Eigenbau Elektromagnet per GPIO Pin steuern

  • Hallo an Alle!

    Ich suche nach einer (energieeffizienten) Möglichkeit eine fixierte vertikale Stange (künftig aus Aluminium oder Kupfer -> als Elektromagnet) die am Boden fixiert wird immer etwas links oder rechts zu neigen. Nach einigen mislungenen Konstruktionen aus Plastik und Holz in Verbindung von Stepper und Servomotoren (über Pi 3) möchte ich es nun wieder so einfach wie möglich halten und diese leichte Neigung von einigen Graden mit Elektromagneten verwirklichen.


    Da ich wenig Ahnung von Elektromagneten habe und nur etwas wenig übers Internet erfahren konnte, möchte ich hier meine konkreten Fragen stellen.


    Zur Ansteuerung mit dem PI:

    Wenn ich meine Kupferstange selbst mit Draht einwickle und 2 Elektromagneten links und rechts zum oberen Ende der Stange an einem Rahmen fixiere müsste die inzwischen non stop magnetisierte Stange abwechselnd mal nach links und rechts von den Elektromagneten angezogen/abgestoßen werden.
    Wie setze ich das um? Die Stange behält ihre Polung, doch die der beiden Elektromagneten müsste sich laufend ändern oder müsste ich sie einfach abwechselnd ein und aus schalten?

    Ich möchte keine externe Spannungs/Stromquelle nutzen. Ich lese oft was von Kurzschlüssen oder explodierenden Batterien bei Verwendung dieser. Was hat das mit dem Elektromagneten an sich zu tun? Ich denke, dass einfach ein Strom vom einem GPIO Pin durch den Draht dafür sorgt, dass das Ding anzieht/abstößt? Am Ende das ganze auf GND und fertig? Oder stelle ich mir das ganze momentan zu leicht vor? Gibt es hier spezielle Probleme oder Praktiken in Verwendung von regelmäßiger an und Abschaltung?


    Zum Elektromagneten selbst:
    Wie erwähnt denke ich mir, dass der Stromkreis GPIO-PIN -> Draht um einen Eisenkern -> GND doch passen müsste?
    Da ich eine möglichst energieeffiziente Lösung suche und nicht wusste wie sehr die Form (Dicke oder Länge) meines Eisenkerns den verwendeten Strom beeinflusst habe ich mir 80mm x 110 mm Schrauben gekauft und habe vor diese mit einem Akkubohrer möglichst oft mit Y-Draht (1x0,6mm) zu umwickeln. Wie viele Meter soll ich dafür verwenden? Wie sehr spielt die Dicke meines Eisenkerns eine Rolle? Hätte ich statt meinen 8mm Durchmesser auch zB die Hälfte nehmen können -> da mehr Umwicklungen auf gleicher Länge des Drahtes? Von mir aus nehme ich auch gerne 2 Autogen Schweißstäbe als Eisenkern und Umwickle diese weniger oft übereinander, wenns doch auf die Länge ankommt :D


    Besten Dank und viele Grüße!

  • Es ist mehr als verwirrend, was dir da vorstrebt.

    Wenn ich meine Kupferstange selbst mit Draht einwickle und 2 Elektromagneten links und rechts zum oberen Ende der Stange an einem Rahmen fixiere müsste die inzwischen non stop magnetisierte Stange abwechselnd mal nach links und rechts von den Elektromagneten angezogen/abgestoßen werden.

    Wenn du eine Kupferstange mit Draht umwickelst, hast du keinen Elektromagneten. Dazu bedarf es eines magnetischen Werkstoffes, der magnetisiert werden kann. Kupfer kann das nicht.

    Selbst wenn das möglich wäre, hättest du Nord- bzw. Südpol an den Enden der Stange. Deine Elektomagnete links und rechts würden nicht viel bewirken. Es ist kein geschlossener magnetischer Fluss vorhanden, die auswirkende Kraft zu gering.

    Wie setze ich das um? Die Stange behält ihre Polung, doch die der beiden Elektromagneten müsste sich laufend ändern oder müsste ich sie einfach abwechselnd ein und aus schalten?

