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 2.1 Mendocino........................................ 3 2.2 První konstrukce..................................... 3 3 Motor 4 3.1 Základní konstrukce................................... 4 3.2 Pohon rotoru....................................... 5 3.3 Tlumení.......................................... 6 4 M ení 6 5 Záv r 7 2
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 Teorie 2.1 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 fotograi, 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 Motor 3.1 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: ƒást 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