Jugend-forscht Langfassung Magnetbahn 2006/2007

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Kategorie: Dokumentation
Veröffentlichungsdatum Geschrieben von Mats Marcus

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Hilden, den 8.1.2007

Teilnehmer:  Fabian Preiss
Betreuender Lehrer: Herr Dr. Johann Pleschinger

Kurzfassung

Viele Menschen sind von der komplexen Technik des Transrapids oder einer Magnetbahn fasziniert. Insbesondere der Transrapid ist ein Meilenstein der technischen Errungenschaften; nahezu lautlos schwebt dieses atemberaubende Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von bis zu über 400km/h seinem Ziel entgegen und benötigt dennoch wesentlich weniger Energie, als ein ICE oder ein Flugzeug. Ich habe dies zum Anlass genommen eine eigene Magnetbahn zu entwickeln, bei der die Antriebsmagnete effektiv genutzt werden können. Um ein möglichst eigenständiges System zu entwickeln war es mir wichtig auf Informationsmaterial über die Funktionsweise anderer Magnetbahnen zu verzichten.
Mein Vorhaben habe ich innerhalb von vier Entwicklungsstufen umgesetzt, dabei habe ich zu der Konstruktion ein dreidimensionales Modell erstellt, um auch schwer einsehbare Bereiche am Computer sichtbar machen zu können. Mir ist es bei der Magnetbahn auch gelungen, dass die Antriebsmagnete ihre Polung ändern und somit das Fahrzeug sowohl abstoßen als auch anziehen können, derzeit benötigt dieses System allerdings zwei Stromquellen.
Nachdem ich die Magnetbahn vollständig fertig gestellt hatte erreichte das Fahrzeug bereits mit 12 Elektromagneten auf einer Strecke von 85cm eine beachtliche Geschwindigkeit von 9km/h. Über Reed-Relais wird das Fahrzeug von der Strecke lokalisiert und die entsprechenden Antriebsmagnete werden eingeschaltet, auf eine Computergesteuerte Elektronik kann bei diesem System verzichtet werden.

Gliederung:

1.  Einleitung

1.1   Wie das Projekt entstand
1.2   Ziele des Projektes
1.3   Stand der Informationsmaterialien und der verwendeten Technik

2.  Entwicklung und Umsetzung

2.1   Funktionsweisen einiger Magnetbahnen
2.2   verwendete Bauelemente

2.2.1   Magnete
2.2.2   Reed Relais
2.2.3   Relais
2.2.4   Dioden

2.3   Zwischenschritte in der Entwicklungsphase
2.4   Vorgehensweisen bei der Konstruktion

2.4.1   Grundlagen der 3d-Darstellung

2.5   Probleme bei dem Projekt
2.6   Fertige Anbringung der Komponenten

3.  Untersuchungen und Weiterentwicklungen

3.1   Versuche an der fertigen Bahn
3.2   Ansätze und Ideen zur Weiterentwicklung
3.3   Unterschiede zu der Magnetbahn des Mönchengladbacher Teams

4.   Diskussionen

4.1   Weitere Verwendungsmöglichkeiten dieser Entwicklung und Zukunft
4.2   Vor und Nachteile

 

5.   Quellenverzeichnis
6.   Danksagung

 

1.Einleitung

1.1. Wie das Projekt entstand

Schon immer war ich von Technik begeistert, ich wollte meistens mehr, als sie nur zu bestaunen, ich wollte sie verstehen. In der Physik-AG hatten wir uns schon seit einiger Zeit als Ziel gesetzt eine Magnetbahn zu bauen, allerdings hielt unser betreuender Lehrer die Idee zunächst nicht für umsetzbar. Neuen Aufschwung bekam das ganze, als wir zu Besuch beim Landeswettbewerb von Jugend Forscht waren, dort hat es ein dreiköpfiges Team geschafft eine kleine Rundbahn zu bauen, auf der ein Fahrzeuge computergesteuert langsam der Spur folgte. Mich hat dies dazu inspiriert eine eigene Magnetbahn zu entwickeln, die grundlegend anders funktionieren sollte.

1.2.   Ziele des Projektes

Ich wollte eine Magnetbahn bauen, die es in dieser Form vermutlich kein zweites Mal gibt, aus diesem Grund habe ich mich dazu entschlossen bei der Planung auf Informationsmaterial über bereits funktionierende Bahnen vollständig zu verzichten um eigene Ideen zu verwirklichen, damit nicht die Ideen anderer einfach nachgebaut werden. Die Bahn sollte nach Möglichkeit schneller sein, als die computergesteuerte des Jugend Forscht Teams aus dem letzten Jahr und von jeder Position auf der Strecke aus anfahren können. Die Antriebsmagnete sollten voll ausgenutzt werden, indem sie den Wagen sowohl anziehen, als auch abstoßen können. Später habe ich mir Gedanken dazu gemacht, wie es möglich wäre, mehrere Wagons gleichzeitig auf der Strecke fahren zu lassen.  Mit der Eigenentwicklung wollte ich diese komplizierte Technik nicht nur begreifen, sondern von Grund auf verstehen. Zur Veranschaulichung der Technik wollte ich die Bahn mit einer 3d-Mesh 3Dimensional darstellen.

