Cuprins

1 INTRODUCERE

1.1 Proiectul in ansamblu1.2 Obiectivul tezei 1.3 Definitia levitatiei magnetice1.4 Incitantul domeniu al ingineriei de control1.5 Tipuri de design in ingineria de control 1.5.1 Viziunea de proiectare 1.5.2 Punerea in fuctiune si acomodarea 1.5.3 Studiul de investigatii1.6 Sumarul tezei

2 LITERATURA EXISTENTA IN ABORADAREA LEVITATIEI MAGNETICE

2.1 Introducere2.2 Bazele magnetismului2.3 Terra un mare magnet 2.4 Producerea magnetismului 2.5 Câmpul invizibil2.6 Tehnici ale levitaţiei magnetice

2.6.1 O viziune 2.6.2 Principalele limitări ale tehnicilor electromagentice ale levitaţiei magnetice2.6.3 Levitaţia folosind magneţi permanenţi2.6.4 Levitaţia folosind materiale diamagnetice2.6.5 Levitaţia folosind superconductori2.6.6 Levitaţia folosind curenţi turbionari2.6.7 Levitaţia cu conductori cu curent in câmpuri magnetice2.6.8 Suspensie in circuite rlc in câmp electrostatic.2.6.9 Suspensie in circuite rlc in câmp electromagnetic2.6.10 Suspensie in circuite cu electromagneţi de curent continuu2.7 Tehnologii si aplicaţii2.7.1 Rulmenţii magnetici.2.7.2 Rulmenţii magnetici cu superconductori 2.7.3 Magneţii de ultimă generaţie 2.7.4 Magneţi reciclaţi2.7.5 Magneţii superconductori2.7.6 Trenuri maglev

3 MODELAREA MATEMATICA

3.1 Introducere 3.2 Analiza sistemului si design 3.3 Determinarea parameterilor

4 IMPLEMENTAREA HARDWARE SI SOFTWARE A SISTEMULUI

4.1 Introducere 4.2. Schema fizică si electrică. Piese componente 4.2.1 Arduino uno 4.2.2 Led-ul infraroşu 4.2.3 Fototranzistorul 4.2.4 Mosfet 4.2.5 Bobina 4.3 Software

1

5 CONCLUZII ŞI RECOMANDARI

5.1 Concluzii

5.2 Recomandari

BIBLIOGRAFIE

2

Cuvânt înainte

Levitaţia magnetică a evoluat din considerente importante în proiectarea sistemelor care necesită pierderi reduse datorate frecării şi a unui consum redus de energie. Aplicaţiile sale variază de la sistemele de transport feroviar de mare viteză pana la diverse aplicaţii industriale (de exemplu, lagăre magnetice). Magnetismul şi sistemul de buclă închisă de control sunt secretele de a face un obiect să plutească în mijlocul spaţiului în care gravitaţia este prezentă.

Lucrarea de fată va implica proiectarea şi implementarea unui dispozitiv de levitaţie magnetică adecvată pentru a fi inclus ca implementare hardware în sistemele de control.

În lucrare vom proiecta si implementa un sistem de control pentru levitaţia magnetică

a unei bile de oțel sau bile magnetice. Un emiţător infraroşu şi detector sunt montate ca emiţător şi repectiv receptor de lumină, pentru a crea un fascicul invizibil pentru circuitul de control. Cum atracţia magnetică face ca bila să fie atrasă de bobină, bila va începe să blocheze fasciculul de lumină. Circuitul de control foloseşte un sistem feedback de la detectorul de lumină infraroşu (de la receptor) pentru a regla curentul in bobină şi pentru a păstra obiectul exact centrat în fasciculul de lumină infraroşu. Compensatorul de fază al circuitului de control este proiectat astfel încât echilibrul este atins în cazul în care forţa de atracţie magnetică echilibrează exact forţa de gravitaţie ce actionează asupra bilei. Bila apoi rămâne perfect suspendată sub bobină, cu nici un mijloc vizibil de sprijin.

Acest sistem de levitaţie magnetică are scopul de a oferi un mijloc, pentru studenţ,i de a întelege şi de a dezvolta tehnici de analiză şi proiectare adecvate pentru sisteme asemănătoare.

3

1 Introducere

1.1 Proiectul de ansamblu

Miniaturizarea dispozitivelor si circuitelor electronice au revoluţionat totul, de la telefoane la implanturi medicale. Producţia de piese de înaltă calitate si dimensiuni uimitoar de mici necesită îmbunătăţiri tehnologice de prelucrare şi mişcare. Pentru a stabiliza părţi de maşini şi a le mişca cu un nivel ridicat de precizie, este necesară o nouă clasă de acţionare. Printre aceste maşini, levitatoarele magnetice oferă multe beneficii ce nu pot fi egalate de nici un alt procedeu. Este in intenţia acestei lucrări de teză să pună în aplicare un actuator magnetic cu un singur grad de libertate care va produce mişcarea precisă de control a obiectului care vrem să il levităm. Obiectivul în spatele operațiunii de levitaţie magnetică este exprimat in ideea de a include un dispozitiv Maglev în sistemele de control industriale, astfel încât studenţii ar putea explora caracteristicile şi dinamica de răspuns a sistemului. Pentru a găzdui acest lucru, un dispozitiv de levitaţie magnetică va fi construit ca acesta sa poată demonstra levitaţia magnetică şi, de asemenea, să permită studenţilor să adune informaţii relevante privind sistemul. Un dispozitiv Maglev este un sistem care utilizează câmpuri magnetice ca să plutească un obiect într-o anumită poziţie. Cei mai mulţi oameni au experimentat cu magneţi permanenţi sa leviteze şi să înţeleagă cum pluteşte în aer un obiect, însa s-a dovedit destul de dificil. Dacă un obiect este plasat prea departe de sursa magnetică, câmpul magnetic este prea slab pentru a sprijini greutatea obiectului. Dacă este plasat prea aproape de sursa magnetică, câmpul magnetic devine prea puternic şi provoacă obiectul să se îndrepte spre sursa până când se face un contact fizic cu magnetul. Din cele de mai sus, se constată că un dispozitiv de levitatie magnetica format din magneţi este un exemplu de sistem inerent instabil. Pentru a depăşi această instabilitate un electromagnet va trebui să fie construit. Acest electromagnet este un dispozitiv simplu alcătuit dintr-un material magnetic sub forma unei bobine cu o înfaşurare prin care trece un curent electric. Această bobină permite varierea acestui curent pentru a genera un câmp magnetic ce se adaptează diferit şi, prin urmare, o forţă variabilă să fie exercitată pe orice obiect în vecinătatea sa. Ştiind că putem controla cantitatea de forță exercitată asupra obiectului de testare, vom putea să dezvoltăm astfel un sistem de control de stabilizare, care poate folosi

4

măsurătorile de poziţie şi viteza ca parametri de feedback pentru a stabiliza poziţia obiectului.

1.2 Obiectivul tezei

Deci problema dată este de a proiecta, construi şi testa un sitem de levitaţie

magnetică care va levita o bilă de oțel sau un magnet sub un electromagnet pe o singură axă cu mare precizie. Obiectivul această tezei a fost atins si s-a proiectat şi construit sistemul de levitaţie magnetică. Sistemul de levitaţie magnetică a fost analizat matematic şi proiectarea unui sistem de

control a facut ca sa levitam o bilă de oțel sau magnet sub un electromagnet, pentru o perioadă nedeterminată de timp, la aproximativ 30 milimetrii distanţa de la baza electromagnetului. De asemnea obiectivul specific acesei teze este de a analiza un sistem de levitaţie magnetică şi de a dezvolta o implementare hardware pentru a analiza comportamentul de sistem al fenomenului de levitaţie magnetică. Aceste sisteme de levitaţie magnetică pot fi utilizate în diferite alte sisteme pentru a dezvolta mai multe competenţe ce pot fi necesare pentru cerinţele de astăzi in domeniul de control al ingineriei moderne.

1.3 Definirea levitaţiei magnetice

Levitaţia este definită ca: "ridicarea unui corp sau obiect deasupra solului fără suport sau dispozitiv de sprijin şi fără ajutor material". Este aproape de ideea antigravitaţională (masa în levitaţie nu atinge solul).

În extinderea definiţiei obiectele grele făcute să plutească trebuie sa facă asta "fără ajutorul material" şi de "nici un dispozitiv de sprijin" (care are o masă), iar un câmp magnetic ţine (în poziţie) un obiect în suspensie de la sol fără nici un ajutor material

între sol și orice punct al obiectului şi pune acest obiect în levitaţie. Astfel un elicopter sau o minge de tenis de masă, pluteste pe un jet de apă sau un jet de aer deci nu "plutesc(levitează)", fluidul (apă sau aer) care curge cu putere le susţine greutatea.

1.4 Incintantul domeniu al ingineriei controlate

Controlul de tip Feedback in inginerie are o istorie lungă, care a început cu dorinţa timpurie a oamenilor pentru a valorifica materialele şi forţele naturii în avantajul lor.

5

Primele exemple de dispozitive de control includ sisteme de reglare cu ceas şi mecanismele pentru păstrarea morilor de vânt in direcţia bătăii vântului.

Un pas decisiv înainte în dezvoltarea sitemelor de control a avut loc în timpul revoluţiei industriale. În acel moment, maşini diferite au fost dezvoltate , maşini ce au îmbunătăţit mult capacitatea de a transforma materiile prime în produse pentru beneficiu societaţii. Cu toate acestea, utilajele asociate, în special motoarele cu aburi, implicau cantităţi mari de energie, şi energii ce se pierdeau odată cu acesta, aceştia şi-au dat repede seama că această putere trebuie "controlată" într-o manieră organizată iar sisteme de feedback au fost inventate si făcute să funcţioneze în condiţii de siguranţă şi eficienţă. O dezvoltare majoră a acelui moment a fost de exemplu inevenţia regulatorului de debit penru aburi pe principiul bilelor zburătoare al lui Watt. Acest dispozitiv reglează viteza un motor cu aburi de supraîncărcarea fluxului cu abur, a se vedea figura 1.1. Aceste dispozitive au rămas disponilbile si pâna azi .

Figura 1.1: Regulatorul de debit a lui Watt

Cele două războaie mondiale, de asemenea, au condus la multe evoluţii în controlul ingineriei. Unele dintre acestea au fost asociate cu sistemele de orientare, în timp ce

altele au fost conectate cu avansate sisteme de fabricaţie, cerințe impuse de efortul de război.

Zborul în spaţiu în anii 1960 şi dupa 1970, de asemenea, a depins de dezvoltarea sistemelor de control. Aceste evoluţii apoi s-au aplicat asupra producţiei de bunuri de consum, precum şi alte aplicaţii comerciale, precum şi mediu (ecologie) şi cele

6

medicale. Aceste aplicaţii avansate de control au continuat apoi într-un ritm si mai rapid. Pentru a cita doar un exemplu, centrul liniei control pentru grosime în laminoare a fost o poveste de succes major prin aplicari avansate de inginerie de control. Într-adevăr, precizia controlului de grosime in centrul liniei s-a îmbunătăţit cu două ordine de mărime in ultimii 50 de ani, şi nu numai partea această parte, de a controla grosimea. Pentru multe companii aceste evoluţii nu au dus doar la creşterea rentabilităţii dar, de asemenea, a fost vital pentru unele să nu dea faliment.

Până la sfârşitul secolului XX, ingineria de control a devenit un element omniprezent (dar în mare parte nevăzut) societăţii moderne. Practic fiecare sistem cu care venim în contact este susţinut de sisteme de control sofisticate. Exemplele variază de la simple produse de uz casnic (reglarea temperaturii în aparate de climatizare, termostate în încălzitoare de apă caldă etc.) la mult mai sofisticate sisteme, cum ar fi autoturismul de familie (care are sute de bucle de control) şi la sisteme pe scară largă (cum ar fi combinatele chimice, aeronavele şi procesele de fabricaţie moderne).

Multe dintre aceste controlere industriale implică tehnologii de "ultimă oră". De exemplu, în exemplul de laminor citat anterior, sistemul de control implică forţe de

ordinul 2.000 tone, viteze de până la 120 km/oră și toleranțe (în industria de aluminiu) de 5 microni sau 1/500 de grosimea unui fir de păr uman! Toate acestea se realizează cu hardware de mare precizie, instrumente de calcul avansat şi algoritmi de calcul sofisticat.

