Левитирующий двигатель своими руками: Левитирующий двигатель(мотор мендосино). Украшение для рабочего стола

Узнайте больше

Узнайте больше

T&C

5

Awesome

good

READ MORE

KSPRASHANTH Sankar

Certified Buyer, Kozhikode

Oct, 2018

Permalink

Report Abuse

3

Nice

Good

READ MORE

Сантош Татья

Сертифицированный покупатель, Читтурский район

Январь 2018 г.

Постоянная ссылка

Сообщить о нарушении

5

Отлично

Отличный продукт, о том же, что Flipt’m счастлив, очень полезен для детей товар доставлен мне

ПОДРОБНЕЕ

Клиент Flipkart

Сертифицированный покупатель, Майсуру

Декабрь 2017 г.

Постоянная ссылка

Сообщить о нарушении

Читать Подробнее

Tripurari Ghosh

Сертифицированный покупатель, Kandi

марта, 2017

Постоянная ссылка

Отчет о злоупотреблениях

1

не соответствовал ожиданиям

Не ожидаемый игрушку, очень плохое качество

не соответствовал ожиданиям

Не ожидаемое игрушку, очень плохое качество

.0002 Читать Подробнее

Sachin Singh

Сертифицированный покупатель, Bangalore

Apr, 2017

Постоянная ссылка

Отчет о злоупотреблении

+

Все 76 обзоров

Вопросы и ответы

В: Если продукты не будут работать как для одного. видео, что мы можем сделать? ты возьмешь его обратно?

О: На этот вопрос может ответить только Flipkart, поскольку он касается их политики. Что касается работы, то она у меня работала очень хорошо. Я не сталкивался с какими-либо проблемами.

Покупатель Flipkart

Сертифицированный покупатель

Сообщить о нарушении

Читать другие ответы

В: мы также получим вентилятор?

A:да… пропеллер входит в комплект поставки.

Santosh Choubey

Сертифицированный покупатель

Сообщить о нарушении

Не нашли правильного ответа, который вы искали

Безопасные и надежные платежи. Легкий возврат. 100% подлинные продукты.

Магнитная левитация — Learn.sparkfun.com

Авторы:
Алекс Великан

Избранное

Любимый

11

Введение

Да будет свет! В этом уроке мы создадим простой магнитный левитатор. В этом руководстве будет рассмотрена часть теории, как использовать датчик магнитного поля и как использовать его для создания базовой схемы левитации. Наконец, мы пойдем немного дальше и создадим плавающий свет с беспроводным питанием.

Необходимые материалы

Чтобы следовать примерам из этого руководства, вам потребуются следующие материалы:

Внимание! LM358 запланирован на EOL. Мы рекомендуем AS358 в качестве замены операционного усилителя общего назначения. Деталь совместима с 358.

Другие используемые детали, которые мы не носим:

• Аналоговый датчик Холла
• 1N5401 Диод
• Катушка индуктивности 1 мГн

Необходимые инструменты

Инструменты, необходимые для этого проекта, — это мультиметр и паяльник, но доступ к осциллографу также поможет при тестировании.

Цифровой мультиметр — базовый

В наличии

ТОЛ-12966

16,50 $

23

Избранное

Любимый

57

Список желаний

Паяльник — 60 Вт (регулируемая температура)

В наличии

ТОЛ-14456

16,50 $

16

Избранное

Любимый

42

Список желаний

Набор инструментов — набор отверток и бит

Осталось всего 12!

ТОЛ-10865

10,95 $

7

Избранное

Любимый

26

Список желаний

Рекомендуемая литература

Если вы не знакомы со следующими понятиями, мы рекомендуем ознакомиться с этими учебными пособиями, прежде чем продолжить.

Как пользоваться макетной платой

Добро пожаловать в удивительный мир макетов. Здесь мы узнаем, что такое макетная плата и как с ее помощью построить свою самую первую схему.

Избранное

Любимый

74

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и силы тока.

Избранное

Любимый

64

Введение в операционные усилители с LTSpice

Продолжая с того места, где мы остановились в разделе «Начало работы с LTSpice», мы немного углубимся в LTSpice, представив операционные усилители (OpAmps).

Избранное

Любимый

12

Основы теории

Что касается магнитной левитации, то существует два вида левитации: притягивающая и отталкивающая. В этом руководстве мы собираемся использовать привлекательную схему левитации, так как с ней намного проще работать. Как известно, у магнита два полюса, северный и южный. Магнитные поля с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга, тогда как противоположные полюса притягиваются. Для магнитной левитации нам нужно фиксированное магнитное поле, обеспечиваемое постоянными магнитами, и магнитное поле, которым мы можем управлять для позиционирования постоянных магнитов.

Изображение предоставлено Geek3 через Википедию, CC BY-SA 3.0

Чтобы создать магнитное поле, которым можно управлять, мы можем использовать индуктор. Катушки индуктивности хранят энергию подобно конденсаторам; в то время как конденсаторы сохраняют напряжение в виде электрического поля, катушки индуктивности сохраняют ток, создавая магнитное поле. Здесь мы будем использовать магнитное поле катушки индуктивности для взаимодействия с магнитами. При притягательной левитации индуктор используется для противодействия силе тяжести, которая затем притягивает магнит к индуктору.

Если магнит окажется слишком близко к индуктору, напряженность поля магнита будет достаточно сильной, чтобы прилипнуть к индуктору, независимо от того, какой ток проходит через индуктор. Однако, если магнит находится слишком далеко от индуктора, напряженность магнитного поля будет слишком слабой по сравнению с гравитацией, чтобы ее можно было поднять обратно. Таким образом, хитрость заключается в том, чтобы найти окно, где магнит недостаточно силен, чтобы подтянуться сам по себе, но благодаря притяжению противодействующего поля индуктора магнит способен преодолеть гравитацию. Чтобы отслеживать его положение, мы будем использовать датчик магнитного поля, называемый датчиком на эффекте Холла.

Датчик Холла

Датчик Холла — это устройство, которое используется для измерения напряженности магнитного поля. Выход датчика прямо пропорционален напряженности магнитного поля, проходящего через него. Датчик, который нам понадобится, это SS496B, который имеет аналоговое напряжение на выходе . Существуют и другие датчики на эффекте Холла, которые действуют как переключатель и включаются или выключаются только при наличии магнитного поля. В следующем разделе мы увидим, как датчик реагирует на присутствие наших магнитов.

Тестирование датчика Холла

Давайте сначала проверим, как работает датчик. С макетной платой подключите 5V к контакту напряжения питания, земля к земле, а к выходному контакту подключите либо щуп осциллографа, чтобы наблюдать за изменением напряжения, либо мы можем использовать мультиметр в режиме напряжения, чтобы наблюдать за изменением напряжения.

Без магнита выходное напряжение составляет около 2,5 В . С одной стороны магнита по мере приближения магнита к датчику напряжение уменьшается. Если вы перевернете магнит и поднесете его ближе к датчику, вы увидите увеличение выходного напряжения. Обратите внимание, на какой стороне напряжение уменьшается. Это может помочь сделать отметку перманентным маркером, который пригодится в нашем следующем тесте.

Примечание: Магниты, использованные на фотографиях, круглые, диаметром около 0,5 дюйма и высотой 0,1 дюйма, но квадратные магниты также подойдут. Важно то, что это неодимовые (также известные как редкоземельные) магниты.

Прежде чем перейти к следующему тесту, нам нужно удлинить выводы нашего датчика, добавив провод. Рекомендуется добавить термоусадочную трубку вокруг каждого паяного соединения, чтобы убедиться, что они не замыкаются друг на друга, но немного изоленты вокруг выводов также подойдет. На изображении ниже датчик имеет красный провод для подачи положительного напряжения, черный для отрицательного и желтый провод для аналогового выхода.

Пока паяльник горячий, самое время припаять провод к индуктору. Использование разных цветов для двух контактов индуктора может помочь в устранении неполадок в дальнейшем.