1.3    Stand der Informationsmaterialien und der verwendeten Technik

(nicht stark umfassend)
Für die 3D-Mesh habe ich mir das Programm Milkshape gekauft. Es handelt sich dabei um ein 3D-Modellierungswerkzeug, welches in der Lage ist dreidimensionale Szenen zu erstellen, zudem beherrscht es grundlegende Funktionen zu denen das animieren und texturieren der Meshs gehört. Photorealistische Darstellungen kann dieses Programm leider nicht rendern (erstellen).

2.   Entwicklung und Umsetzung

2.1    Funktionsweisen einiger Magnetbahnen

Beim Transrapid ist ein Langstator-Linearmotor im Fahrweg eingebaut, welcher das Fahrzeug über ein elektromagnetisches Wanderfeld antreibt. Dabei wird der Transrapid mit seitlichen Führungsmagneten und mit unterhalb des Fahrzeuges befestigten Tragmagneten in der Schwebe gehalten. Über ein im Fahrweg integriertes Ortungssystem wird das Fahrzeug lokalisiert, dadurch werden immer die Streckenteile mit Strom versorgt, an denen sich das Fahrzeug befindet. Die Geschwindigkeit des Transrapids wird durch Änderungen der Frequenz im Wechselstrom verändert.
Die Magnetbahn in Berlin war bereits in der Lage Steigungen und Gefälle von bis zu 15% zu überwinden sie war 1,6 km lang und verfügte über 3 Stationen, allerdings war sie nicht in der Lage zu Schweben, da Führungsrollen zum Einsatz kamen, die immerhin 15% des Fahrzeuggewichtes tragen mussten. Die Bahn konnte bis zu 80km/h erreichen und auch hier kam ein im Fahrweg eingebauter Langstator-Linearmotor zum Einsatz. Ein Großer Unterschied zum Transrapid lag in der Form der Fahrwegschienen, die sich stärker an gewöhnlichen Bahn-Gleisen orientierten.
Über die Magnetbahn des dreiköpfigen Jugend-Forscht-Teams sind mir leider nur wenige Details bekannt, die Magnete wurden jedoch auch hier vertikal angeordnet jedoch wurde die Elektronik computergesteuert.

 

2.2    verwendete Bauelemente

2.2.1   Magnete

Das Herzstück meiner Magnetbahn sind die Magnete, es wurden 12 Elektromagnete unterhalb der Fahrbahn und 6 Neodymmagnete am Fahrzeug verbaut. Die Elektromagnete sind handgewickelt, da ich keine im Handel finden konnte, die die benötigten Eigenschaften hatten. Der Eisenkern der Elektromagnete ist jeweils 4cm lang und hat einen Durchmesser von 8mm. Um jeden dieser Magnete habe ich 26 Meter Kupferdraht mit einer Dicke von 0,2mm gewickelt, ihr Widerstand liegt dadurch bei ungefähr 15 Ohm. Damit sich der Draht nicht wieder abwickeln kann  ist er mit Schrumpfschläuchen fixiert. Bei Vorläufern der jetzigen Magnetbahn habe ich mit 7 cm langen Elektromagneten gearbeitet (ebenfalls selbst gewickelt), deren Widerstand betrug jedoch maximal nur 5 Ohm, da ein dickerer Draht verwendet wurde. Zur Fixierung des Kupferdrahtes habe ich in die Eisenkerne an den Enden Löcher gebohrt, diese waren allerdings scharfkantig und haben dadurch den isolierenden Lack abgekratzt. Dies führte sowohl zu Wackelkontakten als auch zu Kurzschlüssen und hat einige Magnete unbrauchbar gemacht. In einer noch älteren Version der Magnete habe ich als Eisenkerne Schrauben verwendet. Der Schraubenkopf und das Gewinde machten zwar das Wickeln leichter, doch leider brachte der Schraubenkopf mit sich, dass der Neodymmagnet von diesem unabhängig von der Polung stark angezogen wurde. Beide Vorgänger erwiesen sich später zudem durch ihre Größe und ihren zu kleinen Widerstand als ungeeignet.

Elektromagnete Eigenwicklung Jugend-forscht Magnetbahn 2007

Am Ende waren weit über 30 selbstgewickelte Elektromagnete für die Magnetbahn unbrauchbar.

 

2.2.2 Reed Relais

Ein Ortungssystem wie beim Transrapid konnte ich bei der Magnetbahn aus Kosten- und Platzgründen nicht verwenden. Damit die Elektromagnete immer dann schalten, wenn es erforderlich ist habe ich Reed Relais verwendet. Die verwendeten Reed Relais schließen sich, wenn einer der 4 Steuerungs-Magnete des Fahrzeuges sich an ihnen vorbeibewegt. Leider mussten die Reed Relais Anfangs große Stromstärken aushalten, da sie direkt in Reihe mit dem jeweiligen Elektro-Magneten geschaltet waren, dadurch musste ich auf große Reed Relais zurückgreifen, die den Wagen beinahe mehr angezogen haben, als die Elektromagnete in der Lage waren abzustoßen.
Bei der ersten Testbahn waren die Reed Relais längs hinter dem jeweiligen Magneten unterhalb der Schiene angebracht und wurden vom Antriebsmagnet geschlossen.

