Magnetic LevitationThis is a simple

Magnetic Levitation

This is a simple magnetic levitator which suspends objects a set distance below an electromagnet. The physics behind it is to simply provide a magnetic force which equal and opposite to the gravitational force on the object. The two forces cancel and the object remains suspended. Practically this is done by a circuit which reduces electromagnet force when an object gets to close, and increases it when the object is out of range.
Infrared Magnetic Levitator
Magnetic Levitator Schematic
This circuit works by comparing the signals from the sensors with the first op-amp and sending out a voltage proportional to the difference or "error". The error signal is then sent through a compensation network which acts a high-pass filter, allowing quick changes in error to pass easier than slow changes. This is required to stabilize the control loop, and without it objects would just flutter close to the electromagnet due to the system being unstable. The signal is then amplified to it's original amplitude, since the compensation network attenuated it, and finally drives the TIP122 Darlington transistor, which controls the electromagnet current. The extra diodes around the transistor are to prevent damage to the transistor. The signal diode on the base prevents reverse biasing the base, which is damaging, while the two 1N4001's give a path for the magnetizing current to flow when the electromagnet turns off. The optical components used aren't too critical, as long as their wavelengths match up ok, and the detection/emission angles aren't too narrow. The IR LEDs are TIL38, which are 940nm peak, have 15 degree spread, 35mW and 100mA max. The detectors are PT204-6B, which are IR phototransistors.
Levitator setup
Construction Details
The top detector is a reference detector and the bottom one senses when an object is in levitating position. The object detector must be level with the IR LED. The reference detector must see the IR diode at all times, even when levitating an object. The electromagnet should have maximum 15 ohms of resistance, any more and it will not be able to lift anything. Too little resistance and the transistor will have problems regulating electromagnet current and will also dissipate more heat. When constructing an electromagnet there are two things to remember. Magnetic force is proportional to the number of turns and current. So when using copper wire the magnetic force is roughly proportional to the square of the power dissipated in it, for all practical use. In my coil I used 70 meters of 0.45mm magnet wire. The coil can be wound on almost any ferrous metal rod if you're not concerned with efficiency. Remember that keeping the surface area of the face small will keep the object centered better. Constructing the circuit correctly is easiest if built in two parts; part 1 with the detectors and first op-amp to make sure the output swings when an object is put in the beam, and then part 2 with the rest. This way it will be much easier to troubleshoot.
Troubleshooting
If the levitator fails to suspend anything, but objects “flutter”, you will need to adjust the compensation network. Try changing resistor values and capacitor values. The compensation network is the 150K, 1K resistor and 100nF cap between op-amp1 and 2. Decreasing the value of the 150K and/or increasing the value of the 1K will often solve the fluttering problems. Sometimes fluttering problems are caused by the reference detector not being setup properly. If the coil doesn’t turn off even when an object is put in the beam, check the reference and object detectors.
Levitated Objects
Floating bolt Floating Lego mini figure Floating hexnut
I scavenged a small neodymium magnet from a CD-ROM drive, which is quite powerful for it's size. Using a permanent magnet will increase the force the electromagnet exerts on an object, and allow for greater distances or heavier objects to be levitated using the same amount of power.
Pliers levitated with magnet
Youtube Video


Hall-Effect Magnetic Levitator


Another method for detecting the levitated object's position is using hall-effect sensors. These are sensors which detect the intensity of the magnetic field they are currently in, and provide an output voltage which is proportional to it. Hall effect sensors are often used in brushless DC motors to detect the position of the rotor, and as such can be found in floppy and disk drives. After experimenting with some hall-effect sensors scavenged from floppy and CD-ROM drives I found they are usually linear, symmetrical 4-pin devices. Which means they have no defined polarity and diagonal pins correspond to input/output and anode/cathode pairs. The sensors I used in the end were taken from a CD-ROM spindle motor, because the one I had from a floppy drive had been crushed. Remember to shield the sensor from objects suddenly being drawn to the electromagnet. I epoxied a 2mm thick plastic cover over mine to keep the impact force spread over a larger area. Initially I experimented with a feedback design, but found I couldn't stabilize the system. Unequal amounts of flux through the two sensors from the electromagnet and reduced sensitivity when in a strong magnetic field caused strong hysteresis in the system. After a throwing the board out the window a few times I finally accepted the KISS principle.