Создание схемы управления

Как упоминалось в Основах теории, важно, чтобы магнит располагался достаточно близко к магнитному полю катушки индуктивности, чтобы он мог взаимодействовать с магнитом, но не настолько близко, чтобы собственное магнитное поле магнита способен подтянуться к индуктору независимо от мощности. Что нам нужно, так это способ управления индуктором, чтобы, когда магнит находится слишком далеко, индуктор притягивал магнит ближе, но выключался, когда он подходит слишком близко, чтобы гравитация все еще могла притягивать его обратно.

Прежде чем мы начнем подключать электронику, необходимо сделать подставку, чтобы держать индуктор над землей. В этом руководстве не рассматривается изготовление подставки, но ниже приведена фотография подставки, используемой для справки. Индуктор висит примерно на 5 дюймов над столом, а болт 8-32 (длиной ~ 1,5 дюйма) и гайка используются для крепления индуктора к подставке.

Совет: Убедитесь, что магнит может прилипнуть к болту. Железный материал болта будет «фокусировать» линии магнитного поля на индукторе, и магнит будет подтягиваться к центру индуктора.

После установки индуктора нам нужно прикрепить датчик Холла к головке болта. Если на датчике есть оголенный металл, используйте кусок изоленты, чтобы изолировать датчик от болта, и закрепите датчик большим количеством изоленты, как показано ниже. Обратите внимание, что изогнутая сторона датчика обращена от катушки индуктивности.

Схема компаратора

Для управления катушкой индуктивности мы собираемся использовать операционный усилитель в конфигурации, называемой компаратором, который сравнивает выходной сигнал датчика Холла с опорным напряжением, подключенным к другому входному контакту. . Опорное напряжение устанавливается с помощью потенциометра, действующего как делитель напряжения — это создает регулируемое аналоговое напряжение между 0В и 5В . Напряжение потенциометра представляет собой то напряжение, которое мы хотим, чтобы датчик Холла считывал, что зависит от того, насколько далеко находится магнит.

В этой схеме используются две шины напряжения: 5 В и 12 В . Шина 12 В питает катушку индуктивности и операционный усилитель, а шина 5 В используется для источника опорного напряжения и датчика Холла. Два источника питания идеальны, потому что, если шина 12 В переходит в режим ограничения тока и напряжение падает, датчик Холла не будет иметь достаточно высокого напряжения, чтобы определить, когда магнит находится достаточно близко. Однако вы можете обойтись и одной шиной питания, используя линейный стабилизатор напряжения LM7805. Если вы планируете использовать два блока питания, убедитесь, что вы соедините земли вместе , иначе схема не будет работать корректно.

Примечание: На схеме U2 указан как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема схемы компаратора

Нечеткое изображение схемы компаратора

После того, как схема построена, мы будем использовать мультиметр для измерения напряжения на неинвертирующем входе (вывод 2 операционного усилителя) и включить ручку на потенциометре, пока он не покажет 0В . Затем мы поместим магнит на расстоянии около 2 см от сенсора или толщиной с большой палец. По сути, магнит должен находиться в «наилучшем месте» — в положении немного дальше, чем положение, в котором магнит хочет самостоятельно подтянуться и прилипнуть к индуктору.

Судя по выходному напряжению операционного усилителя (контакт 1), оно должно быть 9-12 В . С магнитом, все еще на месте, мы собираемся медленно поворачивать потенциометр и увеличивать опорное напряжение, пока не увидим изменение напряжения с 12 В до 0 В . Небольшое перемещение магнита вверх и вниз должно изменить выходной сигнал операционного усилителя с высокого на низкий и с низкого на высокий.

Компаратор пытается удерживать напряжения между входными контактами равными и устанавливает на выходе высокий или низкий уровень, чтобы значение датчика соответствовало эталонному значению. На следующем шаге мы присоединим нашу катушку индуктивности к выходу операционного усилителя и попытаемся заставить магнит левитировать!

Левитация магнита

Теперь, когда мы поняли, как компаратор будет управлять катушкой индуктивности, давайте попробуем левитировать магнит. Операционные усилители хорошо справляются с управлением сигналами, но для приложений с большим током, подобных этому, нам понадобится полевой МОП-транзистор. Отключите питание цепи, которую мы построили в предыдущем разделе, и подключите следующую цепь. Не пропустите диод! Когда катушка индуктивности отключается, создаваемое ею магнитное поле разрушается, что может вызвать сильный всплеск напряжения и повредить MOSFET. На схеме указан диод 1N4007, но диод 1N5401 должен лучше работать с пиками обратного тока.

Примечание: На схеме U2 указан как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема схемы компаратора с индуктором

Нечеткое изображение схемы компаратора с индуктором

При выключенном питании поверните ручку потенциометра до упора в одну сторону, чтобы установить опорное напряжение к 5В . Затем включите питание и убедитесь, что на выходе операционного усилителя отображается значение 9.0624 0В . Расположите магниты между большим и средним пальцами, как показано ниже. Ваш большой палец сможет поймать магнит, если он притянется к индуктору, а ваш средний палец уравновесит магниты и поймает их, если магниты упадут.

Другой рукой медленно уменьшить опорное напряжение. Когда вы приблизитесь к точке перехода из построения схемы управления, магниты должны начать левитировать. Если магниты подпрыгивают до большого пальца, снова увеличьте напряжение и повторите попытку. С некоторой практикой и небольшими, но точными движениями магниты должны быть в состоянии левитировать.

Совет: Если магнит пытается перевернуться так, что метка на магнитах направлена ​​в сторону от индуктора, магнитные поля одинаковы и отталкивают друг друга. Реверсивное подключение катушки индуктивности решит эту проблему.

Возможность считывать ток от источника питания 12 В — хороший способ увидеть, где находится точка левитации. Когда магнит находится слишком близко, ток должен быть меньше 10 мА. С магнитами, которые я использую, величина используемого тока составляет около 80 мА, и я могу левитировать в окне 2-3 см от индуктора. Немного потренировавшись, вы сможете заставить свои магниты левитировать!

Беспроводное питание

Если левитация магнита недостаточно крута, вы можете добавить еще больше сложности, добавив светодиод с беспроводным питанием. Этот шаг требует еще нескольких инструментов, которые есть не у всех. Для этого раздела вам понадобится следующее:

Сборка передающей катушки

Индуктор, используемый для левитации магнитов, обеспечивает мощность, достаточную только для удержания магнита на месте. Для беспроводной передачи энергии нам потребуется сделать второй индуктор, который мы будем наматывать с помощью магнитной проволоки. Магнитная проволока представляет собой тонкую проволоку с еще более тонким изоляционным слоем. Это позволяет виткам проводов располагаться еще ближе друг к другу и увеличивает создаваемую индуктивность по сравнению с тем же количеством витков провода с обычной изоляцией.

Беспроводная передача энергии работает по тому же принципу, что и трансформатор, где один индуктор индуцирует ток в другом индукторе, за исключением того, что вместо использования железного сердечника для передачи потока от одного индуктора к другому используется воздух, аналогичный катушка тесла. Одна из проблем беспроводной передачи энергии заключается в том, что она очень неэффективна. Первичная сторона трансформатора будет потреблять много энергии, чтобы генерировать немного мощности на вторичной обмотке.

Изготовление основного

Первичная обмотка состоит из 25 витков магнитной проволоки калибра 30 с диаметром в центре 1 дюйм. Поскольку инженеры не могут ничего выбрасывать, я использовал пустую катушку с обрезанным концом, чтобы снять магнитную проволоку.

Чтобы катушка не разматывалась, вы можете отрезать небольшой кусок дополнительного магнитного провода и обернуть его вокруг первичной обмотки с двух сторон, чтобы он держал форму. Эмалевое покрытие провода затрудняет прилипание припоя к проводу. Поэтому с помощью наждачной бумаги счистите немного эмали, чтобы можно было припаять пару контактов, как показано ниже, или припаяйте провод непосредственно к катушке, чтобы добраться до макетной платы.

