Электромагнитная тяга ( ЭМИ ) - это принцип ускорения объекта с помощью протекающего электрического тока и магнитных полей . Электрический ток используется для создания либо противной магнитное поле, или зарядить поле, которое затем может быть отталкивается. Когда ток течет через проводник в магнитном поле, возникает электромагнитная сила, известная как сила Лоренца., толкает проводник в направлении, перпендикулярном проводнику и магнитному полю. Эта отталкивающая сила - это то, что вызывает движение в системе, разработанной, чтобы воспользоваться этим явлением. Термин «электромагнитная тяга» (ЭМИ) может быть описан ее отдельными компонентами: электромагнитным - с использованием электричества для создания магнитного поля, и движением - с процессом приведения в движение 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, достигаемым с помощью электродвигателей, заключается в том, что электрическая энергия, используемая для ЭМИ, не используется для производства энергии вращения для движения; хотя оба используют магнитные поля и текущий электрический ток.
Наука об электромагнитной силовой установке не берет начало от какого-то одного человека и находит применение во многих различных областях. Мысль об использовании магнитов для приведения в движение продолжается 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] Текущее применение можно увидеть в поездах на магнитной подвеске и военном рельсотроне . Другие приложения, которые до сих пор не используются широко или все еще находятся в разработке, включают ионные двигатели для низкоорбитальных спутников и магнитогидродинамический привод для кораблей и подводных лодок.
История
Одно из первых зарегистрированных открытий, касающихся электромагнитного движения, было в 1889 году, когда профессор Элиху Томсон обнародовал свою работу с электромагнитными волнами и переменными токами. [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 Эрик Робертс Лэйтуэйт 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 по всему миру поспешили создать первый высокоскоростной рельс. [4] [5] С 1984 по 1995 год первая коммерческая автоматизированная система магнитной подвески работала в Бирмингеме. [ необходима цитата ] Это был низкоскоростной шаттл на маглеве, который курсировал от международного аэропорта Бирмингема до международной системы железных дорог Бирмингема. [ цитата необходима ] В СССР в начале 1960-х в Институте гидродинамики, Новосибирск, Россия, проф. В.Ф. Минин заложил экспериментальные основы электромагнитного разгона тел до гиперзвуковой скорости. [6] [ конфликтующий источник ]
Использует
Поезда
Электромагнитная тяга используется в транспортных системах для минимизации трения и увеличения скорости на больших расстояниях. Это в основном реализовано в системах высокоскоростных рельсов, в которых используется линейный асинхронный двигатель для привода поездов с помощью магнитных токов. Его также использовали в тематических парках для создания скоростных американских горок и водных аттракционов.
Маглев
В поезде на магнитной подушке первичная обмотка находится под реакционной пластиной. [7] Между ними имеется воздушный зазор 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 вызывает изменение полярности магнитного поля. [8] Это тянет поезд вперед спереди и толкает поезд вперед сзади. [9]
Типичный поезд на маглеве стоит три цента за пассажиро-милю или семь центов за тонно-милю (без учета затрат на строительство). [10] Для сравнения: 15 центов за пассажиро-милю при путешествии самолетом и 30 центов за тонную милю для междугородних грузовиков. [10] Гусеницы Maglev обладают высокой долговечностью благодаря минимальному трению и равномерному распределению веса. [8] Большинство из них служат не менее 50 лет и в течение этого времени не требуют значительного обслуживания. [11] Поезда на маглеве рекламируются за их энергоэффективность, поскольку они работают на электричестве, которое может быть произведено с помощью угля, ядерной энергии, гидроэнергетики, термоядерной энергии, энергии ветра или солнца без использования нефти. [4] В среднем большинство поездов движется со скоростью 483 км / ч (300 миль в час) и расходует 0,4 мегаджоуля на пассажиро-милю. [10] Если взять автомобиль объемом 20 миль / галлон и вместимостью 1,8 человека, то поездка на автомобиле обычно составляет 97 км / ч (60 миль в час) и расходуется 4 мегаджоуля на пассажиро-милю. [10] Выбросы диоксида углерода зависят от метода производства электроэнергии и использования топлива . Многие методы производства возобновляемой электроэнергии производят мало углекислого газа или вообще не производят его (хотя углекислый газ может выделяться во время производства компонентов, например стали, используемой в ветряных турбинах). Поезд движется значительно тише, чем другие поезда, грузовики или самолеты. [5]
Сборка: линейный асинхронный двигатель
Линейный асинхронный двигатель состоит из двух частей: первичной обмотки и сборки реакционной пластины. [8] [11] Узел первичной обмотки состоит из фазных обмоток, окруженных стальными пластинами, и включает термодатчик внутри термального эпоксидного материала. [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 обеспечивает отсутствие трения в электромагнитной двигательной установке. [7] [11] Работа линейного асинхронного двигателя начинается с силы переменного тока, которая подается на обмотки катушки в первичном узле катушки. [4] Это создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует ток в реакционной пластине, которая затем создает собственное магнитное поле. [9] Магнитные поля в первичной обмотке и реакционной пластине чередуются, что создает силу и прямое линейное движение. [11]
Космический корабль
Существует множество применений технологий ЭМИ в аэрокосмической сфере. Многие из этих приложений на данный момент являются концептуальными, однако есть также несколько приложений, которые варьируются от ближайшего будущего до следующего столетия. [12] Одним из таких приложений является использование ЭМИ для точной настройки орбитальных спутников. Одна из этих конкретных систем основана на прямом взаимодействии собственного электромагнитного поля транспортного средства и магнитного поля Земли. Сила тяги может рассматриваться как электродинамическая сила взаимодействия электрического тока внутри его проводников с приложенным естественным полем Земли. [13] Для достижения большей силы взаимодействия магнитное поле должно распространяться дальше от летательного аппарата. Преимущества таких систем - очень точный и мгновенный контроль силы тяги. Вдобавок ожидаемый электрический КПД намного выше, чем у современных химических ракет, которые развивают тягу за счет промежуточного использования тепла; это приводит к низкой эффективности и большому количеству газообразных загрязнителей. [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, что и другие электрические машины, при этом исключая выброс любого вещества в окружающую среду. [14]
Текущее отношение тяги к массе этих систем относительно низкое. Тем не менее, поскольку они не требуют реактивной массы, масса автомобиля постоянна. Кроме того, тяга может быть постоянной при относительно низком потреблении электроэнергии. [13] Самым большим ограничением будет в основном электрическая проводимость материалов для создания необходимых значений тока в двигательной установке.