Grobe Nachstellung des ersten Versuchsaufbaus der Magnetbahn

Dieses Bild ist leider nur eine Nachstellung der ersten Entwicklungsphase

 

Bei der zweiten Testbahn habe ich passende Löcher in das Holz gebohrt habe und die Reed Relais  in diese senkrecht gesteckt. Allerdings machte dies zusätzliche Steuermagnete erforderlich und auch hier waren die Reed Relais so groß, dass die magnetische Wechselwirkung mit dem Steuerungsmagnet ausreichte um den Wagen seitlich wegkippen zu lassen. Um dies auszugleichen habe ich zunächst Eisennägel auf der gegenüberliegenden Seite angebracht. Die endgültigen Reed Relais konnten durch zusätzliche Verwendung von Relais kleiner gehalten werden und beeinflussen den Wagen nur noch in einem sehr geringen Maß, zudem schalten sie mit einer kleineren Verzögerung. Insgesamt habe ich 24 Reed Relais verbaut, wobei ein Magnet immer von 2 Reed Relais gesteuert wird, damit die Polung der Magnete umgedreht werden kann.


2.2.3 Relais

Um die Reed Relais vor zu starken Strömen zu schützen habe ich von der dritten Bahn an  zusätzlich Relais eingebaut, und oberhalb der Strecke befestigt. Sie schließen den Stromkreis für die jeweiligen Magnete, wenn sich das dazugehörige Reed Relais schließt. Zusätzlich hat mich ein anderes Physik-AG-Mitglied auf die Idee gebracht Leuchtdioden in den Steuerstromkreis zu integrieren, damit sichtbar wird, welches Relais geschlossen ist.

 

2.2.4 Dioden

An jeden Elektro-Magnet habe ich an einer Seite jeweils zwei Dioden angebracht, da ansonsten jeder Magnet unter Strom stünde, wenn sich nur ein Relais schließt. Dioden habe ich von der zweiten Testbahn an verwendet, um die Umpolung der Elektromagnete umgepolt zu ermöglichen. Da die Elektromagnete eine hohe Stromstärke unter einer niedrigen Spannung benötigen habe ich Leistungsdioden verwendet, bis zu 3 Ampere aushalten.
Die Leuchtdioden an der Magnetbahn dienen als Indikator für die Position des Fahrzeuges und des geschlossenen Reed Relais.


2.3    Zwischenschritte in der Entwicklungsphase

Die Magnetbahn habe ich in mittlerweile vier Stufen entwickelt und verbessert. In der ersten Entwicklungsphase benötigte die Magnetbahn nur ein Netzteil und es wurden weder Relais noch Dioden verwendet. Das kleine Fahrzeug hatte nur einen Antriebsmagnet, der gleichzeitig auch die Reed Relais geschlossen hat. Große Probleme stellte die lange Durststrecke dar, in der der Wagen nicht in der Lage war selbstständig anzufahren, was sich aber auch sonst als schwierig darstellte. Von daher musste der Wagen angeschoben werden und er war gerade mal in der Lage diese Geschwindigkeit einigermaßen zu halten, mit der man ihn angeschoben hat. Auch haben wir bei dieser Teststrecke nur 3 Magnete und 3 Reed Relais verbaut. Mit einer Oberfräse hat die   Physik-AG unserer Schule die Magnete in den Boden der Bahn eingelassen. Die Entscheidung wer das Projekt übernehmen wollte stand dabei noch aus.

Ansteuerung Schaltplan erster Versuchsaufbau

Bei den ersten Versuchen mit der Magnetbahn war die Schaltung noch sehr einfach aufgebaut und brachte nicht wenige Nachteile mit sich.

Reed Relais:

Durchmesser:Durchmesser 5mm

Länge des Glaskörpers: Länge des Glaskörpers Reed Relais 70mm

Elektromagnet:

Durchmesser:Durchmesser Eisenkern Elektromagnet 8mm

Länge: Länge Elektromagnet 70mm

Widerstand: Widerstand 2,5 Ohm

Von der zweiten Entwicklungsphase an habe ich komplett selbstständig gearbeitet. Meine Idee war von hier an, dass sich die Magnete umpolen können, damit der Wagen sowohl angestoßen als auch abgestoßen werden kann. Dadurch wurde es möglich den Wagen von den meisten Streckenpunkten aus zu beschleunigen, ein Anschieben war nun kaum mehr erforderlich, auch wenn die Beschleunigung nur recht schwach war. Die Schaltung hatte jedoch einen entscheidenden Fehler, der für einen Kurzschluss sorgte, wenn zwei gegenüberliegende Reed Relais geschlossen wurden (dies fiel zunächst nicht auf, da der kleine Wagen nur zwei Schaltmagnete in einer ungeeigneten Größe hatte). Die Magnete, bei denen das umpolen nun möglich war machten nicht nur ein weiteres Netzteil sondern auch einige weitere elektronische Bauteile erforderlich. Bei diesem Modell wurden 3 Elektromagnete verbaut und angeschlossen und das Fahrzeug benötigte zwei zusätzliche Steuerungsmagnete, die auch bei der dritten Version der Bahn verwendet wurden. Nachdem diese Bahn aufgebaut war erwies es sich zudem als Fehler, dass die Magnete keine Abstände voneinander hatten, wodurch sie sich gegenseitig beeinflussten.

Magnetbahn - Anwendung der zweiten Schaltung mit Erfolgreichen Verbesserungen und neuen FehlernMagnetbahn Ansteuerung Schaltplan zweiter Versuchsaufbau

Von der zweiten Version der Magnetbahn an habe ich zwei Netzteile benötigt. Die roten Kreise zeigen die Reed Relais, die nicht gleichzeitig geschlossen werden durften. Die rot nachgezeichnete Linie zeigt den Verlauf des Kurzschlusses, die Magnete wurden dabei einfach überbrückt. Der Fehler viel erst auf, als die vorerst endgültige Bahn bereits gebaut war.

 

Elektromagnet:

Durchmesser:Durchmesser Elektromagnet 8mm

Länge: Magnetbahn Länge Elektromagnet 70mm

Widerstand: Widerstand des Kabels des Elektromagnetes der Magnetbahn ca. 4 Ohm

Reed Relais:

Durchmesser:Magnetbahn Reed Relais Durchmesser 5mm

Länge des Glaskörpers: Länge des Glaskörpers der Reed Relais zur Magnetbahn 50mm

Als ich bereits das Gerüst der vorerst endgültigen Magnetbahn mithilfe der Physik-AG vollendet hatte habe ich ein drittes aber sehr kleines Testmodell mit einem vergleichbaren Gerüst und nur zwei Magneten gebaut.  Zunächst habe ich die Schaltung der vorgegangenen Version größtenteils übernommen, jedoch mit der Ausnahme, dass ich Relais zwischen die Reed Relais und die Magnete eingesetzt habe. Als ich darauf die endgültige Magnetbahn nach diesem Modell konstruiert habe und dort erstmals ein größeres Fahrzeug mit zwei Antriebsmagneten und 4 Schaltmagneten fahren ließ kam es zu Problemen aufgrund der ungeeigneten Schaltung, die einen Kurzschluss verursachte. Das Problem habe ich testweise zunächst auf diesem Modell behoben damit ich sicher sein konnte, dass die neue Verdrahtung so funktioniert, wie ich es mir gedacht habe, als darauf alles so funktionierte, wie ich es mir gedacht habe übertrug ich das ganze auf die endgültige Bahn. Der Unterschied zwischen den beiden letzten Versionen liegt mittlerweile nur noch an der unterschiedlichen Länge der Strecke, den Leuchtdioden und den Befestigungen für die Elektronik.

Testaufbau des neu entwickelten Systems der Magnetbahn mit zwei Magneten und 4 Relais Umpolung der Magnete funktionierte problemlos

Die dritte Entwicklungsphase kommt der derzeitigen bereits sehr nahe, in einigen Details gibt es dennoch größere Unterschiede.

 

 

2.4    Vorgehensweisen bei der Konstruktion

Zuerst habe ich ein passendes Gerüst für die Bahn gebaut und am Computer eine Grafik dafür angefertigt. Bevor ich die Elemente endgültig auf der Bahn angebracht habe übertrug ich meine Vorstellungen schematisch in das Programm Milkshape3D, wobei ich den Maßstab zunächst ein wenig vernachlässigt habe, auch bin ich zunächst von einem kleinerem Wagen und nur 10 Magneten ausgegangen, die Magnete sollten auch hier wieder die Länge von 7 cm haben. Für die Schiene habe ich am Computer ein Stahlträgerprofil erstellt. Texturen habe ich hingegen noch nicht verwendet.