Изготовление вторичной обмотки

Вторичная сторона была изготовлена ​​таким же образом, за исключением того, что на этот раз использовалось 100 витков магнитной проволоки вместе с диодом и двумя конденсаторами для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для светодиода. См. схему ниже.

Схема создания вторичной обмотки беспроводной передачи энергии

Отрежьте несколько дополнительных кусков магнитной проволоки, чтобы скрепить вторичную обмотку, как это было сделано с первичной обмоткой. На этот раз отрежьте большие куски, чтобы петля вокруг радиатора светодиода удерживалась в центре вторичной обмотки. Кусок двустороннего скотча был использован для крепления магнитов к нижней части радиатора светодиода. Убедитесь, что при размещении магнитов метка на магнитах направлена ​​в сторону от светодиода.

Сборка первичного драйвера и тестирование

Чтобы индуцировать ток во вторичной катушке, нам нужно сгенерировать сигнал переменного тока с помощью функции или генератора частоты, который позволит нам найти наилучшую частоту для использования с этими катушками индуктивности, которые мы сделанный. Как и в случае с операционным усилителем для схемы левитации, функциональный генератор не может генерировать очень большой ток, поэтому нам нужно будет использовать другой MOSFET для управления нашей первичной катушкой. Схема довольно проста, входной сигнал прямоугольной формы имеет амплитуду 5V и смещение постоянного тока 2.5V (нам нужна прямоугольная волна, которая достигает высокого уровня до 5V и низкого до 0V). Обязательно прикрепите радиатор к этому мосфету, так как они довольно быстро нагреваются.

Чтобы найти наилучшую частоту для использования, я использовал свой измеритель LCR, который может измерить индуктивность моей вторичной катушки, а также получить точное значение для C1 из схемы и рассчитал резонансную частоту около 80 кГц. Существует баланс между частотой и потребляемым током от источника питания. Чем ниже частота, тем ярче будет светодиод, но эффективность крайне низкая, и MOSFET, управляющий первичной катушкой, будет сильно нагреваться. Лучший подход к этой проблеме — определить, насколько высокую частоту вы можете использовать, чтобы при этом иметь достаточную яркость светодиодов.

Присоединение первичного индуктора к левитирующему индуктору

Теперь, когда беспроводная передача энергии работает, пришло время прикрепить первичный индуктор беспроводной энергии к индуктору левитации. Немного изоленты прикрепите индуктор из 25 витков, который мы сделали, к нижней части индуктора левитации, где находится датчик Холла.

Нахождение нового расстояния левитации

Вес света и магнитов теперь значительно тяжелее, чем с одними магнитами. Когда первичная беспроводная сеть отключена от остальной цепи, используйте потенциометр эталонного напряжения, чтобы отрегулировать расстояние левитации. Из-за массы магниты должны быть значительно ближе, примерно на 1 см. Уменьшение напряжения на потенциометре уменьшит расстояние левитации. После того, как свет начнет левитировать, вы можете снова подключить первичную обмотку и включить или выключить выход функционального генератора, чтобы управлять светодиодом.

Ранее я упоминал, что это неэффективно. Но насколько неэффективно? Я измерил ток около 50 мА, а напряжение на светодиоде составило 2,72 В, поэтому схема получает мощность около 136 мВт. Источник питания установлен на 12 В, и при левитации магнита и включенном свете схема потребляет 886 мА, или 10,6 Вт, что составляет КПД 1,3%. Справедливости ради следует отметить, что схема левитации потребляет около 450 мА, так что эффективность беспроводной передачи энергии на самом деле составляет около 2,5%. Теперь, когда мы знаем, на какой частоте может работать наша беспроводная силовая цепь, функциональный генератор можно заменить новой схемой, использующей таймер 555 для генерации сигнала прямоугольной формы.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Одним из способов дальнейшего развития этого проекта является повышение эффективности беспроводной передачи энергии. Если у вас есть доступ к измерителю LCR, который может измерять индуктивность, емкость, а также сопротивление, вы можете найти точные значения L1 и C1 вторичных обмоток и ввести значения в калькулятор резонанса LC. Зная резонансную частоту вторичной обмотки, можно измерить индуктивность первичной обмотки, и калькулятор вернет значение емкости. Добавление этого конденсатора параллельно первичной катушке индуктивности и настройка генератора сигналов на эту частоту должны повысить эффективность. А пока ознакомьтесь с некоторыми ссылками ниже:

• Магнитные поля
• Эффект Холла
• Электромагнетизм

Нужно больше вдохновения? Ознакомьтесь с другими замечательными уроками от SparkFun:

.

Интерактивная подвесная светодиодная матрица

Узнайте, как мы превратили 72 лампочки в интерактивную светодиодную матрицу для нашего конференц-зала.

Избранное

Любимый

16

Ободки со светодиодными помпонами

Следуйте этому руководству, чтобы сделать светящуюся повязку из помпонов своими руками! Попробуйте версию для начинающих, если вы новичок в электронике, или продвинутую версию, если у вас есть опыт!

Избранное

Любимый

4

Беспроводной пульт дистанционного управления с micro:bit

В этом руководстве мы будем использовать радиоблоки MakeCode, чтобы один micro:bit передал сигнал принимающему micro:bit на том же канале. В конце концов, мы будем управлять микророботом по беспроводной сети, используя детали из аркадного комплекта!

Избранное

Любимый

4

Левитация на основе магнитного отталкивания — Подвал с схемами

В этой статье о проекте Джефф использует концепцию магнитного отталкивания для левитации объекта. Чтобы изучить связанные с этим физические свойства, он начал с некоторых крутых старых игрушечных транспортных средств «маглев». Затем он реализует проект, используя микроконтроллер Espressif ESP8266 и программирование Arduino.

Земля состоит из слоев, имеющих разный химический состав и разные физические свойства. Земная кора имеет некоторую постоянную намагниченность, но ядро ​​планеты создает собственное магнитное поле. Именно это магнитное поле мы измеряем на поверхности.

Ядро Земли имеет температуру в несколько тысяч градусов по Цельсию из-за радиоактивного нагрева и химической дифференциации. Это немного похоже на природный электрический генератор, в котором конвективная (кинетическая) энергия преобразуется в электрическую и магнитную энергию. Процесс является самоподдерживающимся, пока имеется источник энергии, достаточный для поддержания конвекции.

Земля вращается вокруг оси, которую мы знаем как Северный полюс и Южный полюс. Но из-за несферического ядра создаваемое магнитное поле не совпадает с осью вращения. Поскольку это меняется со временем, карты регулярно корректируются каждые 5 лет или около того, чтобы указать текущее смещение склонения. Константа склонения — это число градусов, на которое северное показание компаса отклонено от оси северного полюса. Это зависит от вашего местоположения на Земле. У нас есть доказательства того, что магнитное поле Земли со временем полностью изменилось. Последнее изменение произошло около 780 000 лет назад и обычно происходит в течение сотен тысяч лет.

Магнитное поле Земли отклоняет большую часть солнечного ветра, заряженные частицы которого в противном случае сорвали бы озоновый слой, защищающий нас от вредного ультрафиолетового излучения. Магнитное поле Земли дает большинству из нас возможность ориентироваться в мире. Мы используем вращающийся магнит или компас, чтобы обнаружить это магнитное поле и определить направление. Кажется, что у многих животных есть встроенный компас, который помогает им ориентироваться в маршрутах миграции.

ДВИГАТЕЛИ И МАГНИТЫ

Мы используем силу магнитов для создания моторов, соленоидов, плазмы и даже для крепления произведений искусства на холодильник. Магниты или создаваемые ими поля можно использовать как для притяжения, так и для отталкивания. Все магниты имеют как северный полюс, так и южный полюс. Если дать им волю, они естественным образом притянутся к противоположным полюсам — С-к-Ю и Ю-к-С. Если магниты держать N-к-N или S-к-S, они будут отталкиваться друг от друга, пытаясь уйти от одинаковых полюсов. Это отталкивание — состояние неустойчивое, но столь же полезное, как и притяжение. Фактически, при использовании в двигателе он обеспечивает половину крутящего момента или способности двигаться. Давайте подробнее рассмотрим, как магнитные поля используются для создания движения.

