Электромагнитная тяга
Электромагнитное движение ( ЭМИ ) – это принцип ускорения объекта за счет использования протекающего электрического тока и магнитных полей . Электрический ток используется либо для создания противоположного магнитного поля, либо для зарядки поля, которое затем можно отталкивать. Когда ток течет через проводник в магнитном поле, электромагнитная сила, известная как сила Лоренца , толкает проводник в направлении, перпендикулярном проводнику и магнитному полю. Именно эта сила отталкивания вызывает движение в системе, предназначенной для использования этого явления. Термин электромагнитное движение (ЭМИ) можно описать отдельными его компонентами: электромагнитное – использование электричества для создания магнитного поля и движение – процесс движения чего-либо. Когда в качестве движущегося проводника используется жидкость (жидкость или газ), движение можно назвать магнитогидродинамическим приводом . Одно из ключевых различий между ЭМИ и движением электродвигателей заключается в том, что электрическая энергия, используемая для ЭМИ, не используется для производства энергии. вращательная энергия движения; хотя оба используют магнитные поля и текущий электрический ток.
Наука об электромагнитном движении не исходит от какого-то одного человека и находит применение во многих различных областях. Идея использования магнитов для движения существует и по сей день, и о ней мечтали, по крайней мере, с 1897 года, когда Джон Манро опубликовал свой вымышленный рассказ «Путешествие на Венеру». [1] можно увидеть в поездах на магнитной подвеске и военных рельсотронах . Другие приложения, которые до сих пор не получили широкого распространения или все еще находятся в разработке, включают ионные двигатели для низкоорбитальных спутников и магнитогидродинамический привод для кораблей и подводных лодок.
История
[ редактировать ]Одно из первых зарегистрированных открытий, касающихся электромагнитного движения, было сделано в 1889 году.
когда профессор Элиху Томсон обнародовал свою работу с электромагнитными волнами и переменным током. [2] [3] Несколько лет спустя Эмиль Бачелет предложил идею металлического вагона, парящего в воздухе над рельсами современной железной дороги, которую он продемонстрировал в начале 1890-х годов. [2] [3] В 1960-х годах Эрик Робертс Лейтуэйт разработал линейный асинхронный двигатель , основанный на этих принципах, и представил первое практическое применение электромагнитной тяги. [4] В 1966 году Джеймс Р. Пауэлл и Гордон Дэнби запатентовали сверхпроводящую транспортную систему на магнитной подвеске , и после этого инженеры всего мира ринулись создавать первую высокоскоростную железную дорогу. [4] [5] С 1984 по 1995 год первая коммерческая автоматизированная система на магнитной подвеске работала в Бирмингеме. [ нужна ссылка ] Это был низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске, курсировавший из международного аэропорта Бирмингема до международной железнодорожной системы Бирмингема. [ нужна ссылка ] В СССР в начале 1960-х годов в Институте гидродинамики, г.Новосибирск, Россия, проф. В. Ф. Минин заложил экспериментальные основы электромагнитного ускорения тел до гиперзвуковой скорости. [6] [ противоречивый источник ]
Использование
[ редактировать ]Поезда
[ редактировать ]
Электромагнитная тяга используется в транспортных системах для минимизации трения и максимизации скорости на больших расстояниях. В основном это реализовано в высокоскоростных железнодорожных системах, в которых используется линейный асинхронный двигатель для приведения поездов в движение магнитными токами. Его также использовали в тематических парках для создания высокоскоростных американских горок и водных аттракционов.
