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Der schwebende Magnet

schwebende Kugel, Beuth Hochschule Berlin (http://leviball.com )

Unter dem Stichwort "magnetic levitation" findet man im Internet und auf YouTube ein Reihe von Aufbauten, bei der ein kleiner Magnet oder eine Stahlkugel im elektromagnetischen Feld einer Spule in der Schwebe gehalten werden, z.B.

https://makerzone.mathworks.com/resources/magnetically-levitated-ball/

http://www.reidb.net/MagLevitator.html

https://mekonik.wordpress.com/2009/03/17/arduino-magnet-levitation/

http://zeltom.com/products/magneticlevitation

Eine weitere, noch anspruchsvollere Version ist unter dem Suchwort Magnetic Levitation by Repulsion zu finden. Dort schwebt der Magnet inmitten eines Kraftfeldes das ein Ringmagnet erzeugt und vier Spulen die die Steuerung besorgen. Ein ausführlicher und regelungstechnisch anspruchsvoller Artikel findet man unter http://www.torresballard.co.uk/levitron/thesis/

Im folgenden wird ein Aufbauvorschlag mit dem Arduino vorgestellt. Als mechanische Basis kommen 5 Stück ALU profile 20x20x200mm zum Einsatz (ALU Profile  20 B-Typ Nut 6). Die ALU Profile werden mit Winkelverbindern zu einem Gestell verbunden:

Am oberen Querträger wir der Elektromagnet befestigt. Im vorliegenden Beispiel wurde die Spule aus einem alten Signalrelais verwendet. Es gibt auch fertige Elektromagneten aus chinesischer Produktion bei ebay zu kaufen (siehe Stückliste unten) oder man wickelt 200 .. 300 Windungen Kupferlackdrat der Stärke 0.4mm auf einen Spulenkörper.

Die Position des schwebenden Magneten bzw. der Kugel muss berührunglos erfasst werden. Dazu bieten sich zum einen ein Hallsensor oder eine Infrarotlichtschranke mit Fotodioden an. Das Beispiel auf https://makerzone.mathworks.com/resources/magnetically-levitated-ball/ benutzt eine IR Lichtschranke mit der Fotdiode BPW 34FS. Vom elektronischen Schaltungsaufbau ist die Variante mit Hallsensor einfacher zu realisieren (siehe auch Beispiel auf http://www.reidb.net/MagLevitator.html ). Als Hallsensor ist unbedingt der Typ A1324 von Allegro zu verwenden. Er hat eine Empfindlichkeit von 5 mV/G. Andere Hallsensoren bieten nur 1.25mV/G oder 2.5mV/G, was zu niedrig ist. Bei Einsatz des Hallsenors kommt als Schwebkörper nur ein Neodymmagnet in Frage.

Die Spule wird über einen MosFet Treiber (siehe Stückliste) mit einem PWM Ausgang des Arduino verbunden. An Stelle des MosFet Treiber kann auch jede H-Brücke, wie sie zur Ansteuerung von DC Motoren benutzt wird, eingesetzt werden. Der Hallsensor wird auf eine kleine Lochrasterplatine gelötet, die mit einem Winkel am ALU Profil befesetigt wird. Der Vorteil dieser Montage ist, dass der Sensor in der Höhe verschoben werden kann.

Montage des Hallsensors auf einer Lochrasterplatine

Stromlaufplan

Programmcode mag1.ino (die Reglerparameter Kp und Ki müssen in Abhängikeit vom Elektromagneten angepasst werden)

PID Regler Bibliothek PID_v1.h

Stückliste:

Arduino MEGA 2560 R3

IRF520 Mos Fet Treiber Modul für Arduino

Hallsensor A1324  Datenblatt A1324

12V Elektromagnet 250N

ALU Profile  20 B-Typ Nut 6

Innenwinkel Nut6

Schaltnetzteil 180W, DC 12V 15A

Lochrasterplatine 20x80mm

Neodym Scheibenmagnet 20x5mm

H-Brücke für Arduino IBT-2 H als Alternative zur FET Stufe

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