Многие из нас построили двигатель на уроках физики в средней школе. Хорошее видео для демонстрации этого можно найти на YouTube [1]. Двигатель состоит из источника тока (батареи типа АА), катушки (петли изолированного провода), магнита и якоря (канцелярских скрепок). Якорь на самом деле представляет собой комбинацию скрепок, которые используются в качестве проводящего подшипника, и катушки проволоки, концы которой вытянуты в противоположных направлениях, так что они действуют как ось, проходящая через зажимы. Со скрепками на каждом конце батареи катушка подвешивается между зажимами, как гамак, а магнит прикрепляется к батарее под катушкой. В зависимости от состава вашей батареи, вашему магниту может понадобиться клей, скотч или глина, чтобы оставаться на месте.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Поскольку провод катушки изолирован, ток не будет течь. Поместите катушку на плоскую поверхность и соскребите изоляцию только с верхней части обоих концов. Поместите катушку обратно в держатель для скрепки. Когда катушка вращается так, что оголенная сторона проводов катушки соприкасается с зажимами, через катушку должен течь ток, а создаваемое магнитное поле заставит катушку притягиваться к магниту или отталкиваться от него, создавая крутящий момент и вращение. . Импульс заставит катушку продолжать вращение, как только изоляция катушки повернется и прервет ток. Двигатель будет толкаться каждый раз, когда неизолированная часть выводов катушки снова соприкасается с зажимами.

ВРЕМЯ ИМЕЕТ ВАЖНОЕ ВРЕМЯ

Существует некоторая важная синхронизация между протеканием тока и положением катушки, благодаря которому все это происходит. Ток должен включаться (пульсировать) в соответствующее время для непрерывного движения. Если ток катушки не отключен, как только вращение катушки приведет ее магнитное поле к ближайшей точке притяжения к неподвижному магниту, она попытается остаться там, предотвращая дальнейшее вращение.

Простой двигатель, который я только что описал, на самом деле состоит из двух магнитов — стационарного постоянного магнита (установленного на батарее) и электромагнита, состоящего из катушки проволоки. Электромагнит может быть запитан, создавая управляемый магнит. В этом простом примере одна и та же полярность применяется к катушке один раз на каждые 360 градусов вращения. Напротив, более сложные двигатели используют коммутатор для применения одной полярности для первой половины оборота и противоположной полярности для другой половины оборота. Это дает катушке двигателя два притяжения за оборот. Двигатели могут иметь несколько наборов катушек и коммутаторов для обеспечения повышенного крутящего момента и относятся к категории «щеточных двигателей постоянного тока».

Несмотря на то, что конструкция коммутатора выполняет все функции включения и переключения полярности, у него есть точка износа — щетки (грязесъемники), которые замыкают и размыкают соединения при вращении вала. Мы можем устранить эту точку износа, поменяв местами постоянные магниты и электромагниты. С постоянными магнитами на вращающемся якоре и неподвижными электромагнитами щетки не нужны, и эти двигатели относятся к категории «бесщеточных». Однако нам нужна интеллектуальная схема для электронного управления катушками. Эти двигатели использовались в дисководах, а теперь популярны в электрических самолетах и ​​дронах (см. мою серию статей из трех частей «Электронное управление скоростью» в 9).0608 Circuit Cellar  336-338 (с июля по сентябрь 2018 г. [2]). На рис. 1 показано расположение постоянных магнитов (ПМ) для щеточных и бесщеточных двигателей постоянного тока. Если мы разделим двигатель постоянного тока и выровняем его, как показано на рис. 2 , то вращательное движение превратится в линейное. Обратите внимание, что статор (снаружи) и ротор (внутри) взаимозаменяемы.

• Рисунок 1
• Рисунок 2

РИСУНОК 1. В коллекторном двигателе постоянного тока слева используется коммутатор для автоматического включения внутренних катушек таким образом, что ротор всегда притягивается или отталкивается в одном направлении. Справа бесщеточный двигатель постоянного тока, который меняет положение магнитов и катушек. Хотя это устраняет необходимость в щетках, которые изнашиваются, требуется некоторая причудливая электроника для правильного включения катушек статора [3]. РИСУНОК 2. Мы думаем, что большинство двигателей производят вращательное движение на своих валах. Однако, если бы двигатель был разделен, развернут плоско и расширен с обоих концов, движение, которое он производит, было бы линейным [4].

ПОДВЕСИТЬ
Еще в 1990 году я писал о подвешивании объекта в воздухе («Как бросить вызов гравитации без использования черной магии» ( Circuit Cellar  18, декабрь 1990 г./январь 1991 г.) [5]). В этом проекте использовался электромагнит для притяжения объекта с помощью встроенного магнита и удержания его в подвешенном состоянии. В этом месяце мы перевернем эту идею с ног на голову. Вместо приостановки с притяжением мы будем приостанавливать отталкиванием. На самом деле, эта часть проста. Если бы мы могли расположить PM поверх PM так, чтобы они отталкивались, один бы парил над другим. К сожалению, без какого-либо способа удержать их от отклонения, они просто сдвинутся с оси.

Я люблю игрушки. Они могут обеспечить недорогой способ исследовать и экспериментировать с физическими свойствами. В поисках некоторых примеров магнитной левитации я остановился на паре транспортных средств «маглев». Возможно, вы видели поезда на магнитной подвеске в Китае, Южной Корее или Японии. Некоторые системы были созданы для коротких рейсов, таких как шаттлы из города в аэропорт. Как и все новые технологии, затраты очень высоки, и лишь немногие из них приносят прибыль.

Мне удалось раздобыть два игрушечных поезда на магнитной подвеске: OWI Robotikit’s Magnetic Levitation Express ( Рисунок 3a ) и набор левитирующего поезда Discovery #Mindblown ( Рисунок 3b ). Каждый использует схожие принципы, но реализация немного отличается. Парение осуществляется с помощью пластикового встроенного магнитного материала.

РИСУНОК 3. Я подобрал эти два экземпляра игрушечных поездов на магнитной подушке. (вверху) производится OWI, а (внизу) распространяется через Merchant Source.

На заметку: вы можете найти ручки с эффектом Холла ( рис. 4 ). Это перо покажет N или S (и подаст звуковой сигнал) при обнаружении магнитного поля. Я использовал его, чтобы определить, как намагничиваются различные материалы. Гибкие редкоземельные или ферритовые магниты изготавливаются путем каландрирования или экструдирования магнитных порошков в гибкую смесь, такую ​​как винил. Плотность магнитного порошка влияет на магнитные свойства конечного продукта. Этот материал можно намагничивать во многих форматах ( Рисунок 5 ). Например, обычные магниты на холодильник обладают такими свойствами только с одной стороны. Их часто намагничивают чередующимися полюсами, перетаскивая несколько сильных (неодимовых) магнитов по их поверхности, создавая полосы из попеременно намагниченного материала.

• Рисунок 4
• Рисунок 5

РИСУНОК 4. Обе эти ручки с эффектом Холла (магнитные) воспринимают магнитные поля. Белый кончик верхней ручки становится синим, когда он приближается к магнитному полю. Нижняя ручка имеет красный/зеленый светодиоды для индикации полярности поля. Он также подает звуковой сигнал, но не так чувствителен, как верхняя ручка. РИСУНОК 5. Формованные и экструдированные черные материалы можно намагничивать в различных форматах. Окружность кольцевого магнита может иметь один полюс или несколько противоположных полюсов. Листовой/полосовой материал может иметь аналогичные форматы. Интересно, что магниты на холодильник намагничиваются только с одной стороны.

Я воспользовался магнитной ручкой и нашел чередующиеся полюса в одном направлении с полосами одиночных полюсов в другом направлении. Я поэкспериментировал, нарисовав на материале два круга (размером примерно с монетку). Затем с помощью магнита я протер поверхность внутри одного круга полюсом N, а другого круга — полюсом S магнита. С помощью магнитной ручки я смог убедиться, что область внутри каждого круга намагничивается разными полюсами! Интересно, что противоположная поверхность магнита холодильника не проявляла признаков магнетизма.

