Îndrumători: Absolventă: Conf.univ.dr.ing. Gorka Marc Ghiaur Cătălina Prof.dr.ing. Livinți Petru BACĂU 2018 Controlul mișcărilor unei bile… [310661]

LUCRARE DE DIPLOMĂ

Îndrumători: Absolventă:
Conf.univ.dr.ing. Gorka Marc Ghiaur Cătălina
Prof.dr.ing. Livinți Petru

BACĂU 2018

Controlul mișcărilor unei bile poziționate pe un platou în susținere magnetică

Îndrumători: Absolventă:
Conf.univ.dr.ing. Gorka Marc Ghiaur Cătălina
Prof.dr.ing. Livinți Petru

BACĂU 2018

“Everything will be okay in the end.

If it's [anonimizat]'s not the end.”

– [anonimizat]. Descoperirea magnetitului și capacitatea sa pentru a [anonimizat] (oxid de fier cu formula Fe3O4, denumită și "piatra de magnet"), piatră gasită în Magnesia (Thessaly). Grecii, dar și romanii și chinezii au descoperit că magnetitul avea capacitatea de a atrage obiecte care conțin fier și că o bucată de fier care a intrat în contact cu magnetitul capătă aceleași proprietăți. De-a [anonimizat].

Denumirea de ”MagLev” [anonimizat] o tehnologie avansată, o [anonimizat].

Acest fenomen utilizat într-o [anonimizat], nici o uzură, [anonimizat] a sistemului.

Levitația magnetică poate fi considerată soluție a [anonimizat]: industria transporturilor ([anonimizat], etc.), ingineria energetică ([anonimizat], etc.), ingineria aerospațială (rachete, [anonimizat].), ingineria biomedicală (criogenie,[anonimizat], terapie, monitorizare, chirurgicale, etc.), ingineria civilă (lifturi, ventilatoare, [anonimizat]), ingineria militară (arme), etc.

Există diferite tipuri de levitație magnetică: electromagnetică, electrodinamică, superconductivă și diamagnetică. Toate aceste sisteme se bazează pe forța interacțiunii dintre câmpul magnetic și câmpul gravitațional.

Prezenta lucrare reprezintă studiul fenomenului de levitațe electromagnetică.

Sistemul elaborat controlează câmpul magnetic generat de zece electromagneți (bobine liniare din cupru) [anonimizat], a unui platou dotat cu mai mulți magneți permanenți amplasați lateral și la baza acestuia.

Pentru a [anonimizat], [anonimizat], iar deplasarea orizontală este realizată de alte șapte bobine de reglaj amplasate lateral. Pentru a asigura o poziție stabilă a platoului am proiectat un circuit de control și comandă pentru fiecare electromagnet.

Poziția verticală a platoului care levitează este măsurată cu ajutorul a trei senzori de tip laser înserați la baza machetei, iar alții trei necesari determinării poziției verticale sunt amplasați lateral. În funcție de sensul și intensitatea curentului furnizat electromagneților poziția platoului poate fi modificată.

Realizarea acestui proiect implică mai multe etape și atinge mai multe domenii: mecanică, electromagnetism, electronică, tratarea imaginilor, energetică, controlul în timp real,etc. Obiectivele pe care mi le-am propus sunt următoarele:

Elaborarea, proiectarea, realizarea și testarea plăcilor electronice pentru comanda bobinelor;

Asamblarea mecanică a elementelor machetei;

Verificarea și realizarea studiului termic și inductiv asupra bobinelor;

Obținerea unui prototip funcțional.

Lucrarea este structurată în patru părți principale, focalizându-se pe studiul sistemelor de levitație magnetică și pe proiectarea unui asemenea sistem funcțional pentru a exemplifica avantajele folosirii tehnologiei alese.

CAPITOLUL I. Electromagnetismul, particularități.

Câmpul electromagnetic.

Interacțiunea electromagnetică este cel mai raspândit fenomen din viața cotidiană, și deși nu sunt perceptibile pentru ochiul uman, câmpurile electromagnetice sunt peste tot în jurul nostru. Electromagnetismul reunește toate fenomenele care rezultă din interacțiunea dintre electricitate și magnetism, fenomene care mult timp au fost considerate forțe separate, iar începând cu secolul al XIX-lea acestea au fost tratate ca și fenomene insolubile.

Câmpul electromagnetic este o formă aparte de existență a materiei, caracterizată prin exercitarea de acțuini ponderomotoare (forțe și momente) asupra corpurilor situate în câmp având două aspecte particulare: câmpul electric și câmpul magnetic. Cele două câmpuri formează un ansamblu interdependent influențându-se reciproc, astfel undele electrice și magnetice se pot propaga liber în spațiu sub formă de unde electromagnetice, separarea acestora fiind pur teoretică. Ca orice formă de existență a materiei, câmpul electromagnetic posedă energie. Efectul interacțiunii electromagnetice poate avea un caracter atractiv sau repulsiv.

