Magneetzweeftrein DEF Groepje 33

We hebben een magneettrein ontworpen die blijft zweven boven de baan, zonder supergeleiders of stikstof. Om dit te bereiken hebben we een baan en trein met afstotende permanente magneten ontworpen. De trein wordt aangedreven door een systeem van kleine elektromagneten boven op de baan die aan gaan wanneer de trein de straal van een infraroodsensor doorbreekt. Deze magneten stoten de trein dan af waardoor hij begint te bewegen.

Dit project is niet helemaal gelukt zoals we het wilden. Veel dingen in ons proces vielen tegen. De permanente magneten die we besteld hadden zijn nooit aangekomen. Dit zorgde ervoor dat eigenlijk ons hele project in het water viel. Als alternatief hebben wij nu één stuk van de baan, van de eerste naar de tweede elektromagneet, gemaakt. In theorie (en praktijk) is ons design uit te breiden naar een hele baan van twaalf stukken. Daarom hebben we de instructable (inclusief de materialenlijst) hieronder ook beschreven als voor de hele baan.

Dit project is gemaakt door Luuk Bax, Guus Alberts en Timon Evers voor het vak Design Engineering voor Fysici, aan de TU Delft in 2025.

Materialen Trein en Baan

1. 98x permanente blokmagneten (10x5x3mm, N45 neodymium)
2. ~275g PLA plastic (of ander geschikt plastic voor 3D printen).
3. ~63m koperdraad met diameter 0.22mm
4. ducttape
5. de 3D print bestanden van de baan en trein (zie stap 1).

Electronica

1. Arduino Uno arduino.cc
2. dubbele relaiseenheid.
3. 12x breakbeam sensor.
4. breadboard en bijbehorende draden.
5. krimpkousen.
6. Zelfgemaakte electromagneten

Tools

1. 3D-printer.
2. schuurpapier / vijl.
3. spoelen wikkelaar.
4. soldeerbout en soldeertin.

We beginnen dit project met het 3D-printen van de onderdelen. Wij hebben geprint met een Creality Ender 3 V3 SE.

Nodig zijn: twaalf keer het bestand van de baan en beide spoelen, en één keer de trein. Als je printer geen goede bridging heeft is het voor de baan handig om supports aan te zetten zodat de groef waar de magneten in gedrukt kunnen worden goed print. Wat betreft de trein, daar zijn supports 100% nodig. Na het printen raden we aan alle onderdelen goed te schuren zodat enige imperfecties eruit zijn. Dit helpt ook om de wrijving te verminderen. Als alles geprint en geschuurd is kun je door naar stap 2.

Wij wikkelden onze spoelen met een oude machine, eigendom van de TU Delft. We hebben koperdraad gebruikt van een diameter van 0.22 millimeter. Met deze machine en deze dikte kregen wij per spoel met gemak minstens 1200 windingen op elke spoel.

Om de elektromagneten aan te kunnen sluiten aan de arduino en haar onderdelen hebben wij de uiteinden van de spoel gesoldeerd aan een draadje van de arduino. Solderen is gedaan met de bout op 400 graden. Ook hebben we een speciaal soort flux gebruikt dat de isolatielaag van het koperdraad weghaalt. Na het solderen hebben we een krimpkousje om het gesoldeerde gebied gedaan om het te isoleren en zo een stukje veiliger te maken.

Als de elektromagneten af zijn kan je deze even testen met een ohmmeter. Dan kan je gelijk zien wat de weerstand van je spoel is. Bij ons was dat ~40 Ohm. Dat betekent dat er bij 20V een stroom van 0.5A zou lopen. Volgens onze berekeningen zou dat genoeg moeten zijn.

Echter; onze elektromagneten bleken niet sterk genoeg om bij lage voltages (<20 Volt) genoeg voorstuwing te krijgen. Onze magneten runnen dus op 31 Volt. Hier moet je voorzichtig mee omgaan. De spoelen worden warm, en bij te veel stroom kunnen ze doorbranden.

Als je de elektromagneten gereed hebt en deze hebt gesoldeerd aan arduino draadjes kun je door naar de volgende stap.

Het circuit heeft 2 delen. Het eerste deel is de aansturing.