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

Теперь вернемся к левитирующим поездам. С помощью магнитной ручки я смог определить, что магнитные полоски, используемые в обоих наборах, бывают двух форматов. Первый формат я назову «парящие полосы». Они были намагничены таким образом, что каждая поверхность представляла собой один полюс, верхняя поверхность — один полюс, а нижняя поверхность — противоположный полюс. Второй формат, который я назову «полосами положения», имеет чередующийся рисунок полюсов вдоль каждой поверхности. Расстояние между полюсами меняется каждые 0,5 дюйма, что одинаково для обоих комплектов!

Поезда сами по себе имеют соответствующие парящие магниты вдоль левой и правой сторон каждого вагона. Они расположены на таком же расстоянии друг от друга, как и парящие магниты в каждом сегменте гусеницы. Пути гладкие, без физического рельса. Вагоны поезда плывут по рельсам от встречных магнитов. Но без какого-либо метода удержания автомобиля в центре он хочет сойти с рельсов то в одну, то в другую сторону.

В поезде «Дискавери» используются парящие магниты одного полюса с каждой стороны пути. Это означает, что автомобильные магниты должны быть противоположными полюсами. Вы можете поставить машину на трассу в любом направлении, и она зависнет. В поезде OWI используются противоположные парящие магниты, и поезд будет парить в одном направлении и притягивать проезжую часть в другом. Это может показаться недальновидным, пока вы не увидите, чем отличаются системы.

Разница заключается в том, как каждый поезд удерживается по центру своего рельсового пути. Поезд «Дискавери» зависает над рельсовым полотном, борта которого проходят вниз по краю пути. На обеих сторонах есть маленькие колеса, которые могут касаться края гусеницы и предотвращать боковое падение автомобиля с гусеницы. Они не поддерживают вес автомобиля, а просто удерживают его по центру.

Как и поезд «Дискавери», поезд OWI также хочет двигаться вбок от центра пути. Однако он немного смещен от центра, поэтому всегда пытается сместиться вправо. У поезда колеса только с правой стороны. Эти колеса не касаются гусеницы. Вместо этого они касаются внешней боковой стены, проходящей вдоль одной стороны пути, что предотвращает сход поезда с рельсов.

MOVE IT

Два набора поездов различаются не только тем, как они зависают над рельсами, но и форматами, которые они используют для управления движением поездов. Оба набора движутся по одним и тем же магнитным принципам, но по-разному определяют свое положение. Поезд OWI использует позиционирующие полосы, расположенные на боковой стене, к которой он отталкивается. Двойные датчики Холла, расположенные на передней и задней сторонах локомотива, считывают чередование полюсов позиционирующего магнита. Расстояние между датчиками не кратно 0,5-дюймовому чередующемуся расстоянию между полюсами позиционных магнитов. Это означает, что сигналы от них будут немного не в фазе друг с другом. Это точно так же, как те, которые используются для кодирования движения колеса. Они обеспечивают определение как движения, так и направления.

Поезд Discovery использует оптическую систему для определения положения/движения. Путь в этой системе больше похож на традиционный железнодорожный путь с рельсовыми шпалами. Шпалы на самом деле не удерживают никаких физических рельсов — между шпалами в полотне есть открытые пространства. Расстояние такое же, как и у позиционных магнитов — отверстие 0,5 дюйма, за которым следует стяжка 0,5 дюйма. Пара передатчик-приемник с ИК (инфракрасным) светодиодом смотрит вниз на дорожку и сигнализирует об отражении, когда датчик проходит над шпалой. Мне кажется интересным, что в поезде Discovery не используются датчики Холла или даже два ИК-датчика. Следовательно, он может определять положение/движение, но не направление.

Теперь приступим к мясу и картошке. Позиционные магниты используются каждым поездом для обеспечения движения, потому что внутренними электромагнитами можно управлять с помощью электроники, чтобы поезд отталкивался от идентичного полюса или тянулся к противоположному полюсу. С синхронизацией, поступающей от датчиков положения, и магнетизмом, исходящим от ведомых электромагнитов, результирующая сила направлена ​​либо вперед, либо назад из-за удерживающих колес. Начав движение, поезд продолжает двигаться в том же направлении.

Хотя действующие силы одинаковы, в каждом наборе используется разный электромагнитный формат. Как показано на Рис. 6 , поезд OWI использует единственную катушку, намотанную вокруг якоря, который обеспечивает три полюса, расположенные на стороне поезда, противоположной локационному магниту. Расстояние между полюсами составляет 0,5 дюйма и соответствует точкам N-S-N-S-N-S на настенном позиционном магните. Контроллер с одним электромагнитом имеет ограниченные возможности привода, но имеет хорошую систему датчиков.

РИСУНОК 6. Двигатель OWI имеет все детали, включая электромагнит, на печатной плате. Установлены две батареи типа АА — одна в передней и одна в задней части автомобиля.

Поезд Discovery имеет четыре электромагнита (один спрятан под печатной платой) вдоль пола локомотива ( Рисунок 7 ). Магниты расположены на расстоянии 0,5 дюйма друг от друга. Все обмотки параллельны, но сфазированы так, что находятся напротив соседей, чередующихся N-S-N-S или S-N-S-N. Они точно соответствуют полюсам позиционирующего магнита, расположенного в центре рельсового полотна. Поскольку четыре дискретных электромагнита подключены параллельно, контроллер имеет ограниченные возможности привода, а с ограниченным определением положения невозможна никакая причудливая синхронизация.

РИСУНОК 7. Двигатель Discovery имеет крошечную печатную плату, к которой вручную подключены четыре катушки. Литий-ионный аккумулятор установлен в двигателе. Снизу открыт порт для зарядки.

CONTROL IT

Оба поезда оснащены микроконтроллерами (MCU) для управления работой. Каждый комплект имеет несколько режимов работы. В поезде Discovery используется нажимная кнопка (OFF-1-2-3-OFF) с обратной связью по миганию светодиода, а в поезде OWI используется многопозиционный ползунковый переключатель (OFF-1-2) и светодиодная обратная связь. Режимы — это просто разные моменты времени переключения электромагнитов для создания максимальной скорости поезда. Поскольку переключатель режимов — это единственный элемент управления, который пользователь имеет над любым поездом, после того, как он несколько раз проехал по кольцу, я обнаружил, что хочу большего. Что за поезд без дроссельной заслонки?

Я предпочитаю набор «Дискавери», потому что он больше напоминает настоящие поезда на магнитной подвеске, которые сегодня используются ограниченно. Чтобы использовать встроенное оборудование, которое уже существует, я решил вывести датчик дорожки и соединения катушек с помощью отдельных разъемов. Поскольку я хотел, чтобы дополнительное оборудование было как можно меньше и легче, я использовал Heltec Kit 8, в котором используется ESP8266 со встроенным OLED. Чтобы не ломать существующую схему, я также добавил драйвер двигателя для электромагнитов. Схема показана на Рисунок 8 .

Первое, что вы заметите, это то, что драйвер двигателя (катушки) представляет собой двойное устройство, способное управлять двумя независимыми катушками. Хотя оба набора имеют один драйвер для соответствующих катушек, в наборе Discovery четыре отдельных катушки. Пары «похожих» могут управляться отдельно, что открывает путь для будущих экспериментов. Несмотря на то, что у этого MCU есть дисплей, мигающие светодиоды хороши. Помещенные на управляющие входы драйверов катушек, они позволяют видеть, как приводится в действие каждая пара катушек. Обратите внимание, что два дополнительных входа на GPIO1 и GPIO3 предназначены для контроля драйвера катушки оригинальной схемы. Наблюдение за ними позволило провести некоторую исследовательскую работу до разработки моего алгоритма.