    Was willst du erreichen?

    Ich möchte keine externe Spannungs/Stromquelle nutzen. Ich lese oft was von Kurzschlüssen oder explodierenden Batterien bei Verwendung dieser.

    Eine Quelle zu deinen Befürchtungen würde uns weiter helfen. Ohne externe Spannungsquelle wird es definitiv nicht funktionieren.

    Ich denke, dass einfach ein Strom vom einem GPIO Pin durch den Draht dafür sorgt, dass das Ding anzieht/abstößt? Am Ende das ganze auf GND und fertig? Oder stelle ich mir das ganze momentan zu leicht vor?

    Ein GPIO ist keine ausreichende Quelle eines ausreichenden Stromes. Dazu bedarf es Treiber, die einen höheren Strom zur Verfügung stellen können.


    Die Frage ist, was mir nicht klar geworden ist, was möchtest du im Endeffekt erreichen?

  • @flyppo

    Sorry meinte natürlich Eisen, nicht Kupfer.


    Stell dir meine Idee wie ein großes T vor. Die horizontale oben mittig wäre keine Verbindung sondern 2 horizontale beliebig große Elektromagnetkonstruktionen. Diese würden jeweils mit einigen cm Abstand mit jeweils einem positiven (links) und einen negativen Pol (rechts) die mittlere lange vertikale Stange um einige grad links und rechts „biegen“. Diemittlere Stange könnte auch magnetisiert werden so dass sie an der oberen Hälfte zB positiv und unten negativ magnetisiert ist. Somit würde die obere Hälfte auf die beiden horizontalen Magnete reagieren und eben von der einen Seite angezogen und Gleichheit von der anderen abgestoßen werden.


    Da die PINs nun eh nicht in frage kommen werde ich mich mit der Größe und Bauweise der elektromagneten rantasten müssen. Um möglichst wenig Strom zu verbrauchen brauche ich nur noch Hilfe bei der Bauweise. Macht es Sinn den Eisenkern mit möglichst hoher Länge oder Durchmesser zu gestalten? Momentan wäre mein Plan einen Akku/Batterie je Draht -> Elektromagneten anzuschließen und dazwischen mit Relais die Kontakte jeweils zu schließen und zu öffnen. Bekomme ich hier keine Probleme mit der Batterie wenn ich den Stromkreis dauernd (vielleicht 1 mal pro Sekunde) unterbreche und schließe?

  • Soweit verstehe ich dein Auslenkungsvorhaben nach links oder rechts. Nur zu welchem Zweck soll das sein? Das war meine eigentliche meine Frage.

  • Hilf uns mal bitte weiter

    ist die Frage aller Fragen! :conf:

    Ich möchte einfach eine mittlere vertikale Stange die am Boden fixiert wird leicht zum neigen zu bringen. Stepper und Servos erfüllten nur bedingt ihren Zweck, auch weil die nötige Zugkraft in meiner ersten Konstruktion schwer erreicht werden konnte oder sie etwas zu langsam waren. Im Idealfall würde ich die Stange irgendwann bis zur Vibration treiben.

  • Ich möchte einfach eine mittlere vertikale Stange die am Boden fixiert wird leicht zum neigen zu bringen.

    Ist okay. Nur wozu?

  • Soweit verstehe ich dein Auslenkungsvorhaben nach links oder rechts. Nur zu welchem Zweck soll das sein? Das war meine eigentliche meine Frage.

    Ich möchte etwas wie einen Ring um die Stange drehen lassen. Sorry sicher falsch formuliert. Ich meine sowas wie einen hula hoop Ring um eine Stange.

  • Da wird wohl eher ein Fieberglasstab mit Anregung kurz vor dem Fußpunkt ein besseres Ergebnis liefern dürfen.

    Wozu das dienen soll, weiß ich immer noch nicht.

  • Mach doch bitte mal Angaben zu den Kräften, bzw. Massen, die du bewegen willst, dann lässt sich auch die Leistung und das magnetische Feld berechnen, die/das benötigt wird und am besten noch eine Zeichnung, in der ersichtlich wird, wie du dir das vorstellst.