Dincolo de aceste exemple "industriale", mecanismele de reglementare feedback sunt esenţiale pentru funcţionarea sistemelor biologice, reţelelor de comunicare, economiilor naţionale şi chiar banala interacţiune umană. Într-adevăr dacă cineva cauta cu atenţie, sistemele de control, într-o formă sau altă, se găsesc în fiecare aspect al vieţii.

În acest context, controlul ingineriei este preocupat cu proiectarea, implementarea şi menţinerea acestor sisteme. Aşa cum vom vedea mai târziu, aceast domeniu este unul din cele mai dificile şi interesante zone ale ingineriei moderne. Într-adevăr, să efectueze controlul cu succes trebuie să combine multe discipline, inclusiv de modelare (pentru a captura si înţelege esenţa care sta la baza fizică si chimică a procesului), o tehnologie senzor (pentru a măsura starea sistemului), actuatori (care să se aplice măsuri corective sistemului), de comunicare (pentru a transmite date), de calcul (pentru a îndeplini sarcina complexă de schimbare a datelor măsurate în forme de acţionare corespunzătoare), şi interfaţare (pentru a permite o multitudine de diferite componente într-un sistem de control sa "vorbescă" între ele şi să formeze un tot unitar).

Astfel ingineria de control este un subiect interesant multidisciplinar cu o gamă extrem de mare de aplicaţii practice. În plus, interesul pentru controlul ingineriei este puţin probabil să se diminueze în viitorul apropiat. Dimpotrivă, este probabil să devină tot

7

mai importanat datorita creştereii globalizării pieţelor şi preocupărilor tot mai mari legate de mediu.

Am văzut mai sus că ingineria de control a facut paşii cei mai importanţi în momente cruciale din istoria umanităţii (ex. revoluţia industrială, al doilea război mondial, zborul în spaţiu, globalizare economica, acţionării economice gandită prin bursa de valori etc.). Fiecare dintre acesti paşi au fost susţinuţi de incredibila dezvoltare ,corespunzătoare a fiecărui domeniu, în care stă la baza teoria de control.

Din vremuri timpurii, atunci când conceptul de feedback a devenit imperios necesar şi a început sa fie aplicat, inginerii s-au întâlnit uneori cu rezultate neaşteptate. Aceste descoperiri au devenit catalizatori pentru analizarea riguroasă a conceptului. De exemplu, dacă vom merge înapoi la regulatorul de debit cu bile zburătoare a lui Watt, s-a constatat că, în anumite cazuri aceste sisteme ar putea produce oscilaţii de auto-

susţinere. Spre sfârșitul secolului al XIX-lea mai mulţi cercetători (inclusiv Maxwell)

au arătat cum aceste oscilaţii pot fi descrise prin proprietățile ecuaţiilor diferenţiale ordinare.

Evoluţia tehnica şi nu numai în jurul perioadei celui de al doilea război mondial a fost, de asemenea, dublată de evoluţiile semnificative în teoria de control . De exemplu, munca de pionierat a fost dusa de Bode, Nyquist, Nichols, Evans şi alţii care au apărut cu aceste concepte în acel moment. Acele mijloace grafice simple pentru analiza problemelor de control al feedback-ul cu o singură intrare si o singura ieşire, sunt acum, cunoscute sub termenul generic "teoria clasică de control".

În anii 1960 s-a văzut o dezvoltare a zborului in spaţiu iar atunci s-au dezvoltat sisteme alternative mai complexe pentru controlul stărilor. Acest lucru s-a putut vedea in urma publicării lucrărilor lui Wiener, Kalman (şi alţii) care au făcut ca in aceste sisteme pe lângă control să apară optimizarea şi estimarea proceselor. Deci au facut ca probleme cu mai multe variabile să fie tratate într-o manieră unitară. Acest lucru a fost considerat dificil, dacă nu imposibil, în cadrul viziunilor clasice. Acest set de evoluţii se numesc astăzi "Teoria modernă de Control".

În anii 1980 aceste abordări diferite pentru control au atins un nivel si mai sofisticat şi accentul apoi s-a mutat pe alte probleme conexe, inclusiv pe efectul de modelare al erorii privind performanţa de controlelor de tip feedback . Acest lucru poate fi clasificat ca perioada de "Teoria Robusta de Control".

În paralel a fost facuta o muncă substanţială pe probleme de control neliniare. Acest lucru a fost motivat de faptul că multe probleme de control al lumii reale implica efecte neliniare.

8

Au existat numeroase alte evoluţii inclusiv controlul adaptiv, autoreglarea, control inteligent, etc. Acestea sunt prea numeroase pentru a le detalia aici. Oricum, scopul acestei expuneri este de a relata doar o scurta istorie, care sa trezească interesul şi întelegerea despre ce vorbim când pronunţăm cuvintele controlului ingineriei sau ingineria de control.

1.5 Tipuri de design in sistemele de control

Designul sistemelor de control în practică necesită un efort ciclic, unde între modelare, proiectare, simulare, testare şi implementare trebuie să fie găsite soluţiile optime dupa nevoi si necesităţi.

Proiectarea fiecarui sistem de control, de asemenea, ia mai multe forme diferite şi fiecare necesită o abordare uşor diferită.

Un factor care influenţează forma sistemului este dacă sistemul e parte a unei misiuni predominant comerciale sau nu. De exemplu în cazul care acest lucru nu include cercetarea, educaţia sau o misiune specială, cum ar fi de aterizarea primului om pe lună. Deşi costul este întotdeauna considerabil, aceste tipuri de design de control în principal sunt dictate de cerinţă tehnică, de cerinţă pedagogică, de fiabilitate şi de siguranţă.

Pe de altă parte, dacă proiectul sistemului de control este motivat comercial, atunci devine o situaţie diferită si trebuie să ştim dacă face parte dintr-un produs comercial de largă folosiţă (cum ar fi sistemul de control electronic al vitezei – cruise control) sau

dacă este parte a unui proces de producție (precum controlerul de mişcare a unor roboţi de asamblare). În primul caz trebuie să se ia în considerare in costul final al autoturismului doar nişte banaele de microcontrolere. În al doilea caz unde avem în mod semnificativ contolere mai complexe, care vor furniza îmbunătăţirea procesului de fabricaţie, preţul se va lua din valoarea produsului prelucrat.

1.5.1 Viziunea iniţială de proiectare

În această fază, inginerul de controlul se confruntă cu un spaţiu gol, el trebuie sa aibă o viziune asupra proiectului şi este nevoit sa vină cu un concept de început care mai apoi să-l poata dezvolta. Aceasta trebuie sa fie sigur de factorii ce apar si să-i includa pe toţi mai apoi în proiectul său de control.

În general sistemele şi plantele de producţie sunt proiectate pe baza unei aşa zise stări de echilibru, pe consideraţii singure şi uşor de identificat. Însă apoi avem marea

mirare că dificultăți operaționale apar mai jos pe pistă. Este convingerea noastră că inginerii de control ar trebui să fie parte integrantă din toate echipele de proiectare.

Inginerul de control trebuie să interacţioneze şi să i se prezinte toate specificațiile de

9

proiectare, pentru a se asigura că sunt luate in consideraţie şi problemele de dinamică, şi nu numai starea de echilibru.

1.5.2 Punerea in funcţiune şi acomodarea (tuning)

Odată ce bază arhitecturală a unui sistem de control este facută , inginerul de controlul devine unul de tunare, de acomodare al sistemului de control pentru a satisface specificaţiile cerute cât mai bine posibil. Această fază necesită o înţelegere profundă a principiilor de feedback pentru a se asigura că tunarea sistemului de control se efectuează în mod oportun, sigur şi satisfăcător.

1.5.3 Studiul de investigaţii

Sudiul investigaţiilor aparţin consultanţilor de inginerie de control. Investigaţiile despre ce s-a întamplat, cum şi de ce, sunt adesea rolul unei ei intra in proiect al consultanţilor de inginerie de control. Aici scopul lor este de a sugera acţiuni corective care va rezolva o problemă observată în procesul de control. În aceste studii, este important ca inginerul de control sa aibă o vedere holistică asupra procesului, deoarece controlul de succes, de performanţă, de obicei, depinde de funcţionarea satisfăcătoare a mai multe componente interconectate. În experienţa noastră, superficialitatea dăuneaza performanţa controlului şi susceptibiltatea este in general asociată cu defecte a bazei de proiectare, actuatori săraci, senzori inadecvaţi, sau probleme cu sistemul de calcul (software) sau chiar calculatorul, iar rezultatul este unul sărac. Toate aceste probleme ar trebuie să intre in fişa postului pentru inginerul de control, şi într-adevăr, de multe ori numai inginerul de control care are o vedere de ansamblu poate să faca corecţiile necesare pentru a rezolva cu succes aceste probleme complexe.

1.6 Sumarul tezei

Teza este separată în şase capitole distincte. O scurtă descriere a fiecărui capitol este după cum urmează:

Capitolul 1 - Acest capitol oferă o introducere generală, dă conturul temei tezei,oferă metodologia care a fost abordată pentru a ne asigura că scopurile şi obiectivele tezei au fost atinse. Acest capitol este, de asemenea, destinat să ofere motivaţia si inspiraţia necesară pentru studierea ingineriei de control.

Capitolul 2 - Descrie fizica levitaţiei magnetice şi al principiilor sistemelor de control de tip feedback.

Capitolul 3 - Acest capitol descrie modelarea matematică şi caracteristicile fizice ale sistemelor de levitaţie magnetică.

10

Capitolul 4 - Acest capitol descrie procesul de integrare fizica hardware . Aici avem detalii pentru toate problemele întâmpinate şi modificările făcute.

Capitolul 5- Acest capitol conţine o concluzie finală a proiectului şi recomandări pentru viitoarele sisteme de levitaţie magnetică.

11

2 Literatura existentă ce abordează levitaţia magnetică

2.1 Introducere

Cercetarea implicata în acest proiect s-a axat pe construcţia unui electromagnet,a unei tehnici de modelare şi stabilitate, unei tehnici de emisie-detecţie şi de asemenea proiectarea unui sistem de control.

Cercetătorile electromagnetice facute au arătat că un electromagnet poate fi controlat în mod adecvat pentru ca sa faca sa plutească o bilă de oțel sau un magnet . Aceasta se poate face cu o forţa magnetica controlata proporţional cu curentul ce trece prin bobina electromagnetului.

2.2 Bazele magnetismului

Magnetismul este o forţă de baza a naturii. Iar un magnet este o bucată de material bogata in metal care atrage anumite obiecte metalice şi atrage sau respinge alte magneţi. Oţelul şi alte combinaţii de metale şi aliaje sunt magnetizable, aluminiul, plumb, aur şi alamă nu sunt magnetice. Rocile şi minerale care conţin fier de multe ori prezintă proprietăţi magnetice. Magnetita este un mineral bogate in fier găsit în rocile din întreaga lume. Magnetita este un magnet natural. Un obiect care contine fier nu înseamnă ca este un magnet. Magneţi pot apărea în mod natural sau pot fi fabricati.

Magneti fabricati pot fi temporari sau permanenti. Obiectele care contin fier pot deveni magnetizati dacă sunt expusi la magnetism. De exemplu, un cui din oţel care conţin fier normal nu se comporta ca un magnet. Daca insa intra in contact cu un magnet, cuiul incepe sa aiba proprietati magnetice de atractie sau respingere. Odata ce magnetul este indepartat cuiul nu mai are acele proprietati. Deci obiectele care păstrează magnetismul lor permanent sunt numite magneţi temporari şi sunt de obicei compuse din fier. Magneţi temporari câştiga şi isi pierde uşor magnetismul lor. Pe de altă parte, magneţi permanenţi păstrează aceea proprietate de magnetism. Oţelul este frecvent utilizat pentru a fabricatia magneţior permanenţi pentru că ei păstrează acele proprietati magnetice.

Teremenul de magnet provine de la cuvântul grecesc magnezia. O legenda greaca spune ca un cioban a observat că obiecte personale metalice a fost atrase de bucăţi mari de

12

magnetita. Aceste depozite minerale bogate în fier au devenit cunoscute sub numele de magneţi, numite dupa locul de naştere al ciobanului, Magnesia.

Chinezii şi europenii au învăţat să utilizeze proprietatile direcţionale ale magneţilor pentru a naviga pe mare cu sute de ani în urmă, crescand astfel călătoriile si implicit schimburile comerciale. Prima busola a fost pur şi simplu o bucată lunga de magnetita ce plutea pe o bucata de lemn in apa sau suspendat de un fir de ata. . Atunci când i se permite să circule liber, capatul barei de magnetita se indreapta mereu spre polul nord.