Поскольку схема на базе ESP8266 имеет возможности Wi-Fi, управление в виде «виртуального джойстика» может осуществляться с компьютера или смартфона. Это делается с помощью удивительного сервера, который представляет элемент управления клиенту через стандартный интерфейс браузера [6]. Это в виде файла HTML и файла поддержки Java Script, которые хранятся в разделе SPIFF на ESP8266.

Эскиз Arduino для этого проекта доступен на странице кода статьи и загрузки файлов Circuit Cellar. Программа Arduino инициализирует необходимые библиотечные файлы для FS (файловой системы) и сервера Wi-Fi, а также реализует процедуру обратного вызова для получения координат X и Y виртуального джойстика [6]. Хотя я разрешаю системе входить в мою домашнюю сеть, вы можете создать собственную сеть. Я использую OLED для отображения некоторых сообщений о входе в систему и отображения его IP-адреса, когда он подключен к моей сети. Просто укажите любой браузер на этот адрес, чтобы получить пользовательский интерфейс. Фото в На рис. 9 показан экран браузера моего компьютера и поезд на магнитной подвеске с моей схемой, работающей от небольшой литий-ионной батареи. Обратите внимание, что положение джойстика Y-Y в браузере отображается на OLED!

— РЕКЛАМА—

—Реклама здесь—

РИСУНОК 9. Предоставляется файл сценария Java, который позволяет любому браузеру отображать виртуальный джойстик, когда вы щелкаете и перетаскиваете мышь. Координаты X и Y отправляются обратно в комплект Heltec Kit 8. Координата X (0-100) используется для определения времени замены электромагнитов. Это позволяет двигателю изменять скорость. С полюсами, расположенными на расстоянии 0,5 дюйма, максимальная скорость составляет 5 дюймов в секунду.

Хотя у меня есть доступ к значениям x и y в программе Arduino, только x используется в качестве дросселя для этого проекта. Так как же это значение превращается в выходной сигнал привода катушки? Начнем с микросхемы драйвера катушки. Я использовал модуль Pololu DRV8835 Dual Motor Driver Carrier из-за его размера и номинального тока менее 1 А. Он плотно помещается между двухрядными разъемами платы Heltec ESP8266. Каждый канал имеет два входа: фаза (1) и активация (2). Я использовал направление (или фазу) для ввода 1 и ШИМ (или включить) на вход 2 . Направление определяет полярность выхода , а ШИМ определяет, как долго этот выход остается включенным или активным. На данный момент мы просто пытаемся эмулировать исходные операции, поэтому ON будет 100%. Управление дроссельной заслонкой фактически изменит скорость смены полюсов, а не ШИМ, который был бы средним током или магнитной силой катушки.

Время основного контура определяет, как часто меняется фаза на катушках. Время 1000 – (abs(x) * 9) РС. Поскольку джойстик будет возвращать x от 0 до 100 (процентов) для перемещения вправо, время может варьироваться от 1000 мс (1000 – (0 × 9)) до 100 мс (1000 – (100 × 9)). В этом цикле, если x =0, мы вызываем noGo(), иначе мы вызываем go(). noGo() устанавливает ШИМ в 0, что останавливает любой привод к катушкам. Как только джойстик перемещается от 0, используется подпрограмма go() . Это устанавливает максимальное значение ШИМ 1023 и позволяет подавать на катушки полную мощность. В этом, самом простом варианте, датчик вообще не используется.

PUSH COMES TO PHOVE

Это бросок монеты, будет ли любой из этих наборов действительно двигаться, когда подается ток, и они находятся в состоянии покоя (не движутся). Без какого-либо внешнего вмешательства, такого как толчок, они могут быть счастливы просто немного подпрыгнуть вверх и вниз. Комплект OWI с одной катушкой не имеет шансов сойти с полюса, если он размещен непосредственно на нем. Хотя в наборе Discovery есть несколько катушек, они соединены вместе, и результаты одинаковы. Однако их можно легко разделить, а затем управлять с помощью двойных драйверов этого проекта. У нас есть то, что необходимо для достижения гарантированного движения из стационарного состояния.

Несколько замечаний по этим наборам. Комплект OWI (eBay), похоже, поддерживается производителем. Инструкции дополнены формой заказа со списком деталей, включая цены. В наборе «Дискавери» были инструкции и все, никакой контактной информации. На самом деле я купил его в сувенирном магазине Генри Форда, но на коробке была наклейка универмага Коля, и она больше не продается ни одной из компаний. Недавно я нашел новую версию набора Discovery для продажи на веб-сайте FAO Schwartz за 35 долларов [7].

И последнее, я читал обзоры обоих наборов, и мало кто мог сказать что-то хорошее. Я подозреваю, что это из-за клея на магнитных полосах. Просто не держит. Это очень расстраивало, потому что магниты постоянно падали или поднимались вверх, из-за чего поезд сходил с рельсов. После того, как я понял, что могу приклеить их навсегда с помощью суперклея, все наладилось. Интересно, что у обоих наборов были одинаковые проблемы. Решение было простым — я использовал суперклей, который поставляется в бутылке с маленькой кистью. Я также приклеил пластиковые детали поезда, так как они собирались вместе, и при длительном обращении детали имели тенденцию расшатываться сами по себе.

Мои дети уже взрослые, у каждого (кроме одного) есть своя семья, и, имея много внуков, я постоянно сталкиваюсь с новейшими гаджетами, когда навещаю их. Каждый раз, когда я достаю отвертку Leatherman, я ловлю на себе грязные взгляды этих детишек. Они знают, что должно произойти. Слишком многому нужно научиться, так мало времени.

РЕСУРСЫ

Каталожные номера:
[1] Видео: Как сделать простой мотор:

[2] Серия статей из трех частей: «Электронная регулировка скорости» в
Circuit Cellar  336, июль 2018 г.
Circuit Cellar  337, август 2018 г.
Circuit Cellar  338, сентябрь 2018 г. -rc-cars
[4] Рисунок 2 https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
[5] «Как бросить вызов гравитации без использования черной магии» ( Circuit Cellar  18, декабрь 1990 г. – январь 1991)
[6] виртуальный джойстик

[7] https://faoschwarz.com/products/do-it-yourself-Magnetic-Levitation-Train

Espressif Systems | www.espressif.com
Heltec Automation | https://heltec.org
OWI Robotics | www.owirobot.com
Пололу | www.pololu.com

ПУБЛИКУЕТСЯ В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR • АПРЕЛЬ 2021 № 369 – Получите номер в формате PDF

Спонсор этой статьи

Джефф Бачиочи

Веб-сайт

| + сообщения

Джефф Бачиочи (произносится как BAH-key-AH-key) пишет для Circuit Cellar с 1988 года. Его опыт включает дизайн и производство продуктов. Вы можете связаться с ним по адресу: [email protected] или по адресу: www.imaginethatnow.com.

Как работает самоподъемный двигатель

 Самоподъемный двигатель 101 

…или может работать. Помните недавний пост об активных магнитных подшипниках? Короче говоря, они могут использовать магнитные силы, чтобы поднимать в воздух вал (и, конечно же, ротор) электродвигателя, уменьшая, например, трение и сохраняя сжатый воздух без масла.

Однако может возникнуть вопрос…

Ведь сам двигатель уже есть , использующий магнитные силы для создания крутящего момента. Так можно ли изменить конфигурацию этих сил, чтобы ротор поднимался одновременно, без необходимости в отдельном подшипниковом узле?

Неудивительно, что да.

Теперь давайте посмотрим, как это сделать.

Левитация на короткое время

Всем известно, как магнит (постоянный или электро-, неважно) притягивает железо. Ну, то же самое происходит и в воздушном зазоре электродвигателя. В любой точке воздушного зазора поверхности статора и ротора притягиваются друг к другу.

Однако в хорошо сконструированных машинах суммарные силы обычно компенсируют друг друга. (Вы можете увидеть исключения в машинах с переключением потока и т.п., где, возможно, придется идти на компромисс между хорошими формами сигналов и т. д.) Это делается для предотвращения высоких нагрузок на обычные подшипники, которые резко ограничивают их срок службы.

