SteMaLeTOR - Schwebendes Objekt

SteMaLeTOR heißt dieses Mal das Projekt. Dabei handelt es sich um nicht anderes als: Steves Magnetic Levitation Simulator (Steve ist mein Spitzname...).

Warum geht es? Darum, Magneten in der schwebe zu halten!

Laut Wikipedia bezeichnet Levitation das freie Schweben eines Objektes [1]. Da dies auf unser Erden dank der Erdanziehungskraft nur bedingtmöglich ist, muss diese Kraft durch eine Gegenkraft kompensiert werden. Schon zu Kindertagen experimentierte ich gern mit Magneten und des Öfteren habe ich versucht, durch ganz bestimmte Stellungen von mehreren Magneten, einen Magnet in der schwebe zu halten. Dies ist natürlich extrem schwierig und ohne aktive Feldregelung nicht umzusetzen. Nun, gut 20 Jahre nach diesen Tagen, gibt es sehr günstig passende Sensoren zum detektieren der Magnetfeldstärke zu erwerben. Damit sollte es doch möglich sein, durch permanente Messung des Magnetfeldes einen Magneten in der Schwebe zu halten?!

Aufbau:

Die Idee ist es, einen Magneten durch einen Elektromagneten permanent "nach oben" zu ziehen, um so die Erdanziehungskraft zu kompensieren. An einem Lasercutter habe ich mir dazu mit 3mm MDF-Plattenmaterial eine Art Galgen zurechtgeschnitten (3D-Files siehe Anhang). Die anderen Teile stammen auf dem 3D-Drucker. Die Konstruktion wurde vorher in Solidworks angefertigt und validiert.

3D Modell im Solidworks

In der Kuppel soll die Spule und der Hall-Sensor Platz finden. Die Spule wird dafür selbst aus 0,22mm Kupferlackdraht gewickelt, da ich nirgends passende Spulen gefunden habe. Um das Magnetfeld zu bündeln, kommt in den Spulenkern ein Stück 10mm Rundstahl. Auf die Oberdeite der Spule wird noch ein Scheiben-Neodym-Magnet geklebt, damit der Magnetische Kreis geschlossen wird. Passende Neodym-Magnete gibt es reichlich im Netz erhältlich - ich bezog die von mir verwendeten dort her: [2].

Fertiger Aufbau

Schaltplan:

Diesmal setze ich voll auf analoge Regelung - also ohne Mikrocontroller. Am Eingang des OPV liegt die Ausgangsspannung des Hallsensors an, welcher die Magnetfeldstärke misst. Mittels Komperator wird die Sensorspannung ausgewertet und somit als analoger Zweipunktregler der Transistor angesteuert und damit die Spule geschaltet.

Schaltplan

Durch die Regelung schwingt das System stabil mit einer bestimmten Frequenz, welche abhängig von der Masse des schebenden Objektes ist. So sieht die Spannung über der Spule für den Kugelmagneten mit zwei 7mm-Würfeln als schwebende "Last" aus:

Spannung über die Spule

Die Änderung der Schwebehöhe des Magneten hat eine Änderung der Pulsweite und Frequenz zur folge. Über das Potentiometer kann die Empfindlichkeit des Sensor eingestellt werden. Es empfiehlt sich ein Präzisions-Potentiometer zu verwenden, da es bei meinem ersten Aufbau gezeigt hat, dass der stabilste Punkt sehr schwer einzustellen ist.

Video:

// folgt

Hier noch ein paar Impressionen des Aufbaus:

 

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Levitation_%28Technik%29

[2] http://www.supermagnete.de/supermagnete-starke-neodym-magnete

 

Attachments:
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