1

The Skinners’ School 

 Royal Tunbridge Wells     Kent      TN4 9PG 

www.skinners‐school.co.uk 

 

 

STEM MAGLEV PROJECT  

 

A Transrapid train in China 

 

 

A Report for The Skinners’ School SSAT STEM Pathfinder Project 2008‐2009  

by David Mahon  

 

 

2

Introduction to maglev principles 

Follow the link for information on maglev trains and wind turbines: maglev\about maglev.docx 

 

 

The Maglev club  

A STEM club was set up to produce a model that can be used to explain maglev principles. Real 

scale  models  of  maglev  railways  cost  many  hundreds  of  thousands  of  pounds  due  to  the 

complexity of  the electronics and electromagnets so our model had  to be simple. The project 

also had to be reproducible by other schools. At first we did not know what the best approach 

was so we followed various threads hoping one would lead to a working model. As we have an 

electronics department, one group aimed  to make a device  that could make a magnet hover, 

with an electromagnet and an electronic control system. Others investigated ambitious patterns 

of permanent magnets. 

 

The final model was of a train track. The track and train had rows of permanent magnets. The 

levitation was achieved with magnetic repulsion. The train was constrained so  it did not derail. 

Although this meant there was a physical contact, we found out that a pure maglev system with 

permanent magnets only was  impossible. The propulsion was achieved with a fan. A 6V cell or 

photovoltaic cells linked to a motor and propeller. 

 

MAGLEV TRAIN PROJECT TIMELINE – the following timeline details the 

steps, successes and problems when attempting such an ambitious project. Pupils from Years 11‐13 were involved in all phases of the project.   

Summary  Most of the investigative work was carried out after school on Mondays 

At first, many avenues were investigated 

Later, there were 2 threads of investigation i.e. a guided track and an electronic control system that would suspend a magnet below the electromagnet 

The guided track was successfully made 

The electronic control system was successfully made but the project as a whole was not made to work in the time available 

Red text indicates when materials were bought  

  

3

Lunch time meeting 21 Oct 08: 

Maglev floated. Interested group consisted of year 11 to year 13 students.  

Agreed times for Maglev Club: Monday after school for Years 12 & 13, Tuesday or Thursday lunchtime for Year 11.  

 Magnadur magnets bought from catalogue, Gaffer tape from B&Q  

Monday after school 3 Nov 08: 

Aim: to produce an unguided fully levitating railway. 

Lots of avenues considered i.e. electronic control system, guided railway, diamagnetism, superconductors 

Played around with magnadurs, used rulers and gaffer tape. Tried to make model of maglev with permanent magnets only. No success. Let down by lack of useful materials. Precision is everything here. 

 Tuesday lunchtime 3 Nov 08 

Aim: to produce a guided maglev railway i.e. using magnetic repulsion  to keep the train up but with physical guides to keep the magnets aligned 

Time spent playing around with magnets. Need a good idea for the guide.  

Various cuts of MDF, screws and brackets bought from B&Q  Monday afterschool 10 Nov 08 

Decided on three avenues of investigation hoping at least one would work - Group 1 (Year 13): using vertical plank to produce frictionless permanent magnet 

maglev - Group 2 (Year 12): making an electronic system powering an electromagnet - Group 3 (Year 12): investigating another permanent maglev with vertical sides  

 

  

A Year 12 pupil (group 3) with track before magnets were placed at bottom and sides.   Electronic components ordered from catalogue  

4

 Thursday lunchtime 13 Nov 08 

Year 11 found a Perspex guide in the physics prep room 

Magnets stuck onto base of Perspex. Problem: they all keep lifting up and moving around. 

  Monday afterschool 17 Nov 08 

DM found a good circuit on the internet. The electronics group getting stuck in to wiring in circuits into breadboards, testing as they go 

Other two  groups having trouble with stability, no matter what they do  

      Year 13 pupils making permanent magnet maglev based on a vertical plank with magnets on top and sides 

   Thursday lunchtime 20 Nov 08 

Year 11 group progressing with clear Perspex maglev.  

To stop magnets moving around and to make it easy to move magnets to another model a great idea was to tape them to a wooden ruler (same thickness) 

Quickly made a working model     

Monday afterschool 24 Nov 08 

Permanent model made and presented to all groups 

It did not work even though it had neat, well positioned stabilizers on the sides.  

