La levitazione magnetica ad Experimenta - …

1 Laboratorio di MeccatronicaLaboratorio di MeccatronicaCentro Servizi di Prototipazione del Politecnico di TorinoCentro Servizi di Prototipazione del Politecnico di TorinoLa levitazione magneticaad ExperimentaLa possibilit di sfidare la gravit sospendendo senza contatto o facendo levitare oggettiha da sempre affascinato la fantasia dell uomo. Nel secolo scorso la scoperta deifenomeni elettromagnetici ha aperto nuove strade, e molti inventori e scienziati si sonocimentati con questa nuova sfida: la levitazione magnetica . Sin da allora era chiaro che seera possibile usare forze magnetiche per ottenere la levitazione senza contatto, allo stessotempo era molto difficile garantire la stabilit dell equilibrio. Fu solamente con i progressinel campo della scienza dei controlli automatici e dell elettronica che fu possibilerealizzare sospensioni magnetiche controllate, dotate cio di un sistema di sensori cherilevano la posizione dell oggetto sospeso e di un sistema di controllo in grado di pilotaregli amplificatori di potenza che alimentano gli elettromagneti di sospensione in modo dastabilizzarlo nella posizione voluta.

2 Tali sistemi sono necessariamente attivi in quantonecessitano di una fornitura di potenza dall esternoLa levitazione magnetica oggi una realt , anche se ancora confinata ad alcuneapplicazioni di nicchia; grazie alla sempre maggior potenza di calcolo ed alle continueriduzioni di costo dei sistemi digitali, essa diverr sempre pi competitiva con i sistemiconvenzionali, sia per i mezzi di trasporto (treni a levitazione magnetica ) che per lemacchine rotanti (cuscinetti magnetici).La possibilit di ridurre la resistenza al moto e di aumentare la velocit di rotazionepermette la realizzazione di macchine pi compatte, leggere e soprattutto di ridurre iconsumi energetici. La riduzione delle esigenze di manutenzione potr permettere unariduzione dei costi e l assenza di lubrificanti avr sicuramente vantaggi di tipo Experimenta sono presentidue semplici dimostratori chepermettono di vedere al lavoro iprincipi di base della sospensionemagnetica primo un levitatore ad unasse attivo: un elettromagnete tienesospesa una sfera di materialeferromagnetico, mentre due sensoriottici ne rilevano gli spostamentiverticali.

3 Un sistema di controlloanalogico regola la correntedell elettromagnete per mantenerela sfera in una posizione prefissata. inoltre possibile fornire alsistema una posizione variabile neltempo: il levitatore mantiene ora lapalla non pi in una posizionefissa, ma le fa eseguire oscillazioniverticali di MeccatronicaLaboratorio di MeccatronicaCentro Servizi di Prototipazione del Politecnico di TorinoCentro Servizi di Prototipazione del Politecnico di TorinoBisogna notare che non si tratta di una vera macchina operativa, ma di un dimostratore,realizzato per rendere evidenti i principi di funzionamento della sospensione magneticaattiva dei rotori. Per ottenere una buona efficienza, la distanza tra elettromagneti e rotore (iltraferro) dovrebbe essere circa un decimo di quella qui adottata, cosa che permetterebbe diusare elettromagneti molto pi piccoli.

4 Anche il motore elettrico dovrebbe esseredimensionato diversamente per ottenere una buona efficienza, ma i piccolissimi valori deltraferro impedirebbero una immediata comprensione del funzionamento della macchine sono state realizzate dall Officina Meccanica e dal LaboratorioInterdisciplinare di Meccatronica del Centro di Servizi di Prototipazione del Politecnico diTorino. Il CSPP un centro autonomo, che opera all interno del Politecnico di Torino conlo scopo di fornire un supporto ai Dipartimenti del Politecnico e ad aziende esterne nelcampo della prototipazione di sistemi meccatronici. Dato che la realizzazione di sistemimeccatrionici coinvolge competenze in campo elettronico, meccanico ed automatico, ilCSPP stato recentemente creato a partire da un gruppo di ricercatori provenienti daiDipartimenti di Meccanica, Elettronica, Ingegneria Elettrica ed Automatica e Informatica,insieme con l Officina Meccanica del Politecnico.

5 Le principali aree di attivit del centrosono la progettazione e la realizzazione di sistemi elettromeccanici fortemente integrati(meccatronici) quali i cuscinetti magnetici e i sistemi a levitazione magnetica in generale,gli attuatori magnetici, i sistemi neurali, i sistemi di controllo basati su DSP, le struttureadattative ed intelligenti con attuatori piezoelettrici ed i robot mobili su secondo dimostratore presente ad Experimenta un motore elettrico il cuirotore sospeso mediante un sistema cuscinetti magnetici. Otto elettromagneti disospensione, pilotati da un controllore digitale che riceve a sua voltainformazioni sulla posizione del rotore da quattro sensori ottici, mantengono ilrotore in levitazione , ad una distanza di circa 5 mm dalle loro espansioni motore asincrono, dello stesso tipo di quello realizzato pi di un secolo fa daGalileo Ferraris per dimostrare il principio del campo magnetico rotante, lomantiene in rotazione.