Корабли и подводные лодки
EMP и его приложения для морских кораблей и подводных лодок исследуются по крайней мере с 1958 года, когда Уоррен Райс подал патент, объясняющий технологию US 2997013. [15] Технология, описанная Райсом, предусматривала зарядку корпуса самого судна. Позднее конструкция была усовершенствована, позволив воде проходить через подруливающие устройства, как описано в более позднем патенте Джеймса Менга US 5333444.. [16] Устройство состоит из водяного канала, открытого с обоих концов, проходящего в продольном направлении через судно или прикрепленного к нему, средства для создания магнитного поля по всему водяному каналу, электродов на каждой стороне канала и источника питания для передачи постоянного тока через него. канал перпендикулярен магнитному потоку в соответствии с силой Лоренца. [17]
Лифтов
Бескабельные лифты с ЭМИ, способные перемещаться как вертикально, так и горизонтально, были разработаны немецкой инженерной фирмой Thyssen Krupp для использования в высотных зданиях с высокой плотностью застройки. [18] [19]
Смотрите также
- Coilgun
- Магнитогидродинамика
- Рейлган
Рекомендации
- ^ Манро, Джон (1897). Путешествие на Венеру (изд. IndyPublish, 2007 г.). Лондон: Jarrold & Sons. С. 26–28.
- ^ а б «Изобретатель недели - Элиу Томсон» . Февраль 2002. Архивировано из оригинала на 2003-04-15.
- ^ a b Harding, R, & Darroch, D. (2003, май). Коллекция Эмиля Бачелет. Извлекаются из «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2010-03-11 . Проверено 10 марта 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ a b c d Джеймс Р. Пауэлл доктор философии (2002). Извлекаются из «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2010-06-01 . Проверено 10 марта 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ а б Пауэлл, Дж. И Дэнби, Г. (2005). «Маглев - новый вид транспорта 21 века» . Журнал "Наука и технологии 21 века" .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Шипилов, С.Е .; Якубов В.П. (2018). История технической защиты. 60 лет в науке: к юбилею проф. В.Ф. Минина . IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия. 363 . IOP Publishing . п. 012033. Bibcode : 2018MS & E..363a2033S . DOI : 10,1088 / 1757-899X / 363/1 / 012033 .
- ^ а б в Бонсор, К. (13 октября 2010 г.). «Как работают поезда Маглев» .
- ^ a b c Глюкман Р. (nd). Это птица? самолет?. Получено с gluckman.com
- ^ а б «Шанхайский суперпоезд совершает первое путешествие» . BBC News . 31 декабря 2002 г.
- ^ а б в г д "Левитирующая железная дорога Бачелет" . Природа . 93 (2324): 273. 1914. Bibcode : 1914Natur..93Q.273. . DOI : 10.1038 / 093273a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 11904735 .
- ^ a b c d e Lmac - линейный асинхронный двигатель переменного тока. (2010). Извлекаются из «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2010-01-05 . Проверено 10 марта 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ Байерс, округ Колумбия (1984). Программа электрического движения НАСА. JSASS / AIAA / DGLR 17-я Международная конференция по электродвигателям, 1-9.
- ^ а б Пулатов, Валентин (апрель 2001 г.). «Магнитные двигательные установки». Прогресс в аэрокосмических науках . 37 (3): 245–261. Bibcode : 2001PrAeS..37..245P . DOI : 10.1016 / S0376-0421 (01) 00006-9 . ISSN 0376-0421 .
- ^ а б Пулатов, Валентин (январь 2005 г.). «Физика магнитных двигателей». Прогресс в аэрокосмических науках . 41 (1): 64–91. Bibcode : 2005PrAeS..41 ... 64P . DOI : 10.1016 / j.paerosci.2005.02.003 . ISSN 0376-0421 .
- Перейти ↑ Rice, WA (1961). Патент США № 2997013. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.
- ^ Мэн, JCS (1994). Патент США № 5333444. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро по патентам и товарным знакам США.
- ^ Friauf, JB (1961). Электромагнитная силовая установка корабля. Американское общество морских инженеров - журнал, 73 (1), 139-142.
- ^ «МУЛЬТИ - Безканатная лифтовая система - thyssenkrupp Elevator» . multi.thyssenkrupp-elevator.com . Thyssen Krupp . Архивировано из оригинала 19 января 2019 года . Проверено 19 октября 2017 года .
- ^ Кондлифф, Джейми (23 июня 2017 г.). «Первый в мире бескабельный лифт увеличивает горизонтальное и вертикальное масштабирование с помощью технологии Maglev» . MIT Technology Review . Массачусетский технологический институт . Проверено 19 октября 2017 года .