Маглев
В поезде на магнитной подвеске первичная катушка находится под реактивной пластиной. [7] Между ними имеется воздушный зазор размером 1–10 см (0,39–3,93 дюйма), который устраняет трение и позволяет развивать скорость до 500 км/ч (310 миль в час). [7] На катушки подается переменный электрический ток, который создает изменение полярности магнитного поля. [8] Это тянет поезд вперед спереди и толкает поезд вперед сзади. [9]
Типичный поезд на магнитной подвеске стоит три цента за пассажиро-милю или семь центов за тонно-милю (не включая затраты на строительство). [10] Для сравнения: 15 центов за пассажиро-милю при путешествии на самолете и 30 центов за тонно-милю при поездке на междугородних грузовиках. [10] Гусеницы Maglev имеют высокий срок службы благодаря минимальному трению и равномерному распределению веса. [8] Большинство из них служат не менее 50 лет и в течение этого времени не требуют особого обслуживания. [11] Поезда на магнитной подвеске рекламируются за свою энергоэффективность , поскольку они работают на электричестве, которое можно производить с помощью угля, атомной, гидроэнергии, термоядерного синтеза, ветра или солнечной энергии без необходимости использования нефти. [4] В среднем большинство поездов движутся со скоростью 483 км/ч (300 миль в час) и расходуют 0,4 мегаджоуля на пассажиро-милю. [10] Если для сравнения использовать автомобиль с объемом двигателя 20 миль/галлон и количеством человек 1,8, то поездка на автомобиле обычно составляет 97 км/ч (60 миль в час) и расходуется 4 мегаджоуля на пассажиро-милю. [10] Выбросы углекислого газа зависят от метода производства электроэнергии и использования топлива . Многие методы производства электроэнергии из возобновляемых источников практически не выделяют углекислый газ во время производства или вообще не выделяют его (хотя углекислый газ может выделяться во время производства компонентов, например, стали, используемой в ветряных турбинах). Ход поезда значительно тише, чем у других поездов, грузовиков или самолетов. [5]
Сборка: Линейный асинхронный двигатель
Линейный асинхронный двигатель состоит из двух частей: узла первичной катушки и реактивной пластины. [8] [11] Сборка первичной катушки состоит из фазовых обмоток, окруженных стальными пластинами, и включает термодатчик, заключенный в термоэпоксидную смолу. [10] Реакционная пластина состоит из алюминиевой или медной пластины толщиной 3,2 мм (0,125 дюйма), прикрепленной к холоднокатаному стальному листу толщиной 6,4 мм (0,25 дюйма). [11] Между этими двумя частями имеется воздушный зазор, который создает свойство отсутствия трения, свойственное электромагнитной двигательной системе. [7] [11] Функционирование линейного асинхронного двигателя начинается с силы переменного тока, которая подается на обмотки катушки в сборе первичной катушки. [4] Это создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует ток в реакционной пластине, которая затем создает собственное магнитное поле. [9] Магнитные поля в сборке первичной катушки и реактивной пластине чередуются, что создает силу и прямое линейное движение. [11]
Космический корабль
[ редактировать ]Существует множество применений технологий ЭМИ в аэрокосмической сфере. Многие из этих приложений на данный момент носят концептуальный характер, однако есть также несколько приложений, которые варьируются от краткосрочной перспективы до следующего столетия. [12] Одним из таких приложений является использование ЭМИ для управления точной регулировкой орбитальных спутников. Одна из таких систем основана на прямом взаимодействии собственного электромагнитного поля автомобиля и магнитного поля Земли. Силу тяги можно рассматривать как электродинамическую силу взаимодействия электрического тока внутри его проводников с приложенным естественным полем Земли. [13] Чтобы достичь большей силы взаимодействия, магнитное поле должно распространяться дальше от летательного аппарата. Плюсами таких систем является очень точный и мгновенный контроль силы тяги. Кроме того, ожидаемый электрический КПД намного выше, чем у нынешних химических ракет, которые обеспечивают движение за счет промежуточного использования тепла; это приводит к низкой эффективности и большому количеству газообразных загрязняющих веществ. [14] Электрическая энергия в катушке системы ЭМИ преобразуется в потенциальную и кинетическую энергию посредством прямого преобразования энергии. Это приводит к тому, что система имеет такой же высокий КПД, как и другие электрические машины, исключая при этом выброс каких-либо веществ в окружающую среду. [14]
Текущая тяговооруженность этих систем относительно невысока. Тем не менее, поскольку для них не требуется реактивная масса, масса транспортного средства постоянна. Кроме того, тяга может быть непрерывной при относительно низком потреблении электроэнергии. [13] Самым большим ограничением будет, главным образом, электрическая проводимость материалов для создания необходимых значений тока в двигательной установке.
Корабли и подводные лодки
[ редактировать ]ЭМИ и его применение на морских кораблях и подводных лодках исследуются по крайней мере с 1958 года, когда Уоррен Райс подал патент, описывающий эту технологию. [15] Технология, описанная Райс, предполагала зарядку самого корпуса судна. Позже конструкция была усовершенствована, позволив воде течь через подруливающие устройства, как описано в более позднем патенте Джеймса Менга. [16] Устройство состоит из водного канала, открытого с обоих концов, проходящего в продольном направлении через судно или прикрепленного к нему, средства для создания магнитного поля по всему водному каналу, электродов на каждой стороне канала и источника энергии для подачи постоянного тока через канал на под прямым углом к магнитному потоку в соответствии с силой Лоренца. [17]
Лифты
[ редактировать ]Бескабельные лифты с использованием ЭМИ, способные перемещаться как по вертикали, так и по горизонтали, были разработаны немецкой инжиниринговой фирмой Thyssen Krupp для использования в высотных зданиях с высокой плотностью застройки. [18] [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Манро, Джон (1897). Путешествие на Венеру (изд. IndyPublish, 2007 г.). Лондон: Джаррольд и сыновья. стр. 26–28.