    DamalsTM in der Schule haben wir mit einer 9V-Batterie, einem Blechstreifen, einer Schlosschraube und Draht eine Türklingel bauen müssen, ich glaube, das ist in etwa das was du erreichen willst, oder ?

  • Mach doch bitte mal Angaben zu den Kräften, bzw. Massen, die du bewegen willst, dann lässt sich auch die Leistung und das magnetische Feld berechnen, die/das benötigt wird und am besten noch eine Zeichnung, in der ersichtlich wird, wie du dir das vorstellst.

    DamalsTM in der Schule haben wir mit einer 9V-Batterie, einem Blechstreifen, einer Schlosschraube und Draht eine Türklingel bauen müssen, ich glaube, das ist in etwa das was du erreichen willst, oder ?


    Ich suche erst noch nach passenden Materialien / Möglichkeiten. Primär geht es mir darum diesen Effekt zu veranschaulichen.


    Aber du hast Recht. Die Funktionsweise einer Türklingel ist eigentlich genau das, was ich brauche!!

    Gibt es ähnliche Konstruktionen dessen Frequenz man mit einem Regler (zB Potentiometer) steuern könnte?
    Unterm Schreiben fällt mir ein, dass der Potentiometer sowieso korrekt wirken würde da ich damit dem Magneten weniger Strom (->Zugstärke ) geben würde.


    Andere Frage. Könnte es Probleme mit der Batterie oder sonstigem geben, wenn ich so eine Klingel den ganzen lieben Tag (solange Saft da ist) laufen lassen würde. Ich denke da an das ständige Unterbrechen und Schließen des Stromkreises. Wie oben erwähnt habe ich von Kurzschlüssen der Batterie bzw. Explosion gelesen und kann das wenig nachvollziehen.


    Danke für eure bisherige Hilfe!!

  • Gibt es ähnliche Konstruktionen dessen Frequenz man mit einem Regler (zB Potentiometer) steuern könnte?

    klar PWM oder per DAC Ausgabe mit einem µC mit Poti am ADC


    ein Timer TLC555 oder RC Phasenschiebergenerator tuts auch

    lasst die PIs & ESPs am Leben !
    Energiesparen:
    Das Gehirn kann in Standby gehen. Abschalten spart aber noch mehr Energie, was immer mehr nutzen. Dieter Nuhr
    (ich kann leider nicht schneller fahren, vor mir fährt ein GTi)

  • Hier mal ein Schema, wie das mit der Türklingel realisiert wurde.

    Strom fliesst, solange das Magnetfeld nicht ausreicht, um den Blechstreifen von der der Schraube wegzuziehen, das Magnetfeld baut sich auf und zieht den Blechstreifen an, daraufhin wird der Stromfluss unterbrochen, weil die Schraube keinen Kontakt mehr hat und das ganze fängt von vorne an.

    Je nach gewünschter Frequenz auf den Pi übertragen würde man das wohl mit PWM machen, bei deinen niederfrequenten Anforderung gehts wohl auch ohne, der Pi schaltet je nach benutzter Software/Programmiersprache die GPIOs schnell genug. Kurzschluss gibt es keinen, solange die Spule nicht durchbrennt, aber es gibt auch (Schmelz)sicherungen etc.. Explosionen auch nur bei Lithium-Batterien/Akkus.

    P.S. Sorry für die miesen Paintskills. :blush:

    Die gestrichelten Linien sind die Leitungen auf der Unterseite, das schräge an der Schraube ist die Wicklung (natürlich viel mehr als gezeichnet).

  • Hier mal ein Schema, wie das mit der Türklingel realisiert wurde.

    aber die Klingelfrequenz ist eine Folge der mechanischen Trägheit (Hammer & Unterbrecher) die nur gering elektrisch beeinflußt werden kann, durch Spannungsänderung bis der El.Magnet durchbrennt.

    Besser ist wirklich Leistungsendstufe (Audio) und Frequenzgenerierung.

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  • aber die Klingelfrequenz ist eine Folge der mechanischen Trägheit (Hammer & Unterbrecher) die nur gering elektrisch beeinflußt werden kann, durch Spannungsänderung bis der El.Magnet durchbrennt.

