Soust°ed¥ní mladých fyzik· a matematik·, Ko°enov, 2012
Levitující motor Auto°i: Jan Stopka, Adéla Miklíková Konzultant: Zden¥k Polák 2. srpna 2012
1
Obsah 1 Úvod
3
2 Teorie
3
3 Motor
4
4 M¥°ení
6
5 Záv¥r
7
2.1 2.2 3.1 3.2 3.3
Mendocino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . První konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Základní konstrukce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pohon rotoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tlumení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 3 4 5 6
1
Úvod
Cílem projektu Levitující motor bylo seznámit se s principy magnetické levitace, sestrojení vlastního levitujícího stroje a na záv¥r p°ipojení zdroje energie ve form¥ fotovoltaických £lánk·.
2 2.1
Teorie Mendocino
Volný rotor levitující na magnetickém pol²tá°i neboli mendocino funguje na principu odpuzování shodných pól· magnetu. Na ose rotoru jsou nasazeny dva magnety. Kaºdý z nich je nadná²en dv¥ma shodn¥ usazenými magnety. Odpudivá síla vyrovnává tíhu rotoru a ten je tedy nadná²en. To samotné by nesta£ilo, protoºe rotor by sklouzl mimo magnetické pole. Proto se z jedné strany opírá ostrým hrotem o pevnou desti£ku. To je jediné místo dotyku rotoru s okolím, t°ení je tedy minimální a rotor je brºd¥n velice pomalu.
Obrázek 1: První konstrukce Je p°itom d·leºité, aby magnety na rotoru byly oproti t¥m nadná²ejícím mírn¥ posunuty ve sm¥ru hrotu. Celý rotor je pak hrotem p°itla£en k desti£ce a soustava je stabilní. Je-li rotor sestaven správn¥ a je dostate£n¥ osov¥ soum¥rný, dokáºe rotovat dlouhodob¥. 2.2
První konstrukce
Jak lze vid¥t na fotogra i, ke stavb¥ prvotní op¥rné desky hrotu jsme vyuºili kousek plastové desti£ky. Ta se ukázala velmi rychle jako nevyhovující, a proto byla v dal²ích konstrukcích vym¥n¥na za plexisklo. To je jiº pevn¥j²í, ale p°esto za nejlep²í materiál povaºujeme sklo, které je tvrd²í a rovn¥j²í, a je tedy velmi nízké t°ení mezi statorem a rotorem. Navíc se hrot p°i del²ím pouºívání nezavrtává do op¥rné desky jako tomu bylo u plexiskla. V prvotní konstrukci jsme vyuºili jako osu rotoru pouze d°ev¥nou ²pejli, proto hrot vytvá°el p°i rotaci velké t°ení a celá konstrukce nedokázala dlouhodob¥ rotovat. Vylep²ením hrotu, i kdyº stále na d°ev¥né ²pejli, byla malá jehla upevn¥ná do vyvrtané díry uvnit° osy. Dal²ím vylep²ením hrotu i celé osy byla pletací jehlice, které jsme u°ízli oba konce a vybrousili do velmi ostrého hrotu. To p°ineslo výrazné zlep²ení, takºe jsme mohli p°ejít k dal²ímu zlep²ení konstrukce.
3
K tomu do²lo p°i vým¥n¥ magnet·. Malé ²kolní magnety upevn¥né jen pomocí hmoty na nást¥nky, jsme vyuºili v¥t²ích, feritových magnet·. Tyto magnety jsme uº nep°ipev¬ovali k ose zapomocí hmoty na nást¥nky, ale lepidlem z tavící pistole. Díky tomu, ºe lepidlo z tavící pistole je p°i velkém zah°átí velmi tekuté, tak se s ním dob°e pracovalo, ale vycentrování magnet· nebylo moc stabilní. P°esto se rotor to£il vcelku dob°e a bylo moºné za£ít konstruovat dal²í prototyp, kde jsme upot°ebili práv¥ nabyté zku²enosti.
Obrázek 2: Druhá konstrukce s pletací jehlicí
3 3.1
Motor Základní konstrukce
Pro dobrou stabilitu celé konstrukce jsme zvolili v¥t²í d°ev¥nou základní desku a na plexisklo jsme nalepili sklo. Osu rotoru jsme vyrobili z m¥d¥né trubky. Díky tomu jsme mohli vytvo°it hrot z u°ízlého, hrotového konce xy, do kterého jsme zalili lepidlem vybrou²ený h°ebík. Hrot jsme následn¥ vsunuli s lepidlem do trubky a nechali zatvrdnout.
Obrázek 3: Hrot nální konstrukce Tento rotor m¥l být uvád¥n do pohybu energií z fotovoltaických £lánk· cívkami, kterými protéká prom¥nný proud.
4
3.2
Pohon rotoru
Roviny cívek jsou k sob¥ navzájem kolmé, takºe p°i rotaci mohou vytvá°et dobré magnetické pole pro rotaci. Kaºdá je navinuta z m¥d¥ného drátu, ne p°íli² velkého pr·°ezu, který by se nevlezl na konstrukci, ale také ne p°íli² tenkého, který by vytvá°el p°íli² vysoký odpor.