erste Visualisierung zur Magnetbahn in Milkshape 3D

Erste 3-Dimensionale Darstellung der Bahn mit dem Programm Milkshape 3D


Nachdem ich mit der ersten Darstellung fertig war habe ich auf den Rat meines Betreuenden Lehrers kleinere Magnete hergestellt und das System in einem kleinen Modell mit einem erstaunlich guten Ergebnis getestet. Auch habe ich zum ersten Mal einen Abstand von 3cm zwischen die Magnete gesetzt um gegenseitige Beeinflussungen zu reduzieren.  Für die endgültige Bahn fehlten nun allerdings die Elektro-Magnete, die erneut gewickelt werden mussten. Da zu diesem Zeitpunkt die restlichen 3 Physik-AG-Teilnehmer keine Beschäftigung hatten kam diese Arbeit einigermaßen schnell voran und ich konnte sie an meinen Ideen teilhaben lassen. Die Magnete habe ich zuerst in das Gerüst eingesetzt und ausgerichtet darauf habe ich mich um die Befestigungen der Relais gekümmert und die Halterungen der Reed Relais überdacht. Ich entschied mich dazu jeweils 3 in eine schmale Platine mit einem Abstand von 7 cm einzulöten, dadurch ließ sich Zeit sparen und die Reed Relais bekamen einen besseren Halt die Platinen habe ich mit kleinen Holzstangen befestigt. Die Konstruktion konnte ich nun in das 3D-Programm maßstabsgetreu übernehmen. Um keine Zeit zu verlieren habe ich das größtenteils an Wochenenden gemacht, da sich die Schule zu dieser Zeit aufgrund des Hausalarms nicht betreten lässt. Für die gesamte Verkabelung der Bahn habe ich nur eine Woche benötigt, die jedoch sehr arbeitsaufwendig war. Unmittelbar darauf habe ich die gesamte Verkabelung auf die Computergrafik übertragen und die meisten Flächen unter Hilfenahme des Texturprogrammes LithUnwrap texturiert. Mir kam die Idee ein längeres Fahrzeug zu verwenden, damit der Wagen von wirklich jeder Position aus anfahren kann, leider bereitete die fehlerhafte Schaltung mir darauf durch den Kurzschluss einige Probleme, auch weil es schwierig war die Ursache zu finden. Für die Behebung war es notwendig einen großen Teil des Schaltbildes zu verändern, was mir glücklicherweise sehr gut gelang. Die Leuchtdioden habe ich darauf ebenfalls hinzugefügt. Durch die Verwendung eines zusätzlichen Widerstandes ließ sich die Bahn mit bis zu 19 Volt je Spannungsquelle betreiben (höhere Spannungen habe ich vorsichtshalber nicht mehr getestet). Bis auf die Anschlüsse für die Stromquellen und die Leuchtdioden habe ich das komplette System maßstabsgetreu in eine 3d Mesh übertragen sowie die einzelnen Bauelemente der Bahn abfotografiert um die Grafik wirklichkeitsnah zu texturieren. Jedes einzelne Bauelement ist in der Grafik korrekt angeschlossen und unterscheidet sich nur geringfügig von der Vorlage.

Visualisierung zur Magnetbahn in Milkshape 3D - Bau und Entwicklung einer Magnetbahn - Jugend-forscht 2007

Diese computererstellte Grafik zeigt die Manetbahn aus einer veränderlichen dreidimensionalen Perspektive. Es ist sogar möglich die Strecke aus der Blickrichtung des Fahrzeuges darzustellen. Bis auf wenige Ausnahmen sind alle Bauelemente exakt so verkabelt, wie es auf der fertigen Bahn der Fall ist. Die roten Bauelemente unter den Bahnschwellen stellen die Magnete dar.


2.4.1 Grundlagen der 3d-Darstellung

 

Da dreidimensionale Darstellungen für viele Menschen noch Neuland sind möchte ich hier versuchen die Grundlagen verständlich zu schildern. Zu einer solchen Darstellung legt man in einem x-, y-, z-Koordinatensystem man einzelne Punkte fest, sie werden Vertex genannt. Immer drei dieser Vertex lassen sich zu einem Face oder auch Dreieck verbinden, bei denen nur eine Seite sichtbar ist. Mehrere dieser Dreiecke aneinander können unterschiedlichste Flächen, wie zum Beispiel Rechtecke oder andere Vielecke bilden, solange diese eine zweidimensionale Oberfläche haben werden sie Polygone genannt. Aus mehreren Faces lassen sich Objekte erstellen. Das einfachste in sich abgeschlossene Objekt ist ein einsegmentiger Tetraeder. Er besteht aus 4 Vertex, 4 Polygonen und 4 Faces (Dreiecken). An für sich wäre aber selbst dieses Objekt nur ein sechskantiges Drahtgestell, jedoch berechnet das 3D Programm in den Standarteinstellungen bereits die Flächen der Faces, dies geschieht Winkelabhängig wodurch sich die Flächen durch unterschiedliche Grautöne voneinander unterscheiden lassen. Um diese Flächen realistisch wirken zu lassen kann man ihnen Texturen geben. Diese können dem Objekt Oberflächen und Strukturen wie zum Beispiel eine Holzmaserung zuweisen. Die Holzmaserung kann entweder von einer Fotografie stammen oder mit einem Bildbearbeitungsprogramm erstellt worden sein. Häufig werden für das Texturieren zusätzliche Programme verwendet, die Objekte in ihre einzelnen Faces zerlegen, und dieses in Form einer TGA-Datei oder Bitmap speichern. Die Texturen können dann mit einem Bildbearbeitungsprogramm auf die Faces gelegt werden. Öffnet man die Mesh erneut so können die Texturen eingelesen und auf die Flächen gelegt werden. Zum animieren der Objekte muss man über die Schaltfläche Joints Bezugpunkte setzen und diese den zu animierenden Stellen des Objektes zuweisen. Man bewegt dann die Bezugpunkte auf  die gewünschten Positionen und erstellt Keyframes (Schlüsselbilder) an den gewünschten Stellen, die fehlenden Bildfrequenzen kann das Programm eigenständig berechnen.

