Магнитный левитрон своими руками

Магнитный левитрон своими руками

Автор: crocodil, crocodil@mail.ua
Опубликовано 15.01.2014
Создано при помощи КотоРед.

Левитация – одно из воплощений человеческой мечты о полете.

Созерцание парящего кристалла – хороший способ релаксации и пополнения пси-энергии.

Кристаллом мною назван левитирующий неодимовый магнит – он обклеен природными кристаллами пирита и халькопирита и имеет сходство с цельным кристаллом.

Согласно теореме Ирншоу, являющейся следствием закона Гаусса, левитация статических объектов в статическом электромагнитном поле невозможна. Теорема применима не только к точечным зарядам, но и к протяженным упругим телам и говорит, что их свободный подвес в электростатическом, магнитостатическом и (или) гравитационном поле будет всегда неустойчив. Однако существует возможность сделать левитацию реальной, например, используя электронную стабилизацию – электромагниты, управляемые посредством электроники.

Поскольку действительную природу магнетизма и гравитации никто пока не объяснил, то работу левитатора можно описать так:

Суммарная картина магнитных силовых линий неодимовых магнитов, расположенных в основании левитатора представляет собой поле магнитного кольца с прямоугольным поперечным сечением. Видно, что в точках 1 и 2 магнитное поле меняет направление. Если поместить в точку 1 небольшой магнит, то мы почувствуем, что его перемещению по вертикали препятствует магнитное поле кольца и гравитация (вначале он может еще перевернутся). По вертикали он как бы в ловушке. В горизонтальной плоскости наш магнит норовит выскользнуть и притянуться к кольцу. Тут мы ему устраиваем ловушку в горизонтальной плоскости – отслеживаем его положение с помощью датчиков, и далее с помощью 3-х пар электромагнитов A,B,C расположенных в основании левитатора возвращаем его каждый раз в точку 1. Энергия электромагнитов расходуется только на компенсацию небольших смещений левитирующего магнита в горизонтальной плоскости. По сути, энергия только перекачивается из одной пары катушек в другую. Потребление энергии при этом намного меньше, чем в системах, в которых электромагнит сверху – в них он должен еще компенсировать действие на левитирующий предмет силы тяжести.

Картина силовых линий магнитного поля кольца, электромагнита и магнита.

При конструировании левитатора я ознакомился с патентом US20070170798: https://www.freepatentsonline.com/20070170798.pdf Вот некоторые рисунки с этого патента:

Контроль левитирующего магнита осуществляется с помощью оптических датчиков положения и 3-х пар электромагнитов. Смещение магнита влево компенсируется за счет сочетания действия южного полюса электромагнита A1 и северного полюса электромагнита A2. Конденсатор 23 помогает противостоять любым быстрым смещениям магнита.

Также была использована идея Nicanor Apostol: https://www.youtube.com/user/nick500453/videos для контроля положения левитирующего магнита с помощью датчиков магнитного поля – датчиков Холла.

Операционные усилители включены в дифференциальном режиме. Каждый датчик Холла выдает сигнал на два ОУ, на прямой вход одного и инвертирующий другого.

После некоторых раздумий и экспериментов получилась такая схема:

При появлении кристалла в зоне левитации, геркон замыкается и на схему подается питание, она начинает генерировать, возникает самовозбуждение системы – кристалл парит.

Устойчивая левитации кристалла достигается небольшим подгибанием датчиков Холла в вертикальной плоскости. При этом можно ориентироваться на потребление тока левитатором. При точной настройке оно будет менее 100mA, и при попытке сместить левитирующий кристалл по горизонтали в какую-либо сторону будут ощущаться одинаковые усилия. Также при точной настройке практически пропадает шум, связанный с работой электромагнитов. На первом ОУ и TL431 собран супервизор питания. Если при левитации кристалла пропадает синяя подсветка, значит, напряжение батареи менее 3.6V и её следует зарядить.

Кстати, в моем случае наблюдается интересное явление раскручивания кристалла против часовой стрелки. Если его слегка закрутить, то дальше он раскручивается сам – примерно до 50-140 оборотов в минуту, в зависимости от напряжения питания и высоты левитации. Связано это с неоднородностью намагниченности кристалла и с тем, что включенные по схеме звезда электромагниты левитатора в какой-то момент начинают работать подобно трехфазному двигателю.