5

         

Section of track             the ‘train’    

            Unstable                    Year 13 pupils investigating instability  

Monday afterschool 1 Dec 08 

Demonstrated why a permanent magnet only maglev is impossible. According to Earnshaw’s theorem there will always be instability.  

The group then switched emphasis to guided tracks. It was decided that while the Perspex track looked good, a central guide was the way forward. This was because the Perspex was a one off and not having sides would be a neater solution. The Perspex one also jammed up occasionally. 

Electronics group continued manufacturing circuits and investigate making an electromagnet from a transformer coil. 

 Monday afterschool 8 Dec 08 

Electronics group developed the duty cycle circuit with success, observing the correct waveforms on the oscilloscope.  

Recycled electromagnet (from obsolete physics equipment) up and running. Can tolerate 5Amps  

  

6

  

Perspex guided model made by Year 11. Note the floating train    

Monday afterschool 15 Dec 08 

Year 13 testing a track with a guide made of plastic metre rules. These could be bent to make a corner. An oval track would allow continuous travel. 

Year 13 made a simple train with ‘keels’ made of MDF. These wobbled too much – another solution needed 

 

  

Simple MDF train. Vertical guides fit into space  between two plastic metre rules to stop it derailing 

  

Year 13 manufactured and successfully built a hall circuit (detecting magnetic field strength) 

Pupils scavenge fans from an old 486 computer for a potential propulsion system 

Investigation into what combination of electromagnet + battery works the best for a linear motor 

  

Monday1 afterschool Jan 09 

Test track completed over the Christmas break. Half had plastic rulers as a guide, the other half had two wooden planks with a gap. The latter looked better and was easier 

7

to make well. The plastic ruler method would be vital if we had time to make a curved track. 

Simple train made over the break. It had a keel to fit into the guide, covered with Teflon at the ends to reduce friction. 

      

            Upside down train showing keel        The train levitating above the track.  

    Note the two styles of track on view    

The train glided nicely. It was decided to build a 2 metre long track. 

The keel only touched the guide at the ends – the group got thinking of a way to have two thin keels at each end. This could also allow curved travel. 

The linear motor would be too difficult so this idea was dropped.   

Thursday lunchtime Jan 09 

Some year 11s investigated propulsion. The fan from the 486 was not powerful enough. The motor was connected to a propeller rescued from an obsolete piece of equipment. The fan worked but was not enough to drive the train along. Must reduce friction! 

 

8

  

A year 11 pupil investigating the fan propulsion system     

Thursday lunchtime Jan 09 

Further investigation of the fan mounted on the train. A mains supply made it go really fast but burned the motor out! We need a portable power supply anyway. 

  

  

Year 11s burning out motors to achieve the maglev speed record!   More magnadur magnets bought from catalogue   Monday  afterschool Feb 09 

2 metre track over the weekend. 

Using available materials, a new keel system was devised using a thick bolt with Teflon wrapped around. Time was spent tweaking it so it could run smoothly. 

The electronics group managed to complete the other systems. After some trouble shooting the whole electronic control system worked! I.e. the power of the magnet 

9

was switched on/off a thousand times a second in response to a nearby magnet. A major achievement!   

  The whole electronic system. This was shown to work using an oscilloscope  

  

Sixth formers tweaking the keels on the new train. Note the new track in the background, the old train/track in the foreground. 

  

Monday  afterschool Feb 09 

Large 6V cell placed on train made it ground out so the keels were trimmed. 

The motor was taped to the top of the cell 

The propeller was better at pulling than pushing 

It was decided that mounting the motor on a tower would be an improvement. This was made with some 18mm MDF and metal brackets. 

10

To reduce friction, sellotape was applied to the guide rails, wiped with WD‐40 

Using the large 6V cell, decent accelerations were produced  

The electronics team put the whole circuit onto a single large breadboard. They continued this in their study periods.  

   

The final design for the train. The tower stops the airflow from interfering with cells or PVs mounted on the top of the train 

  

Monday  afterschool March 09 

The track was not working very well. There was too much friction. The session was spent troubleshooting to find the source of the mystery friction. 

The friction was from a combination of including a raised grain on the wooden planks, a knot that popped out slightly, crinkled sellotape, flared Teflon, grounding out and wobble of the keels caused by too much ‘abuse’. The plank of wood on which the rails were fixed to was very warped.  

Completed electronic circuitry. Control system tested successfully.    

11

  

Year 12 pupils testing the system with magnets and an oscilloscope.   