Câmpul magnetic este o formă de existență a materiei care se manifestă prin acțiunea unor forțe asupra obiectelor introduse în câmp atunci când acestea prezintă proprietăți magnetice sau sunt încărcate cu sarcină electrică, precum și asupra conductorilor parcurși de curent electric.

Liniile de câmp magnetic sunt întotdeauna linii închise, lipsite de început și sfârșit, spre deosebire de cele de câmp electric care nu sunt închise (acestea pornesc din sarcinile electrice pozitive și se termină în sarcinile negative).

Liniile de câmp magnetic sau de inducție magnetică, sunt liniile trasate într-un câmp a căror direcție este dată, în fiecare punct, de direcția în care se așează acul magnetic al unei simple busole. Aceste linii se trasează în așa fel, încât în fiecare punct al spațiului,să fie tangente la direcția acului magnetic din acel punct.

S-a convenit a se lua ca sens pozitiv al câmpului magnetic, sensul în care se deplasează vârful nord al acului magnetic, aflat în câmp.
Liniile de câmp magnetic ale câmpului produs de un magnet permanent sunt reprezentate în figura 1.1.(a) Acestea ies din polul nord și intră în polul sud. În figura 1.1. (b) sunt reprezentate liniile de câmp magnetic printr-o bobină parcursă de curent electric.

Mai exact sensul liniilor de câmp magnetic poate fi determinat cu ajutorul regulii tirbușonului, care se presupune că la înaintarea tirbușonului în sensul curentului, sensul său de rotație indică sensul liniilor de câmp.

Experimental, se dovedește că, odată cu schimbarea sensului curentului prin conductor se schimbă și sensul liniilor de câmp.

(b)

Fig.1.1 Linii de câmp magnetic: (a) magnet permanent; (b) bobină parcursă de curent

Magnetizarea corpurilor

Dacă un corp aflat într-un câmp magnetic este supus unor forțe sau cupluri, fără ca el să fie parcurs de curent electric, spunem că acesta se află în stare de magnetizare. Starea de magnetizare poate fi permanentă sau temporară, stări care pot fi separate sau concomitente la un corp. Starea de magnetizare permanentă se întâlnește la magneții permanenți și nu este dependentă de existența câmpurilor exterioare. Starea de magnetizare temporară depinde de inducția câmpului magnetic exterior. Experiența arată că dacă un circuit străbătut de curent electric se află într-o substanță, sau în apropierea unor corpuri oarecare, câmpul magnetic produs de aceasta în substanță, va fi diferit de cel produs în aer sau în vid.

Pentru a explica magnetizarea corpurilor se consideră că în atomii și moleculele substanțelor există curenți circulari elementari numiți amperieni. Acești curenți sunt caracterizați printr-un moment magnetic:

m⃗ =I⋅S⃗    (1)

În absența unui câmp magnetic exterior, cum este reprezentat în fig 1.2. (a), momentele magnetice sunt orientate la întâmplare și ca urmare momentul magnetic rezultant este nul. Substanța nu creează câmp magnetic în jurul său.

Într-un câmp de inducție B⃗ 0 exterior, momentele magnetice se orientează (fig.1.2.(b)), substanța capată un moment magnetic rezultant și creează un câmp magnetic propriu B⃗ m. care se suprapune peste câmpul B⃗ 0.

Fig.1.2

Deoarece alinierea domeniilor unui material produce un magnet, dezorganizarea alinierii ordonate distruge proprietățile magnetice ale materialului. Agitarea termică care rezultă din încălzirea unui magnet la o temperatură ridicată distruge proprietățile sale magnetice. Câmpul total va fi deci:

B⃗ =B⃗ 0+B⃗ m   (2)

Magnetizarea substanțelor se caracterizează prin vectorul magnetizație M⃗ , care reprezintă momentul magnetic al unității de volum:

M⃗ =dm⃗ dV   (3)

Magnetizarea depinde de dimensiunea momentelor dipol ale atomilor dintr-o substanță și de gradul în care momentele dipolului sunt aliniate unul față de celălalt.

Se mai folosește deasemenea vectorul intensitate de polarizare sau polarizație magnetică j⃗ , care se definește ca:

j⃗ =μ0M⃗    (4)

Asimilând curenții amperieni cu niște dipoli magnetici și folosind legea lui Ampère‎‎, se poate stabili ușor o relație între cele 3 marimi fundamentale în magnetism și anume B⃗ ,H⃗ ,M⃗ :

M⃗ =μ0(H⃗ +M⃗ )

Această lege numită și legea legăturii dintre inducție, intensitate și magnetizație: în fiecare punct din câmp și în fiecare moment, inducția magnetică B este proporțională cu suma dintre intensitatea câmpului magneticH și magnetizația M, factorul de proporționalitate fiind permeabilitatea magnetică a vidului 0µ. Întrucât în ecuație nu intervin mărimi de material, legea dependenței dintre H,B și M este o lege generală și de stare a câmpului electromagnetic. Experiența arată că în orice mediu și în orice regim al câmpului electromagnetic este satisfăcută legea lui Ampere.