Magneţi vin în diferite forme şi dimensiuni. Indiferent de forma sau dimensiuni, toti magneţii au două lucruri în comun: o Polul Nord şi Polul Sud. Cei doi poli ai unui magnet sunt numite Nord şi Sud, din cauza tendinţei acestora de a se alinia spre punctule Nord şi Sud polii pământului..

În cazul în care un magnet este rupt în bucăţi mici, fiecare bucată va deveni un magnet cu polul Nord şi polul Sud. Nu există nici un astfel de magnet sa aiba doar polul Nord sau doar o polul Sud. Magnetii se atrag si se resping dupa cum polii interactioneaya intre ai, poli de acelasi fel se resping, iar poli diferiti se atrag.

Magneţi expun aceste proprietăţi, atragerea şi respingere, din cauza dispunerea lor atomice . Ca toate materialele, fier, cobalt şi nichel acestia sunt compusi din atomi. În aceste materiale cu potenţial magnetic, gruparile de atomi se comporta ca niste mici magneţi. Acesti atomi sunt numiti domenii. Când domeniile sunt aranjate la întâmplare, materialul nu prezintă proprietăţi magnetice. Pe de altă parte, în cazul în care materialul vine in contact cu un magnet, domeniile atomice se vor alinia într-o singură direcţie şi materialul va deveni magnetizat.

2.3 Terra un mare magnet

La începutul anilor 1600, om de ştiinţă englez William Gilbert a publicat un document important sugerând că Pământul acţionează ca un magnet uriaş şi exercită o forţă magnetică pe toate materialele bogate în fier pe suprafaţa sa. De fapt, pămantul este un magnet foarte mare, dar slab. Ca o bară magnetică, câmpul magnetic al pământului se răspândeşte într-un arc (ca model) peste pământ cu cea mai puternică forţă magnetică la cei doi poli. Minerale precum magnetita prezintă proprietăţi magnetice, deoarece acestea sunt expuse în mod continuu şi interacţionează cu câmpul magnetic al pământului. Busolele, de asemenea, funcţionează din cauza orientarea nord-sud a acului magnetic spre Nord şi Sud, poli pământului.

13

Nordul magnetic al pământului şi de polul sud nu sunt la fel ca polii ca poziţie geografică cu polii nord şi sud. Polii geografici reprezintă puncte cele mai nordice si sudice pe pământ. Interesant, polii magnetici pământului se mută în mod constant. Cum atomi de fier, cobalt şi nichel se răceasc în roca lichidă topită, se aliniează cu curenţii poliilor magnetici. Studiind alinierea rocilor magnetice, se poate vedea schimbările magnetice ale pământului şi s’a făcut o diagramă diagramă cu mişcarea polilor magnetici ai pământului prin timp. Aceasta arată că nu numai polii magnetici s+au mutat, ei chiar si+au schimbat poziţiile în întregime. Cercetările arată că ultima inversare a fost cu peste 700 000 de ani în urmă. În prezent, polul nord magnetic al pământului este situat în apropierea Bathhurst Islanda, în nordul continentul al Canadaei (76º N, 101º W), aproximativ 1.500 de kilometri (950 km) la est de polul nord geografic (90 grade N). Polul sud magnetic este este acum în Antarctica (66º S 140º E). Cauza sau cauzele de circulaţie şi chiar inversarea polilor magnetici nu este complet înţelease de oamenii de ştiinţă.

2.4 Producerea magnetismului

Oamenii de ştiinţă cred că pământul expune aceste proprietăţi magnetice nu pentru ca interiorul pământului conţine un imens magnet, dar curenţii de convecţie transportă atomi în nucleul pămantului. Fluxul curenţilor de convecţie încep să circule atunci când materialulul cald se ridică şi apoi se răceşte, şi materialul mai rece apoi se scufunda. Nucleul Pamantului este compus de rocă topită, şi această piatră lichidă este compusă din atomi. Fiecare atom este compus din electroni percepuţi ca negativi, cei încărcați pozitiv sunt protoni, iar neutroni sunt neutri. Electronii se învârt în jurul sarcinilor încărcate pozitiv protoni şi a celor încărcate neutru neutroni. Mişcarea de rotaţie a electronilor este responsabilă pentru crearea unui mic câmp magnetic în jurul fiecărui atom. Şi aşa mişcarea de rotaţie a atomilor care compun roca topită este responsabilă pentru crearea unui câmp magnetic în jurul Pământului. Magnetismul si electricitatea sunt atât de strâns legate încât oamenii de ştiinţă le consideră două expresii pentru aceeaşi forţă (electromagnetism). La fel ca în magnetism, electricitatea este creată de mișcarea electronilor. Mai exact, atunci când electronii sunt animaţi de un contact apropiat cu un câmp magnetic sau o sursă de

14

alimentare (cum ar fi o baterie), acestea vor mişca. Atomii care compun o bucată de sârmă deţin electroni, protoni şi neutroni care o legătură relativ slabă, numit o legătura metalică. Când electronii sunt excitaţi, ei sunt capabili să se rupă de atracţia pe care o face nucleul atomului şi încep să curgă prin sârmă ca într-o mare de electroni Atunci când aceşti electroni sunt ghidaţi printr-un fir, atunci energie electrică sau curent electric este produs. Aceasta simplă sârmă conduce curentul electric la locaţii specifice, unde poate fi exploatat.

În 1820, fizicianul danez Hans Oersted a descoperit accidental că firele electrice care transportă curent produc un câmp magnetic în jurul lor la fel ca magneţi permanenţi. Oersted a plasat din greşeală un fir de sârma, probabil, ataşat la o baterie, alături de un acul unui compas magnetic ( o busolă) . A constatat că acul compasului stătea îndreptat spre nord până când a fost adus în vecinătatea lui un fir parcurs de curent. Brusc acul compasului s-a mişcat. Când firul parcurs de curent a fost eliminat, acul busolei şi-a reluat din nou poziţia spre nord. Acest lucru l-a dus pe Oersted la concluzia că firul a fost înconjurat de un câmp magnetic şi acest câmp magnetica cauzate acul busolei să se mişte. Descoperirea accidentală că aceşti curenţi electrici produc câmpuri magnetice a determinat oamenii de ştiinţă să investigheze cum câmpurile magnetice, la rândul său, ar putea fi utilizate pentru a produce electricitate. În 1831, fizicianul şi chimistul britanic Michael Faraday a efectuat două experimente pentru a dovedi că magneţi pot fi utilizaţi pentru a produce electricitate. În primul rând, a mişcat un magnet înainte şi înapoi printr-o bobină de fire izolate (plastic filmate) de sârmă. Câmpul magnetic al magnetului în mişcare a excitat electronii şi i-a facut curgă în interiorul firului. Pentru o clipă, Faraday a produs un curent electric cu un magnet. Acest curent nu ar fi fost produs în cazul în care magnetul rămânea staţionar şi câmpul magnetic ar fi rămas constant. Cheia a fost câmpul magnetic în mişcare. În al doilea rând, Faraday mişcat o bobină de sârma înainte şi înapoi peste un magnet, din nou a produs curent electric pentru un moment. Chiar dacă şi aşa câmpul magnetic al magnetului nu a fost în mişcare, curent electric a fost produs pentru că bobina de sârma s-a mişcat în câmpul magnetic. Generatoarele din ziua de azi sunt modelate după acest al doilea experiment. Există două tipuri sau metode de levitaţie magnetică, Levitaţie Electro Dinamică (EDL) şi Levitaţie Electro Magnetică (EML). Levitaţia electromagnetică este, de asemenea, cunoscută ca levitaţie atractivă deoarece utilizează forţele atractive ale magneţilor. Acest sistem foloseste electromagneţi supraconductori situati pe aparatul de orientare atașat la vehicul sub şinele feromagnetice ale trenulu. Magneţi atrag trenul spre, şinele de orientare, care sunt şine feromagnetice. Acum celălalt tip levitaţia electrodinamică este, de asemenea, menţionată ca levitaţie respingătoare pentru ca foloseste forţele respingătoare , adica poli magnetici de acelasi tip. Magneţi situaţi pe partea de jos a trenului ridică trenul care acestia îl împing împotriva polilor magnetici ataşati la sistemul de cale şi ghidare.

2.5 Câmpul invizibil

Puterea invizibilă magnetică din jurul unui magnet este numită câmp magnetic. Câmpul magnetic se extinde în toate direcţiile, dar este cel mai puternic la cei doi poli.

15

El are limite, şi un obiect poziţionat în afara câmpului său nu va fi afectat de aceasta. Magneţii mai puternici au câmpuri magnetice mai mari, iar magneţi mai slabi au câmpuri magnetice mai mici. Un câmp magnetic poate fi suficient de puternic pentru a penetra materiale non-magnetice (cum ar fi hârtie, sticlă, plastic, apă şi carton) şi astfel pot încă exercita o forţă magnetică pe un material magnetic. Chiar dacă câmpurile magnetice sunt invizibile, acestea pot fi expuse de o demonstraţie simplă în cazul în care pe o bucată de hârtie rigidă este plasată peste un magnet şi pilitură de fier este împrăştiată pe hârtie. Pilitura de fier se va aranja într-un model ca un arc, şi astfel se va vedea alinierea în "linii de forţă", care reprezintă o forma vizuală câmpul magnetic. Deoarece câmpul magnetic este cel mai puternic lângă poli, se pot vedea astfel concentrații mai dense de pilitură de fier este în apropiera polilor. Concentrația se subţiază însă spre centru magneţilor, unde câmpul magnetic se slăbeşte.

2.6 Tehnici ale levitaţiei magnetice

2.6.1 O viziune

Fenomenele de levitaţie au fascinat umanitatea, filosofi ,prin trecerea timpului, au privit cu interes acest subiect, însă în ultima vreme când s-a putut găsi o soluţie tehnică, acesta a atras multă atenţie ca un mijloc de a elimina frecarea sau contactul fizic în anumie aplicatii tehnice şi tehnologice. Deşi rulmenti fără frecare sunt o aplicaţie importantă, trenurile de mare viteză cu suspendare şi levitaţie au primit cea maimareatenţie. Pe lângă sistemele cu sprijin pe aer pentru elementele de rotaţie, cum este utilizat pentru Aerotrain în Franţa sau Hovercraft în Regatul Unit, există nouă metode electromagnetice de sprijin pentru mase în rotaţie, sau mase în mişcare pentru transport. Aceste metode sunt după cum urmează:

1. Levitaţia folosind forţele de repulsie dintre magneţi permanenţi.

2. Levitaţia folosind forţele de repulsie dintre materiale diamagnetice.

3. Levitaţia folosind magneţi supraconductori.

4. Levitaţia produsă de forţele de repulsie datorate curenţilor turbionari induşi.

16

5. Levitaţia folosind forţa care acţionează pe un curent dirijor liniar într-un câmp magnetic.

6. Suspendarea folosind un circuit de LCR reglat şi o forţă electrostatică de atracţie dintre două plăci.

7. Suspendarea folosind un circuit de LCR reglat şi o forţă magnetică de atracţie dintre un electromagnet şi un corp feromagnetic.

8. Suspendarea folosind un electromagnet în curent continuu controlat şi forţa de atracţie între corpuri magnetizate.

9. Permeabilitaţi mixte µ în sisteme de levitaţie, unde µ este permeabilitatea materialului.

2.6.2 Principalele limitari ale tehnicilor electromagentice ale levitatiei magnetice

La un moment sau altul, fiecare dintre metodele de levitaţie de mai sus au fost subiectul unor cercetării entuziaste. Însă au existat mereu diferite instabilităţi. Aceste dificultăţi au fost evidenţiate printr-o examinare atentă a naturii forţelor magnetice, aici avem o lege unde forţa este invers proportională cu pătratul distanţei. Earnshaw în lucrarea sa, care este acum considerată o piesă clasică pentru toţi cercetători din domeniul electromagnetic, suspendarea, matematic, arată că este imposibilă pentru un pol magnetic plasat într-un câmp static de forţe , pentru a avea o poziţie de echilibru stabilă, când o lege este invers proporţională cu pătratul altei legi; acest calcul fundamental este cunoscut drept Teorema lui Earnshaw. Braunbeck a efectuat o analiză similară, în mod special pentru constante magnetice şi electrice ale câmpurilor, şi a dedus că suspendarea

sau levitaţia nu este posibilă atunci când materialele prezente au µr > 1 sau < 1,

dar că este posibil atunci când materialele au < 1 sau < 1; este permeabilitatea

relativă şi este permitivitatea relativă a materialului. Suspendarea astfel a fost realizată folosind materiale diamagnetice şi ca urmare a efectului curenţilor în obiecte suspendate. Mai multe variante din ultima metodă, în special, sunt în prezent obiectul unor ample investigatii.