Although the control system works, the electromagnet (on retort stand) wasn’t working properly, probably due to the high switching speed. 

  Contiboard and gaffer tape bought from B&Q 

   Monday  afterschool March 09 

A new and improved track was made. The rails were sanded after removing knots and screwed to the Contiboard. The sellotape was reapplied carefully. The main body of the train was recut. 

The train now accelerated well! A real result.     

12

 May 09 

On a sunny afternoon, Photo Voltaic cells (PVs) were investigated for a power source. 3 flexible PVs connected in parallel made the train accelerate nicely if the PVs were angled towards the sun. 

  

 PV setup 

 

               A solar powered maglev train!                

13

 

For the full step by step guide for the maglev model…..     

How to build a maglev train model    

        

14

   

How to build a maglev train model    

Contents     

Page    15        Overview  16        Making the track    19        Making the train  21        Trouble shooting  22        Propulsion systems  22        Battery powered fan  23        Solar powered fan  24        Costings 

  

      

15

    

Overview   

  

Proper  levitation  is  only  achieved  with  an  arrangement  of  electromagnets  driven  by 

electronic  control  systems  (although  levitation  can  be  achieved  in  the  lab  with 

superconductors  or  diamagnetic  materials).  Although  it  would  seem  that  a  complex 

arrangement  of  permanent  magnets  can  produce  levitation,  this  is  in  fact  impossible 

(Google  ‘Earnshaw’s Theorem’). A compromise  is  therefore used  i.e.  rows of permanent 

magnets to provide vertical repulsion and a guide rail to stop the ‘train’ from ‘derailing’ 

 

 

These notes will show you how to construct the track, train, and propulsion system. The 

track will be straight as a curved track would be much harder to manufacture. 

 

 

The magnets will be bought  from  a  science  equipment  supplier but much of  the other 

materials can be sourced from the DT department in your school, recycled from obsolete 

equipment or bought cheaply from a hardware retailer. 

 

    

     

   

16

Making the Track    

Materials for a 2 metre track: 

 

A plank to mount the rails on. I used Contiboard. This does not have a grain so is less likely to 

warp compared to wood. It is a good idea to check it is not warped before you buy it though. 

2 smaller wooden planks. 18x44mm were used for this project as this was a convenient size at 

B&Q.  The  width  is  not  critical  (wider  would  have  been  better)  but  they  need  a  decent 

thickness or else you will have problems guiding the train down the track. Make sure they are 

straight when you buy them! 

4 old metre rules to mount the magnets on 

Large roll of Gaffer tape 

80 x 50mm magnadur magnets. These are about 50p each from a science catalogue. 

Screws. These will depend on the materials but  I used 4 x 30mm to secure the 2 planks and 

4x19mm to secure the metre rules 

Saw, cordless drill/screwdriver  

   

                  Screws            wood on top, Conti underneath         The materials required  

         (magnet rails already assembled)        

17

  

Method   

1. Sand the inside faces of the 2 wooden planks. Wipe the dust off. Carefully cover with a continuous piece of sellotape, making sure all of the air bubbles are ironed out. This will reduce the friction.  

2. Decide on a gap size for the guide. I used 13mm. The plank will be 6.5mm from the centre. Mark out a straight line for the plank – this is important else it will not end up being straight. 

 3. Put marks every 20cm. Drill a pilot hole then countersink so you will lose the screw head. 

 4. Screw the plank down, making sure the edge of the wood is exactly on the line. 

 

   

5. If the train is ready, it may be a convenient time to coat the sellotape with WD‐40, although this can be done later.  

6. Get some spacers too maintain a constant plank separation. 13mm tokens from a child’s game were used here! Anything will do as long as the gap is constant.  

7. Push the second plank onto the spacers and screw down.  

Conti board

Sellotape

Countersunk pilot hole

18

        Coating inside rail with WD‐40      planks nicely screwed down           Mounting the magnets. The magnadurs have poles on their flat faces. These could be glued onto the wood but it would then be difficult to recover then e.g. if the wood warped or if they were needed for a motor practical.  It  is a good  idea therefore to tape them to metre rules so the complete magnetic rails could be removed easily. This saved lots of time.    

8. Gaffer tape is strong and conveniently 50mm wide. Fix each magnet with 10cm of tape, then wrap another 10cm across each magnet join followed by a final 1m length to make it look neat. To save time on mistakes, check each magnet is the same way around as the others. Note: if this is stored in the sun it will start to wrinkle!   