Катушки электромагнитов использованы с двигателя ведущего вала видеомагнитофона (типа как на фото ниже). Индуктивность каждой 330mkH, сопротивление 2.2 Ohm. Направление намотки этих катушек видно на фото – это важно для правильной работы левитатора. В конструкции использовано шесть неодимовых магнитов 15*5*5мм, шесть 15*6*2мм и один диаметром 20мм, толщиной 5мм в кристалле. ОУ LMV324 можно заменить аналогичным по параметрам «rail to rail op amp». Вместо IRF7319 подойдёт IRF7389. В качестве ферромагнитного сердечника катушек электромагнитов использованы болты и гайки М4, они же и скрепляют всю конструкцию.

Разводка платы левитатора сделана в одном слое с помощью трассировщика Topo-R: https://eda.eremex.ru/ . На второй стороне платы фольга оставлена, она соединена с «землей» в двух точках. С кромок отверстий под выводы катушек, датчиков, светодиода фольга удалена зенкованием сверлом, диаметр которого в 3. 4 раза больше диаметра отверстий. Стеклотекстолит толщиной 1мм.

Вид собранной платы с двух сторон. Магниты держатся за счет взаимного притяжения , дополнительно они приклеены к плате суперклеем. Между катушками электромагнитов и платой проложена полоска двухстороннего скотча.

Для полной картины отмечу, что возможны варианты магнитной левитации без всякой электроники: https://www.antigravity.net.au/ . Вот некоторые:

1. Если придать магниту в точке 1 быстрое вращение вокруг вертикальной оси (сделать из него волчок), то он там и будет оставаться. Сам по себе волчок стремится сразу перекувыркнуться и упасть. Раскрученный же волчок этого сделать не может – ему приходится противодействовать моменту инерции. Минус такого решения – ограниченное несколькими минутами время левитации.

2. Известно, что диамагнетики выталкиваются магнитным полем. Если взять кусок пиролитического графита (диамагнетика) – наш магнитик с удовольствием будет над ним левитировать. Минус – небольшая высота левитации, как следствие отсутствия в природе сильных диамагнетиков. Или сильных магнитов в маленьком объеме.

3. Вариант предыдущего случая – использовать «идеальный» диамагнетик, каковым есть по сути сверхпроводник. Например, высокотемпературный сверхпроводник с Пандоры – анобтаниум. Имеем приличную высоту парения сверхпроводника над магнитной подставкой. Минус решения – дороговизна. Нерафинированный анобтаниум стоит около двадцати миллионов долларов за килограмм, очищенный повышает стоимость вдвое – до сорока миллионов.

Этот серый камушек идет по 20 миллионов за кило.

Предвидя вопросы, отвечу на некоторые из них:

1. Парящий кристалл есть нельзя, он не вкусный и не съедобный.

2. Если ты думаешь, что как магнитный железняк может притягивать железо, ты так же можешь заставить его притянуть куски керамики, то ты заблуждаешься,… магнитный железняк может притягивать железо, но не взаимодействует с медью. Таково движение Дао (из китайского философского трактата Хуайнань-цзы).

3. Именно анобтаниум вызвал появление на Пандоре таких изумительных геологических достопримечательностей, как каменные арки и парящие горы.

Разводку платы прилагаю. 🙂

. И некоторые идеи вдогонку — вариант Levi_2 (разводку платы прилагаю):

Отличие – низ левитатора подсвечивается 2-мя светодиодами, которые вынесены ближе к краям платы. Должно смотреться эффектнее, ярче.
Подсветку внизу можно сделать другим цветом, при разряде батареи будет пропадать только нижняя подсветка.

В качестве левитирующего кристалла заманчиво применить флюорит — флюоресцирующий минерал. Cиний светодиод подсветки поменять на ультрафиолетовый ..

Источник

Магнитный левитатор

Allegro UGN3503U

Этот одновременно забавный и поучительный проект демонстрирует магнитную левитацию.

Магнитная левитация

Однажды я увидел устройство, в котором магнит парил в воздухе и, задавшись вопросом, как это сделано, решил проверить некоторые теории. После многих проб и ошибок мне удалось получить то, что вы можете видеть на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Магнитная левитация в действии.

Основные элементы устройства – катушка, создающая магнитное поле, и установленный на ее торцевой поверхности линейный датчик Холла, необходимый для обнаружения поля постоянного магнита. Под контролем этого датчика при приближении постоянного магнита ток катушки выключается, магнит начинает падать, удаляясь от катушки, и катушка включается опять, эффективно удерживая магнит «подвешенным» в воздухе.