2.6.3 Levitaţia folosind magneţi permanenţi

Rezultă din teorema Earnshaw şi Braunbeck că această suspensie stabilă sau levitaţie, este imposibilă cu un sistem de magneţi permanenţi (sau electromagneţi parcurşi de

curent), cu excepţia cazului în sistemul conţine un material diamagnetic ( < 1), fie un

17

supraconductor ( = 0), şi că este cu totul imposibil să realizeze levitaţie în câmpuri

electrostatice, deoarece nu există nici un material cunoscut de materiale cu < 1.

Aplicatii pe utilizarea de magneţi permanenţi a început în jurul anilor 1890 şi a fost la acel moment un exemplu aplicativ pentru o parte sau o întreaga încărcătură sau un rotor cu sau arbore magnetic. În ciuda numărului mare de brevete nici unul dintre aceste invenţii nu au avut fost un succes comercial. Interes în acest subiect însă au stagnat până în anii 1930 iar apariţia noilor materiale magnetice a trezit din nou acest interes. Cele mai frecvente aplicatii cu magneţi au fost pentru reducerea frecărilor, prin arbori suspendaţi sau axele suspendate. Evoluţiile recente în fabricaţia magneţilor permanenţi, din materiale de ferită cu coercivitatea mare, au trezit din nou interes în ideea de a folosi aceste tipuri de magneţi pentru levitaţia vehiculelor. Polgreen în 1959 a fost primul care a propus o aplicaţie sub forma unui vehicul care utilizează dezvoltările recente pentru magneţii de bariu, ca ei să acţioneze în modul de repulsie. Propuneri similare, inclusiv una pentru trenuri de mare viteză în tuburi vidate în SUA, au fost făcute de alții în acelaşi timp. În toate aceste propuneri se credea că ferita de bariu ar fi ieftină pentru fabricarea în cantităţi mari ce ar fi fost necesare pentru construirea pistei. Unul dintre avantajele utilizării ferită piesa este că nu există nici o curenţi turbionari induşi (Eddy) a căror reacţie ar duce la o forță de foarte buna tragere (frecare magnetică) sau o pierdere de putere la suspensie . McCaig , Bahmanyar şi Ellison au făcut un studii pentur aceste forţe de ridicare, au făcut configuraţii şi modele de pistă. Cu toate acestea, orice sisteme practice construite în jurul acestei idei ar necesita amortizare în direcția verticală, precum şi ghidare şi amortizare în direcţia laterală. Un nou material magnetic a apărut recent, şi anume samariu-cobalt, care are coerecivitate chiar mai mare decât ferita de bariu. Coercitivatea intrinsecă a acesteor materiale de pământuri rare de cobalt poate fi 20-50 ori mai mare decât magneţi permanenţi convenţionali, producând capabilităţi de ridicare ,în modul de repulsie, care sunt 5-10 ori mai mare. În ciuda acestor îmbunătăţiri semnificative în materialele disponibile rămân multe dificultăţi practice în punerea în aplicare a sistemelor de transport folosind piese de magneţi permanenţi.

2.6.4 Levitaţia folosind materiale diamagnetice

Levitaţia poate fi realizată de asemenea în câmpuri magnetice statice prin folosirea materialelor diamagnetice. Cu toate acestea, chiar şi două materiale care prezintă cel mai pronunţate proprietăţi diamagnetice, adică bismut şi grafit, sunt atât de slab diamagnetice încât numai bucăţi mici pot fi levitate. Topicul de levitaţie în prezența materialelor diamagnetice a fost studiat de Braunbeck şi Boerdijk. Braunbeck a levitat bucăţi mici de bismut de dimensiunea 2 x 0,75 mm şi greutate de 8 mg, şi grafit, de 2 x 12 mm greutate 79 mg, în special între poli formaţi de un electromagnet capabil să producă un câmp magnetic cu densitatea de flux 2.3 tesla. Boerdijk a repetat acest experiment pe o scară mai mică folosind magneţi permanenţi şi, de asemenea, a efectuat un experiment alternativ, care a implicat un disc magnetizat de

18

diametru de 1mm între un magnet ce-l atrage în sus şi o bucată de material diamagnetic sub aceasta care pluteşte în aer.

Analiza sa a ajuns la concluzia că ar trebui să fie posibil să plutească magnetizate particule micrometrice magnetizate de dimensiune de o fracţiune de milimetru deasupra unei bucăţi de bismut sau grafit, fără ajutorul unui magnet surmounted. O nouă examinare a levitaţiei diamagnetice este conţinută într-un raport de la General Electric (SUA) , dar concluzia generală ce poate fi trasă din aceste rezultatele de lucru este că inevitabil fenomenul levitaţiei diamagnetice este numai de interes academic.

2.6.5 Levitaţia folosind superconductori

Anumite metale si aliaje când sunt răcite la o temperatura ce se apropie 0 K (-2730C ) devin supraconductori. Starea supraconductoare este indicată prin absenţa completă de rezistenţă electrică, şi o dată iniţiat un curent va continua sa curga fără prezenţa unei surse de tensiune în circuit. Aceasta este însoţită de respingere a fluxului magnetic în structura supraconductoare, care este cunoscut ca efectul Meissner şi care provoacă un supraconductor să se comporte ca un material diamagnetic perfect (µr=0). Suspensia stabilă, folosind magneţi permanenţi, prin urmare, este posibilă. Primul demonstraţie înregistrată a acestui principiu au fost facută de Arkadiev în 1945, şi implica levitaţia uni magnet tip bara de 15 mm peste o placă de plumb supraconductoare. În încercarea ulterioară de a dezvolta un giroscop criogenic de suspendare magnetică,sfere supraconductoare au putu fi levitate asupra diferitelor aranjamente de electromagneţi. Un schemă în care pluteşte în aer un vehicul peste două şine paralele supraconductoare a fost propusă de Powell în 1963. Mai târziu, un al doilea sistem a fost conceput în care s-au ataşat magneţi supraconductori vehiculului; aceşti magneţi se pot plimba peste şine, fără atingerea lor, eliminând astfel nevoia de şine supraconductoare. Au existat, de asemenea, propuneri pentru a sprijini o sanie cu rachetă de lansare capabilă de viteze de 5 km/s şi au existat de asemenea studii suplimentare cu specificaţii de bază pentru transportul vehiculelor de pasageri.

Un vehicul electro-dinamic levitatat este ridicat şi ghidat de forţele de repulsie dintre magneţi supraconductori ai vehicului şi circuitele secundare de pe pistă (curenţi turbionari eddy dacă circuitele de cale sunt pasive). Levitaţie este auto-stabilizatore şi distanţa dintre magneţi şi circuitele secundare poate fi mai mare de 10 cm. Cu toate acestea, rigiditate şi amortizarea suspensiei sunt mici, iar vehiculul trebuie să fie în mişcare pentru a genera ridicarea. Prin urmare, este necesară o viteză minimă care trebuie să fie depășită înainte ca vehiculul să înceapă să leviteze şi sistemul acesta este în general considerat aplicabil numai pentru sistemele de transport de mare viteza (peste 400 km/h). Unele dintre problemele şi dezavantajele care rămân nerezolvate sunt, pe lângă cele de frecare aerodinamică, pe astfel de vehicule există şi o frecare magnetică (curenţii turbionari eddy) care este destul de mare la viteze mici. Această povară este destul de substanţială pe sistemul de propulsie în timpul accelerației. Frecările aceste se reduc la viteze mari, dar pentru a obţine raport ridicare-frecare mare, care este o figură de merit pentru aceste sisteme, o cantitate mare de materiale conductoare (aluminiu) este necesară

19

în circuitul secundar (track). La viteze mari coeficientul scăzut de amortizare inerent sistemului se reduce în continuare şi poate deveni de fapt şi negativ, ceea ce prezintă probleme destul de serioase în stabilitatea vehiculului în general. Însa nu s-a dorit un sistem de amortizare pasivă deoarece era inadecvat. Propunerile considerate au fost pentru a varia curenţii în bobină, sau să varieze puterea în motorul sincron liniar în conformitate cu acceleraţia verticală de feed-back pentru a produce mai multă de amortizare în detrimentul cifrei de merit.

Cercetările în sistemele de levitaţie supraconductoare este destul de activă în Canada, Japonia şi Anglia. Căile ferate naționale japoneze au produs în 1972 un vehicul de 3 si ½ tone, care a avut un lift de 6 cm ,dar cu o orientare care a fost furnizată de roţi pe laturile de ghidaj. Un alt vehicul ,al doilea, şi mai avansate,cu o lungim de operare pe o pistă de 20 de km a fost raportat în 1979 care a realizat viteze mai mari de 250 km. Au existat două proiecte de acest tip şi în SUA. Unul a fost făcut printr-un efort de colaborare între diferite universităţi şi laboratoare industriale sub conducerea Departamentului Transporturilor. Celălalt, numit proiectul de Magneplane, a fost parţial făcut sub direcţia lui National Science Foundation. Ambele studii au fost în mare parte teoretice, iar partea experimentală a implicat doar magneţi permanenţi. Cercetare în SUA se pare că au fost suspendate pe termen nelimitat începând aproximativ cu 1975.

Cercetare în Canada pentru sisteme de levitaţie supraconductoare pentru transport de mare viteză deasupra solului, folosind motorul sincron liniar pentru propulsie se efectuează de către o echipă multidisciplinară de oamnei de ştiinţă şi ingineri de la universităţi din Toronto, Queens şi McGill. O roata cu diametrul 7.6 mm ce se învârte deasupra unei axe verticale cu o viteza periferică de maxim de 100 km/h este folosită pentru a efectua diferite teste cu scară largă la sistemele de propulsie, levitaţie şi de orientare (ghidaje laterale). În Marea Britanie munca de cercetare în acest domeniu este în desfăşurare pentru un număr de ani la Universitatea Warwick; şi o pistă de 600 m a fost construită pentru a testa un vehicul mic care, iniţial, este tras de o frânghie la viteze de până la 35 m/s. Acest vehicul mic este 3 m lungime si cantareste 150 kg. Studii sunt, de asemenea, sunt efectuate de consorţiile Siemens, AEG și Brown Boveri, în Erlangen din Germania şi un vehicul a fost supusunor teste preliminare pe o pistă circulară 280 m diametru. Se crede că din cauza problemelor de orientare-ghidare şi a frecărilor magnetice (eddy drag curent) acest lucru a fost întârziat destul de considerabil.

2.6.6 Levitatia folosind curenti turbionarii (eddy currents)

O forţă de repulsie este generată între o bobina ce transportă curent alternativ şi o suprafaţă electric conductoare ce se află în imediata apropiere a bobinei, astfel încât câmpul magnetic alternativ din bobina induce curenţi turbionari (eddy) în această suprafaţă conductoare. Acest efect poate fi utilizata pentru levitaţie a efectua obiecte şi unul dintre primele brevete tinzând să facă acest lucru este că de Anschutz-Kaempfe în aplicaţii giroscopic. Aceasta tehnica a fost folosita pentru levitatie simultane şi topire de exemplare la 10 kHz pentru zona de rafinare de metale. Acest lucru a devenit o tehnica standard pentru prepararea unor cantităţi mici de aliaje fără contaminare

20

Creuzete. Bedford, Peer si Tonks descrie o plutească farfurie în care două bobine concentrice transporta 50 Hz curenţii în direcţii opuse şi să plutească o placă circulară desfăşurarea în condiții stabile; mai multe alte sistemele experimentale pentru levitaţie de plăci, sfere etc. sunt descrise de Lintwhite [3].

