Diseño y construcción de un levitador magnético

Abstract

La levitación magnética es un campo de investigación emergente que incorpora en su estudio numerosas herramientas del campo de la ingeniería. Como se aprecia en el título, este proyecto consiste en el diseño de un levitador magnético con la posterior implementación de los diseños en un modelo físico.

Un levitador magnético es un dispositivo capaz de mantener una carga magnética en suspensión en un rango de alturas determinado. El funcionamiento del levitador es el siguiente: se le aplica tensión a un electroimán, apareciendo una corriente, esta corriente genera un campo magnético y este campo provoca una fuerza vertical en la carga que contrarresta su peso. A partir de un control en lazo cerrado se puede generar la tensión adecuada en cada momento para que la carga se mantenga en una posición determinada.

La levitación magnética tiene numerosas aplicaciones a nivel industrial. Un ejemplo son los reactores nucleares de fisión donde las elevadas temperaturas no permiten que ningún recipiente contenga el plasma, con la consiguiente necesidad de mantenerlo levitando. Otra aplicación práctica son los trenes de levitación magnética, como el tren MagLev, o el Hyperloop One, de Space X.

Este proyecto consiste en el diseño del dispositivo con un énfasis en el control, que se implementará en un microcontrolador Raspberry Pi a través del entorno de Matlab/ Simulink. Una vez diseñado se especificarán los distintos retos que depara la implementación física, así como sus respectivas soluciones.

Magnetic levitation is an emerging field that involves the use of many tools and applications within the engineering environment. As the title of this paper suggests this Project covers both the design and construction of a magnetic levitation device, with it´s corresponding control system.

A magnetic levitator is a device which is capable of sustaining a certain magnetic load suspending in the air in a certain height. This device operates by applying voltage to an electromagnet, which creates a magnetic field proportional to its current. This magnetic field induces a vertical force in the load, opposite to the direction of gravity, which balances its weight. With a closed loop control system we can generate the appropriate voltage in order to maintain the load at a certain height.

Magnetic levitation can be applied in many industrial applications. A good example is the use of this technology in nuclear fusion reactors, where the high plasma temperatures make it impossible to confine it in a closed recipient. Another practical application is the magnetic levitation trains, like MagLev, or Hyperloop One, from Space X.

In this project the design of the whole device is covered, with a particular emphasis in control, which will be implemented in a Raspberry Pi trough the MATLAB/Simulink environment. Once designed, the challenges that physical implementation involves will be described, as well as its corresponding management.