- ^ Jump up to: а б «Изобретатель недели – Элиху Томсон» . Февраль 2002 г. Архивировано из оригинала 15 апреля 2003 г.
- ^ Jump up to: а б Хардинг Р. и Дэррок Д. (май 2003 г.). Коллекция Эмиля Бачелет. Получено из «Коллекции технологий, изобретений и инноваций» . Архивировано из оригинала 11 марта 2010 г. Проверено 10 марта 2010 г.
- ^ Jump up to: а б с д Джеймс Р. Пауэлл, доктор философии. (2002). Получено из «Джеймс Пауэлл — Премия Института Франклина — База данных лауреатов» . Архивировано из оригинала 1 июня 2010 г. Проверено 10 марта 2010 г.
- ^ Jump up to: а б Пауэлл, Дж.; Дэнби, Г. (2005). «Маглев — новый вид транспорта 21 века» . Журнал «Наука и технологии XXI века» .
- ^ Шипилов, С.Э.; Якубов, ВП (2018). История технической защиты. 60 лет в науке: к юбилею профессора В. Ф. Минина . Конференция ИОП. Серия: Материаловедение и инженерия. Том. 363. Издательство ИОП . п. 012033. Бибкод : 2018MS&E..363a2033S . дои : 10.1088/1757-899X/363/1/012033 .
- ^ Jump up to: а б с Бонсор, К. (13 октября 2010 г.). «Как работают поезда Маглев» .
- ^ Jump up to: а б с Глюкман, Р. (nd). Это птица? самолет?. Получено с сайта gluckman.com.
- ^ Jump up to: а б «Шанхайский суперпоезд совершает первое путешествие» . Новости Би-би-си . 31 декабря 2002 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «Левитирующая железная дорога Бачелет» . Природа . 93 (2324): 273. 1914. Бибкод : 1914Natur..93Q.273. . дои : 10.1038/093273a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 11904735 .
- ^ Jump up to: а б с д и Lmac – линейный асинхронный двигатель переменного тока. (2010). Получено из «LMAC — линейный асинхронный двигатель переменного тока: Baldor, лидер в области управления движением, сервоприводов, линейных двигателей, энергоэффективных электродвигателей и приводов с регулируемой скоростью» . Архивировано из оригинала 5 января 2010 г. Проверено 10 марта 2010 г.
- ^ Байерс, округ Колумбия (1984). Программа НАСА по электродвижению. 17-я Международная конференция по электродвижению JSASS/AIAA/DGLR, 1-9.
- ^ Jump up to: а б Пулатов, Валентин (апрель 2001 г.). «Магнитные двигательные установки». Прогресс аэрокосмических наук . 37 (3): 245–261. Бибкод : 2001ПрАэС..37..245П . дои : 10.1016/S0376-0421(01)00006-9 . ISSN 0376-0421 .
- ^ Jump up to: а б Пулатов, Валентин (январь 2005 г.). «Физика магнитного движения». Прогресс аэрокосмических наук . 41 (1): 64–91. Бибкод : 2005ПрАэС..41...64П . дои : 10.1016/j.paerosci.2005.02.003 . ISSN 0376-0421 .
- ^ США 2997013 , Райс, Уоррен А., «Движительная система», опубликовано 22 августа 1961 г., передано Карлу Э. Гребе и изобретателю.
- ^ США 5333444 , Мэн, Джеймс CS, «Сверхпроводящий электромагнитный двигатель», опубликован 2 августа 1994 г., передан министру ВМС США.
- ^ Фриауф, JB (1961). Электромагнитная двигательная установка корабля. Американское общество военно-морских инженеров – журнал, 73 (1), 139–142.
- ^ «МУЛЬТИ – Безканатная лифтовая система – Тиссенкрупп Лифт» . multi.thyssenkrupp-elevator.com . Тиссен Крупп . Архивировано из оригинала 19 января 2019 года . Проверено 19 октября 2017 г.
- ^ Кондлифф, Джейми (23 июня 2017 г.). «Первый в мире бескабельный лифт масштабируется по горизонтали и вертикали с использованием технологии Maglev» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Массачусетский технологический институт . Проверено 19 октября 2017 г.
| Основные статьи |  | |
|---|---|---|
| Технологии | ||
| Связанные понятия | ||
| Соревнования | ||
| Люди | ||
| Организации | ||