Mai recent, cu toate acestea, din cauza evoluţia motoare liniare, în special de tip flux transversal, s-a afirmat că astfel de maşini ar putea fi utilizate pentru levitaţie combinate şi propulsia vehiculelor de mare viteză. Sistemele combinate de levitaţie şi propulsie angajarea motoare liniare pentru vehiculele cu o greutate mai mare de 50 tone poate fi comparabilă cu cea a regimului de magnet superconductor de performanţă. ++ Unul dintre avantajele susţinut pentru respectivele programe, denumite "magnetice râuri", este că le oferă posibilitatea de ridicare şi de orientare în cazul în care motorul este necesar pentru propulsie este sursa de astfel de instalaţii. Acesta este susţinut de asemenea că, pentru o împingere special puterea secundară de intrare într-un motor liniar levita va fi la fel ca o maşină concepute pentru tracţiune numai. Evident, o mare de lucru, în special teoretice, trebuie să fi făcut, dar este dificil să se prevadă că pot exista îmbunătăţiri dramatice la primar (reactivă) de intrare pentru decalajul mare aer+

funcţionare a afirmat ca unul de caracteristicile sale de operare, şi, de asemenea, că rigiditate şi mărime al forţelor de orientare şi lift sunt adecvate în geometrii examinat până în prezent pentru cererile de transport teren avansate propuse. Recent elena [58] a arătat că teoretică minimă reactivă de intrare la un vehicul de 50 tone sub tensiune la o alimentare de 50 Hz este MVAR 30,8 pentru levitaţie la un decalaj de 0.1 m, comparativ cu 3.25 MW necesare pentru a asigura propulsia vehiculului, la 120 m/s pentru a depăşi aerodinamice trageţi. Elena, de asemenea, arată că o astfel de maşină va avea un factor de putere în mod inerent săraci şi în cazul în care la bord puterea factor de corecţie echipament este folosit pentru a aduce pe acesta la factorul de putere Unitatea există substanţiale greutate pedeapsa. Eficienţa generală ori produs de factorul de putere este apoi 0.38 pentru un astfel de vehicul. Cu toate acestea, utilizarea de motoare liniare flux transversal ca unităţile de propulsie numai rămâne foarte promiţătoare.’’++++

21

2.6.7 Levitaţia prin folosirea forţelor care acţionează asupra unor conductori în câmp magnetic

Vigoare acţionând un conductor de lungime l transportă un curent I şi situat într-un câmp magnetic transversal de densitatea de flux B este dat de, FBlI, şi forţa acţionează într-o direcție normală atât dirijor şi domeniul. Pfann şi Hagelbarger raport [3] au sprijinit porţiunile topit de o tijă de metal în curs de topire zona de localizarea topit în câmpul magnetic transversal şi trecerea unui curent prin tija. Deşi curentul este ajustată pentru a da forţă ascendentă aproximativ egală cu greutatea de metal topit, tensiunea superficială contribuie de asemenea la menţinerea zona topit în locul. Încălzirea zona topit este efectuate fie de inductie de incalzire sau de torta flacără. Astfel, spre deosebire de Erika curent tehnica levitaţie, funcţiile de topire şi levitaţie sunt păstrate separat. Tije de fier, nichel şi staniu au fost levitat prin această metodă.’’’ O variantă de aceeasi tehnica a fost propusă de Powell pentru levitaţie a unui vehicul pe două şine paralele supraconductoare transportă un curent persistente. Atașat la vehicul sunt două jgheaburi inversat supraconductoare, care merge peste şine, fără a le atinge. Levitaţie este efectuată de către curenţii persistente care curge în fire longitudinal care se construiesc jgheaburi. Jgheaburi sunt concepute pentru a da echilibru stabil vehicul atât vertical şi lateral.++++

2.6.8 Suspensia in circuite RLC in camp electrostatic.’’

.++++’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’Un ax electric efectuarea sau rotor pot avea loc în suspensie de forţă electrostatică între o pereche de electrozi în cazul în care unul dintre electrozii este organismul să fie suspendată. Corp suspendat şi formularul de electrod fixe elementul capacitiv de circuit LCR reglate astfel încât diferenţa de potenţial între doi electrozi creşte ca distanţa dintre ele creşte, şi invers, adică circuit este reglat la rezonanţă la valori de capacitate mai mică decât cea la decalajul de suspendare. Electrozii trebuie să fie menţinută la o diferenţă potenţială de mai multe kilovolts. Aplicatii de acest principiu au fost studiate pentru vid giroscoape. Această tehnică pare să au fost investigate ca pe scară largă ca o folosind forţă magnetică de atracţie în circuitele de LCR tuned. Este, cu toate acestea, aproape sigur că pe lângă problema de tensiuni foarte mari, care sunt necesare pentru a realiza suspendarea, această metodă de asemenea, suferă de inerente instabilitate ca urmare a utilizării de tuned LCR circuite, şi problemele legate de furnizarea de amortizare şi mare putere reactivă sunt doar ca de negative şi în sistemele de LCR angajarea unei variaţii de inductanţă cu decalaj lăţime.+++++++++

22

2.6.9 Suspensie in circuite rlc in camp electromagentics

‘.+++++++++Variaţie a rezistorilor de Electromagnetul în apropierea obiectului feromagnetic în funcţie de distanţa dintre cele două este utilizată în această metodă de a reglementa actuale şi, prin urmare, forţa de atracţie. Acest lucru este realizat prin încorporarea electromagnet într-un circuit de LCR reglate astfel că, atunci când obiectul să fie suspendată se mută de electromagnet circuit tinde să devină rezonante, crescând astfel actuale şi, prin urmare, forţa care acţionează pe ea. Invers, atunci când obiectul se mută spre electromagnet, curent şi forţă de atracţie diminuează. În cazul în care, prin urmare, forţa este echilibrat impotriva gravitatiei că la o oarecare distanţă de separare este posibil pentru a obţine un punct static stabil sit de suspendare a organismului. Cu toate acestea, circuitele de LCR tuned posedă o constantă de mare de timp, ceea ce înseamnă că odată ce distribuite din acest punct stabil statice, obiect, de obicei, merge într-o oscilatie divergente excepţia cazului în care unele mijloace sunt folosite pentru a controla şi de a accelera curentmodificări sau să prevadă amortizarea în alt mod. Kaplan a constatat că la frecvenţe de ordinul a 6-26 kHz, neetanş condensatori variind de la 0.4µF la 0.02µF furnizate de amortizare adecvate pentru a obţine suspensie discul ferită şi tija de cântărire 3.5 g şi 13.5 g respectiv. În alte metode, ulei de amortizare este folosit, organismul să fie suspendat în imersate în ulei.

Astfel cu toate că această metodă pare să ofere la prima vedere o distanta de forţă în mod inerent stabil avantaje caracteristice şi, prin urmare, considerabile pentru suspendarea corpurilor feromagnetic, mai degrabă dezamăgitor suferă de prea multe dezavantaje la au dus la multe aplicaţii practice.. Rigiditatea suspensiei, utilizând metoda de circuit AC reglate tinde să fie destul de scăzut pentru multe aplicaţii. Principalul dezavantaj, cu toate acestea, provin din faptul că la punctul static sit circuit este predominant inductiv şi, prin urmare, putere de intrare este destul de mare; şi că structura fier inclusiv ca obiectul să fie suspendate trebuie să fie laminate. Astfel cu toate că această metodă pare să ofere la prima vedere o distanta de forţă în mod inerent stabil avantaje caracteristice şi, prin urmare, considerabile pentru suspendarea corpurilor feromagnetic, mai degrabă dezamăgitor suferă de prea multe dezavantaje la au dus la multe aplicaţii practice.++++++++++

2.6.10 Suspensie in circuite cu dc electromagneti

++ Metoda este în prezent de departe cele mai avansate tehnologic şi este subiectul cercetării la nivel mondial pentru avansate de sisteme de transport solului şi, de asemenea, pentru aplicarea în rulmenti contactless pentru viteze mari şi foarte mici care utilizează controlat de electromagneţi DC. Aceasta tehnologie a fost dezvoltat în anii 1970 în Germania, Japonia, SUA şi Marea

23

Britanie, şi vehicule de vehicule de diferite dimensiuni, cântărind între 1 tonă şi 35 tone, au fost operate cu succes în aceste ţări, la viteze variind de la câţiva kilometri pe oră la peste 400 de km pe oră. Vehiculul japoneză HSST-02 este propehhed de un motor de inducţie liniar montate pe vehicul dar vehiculului German Transrapid-05, care a fost demonstrat pe o pistă de 900m, este o maşină de lungime stator, adică mașina stator, adică lichidare stator este pe pista. În continuare, masina este un motor sincron liniare, care utilizează magneţi de ridicare ca excitaţie magneţi. Se propune ca vehiculul 121 tonă va avea un aer miez liniar sincrone cu motor cu înfăşurări pe pistă şi probabil supraconductoare excitaţie magneţi. Acest sistem, prin urmare, elimină necesitatea de a colecta putere prin alunecare pensula contacte la viteze mari. O caracteristică roman din vehiculele germane este că magneţii sunt montate pe membri individual suspendate, iar acest concept a fost etichetat "magneţi sunt montate pe membri individual suspendate, si acest concept a fost etichetat"magnet roata". O variantă de acest lucru, un şasiu suspendate similară cu cea din autoturisme, a fost folosit de Japonia Air Lines pentru vehiculul lor HSST-02, de General Motors si de autor la Universitatea Sussex. Pe lângă realizările descrise mai sus în zona de vehicul, considerabile de lucru este în curs de desfăşurare în aplicarea controlat de electromagneţi DC contactless sau frictionless sprijină în locul convenţionale rulmenti.’’+++++++++

2.7 Tehnologii si aplicatii

2.7.1 Rulmentii magnetici

+++++ O poartă magnetice este un arbore din metal înconjurat de o carcasa care conţine magneţi. Ax este suspendat şi rotită în interiorul carcasei de forţele magnetice. Datorită forţelor magnetice, arborele are nici un contact cu alte piese de echipament şi apare foarte puţină frecare sau vibraţii (care uzeaza de piese). În plus, nici o lubrifiere este necesară şi rulmenţi poate rezista la temperaturi foarte ridicate. Lagăre magnetice au o viata nelimitat. Aceste beneficii economisi bani în echipament de înlocuire.***

2.7.2 Rulmentii magentici cu superconductori *’’’++++++ Utilizarea de frecare redusă lagare magnetice în componente mecanice nu este nou. Ce este nou este dezvoltarea de supraconductoare lagare magnetice care produc frecarea 25% mai puţin decât regulate lagare magnetice. Materiale supraconductoare utilizate în aceste lagăre magnetice au fost descoperite în 1986. Rulment aproape frictionless este produs atunci când un rulment magnetice este poziţionat deasupra materiale supraconductoare, care este apoi răcit cu azot lichid la minus 300 de grade Fahrenheit. La această temperatură, materiale supraconductoare produce un egal dar vizavi de câmp magnetic în raport cu magnet, şi poartă magnetice

24

levita în răspuns la câmpul magnetic opuse. Lagăre magnetice superconduction au multe aplicaţii. Un exemplu este un volant superefficient dezvoltat de laboratorul național Argonne. Un volant este un mecanism mecanic utilizat pentru stocarea extra energia produsă de centrale electrice. Această energie poate fi exploatat mai târziu pentru a oferi suplimentar de energie pentru orele de vârf de consum. Un alt exemplu este utilizarea volantului super-eficiente pentru a stoca energie în automobilelor electrice în loc să utilizaţi bateriile pentru stocarea energiei. În prezent, pachete de baterie pentru masini electrice ia aproximativ 10 de ore pentru a reîncărca. Reîncărcare volantului super-eficiente ar lua doar un pic mai mult de reumplere rezervor de gaz de o maşină şi oferă o mai mare putere, de asemenea.

2.7.3 Magnetii de ultima generatie

Lagăre magnetice superconduction au multe aplicaţii. Un exemplu este un volant superefficient dezvoltat de laboratorul național Argonne. Un volant este un mecanism mecanic utilizat pentru stocarea extra energia produsă de centrale electrice. Această energie poate fi exploatat mai târziu pentru a oferi suplimentar de energie pentru orele de vârf de consum. Un alt exemplu este utilizarea volantului super-eficiente pentru a stoca energie în automobilelor electrice în loc să utilizaţi bateriile pentru stocarea energiei. În prezent, pachete de baterie pentru masini electrice ia aproximativ 10 de ore pentru a reîncărca. Reîncărcare volantului super-eficiente ar lua doar un pic mai mult de reumplere rezervor de gaz de o maşină şi oferă o mai mare putere, de asemenea.