Schematic

The voltage between the + and - output of the hall effect sensor can swing positive and negative, but when referenced to ground one will go up and the other down (or the opposite, depending on the magnetic field's polarity). In order to get a useful sensor output the two voltages are compared and amplified by a differential amplifier. You'll need to decide which magnetic pole you want as positive, this can be changed by reversing the sensor leads. Whichever you choose, make sure the output of the LM358 rises positively to it's approach, or the levitator will repel the object! The sensor output is compared to the reference, which is set to some defined error level. The TL494 will adjust the duty cycle of the electromagnet in order to keep the sensor output at the correct level. I've added a bonus feature to use up the other op-amp in the LM358, a temperature sensor. It's glued to the electromagnet, and will reduce the magnet current once it gets too warm. Almost unnecessary in this model, as it operates very efficiently. You will find maximum power cannot be achieved with your electromagnet using this circuit. I could levitate objects at twice the distance using an earlier prototype, see the first picture below, but I was unable to stabilize it. I'm unsure as to why it limits power so much, but it's sufficient for light loads. Some details on the electromagnet: The core is an M8 (8mm in diameter) flat-head carriage bolt, taken from my junk box. The wire was taken from a PFC inductor, wire gauge is estimated to be 1mm in diameter. I used all of the wire available, which might have been 50 meters. The DC resistance of the electromagnet is 2,4 ohms. The physical dimensions of the electromagnet are 2,5cm long by 4cm in diameter.



A lot of people have trouble finding these little symmetrical hall-effect sensors, but a standard three-pin linear hall effect sensor such as the SS495 can be used instead. Due to the variations in hall effect sensor design and sensitivity certain component values have to be found through experimentation. Here's an alternate schematic featuring a three-pin HE sensor.

Hall Effect Levitator Demonstration


Other Magnetic Levitators:

Barry's Magnetic Levitation
Home-Built Magnetic Levitator

Kết quả (Việt) 2:

Levitation Magnetic Đây là một thuật khinh công từ đơn giản mà đình chỉ các đối tượng một khoảng cách nhất định dưới một nam châm điện. Vật lý đằng sau nó chỉ đơn giản là cung cấp một lực lượng từ đó bằng nhau và đối diện với lực hấp dẫn trên đối tượng. Hai lực lượng hủy và các đối tượng vẫn còn lơ lửng. Thực tế này được thực hiện bởi một mạch làm giảm lực điện từ khi một đối tượng được đóng cửa, và tăng nó khi đối tượng ra khỏi phạm vi. Infrared thuật khinh Magnetic thuật khinh Magnetic Schematic mạch này hoạt động bằng cách so sánh các tín hiệu từ các cảm biến với op- đầu tiên amp và gửi ra một điện áp tỷ lệ với sự khác biệt hay "lỗi". Các tín hiệu báo lỗi sau đó được gửi thông qua một mạng lưới bồi thường đóng vai trò là một bộ lọc cao qua, cho phép thay đổi nhanh chóng trong lỗi để vượt qua dễ dàng hơn so với những thay đổi chậm. Điều này là cần thiết để ổn định vòng lặp kiểm soát, và không có nó các đối tượng sẽ chỉ rung gần nam châm điện do hệ thống không ổn định. Các tín hiệu sau đó được khuếch đại để nó là biên độ ban đầu, kể từ khi mạng bồi thường suy yếu nó, và cuối cùng là các ổ đĩa của transistor Darlington TIP122, mà điều khiển nam châm điện hiện hành. Các điốt thêm xung quanh các bóng bán dẫn là để ngăn chặn thiệt hại cho các bóng bán dẫn. Các diode tín hiệu trên cơ sở ngăn ngừa đảo ngược xu hướng các cơ sở, mà còn nguy hiểm, trong khi hai 1N4001 của đưa ra một con đường cho dòng chảy từ hóa khi các nam châm điện sẽ tắt. Các thành phần quang học được sử dụng là không quá quan trọng, miễn là bước sóng của họ phù hợp lên ok, và các góc độ phát hiện / phát xạ không quá hẹp. Các đèn LED IR là TIL38, đó là đỉnh 940nm, có 15 mức độ lây lan, 35mW và 100mA max. Các máy dò là PT204-6B, đó là phototransistors IR. Thiết lập thuật khinh công chi tiết xây dựng các máy dò đầu là một máy dò tham chiếu và một đáy giác khi một đối tượng ở vị trí bay lên. Các máy dò đối tượng phải được cấp với đèn LED hồng ngoại. Các máy dò tài liệu tham khảo phải xem các diode IR mọi lúc, ngay cả khi bay lên một đối tượng. Các nam châm điện nên có tối đa 15 ohms kháng, bất kỳ nhiều hơn và nó sẽ không thể nhấc bất kỳ. Quá ít điện trở và bóng bán dẫn sẽ có vấn đề điều tiết châm điện hiện nay và cũng sẽ tiêu tan nhiệt hơn. Khi xây dựng một nam châm điện có hai điều để nhớ. Lực lượng từ tỉ lệ với số vòng và hiện tại. Vì vậy, khi sử dụng dây đồng các lực lượng từ tính là tỷ lệ với bình phương của điện tiêu tan trong đó, cho tất cả các ứng dụng thực tế. Trong cuộn dây của tôi, tôi sử dụng 70 mét của 0.45mm dây điện từ. Các cuộn dây có thể được quấn trên hầu như bất kỳ thanh kim loại màu nếu bạn không quan tâm đến hiệu quả. Hãy nhớ rằng việc giữ diện tích bề mặt của khuôn mặt nhỏ sẽ giữ các đối tượng trung tốt hơn. Xây dựng các mạch một cách chính xác là dễ nhất nếu được xây dựng trong hai phần; phần 1 với các máy dò và đầu op-amp để chắc chắn rằng các thay đổi tính đầu ra khi một đối tượng được đặt trong chùm, và sau đó phần 2 với phần còn lại. Bằng cách này, nó sẽ được dễ dàng hơn nhiều để khắc phục sự cố. Troubleshooting Nếu có thuật khinh không đình chỉ bất cứ điều gì, nhưng đối tượng "rung động", bạn sẽ cần phải điều chỉnh các mạng bồi thường. Hãy thử thay đổi các giá trị điện trở và giá trị tụ điện. Các mạng bồi thường là 150K, 1K điện trở và 100nF cap giữa op-amp1 và 2. Việc giảm giá trị của 150K và / hoặc làm tăng giá trị của 1K thường sẽ giải quyết các vấn đề rung. Đôi khi vấn đề rung được gây ra bởi các máy dò tài liệu tham khảo không được thiết lập đúng cách. Nếu cuộn dây không tắt ngay cả khi một đối tượng được đặt trong chùm, kiểm tra phát hiện tham khảo và đối tượng. Đối tượng bay lên nổi tia nổi con số nhỏ Lego nổi hexnut tôi vơ vét một nam châm neodymium nhỏ từ một ổ đĩa CD-ROM, đó là khá mạnh mẽ cho kích thước của nó. Sử dụng một nam châm vĩnh cửu sẽ tăng lực nam châm điện tác dụng lên một vật, và