9. Carefully drill countersunk pilot holes in the metre rules, making sure they will not coincide with the screws below.  

    

10. Screw down the magnet strips. The magnets should be on the outside. It is important to leave a gap of 2‐3 mm between the edge of the rule and the gap else the tape will foul the keels of the train.  

The railway is now complete. Now for the train! 

19

Making the Train   

Materials:   

MDF: 112x300x6m. To save buying a big sheet it may be worth seeing what off cuts are 

available in the DT department.  

Magnadur magnets 

Gaffer tape 

60 cm of wooden rule 

2 keels (see text) e.g. Teflon, bolt, nut washer. 

 

 

 1. Cut the main body. A good length is 30cm i.e. 6 magnets long. The magnets will be taped up to 

the edge of the board so the width has to be such that the train magnets lie exactly above the track magnets. In the one below the dimensions were 112x300x6mm 

  

2. Fix magnets to wooden rules e.g. 30cm lengths cut from an old metre rule. Tape them on as before. The neat underside will be the same polarity as the top of the track for repulsion.  

  

 

     Magnets fitted. Note the ‘keel’.       The bolt, giving the keel rigidity    

20

3. Fix keels. This will stop the train from ‘derailing’ i.e. will keep the magnets perfectly aligned with the track. The keel could be continuous but one thin one each end is better. The form of these really depends on the materials available and will require some experimentation. Shiny plastic coated with WD‐40 may be sufficient. 

   

               

The one  above  comprised of  Teflon  sheet wrapped  around  a bolt. Drill  a hole  through  the centreline  of  the main body  and  fix  the  top with  a washer  and  nut.  The  hole  needs  to  be exactly on  the centreline or  the magnets will not be aligned properly. That will probably be enough to keep it rigid if it fits the hole snugly. Then fix the Teflon. Curl a rectangle around the bolt and pinch the ends. Mark where a bolt is needed, nearer the edge is better. Force pointed scissors etc through mark to make hole then insert a small bolt, securing with a small nut. Push onto the big bolt and tighten the small nut so the Teflon does not fall off.  

  

 

       

The completed train 

 

21

Trouble shooting   The train should now levitate nicely above the track. If built well it should not lurch to one side. When it is going well it will glide nicely with only a small push. Here are some tips.  

Apply WD‐40 to keels and sides of the guide rails on the track.  

Make sure the grain has not come out on the guide rails. Sand down if necessary.  

Knots may rise up above the surface of the guide rails. Remove or sand down.  

The sellotape may have buckled up over time, possibly due to the above. Reapply if necessary.  

The magnets may not be aligned, possibly due to off centre drill holes in the main body. Get them right first time or remake the main body!  

The keel may be too long. This will cause it to ground out, especially when the load increases e.g. from a battery. Trim carefully in increments until it is OK.  

The keel may wobble, especially if the drill hole was too big. A washer/bolt below may be the answer.  

The small bolts holding the Teflon to the bolt may be grinding out on the track. If so cut the top off the Teflon to move them up.  

The gap in the guide may be variable. Careful construction will prevent this!  

The keel may be too wide (will get stuck) or too narrow (will flap about). It should have a tiny amount of play at all times, ideally around 1mm. To achieve this packing out or using a smaller diameter bolt may be the solution.  

 You will hopefully now have a train that can glide nicely when given a small push. 

 

22

The Propulsion System   A really neat propulsion system would involve some kind of linear motor, like on real maglev systems. A d.c.  linear motor would  require some electronic expertise as Hall devices and op amps would be required along with a push pull amplifier and electromagnet. This would be time consuming, even  if you know what to do. The method below is far simpler.   

Battery Powered Fan   

Materials  

Propeller 

A 3V or 6V d.c. motor. Most physics departments will have these, otherwise order from a 

science or electronic supplier (e.g. Rapid) 

Wire, crocodile clips 

Angle brackets, screws 

Gaffer tape 

Large 6V cell (battery) 

Soldering iron 

 1. Strip the ends of 25cm of insulated wire. Solder one end to the motor, fix the other end to a 

crocodile clip.  

2. A simple and inexpensive plastic propeller can be bought from a model shop. Push onto the motor. If you have a selection of motors, now is a good time to test them to see which is best.  

 

3. Fix to main body. At first it can simply 

be taped to the 6V cell but it helps if the motor is mounted on a tower when different arrangements are being considered. This can be improvised from any old piece of wood e.g. 120x30x18mm MDF. It is best fixed with some brackets and screws. Play around with the battery and tower to get the train balanced. 