Toată materia prezintă proprietăți magnetice într-un anumit grad. Când este plasată într-un câmp neomogen, materia este atrasă sau respinsă în direcția gradientului câmpului. Această proprietate este descrisă de susceptibilitatea magnetică a materiei și depinde de gradul de magnetizare a materiei în câmp. Anumite materiale, cum ar fi fierul, prezintă proprietăți magnetice foarte puternice datorită alinierii momentelor magnetice ale atomilor lor în anumite regiuni mici numite domenii. În condiții normale, diferitele domenii au câmpuri care anulează, dar pot fi aliniate unele cu altele pentru a produce câmpuri magnetice extrem de mari. Diverse aliaje, cum ar fi NdFeB (un aliaj de neodim, fier si bor), pastreaza domeniile lor aliniate și sunt folosite pentru a face magneți permanenți.

Astfel putem conchide că magnetizarea depinde de intensitatea câmpului magnetic, de proprietățile materialului și de temperatură.

Levitația magnetică. Particularități.

Prin definiție magneții sunt corpuri fero sau ferimagnetici aflate în stare de magnetizare, care produce în spațiul înconjurător un câmp magnetic,capabil să exercită forțe (de atragere sau respingere) asupra altor magneți, asupra conductoarelor parcurse de curenți electrici sau asupra particulelor încărcate electric în mișcare.

Magneții prezintă două regiuni, numite poli magnetici (nord și sud), în care valoarea câmpului magnetic este maximă. Aceștea pot fi temporari sau permanenți, naturali sau artificiali.

Se crede adesea că magneții știu doar cum să atragă obiecte. Acest lucru este ușor de observat pentru materialele feromagnetice, cum ar fi fierul, nichelul sau cobaltul. Dar există și o multitudine de materiale diamagnetice care pot fi respinse de magneți. Mai exact, au tendința de a fugi în zone în care câmpul magnetic este cel mai slab sau lipsește printr-un fenomen suficient de discret.

Astfel, prin dezvoltarea tehnologiilor, acestea au devenit populare în numeroase aplicații, cum ar fi trenurile de mare viteză, rulmenții magnetici, frânele magnetice și turbinele eoliene în special.

Levitația magnetică este procesul prin care un obiect este suspendat sau poate pluti în aer prin intermediul câmpurilor magnetice care contracarează efectele forței gravitaționale.   Există două concepte fundamentale referitoare la proprietățile fizice și de levitație ale materiei:

– levitația electromagnetică (EML): levitația este generată de electromotoare (de obicei bobine din cupru alimentate în curent alternativ sau continuu).

– levitația electrodinamică (EDL): levitația se bazează pe forțele repulsive generate de curenții indusi (așa-numiții curenți turbionari) care apar doar în timpul unei deplasari relative a corpurilor. De asemenea există și levitare superconductoare și diamagnetică. Toate aceste sisteme se bazează pe forța interacțiunii dintre câmpul magnetic și câmpul gravitațional.

Electromagnetismul și electromagneții

Conform Comisiei Internaționale de Electrotehnică (CIE) ”electromagnetul reprezintă un magnet temporar, a cărui acțiune de atragere sau de eliberare a unei armături feromagnetice este determinată de prezența curentului electric într-un circuit de excitație.” Interacțiunea dintre electromagneți și corpurile din materiale fieromagnetice sau conductoarele parcurse de curent este determinată de forțele electromagnetice, respectiv mecanismul format din înfășurări de excitație (de regulă bobine) și corpuri feromagnetice acționate prin intermediul forțelor electromagnetice este denumit mecanism electromagnetic. Armătura fixă este confecționată din materialul feromagnetic expus polarizării magneticeprodusă de câmpul magnetic al bobinei de excitație, iar partea mobilă se numește armătură mobilă.

Bobina, cu sau fără miez de fier, este un dispozitiv electric pasiv, care posedă două terminale (capete) și este folosit în circuitele electrice pentru a înmagazina energie în câmp magnetic sau pentru detecția câmpurilor magnetice.

La trecerea curentului electric printr-o bobină, aceasta se transformă intr-un magnet artificial, denumit de alt fel și electromagnet, provocând un câmp magnetic puternic. Miezul de fier se introduce bobinei doar în situațiile în care se urmărește intensificarea și direcționarea câmpului magnetic.

Parametrul specific al unei bobine este inductanța (măsurată în henry, H) care este o mărime fizică egală cu raportul dintre fluxul magnetic stabilit printr-un circuit de curentul care trece prin el și intensitatea curentului respectiv.