2.7.4 Magnetii reciclaţiaRăspunzând interesului folosind materiale reciclate, Master magneţi, o companie britanică, a dezvoltat un separator magnetic pentru a fi utilizate în plante de reciclare. Ea are multe avantaje fata de separatoare electromagnetice. Deoarece Mastermag tip K Permanent magnetice separatorul este un magnet puternic permanent, nici o energie electrică este necesară pentru a genera un câmp magnetic şi atragerea rezultate

2.7.5 Magnetii superconductori

Air Force oameni de ştiinţă şi industrie privat Cercetatorii au dezvoltat mici magneţi puternici, care cântăresc mult mai puţin decât tradiţionale magneţi. Aceşti magneţi sunt ovale în formă magnetice bobine, făcute de lungimi de fir supraconductoare de lichidare. Deoarece supraconductoare sârmă conduce electricitatea cu rezistenţă foarte mică, bobine produc câmpuri magnetice puternice. Bobina supraconductoare este relativ uşoare în greutate şi poate fi folosit în multe aplicaţii, inclusiv sistemele de tren maglev, compact generatoare, motoare şi sateliţi. Magneţi supraconductori sunt, de asemenea, în curs de dezvoltare pentru stocare de

25

energie electrică. Alte tipuri de sisteme de stocare a energiei necesită baterii sau volante mecanice pentru a stoca energie, şi de energie suplimentară este necesară reconversia Energia stocată pentru utilizarea de putere de plante. Sistem de stocare a energie magnet superconductor este cea mai eficientă. Necesită nici măsuri suplimentare de energie pentru conversie. Pentru a atinge proprietăţile supraconductoare, firul trebuie să fie răcit, care este un proces simplu şi ieftin. De asemenea, este probabil că mai mare temperatura materiale vor fi dezvoltate în curând, pentru a obţine proprietăţile supraconductoare mai aproape, la temperatura camerei.

2.7.6 Trenuri magleva Maglev (magnetic levitat solului transport) este probabil să devină un mod important de transport viitoare. Magneţi situat într-un tren de monorai-ca şi în pereţii de pista de tren suspenda, propulsa şi maşinile mai sus pista de control. Masini de tren-cum ar fi literalmente plutesc deasupra piesa, şi nu există nici o frecare. Trenurile Maglev poate călătorie 300 km pe oră şi oferă viteză de compania aeriană de călătorie cu comoditatea de a numeroase staţii de sisteme de transport feroviar. De exemplu, o excursie de zece ore masina între Los Angeles şi San Francisco ar putea fi redus la unul şi jumătate de ore pe un tren maglev.

Japonia și Germania au deja sisteme de maglev. Florida este investighează posibilitatea de a un sistem maglev. Maglev de transport a fost cercetată în primul rând de oameni de ştiinţă American în 1912, dar nu a fost considerat serios până în anii 1960.

Maglev este o alegere bună de mediu. Utilizarea pe scară largă a sistemului de tren ca o alternativă de transport ar ajuta păstra combustibili fosili folosite de automobile şi de avioane şi de a reduce poluarea aerului. Sistemul este foarte liniştită şi ar reduce poluarea fonică, precum şi.

Autostrada şi Aeroportul extinderi ar fi redus, facilitarea cererii de rare şi costisitoare teren. În cele din urmă, folosind maglev ar reduce congestia automobile şi compania aeriană şi scurta comuta lung în oraşe mari.

Mai multe agenţii din SUA sunt implicate cu maglev interese şi în curs de cercetare, inclusiv SUA Armata corpului de ingineri, Argonne National de laborator, SUA Departamentul de transport, US Air Force şi Administraţia Federală de cale ferata. US Air Force este în mod activ de testare un sistem maglev pentru arme de apărare, şi NASA are în vedere utilizarea de un sistem maglev verticale, numite maglift, care ar ajuta pentru a propulsa rachete în spaţiu.

26

3 Modelarea matematică

3.1 Introducere

Sistemul fizic, aşa cum se arată în figura 3.1, constă dintr-o bilă de oțel sau magnet, care este de a fi levitata sub un electromagnet. În sensul teoretic de studiu si analiza comportamentala al sistemului, realistic dar arbitrar au fost selecatati anumiti parametri ai acestui sistem. Pentru electromagnet, parametrii necesari care au fost asumati sunt: o rezistenta, o inductanţă, o constantă magnetica şi o masă de bilă de oțel sau magnet, iar efectul de histerezis al electromagnetului au fost asumate ca fiind neglijabile. Sistemul fizic este prezentat in figura de mai jos.

27

Figure 3.1: Sistemul fiszic al levitatiei magnetice

Aceasta teza se concentrează pe proiectarea un controler pentru păstrarea unei bile

de oțel sau magnet suspendate în aer. În situaţia ideală, forţă magnetică produsă de curentul din electromagnetul va contracara greutatea de bilei. . Funcţia principală a acestui controler este de a menţine un echilibrul intre forţă magnetică şi greutatea bilei.

În funcţie de metoda de analiză, modelul matematic al acestui sistem de levitaţiemagnetică a fost creat cu scopul de a proiecta un sistem de control. Liniarizarea sistemului şi faza de compensare au fost ideile pentru a proiecta acest sistem instabil neliniar. Modelarea propusa în teză oferă un sistem robust de levitaţie magnetică cu buclă închisă care pot stabiliza sistemul penru o gama larga de variante a masei suspendate. Metodele de proiectare a acestui sistem sunt prezentate în lucrare.

3.2 Analiza si design-ul sistemului

Sistemul de levitaţie magnetică în aceasta teza este ilustrat în figura 1; se păstrează o bilă de oțel sau magnet suspendata în aer contracarând greutatea ei cu forța o electromagnetică; unde x(t) este distanța dintre bilă și electromagnet, x0 este poziţia de referință sau edistanţă corespunzătoare de levitatie. Forța electromagnetică este f(i,x), ce actioneaza asupra bilei, si toate acestea pot fi

28

exprimate prin următoarea formulă dinamică în conformitate cu Legea lui Newton pe directia verticala.

(3.1)

Unde m este greutatea bilei si g constanta de gravitatie.

Ecuatia (3.1) se mai poate scrie astfel:

(3.2)

Unde dWe este energia electrica de intrare in sistem, iar dWft este energia stocata in sistem, acum vom asuma dWe este energia electrica de intrare in sistem este egal cu zero pentru a avea un sistem liniar. Atunci:

(3.3)

Forta electromagnetica produsa de ecuatia (3.3) este urmatoarea:

(3.4)

Unde L(x) este inductanta totala a infasurarii electromagnetului si x este pozitia bilei.

Bila suspendata contribuie la modificarea inductanţei bobinei electromagnetice. Daca bila se apropie de magnet, inductanţă totala creşte, daca bila se indeparteaza scade, ajungând la valoarea minimă cand bila este complet indepartata. Dacă L1 este inductanţă fără bila şi Lo este inductanţă cu bila atingand bobina, atunci variatia inductantei poate fi aproximata prin formula:

(3.5)

29

Dacă luăm variatia incrementala totală a inductanţei şi înlocuim în ecuaţia forţei (3.4),

(3.6)

Unde C este o constanta de forta si se exprima sub modul:

(3.7)

Poziţia bilei va influenţa inductanţei bobinei electromagnetului, şi modificările sale sunt neliniare. În plus, punctul de echilibru între forţa electromagnetică şi gravitatie este

în mod inerent instabila. Pentru a rezolva această problemă forța electromagnetică neliniare trebuie să fie linearizata după cum urmează:

(3.8)

Unde Io este egal cu curentul din bobina când bila este în Xo (Xo este poziţia de echilibru).

Când forţă magnetică balanseaza forta gravitationala a bilei, acceleratia bilei devine zero şi ecuaţia (3.1) are forma:

(3.9)

În ecuațiile (3.1), (3.8), şi (3.9), putem neglija termenii mai mari şi astfel concluziam

că forţa de control, , ţine bila in echilibru prin ecuația 3.10 de mai jos.

30

(3.10)

Pentru a găsi forţa de control folosind ecuațiile (3.1), (3.8) și (3.9), putem obţine:

(3.11)

Pentru ecuaţia electrica, presupunem că bobina electromagnetului este modelata adecvat ca o combinaţie de rezistenţă-inductor in serie. Reţinem că inductorul include bila şi are inductanţa totală descrisa anterior. Relaţia de tensiune-curent pentru bobina este dată de:

(3.12)

Această ecuație este de fapt destul de complicată din cauza dependenţei neliniare a inductorului fata de poziţia bilei. Putem simplifica aceasta analiza si presupunem că atunci când sistemul este proiectat în mod corespunzător, bila va rămâne aproape de

poziţia de echilibru, si asta inseamna ca x=x0. Acest lucru face că L(x) sa fie doar L+L0. Vom face si presupunerea simplificatoare anume că inductanţa bobinei L1 este

mult mai mare decât contribuţia inductiva a bilei L0, şi obtinem astfel ecuația finală:

(3.13)

Deplasarea bilei este măsurată printr-un senzor foto-detector care este o ieşire, matematic vorbind, şi poate fi formulata ca:

yVx (x)x (3.14)

unde β este amplificarea obtinuta de senzor

31

Combinând ecuaţiile (3.10), (3.11), (3.13), şi (3.14) in transformarea Laplace, cu tensiunea electromagnetului ca intrare şi deplasare poziţiei bilei ca ieşire obtinem:

(3.15)

(3.16)

unde si (3.17)

(3.18)

Si de asemenea:

(3.19)

Inlocuind ecuatiile (3.15) si (3.18) din ecuatiile (3.19), vom obtine:

( 3.20)

32

Funcția de transfer totala între tensiunea de intrare in bobina V(s) şi tensiunea de iesire a senzoruluiVX(s) este data de:

(3.22)

Unde:

, si

Mai departe ecuatia 3.22 se simplifica astfel:

(3.24)

3.3 Determinarea parametrilor

Parametrii în sistemul de ecuaţii se determină după cum urmează. Rezistenţă bobinei şi inductanţa (R si L) pot fi măsurate cu o punte de masura RLC. Masa bilei se poate

masura usor cu un cantar. Distanţa dorită iniţială, x0 este măsurată prin indicatorul de înălţime, si este necesar ca bila sa intersecteaze fasciculul luminos al foto detectorului. Pentru intelgerea calcului teoretic şi studiu comportamental al sistemului, am selectat diferiti parametri indicati în tabelul 3

Tabelul 3.1: Parametrii initiali experimentali ai sistemului

Parametrii Valori initialeX0 0,03 mM 0,09 Kg

33

R 3,49 ohmiL 0,165mHB 200V/AI0 5A

Amplificarea obtinuta de senzor β prin deplasarea bilei cu 1mm, este imediat masurat de fotodetector. Pentru a găsi I0, un piedestal a fost folosit pentru a seta bila la x0, iar curentul in bobina a fost crescut până când bila a inceput sa se ridice de pe soclu.

Înlocuind parametrii masurati x0, I0, m şi constanta gravitațională în ecuaţia (3.8) obtinem parametrul C.

Parametrul calculat C si parametrii initiali x0 si I0 vor fi folositi pentru a determinam parametrii KI, Kx , K1 , K2 si p3

34

Substituim in ecuatia (3.24), si vom obtine bucla functiri de transfer

(3.26)

Deci polii buclelor deschise sunt : s1=21,15, s2= -25,56, si s3 =-25,56 Deci loci incep la poli si se termina la zero. Punctele de separare de pe axa reala sunt calculate astfel:

(3.28)

Conditia de optimizare necesara este :

(3.29)

Alegem deci putem calcula =13,74 din ecuatia (3.28)

35

36

4 Implementarea hardware si software

4.1 Introducere Teorema lui Earnshaw dovedește de fapt că un magnet static nu poate fi levitat prin nici un

aranjament de magneți permanenți sau bobine conectate la o sursa de tensiune . Acest

lucru poate fi pur și simplu dovedit după cum urmează:

"Forța statică ca o funcție de poziție F(x) care acționează asupra oricărui corp în

vid , datorită gravitației , campurile electrostatice și câmpurile magnetice vor fi mereu lipsite de divergenta . divF=0. La un punct de echilibru, forta este zero . În cazul în care echilibrul este stabil forta trebuie sa fie indreptata inspre punctul de echilibru pe unele sfere mici în jurul punctului .Cu toate acestea , prin teorema lui Gauss ,

s ∫ F ( x ) . dS = v ∫ divF . dV

Integrala componentei radiale a forței pe suprafața trebuie să fie egală cu

integrala forței divergente peste volumul interior care este zero " - . ( Philip

Gibbs și Andre Geim , martie 1997 )

Cu toate acestea, un circuit de control activ poate rezolva această problemă, prin reglarea rapidă a puterii electromagnetului.

