¿Cómo hacer el electroimán de un levitador magnético?

Estamos hablando aquí de electroimán de barra de CC. Brevemente, hay dos tareas en el diseño de electroimanes. El primero es obtener una fuerza magnética específica y el segundo evitar el sobrecalentamiento de la bobina.

Las ecuaciones básicas necesarias para las propiedades magnéticas de los electroimanes son

1. Densidad de flujo magnético

2. Flujo magnético

3. Intensidad del campo magnético

4. Fuerza magnetomotriz en el entrehierro

Primer intento

El diámetro del núcleo que puede suspender un 30 gr. batería a una distancia de -digamos- 17 mm del polo del electroimán, no debe tener menos de 7 mm de diámetro (en saturación). Por lo tanto, un núcleo con un diámetro de 10 mm es una opción segura. Este núcleo tiene una capacidad de fuerza de retención de aproximadamente 4,5 Kgr cuando está saturado (es decir, 1,6 T).

El mejor material para el núcleo es el "hierro forjado" o "hierro magnético". Tienen alta permeabilidad y no tienen magnetismo residual. Si no tiene acceso a estos materiales, puede utilizar pernos de acero serie 400. Y mejor aún puedes cocinarlos en su punto Curie (al menos 10min) y dejarlos enfriar a un ritmo muy lento. Un perno de 10 mm tiene una cabeza (poste) de alrededor de 15 mm. La longitud de nuestro núcleo (y la bobina en consecuencia) juega dos roles: primero extiende las líneas magnéticas (ok se vuelve muy débil antes de regresar al otro polo) y segundo aumenta la superficie exterior, ayudando a la convección y evitando el sobrecalentamiento de la bobina. Seleccionemos una longitud de 8 cm.

La sección transversal del poste es de 1.767 cm^2 y la masa a levitar es de alrededor de 0,3N. Entonces, la densidad de flujo magnético requerida es 0.0650Wb / m ^ 2 (¡lejos de la saturación!). El flujo magnético total en el área del núcleo será de 0,0000114 Wb, que es el mismo para el espacio, y la intensidad del campo magnético será de alrededor de 51 500 AT/m. Por lo tanto, el mmf en el espacio de 17 mm es de alrededor de 875 AT. Por lo que la fuerza de elevación final de este electroimán será de 0,45Kgr.

Ahora bien, si llenamos una bobina de 8 cm de largo con una profundidad de bobinado de 0,8 cm y fijamos la temperatura final de la bobina a menos de 60 °C, usando un alambre magnético AWG 24 (alrededor de 2000 vueltas en 14 leyes), entonces tendremos un electroimán con una FMM de alrededor de 960 AT y todo ello producido por una corriente de unos 500mA.

Os dejo a vosotros la optimización de este electroimán así como el cálculo de la inductancia y resistencia de la bobina, la longitud del hilo (conocido como longitud media de vuelta), el peso del hilo y finalmente el coste.