Când la bornele bobinei se aplică o tensiune electrică, spirele bobinei sunt parcurse de un curent (I) care creează în jurul spirelor un câmp magnetic caracterizat de un flux magnetic (Ф). Inductanța L este raportul dintre fluxul magnetic Ф și curentul I care parcurge bobina conform relației:

Din punct de vedere energetic, bobina acumulează în spațiu dintre spire o energie sub formă de câmp magnetic conform relației:

Inductanța electrică se poate exprima în 2 moduri

în funcție de proprietățile materialului din care este construită bobina (la rece)

unde:

μ – permeabilitatea absolută a materialului miezului bobinei

μ0 – permitivitatea vidului ;

μr – permitivitatea relativă(1, pentru aer)

S – aria secțiunii transversale a bobinei

l – lungimea bobinei

în funcție de valorile mărimilor electrice dintr-un circuit electric (la cald)

unde: Φ – fluxul câmpului magnetic

Ι – curentul electric care străbate spirele bobinei

Fig. Reprezentarea simbolică și sensurile de referință ale unei bobine
În cazul în care elementul este în repaus, tensiunea la bornele unei inductanțe este direct proporțională cu derivata în raport cu timpul a curentului ce o parcurge, multiplicată cu L:

În ceea ce privește puterea la bornele unei bobine, aceasta este dată de produsul tensuinii și al curentullui în funcție de timp:

Sensul puterii la bornele unei bobine, depinde de sensul curentului ce o parcurge și al derivatei acestuia în raport cu timpul; aceasta înseamnă că o inductanță poate absorbi sau furniza energie.

Descrierea procesului și a aparatului experimental

Sistemul de levitație magnetică elaborat prevede controlul câmpului magnetic generat de zece electromagneți destinat levitației unui platou dotat cu magneți permanenți amplasati lateral și la baza acestuia.

Deplasarea platoului pe verticală se datorează câmpului magnetic produs de trei bobine de acționare cu miez de fier mobil (BC) amplasate la baza machetei. Reglarea poziției de acționare a platoului în poziția orizontală se realizează prin intermediul a alte șapte bobine de reglaj (BL) poziționate lateral, așa cum sunt reprezentate în figura de mai jos:

Fig. Schema de principiu a sistemului

În funcție de sensul și intensitatea curentului furnizat bobinelor, poziția platoului poate fi modificată.

Parțile mobile a celor trei bobine de acționare sau rotorii motoarelor sunt fixate sub platou și dotate cu câte opt magneți permanenți.

Magneții permanenți utilizați sunt confecționați dintr-un aliaj tip NdFeB (Neodim-Fier-Bor) și sunt placați cu un strat de nichel, deoarece sunt sensibili la coroziune.

Pentru a asigura o poziție stabilă a platoului am proiectat un circuit de control și comandă pentru fiecare electromagnet.

Poziția verticală a platoului care levitează este măsurată cu ajutorul a trei senzori de tip laser (CH) înserați la baza machetei, iar alții trei servesc la determinarea poziției orizontale (CC) sunt amplasați lateral. Camera introdusă în schema de principiu are scopul de a înregistra pozițiile platoului și a bilei ce urmează a fi poziționată pe acesta, de asemena tratarea imaginilor.

Odată cu conectarea la o sursă de tensiune a bobinelor, câmpul magnetic produs de aceste

Prezentarea generală

Bobine. Caracteristci de funcționare, particularități. Verificare și testare.

Cele zece bobine pe care le-am utilizat la realizarea machetei, au fost create manual din fir de cupru cu grosime diferit în dependență de tipul bobinei:

pentru bobinele de acționare verticală – 1mm;

pentru bobinele de centrare a poziției (laterale) – 0,6mm.

(a) (b)

Fig. Bobine utilizate: (a) bobină de acționare verticală; (b) bobină de centrare

Pentru a determina inductanța bobinelor am verificat tensiunea și curentul într-un circuit RL alimentat în curent alternativ și în curent continuu așa cum este reprezentat în figura de mai jos.

(b)

Fig. Verificarea bobinelor: (a) montajul electric; (b) masurarea parametrilor

Se știe că de obicei valoarea rezistenței unei bobine în curent alternativ este mai mare decât în curent continuu, deoarece în cazul curentului alternativ bobina este supusă unui flux variabil. Ca urmare a variației fluxului, se produce o tensiune electromotoare de autoinducție care se opune tensiunii sursei, deci se manifestă ca o rezistență suplimentară la trecerea curentului alternativ numită reactanță inductivă care se măsoară de asemenea în ohmi.

Fig. Schema de alimentare în curent continuu și alternativ

Reactanța unei bobine poate fi exprimată în funcție de inductanța sa și de pulsața curentului:

unde:

fiind factorul de putere, astfel:

Ansamblul rezistenței R generată de materialul conductorului din care este realizată bobina și reactanța inductivă XL generată de tensiunea electromotoare de autoinducție se numeșe impedanță.

Tableau 2. Paramètres des bobines en courant alternatif

Tableau 3. Paramètres des bobines en courant continuu

Verificarrea acestor parametri mi-a permis aflarea ulterioară a inductanței fiecărei bobini deducând formula:

L = [H]

Calculele au fost realizare prin cu ajutorul programului Matlab, utilizat ca și interfață de calcul.