Эмалированным медным проводом сечением 0.45 мм я намотал небольшую катушку (Рисунок 2). Ее размеры и количество витков не столь важны, как электрическое сопротивление, которое должно быть достаточно большим, чтобы ограничить ток, забираемый от источника питания. Я стремился не выйти за пределы 0.5 А при напряжении питания 5 В, для чего сопротивление должно было находиться в диапазоне от 10 до 15 Ом (5 В/0.5 А = 10 Ом).

Рисунок 2.	Электромагнитная катушка.

Однако, поскольку схема теперь доработана таким образом, чтобы в отсутствие магнита ток катушки выключался, ее сопротивление можно снизить, но до значения не менее 5 Ом.

Поскольку собственной мощности катушки недостаточно, ее требуется дополнить металлической пластиной. Я вырезал стальной диск толщиной 5 мм с диаметром, равным внешнему диаметру катушки, хотя диаметр может быть и немного меньше (Рисунок 3).

Рисунок 3.	К нижней части катушки должна быть прикреплена металлическая пластина.

Магнит левитирует в узком интервале расстояний, в котором сам не способен примагнититься к пластине, и нуждается в небольшой помощи поля катушки, поддерживающей его в «подвешенном» состоянии.

К металлическому диску крепится датчик Холла, плоская сторона которого должна быть обращена в сторону катушки (Рисунки 4, 5).

Рисунок 4.	Эта сторона датчика должна быть обращена к катушке.

Рисунок 5.	Эта сторона датчика должна «смотреть» на магнит.

Для удобства я установил датчик в пластиковый диск (Рисунок 6), который вырезал из акрилового листа, но можно обойтись и просто клеем или двухсторонним скотчем.

Рисунок 6.	Датчик установлен скругленными гранями в сторону магнита.

Очень важно установить датчик по центру катушки и ее металлического сердечника.

Первоначально я пытался считывать сигнал датчика Холла и управлять катушкой через транзистор с помощью системы PICAXE, выпускаемой фирмой Revolution Education на основе микроконтроллера PIC, но PICAXE оказалась слишком медленной. Тогда я решил воспользоваться операционным усилителем (ОУ) LM358, и это дало желаемый результат.

Конструкция получилась очень простой. Я обнаружил, что когда магнит левитирует, схема, в зависимости от веса объекта, потребляет всего 50…150 мА. Но если магнит убрать, управляющий транзистор полностью открывается, средний ток увеличивается, и стабилизатор 5 В начинает перегреваться.

Поэтому схема была переработана (Рисунок 7). Чтобы отключать катушку при отсутствии магнита, я использовал второй операционный усилитель микросхемы LM358.

Рисунок 7.	Принципиальная схема устройства.

Вся схема, включая катушку, питается напряжением 5 В, стабилизированным микросхемой LM7805, максимальный ток которой не должен превышать 0.5 А.

В отсутствие внешнего поля выходное напряжение линейного датчика Холла UGN3503U равно примерно половине напряжения питания 5 В. Если к датчику поднести магнит, выходное напряжение увеличивается или уменьшается, в зависимости от того, каким полюсом магнит направлен к датчику (северным или южным). В этой схеме при приближении магнита напряжение должно повышаться, поэтому подносить магнит к датчику нужно южным полюсом.

Выход датчика подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя (ОУ1), на неинвертирующий вход которого подается напряжение с делителя напряжения R1/R2. Подстроечный резистор R2 используется для уравновешивания в точке левитации разных по размерам и весу магнитов и объектов.

Выход ОУ1 через резистор 1 кОм соединен с базой транзистора BD681, управляющего включением катушки. Здесь подойдет практически любой NPN транзистор или MOSFET с допустимым током не менее 1 А.

Второй операционный усилитель микросхемы (ОУ2) используется для слежения за частотой переключения транзистора Q1. Для этого выходное напряжение ОУ1, эффективно сглаженное RC-фильтром R9/С4 (100 кОм/1 мкФ), подается на неинвертирующий вход ОУ2.

