Conception d’un système de lévitation magnétique

Projet de remise à niveau mené au cours de la 3ème année en Spécialité Informatique Industrielle à Polytech’Tours (2012-2013) par :

Benjamin PATTE  benjamin.patte@etu.univ-tours.fr
Pierre LESPAGNOL pierre.lespagnol@etu.univ-tours.fr

Le but du projet est de réaliser une maquette électronique qui puisse réaliser la lévitation d’un petit objet. Dans notre cas, le système fera léviter une balle de ping-pong.

En concertation avec notre encadrant et au vu nos compétences très limitées dans le domaine de l’électronique, il a été défini les objectifs suivants :

  • Étude et compréhension du système (schéma électronique)
  • Commande des composants électroniques
  • Réalisation d’un prototype fonctionnel (optionnel)

Ce projet a été pour nous l’occasion d’entrer dans le monde de l’électronique avec un projet très intéressant et ludique, ce qui est pour nous une source de motivation vers un résultat fonctionnel.

[…]
Le principe de la lévitation magnétique

Avant de plonger dans le cœur de l’électronique qui va constituer notre système, il faut tout d’abord comprendre comment une balle de ping-pong peut léviter dans l’air.
Le principe de lévitation magnétique est en fait très simple, il s’agit de d’utiliser le champ magnétique crée par une bobine alimentée en courant.

La balle, dans les conditions normales, est soumise à une unique force qui est son propre poids (masse de la balle * 9,81). Cette force a pour effet d’attirer la balle vers le sol.

Pour compenser cette force, on va utiliser le champ magnétique créé par la bobine. Cette force va agir dans le sens inverse du poids et attirer la balle vers la bobine.

On a placé dans la balle un petit aimant de ferrite afin que la balle soit sensible au champ magnétique.

Dans ce cas de figure, la balle viendra se coller à la bobine. Il faut trouver une solution pour stabiliser la balle de ping-pong.

Le principe de cette stabilisation est également très simple :

  • Si la balle tombe, on l’attire vers la bobine
  • Si la balle monte, on la laisse retomber

Concrètement, pour attirer la balle, on va faire passer du courant dans la bobine : on crée un champ magnétique. Pour faire tomber la balle, nous n’alimentons plus la bobine (plus de champ magnétique) : la balle tombe.

Cela parait donc simple de maintenir la balle en lévitation. Cependant l’étude énergétique de ce
système (balle + bobine) montre que le point d’équilibre est énergétiquement instable. Le maintien en lévitation revient donc à vouloir faire tenir une balle au sommet d’une montagne (voir figure) ou alors faire tenir un crayon sur sa pointe. Pour effectuer cette stabilisation, nous allons utiliser un asservissement.

Pour ce faire nous allons utiliser un faisceau infrarouge pour éclairer une photodiode. C’est l’éclairement de celle-ci qui fixe la valeur du courant I.

Voici les étapes les étapes de l’asservissement :

  • La balle ne coupe pas le faisceau
  • On alimente la bobine : la balle remonte
  • La balle coupe le faisceau
  • On n’alimente plus la bobine : la balle retombe

[…]

En conclusion dans ce projet, nous avons donc pu atteindre plusieurs de nos objectifs, comme :

  • L’étude et la compréhension du système (schéma électronique)
  • La commande des composants électroniques
  • La réalisation d’un prototype (même s’il n’est pas fonctionnel)

Nous avons pu apprendre et/ou revoir certaines notions importantes de l’électronique, même si certaines notions ne sont pas encore très claires, certaines ont pu être acquises.

On a pu voir qu’il faut faire plus attention lorsque l’on commande des composants, faire attention à prendre le bon type (pas du CMS) et le bon composant qui pourra être utilisé dans le montage électronique.

Pour finir, on a pu voir comment débuguer une maquette électronique qui ne marche pas. Malgré que nous n’ayons pas pu arriver à un résultat fonctionnel, on sait aujourd’hui pourquoi une partie du montage ne marche pas.

Télécharger le rapport

Le sujet de lévitation magnétique a été repris par un autre binôme (Maxime Ziegler et Thomas Lacouture) pour les projets de mise en oeuvre en électronique de fin d’année. Retrouvez dans un prochain billet la suite de ce projet …

 

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