Interface von Milkshape 3D

Die Programmoberfläche von Milkshape 3D stellt die Mesh aus 4 Perspektiven dar, damit die Übersicht so groß wie möglich ist. Das vierte Fenster zeigt das Objekt in der 3D Ansicht, die restlichen Fenster stellen das Objekt von vorne, links und von oben dar. Milkshape beherrscht zudem einige Grundobjekte. Dazu gehören Boxen, Kugeln, Planen und Zylinder. Andere Objekte lassen sich mit Polygonen erstellen, der Befehl extrudieren ist dabei oft sehr sinnvoll und zeitsparend.


Oberfläche des UVW-Mapping Programms Lith Unwrap

Mit dem kostenlosen Programm LithUnwrap können Objekte aufgefaltet werden, um diese zu texturieren. Hier geschieht dies mit einer Leistungsdiode.


 

 

2.5 Probleme bei dem Projekt

Natürlich verlief bei der Magnetbahn nicht alles ohne Probleme, wobei das größte die fehlende Zeit war. Nicht selten habe ich auch in den Ferien und an Feiertagen in der Schule an der Bahn weitergearbeitet, sowie ich mehrere Nachmittage in der Woche und viele Freistunden genutzt habe um das Projekt so gut und so schnell wie möglich voranzutreiben. Schön wäre es auch gewesen, wenn das Fahrzeug in der Lage gewesen wäre zu schweben, doch die Hoffnungen dies zu schaffen habe ich mir nie ernsthaft gemacht, da hierfür eine zusätzliche Elektronik mit Tragmagneten und Abstandssensoren erforderlich gewesen wäre. Auch hätte ein Großteil dieser Elektronik im Fahrweg eingebaut werden müssen, der für so etwas schlicht und ergreifend zu klein war.
Auch hätte ich die dreidimensionale Darstellung gerne realistischer gemacht, doch leider hat das Programm Milkshape eine Polygonbegrenzung, die nicht überschritten werden kann, zudem sind Effekte in diesem Programm nahezu nicht vorhanden, wodurch ich die Texturen weder reflektierend darstellen konnte noch mit Bump-Effekten ausstatten konnte. Möglich wäre dies mit Programmen wie 3D Studio Max oder Cinema 4D gewesen, doch die Kosten dafür hätten den finanziellen Rahmen um ein vielfaches gesprengt, aus dem Grund musste ich auf ein leistungsschwächeres Programm zurückgreifen.
Bei der Konstruktion haben mir die Reed Relais Probleme gemacht, da deren Glaskörper extrem zerbrechlich ist und ich nur eine sehr begrenzte Anzahl dieser Bauteile zur Verfügung hatte.
Auch die Neodymmagnete sind gegen Erschütterungen extrem empfindlich. Ziehen sich zwei dieser Neodymmagnete gegenseitig an ist es sehr wahrscheinlich, dass mindestens einer bei der Kollision zerbricht und damit unbrauchbar wird. Als ich eine größere Anzahl dieser extrem starken Magnete geliefert bekam waren bereits 3 davon in einem unbrauchbaren Zustand.
Ein weiteres Problem war der bereits aufgeführte Kurzschluss in meiner Schaltung, den ich glücklicherweise beheben konnte.
Probleme bei der Justierung der Reed Relais gab es durch eine Wechselwirkungen zwischen den Antriebsmagneten des Fahrzeuges, die immer wieder die Reed Relais schlossen.

 

2.6 Fertige Anbringung der Elektronik

Von der jetzigen Version der Magnetbahn habe ich immer wieder Schaltpläne angefertigt, die jedoch nicht allzu übersichtlich waren. Daher habe ich mich nun bemüht einen Schaltplan zu erstellen, der einigermaßen übersichtlich ist und jedes Detail erfasst. Mittlerweile haben sich einige der Dioden als überflüssig erwiesen, da es nicht möglich war die Anzahl der Stromquellen auf eine zu reduzieren. Am linken Ende der Magnetbahn habe ich einen an/Aus-Schalter angebracht, der den Steuerstromkreis öffnen und schließen kann. Der Steuerstromkreis ist mit dem hinteren parallel geschaltet und die Versorgung für diesen verläuft durch eine Stange mit einem Gewinde, die oberhalb neben den Relais angebracht ist. Bei dem Modell sind die Reed Relais auf der linken und der rechten Seite vom Fahrzeug angebracht, was aus dem Schaltplan nicht hervorgeht. Bei den Leuchtdioden fehlen zurzeit noch Schutzwiderstände, sie leuchten dennoch, jedoch fließt zurzeit noch eine leicht erhöhte Stromstärke durch sie.
Eine Schaltkreis, das nur ein Netzteil und anstelle der Relais Transistoren verwendet wird derzeit noch von mir ausgearbeitet. Zumindest ein Modell dieser Schaltung möchte ich in der nächsten Zeit anfertigen und testen.

