Электродинамическая подвеска ( EDS ) - это форма магнитной левитации, при которой есть проводники, которые подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это индуцирует вихревые токи в проводниках, которые создают отталкивающее магнитное поле, разделяющее два объекта.
Эти изменяющиеся во времени магнитные поля могут быть вызваны относительным движением двух объектов. Во многих случаях одно магнитное поле представляет собой постоянное поле, такое как постоянный магнит или сверхпроводящий магнит , а другое магнитное поле индуцируется из-за изменений поля, которые происходят при движении магнита относительно проводника в другом объекте.
Электродинамическая подвеска также может возникать, когда электромагнит, приводимый в действие источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле, в некоторых случаях это поле создает линейный асинхронный двигатель .
EDS используется для поездов на магнитной подвеске , таких как японский SCMaglev . Он также используется для некоторых классов подшипников с магнитной подвеской.
Типы [ править ]
За прошедшие годы было использовано множество примеров этого.
Бедфордский левитатор [ править ]
В этой ранней конфигурации, разработанной Бедфордом, Пером и Тонксом в 1939 году, алюминиевая пластина размещена на двух концентрических цилиндрических катушках и приводится в действие переменным током. При правильных параметрах пластина демонстрирует стабильную 6-осевую левитацию. [1]
Таяние левитации [ править ]
В 1950-х годах была разработана технология, при которой небольшие количества металла поднимались и плавились под действием магнитного поля в несколько десятков кГц. Змеевик представлял собой металлическую трубу, по которой циркулировал хладагент. Форма в целом была конической, с плоской вершиной. Это позволило использовать инертную атмосферу и было коммерчески успешным. [1]
Линейный асинхронный двигатель [ править ]
Эрик Лэйтуэйт и его коллеги взяли левитатор Бедфорда и постепенно разработали и улучшили его.
Сначала они сделали левитатор длиннее по одной оси и смогли сделать левитатор, который был нейтрально устойчивым по одной оси и устойчивым по всем другим осям.
Дальнейшее развитие включало замену однофазного тока возбуждения на линейный асинхронный двигатель, сочетающий левитацию и тягу.
Более поздние системы «поперечного потока» в его лаборатории Имперского колледжа , такие как Магнитная река, позволили избежать большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные толстые железные опорные пластины при очень длинных полюсах, за счет закрытия пути потока в поперечном направлении за счет расположения двух противоположных длинных полюсов. полюса рядом. Они также смогли разбить первичную обмотку левитатора на удобные секции, что упростило сборку и транспортировку. [2]
Нулевой поток [ править ]
Системы с нулевым потоком работают за счет наличия катушек, которые подвергаются воздействию магнитного поля, но намотаны, как показано на рисунке 8, и аналогичных конфигураций, так что при относительном движении между магнитом и катушками, но центрированном, ток не течет, поскольку потенциал компенсируется. Когда они смещены не по центру, течет ток, и катушка создает сильное поле, которое стремится восстановить расстояние.
Эти схемы были предложены Пауэллом и Дэнби в 1960-х годах, и они предположили, что сверхпроводящие магниты могут использоваться для создания необходимого высокого магнитного давления.
Inductrack [ править ]
Inductrack - это пассивная , отказоустойчивая система магнитной левитации , в которой для достижения магнитной левитации используются только обесточенные петли проводов на рельсах и постоянные магниты (организованные в массивы Хальбаха ) . Путь может быть в одной из двух конфигураций: «лестничный путь» и «ламинированный путь». Лестничная дорожка сделана из кабелей Litz без источника питания, а многослойная дорожка сделана из сложенных друг на друга медных или алюминиевых листов.
Существует две конструкции: Inductrack I, оптимизированный для работы на высоких скоростях, и Inductrack II, более эффективный на более низких скоростях.