Obrázek 4: Finální konstrukce rotoru Pohon rotoru je tvo°en dv¥ma nezávislými obvody sestávajícími ze dvou navzájem rovnob¥ºných fotovoltaických £lánk· a cívky na tyto £lánky p°ipojené. Sv¥telný zdroj poskytující energii rotoru musí poskytovat výrazn¥ více sv¥tla z jednoho sm¥ru. Nejv¥t²í proud pak vytvá°í £lánek, který je v poloze kolmé ke sm¥ru sv¥telných paprsk·, a nemáme tedy pot°ebu komutátoru. Úhel mezi rovinou cívky a odpovídajícími £lánky odpovídá poºadovanému sm¥ru sv¥telného zdroje. Pod rotorem je umíst¥n magnet, který bude cívku odpuzovat a urychlovat tedy rotor. Cívka má nejv¥t²í moment ve svislé poloze a v této poloze by tedy £lánky m¥ly být kolmé na sm¥r sv¥telných paprsk·.
Obrázek 5: Nákres umíst¥ní magnet· na statoru
Obrázek 6: Nákres zapojení cívek a fotovoltaických £lánk·
Obrázek 7: Schéma zapojení
5
Rotor po namotání cívek a p°ipájení fotovoltaických £lánk· nebyl vyváºen. Tuto nedokonalost jsme °e²ili m¥d¥nými desti£kami p°ilepenými vn¥ i uvnit° konstrukce motoru.
3.3
Tlumení
Kone£né vyváºení a vycentrování celého rotoru bylo velmi dobré. P°esto kmity p°i n¥kterých frekvvencích otá£ek byly z°etelné. Proto jsme se pokusili vytvo°it tlumení pomocí malého neodymového magnetu p°ilepeného na st°ed harmoniky sloºeného prouºku papíru. Ten jsme vloºili do mezery mezi zadními magnety. Papír ale nebyl dostate£n¥ pevný, aby zabránil vychýlení rotoru. Z tohoto d·vodu jsme vytvo°ili m¥d¥nou pruºinu na kterou jsme neodym p°ilepili. Op¥t jsme vloºili pruºinu mezi magnety. Tentokrát pruºina fungovala s v¥t²ím úsp¥chem, neº papír, ale p°esto tlumení nebylo nijak výrazné. Poslední zkou²ku jsme provedli s pruºinou vytvarovanou nad rotor do tvaru obráceného U. Tlumení bylo op¥t viditelné, jen pruºina pohlcující výchylky se po £ase rozkmitala a neodym na pruºin¥ se dotkl jiného magnetu konstrukce.
Obrázek 8: Pruºina tlumící kmity
4
M¥°ení
Na jiº funk£ním levitujícím motoru s fotovoltaickými £lánky jsme m¥°ili závislost frekvence otá£ení na £ase. K m¥°ení jsme vyuºili fototranzistor p°ipojený do po£íta£e jako mikrofon a aplikaci pro nahrávání a úpravu audia AudioCity. Na rotoru jsme vytvo°ili £ernou (resp. bílou) stopu. Nejvhodn¥j²í se ukázalo místo na obvodu jednoho z magnet·. Rotor se sám ze stabilní po£áte£ní polohy pouze p·sobením sv¥tla nerozto£í. Nicmén¥ rozto£ímeli jej na druhou stranu neº p·sobí cívky, rotace se nejprve zbrzdí, pak úpln¥ zastaví a nakonec cívky rozto£í rotor ve sm¥ru opa£ném. Tak se dá zajistit, ºe m¥°íme frekvenci otá£ek opravdu od rovnováºného stavu.
Obrázek 9: ást nahrávky
6
Po dostate£n¥ dlouhém nahrávání analyzujeme nahrávku. Najdeme odpovídající si £ásti v nahrávce a m¥°íme £asový interval mezi nimi. Ten odpovídá délce periody. Zárove¬ sledujeme (£i pozd¥ji dopo£ítáme) jaký je aktuální celkový £as. Pak jiº jsme schopni pom¥rn¥ jednodu²e vyjád°it závislost frekvence otá£ení na £ase. Nam¥°ené hodnoty ukazují, ºe závislost je exponenciální, coº odpovídá teoretickým p°edpoklad·m. Pokou²eli jsme se nam¥°it závislost i u jiných zdroj· sv¥tla (stolní lampa ºárovka), ale periody kmit· nebyly v nahrávce rozpoznatelné.
Obrázek 10: Graf závislosti frekvence a periody otá£ení na £ase
5
Záv¥r
V pr·b¥hu práce jsme zjistili mnoho nového v oboru magnetické levitace. Poda°ilo se nám sestrojit funk£ní model motoru. Do budoucna by bylo moºné pokra£ovat v práci v £ásti m¥°ení, p°ípadn¥ sestrojit motor s odli²ným principem motoru. Nap°íklad na bázi tranzistoru. Na záv¥r bychom cht¥li pod¥kovat na²emu konzultantovi Zde¬ku Polákovi za cenné rady a skv¥lé vedení projektu.
7
