可以观察到类似的效果。父母适时的24英寸的短推能够开始并增加秋千，直到一个快乐的孩子在几十英尺长的弧线上飞驰。如果父母在秋千上一直抓着孩子，这样的动作就不可能发生。
特斯拉的许多同名线圈的最初目标已经被更便宜、更小、更高效的发明所取代。今天，tc在很大程度上已经沦为好奇心和科学实验。然而，极客小组的研究人员认为，tc有巨大的潜力，可以通过适当调整导线缠绕策略来实现。极客集团(The Geek Group)的首席执行官克里斯·博登(Chris Boden)认为，通过调整缠绕，他可以调整线圈，使其达到更高的共振状态。
博登说:“我们可能会用对数锥形线圈进行实验，研究物理和数学，以确定实现理想共振的算法。”“我们可能会对次级线圈的线圈间距进行实验，可能会在开始时将两个匝相邻缠绕，并将它们的间距设置为0.005英寸。在第一英寸之后，逐渐增加它们，直到你到达线圈的末端，在那里它们可能会结束8到10英寸。另外，因为磁通密度(电磁力)很低。或者我们可能反过来做，因为低通量密度实际上可能保证顶部更紧密的缠绕，等等。在我们开始研究之前，我们不会知道答案。”
秘密就在线圈里
目前使用的大多数tc都是通过手工将铜线缠绕在提供气隙的PVC管上形成的。手动绕线是可能的，并鼓励最小的教室应用，这可能涉及一个1或2英尺乘4英寸的次级线圈。但是在缠绕成千上万的次级线圈时，有些线圈的长度高达8英尺，手动缠绕不仅会非常辛苦，而且也无法提供完美谐振所必需的精度。
卷绕过程的一部分包括在电线上涂上环氧树脂或聚氨酯，以密封和绝缘包裹层。即使是微量的水分也会干扰实验。在卷绕过程中涂布是最有效的。因为它必须实时干燥和固化，管子必须持续转动长达一周。在此期间，除了实验协议中定义的情况外，线圈必须处于直线位置，没有间隙。根据测试内容的不同，一个实验可能需要多达20个完全相同的副本。当绕组彼此接近时，这种一致性相对容易实现，就像今天大多数tc一样。然而，正如极客小组想做的那样，在涉及改变间距的实验中，精度是至关重要的。为了实现这一目标，极客集团的研究人员正在建造一台绕线机，这就是高级线性运动的由来(见图1)。
自动卷绕过程
极客集团的绕线机可以提供缓慢而稳定的运动，需要保持线圈稳定转动几天。精度的关键将是一个8英尺的精密滚珠丝杠，它将伺服电机的旋转运动转换为引导送丝装置穿过线圈所必需的线性运动(见图2)。寻找与极客组所拥有的高标准相匹配的技术是研究所的互联网中继聊天(IRC)团队所面临的挑战。
博登说:“我们的IRC团队的任务是寻找行业中最好的线性运动技术。IRC是一个全天候不间断的智库，由来自许多科学和技术学科的数百名专家组成。他们分析了大约十几种不同的产品，得出的结论是，汤姆逊精密滚珠丝杠完全可以满足我们的需求，完全可以按照我们的想法来做。”
一位客户支持工程师指导极客集团团队选择能够满足其需求的确切配置。该产品是一个快速安装滚珠丝杠组件，之所以这样命名是因为大部分的组装和配置都是在运输之前完成的，这避免了现场组装组件可能导致的精度问题。最后的配置包括一个8英尺的滚珠丝杠，略低于1英寸。直径(见图3)。
法兰轴承支架支撑支撑架两端的螺钉，驱动螺母转换为伺服电机转动驱动器，驱动器通过法兰安装到连接到送丝组件的钢板底部。当一个伺服电机保持管道以1到200转/分的恒定速度转动时，第二个伺服电机保持螺母在螺纹驱动器上移动，并随着它，进给装置以不到1英寸的速度缓慢地在线圈上滑动。每分钟。
滚珠丝杠驱动器将旋转运动转换为直线运动，或反之亦然，由滚珠丝杠和滚珠螺母组成。这些被包装为一个装配与再循环球轴承。滚珠丝杆和螺母之间的界面由滚珠轴承制成，滚珠轴承以匹配的形式滚动。通过滚动元件，滚珠丝杠传动具有低摩擦系数，通常效率大于90%。传递的力分布在大量的球轴承上，使每个球的相对载荷较低。
绕线机将使实验能够测试多种绕线策略对穿过二次线圈的磁场的影响(见图4)。
请继续关注
线圈的生产开始于2017年5月，极客集团计划在未来进行更大的线圈和实验(见图5)，他们最终会实现特斯拉的愿景吗?他们会发现TC的新功能吗?如果没有别的，我们可以肯定极客集团的高能团队，7.5万名极客集团在线订阅用户，超过1500万的在线视频观众，可能还有整个科学工程界，最终会对这种强大但几乎被抛弃的技术了解更多。
杰夫·约翰逊(Jeff Johnson)是汤姆逊工业公司在伊利诺伊州伍德戴尔。他负责丝杠、滚珠丝杠和螺丝千斤顶。
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