Электродинамический подшипник [ править ]
Электродинамические подшипники (EDB) - это подшипники нового типа, использующие пассивную магнитную технологию. Для работы EDB не требуется управляющая электроника. Они работают за счет электрических токов, генерируемых движением, вызывающих восстанавливающую силу.
Использует [ редактировать ]
Маглев [ править ]
В поездах на магнитной подвеске EDS и рельс, и поезд создают магнитное поле, и поезд левитирует за счет силы отталкивания между этими магнитными полями. Магнитное поле в шлейфе создается либо сверхпроводящими магнитами (как в SCMaglev ), либо массивом постоянных магнитов (как в Inductrack ). Сила отталкивания в дорожке создается индуцированным магнитным полем в проводах или других проводящих полосах на дорожке. Основным преимуществом отталкивающих магнитных систем является их естественная устойчивость - незначительное сужение.Расстояние между гусеницей и магнитами создает сильные силы, отталкивающие магниты обратно в их исходное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно снижает силу и снова возвращает транспортное средство в правильное положение. [2] Нет необходимости в управлении с обратной связью.
Отталкивающие системы также имеют серьезный недостаток. На малых скоростях ток, индуцируемый в этих катушках из-за медленного изменения магнитного потока во времени, недостаточно велик для создания отталкивающей электромагнитной силы, достаточной, чтобы выдержать вес поезда. Кроме того, энергоэффективность ЭЦП на низкой скорости невысока. [3]По этой причине поезд должен иметь колеса или какое-либо другое шасси для поддержки поезда до тех пор, пока он не достигнет скорости, способной выдержать левитацию. Поскольку поезд может остановиться в любом месте, например, из-за проблем с оборудованием, весь путь должен выдерживать как низкоскоростную, так и высокоскоростную работу. Другой недостаток заключается в том, что отталкивающая система естественным образом создает поле на гусенице спереди и сзади от подъемных магнитов, которые действуют против магнитов и создают форму сопротивления. Обычно это вызывает беспокойство только на низких скоростях; на более высоких скоростях эффект не успевает полностью раскрыть свой потенциал, и преобладают другие формы сопротивления. [2]
Однако сила сопротивления может быть использована для преимущества электродинамической системы, поскольку она создает переменную силу в рельсах, которую можно использовать в качестве реактивной системы для приведения в движение поезда, без необходимости в отдельной реактивной пластине, как в большинстве линейных двигателей. системы.
В качестве альтернативы движущие катушки на направляющих используются для приложения силы к магнитам в поезде и движения поезда вперед. Катушки силовой установки, которые воздействуют на поезд, фактически являются линейным двигателем : переменный ток, протекающий через катушки, создает непрерывно изменяющееся магнитное поле, которое движется вперед по рельсам. Частота переменного тока синхронизирована, чтобы соответствовать скорости поезда. Смещение между полем, создаваемым магнитами на поезде, и приложенным полем создает силу, перемещающую поезд вперед.
Принципы [ править ]
Когда проводящий контур испытывает изменение магнитного поля, из закона Ленца и законом Фарадея , изменение магнитного поля генерирует эдс (EMF) по контуру. Для синусоидального возбуждения эта ЭДС опережает поле на 90 градусов по фазе, достигая пика там, где изменения наиболее быстрые (а не когда они самые сильные):
- [4]
где N - количество витков проволоки (для простой петли это 1), а Φ B - магнитный поток в сетке, проходящей через одну петлю.
Поскольку поле и потенциалы не совпадают по фазе, возникают силы притяжения и отталкивания, и можно ожидать, что полезная подъемная сила не возникнет. Однако, хотя ЭДС находится под углом 90 градусов к приложенному магнитному полю, контур неизбежно имеет индуктивность. Этот индуктивный импеданс имеет тенденцию задерживать пиковый ток на фазовый угол, зависящий от частоты (поскольку индуктивный импеданс любого контура увеличивается с частотой).