На инвертирующий вход ОУ2 поступает напряжение с делителя R7/R8, в одно плечо которого включен подстроечный резистор. Пока ток катушки, управляемый выходом ОУ1, пульсирует, стремясь удерживать магнит в подвешенном состоянии, аналоговое напряжение на неинвертирующем входе ОУ2 ниже установленного делителем на инвертирующем входе. Но если убрать магнит, напряжение на этом входе увеличится, поскольку ОУ1 будет пытаться вернуть магнит на место, непрерывно открывая транзистор управления током катушки, колебания прекратятся, и выходное напряжение ОУ1 станет постоянно высоким. В результате напряжение на неинвертирующем входе ОУ2 превысит напряжение на инвертирующем, и уровень выходного сигнала переключится на высокий. К выходу ОУ2 через резистор 5.1 кОм подключена база NPN транзистора BC337, коллектор которого соединен с базой транзистора BD681, управляющего током катушки. Шунтируя базовый резистор 1 кОм (R3) на землю, Q2 отключает катушку.

Второй транзистор BC337 (Q3), также подключенный к выходу ОУ2, управляет светодиодами, закорачивая на землю токоограничительный резистор R12, когда их надо погасить.

Установка точки отключения катушки легко выполняется вращением движка подстроечного резистора R8 до положения, в котором светодиоды погаснут. Если внести магнит в зону чувствительности датчика, светодиоды зажгутся вновь, ток катушки начнет пульсировать, и далее лишь останется с помощью подстроечного резистора R2 найти точку равновесия магнита.

Теперь, после того, как все ошибки схемы были устранены, имея несколько простых компонентов, ее очень легко повторить.

Рисунок 8.	Вид печатной платы со стороны элементов.

Конструкция печатной платы представлена на Рисунках 8 и 9. Площадки, помеченные «TP», служили тестовыми точками, в которые в процессе отладки я запаивал штырьки для подключения приборов. При повторении схемы их можно не устанавливать.

Рисунок 9.	Рисунок печатной платы со стороны проводников.

Несколько советов и замечаний

Выводы катушки должны быть подключены так, чтобы создавать магнитное поле нужного направления. Проверить правильность их присоединения очень просто: если схема не работает, поменяйте местами провода.

Размеры магнита не слишком важны, но он должен быть достаточно сильным. Хорошо подойдет редкоземельный магнит, например, неодимовый.

Во избежание перегрева стабилизатора напряжения, обязательно установите его на радиатор. Выберите источник питания с напряжением 7 … 12 В, поскольку чем выше входное напряжение, тем больше нагревается стабилизатор напряжения 5 В.

Максимально допустимое входное напряжение датчика Холла равно 6 В, поэтому для питания схемы выбрано напряжение 5 В.

Если ваш магнит сильно вибрирует, или вообще не хочет левитировать, это может быть вызвано несколькими причинами, главной из которых является недостаточная толщина металлической пластины на катушке. Попробуйте добавить к ней еще несколько шайб. Возможно также, что датчик Холла смещен относительно центра катушки, или же зазор, установленный между катушкой и магнитом, слишком мал, и магнит нужно немного опустить регулировкой подстроечного резистора R2. (Это очень тонкая настройка). А может быть, катушка перекошена и установлена не вертикально.

Добавление мигающих RGB светодиодов сверху и снизу магнита создаст приятный эффект, если вы заставите левитировать какой-либо блестящий объект, такой, например, как шарик из алюминиевой фольги (Рисунки 10 и 11). Поскольку верхний светодиод находится ближе к объекту, желательно расширить угол его излучения, спилив линзу напильником.

Рисунок 10.	Установка мигающих цветных светодиодов создаст приятный эффект.

Рисунок 11.	Интересным левитирующим объектом может стать небольшой пропеллер с магнитом, прикрепленным в его центре.

Совсем другой эффект можно получить, изготовив небольшой пропеллер с прикрепленным в его центре магнитом. Я вырезал его из банки от Кока-Колы. Затем поместите под пропеллером плоскую свечку-таблетку или ароматическую масляную горелку, и поднимающийся поток теплого воздуха заставит левитирующий пропеллер вращаться. Для вращения пропеллера требуется совсем небольшая разница температур, и если воздух в помещении холодный, будет вполне достаточно тепла, выделяемого катушкой. Конечно же, если воздух теплый, это работать не будет.

В устройстве можно использовать катушку от ненужного соленоида, но предварительно необходимо убедиться в том, что потребляемый ею ток не перегрузит схему, поскольку многие соленоиды очень прожорливы.

Источник