Tabelul . Valorile obținute ale inductanței

Conform acestor grafice, observăm că valorile inductanței pentru același tip de bobină sunt aproximativ la fel, ceea ce ne permite să luam o valoare identică pentru fiecare tip de bobină: 1,5 [mH] pentru bobinele de acționare și 2,4 [mH] pentru bobinele de centrare.

Prin verificarea inductanței electrice a fiecărei bobini, putem determina capacitatea acestora de a acumula energie magnetică la o anumită valoare a curentului din circuit.

Astfel putem deduce că cu cât valoarea curentului este mai mare, cu atât câmpul magnetic creat este mai puternic respectiv și fenomenul de levitație este mai puternic observându-se mai ușor.

Alimentarea bobinelor.
Proiectarea și realizarea plăcilor electronice.

Schemele funcționare sunt identice pentru ambele tipuri de bobini acestea conținând un regulator analogic de current și o punte în H pentru circuitul de alimentare. Cea mai importantă etapă presupune conectarea și dimensionarea tuturor componentelor utilizate la proiectarea schemelor.

Proiectarea și rutajul circuitului au fost realizate manual cu ajutorul programului ISIS Proteus 8.8 și respective ISIS ARES. Pentru a putea manipula acest software am consultat mai multe surse informaționale învățând individual:

Utilizarea bibliotecilor;

Alegerea componentelor (în cazul nostu componente electronice clasice, nu montate pe suprafață).

Modificarea parametrilor componentelor;

Realizarea rutajului circuitului (rutaj manual);

Simularea și testarea funcționării circuitului proiectat.

Plăcile electronice le-am realizat manual în laboratorul de electronică și electrotehnică al universității. Fabricarea acestora presupune un proces tehnologic complex din mai multe etape, care necesită mult timp, precizie și atenție. Odată fabricate ele au fost verificate și testate.

Realizarea circuitului imprimat. Fabricarea plăcilor.

Există mai multe metode de realizarea a circuitelor imprimate:

Gravaj chimic – proces relativ lung ce impune condiții riguroase de securitate și utilizarea reactivilor toxici, de exemplu reactivi de atac. Calitatea circuitelor imprimate obținute variză în funcție de materialele utilizate, dar în general, această metodă este potrivită pentru fabricarea plăcilor simple sau moderat complexe.

Gravură cu raze ultraviolete – această metodă implică transpunerea circuitului electronic pe placă. Sunt necesare materiale adecvate, care sunt destul de scumpe și nu sunt disponibile peste tot. Cu toate acestea, etapele procesului sunt simple și permit obținerea unor circuite fine și complexe.

Gravaj mecanic – numită uneori și "rutare", această tehnică necesită utilizarea unor mașini speciale care elimină cuprul inutil de pe placă sau creează pasaje între conexiuni. Acest mod de lucru este scump, în ciuda acestui dezavantaj, metoda este potrivită pentru fabricarea mai multor copii ale aceluiași circuit imprimat, iar cardurile obținute sunt de obicei de bună calitate.

Gravarea cu laser – de obicei, această metodă este pusă în aplicare de mari companii industriale și, uneori, de unele universități. Principiul este similar cu cel al gravării mecanice, cu excepția faptului că lucrarea se face printr-un fascicul laser.
      Unele metode necesită echipamente costisitoare, iar deșeurile rezultate din ardere sunt periculoase.

În general metoda de realizarea a circuitelor imprimate este aleasă în funcție de disponibiliatea materialelor și a echipamentelor utilizate în ptocesul de fabricație, dificultățile tehnice și calitatea plăcilor.

Pregătirea plăcilor și realizarea rutajului.

Circuitul schemei de funcționare a plăcilor a fost realizat în programul ISIS ARES prin rutaj manual.

Fig. Rutajul manual al circuitului integrat

După numeroase verificări, circuitul se imprimă cu o imprimantă lase pe hârtie transparentă poroasă, în mod pozitiv sau negativ, în funcție de natura stratului de acoperire fotosensibil al plăcii.
     Insolarea ultravioletă.
Această etapă presupune utilizarea unei imprimante de contact pentru circuitele imprimate. Insolarea permite imprimarea circuitului imprimat pe hartia fotosensibilă, în etapa anterioară, pe placa epoxidă pre-sensibilizată, pentru a putea gravura mai târziu aceste modele.
Imprimanta dată sau insolorul, este una profesională dotată în principal cu tuburi actinice (neon UV), un timer (opțional) și o pompă de vid ceea ce permite un placaj ireproșabil și perfect între hârtia fotosensibilă și placa epoxidă presensibilizată..

Fig. Etapele procesului de insolare

Timpul de insolare este de aproximativ 3 – 4 minute, acesta depinde de transparența și grosimea hârtiei fotosensibile și de numărul tuburilor UV (de preferat mai mute tuburi cu mai puțin spațiu între acestea pentru o radiație UV cât mai omogenă).