    Besser ist wirklich Leistungsendstufe (Audio) und Frequenzgenerierung.

    Schon klar. ;)

    Dient ja nur zur Veranschaulichung.

    Mit Gegentakt könnte man noch richtig gegenhämmern. :lol:

    BTW.: Die Frequenz hängt auch von der Länge des Blechstreifens ab.

  • Hallo PAVMIL,


    unabhängig vom Raspi bezweifle ich persönlich dass das so wie beschrieben funktioniert.


    Beschäftige Dich mal mit der Physik, magnetische Kraft wirk am besten (praktisch nur) in ferromagnetischen Werkstoffen (Eisen, Nickel, Cobalt).

    Mit zunehmendem Abstand nimmt die Kraft überproportional ab (mehr als quadratisch), so können große Elektromagnete wie sie bei Krane verwendet werden die Last auch nicht anheben sondern nur halten wenn sie mal Kontakt hatten (geschlossener magnetischer Fluss). Selbst dann sind Grenzen gesetzt, die Kraft endet an der magnetischen Sättigung. Also noch mehr Strom bedeutet dann nicht noch mehr magnetische Kraft.


    Bei der Klingel funktioniert das trotzdem sehr gut, die Kraft liegt wahrscheinlich unter 1 Gramm bei doch sehr geringem Abstand.

    Bei einer Metall- oder Fieberglasstange sieht das gleich ganz anders aus.


    Willst Du trotzdem zu einem Ergebnis kommen empfehle ich Dir, mach mal Versuche mit Sowas oder Sowas.

    Wenn die es schaffen deine Stange entsprechend zu biegen, dann kann es an die Umsetzung mit Ansteuerung über den Raspi gehen.


    Viele Grüße

    Thotaa

  • unabhängig vom Raspi bezweifle ich persönlich dass das so wie beschrieben funktioniert.

    Wieso nicht ?

    Beschäftige Dich mal mit der Physik, magnetische Kraft wirk am besten (praktisch nur) in ferromagnetischen Werkstoffen (Eisen, Nickel, Cobalt).

    Magnetische Kraft wirkt auf ferromagnetische Werkstoffe.

    Mit zunehmendem Abstand nimmt die Kraft überproportional ab (mehr als quadratisch), so können große Elektromagnete wie sie bei Krane verwendet werden die Last auch nicht anheben sondern nur halten wenn sie mal Kontakt hatten (geschlossener magnetischer Fluss). Selbst dann sind Grenzen gesetzt, die Kraft endet an der magnetischen Sättigung. Also noch mehr Strom bedeutet dann nicht noch mehr magnetische Kraft.

    Was ja nicht bedeutet, dass man etwas nicht in Schwingung versetzen kann. Beispiel Tacoma-Narrows-Brücke, das war auf nur ein bisschen Wind.

    Bei der Klingel funktioniert das trotzdem sehr gut, die Kraft liegt wahrscheinlich unter 1 Gramm bei doch sehr geringem Abstand.

    Da täuschst du dich aber, hebe doch mal deinen Finger dran, entweder bin ich sehr empfindlich, was ich eigentlich nicht bin, oder aber die gespeicherte Kraft/Energie ist deutlich höher. Z.B. kann der von dir verlinkte Magnet mit nur 8 Watt 25 kg halten.

    Bei einer Metall- oder Fieberglasstange sieht das gleich ganz anders aus.

    Riesig ist des Schlossers Kraft, wenn er mit dem Hebel schafft. :fies:

  • die Kraft liegt wahrscheinlich unter 1 Gramm

    wie kommt ein "ich mal als Elektromeister" auf das schmale Brett? :denker:


    jede Klingel mit wagnerschen Hammer die ich bis jetzt in der Hand hatte schaffte deutlich mehr als 1 Gramm

    lasst die PIs & ESPs am Leben !
    Energiesparen:
    Das Gehirn kann in Standby gehen. Abschalten spart aber noch mehr Energie, was immer mehr nutzen. Dieter Nuhr
    (ich kann leider nicht schneller fahren, vor mir fährt ein GTi)