Aansturing:

Voor de aansturing zijn er break beam sensoren nodig. Die sluit je aan op de arduino zodat die stroom krijgt om het infrarood te laten werken en een aansluiting op een van de input pins voor de arduino. Hiermee kan je meten wanneer de lichtstraal is verbrokken tussen de 2 delen van de sensor en een output geven. Deze output wordt opgenomen door de arduino en die arduino stuurt een signaal door naar de dubbele relais. Deze zijn zo aangesloten (zie bijlage) dat als er nr1 aan staat en nr2 niet er een stroom doorheen gaat. Zodra nr1 dan uit staat en nr2 aan wisselt de polariteit van de stroom. Dit aan en uit schakelen wordt gereged via de arduino en bijbehorende code. Als ze allebei aan staan loopt er geen stroom doorheen.

Het tweede deel is het magneten deel. Deze heeft een losse voeding die sterk is om de electromagneten goed te laten werken. De magneten zitten allemaal parallel aangesloten op het circuit. De magneten zitten alleen om de beurt met een omgekeerde polariteit. Dit is nodig voor de voortstuwing van de trein. De ene magneet trekt aan, de andere stoot af, Dit is voor extra kracht. de sensoren zitten voor elke electromagneet. Als de trein een sensor triggert, geeft de sensor een signaal af naar de arduino en zorgt de arduino dat eerst voor een korte tijd de magneten uit staan zodat de trein een klein stukje door zweeft, net voorbij het midden van de electromagneet. Dan gaat de polarisatie switch in en stoot de magneet de trein af, i.p.v. dat de magneet net de trein aan trok. De volgende magneet trekt de trein ook weer aan. Dan begint het process weer opnieuw. Dit gebeurt 12 keer in 1 volledige ronde van de baan.

Hoe maak je het circuit?

We beginnen met het arduino deel.

pak een breadboard en een arduino. sluit een rode draad aan vanaf de 5V-pin naar de + pin in het breadboard en sluit een zwarte draad aan tussen de GND-pin en de - pin van het breadboard. je hebt nu de power supply voor de Break beam sensoren dus je sluit de rode en zwarte draden van de sensoren aan op de + en - van het breadboard, respectievelijk. vervolgens pak je een groene of gele draad. Dit zijn de kleuren voor het input/output circuit. Sluit een draad aan op pin 12 en laat die naar de andere - pin van het breadboard gaan, zodat die niet interfereert met de voeding voor de sensoren. sluit vervolgens alle witte draden van de sensoren aan op de - rij van pins die aangesloten zijn op de pin 12. We hebben nu de sensoren correct aangesloten.

Nu gaan we door naar de 2 relais. De Vcc en de Gnd sluiten we weer aan op het breadboard, overeenkomend met de 5V en Gnd van de arduino. vervolgens hebben we pin 2 en 3 nodig en die sluit je aan op de In 1 en In 2 van de 2 relais, respectievelijk. Dit is het aansturing circuit van de relais. De 2 relais hebben allebei een NO NC en COM. de NO is de kant waar het schakelaartje niet automatisch naartoe staat. De NC is de kant waar het schakelaartje automatisch naartoe staat. De COM is de middelste aansluiting. Sluit een kort draadje aan van de NO van relais 1 naar de NO van relais 2 en ook een kort draadje van NC naar NC. Dan hebben we nog een aansluiting van beide COM's en de NC en NO van relais 1 naar een ander breadboard. Dit wordt het breadboard van het magneten deel.

Het magneten deel.

De 2 draden van allebei de COM's gaan naar de + en - van het magneten breadboard. de 2 draden van de NO en NC van relais 1 gaan naar ook naar de + en - van het magneten breadboard. De polariteit switch is nu af. we sluiten de magneten vervolgens aan op de + en - rij van het magneten breadboard, die aangesloten is op de polariteit switch. zorg ervoor dat de + en - kant van de magneten omstebeurt wisselt zodat de magneten in de baan aan staan als: N - Z - N -Z.

We hebben nu het elektrisch circuit, als het goed is, correct aangesloten. test nu het circuit uit door een van de sensor een output te laten geven en te checken of de magneten daadwerkelijk van polariteit wisselen.

