Levitation - Sheydin Design

N
Elektromagnetische Levitation
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S
Regelkreis: Ein in
sich geschlossener
Wirkungsablauf für
die Beeinflussung
einer physikalischen
Größe in einem
technischen Prozess.
Abb. 52: Schwebender
Globus
Ein Thermostat ist ein
bekanntes Beispiel
eines solchen Regelkreises,
welcher die
Temperatur abstastet
und entsprechend der
Einstellung regelt.
3.9. Aktive Feldregelung
Durch die Erfassung der Position des levitierenden Körpers mit Sensoren
können die Regelkreise das Feld so anpassen, dass Störungen ausgeglichen
werden. Dieses Verfahren ist mit verschiedenen Methoden
realisierbar. In großem Maßstab wird das Verfahren bisher nur bei der
Magnetschwebebahn eingesetzt.
Das Konzept des Feedbacks wird bei den meisten industriellen Anwendungen
für magnetische Levitation verwendet. Der schwebende Globus
demonstriert die Effektivität der Funktionsweise. Normalerweise
beinhalten solche schwebenden Globen jeweils ein Magnet am Nordund
am Südpol. Über dem Globus befindet sich eine armartige Vorrichtung
mit Kontakt zur unteren Basis. Am oberen Teil dieses Armes wird
eine anziehende Kraft produziert, die den Globus am Nordpol »festhält«.
Diese Kraft entspricht der Abwärtskraft des Globus, verursacht durch
sein Gewicht. Das Gleichgewicht dieser Kräfte ermöglicht die kontaktfreie
Levitation.
Das Geheimnis der stabilen Levitation ist ein Elektromagnet,
der mehrmals in der Sekunde variiert. Ist der Globus
im Begriff unterhalb des Gleichgewichts zu fallen,
wird der elektrische Strom erhöht, somit das Magnetfeld
intensiviert und der Globus so nach oben gezogen.
Steigt der Globus aufwärts, wird die Spannung reduziert
und das magnetische Kraftfeld lässt nach. 75 Das Gleichgewicht
wird mit der Rückstellkraft bewerkstelligt. Für
die Feststellung, ob der Globus über- oder unterhalb des
Gleichgewichtes befindet, ist ein Positionssensor zuständig.
76 Die Position wird an den Elektromagneten mittels
einer Rückkopplungsschaltung realisiert, in welcher das Gleichgewicht
einprogrammiert ist. Systeme, welche den »Output« (in diesem Fall die
vertikale Position des Globus) an den »Input« zurückführen, nennt man
Regelkreise. 77 Solche Regelkreise tasten mehrfach die Position ab und
halten den Globus am Schweben.
Man kann prinzipiell beliebige Gegenstände zu schweben bringen, vorausgesetzt
sie beinhalten einen Magneten.
Der Positionssensor ist meistens ein Hall-Sensor, welcher sich über
dem Objekt befindet und die Feldstärke abgetastet. 78 Es gibt auch andere
Sensoren, welche die Position des Objekts ermitteln, z.B. optische
Sensoren in Form eines unsichtbaren Infrarot-Strahls. Das Problem des
Infrarot-Sensors im Gegensatz zum Hall-Sensor ist unterbrochen wird,
dass er nicht robust gegen eine simple Verdeckung ist, z.B. wenn eine
Hand dazwischen gehalten wird.
Hall-Sensoren und optische Sensoren sind zur Steuerung magnetischer
Levitation am meisten verbreitet. Neben ihnen gibt es noch kapazitive
und induktive Sensoren, die auf den Eigenschaften elektrischer Bauelemente
basieren und Wirbelstrom-Sensoren, die den induzierten Strom
in Leitern messen. 79
Elektromagnete können ihre magnetische Feldstärke durch die Intensität
des Stroms wechseln und sind damit die Basis für Feedback-basierte
magnetische Levitation.
Es sind auch schwebende Globen auf dem Markt, die
alle elektromagnetischen Komponenten, die für stabile
Levitation notwendig sind, im gewölbten Untersatz beinhalten.
Es basiert auf derselben Physik und hat einen
ähnlichen Regelkreis inne. Dabei wird anstelle eines anziehenden
Felds im vorigen Beispiel eine abstoßende
Kraft entgegengesetzt. Die fehlende Arm-Vorrichtung
intensiviert den »magischen Effekt« und die ästhetische
Erscheinung.
Abb. 53: Levitron
Ion AG Globus mit
der Möglichkeit zur
Rotation
75 vgl. Livingston:2011vh, S.121
76 vgl. ebd.
77 vgl. ebd.
78 vgl. Livingston 2011, S.124
79 vgl. Livingston 2011, S.125