Magnetbahn Weiterentwicklung der Schaltung Fabian Preiß Jugend-forscht 2007

Dieser Schaltplan zeigt einen Ausschnitt des derzeitigen Zustandes der Bahn. Im Vergleich zu den anderen Schaltplänen hat sich dieser stark verändert. Sämtliche Ideen dazu stammen von mir und wurden von mir umgesetzt.


Finale Testversuche des Projektes Magnetbahn - Entwicklung und Umsetzung (Jugend-forscht 2007)Vergleichsbild - Magnetbahn in der Computerdarstellung

 

Auf diesem Foto besitzt die Bahn noch einen zusätzlichen Auslauf um nicht vom Tisch zu fallen. Ansonsten entspricht die Abbildung dem jetzigen Zustand.

Die Darstellung rechts zeigt die Magnetbahn als Computerdarstellung, wobei ich eine ähnliche Perspektive gewählt habe.

 

 

3.      Untersuchungen und Weiterentwicklungen

3.1    Versuche an der fertigen Bahn

Da es mich sehr interessierte, mit welcher Geschwindigkeit das Fahrzeug die Strecke verlässt habe ich eine sehr genaue Lichtschranke aus dem Physik-Unterricht am Ende der Strecke befestigt. Die verwendeten Spannungen der beiden Netzteile betrugen dabei einmal 19 und einmal 16 Volt. An den Wagen habe ich einen Pappstreifen mit einer Dicke von 1cm zur Verdunklung der Lichtschranke angebracht. Der Startpunkt und die Lichtschranke hatten dabei einen Abstand von 85cm den Versuch habe ich dreimal durchgeführt um mögliche Messungenauigkeiten zu minimieren, die jedoch nur sehr gering ausfielen. Die Verdunklungszeit ließ darauf schließen, dass das Fahrzeug nach dieser Strecke eine Geschwindigkeit von genau 9km/h erreicht. Rechnet man die Beschleunigung hoch so kommt man zu dem Ergebnis, dass diese Beschleunigung in etwa einem Sportwagen entspräche, der von 0km/h auf 100km/h in zehn Sekunden beschleunigt. Mit diesem Messergebnis bin ich sehr zufrieden, da mir kein vergleichbares System über meine Recherchen im Internet bekannt ist, welches vergleichbare Erfolge erzielen kann.
Einen weiteren Versuch habe ich zwar noch nicht durchgeführt, jedoch möchte ich mit einem sensiblen Kraftmesser die Kräfte ermitteln, die an unterschiedlichen Punkten der Strecke auf das Fahrzeug einwirken und es vorantreiben.

 

3.2    Ansätze und Ideen zur Weiterentwicklung

Nach dem Funktionsprinzip dieser Magnetbahn würde ich gerne eine in sich abgeschlossene Bahn mit einer Streckenlänge von ca. 2 Metern bauen, die nach Möglichkeit kreisförmig verläuft. Dabei möchte ich die Relais und die Stromschienen vorteilhafter anbringen um die Bahn nach oben hin frei zu legen. Angedacht habe ich dabei, dass die Relais in die dazu verwendete Holzplatte eingesenkt werden. Die Reed Relais sollen hier an kleinen senkrecht stehenden Holzstäben befestigt werden, die Drähte sollten unter den Schienen verlegt werden.
Sollte die Bahn in einem größeren Maßstab gebaut werden so bietet es sich meines Erachtens an, dass die Elektromagnete mit einem größeren Widerstand und in einer flachen Form gebaut werden. Damit der Wagen direkt von dort aus gesteuert werden kann sollten sowohl die seitlichen Steuerungsmagnete als auch die Antriebsmagnete regelbare Elektromagnete sein. Dadurch kann der Wagen angehalten werden ohne dass dabei Teile verschleißen, da er nicht mit Reibung sondern mit einer magnetischen Wechselwirkung gebremst würde, auch wäre es hier möglich, dass das Fahrzeug durch Änderung der Polarität der Antriebsmagnete die Richtung wechselt. Bei einem 1:1 Maßstab, der zu Personen- und Gütertransport geeignet wäre dürfte es sinnvoll sein zusätzliche Trag- und Führungsmagnete anzuwenden, damit das Fahrzeug sich wie der Transrapid reibungslos fortbewegen kann.
Da die Relais beim Schalten eine gewisse Zeitverzögerung haben werde ich sie in Zukunft durch ein Transistorgesteuertes System ersetzten, welches die Anzahl der Stromquellen auf eine reduzieren wird. Auch wird es möglich sein die Fahrtrichtung mit einem Schalter umzukehren.  Dafür werden neben Leistungstransistoren auch einige Widerstände benötigt, einen Entwurf dieser Schaltung habe ich mit Unterstützung von außen bereits erstellt.
Weiterhin wäre es interessant Lichtschranken anstelle der Reed Relais zu verwenden. Bei diesen hätte ich keine Probleme mehr durch Beeinflussungen der Antriebsmagnete, die zurzeit noch einen Störfaktor darstellen.