Однако сейчас мы говорим о машине без подшипников, поэтому полная сила действительно желательна. И оказывается, просто изменив конструкцию машины, мы можем довольно аккуратно добиться этого, и заставить ротор левитировать

Далее, давайте посмотрим, как именно это происходит.

Левитация не так кратко

Конечно, мы не просто хотим какую-то силу, действующую на ротор. Нам нужен довольно точный уровень силы, отменяющий гравитацию и ничего более. Другими словами, мы хотим, чтобы сила была контролируемой.

Для этой цели самоподъемный двигатель обычно имеет два набора обмоток. Первая — типичная трехфазная обмотка, отвечающая за создание крутящего момента. Второй — небольшая дополнительная обмотка, создающая силу левитации. Часто эта дополнительная обмотка может быть совсем небольшой, возможно, занимая всего 10 % от общей площади паза.

Принцип работы на самом деле очень близок к описанному ранее смещенному активному магнитному подшипнику. Только теперь основная обмотка выполняет роль обмотки смещения, а дополнительная обмотка берет на себя роль обмотки управления.

Детали

Чтобы все действительно работало, есть несколько особенностей. Во-первых, управление действительно нужно прибить. В конце концов, обмотка «смещения» теперь создает вращающееся поле, а не хорошее статическое поле, как в случае AMB. Кроме того, прорези ротора/PM/барьеры магнитного потока будут создавать пульсации силы/крутящего момента и другие эффекты второго порядка, с которыми необходимо бороться.

Важно, чтобы число полюсов дополнительной обмотки отличалось на два от числа полюсов основной обмотки. Так, у четырехполюсной машины левитационная обмотка может иметь как два, так и (реже) шесть полюсов.

Есть два способа увидеть, как это работает.

Визуальное объяснение

Первый из них состоит в том, чтобы на самом деле увидеть его на рисунке ниже.

Скриншот из этой статьи. Авторское право IEEE, добросовестное использование.

На рисунке выше показан четырехполюсный синхронный реактивный двигатель. Поток, создаваемый основной обмоткой, показан синим цветом. Напротив, красные линии представляют дополнительный поток обмотки.

Как видите см. (надо ли повторяться?), поля от основной и дополнительной обмотки складываются вверху ротора, а напротив друг друга внизу. Таким образом, мы получаем более сильное поле сверху. И, поскольку любое поле между двумя кусками железа в основном приводит к некоторой «плотности силы» (напряжению), мы теперь получаем хорошую результирующую силу, направленную вверх. Это происходит из-за несимметричного распределения сил — силы больше не компенсируют друг друга.

Математическое объяснение

Тот же результат можно получить и с помощью чистых уравнений. Запишем поле воздушного зазора как

,

где угловая координата. , а , с другой стороны, – амплитуды основного и дополнительного основных полей обмотки при паре полюсов и соответственно.

С другой стороны, из тензора напряжений Максвелла мы знаем, что «плотность» силы пропорциональна квадрату амплитуды плотности потока. Таким образом, мы можем получить суммарные силы, направленные по осям x и y, из

.

Теперь мы заменяем две волны потока, определенные ранее, для , а затем расширяем тригонометрические тройные произведения, дважды используя известную формулу произведения. Что мы видим, так это то, что номера пар полюсов и должны отличаться на единицу, чтобы могла быть произведена любая результирующая сила:

.

Кстати, это очень хороший результат, о котором стоит помнить, даже если вы не ставите перед собой цель построить двигатель без подшипников. В частности, при проектировании машины с переключением потока или магнитно-реактивной машиной следует проверить, не возникают ли неуравновешенные силы. Описанная ранее проверка числа пар полюсов делает именно это.

Преимущества и недостатки

До сих пор я еще не прочитал всесторонний анализ плюсов и минусов использования самолевитации вместо специальных АМП. Не то чтобы я ищу его. Но я отвлекся. Тем не менее, вот некоторые мои мысли (и другие, которые я уловил в процессе) относительно относительных преимуществ и недостатков:

(+) Компактная конструкция : нет необходимости в отдельном узле подшипников.
(-) Уменьшение места для основной обмотки : дополнительная обмотка занимает место для себя, оставляя меньше места для создания крутящего момента.
(+) Увеличенная активная длина : С другой стороны, отсутствие необходимости в отдельном подшипнике делает сердечник более длинным, что приводит к большему крутящему моменту.
(-) Более сложное управление.
(+) Почти идеально подходит для некоторых применений : На ум приходит канальный вентилятор со статором, расположенным на периферии вентилятора, и роторным вентилятором, парящим в середине.
(-) Плохая осевая сила : По этой причине наш предыдущий пример с канальным вентилятором определенно нуждался бы в специальной конструкции.
(-) Контроль конических вибраций : Предотвращение биения ротора может быть затруднено.
(-) Неравномерная плотность потока : На «верхней» стороне требуется больше потока для противодействия гравитации.
(-/нейтральный) Влияние указанной плотности потока на потери в стали : Неравномерная часть в основном имеет постоянный ток, так что это может быть не так проблематично, как кажется.

Возможно, неплохое приложение для левитирующего мотора. Фотка отсюда.

Заключение

• Как система активных магнитных подшипников может быть встроена в сам электродвигатель.
• Некоторые преимущества и недостатки.
• Мой коллега является экспертом в этой области.

Ознакомьтесь с набором инструментов EMDtool — Electric Motor Design для Matlab .

Нужна помощь с проектированием электродвигателя или программным обеспечением для проектирования? Свяжитесь с нами — удовлетворение гарантировано!

Как работает самоподъемный двигатель

НАУЧНЫЙ ПРОЕКТ: левитация на супермагните с приводом от двигателя

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ Обратите внимание, что когда много фунтов медной трубы вращается при 5000 об/мин это ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНО. Если вы наткнетесь пальцами на это, оно может МГНОВЕННО СЪЕДАТЬ ВАШУ РУКУ. Или если острые края магнит зацепится, магнит может взорваться, и осколки вылетят, как пули. Это НАМНОГО опаснее, чем любой электроинструмент. Для безопасности я сделал плотно прилегающую коробку из оргстекла, чтобы закрыть в трубки: я нагрел лист плексигласа на смазанном жиром листе алюминиевой фольги в печи, налепил его поверх пробирок в толстых перчатках, затем вырезал его прямоугольным и использовал в качестве верхней пластины в коробке из плексигласа. магниты висят всего на 1/4 дюйма над вращающимися трубками, поэтому, если вы построите крышку, она должна плотно прилегать, не соприкасаясь. Обложка не требуется для первоначального тестирования, просто для работы с любопытными пальцы. Старайтесь не использовать сталь ни для чего, кроме шарикоподшипников, иначе парящий магнит будет присасываться к концу трубок. Если вы решите чтобы сделать трубки намного короче 12 дюймов, имейте в виду, что магнит может становятся неустойчивыми и смещаются в сторону стальных шарикоподшипников. Этот можно починить: положить под трубки железяку, закрыть достаточно, чтобы притянуть магнит, чтобы оставаться в центре, но не так близко что он тянет магнит вниз в трубы. Другие примечания: требуются цилиндрические магниты из неодима, железа и бора (NIB). Керамические или альниковые магниты слишком слабы, хотя они могут зависать, если Число оборотов трубок можно было удвоить или утроить. Самарий-кобальтовые магниты работают, но слишком дорого. Одним из источников редкоземельных магнитов NIB является Силовое поле, www.wondermagnet.com. Я знаю, что их NIB диаметром 3/4 дюйма и толщиной 3/8 дюйма диск работает хорошо. Я не пробовал маленькие цилиндры, но они ВОЗМОЖНО работать нормально. Смотрите мой файл NEODEMO для более интересных вещей, чтобы сделать с Супермагниты NIB. Обратите внимание на предупреждение о безопасности! Как это работает? Краткое объяснение. Когда магнит быстро приближается к медная пластина, изменяющееся поле от магнита вызывает электронное море меди закручиваться по петлеобразной траектории. Все металлы, даже немагнитные, наполнены электронной жидкостью, и когда магнитные поля перемещаются через них, они прилагают к электронам накачивающую силу. В Говоря языком физики, движущийся магнит индуцирует электрический ток. Этот сам круговой ток действует как мощный электромагнит и создает магнитный поле свое. Это поле отталкивает входящий магнит. (Поиск по «Закон Ленца» подробнее об этом.) В результате магниты отталкивают все металлы, особенно хорошие проводники, такие как медь и алюминий. Тем не менее сила отталкивания существует только на короткое время после того, как магнит приближается к металлу. Электрическое сопротивление металла быстро замедляет циркулирующий Текущий. В результате, когда вы подносите магнит к куску немагнитного металл, магнит и металл отталкиваются друг от друга, но только на долю второй. Бросьте магнит на медную пластину, и магнит замедлится. немного, но не парит. Но если бы магнит мог продолжать двигаться или если бы металлическая пластина быстро вращалась, новые области металл заставит ток возобновиться по мере их приближения, и сила отталкивания не угас бы. Еще один способ заставить магнит парить: использовать сверхпроводник. Когда магнит приближается к пластине сверхпроводника, он индуцирует круг движущегося заряда. Поскольку сверхпроводник не имеет сопротивления, ток никогда не будет замедлится, отталкивающие поля не угаснут, а магнит будет парить. Но сверхпроводники требуют сверххолодного жидкого азота для их операция. Они также довольно дороги: от 10 до 20 долларов за 1-дюймовый диск. Если бы мы могли просто ДВИГАТЬ наш магнит внезапно вбок по меди, индуцировался бы новый образец тока, и магнит снова оттолкнул. Если бы мы могли быстро перемещать магнит по металлу тарелка, она поднимется и полетит. Одна из форм «Поезда на маглеве» использует это. эффекта, он содержит мощные магниты на своей нижней поверхности и «летает» над толстый алюминиевый поддон. Магнитно-роликовое устройство переворачивает идею поезда с ног на голову. Поезд» остается неподвижным, а трек движется быстро. ССЫЛКИ Мое устройство magroll 1994 года выпуска ДРУГОЕ устройство Magroll от sNimrod 9/2010 Гигантская платформа для магнитного серфинга с вращающимся неодимом, Корея, 2011 г.