cho phép khoảng cách lớn hơn hoặc các vật nặng để được bay lên bằng cách sử dụng cùng một lượng điện. Kìm bay lên với nam châm Youtube Video Hall Effect thuật khinh Magnetic Một phương pháp khác để phát hiện sự bay lên vị trí của đối tượng đang sử dụng cảm biến hall-hiệu quả. Đây là những cảm biến mà phát hiện cường độ của từ trường, họ là hiện tại, và cung cấp một điện áp đầu ra là tỷ lệ thuận với nó. Cảm biến hiệu ứng Hall thường được sử dụng trong động cơ không chổi than DC để phát hiện vị trí của rotor, và như vậy có thể được tìm thấy trong ổ đĩa mềm và đĩa. Sau khi thử nghiệm với một số cảm biến hall-vơ vét hiệu lực từ ổ đĩa mềm và CD-ROM tôi thấy họ thường là tuyến tính, các thiết bị đối xứng 4-pin. Có nghĩa là họ không có phân cực được định nghĩa và chân đường chéo tương ứng với đầu vào / đầu ra và cặp anode / cathode. Các cảm biến tôi sử dụng cuối cùng được lấy từ một động cơ trục chính CD-ROM, vì một trong tôi đã có từ một ổ đĩa mềm đã bị nghiền nát. Hãy nhớ để che chắn các bộ cảm biến từ các đối tượng đột nhiên bị thu hút bởi nam châm điện. Tôi epoxied một nắp nhựa dày 2mm hơn tôi để giữ cho lực tác động trải rộng trên một diện tích lớn hơn. Ban đầu tôi đã thử nghiệm với một thiết kế phản hồi, nhưng thấy tôi không thể ổn định hệ thống. Mất cân bằng về thông qua hai cảm biến từ các nam châm điện và giảm độ nhạy khi trong một từ trường mạnh gây ra hiện tượng trễ mạnh mẽ trong hệ thống. Sau một ném hội đồng quản trị ra ngoài cửa sổ một vài lần cuối cùng tôi chấp nhận nguyên tắc KISS. Schematic Điện áp giữa + và - đầu ra của cảm biến hiệu ứng phòng có thể xoay tích cực và tiêu cực, nhưng khi tham chiếu đến mặt đất người ta sẽ đi lên và khác xuống (hoặc ngược lại, tùy thuộc vào phân cực của từ trường của). Để có được một sản lượng cảm biến hữu dụng hai điện áp được so sánh và khuếch đại bởi một bộ khuếch đại khác biệt. Bạn sẽ cần phải quyết định từ tính cực bạn muốn như là tích cực, điều này có thể được thay đổi bằng cách đảo ngược dẫn cảm biến. Cho dù bạn chọn, đảm bảo đầu ra của LM358 tăng tích cực vào đó là cách tiếp cận, hoặc có thuật khinh công sẽ đẩy lùi các đối tượng! Các cảm biến đầu được so sánh với các tài liệu tham khảo, được thiết lập để một số mức độ lỗi được xác định. Các TL494 sẽ điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ của các nam châm điện để giữ cho đầu ra cảm biến ở các mức độ chính xác. Tôi đã thêm một tính năng tiền thưởng để sử dụng hết các op-amp trong LM358, một cảm biến nhiệt độ. Nó dán mắt vào những nam châm điện, và sẽ làm giảm nam châm hiện nay khi nó trở nên quá nóng. Hầu như không cần thiết trong mô hình này, vì nó hoạt động rất hiệu quả. Bạn sẽ tìm thấy sức mạnh tối đa không thể đạt được với nam châm điện bằng cách sử dụng mạch này. Tôi có thể bay lên đối tượng ở khoảng cách hai lần bằng cách sử dụng một mẫu thử nghiệm trước đó, xem các hình ảnh đầu tiên dưới đây, nhưng tôi không thể để ổn định nó. Tôi không chắc là tại sao nó hạn chế quyền lực rất nhiều, nhưng nó đủ cho tải ánh sáng. Một số chi tiết trên các nam châm điện: Cốt lõi là một M8 (8mm đường kính) phẳng đầu vận chuyển bolt, lấy từ hộp rác của tôi. Các dây này được lấy từ một điện PFC, gauge dây được ước tính là 1mm, đường kính. Tôi đã sử dụng tất cả các dây có sẵn, mà có thể là 50 mét. Các kháng DC của nam châm điện là 2,4 ohms. Các kích thước vật lý của nam châm điện là 2,5cm dài 4cm đường kính. Rất nhiều người gặp khó khăn khi tìm kiếm các cảm biến hall-ít ảnh hưởng đối xứng, nhưng một ba-pin lang tuyến tính cảm biến hiệu ứng tiêu chuẩn như SS495 có thể được sử dụng để thay thế. Do sự khác biệt trong thiết kế cảm biến hiệu ứng Hall và giá trị thành phần nhạy cảm nhất định phải được tìm ra bằng thực nghiệm. Dưới đây là một sơ đồ thay thế có tính năng cảm biến ba-pin HE. Hiệu ứng Hall thuật khinh công diễn biết bay từ khác: Levitation Magnetic Barry của Home-xây dựng từ khinh công