где K - полное сопротивление катушки, L - индуктивность, а R - сопротивление, фактический вывод фазы можно вычислить как арктангенс произведения ωL / R, а именно. , стандартное подтверждение вывода фазы в одноконтурной цепи RL.
Но:
где I - ток.
Таким образом, на низких частотах фазы в основном ортогональны, а токи ниже, и никакого значительного подъема не возникает. Но на достаточно высокой частоте преобладает индуктивный импеданс, и ток и приложенное поле практически совпадают, и этот ток создает магнитное поле, противоположное приложенному, и это позволяет левитацию.
Однако, поскольку индуктивный импеданс увеличивается пропорционально частоте, увеличивается и ЭДС, поэтому ток стремится к пределу, когда сопротивление мало по сравнению с индуктивным импедансом. Это также ограничивает подъемную силу. Таким образом, мощность, используемая для левитации, в значительной степени постоянна с частотой. Однако существуют также вихревые токи из-за конечного размера проводников, используемых в катушках, и они продолжают расти с частотой.
Поскольку энергия, запасенная в воздушном зазоре, может быть вычислена из HB / 2 (или μ 0 H 2/2 ), умноженного на объем воздушного зазора, сила, приложенная к воздушному зазору в направлении, перпендикулярном нагрузке ( а именно , сила которая непосредственно противодействует гравитации) задается пространственной производной (= градиентом ) этой энергии. Объем воздушного зазора равна площадь поперечного сечения , умноженная на ширину воздушного зазора, так что ширина сокращается , и мы остались с отлагательной силой ц 0 H 2 площади поперечного сечения / 2 раза в воздушном зазоре, который означает, что максимальная переносимая нагрузка изменяется как квадрат плотности магнитного поля магнита, постоянного или иного, и изменяется прямо как площадь поперечного сечения.
Стабильность [ править ]
Статический [ править ]
В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическую левитацию можно сделать 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 применимой петли гистерезиса, частотно-зависимая изменчивость поведения должна иметь минимальное значение для тех магнитных материалов, которые могут быть использованы.
Динамический [ править ]
Эта форма маглева может вызвать колебание левитирующего объекта, вызванное сопротивлением, и это колебание всегда происходит с достаточно высокой скоростью. Эти колебания могут быть довольно серьезными и могут привести к выходу из строя подвески.
Однако внутреннее демпфирование на уровне системы часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах. [5]
В качестве альтернативы добавление легких настроенных демпферов массы может предотвратить возникновение проблем с колебаниями. [6]
Также может использоваться электронная стабилизация. [7]
См. Также [ править ]
- Электромагнитная подвеска
- Электродинамическое колесо
- Inductrack
Ссылки [ править ]
- ^ a b Laithwaite, Эрик Р. (февраль 1975 г.). «Линейные электрические машины - личное мнение». Труды IEEE . 63 (2): 250–290. Bibcode : 1975IEEEP..63..250L . DOI : 10,1109 / PROC.1975.9734 . S2CID 20400221 .
- ^ a b c «Маглев: как они сбивают поезда с земли» , Popular Science , декабрь 1973 г., стр. 135.
- ^ Фланкл, Майкл; Веллердик, Тобиас; Тюйсюз, Арда и Колар, Иоганн В. (ноябрь 2017 г.). «Законы масштабирования электродинамической подвески при высокоскоростном транспорте». Электроэнергетические приложения ИЭПП . 12 (3): 357–364. DOI : 10,1049 / МТВ-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
- ^ Нэйв, Карл Р. "Закон Фарадея" . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 29 августа 2011 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Обзор динамической устойчивости системы подвески Maglev с силой отталкивания Я. Цай и DM Rote Energy Technology Division Argonne National Laboratory
- ^ Устойчивость вертикальных колебаний электродинамической подвесной системы с дискретной структурой направляющих В. А. Дзензерский, А. А. Зевин, Л. А. Филоненко
- ^ http://www.deboeij.com/docs/TransMag_deboeij_control_3dof_maglev.pdf