Developarea plăcii epoxide presensibilizată după insolare

Această etapă presupune înlăturarea stratului fotosensibil al plăcii prin manipularea substanțelor chimice. Ca și revelator am utilizat o soluție de hidroxid de sodiu sau așa numita sodă caustică.

Temperatura optimă a utilizării acestui produs este între 20 și 24°C. Timpul de developare a cuprului inutil este de ordinul a zeci e secunde până când pe placă rămâne doar circuitul necesar.

Pentru acest proces am utilizat o cuvă din plastic de aproximativ 5 cm adâncime în care am trunat 200 ml de hidroxid de sodiu cum este reprezentat în figura de mai jos.

Fig. Inlăturarea stratului fotosensibil al plăcii epoxid.

Durata de developare a unei plăci obișnuite este de ordinul a câtorva minute, la final placa se trece sub un jet de apă.

Gravarea chimică

Gravarea chimică constă în dizolvarea unei porțiuni de cupru a plăcii de circuite imprimate, indiferent dacă placa este de tip standard sau de tip presensibilizat, prin imersarea plăcii pentru o anumită perioadă de timp într-un produs corosiv numit perclorură de fier FeCl3. Circuitul inutil este înlăturat prin imersarea cu FeCl3. Acest proces durează aproximativ 15 sau 20 minute.
Gravarea este finisată atunci când toate urmele de cupru neradiat dispar.

Fig.10 Mașină de jet cu imersie de perclorură de fier

Tot acest proces trebuie efectuat într-un atelier sau laborator bine aerisit. Este important de menționat că perclorura de fier este o substanță corozivă care poate distruge țesăturile și provoacă răni, iar manipularea acestei substanțe necesită utilizarea unui echipament de protecție pentru a evita accidentele nefaste.

Găurirea

Acest ultim pas presupune forarea găurilor de montare a componentelor electronice, este foarte important să alegeți calibrul bun burghiilor pentru a nu distruge pista circuitului imprimat.

Fig. Forarea găurilor de montare a componentelor electronice

Fig. Circuitul imprimat pe placă în etapa finală

Montarea și sudarea componenteor electronice

Sudarea este o asamblare nedemontabilă între două sau mai multe piese prin încălzire, prin presiune sau prin șoc.

Sudarea prin încălzire este un "adeziv" metalic care ține piesele împreună și formează o conexiune rezistentă ce permite trecerea curentului electric.

Fig. Procesul de sudare al componentelor electronice

Acest procedeu prevede încălzirea simultană a condctorului componentei electronice, a pistei și a cositorului la o temperatură de 395 °C.

Fig. Placa electronică pentru cpmanda motoarelor

Tabel.

O tendință în electronica de putere modernă este utilizarea structurilor de forță care includ dispozitivele semiconductoare din categoria tranzistorului de putere prin intermediul căruia se efectuează comutarea forțată a curenților între ramurile circuitului.

În majoritatea cazurilor, controlul acestor structuri se bazează pe tehnica de modulare a înălțimii pulsului cunoscută sub numele de tehnica de control PWM. Semnalele referitoare la tranzistoarele de putere din structura acestor dispozitive se numesc semnale de control.

Semnalul de comandă este semnalul efectiv aplicat terminalului de comandă al unui dispozitiv de alimentare semiconductor.

Semnalul logic de control PWM este un suport de informații având două niveluri logice: un nivel corespunzător informațiilor de deschidere (ON) și un nivel corespunzător informațiilor de blocare a dispozitivului (OFF). Semnalele logice PWM pot fi generate folosind structuri microelectronice numite modulatoare PWM.     Modulatoarele PWM pot fi implementate cu componente analogice sau digitale, fie cu componente discrete, fie cu circuite integrate specializate. Există variante de circuite specializate capabile să interfațeze cu structuri digitale complexe dedicate controlului anumitor procese.

În acest caz, semnalul de control digital, generat periodic de către sistemul de control după executarea unui algoritm specific, este convertit în unul sau mai multe semnale PWM.

UC3637 este un circuit modulator de lățime a impulsului pentru utilizarea într-o varietate de aplicații PWM cu motor și amplificator care necesită circuite unidirecționale sau bidirecționale de control.

Utilizarea modulatorului PWM pentru a înlocui driverele convenționale, acest circuit poate crește eficiența și reduce costurile componente pentru multe aplicații. Toate circuitele necesare sunt incluse pentru a genera un semnal de eroare analogic și pentru a modula două ieșiri bidirecționale proporționale cu amplitudinea și polaritatea semnalului de eroare.

