Электродинамическая суспензия

Электродинамическая суспензия ( EDS ) является формой магнитной левитации , в которой существуют проводники, которые подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это вызывает вихревые токи в проводниках, которые создают отталкивающее магнитное поле , которое разместит два объекта.

Эти различные временные магнитные поля могут быть вызваны относительным движением между двумя объектами. Во многих случаях одно магнитное поле представляет собой постоянное поле, такое как постоянный магнит или сверхпроводящий магнит , а другое магнитное поле индуцируется из изменений поля, которые возникают при перемещении магнита относительно проводника в другом объекте.

Электродинамическая суспензия также может возникнуть, когда электромагнит, приводимый в движение электрическим источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле, в некоторых случаях линейный индукционный двигатель генерирует поле.

EDS используется для поездов Maglev , таких как японский SCMaglev . Он также используется для некоторых классов магнитно -левитированных подшипников.

Типы

Многие примеры этого были использованы на протяжении многих лет.

Бедфорд Левитатор

В этой ранней конфигурации Bedford, Peer и Tonks 1939 года алюминиевая пластина помещается на две концентрические цилиндрические катушки и приводится в движение с током переменного тока. Когда параметры верны, на пластине наблюдается 6-осевая стабильная левитация. ^{[ 1 ]}

Левитация таяния

В 1950 -х годах была разработана методика, где небольшие количества металла были подняты и растоплены магнитным полем из нескольких десятков кГц. Катушка представляла собой металлическую трубу, позволяющая распространять охлаждающую жидкость. Общая форма была в целом конической, с плоским верхом. Это позволило использовать инертную атмосферу, и было коммерчески успешным. ^{[ 1 ]}

Линейный индукционный двигатель

Эрик Лейтвейт и его коллеги взяли левитатор Бедфорда, а также поэтапно и улучшили его.

Сначала они сделали левитатор дольше вдоль одной оси и смогли сделать левитатор, который был нейтрально стабильным вдоль одной оси, и стабильный вдоль всех других оси.

Дальнейшее развитие включало замену однофазного энергичного тока энергией на линейный индукционный двигатель , который комбинировал левитация и тягу.

Позже системы «Траверного потока» в своей лаборатории имперских колледжей , таких как магнитная река, избегала большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные толстые железные пластины при наличии очень длинных полюсов, путем закрытия пути потока в боковом направлении, организуя два противоположных длинных полюса бок о бок. Они также смогли разбить первичный левитатор на удобные участки, которые облегчали строительство и транспортировку. ^{[ 2 ]}

Нулевой поток

Системы нулевого потока работают, имея катушки, которые подвергаются воздействию магнитного поля, но намотаны на рисунке 8 и аналогичных конфигурациях, так что, когда существует относительное движение между магнитом и катушками, но центрируется, никаких потоков тока с момента отмены потенциального отмены. Когда они вытесняются за пределами центра, катушка создает ток и сильное поле, которое имеет тенденцию восстанавливать расстояние.

Эти схемы были предложены Пауэллом и Данби в 1960 -х годах, и они предположили, что сверхпроводящие магниты могут быть использованы для создания необходимого магнитного давления.

Индуст

Индуктор-это пассивная , безопасная система магнитной левитации , использующую только безымянные петли провода в дорожке и постоянные магниты (расположенные в массивах Halbach ) на транспортном средстве для достижения магнитной левитации . Трек может быть в одной из двух конфигураций, «лестничной дорожки» и «ламинированной дорожки». Лестничная дорожка изготовлена из неофициальных проволочных кабелей Litz , а ламинированная дорожка сделана из сложенных медных или алюминиевых листов.

Существует две конструкции: индуктивность I, которая оптимизирована для высокоскоростной работы, и Inductrack II, который более эффективен на более низких скоростях.

Электродинамический подшипник

Электродинамические подшипники (EDB) - это новый тип подшипника, который является пассивной магнитной технологией. EDB не требуют управления электроникой для работы. Они работают по электрическим токам, генерируемым движением, вызывающим восстановление силы.

Использование

Маглев

Поезд JR Central Scmaglev использует электродинамическую левитация на основе нулевого потока на основе магнитов.

В поездах Eds Maglev как рельс, так и поезда оказывают магнитное поле, и поезд левитируется отталкивающей силой между этими магнитными полями. Магнитное поле в поезде производится либо сверхпроводящими магнитами (как в SCMaglev ), либо массивом постоянных магнитов (как при индустке ). Отталкивающая сила в трассе создается индуцированным магнитным полем в проводах или других проводящих полосках на трассе. Основным преимуществом отталкивающих систем Maglev является то, что они естественно стабильны - незначительное сужение на расстоянии между трассой и магнитами создает сильные силы, чтобы отталкивать магниты обратно в их первоначальное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно уменьшает силу и снова Возвращает транспортное средство в правильное разделение. ^{[ 2 ]} Управление обратной связью не обязательно не требуется.