Principiul general este foarte simplu: un electromagnet atrage în sus o bila în timp ce un fascicul de lumină măsuoara poziţia exactă prin contrul de sus a bilei. Forta de atractie a electromagnetului este permanent ajustata in functie de pozitia bilei.

Cu cat mai puţin lumina este detectata, circuitul reduce curentul in electromagnet. Cu mai puţin curent, efectul de ridicare este mai slab şi bila cade putin până când fasciculului luminos nu mai este blocat si invers. Bila rămâne astfel centrata pe fotodetector, care masoara permanent modificări de poziţie. Desigur, în cazul în care

37

bila este eliminata in electromagnet are putere maxima . Şi invers, dacă fasciculului luminos este blocat electomagnetul e oprit complet.

4.2 Schema fizica si electrica .Piese componente

Sistemul de monitorizare prin menținerea în levitație a unui obiect are o configurație relativ simplă dar reprezintă un exemplu cu adevărat concludent asupra modalităților de conducere ale unor procese care necesită un înalt grad de atenție asupra controlului parametrilor necesari funcționării în condiții optime de viteză, randament și cu un consum cât mai redus de resurse. Ca in figura 4.1 putem indetifica urmatoarele piese componente:

a. Arduino UNO  este o platforma de procesare open-sourceb. R1-rezistenta de 100 ohmi si 0.5Wc. R2-rezistenta de 10kohmi si 0,5 Wd. D1-IR led-adica led cu infrarosue. D2-dioda de sens-IN4004f. T1-fototranzistor cu infrarosug. T2-tranzistor Mosfet , cu puterea pe canlul Nh. Electromagnetul de atractie.

Figura 4.1 Diagrama pieselor si legaturilor electrice

4.2.1 Arduino UNO  

Arduino UNO  este o platforma de procesare open-source, bazata pe software si

38

hardware flexibil si simplu de folosit. Consta intr-o platforma de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – in cea mai des intalnita varianta) construita in jurul unui procesor de semnal si este capabila de a prelua date din mediul inconjurator printr-o serie de senzori si de a efectua actiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, si alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil sa ruleze cod scris intr-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Specificatii :

 

Microcontroler:                                        ATmega328

Tensiune de lucru:                                 5V

Tensiune de intrare (recomandat):     7-12V

Tensiune de intrare (limita):                 6-20V

Pini digitali:                                             14 (6 PWM output)

Pini analogici:                                        6

Intensitate de iesire:                             40 mA

Intensitate de iesire pe 3.3V:               50 mA

Flash Memory:                                       32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM:                                                     2 KB (ATmega328)

EEPROM:                                               1 KB (ATmega328)

39

Clock Speed:                                        16 MHz

Modulare de latimea impulsului, sau PWM, este o tehnica pentru obtinerea de rezultate analogice cu mijloace digitale. Digital control este folosit pentru a crea un val pătrat, un semnal comutat între on şi off. Acest model de activare-dezactivare poate simula tensiuni între plin pe (5 volţi) şi în afara (0 volţi) prin schimbarea porţiunea de timp semnalul cheltuieşte pe faţă în momentul în care semnalul cheltuieşte off. Durata de "timp" este numit impulsului. Pentru a obţine diferite valori analogice, modifica sau Modula, că durata impulsului. Dacă vă repetaţi acest pe-off model destul de repede cu un LED de exemplu, rezultatul este ca daca semnalul este o tensiune constantă între 0 şi 5v luminozitatea LED-ul de control.

În graficul de mai jos, linii verzi reprezintă o perioadă de timp regulate. Această durată sau perioadă este inversul frecvenței PWM. Cu alte cuvinte, cu Arduino pe PWM frequency la circa 500Hz, verde linii ar măsura fiecare 2 milisecunde. Un apel la analogWrite() este pe o scară de la 0 - 255, astfel că analogWrite(255) cere un ciclu de 100% din (mereu pe), iar analogWrite(127) este un 50% din ciclu (pe jumătate din timp) de exemplu

4.2.2 Led-ul

LED - infraroşu 950nm. Aceste dispozitive funcţionează între 940-950nm şi funcţionează bine pentru generice IR sisteme generice , inclusiv telecomanda si ca pentru senzori tactili . Functioneaza la tensiunea 1.5VDC şi curent de max.50mA. Rezistenta R1 are rolul de protectie pentru ledul infrarosu de emisie. Stiim ca iesirea prin pinul digital 13 este Vcc=5V cu un curent de maxim de 40mA. Ne trebuie o

40

cadere de tensiune pe ledul de emisie de 3,3 V.Atunci R1= U cadere/Iiesire=3,3V/0,04A= 82,5 Ohmi. Am ales R1=100 Ohmi.

4.2.3 Fototranzistorul

Motivul pentru care tensiunea la A0 (VA3) modificările cu lumina este deoarece phototransistor permite să treci mai curent atunci când mai multă lumină străluceşte pe ea, sau trece mai putin curent cu mai puţină lumină. Acest curent, care este etichetat-mă în circuitul de mai jos, de asemenea, trebuie să treacă prin rezistor. Atunci când mai multe curente trece printr-o rezistenţă, tensiune peste ea va fi mai mare. Când trece mai curent, tensiune va fi mai mic. Deoarece un capăt al rezistor este legat de Vss = 0 V, tensiune la VA3 sfârşitul merge în sus cu mai mult curent şi în jos cu mai puţin curent.

Un rezistor "rezistă" la fluxul de curent. Voltajul într-un circuit de tensiune poate fi asemănat cu presiunea apei. Pentru o anumită cantitate de curent electric, mai mult de tensiune (presiune) este pierdut pe o rezistenţă mai mare decât pe un rezistor mai mic, care are aceeaşi cantitat de curent care trece prin el. Dacă în schimb se menţine rezistenţa constantă şi variaza curentul, puteţi măsura o tensiune mai mare (căderea de presiune) peste acelaşi rezistor cu mai mult curent, sau mai puţin cu mai puţin curent.

Intrările analogice de pe Arduino sunt invizibile pentru circuitul de fototransistor. Deci, A0 monitorizează uncircuit dar nu are efect asupra lui. Aruncati o privire la circuitul de mai jos. Cu 5 volţi (5 V) la partea de sus şi GND (0 V) în partea de jos a circuitului, 5 V de electrici de tensiune face ca furnizarea de electroni în BOE vrea să curgă prin el.

41

Fig.

Motivul pentru care tensiunea pe A0 (VA3) se modifică cu lumina care cade pe fototranzistor este deoarece fototransistor permite să treca mai mult curent atunci când mai este mai multă lumină pe el, sau trece mai putin curent cu mai puţină lumină. Acest curent, de asemenea, trebuie să treacă prin rezistor. Atunci când mai multe curent trece printr-o rezistenţă, tensiune pe el va fi mai mare. Când trece mai putin curent, tensiunea va fi mai mica. Deoarece un capăt al rezistor este legat de Vss = 0 V, tensiune la VA3 merge în sus cu mai mult curent şi în jos cu mai puţin curent.

Dacă înlocuim cei rezistorul de 2 kΩ cu un rezistor de 1 kΩ, VA3 va vedea valori mai mici pentru acealasi curent. De fapt, este de două ori la mai mult curent pentru a obţine VA3 la acelaşi nivel de tensiune, ceea ce înseamnă ca lumina va trebui să fie de două ori mai strălucitoare pentru a ajunge la nivelul de 3,5 V. Deci, un rezistor mai mică în serie cu un fototransistor face circuitul mai puţin sensibil la lumina. Dacă în loc să înlocuiţi rezistorul de 2 kΩ rezistor cu un rezistor de 10 kΩ, VA3 va fi de 5 ori mai mare cu acelaşi curent şi numai de 1/5 lumina poate a genera 1/5din curent pentru a obţine VA3 trecut nivelul de 3.5V. Deci, o rezistenţă mai mare face circuit mai sensibil la lumina.

Noi am ales pentru fototranzistorul nostru un rezistor R2=10 kΩ

4.2.4 Tranzisstorul MOSFET.

Aşa încît să obţinem o structură ca în figura de mai jos, unde este prezentat un tranzistor MOSFET de tip N.

42

roşu – semiconductor slab dopat de tip P (substrat)albastr – semiconductor puternic dopat de tip Nalb – oxid de siliciumaro – semiconductor de tip P+, puternic dopatgri – metal / polisiliciuS – source/sursăG – gate / poartăD – drain / drenăB – Bulk / substrat

Aşa cum este figurat, observăm că între S şi D avem două joncţiuni. Una între sursă şi substrat, iar cealaltă între substrat şi drenă. Acestea au anodul comun.Dacă aplicăm o tensiune între sursă şi drenă, acum nu circulă nici un curent, deoarece indiferent de polaritatea tensiunii, una dintre joncţiuni este blocată şi cealaltă saturată.Acum să aplicăm între poartă şi sursă o tensiune pozitivă, suficient de mare cît să determine apariţia stratului de inversie. Semiconductorul de sub poartă devine de tip N, astfel încît apare un canal de conducţie. Prin acesta circulă un curent de la sursă la drenă.

Cu alte cuvinte, în termeni foarte generici, tranzistorul MOS controlează printr-o tensiune de poartă, curentul care trece de la sursă la drenă.

43

Simboluri

Pe rîndul de sus sînt reprezentate tranzistoare MOSFET canal P, iar pe rîndul de jos, cu canal N.În prima coloană este figurată şi conexiunea la substrat. Uneori poate fi legată direct la sursă, alteori, poate să vină la un pin al capsulei. Sensul săgeţii arată tipul joncţiunii care se formează între substrat şi sursă.În a doua coloană sînt alte tipuri de simboluri, simplificate. A se observa că sensul săgeţii este invers. Aceasta este o reprezentare mai intuitivă, avînd săgeata la fel ca tranzistorul bipolar corespunzător. La MOS canal N şi NPN, săgeata iese, iar la MOS canal P şi PNP, săgeata intră.Uneori, la tranzistoarele de putere, mai apare în schemă o diodă Zener (“clamping diode”)  între sursă şi drenă.

Comparaţie cu tranzistoarele bipolareCorespondenţa între pinii celor 2 tranzistoare este: bază-poartă, emitor-sursă, colector-drenă. Atît tranzistorul MOS cît şi cel bipolar funcţionează ca surse de curent comandate. La bipoar curentul de colector este proporţional cu cel de bază, iar la MOS, curentul de drenă este proporţional cu pătratul tensiunii de poartă.a. O diferenţă foarte importantă între MOS şi bipolar este că MOS-urile se comandă în tensiune, nu în curent. Datorită oxidului dintre poartă şi regiunea de inversie, în regim staţionar, nu circulă curent de la terminalul de comandă, aşa cum se întîmplă în cazul tranzistoarelor bipolare. Practic un MOSFET poate să ţină sute de amperi cu curent de poartă zero, pe cînd un bipolar de putere, are nevoie de cel puţin a suta parte din curentul de drenă să fie aplicat pe bază.b. Deşi nu trebuie comandate în curent, capacitatea capacitorului MOS nu trebuie neglijată. Poate ajunge chiar la 10nF în cazul tranzistoarelor de putere. Aceasta poate să întîrzie intrarea în saturaţie a tranzistorului, sau să afecteze semnalul la intrarea acestuia. De aceea tranzistoarele MOS de putere trebuie atacate cu circuite speciale de „gate driver”. Acestea sînt totuşi de putere mai mică decît în cazul bipolarelor.

44

c. Oxidul de poartă al tranzistoarelor MOS este subţire şi se poate străpunge uşor în tensiune, datoriză descărcărilor electrostatice. Tranzistoarele MOS ale anilor 80 veneau cu o bucată de metal sudată între sursă şi poartă, care trebuia tăiată după montare. De asemenea se recomanda lipirea acestora cu letconul scos din priză. În prezent, circuitele de protecţie ESD din interiorul capsulei au eliminat această problemă. Personal nu mi s-a întîmplat niciodată să ard un MOS la lipire sau la manevrare.d. Tranzistoarele MOS pot fi puse în paralel deoarece nu intră în ambalare termică, aşa cum este cazul bipolarelor.e. În regiunea liniară, căderea de tensiune între drenă şi sursă poate fi oricît de mică, depinzînd doar de curent. Asta din cauză că tranzistorul MOS se comportă ca o rezistenţă, notată în catalog ca Rdson. La bipolare nu poate fi mai mică de 200mV, sau chiar valori mai mari. Acesta este un avantaj pentru sursele în comutaţie, unde scad pierderile de conducţie.