Pentru funcționarea sistemului au fost definiți următorii parametri:
fp: Frecvență de comutare: 20 kHz
ta: Timp anti-suprapunere: 1 noi
Tensiunea triunghiulară: 8 V

Rezistențele R14, R19 și R23 fac posibilă definirea amplitudinii tensiunii triunghiulare. Pe măsură ce rezistorul R14 este luat între cele două puncte ale tensiunii triunghiulare, tensiunea pe această rezistență va fi:

Deoarece circuitul este alimentat între ± 12 V, scăderea de tensiune pe rezistențele R19 și R23 este:

Prin neglijarea curentului absorbit de circuit, putem spune că curentul este identic în fiecare rezistor. Întrucât există un factor pătratic între tensiuni:

Prin luarea unor rezistențe de normalizare putem deduce:

Care dă pentru tensiunea triunghiulară:

Terminalul Iset se află la potențialul Uh. Acesta definește curentul care va curge în condensatorul C7. Conform fișei de date a componentelor, curentul Iset ar trebui să fie mai mic de 2mA. Prin urmare, este posibilă alegerea rezistenței R24 în valorile normalizate.
Prin alegerea R24 = 24kΩ vine:

Deoarece curentul este constant, tensiunea pe capacitate este liniară, ceea ce va permite să se creeze tensiunea triunghiulară a circuitului.
Deoarece curentul Iset este constant, ecuația tensiunii pe C1 este:

Fig. Tensiunea triunghiulară pe capacitatea C1

Perioada de comutare este:

Timpul de creștere a tensiunii triunghiulare este prin urmare:

Prin reluarea formulei tensiunii, capacitatea va fi în valoare:

Tensiunea pe capacitate fiind:

Deci:

În acest caz se alege o valoare normalizată:

Deoarece timpul anti-suprapunere a fost setat la 1 μs, este posibil să se calculeze ΔU:

Componentele folosite pentru a defini tensiunile A (-) și B (+) sunt rezistențele: R15, R18, R22 și R25

Fig. Principiul timpului anti-suprapunere

Din moment ce ΔU sunt aceleași, aceasta dă următoarele egalități:

Pentru a calcula rezistențele, se va lua punctul de mijloc unde .

Deci:

Astfel rezistențele standardizate dau acest raport:

R15 = 39 kΩ

R18 = 1 kΩ

Platoul. Reglare și Centrare

Platoul este realizat din PVC. Poziționarea pe verticală a acestuia este determinată de cele trei bobine de acționare amplasate la baza machetei. Acest tip de bobine reprezintă niște motoare liniare care odată conectate la o sursă de tensiune produc un câmp magnetic capabil să producă o forță de respingere între magneții permamenți și bobină, în caz contrar levitarea platoului ar fi fost imposibilă.

(b)

Fig Poziția magneților pe platou: punct de vedere de deasupra (a) și dedesubtul platoului (b)

În plus, dacă magneții se apropie de bobină, forța va crește și va împinge tot mai mult ceea ce va menține platoul în centru.

Doar prin alimentarea cu energei electrică a bibinelor, platoul nu se ma ridica. Prin urmare, prin pentru acest principiu magneții se fixează pe placă și pe bobinele la baza machetei. Cu o astfel de configurare, tava este complet liberă. Există doi magneți plasați unul peste celălalt cu polarități inversate.

Prin inversarea curentului în bobină, câmpul se va inversa și va atrage fie magnetul superior, fie cel de jos. Astfel, prin utilizarea unei plăci electronice de comandă pentru fiecare motor, este posibilă reazlizarea acestui fenomen.

Centrarea platoului

Centrarea platoului se realizează datorită forțelor de repulsie create de bobinele laterale, amplasate în jurul platoului. Imaginea următoare demonstrează principiul de funcționare:

Fig. Centrare prin repulsie

În cazul în care platoul este poziționat între bobinele 1 și 2, acestea creează aceleași forții de repulsie asupra platoului, astfel acesta rămâne centrat.

Dacă platoul se apropie de una dintre bobine, de exemplu 1, forța de repulsie a bobinei 1 va crește și forța bobinei 2 va fi mai mică, deoarece distanța crește. Deci, platoul va reveni în centru pentru a echilibra forțele create de bobini.

Pentru a folosi forța ambelor bobine în același timp, a fost dezvoltată următoarea soluție. Conform imaginii de mai sus, atunci când bobina 1 va produce o forță de respingere, automat, bobina 2 va trebui să exercite o forță de atracție.

Astfel se va crea o forță care va mișca platoul de la stânga la dreapta. Pentru a putea folosi acest principiu, este necesar să plasați trei sensori laser destinați măsurării poziției.

Prin utilizarea acestui principiu de centrare, bobinele vor fi cuplate împreună după cum urmează:

Fig. Cuplajul bobinelor de centrare

S-au utilizat senzori de tip Baumer CH-850, care sunt niște aparate de măsură și precizie pentru detecratea obiectelor, pieselor, de asemenea și pentru tratarea și transmisia valorilor măsurate sub formă de mărimi electrice.

Deoarece ieșirea senzorului variază de la 4 la 20 mA, iar intrarea plăcii variază de la 0 la 10 V, valoarea rezistenței este:

R = 10 ÷ 0.02 = 500 Ω

Valoarea normalizată aleasă este de 470 Ω.

La înclinarea platoului, conform figurii de mai jos mărimea este dată de circuitul magnetic.