3.3 Unterschiede zu der Magnetbahn des Mönchengladbacher Teams

Die Magnetbahn des Mönchengladbacher Jugend-Forscht-Teams verwendete 24 Magnete, die senkrecht und nicht wie bei mir horizontal ausgerichtet waren. Meines Wissens war die Geschwindigkeit des Wagens computergesteuert, der jeweils nächste Elektro-Magnet wurde angeschaltet und damit folgte das einmagnetige Fahrzeug den eingeschalteten Magneten. Wurde die Zeit in der ein einzelner Magnet mit Strom versorgt wurde verringert, so wurde die Geschwindigkeit des Fahrzeuges erhöht. Die Computersteuerung benötigte zudem ganze 4 Platinen. Bei meiner Bahn hingegen ist eine Computersteuerung nicht erforderlich, und das Fahrzeug erfährt die größtmögliche Beschleunigung, weil es zusätzlich abgestoßen wird. Obwohl ich auf einer längeren Strecke nur die Hälfte an Magneten verwendet habe und somit Material sparen konnte erreicht mein Fahrzeug höhere Geschwindigkeiten und beschleunigt weitaus schneller.

4.      Diskussionen

4.1    Weitere Verwendungsmöglichkeiten dieser Entwicklung

Die Magnetbahn könnte in einer ähnlichen Form im Personen und Güterverkehr verwendet werden. Die Steigungen, die sich mit einer solchen Bahn überwinden ließen wären um einiges steiler, als es bei gewöhnlichen Zügen möglich wäre, an stärkeren Steigungen könnten dabei auch stärkere Elektromagnete unter der Fahrspur eingesetzt werden. Je nach Bauweise der Bahn könnten auch schwere Lasten problemlos transportiert werden. In einem mittelgroßen Format könnte ein solches System auch in der Industrie Verwendung finden und Gefahrgüter oder andere zur Produktion verwendeten Güter  von A nach B transportieren.


4.2    Vor und Nachteile

Vorteile:
- Nach einer gezielten Anpassung der Magnete kann der Stromverbrauch stark reduziert werden, weiterhin ließe sich die beim Bremsvorgang erzeugte Energie leicht wieder verwenden, da nicht mit Reibung gebremst würde wäre der Verschleiß und damit de Wartungsaufwand minimal.
- Die erzielte Beschleunigung ist bereits jetzt sehr stark und entspricht bei dem Wagen etwa einem drittel der Fallbeschleunigung auf der Erde, dies ermöglicht auch das überwinden starker Steigungen.
- Das System lässt sich in unterschiedlichsten Maßstäben verwenden und vielerorts einsetzen.
- Die Fahrzeuglänge ist nahezu beliebig erweiterbar durch Verwendung zusätzlicher Antriebs- und Steuermagnete.
- Bei einer geschickten Unterteilung der Stromversorgung sind Kollisionen mit anderen Wagons in Zukunft praktisch ausgeschlossen.
- Die Bedienung ist verhältnismäßig einfach und wird dies auch nach weiteren Entwicklungen sein.

Nachteile:
- Der kosten und Materialaufwand bei einer Bahn mit einem größerem Maßstab sind derzeit noch nicht kalkulierbar.
- Für einige Funktionen muss weitere Entwicklungsarbeit geleistet werden.


5.      Quellenverzeichnis

(Da die Magnetbahn meine Eigenentwicklung ist und ich jede der Grafiken selbst erstellt habe fällt das Quellenverzeichnis sehr gering aus)
Informationsmaterial über den Transrapid:
http://www.transrapid.de/cgi-tdb/de/basics.prg?session=584cde4a45998180
Informationsmaterial über die Magnetbahn des Mönchengladbacher Jugend-Forscht-Teams:
http://209.85.129.104/search?q=cache:QpfpiOHz1gMJ:www.math-nat.de/aktuelles/allgemein.htm+%22jugend+forscht%22+Magnetbahn&hl=de&gl=de&ct=clnk&cd=8&client=firefox-a
http://press.bayer.com/baynews/baynews.nsf/09d66eaa1b7a7cb9c125707e003d7eb0/b58545ba574c30f0c125713800328058?OpenDocument

 

 

6.      Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich noch einmal bei einigen Personen für ihre tatkräftige Unterstützung Danken. Mein Dank gilt in erster Linie meinem betreuendem Lehrer Herr Dr.Pleschinger, durch den das Projekt überhaupt erst ermöglich wurde. Außerdem möchte ich dem Vater eines ehemaligen Physik-AG Teilnehmers für die Bereitstellung von industriellen Kupferdrahtrollen danken.

Ein weiterer Dank geht an die Stadt Hilden und die Firma 3M, die uns die finanziellen Mittel zur Verfügung gestellt haben.

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