23

 Solar Powered Fan  

  This is a nice solution as it makes students think about sustainable ways of creating electricity and also ways minimising power loses (due to friction).  PVs do not produce much current so connect a few in parallel and try it on a sunny summer’s day. 

  Materials 

Track and train as before minus battery 

2, 3 or 4 PVs     

 The PVs used here are double flexible ones from www.pluggingintothesun.org.uk @ £22 each Note: there are loads of other ideas for schools. The solar model cars are really good.  Method  

Connect 3 PVs in parallel (Google ‘parallel circuit’ if you are not sure) 

Put the 3 PVs on the train so they are angled into the sun  

   

 

24

Costings   

 Track:            £ Contiboard      B&Q          3.90 Magnets for 2m track:   Philip Harris    80x50p   40.00 Screws     B&Q          4.44 2 guide planks   B&Q      2x1.60 3.20 Gaffer tape      B&Q          3.98   Train 6mm MDF sheet    B&Q          6.48 6V “lantern battery”    rapid          1.85 3V high power motor  rapid          0.54 Propeller       model shop        1.25 Magnets for 30 cm train:   Philip Harris    12x0.5 6.00 Metal brackets              3.49 Screws     B&Q          1.25   3flexible PVs   The Rapid/Philip Harris items may incur p&p charges    

For short videos of the working systems follow these links: 

maglev1.AVI 

maglev2.AVI 

   

25

Evaluation 

 

The maglev track is a very good topic for a STEM club for the following reasons: 

 

Magnetic levitation is an interesting subject which grabs pupils attention 

The basic design is quite simple making appropriate for GCSE students or above. 

The limiting factor is the practical skills of the students rather than academic knowledge. 

The main activities involve drilling, screwing, measuring and sticking. 

With the materials and plans available, a group will be able to rapidly build a model with 

minimal equipment 

There are many ways to make improvements  

A large model is produced, appropriate for open day etc 

The  costs  are  relatively  low.  The  bulk  of  the money  is  for magnets which  a  physics 

department could use afterwards if the no longer needed. 

 

Notes:  

1. A good group size is about 6 students. 

 

2. The model  could  be made  in  10  hours,  depending  on  how  focused  and  accurate  the 

students were. With a willing group, a whole school year could be used improving on the 

design.   

 

3. It does require some teacher input to keep it going as some students are keen to get on 

and make a lot of errors, especially in screwing the pieces together. Leaving it all to the 

students will not work. As they cannot operate tools well, they will not progress very well 

and may  lose  interest. With  some  teacher  guidance  they will  have  the  confidence  to 

design and manufacture components accurately. 

 4. Breaking the team up into proper roles is a good idea so club members have ownership 

over parts of the model. 

 5. Investigating other avenues at the same time by another group is good to create a buzz 

of ideas. See next section 

26

Other avenues for a maglev club 

 

Adaptations to track idea 

Design better guides to reduce friction. 

Design and make a lightweight body for the train to make it more train like. 

Curved track. Could be done with plastic rulers held in place by brackets. Firstly, different 

arcs  of  curvature  can  be  investigated  to  see what works. Minimising  friction will  be 

important, so will redesigning the keels. 

Linear motor  to  propel  train  along  track with magnets. Would  be  fiddly  to make  but 

would be really neat  if  it worked. Some electronic would be necessary. There are some 

ideas from the following link:   simple linear motor.doc 

 

Diamagnetism 

Some materials  are  diamagnetic  i.e. will  always  repel magnets. Diamagnetism  can  be 

used to capture a permanent magnet  in a  field to  levitate  it.   The  following  link  is to a 

document found on the internet:   diamagnetic levitation.docx 

 

Electromagnet levitation 

Real maglev systems use electromagnets with a control system. They change magnetic 

strength with proximity to a magnet to maintain a separation. 

A sixth form group of electronic students tried to make a  ‘simple’  levitator. The control 

system worked  but  there was  a  problem with  the  transistor,  possibly  because  it was 

switching  the  large  electromagnet  on  and  off  at  1000Hz.  They  ran  out  of  time  but  it 

would be an exceptional demonstration piece if it worked. Should only be undertaken if 

op‐amps and 555 timers are well understood. 

For a detailed step by step guide on how to make an electromagnetic levitator follow this 

link:  electromagnet levitation.docx