Fig. Înclinare a platoului

Odată cu înclinarea platoului se va înclina și circuitul magnetic. Aceasta înseamnă că senzorul care măsoară distanța circuitului magnetic are o eroare reprezentată de distanța D din diagramă. Distanța h reprezintă înălțimea de la platoul la care se face măsurarea. Eroarea D pentru a compensa măsurarea este:

D: distanța pentru a compensa măsurarea.
H0: înălțimea h când tava este la înălțimea 0 și nu este înclinată.
HM: înălțimea motorului.
m: panta platoului

Pentru cel de-al treilea senzor care nu măsoară un circuit magnetic ci în punctul P este necesar să se determine înălțimea acestuia, deoarece nu este cunoscută. Conform diagramei de mai jos, putem deduce că înălțimea punctului P este:

Fig.

Valorile mx și my reprezintă panta platoului. Acestea sunt deja cunoscute deoarece sunt utilizate și pentru reglarea înălțimii fiind X: 70 mm. . Y: 24 mm

Fig. Reprezentarea schematică a sistemului de centrare

C1: distanța de măsurare a senzorului 1.
C2: distanța de măsurare a senzorului 2.

C3: distanța de măsurare a senzorului 3.

D1: distanța dintre bobina 5 și magneți.
D2: distanța dintre bobină 6 și magneți.

D3: distanța dintre bobina 7 și magneți.
L1: distanța dintre punctul de măsurare și bobină 1.
L2: distanța dintre punctul de măsurare și bobină 2.

L3: distanța dintre cei doi senzori de măsurare.

Datorită calculului de mai sus, distanțeleC1, C2 și C3 sunt utilizate pentru determinarea oricărei poziții a platoului. Putem determnia distanțele: D1, D2 et D3. Acestea sunt distanțele de referinți atribuite centrării platoului.

Rotația platoului este dată de:

Distanțele fixe, ne afectate de poziția platoului sunt:

Luând în considerare poziția planului, distanțele devin:

Distanțele măsurate sunt:

L1 : 37 mm

L2 : 78 mm

L3 : 173 mm

Concluzii generale

Montarea bobinelor

Bobinele utilizate au fost realizate manual. Odată ce s-au făcut bobinele, a fost necesar să se măsoare inductanța și rezistența lor pentru a putea să modela și să se calculeze regulatorul.

Sa dovedit că, deși bobinele erau realizate manual, parametrii bobinelor de același tip sunt identici.

Asamblarea mecanică

Odată ce s-au realizat bobinele, toate piesele mecanice au fost asamblate. Asamblarea mecanică nu a fost o dificilă, cu condiția că unele piese au fost modificate și refăcute. Odată ce toate piesele au fost asamblate, a fost posibilă conectarea sistemului. Pentru a controla și comanda sistemul s-au elaborat și testat plăcile electronice.

Alimentarea bobinelor

La această etapă a fost necesară sudarea componentelor pe circuitele imprimate și efectuarea măsurătorilor pentru a controla funcționarea plăcilor electronice. Această eroare se datorează faptului că semnalele de ieșire ale modulatorului PWM variază între -12V și + 12V. Ca urmare, semnalul de ieșire are o componentă negativă care provoacă o încălzire asupra tranzistorulir Mosfet. Pentru a remedia acest lucru, a fost necesar să se introducă o diodă suplimentară pentru a elimina partea negativă a semnalului. Celelalte măsuri au arătat că cardul funcționează foarte bine și că comportamentul său corespunde cu ceea ce sa dezvoltat.

Testarea bobinelor

Această parte a proiectului determină curentul maxim care poate fi impus bobinelor. În această secțiune s-au făcut măsurători pentru a găsi rezistența, inductanța și capacitatea termică a bobinelor pentru a putea face un model funcțional.

Progresele tehnologiei din ultimii ani demonstrează că levitația magnetică este o tehnică sigură și fezabilă, promițând un viitor luminos. Acesta va permite exploararea de noi orizonturi, sub rezerva dezvoltării și descoperirii de configurații ale câmpurilor magnetice inedite, dedicate în mod special compensării gravitației.

În urma realizării acesti proiect putem constata că pentru ca un corp să poată levita sunt necesare forțe magnetice capabile să anuleze efectul atracției gravitaționale. Problemele care apar sunt legate însă de stabilitatea corpului care trebuie să leviteze și să se miște în același timp.

Prin simpla deplasare, orice obiect își schimbă poziția în câmpul gravitațional și, din acest motiv, forțele magnetice care acționează asupra lui își modifică tot timpul atât direcția, cât și mărimea. 

Pentru а stаbilizа mișcаrеа unui cоrp aflаt în levitаție sе pot fоlоsi metоde еlеctrоnice dе rеglаrе a câmpului еlеctromаgnetic sаu sе utilizеаză аșа-numitеlе mteriale puternic „diamagnetice”, care prin însăși compoziția lor resping orice câmp magnetic exterior рrin crеаrеа unui câmp propriu dе sеns „оpus”.