Электродинамический подвес - Electrodynamic suspension

Прыгающие кольца поднимаются, когда переменный ток возбуждает катушку, и электродинамические силы толкают кольца вверх против силы тяжести.

Электродинамический подвес (EDS) является формой Магнитная левитация в котором есть проводники, которые подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это побуждает вихревые токи в проводниках, что создает отталкивающий магнитное поле который разделяет два объекта.

Эти изменяющиеся во времени магнитные поля могут быть вызваны относительным движением двух объектов. Во многих случаях одно магнитное поле является постоянным полем, например постоянный магнит или сверхпроводящий магнит, а другое магнитное поле индуцируется из-за изменений поля, которые происходят, когда магнит движется относительно проводника в другом объекте.

Электродинамическое подвешивание может также возникнуть, когда электромагнит, приводимый в действие источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле, в некоторых случаях линейный асинхронный двигатель генерирует поле.

EDS используется для поезда на магнитной подвеске, например, японцы СКМаглев. Он также используется для некоторых классов подшипников с магнитной подвеской.

Типы

На протяжении многих лет использовалось множество примеров этого.

Бедфорд левитатор

В этой ранней конфигурации, разработанной Бедфордом, Пером и Тонксом в 1939 году, алюминиевая пластина помещена на две концентрические цилиндрические катушки и приводится в действие переменным током. Когда параметры верны, пластина демонстрирует стабильную 6-осевую левитацию.[1]

Левитация плавления

В 1950-х годах была разработана техника, 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

Поле от линейного двигателя генерирует токи в алюминиевом или медном листе, которые создают подъемную силу, а также движущую силу.
Основная статья: линейный асинхронный двигатель

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.

Дальнейшие разработки включали замену однофазного тока возбуждения на линейный асинхронный двигатель который сочетал левитацию и тягу.

Позже системы "поперечного потока" в его Имперский колледж лаборатория, такая как Магнитная река позволяет избежать большинства проблем, связанных с необходимостью наличия длинных толстых железных опорных пластин при очень длинных полюсах, за счет закрытия пути потока потока в боковом направлении за счет расположения двух противоположных длинных полюсов рядом. Они также смогли разбить главную часть левитатора на удобные секции, которые упростили сборку и транспортировку.[2]

Нулевой поток

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, протекает 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

Основная статья: индукционная дорожка

Inductrack - это пассивный, безотказный Магнитная левитация система, использующая только обесточенные петли провода в дорожке и постоянные магниты (размещенные в Массивы Хальбаха ) на транспортном средстве для достижения Магнитная левитация. Путь может быть в одной из двух конфигураций: «лестничный путь» и «ламинированный путь». Лестничный путь выполнен из безмоторного Литц-проволока кабели, а ламинированная дорожка изготавливается из уложенных друг на друга медных или алюминиевых листов.

Существует две конструкции: Inductrack I, оптимизированный для работы на высоких скоростях, и Inductrack II, который более эффективен на более низких скоростях.

Электродинамический подшипник

Трехмерное изображение намагниченного в осевом направлении кольцевого магнита, окруженного медным цилиндром. Металлическое кольцо вокруг внешней стороны вращается, и токи, возникающие, когда оно смещено от центра относительно магнита, толкают его обратно в выравнивание.
Основная статья: электродинамический подшипник

Электродинамические подшипники (EDB) - это подшипники нового типа, использующие пассивную магнитную технологию. Для работы EDB не требуется управляющая электроника. Они работают за счет электрических токов, возникающих при движении, вызывая восстанавливающую силу.

Использует

Маглев

В поезде JR Central SCMaglev используется электродинамическая левитация на основе сверхпроводящего магнита с нулевым потоком.

В поездах EDS на магнитной подвеске и рельс, и поезд создают магнитное поле, и поезд левитирует за счет силы отталкивания между этими магнитными полями. Магнитное поле в цуге создается либо сверхпроводящими магнитами (как в СКМаглев ) или массивом постоянных магнитов (как в Inductrack ). Сила отталкивания в следе создается индуцированное магнитное поле в проводах или других токопроводящих лентах на дорожке. Основным преимуществом отталкивающих магнитных систем является их естественная стабильность - незначительная сужение Расстояние между гусеницей и магнитами создает сильные силы, отталкивающие магниты обратно в исходное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно снижает силу и снова возвращает транспортное средство на правильное расстояние.[2] Контроль обратной связи не требуется.