6 Il sistema dotato di due cuscinetti di atterraggio,semplici anelli metallici su cui il rotore si appoggia in caso di mancanza dialimentazione agli magneticaLa possibilit di sfidare la gravit sospendendo o facendo levitare oggetti ha da sempre affascinato la fantasia dell uso di forze magnetiche di attrazione (sospensione magnetica ) o di repulsione ( levitazione magnetica vera e propria) permette direalizzare un supporto senza contatto. Sistemi passivi: non richiedono sistemi di controllo. Sospensione ibrida meccanica- magnetica : stabilizzazione mediante unsistema meccanico; non completamente senza contatto. Sospensione diamagnetica ed a superconduttori: sfrutta le caratteristiche ditali materiali; richiede fortissimi campi magnetici o bassissime temperature. Sospensione elettrodinamica: richiede forti velocit e produce resistenze almoto pi elevate.

7 Usata per il treno a levitazione magnetica giapponese che haraggiunto i 575 km/h. Sospensione con stabilizzazione giroscopica: poco stabile; non utilizzata inapplicazioni pratiche. Sistemi attivi: richiedono un sistema di controllo che mantiene una posizionedi levitazione stabile misurando la posizione e facendo variare il campomagnetico di sospensione. Sospensione parzialmente attiva: sospensione attiva in alcune direzioni epassiva in altre. Sospensione totalmente attiva: pi complessa, ma sfrutta appieno i vantaggidella levitazione magnetica . Il treno a levitazione magnetica Transrapid (cheha raggiunto i 435 km/h) e la pompa turbomolecolare il cui rotore mostratoin figura utilizzano questo due dimostratori esposti ad Experimenta sono stati realizzati dall Officina Meccanicae dal Laboratorio Interdisciplinare di Meccatronica del Centro Servizi di Prototipazione delPolitecnico di Torino.

8 Hanno collaborato alla realizzazione: Nicola Amati, AndreaArgondizza, Eugenio Brusa, Stefano Carabelli, Marcello Chiaberge, Andrea Delmastro,Cristiana Delprete, Giancarlo Genta, Giuseppe Gianolio, Giovanni Griva, EduardoMiranda, Francesco Muraglia, Marco Muzzarelli, Costantino Rocco, Andrea Tonoli, PietroTrocino, Wang Seng applicazioni sono molte, dalla sospensione dei modelli ingalleria del vento all isolamento dalle vibrazioni. Le applicazionipi importanti sono quelle in cui l oggetto sospeso in moto:cuscinetti magnetici per le macchine rotanti e veicoli a : non vi contatto fisico tra parti in movimento, equindi non vi n attrito n possono raggiungere velocit molto elevate e la potenzarichiesta per il moto molto minore di quella che si ha nellesoluzioni convenzionali. L assenza di usura permette diaumentare la durata, riducendo i costi di necessario usare lubrificanti: in molti casi (macchine perl industria alimentare e tessile, impianti a vuoto) i lubrificantisono fonte di vantaggi principali sono quindi il risparmio energetico e lariduzione dell sospensioni magnetiche attive danno al progettista una grandelibert e rendono possibili soluzioni impensabili con letecnologie a levitazione magnetica .

9 Sistema completamente attivo Autovettura Maglev Consumi energetici di alcuni mezzi di sospensione di un corpo ferromagnetico o di un magnete permanente in un campomagnetico costante instabile (teorema di Ernshaw). Per ovviare a tale instabilit possibilericorrere a varie configurazioniRotore di pompa turbomolecolare su sospensione sistema Maglev commerciale (Birmingham).Levitatore magneticoIl levitatore magnetico realizza il principio dellasospensione magnetica totalmente attiva: tutta la forzanecessaria a sospendere la sfera sviluppata da elettromagnete sviluppa una forza che cresce al cresceredella corrente che scorre nella bobina e diminuisce alcrescere della distanza rispetto all oggetto da la corrente costante, l elettromagnete si comporta comeuna normale calamita: fino ad una certa distanza la sferametallica viene attratta e tende ad appiccicarsi alla calamitamentre per distanze superiori l attrazione non sufficiente ela sfera cade.

10 E quello che viene detto un sistema mantenere stabilmente la sfera ad una distanzaprefissata necessario variare opportunamente la correntedell elettromagnete: se la sfera si allontana occorrerapidamente aumentarla, se si avvicina occorre aggiustamento della corrente deve per essereripetuto almeno un centinaio di volte ogni secondo. Da ci la necessit che tale controllo sia automatizzato conl impiego dell sistema di controllo confronta ilvalore richiesto dal valore misuratodella posizione della sfera e generail segnale di comando che far crescere o diminuire la correntenella amplicatore di potenzatrasforma il segnale dicomando in una correnteimposta nella bobinadell elettromagnete sviluppala forza che sospende sensore ottico fornisce unsegnale che dipende dallaposizione della sfera rispetto allacoppia elettronica di condizionamento delsensore ottico fornisce un segnaleproporzionale alla distanza della sferarispetto all volta stabilizzata la sospensione magnetica permezzo del sistema di controllo automatico possibilevariare la posizione della sfera facendole compiere unmovimento la sospensione magnetica permette di variareattivamente la sua