Отталкивающие системы также имеют серьезный недостаток. На медленных скоростях ток, вызванный в этих катушках медленным изменением магнитного потока относительно времени, недостаточно большой, чтобы получить отталкивающую электромагнитную силу, достаточную для поддержки веса поезда. Более того, энергоэффективность для ЭД на низкой скорости низкая. ^{[ 3 ]} По этой причине поезд должен иметь колеса или какую -то другую форму шасси для поддержки поезда, пока он не достигнет скорости, которая может поддерживать левитация. Поскольку поезд может остановиться в любом месте, например, из-за проблем с оборудованием, вся трасса должна быть в состоянии поддерживать как низкоскоростную, так и высокоскоростную работу. Другим недостатком является то, что отталкивающая система, естественно, создает поле спереди спереди и сзади лифтовых магнитов, которые действуют против магнитов и создают форму сопротивления. Как правило, это только беспокойство на низких скоростях; На более высоких скоростях эффект не имеет времени, чтобы наращивать полный потенциал и другие формы сопротивления. ^{[ 2 ]}

Однако сила сопротивления может использоваться в пользу электродинамической системы, однако, поскольку она создает различную силу в рельсах, которые можно использовать в качестве реакционной системы для вождения поезда, без необходимости отдельной реакционной пластины, как в большинстве линейных двигателей система

В качестве альтернативы, двигательные катушки на направлениях используются для применения силы на магнитах в поезде и заставить поезд двигаться вперед. Движильные катушки, которые оказывают силу на поезде, представляют собой линейный двигатель : переменный ток, протекающий через катушки, генерирует непрерывно изменяющееся магнитное поле, которое движется вперед по дорожке. Частота переменного тока синхронизируется в соответствии с скоростью поезда. Смещение между полем, проявляемым магнитами на поезде, и приложенным полевым полем создает силу, движущуюся поездом вперед.

Принципы

Когда проводящая петля испытывает изменяющееся магнитное поле, от закона Ленца и закона Фарадея , изменение магнитного поля генерирует электродвижущую силу (ЭДС) вокруг цепи. Для синусоидального возбуждения этот ЭДС составляет 90 градусов, поэтапно поэтапно, пик, где изменения наиболее быстрые (а не когда это сильнее всего):

{\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}

^{[ 4 ]}

где n - количество поворотов провода (для простой петли это 1), а φ _b - магнитный поток в Вебере через один петлей.

Поскольку поле и потенциалы находятся вне фазы, производится как привлекательные, так и отталкивающие силы, и можно ожидать, что не будет сгенерирован чистый лифт. Однако, хотя EMF находится на 90 градусах до приложенного магнитного поля, цикл неизбежно обладает индуктивностью. Этот индуктивный импеданс имеет тенденцию задержать ток пика путем фазового угла, зависящего от частоты (поскольку индуктивный импеданс любого петли увеличивается с частотой).

K=R+i\omega L\,

Если k - импеданс катушки, L - индуктивность, а R - это сопротивление, фактическое фазовое свинец производится как обратная касательная продукта ωl/r, а именно. , Стандартное фазовое свинцовое доказательство в схеме RL с одной петлей.

Но:

{\mathcal {E}}=IK

где я текущий.

Таким образом, на низких частотах фазы в значительной степени ортогональны, а токи ниже, и нет значительного подъема. Но на достаточной высокой частоте индуктивный импеданс доминирует, а ток и приложенное поле практически находятся в линии, и этот ток генерирует магнитное поле, которое противоречит приложенному, и это позволяет левитировать.

Однако, поскольку индуктивный импеданс увеличивается пропорционально с частотой, так же, как и EMF, то ток имеет тенденцию к ограничению, когда сопротивление невелико по сравнению с индуктивным импедансом. Это также ограничивает силу лифта. Поэтому мощность, используемая для левитации, в значительной степени постоянна с частотой. Тем не менее, существуют также вихревые токи из -за конечного размера проводников, используемых в катушках, и они продолжают расти с частотой.

Поскольку энергия, хранящаяся в воздушном зазоре, может быть рассчитана на HB/2 (или μ ₀ H ²/2) Временный объем воздушного зазора, сила, приложенная через воздушный зазор в направлении, перпендикулярном нагрузке ( а именно , сила, которая непосредственно противодействует гравитации), дается пространственным производным (= градиент ) этой энергии. Объем воздушного залета равен площади поперечного сечения, умноженной на ширину воздушного зазора, поэтому ширина отменяется, и у нас остается подвеска μ ₀ H ²/2 раза площадь поперечного сечения воздуха, что означает, что максимальная пропускная нагрузка варьируется как квадрат плотности магнитного поля магнита, постоянная или иначе и изменяется непосредственно как площадь поперечного сечения.

