Reglarea de Poziție Într-un Sistem de Levitație Magnetică

1.INTRODUCERE

Levitaţia magnetică reprezintă o metodă folosită pentru a suspenda un obiect in aer, fără niciun contact fizic. Sistemele de levitaţie magnetică au primit o atenţie crescută în ultima vreme datorită importanţei practice în multe sisteme inginereşti. Ele au devenit populare în numeroase aplicaţii cum ar fi: trenurile de mare viteză, rulmenţii magnetici, turbine eoliene, frâne magnetice.

Turbinele eoliene Maglev reprezintă cea mai nouă şi eficientă tehnologie din lume de producere a energiei electrice eoliene. Acestea folosesc o tehnologie inventată de savantul Nicholas Tesla şi perfecţionată de cercatorii americani, presupunând utilizarea magneţilor permanenţi pentru rotirea paleţilor morii de vânt. Turbinele prezintă numeroase avantaje, principalul fiind o eficienţă de 95%, centrala producând curent de la o viteza a vântului de 1,5 m/s până la viteze de 40 m/s.

Există diferite tipuri de levitaţie magnetică: electromagnetică, electrodinamică, superconductivă şi diamagnetică. Toate aceste sisteme se bazează pe forţa interacţiunii dintre câmpul magnetic şi câmpul gravitaţional.

Lucrarea de faţa se axează pe sistemul de levitaţie electromagnetică (EMS). Sistemul de levitaţie electromagnetică controlează câmpul magnetic generat de un electromagnet pentru a face un magnet permanent să leviteze în aer. Pentru a asigura o poziţie stabilă a obiectului care se doreşte a fi levitat am proiectat un circuit de control prin feedback. Cu un regulator potrivit în buclă, magnetul de dimensiuni reduse levitează în aer pe termen nelimitat fără nici o perturbaţie.

Poziţia verticală a magnetului care levitează este măsurată folosind un senzor liniar cu efect Hall şi curentul în electromagnet este controlat activ pentru a obţine o levitaţie stabilă. În funcţie de semnalul dat de senzor, electromagnetul este condus în sus sau în jos. Dacă obiectul feromagnetic este deasupra poziţiei dorite, regulatorul reduce curentul din electromagnet şi forţa electromagnetică. Dacă obiectul este sub poziţia dorită, curentul din electromagnet va fi crescut.

Această lucrare este structurată în patru părţi principale, focalizându-se pe studiul sistemelor de levitaţie magnetică şi pe proiectarea unui asemenea sistem funcţional pentru a exemplifica avantajele folosirii tehnologiei alese.

Primul capitol cuprinde prezentarea fundamentelor teoretice ale temei abordate şi anume sistemele de levitaţie magnetică. Sunt descrise fenomenele fizice întâlnite în procesul creat, cât şi diferitele tipuri funcţionale de sisteme.

Al doilea capitol conţine descrierea instalaţiei tehnologice construite şi componentele folosite pentru realizarea acesteia. Este prezentată totodată şi modalitatea de aflare a modelului matematic al procesului.

Capitolul trei prezintă testele realizate pentru identificarea parametrilor procesului, modalitatea de calculare a regulatorului si in final testarea regulatorului ales.

Ultimul capitol este destinat concluziilor lucrării şi propunerile pentru dezvoltările viitoare ale proiectului.

2. Sisteme de levitaţie magnetică

2.1. MAGNETISM

Un câmp magnetic este o descriere matematică a influenţei magnetice, a curenţilor electrici şi materialelor magnetice. Câmpul magnetic la un moment dat este caracterizat atât de o direcţie, cât şi de o magnitudine (sau putere) ca atare este un câmp vectorial. Câmpul magnetic este cel mai des definit în termenii forţei Lorentz care este exercitată pe sarcinile electrice. Câmpul magnetic poate să se refere la două câmpuri separate, dar în stransă legătură, care sunt notate cu simbolurile B şi H.

Câmpurile magnetice sunt produse de sarcinele electrice şi de momentele magnetice intrinseci a particulelor elementare asociate cu proprietatea fundamentală a cuantumului, rotaţia lor. În teoria relativităţii câmpurile electrice şi magnetice sunt două aspecte interconectate a unui singur obiect numit tensorul electromagnetic; separarea acestui tensor în câmpuri magnetice şi electrice depinde de viteza relativă a observatorului şi de sarcină. In fizica cuantică, campul electromagnetic este cuantificat şi interacţiunile electromagnetice rezultă din schimbul de fotoni.

Materialul magnetic în stare nemagnetizată are structura moleculară sub forma unor lanţuri magnetice slabe sau magneţi mici individuali aranjaţi răsfirat într-un tipar aleatoriu. Efectul general a acestui tip de aranjament rezultă în zero sau foarte slab magnetism, deoarece acest aranjament aleatoriu a fiecărui magnet molecular tinde să îşi neutralizeze vecinii.

Atunci când materialul este magnetizat acest aranjament aleatoriu al moleculelor se schimbă şi micile, nealiniate şi aleatorii molecule magnetice devin aliniate în aşa fel încât produc o serie de aranjamente magnetice. Această idee a alinierii moleculelor din materialele feromagnetice este cunoscută ca teoria lui Weber. În final, toate domeniile sunt aliniate şi viitoarele creşteri de curent vor cauza mici schimbări în campul magnetic: fenomenul este numit saturaţie.