Сцена на магнитной подушке с планарным двигателем

Сцена на магнитной подушке (маглев) была предметом исследований и разработок с 1980-х годов с целью создания свободно плавающей сцены для высокоточного позиционирования. В 2006 году мы представили ступень на магнитной подвеске с перевернутым планарным двигателем. Сейчас это проверенная и надежно работающая технология.

Использование магнитной левитации с перевернутым планарным двигателем делает возможным свободное движение. Перевозчик может соответствовать сложным требованиям и может работать в экстремальных условиях. Уникальной особенностью этого движителя является его способность вращаться вокруг собственной оси Z, совершая полные круги на 360°. В анимационном ролике показаны возможности ступени магнитной подвески в сочетании с перевернутым планарным двигателем.

Магнитная левитация с использованием технологии перевернутого планарного двигателя, видео

Магнитное плавание

перевернутый планарный двигатель

Эта технология называется «перевернутой», потому что ее катушки и магниты перевернуты по сравнению с обычными ступенями магнитной подвески. Магниты находятся в свободно плавающем движителе, а катушки — в неподвижных плитках. Преимущество этого перевернутого использования катушек и магнитов заключается в том, что в свободно плавающем двигателе не нужны движущиеся силовые кабели, охлаждение и подшипники.

Возможные характеристики ступеней магнитной подвески

Перестановка магнитов и катушек позволяет легко чистить беспроводной двигатель без износа деталей. Движок может быть заключен в закрытую коробку. Это делает устройство более подходящим для суровых условий (например, радиоактивных материалов, биологически опасных или инфекционных материалов, токсичных или инфекционных веществ, опасных или вредных раздражителей).

Технические характеристики ступени магнитной подвески с перевернутым планарным двигателем:

• Субмикрометровая (<мкм) точность позиционирования
• Свободно плавающий: без контакта и без проводов
• Гибкая компоновка благодаря модульности
• Типичные параметры перемещения: 40 м/с² и 1 м/с
• Несколько двигателей независимого действия
• Грузоподъемность до 100 кг для движителя 0,5 x 0,5 м
• Кластерные движители для больших полезных нагрузок
• Вертикально или даже вверх ногами
• Применяется в неблагоприятных условиях
• Легкая очистка благодаря закрытому корпусу
• Беспроводная связь
• Беспроводная передача энергии

Это магия

или маглев?

Наблюдать за этими свободно плавающими движителями немного похоже на просмотр магического шоу. Однако ступень маглева механически проста. Так что никакой магии там нет. Где происходит волшебство, так это в инновационных приложениях: Где вы его используете? Какие материалы используются для покрытия движителя? Какую форму имеет движитель? Используются ли в двигателе беспроводные данные или передача энергии?

Сцена Маглев с перевернутым планарным двигателем

применения

Первыми приложениями были оптическая и электронно-лучевая литография и контроль, литография в крайнем ультрафиолете (EUV) и литография с наноимпринтом. В настоящее время технология применяется в таких отраслях, как лазерная обработка, исследование материалов, фармацевтика, медицина, инспекция, химическая и пищевая промышленность.

Вращающаяся ступень

Инженерные прорывы в технологии магнитной подвески

Требования сверхвысокого вакуума (UHV), сверхнизкого загрязнения (ULC) и другие нетрадиционные требования стали питательной средой для разработки этих ступеней магнитной подвески. Плитки могут быть изогнутыми, вертикальными или даже перевернутыми. Движущиеся могут плавать или скользить.

Последние разработки позволили плавающему двигателю вращаться вокруг собственной оси Z, а совершать полные круги на 360°. Это означает, что мы в Philips Engineering Solutions добавили функции поворотной платформы к нашим компетенциям на магнитной подвеске. Этап имеет (теоретически) бесконечные диапазоны в плоскости, зависящие только от количества тайлов.

Индивидуальные ступени на магнитной подвеске

Все наши ступени на магнитной подвеске изготавливаются по индивидуальному заказу, в единственном экземпляре. Стандарты программного обеспечения для разработки (такие как Matlab и Labview) заставляют работать демонстрационные образцы и прототипы. Для использования в производственной среде изготовленные на заказ ступени магнитной подвески могут быть подключены к промышленным стандартам аппаратного и программного обеспечения.

Магнитная левитация и мехатроника

Инженерные задачи

Перевернутая ступень на магнитной подвеске проста с механической точки зрения, и заставить двигатель зависать относительно легко. Задача состоит в том, чтобы заставить его двигаться с высокой точностью. Обычно это включает в себя принцип датчика, который соответствует применению. Так, например, возможность измерять полные обороты или выдерживать суровые условия окружающей среды.

Кроме того, необходимо решить следующие задачи: разработать стратегии калибровки, концепцию модульности и передовое программное обеспечение для перемещения для достижения желаемой точности.

Мы всегда в поиске новых задач и путей ускорения инноваций. У вас есть для нас задание на маглев? Чувствуете ли вы потребность в инновациях для вашего поворотного столика, столика xyz, столика xy, линейного двигателя, столика позиционирования на основе подшипников, конвейерной ленты или традиционной высокоточной системы? Вы хотите, чтобы ваш собственный кусочек maglev-магии? Тогда позвольте нам заставить его работать на вас.

Что

вы хотите знать об этом планарном двигателе на основе технологии магнитной подвески?

Вам интересно узнать об этом перевернутом планарном двигателе с технологией магнитной подвески? Вам интересно узнать больше о конструкции и изготовлении поворотного столика со свободно плавающими двигателями? Вы в поисках новейших технологий в городе?

Глубокое погружение в тему с PDF-файлом Преобразование планарных систем на магнитной подвеске в новые области применения

Наши эксперты в области мехатроники здесь, чтобы думать вместе с вами и ускорить ваши инновации с помощью продуманных новых технологических разработок.