Стабильность

Статический

В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическая левитация может быть стабильной. Электродинамическая левитация с металлическими проводниками демонстрирует форму диамагнетизма , и может быть достигнута относительная проницаемость около 0,7 (в зависимости от частоты и конфигурации проводника). Учитывая детали применимого цикла гистерезиса, частотно-зависимая изменчивость поведения должна иметь минимальное значение для тех магнитных материалов, которые могут быть развернуты.

Динамика

Эта форма маглева может привести к тому, что левитированный объект подвергается вызванному сопротивлению колебаний, и это колебание всегда происходит на достаточно высокой скорости. Эти колебания могут быть довольно серьезными и могут привести к провалу подвески.

Однако демпфирование на уровне системы часто избегает этого, особенно в крупномасштабных системах. ^{[ 5 ]}

Альтернативно, добавление легких настроенных массовых амортизаторов может предотвратить проблемы со свиданиями. ^{[ 6 ]}

Электронная стабилизация также может быть использована. ^{[ 7 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} Laithwaite, Eric R. (февраль 1975 г.). «Линейные электрические машины - личный вид». Труды IEEE . 63 (2): 250–290. Bibcode : 1975ieeep..63..250l . doi : 10.1109/proc.1975.9734 . S2CID 20400221 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в «Маглев: как они получают поезда с земли» , популярная наука , декабрь 1973 г. с. 135.
^ Фланкл, Майкл; Веллердик, Тобиас; Tüysüz, Arda & Kolar, Johann W. (ноябрь 2017). «Масштабирование законов для электродинамической подвески при высокоскоростной транспортировке». IET Electric Power Applications . 12 (3): 357–364. doi : 10.1049/iet-epa.2017.0480 . S2CID 117369870 . https://www.pes-publications.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/22_scaling_laws_for_electrodynamic_suspension_flankl_accepted-version.pdf Archived 2018-01-26 на машине Wayback
^ Нев, Карл Р. "Закон Фарадея" . Гиперфизика . Грузия Государственный университет . Получено 29 августа 2011 года .
^ Обзор динамической стабильности отталкивающей системы подвесной системы Maglev Y. Cai и DM Rote Energy Technology Technology Argonne Национальная лаборатория
^ Стабильность вертикальных колебаний в электродинамической системе подвески с дискретной структурой направляющей Va Dzenserskii, AA Zevin и La Filonenko
^ «Страто - домен недоступен» (PDF) .

[personalView-1] Jump up to: ^а ^{беременный} Laithwaite, Eric R. (февраль 1975 г.). «Линейные электрические машины - личный вид». Труды IEEE . 63 (2): 250–290. Bibcode : 1975ieeep..63..250l . doi : 10.1109/proc.1975.9734 . S2CID 20400221 .

[pslaith-2] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в «Маглев: как они получают поезда с земли» , популярная наука , декабрь 1973 г. с. 135.

[EDS_power_consumption-3] Фланкл, Майкл; Веллердик, Тобиас; Tüysüz, Arda & Kolar, Johann W. (ноябрь 2017). «Масштабирование законов для электродинамической подвески при высокоскоростной транспортировке». IET Electric Power Applications . 12 (3): 357–364. doi : 10.1049/iet-epa.2017.0480 . S2CID 117369870 . https://www.pes-publications.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/22_scaling_laws_for_electrodynamic_suspension_flankl_accepted-version.pdf Archived 2018-01-26 на машине Wayback

[4] Нев, Карл Р. "Закон Фарадея" . Гиперфизика . Грузия Государственный университет . Получено 29 августа 2011 года .

[5] Обзор динамической стабильности отталкивающей системы подвесной системы Maglev Y. Cai и DM Rote Energy Technology Technology Argonne Национальная лаборатория

[6] Стабильность вертикальных колебаний в электродинамической системе подвески с дискретной структурой направляющей Va Dzenserskii, AA Zevin и La Filonenko

[7] «Страто - домен недоступен» (PDF) .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

v Т и Маглев
Технологии	Линейный индукционный двигатель Магнитная левитация Электромагнитная суспензия (EMS) Электродинамическая подвеска (ред.) Направляющий Магнитный подшипник Сервомеханизм Вихревой тормоз Отношение подъема к драгу
Система	Высокоскоростной поверхности перенос Индуст Запуск петля Влияние Startram Ловушка Scmaglev
Линии	Пекинская линия S1 Бирмингем Маглев Калифорния - Невада Межгосударственный Маглев Чанша Маглев Экспресс Чу Шинкансен Аэропорт Инчхон Маглев Покачиваясь М-Бан Северо -восточный маглев Оти туман Qingyuan Maglev ТУРИСТИЯ ЛИНИИ Шанхайский поезд Маглев Шанхай - Хангжжоу Маглев UK Ultraspeed
Транспортные несчастные случаи	Столкновение поезда с латеном
Предложения курсивом