Parametrii specifici de catalog ai tranzistorului MOS

Vds, max(V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între drenă şi sursă. Am zis mai sus că între drenă şi sursă apar două diode dintre una este polarizată invers, mai exact, cea dintre substrat şi drenă. Ca orice diodă, şi aceasta are o tensiune de străpungere.Vgs, max (V) este tensiunea maximă care poate fi aplicată între poartă şi sursă. Oxidul de poartă este foarte subţire, de ordinul zecilor de nanometri, şi se poate străpunge la o tensiune mică. În general Vgs, max este de +/-20V.Rds, on este rezistenţa canalului cînd tranzistorul este deschis. Acest parametru este important la funcţionarea în comutaţie, unde acest parametru determină pierderile datorate conducţiei. Valorile tipice se întind de la sute de ohmi, la tranzistoarele de semnal, pînă la miliohmi, la tranzistoarele de sute de amperi.Vt este tensiunea de prag, respectiv tensiunea între poartă şi sursă de la care începe să treacă un curent între drenă şi sursă.gm (mA/V)este trasconductanţa, adică raportul între variaţia curentului de drenă şi variaţia corespunzătoare a tensiunii de poartă. Tranzistoarele MOS din circuitele integrate digitale au transconductanţe de microamperi pe volt, tranzistoarele de putere ating uşor valori de zeci de amperi pe volt.

Tranzistroul MOSFET FQP33 N10 are urmatorii parametrii:

- Vds, max(V)=100V

-Id,max(A)=33A

-Temperatura de operare: -55 C pana la +175C

45

4.4 Constructia bobinei

Designul magneţilor, în special pentru furnizarea fortei de ridicare în sistemele de suspendare magnetică, implică luarea în considerare a diverşilor parametri ce interacţionează intre ei. Sunt luati în considerare factorii dar si metodele de generare a fortei magneto-motoare, materiale potrivite pentru bobina, performanţa pentru bucla inchisa şi o privire generala asupra cerinţelor de sistem.

Consideratia statica de proiectare este punctul de inceput si asta se face folosind ecuația forţei de atracţie pe care vrem sa o obtinem:

Unde : - N –numarul de spire;

- I-curentul ce trece prin bobina(A);

- O -constanta de permabilitate magntica=4pi 10 N/AA

-A-aria transversala a bobinei(mpatrati)

-x-distanta dintre electomagnet si piesa de metal(m);

Considerentele dinamice, de asemenea, cand vorbim despre suspensia unor obiecte sunt importante pentru sistemele cu bucla inchisa daca vrem o mai buna performanta. Cei mai importanti factori ce influenţeaza caracteristicile dinamice sunt:

a)Inductanta bobinei si constanta de timp;

b) tensiunea de operare .

Pentru a produce un câmp magnetic care în primul rând se extinde în afara bobinei de ridicare, trebuiesc luate în considerare aceste idei.

⇒Bobinele scurte şi grase sunt mai bune decat cele lungi şi slabe. Ele reduc fluxul de scurgere care altfel scapa prin părţi.

⇒ O pălărie de fier (cum ar fi o saiba) pe partea de sus este o idee bună. Ea ajută pentru a ţine înfăşurărilor în loc, şi de asemnea ajută la diminuarea pierderilor de flux magnetic din partea de sus. ⇒O saiba de plastic pe partea de jos este o idee bună. Ea ajută sa ţina înfăşurările pe o bobină de groasa, fără sa existe o ecranare a fluxului magnetic ce merge în partea de jos.

46

⇒ Un miez de fier va creşte foarte mult puterea din bobina. ⇒ O bobină cu rezistenţă de de 4-5 ohmi alimentata cu până la 1 amper este ideala . ⇒ Izolarea cu bandă în jurul bolţului înainte de bobinare previne distrugerea izolatiei de pe primele spire.

Fig.4

Fig.4

Partea de jos a miezului din oţel (la bază) ar trebui să aiba forma conica dsu semisfrica si neteda , nu rugoasa punct. Aceasta formeaza sursa ca un flux magnetic care merge în jos. Daca am avea un miez din otel cu fundul plat ar avea prea multe miscari laterale si obiectul levitat intre in vibratie si cade sau se uneste cu bobina. Ansamblului bolţ/bobina întreg poate fi transformat pentru a ridica şi mai mici aceasta. Puteţi vedea o piuliţă care se incheie spălătorul de top în locul. Aceasta ajută, de asemenea elimina vibraţiile şi zumzet.

Am folosit sarma magnet 24-ga, în 1341 se transformă pe 24 straturi rana pe un bolţ de transport. Există o plat-Şaibă de aluminiu pe partea de jos (sfârşitul cap) şi comune galvanizat otel spălare plate pe partea de sus. Lungimea bobinei este de două ori lăţimea de Scotch magic banda transparentă, care asigură straturile de înfăşurări.

Acest bobina are ohmi 7.0 de rezistenţă. Condus de o sursă de 15V, poartă aproximativ 2 amperi de curent. Din păcate, ea tinde să obţine destul de cald, dacă este lăsat pe deplin timp de zece minute. Bobina este energizat de o 2N3055 NPN de putere Tranzistor pe un radiator.

47

Numărul de viraje va avea un efect direct pe bobina pe DC rezistenţă. O rezistenţă mare va scădea curent, în cazul în care sursa de alimentare nu este schimbat. Dar dacă vă construi bobina în primul rând, şi alegeţi tensiunea de alimentare în al doilea rând, apoi puteţi realiza orice curent vrei. Deci, bobina magnetice câmp este direct proporţională cu numărul de rotaţii (de fapt se transformă/inch), şi de la bobina de curent. Uşor pentru a maximiza performanţa păstraţi palplanşe pe ture, şi creşterea curent.

4.5 Simulare

4.6 Software

4.7 Rezultate

48

5. Concluzii si recomandari

5.1 Concluzii

a Acest sistem de levitaţie magnetică este în mod inerent instabile de sistem, din cauza neliniaritate sistem. Acest sistem este destul de greu să pună în aplicare folosind Hardware. În cele din urmă, sistemul este liniarizată despre un punct de exploatare şi implementat folosind analogic controler.

Deoarece răspunsul de senzori pentru cantitatea de lumina infrarosie absorbită nu a fost

o funcție liniară, raza de dispozitivul de levitaţie magnetică a fost limitată la 3-10 mm de la baza electromagnet. Acest lucru a dus la mai multe regiuni de funcţionare în cazul în care răspunsul la controler ar putea nu fi depindea.

Acesta este un proiect mare, care generează o mulţime de interes. Levitators sunt distractive şi încă foarte rar văzut. Acest proiect ar face un neobişnuit ştiinţa Targul display şi ilustrează potenţialul de maglev dispozitive.

Deşi obiectivele tezei au fost realizate cu succes folosind hardware-ul de design şi abilităţile semnificative au fost obţinute în ceea ce priveşte controler de proiectare şi implementare. Dificultăţile implicate în dezvoltarea mecanismul de teledetecţie sa dovedit a fi cea mai dificilă şi consumatoare de timp aspect la acest proiect. O înţelegere mai bună detectare tehnici şi tehnologii de ar fi îmbunătăţit în mod semnificativ şansele de a dezvolta un sistem Maglev rezonabil stabil.

Din cauza importanţa crescândă a simţind tehnici şi tehnologii în aplicaţii industriale şi comerciale, ar fi sugerat că mai mult de expunere prevăzute în timpul prelegeri de absolvent de studenţi. Cu mai mult de expunere în aceste zone, multe dintre dificultăţile întâlnite pe parcursul dezvoltării proiectului pot fi evitate.

5.2 Recomandări

s Ce schimbări ar face acest lucru mai bine? Cum pot îmbunătăţi acest designul? Un număr redus cip poate fi realizat prin înlocuirea de incredere dar 741 vechi cu un

dispozitiv de moderne. Piese moderne trebuie specificațiile mai bine în ceea ce priveşte toate, şi pot fi găsite în pachetele dual şi quad. Alternativ, primele trei op-Amperi poate fi înlocuit cu un amplificator de instrumentaţie.

O etapă de ieşire liniară cu un circuit de elicopter PWM. Acest lucru permite analiza liniara tehnici pentru a analiza performanţa circuit. Asta este, dacă veţi compara semnalul dorit de control cu un fierăstrău de undă, apoi impulsului este proporţională cu bobina dorit curent.

49

Singura problemă este bobina obţine cald în câteva minute. Acesta va fi cald la atingere

în jumătate de oră. Mai devreme în cazul în care nici un obiect este ţinut. Bilă de oțel gol ar lua mult mai puţină energie să plutească decât la poartă jumătate de inch solide pe care am folosit. Folosind o minge mai uşoare ar reduce cerinţele actuale de bobina de medie şi maximă, care ar reduce considerabil disiparea căldurii.

Opto-detectoare sunt utilizate dispozitive foarte unghi larg. Se ridica o cantitate considerabilă de lumină ambientală, chiar de la în interiorul o cutie pentagonal. Ar fi util să folosească ceva pentru a restrânge lor unghi vizibile, cum ar fi un LED panou bezel Muntele. Şi ar fi bine să mount-le apropiate posibil.

Ieşire tranzistor (2N3055) se execută cu nici o generaţie de căldură vizibile. Puteţi elimina radiatorului şi 2N3055 mare ar putea fi înlocuit cu un dispozitiv de TIP29 mai mici. Sau ar putea fi înlocuit de un dispozitiv de JFET ca un IRF510. Dispozitivul mai

mici pot fi montate pe circuitul de bord, care ar simplifica cerințele montaj și cablare.

Bibliografie

50

1 – Conector USB Tip B (Mamă), pentru alimentarea cu 5V și transmisii de date.;2 – Alimentare placă Arduino. Se recomandă ca tensiunea de alimentare să fie între 7V-12V;

Obs.: * În cazul în care alimentați Arduino Uno prin conectorul USB din altă sursă

înafară de PC(de exemplu un astfel de încărcător), trebuie să aveți atenție la tensiunea de alimentare deoarece alimentarea de la conectorul USB nu trece prin stabilizatorul de 5V al plăcii!

* În momentul când aveți placa Arduino Uno la PC pentru programare sau comunicare

prin intermediul monitorizării seriale este recomandat să deconectați alimentarea externă din conectorul nr. 2;3 – Buton de reset, resetează placa FARĂ însă a se pierde programul scris în aceasta.

Programul reîncepe de la funcția void setup();

4 – Șir pini digitali, conține 14  intrări/ieșiri din care 6 pot fi folosite ca ieșiri PWM (3,5,6,9,10,11).

* Pinii 0(rx), 1(tx) sunt folosiți pentru a primi (rx) și transmite (tx) date.  În cazul în

care programul folosește funcția de comunicare serială (se poate indentifica în program

prin “Serial.begin“) aceste ieșiri nu pot fi folosite.;* Pinul 13 are conectat un led (L pe placă) în serie cu o rezistentă. LED-ul ne indică

51

starea pinului: aprins pentru HIGH, și stins pentru LOW. (Semnalele Logice, Primul program pe Arduino Uno) ;* GND este conectat la masă;* AREF – Analogic Reference

5 – Șir pini alimentare:* IOREF – Se poate măsura tensiunea la care operează microcontrolerul (3.3V sau 5V);* RESET – Resetează placa când acesta este conectat la masă (GND);* 3.3V – Furnizează o tensiune de 3,3V;* 5V – Furnizează o teniune de 5V;* GND – Este conectat la masă* Vin – Prin intermediul acestui pin se poate alimenta placa Arduino Uno respectându-se tensiunea recomandată de alimentare (în cazul în care alimentăm placa prin acest pin, tensiunea trece prin stabilizator);

6 – Șir pini analogici, A0…A5. Valoarea acestori pini se poate citi cu funcția analogRead(), din citire rezultă numere între 0-1023 pentru 0V – 5V.7 – Pini ICSP (In-Circuit Serial Programming);

Microcontroler: ATmega328

Tensiune de lucru: 5V

Tensiune de intrare (recomandat): 7-12V

Tensiune de intrare (limita): 6-20V

Pini digitali: 14 (6 PWM output)

Pini analogici: 6

Intensitate de iesire: 40 mA

Intensitate de iesire pe 3.3V: 50 mA

Flash Memory: 32 KB (ATmega328) 0.5 KB pentru bootloader

SRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Clock Speed: 16 MHz

52

53