Deze code moet je uploaden op je arduino. Dit doe je door de Arduino IDE software en de code hieronder te downloaden, naar je bestanden te gaan, om vervolgens in je bestanden onze code te openen. Deze wordt dan gelijk geopend in Arduino IDE. Plug je arduino in je computer met een kabel. In je Arduino programma zie linksboven je code een knop waar je je port kan kiezen. Kies vervolgens de port die overeen komt met de port waarin je arduino zit. Upload nu de code naar je arduino en je arduino is nu gereed als het uploaden voltooid is. Dit wordt aangegeven op je computer. Test nu de code uit en check of alles goed is aangesloten.

Als je alle stappen 1 t/m 4 hebt gevolgd is het tijd om het geheel in elkaar te zetten.

Als eerste de trein. Er zitten twee gaten in voor de blokmagneten. Gebruik een beetje lijm om deze in de trein te bevestigen. Als het goed is zit het oppervlak van de magneten flush met het oppervlak van de trein.

Nu de baan. Begin met de blokmagneetjes in de baan duwen. Er moeten acht magneetjes per baanstukje. De baan heeft ook acht 'segmenten' van rechte stukken. In totaal gebruik je dus 96 Deze passen met een pressure fit, dus het kan best een karweitje zijn om ze erin te duwen. Ondanks dat het een pressure fit is, is het geen slecht idee om een beetje lijm te gebruiken. Als je er moeite mee hebt om de magneten dicht bij elkaar te krijgen raden we aan om een tangetje te gebruiken. Als de magneet op een poot van de tang zit kan je de andere onder de baan doen. Dan alleen nog knijpen om de magneet erin te krijgen ;).

Dan gaan we door naar de sensoren. De baan heeft aan de binnenkant gaten in de wand. Daarin moeten de sensoren, eentje binnen (onder de baan) en eentje buiten. De magneten moeten net iets na de IR stralen op de baan worden gemonteerd, dit kan eventueel met lijm. zorg ervoor dat er een ruimte tussen de sensor en magneet zit, zodat de code de tijd heeft om de magneet uit te zetten en op tijd van polariteit de verwisselen. verder: zorg ervoor dat alle kabel geordend zijn en dat ze per deel vast aan elkaar zitten met tape of een tie-wrap. Hiermee kan je het elektrisch circuit in het midden van de baan laten en de kabels netjes wegwerken onder de baan of langs de baan. Hierdoor voorkomen een warboel van kabels en dus eventueel kortsluiting.

Als laatste installeren we de elektromagneten. Het is het handigst om de draadjes van de elektromagneet door de gaatjes in de baan te halen. Dan kan je de kabels op dezelfde manier managen als die van de sensoren. Als de kabels goed zitten plak je de elektromagneten vast op de baan. Wij raden aan dit eerst met tape te doen en later pas te lijmen als je zeker weet dat de plaats goed is.

Als je tot nu toe alle stappen hebt gevolgd ben je klaar en heb je een werkende magneettrein!

Dit project is nu klaar, en we hebben wel veel geleerd. Als we dit project opnieuw zouden doen zouden we de volgende dingen anders doen:

Elektromagneten. De elektromagneten waren te zwak voor wat wij ermee wilden doen. Door in het design meer rekening te houden met grotere elektromagneten, door bijvoorbeeld een bredere baan of een inset in de baan waar de elektromagneet in past, hadden we meer kracht uit de elektromagneten kunnen krijgen en dus een betrouwbaarder eindresultaat. Ook hadden we een ferromagnetische kern uit kunnen zoeken om het veld van de elektromagneten meer te concentreren en te richten.

Wrijving. De sterkte van de elektromagneten had niet uitgemaakt als er geen wrijving was geweest. Helemaal geen wrijving is natuurlijk niet haalbaar, maar we hadden iets meer ruimte tussen de poten van de trein en de baan kunnen laten, zodat hij de baan alleen aanraakt als het écht nodig is om te sturen. De trade-off hiervan is helaas dat de trein minder stabiel is. Of we hadden een materiaal zoals teflon tape of pootjes kunnen gebruiken aan de binnenkant van de trein. Sommige computermuizen gebruiken dat om minder frictie te veroorzaken met het bureau.

Magneten. Hoewel het voor deze specifieke opdracht niet lekker in ons budget paste, waren grotere magneten toch handiger geweest. Het ontwerpen van een stabiele baan is een stukje makkelijker op grotere schaal, en de elektromagneten hadden een stuk groter kunnen zijn als de baan breder was geweest.

Kortom, er is nog genoeg om te verbeteren aan dit project, en met een paar weken extra was er vast iets veel mooiers uit gekomen.