У отталкивающих систем есть и обратная сторона. На малых скоростях ток, индуцируемый в этих катушках из-за медленного изменения магнитного потока во времени, недостаточно велик для создания отталкивающей электромагнитной силы, достаточной для поддержки веса поезда. Кроме того, энергоэффективность ЭЦП на низкой скорости низкая.[3] По этой причине поезд должен иметь колеса или какое-либо другое шасси для поддержки поезда, 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. Еще одним недостатком является то, 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 раскрыть свой потенциал, и преобладают другие формы сопротивления.[2]

Однако сила сопротивления может быть использована в пользу 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, по сути являются линейный двигатель: переменный ток, протекающий через катушки, создает непрерывно изменяющееся магнитное поле, которое движется вперед по рельсовому пути. Частота переменного тока синхронизирована, чтобы соответствовать скорости поезда. Смещение между полем, создаваемым магнитами на поезде, и приложенным полем создает силу, перемещающую поезд вперед.

Принципы

Кривые левитации и силы тяги линейного двигателя

Когда проводящая петля испытывает изменяющееся магнитное поле, от Закон Ленца и Закон Фарадея, изменяющееся магнитное поле порождает Электродвижущая сила (ЭДС) вокруг цепи. Для синусоидального возбуждения эта ЭДС опережает поле на 90 градусов по фазе, достигая максимума там, где изменения наиболее быстрые (а не когда они самые сильные):

[4]

куда N - количество витков провода (для простой петли это 1), а ΦB магнитный поток в веберах через Один петля.

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, петля неизбежно имеет индуктивность. Этот индуктивный импеданс имеет тенденцию задерживать пиковый ток на фазовый угол, зависящий от частоты (поскольку индуктивный импеданс любой петли увеличивается с частотой).

где K - импеданс катушки, L - индуктивность, а R - сопротивление, фактический вывод фазы можно получить 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. Поэтому 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 рассчитана из HB / 2 (или μ0ЧАС2/ 2) умноженное на объем воздушного зазора, сила, приложенная к воздушному зазору в направлении, перпендикулярном нагрузке (а именно, сила, которая непосредственно противодействует гравитации) задается пространственной производной (= градиент ) этой энергии. Объем воздушного зазора равен площади поперечного сечения, умноженной на ширину воздушного зазора, поэтому ширина сокращается, и мы остаемся с подвешивающей силой μ0ЧАС2/ 2-кратная площадь поперечного сечения воздушного зазора, что означает, что максимальная переносимая нагрузка изменяется как квадрат плотности магнитного поля магнита, постоянного или иного, и изменяется прямо как площадь поперечного сечения.

Стабильность

Статический

В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическую левитацию можно сделать стабильной. Электродинамическая левитация с металлическими проводниками проявляет форму диамагнетизм, и относительная проницаемость около 0,7 может быть достигнута (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

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 отказу подвески.

Однако внутреннее демпфирование на уровне системы часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах.[5]

В качестве альтернативы добавление облегченного настроенные массовые демпферы может предотвратить возникновение проблем с колебаниями.[6]

Также может использоваться электронная стабилизация.[7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Лейтвейт, Эрик Р. (февраль 1975 г.). «Линейные электрические машины - личное мнение». Труды IEEE. 63 (2): 250–290. Bibcode:1975IEEEP..63..250L. Дои:10.1109 / PROC.1975.9734. S2CID  20400221.
  2. ^ а б c "Маглев: как они отрывают поезда от земли", Популярная наука, Декабрь 1973 г., стр. 135.
  3. ^ 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. Дои: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
  4. ^ Нейв, Карл Р. «Закон Фарадея». Гиперфизика. Государственный университет Джорджии. Получено 29 августа 2011.
  5. ^ Обзор динамической устойчивости системы подвески на маглеве с силой отталкивания Я. Кай и Д. М. Отдел энергетических технологий Аргоннская национальная лаборатория
  6. ^ Устойчивость вертикальных колебаний электродинамической подвесной системы с дискретной структурой направляющих В. А. Дзензерский, А. А. Зевин, Л. А. Филоненко
  7. ^ http://www.deboeij.com/docs/TransMag_deboeij_control_3dof_maglev.pdf