Zawieszenie elektrodynamiczne
Zawieszenie elektrodynamiczne ( EDS ) jest formą lewitacji magnetycznej , w której znajdują się przewodniki wystawione na zmienne w czasie pola magnetyczne. To indukuje prądy wirowe w przewodnikach, które wytwarzają odpychające pole magnetyczne , które oddziela dwa obiekty.
Te zmienne w czasie pola magnetyczne mogą być spowodowane względnym ruchem między dwoma obiektami. W wielu przypadkach jedno pole magnetyczne jest polem stałym, takim jak magnes stały lub magnes nadprzewodzący , a drugie pole magnetyczne jest indukowane przez zmiany pola, które występują, gdy magnes porusza się względem przewodnika w drugim obiekcie.
Zawieszenie elektrodynamiczne może również wystąpić, gdy elektromagnes napędzany prądem przemiennym wytwarza zmienne pole magnetyczne, w niektórych przypadkach liniowy silnik indukcyjny generuje pole.
EDS jest używany w pociągach maglev , takich jak japoński SCMaglev . Jest również stosowany w niektórych klasach łożysk lewitujących magnetycznie.
typy
Wiele przykładów tego zostało wykorzystanych na przestrzeni lat.
Lewitator Bedforda
W tej wczesnej konfiguracji Bedforda, Peera i Tonksa z 1939 r. Aluminiowa płyta jest umieszczona na dwóch koncentrycznych cylindrycznych cewkach i napędzana prądem przemiennym. Gdy parametry są prawidłowe, płyta wykazuje 6-osiową stabilną lewitację.
Topnienie lewitacji
W latach pięćdziesiątych XX wieku opracowano technikę, w której niewielkie ilości metalu były lewitowane i topione przez pole magnetyczne o częstotliwości kilkudziesięciu kHz. Cewka była metalową rurą, umożliwiającą cyrkulację chłodziwa. Ogólna forma była ogólnie stożkowa, z płaskim wierzchołkiem. Pozwoliło to na zastosowanie obojętnej atmosfery i odniosło komercyjny sukces.
Liniowy silnik indukcyjny
Eric Laithwaite i współpracownicy wzięli lewitator z Bedford i stopniowo go rozwijali i ulepszali.
Najpierw wydłużyli lewitator wzdłuż jednej osi i byli w stanie stworzyć lewitator, który był neutralnie stabilny wzdłuż jednej osi i stabilny wzdłuż wszystkich pozostałych osi.
Dalszy rozwój obejmował zastąpienie jednofazowego prądu zasilającego liniowym silnikiem indukcyjnym , który łączył lewitację i ciąg.
Późniejsze systemy „strumienia poprzecznego” w jego laboratorium Imperial College , takie jak rzeka magnetyczna , pozwoliły uniknąć większości problemów związanych z koniecznością posiadania długich, grubych żelaznych płyt podkładowych w przypadku bardzo długich biegunów, zamykając ścieżkę strumienia poprzecznie, ustawiając dwie przeciwległe długie słupy obok siebie. Byli również w stanie rozbić lewitator na wygodne sekcje, co ułatwiło jego budowę i transport.
Zerowy strumień
Systemy o zerowym strumieniu działają dzięki cewkom, które są wystawione na działanie pola magnetycznego, ale są uzwojone na rysunku 8 i podobnych konfiguracjach, tak że gdy występuje względny ruch między magnesem a cewkami, ale wyśrodkowany, żaden prąd nie płynie, ponieważ potencjał się znosi. Kiedy są przesunięte poza środek, płynie prąd, a cewka generuje silne pole, które ma tendencję do przywracania odstępu.
Schematy te zostały zaproponowane przez Powella i Danby'ego w latach sześćdziesiątych XX wieku i zasugerowali, że magnesy nadprzewodzące można wykorzystać do wytworzenia potrzebnego wysokiego ciśnienia magnetycznego.
Tor indukcyjny
Inductrack to pasywny , niezawodny system lewitacji magnetycznej , wykorzystujący wyłącznie niezasilane pętle drutu w torze i magnesy trwałe (ułożone w układy Halbacha ) w pojeździe w celu uzyskania lewitacji magnetycznej . Tor może występować w jednej z dwóch konfiguracji: „tor drabinkowy” i „tor laminowany”. Tor drabinkowy jest wykonany z niezasilanych litzowych , a tor laminowany jest wykonany z ułożonych w stos arkuszy miedzianych lub aluminiowych.
Istnieją dwie wersje: Inductrack I, która jest zoptymalizowana do pracy z dużą prędkością, oraz Inductrack II, która jest bardziej wydajna przy niższych prędkościach.
Łożysko elektrodynamiczne
Łożyska elektrodynamiczne (EDB) to nowy typ łożysk, który jest technologią pasywnego pola magnetycznego. EDB nie wymagają do działania żadnej elektroniki sterującej. Działają dzięki prądom elektrycznym generowanym przez ruch, powodując siłę przywracającą.
Używa
Maglev
W pociągach EDS maglev zarówno szyna, jak i pociąg wywierają pole magnetyczne, a pociąg jest lewitowany przez siłę odpychania między tymi polami magnetycznymi. Pole magnetyczne w pociągu jest wytwarzane przez magnesy nadprzewodzące (jak w SCMaglev ) lub przez układ magnesów trwałych (jak w Inductrack ). Siła odpychania w torze jest wytwarzana przez indukowane pole magnetyczne w przewodach lub innych taśmach przewodzących w torze. Główną zaletą odpychających systemów maglev jest to, że są one naturalnie stabilne — niewielkie zwężenie odległości między torem a magnesami wytwarza silne siły, które odpychają magnesy z powrotem do ich pierwotnego położenia, podczas gdy niewielki wzrost odległości znacznie zmniejsza siłę i ponownie przywraca pojazd do właściwej separacji. Kontrola sprzężenia zwrotnego nie jest koniecznie potrzebna.
Systemy odpychające mają również poważną wadę. Przy niskich prędkościach prąd indukowany w tych cewkach przez powolną zmianę strumienia magnetycznego w czasie nie jest wystarczająco duży, aby wytworzyć odpychającą siłę elektromagnetyczną wystarczającą do utrzymania ciężaru pociągu. Ponadto efektywność energetyczna EDS przy niskiej prędkości jest niska. Z tego powodu pociąg musi mieć koła lub inną formę podwozia, aby utrzymać pociąg, dopóki nie osiągnie prędkości, która może utrzymać lewitację. Ponieważ pociąg może zatrzymać się w dowolnym miejscu, na przykład z powodu problemów ze sprzętem, cały tor musi być w stanie obsługiwać zarówno operacje z małą, jak i dużą prędkością. Kolejną wadą jest to, że system odpychający w naturalny sposób tworzy pole na torze z przodu iz tyłu magnesów podnoszących, które działają przeciwko magnesom i tworzą formę oporu. Jest to generalnie problem tylko przy niskich prędkościach; przy wyższych prędkościach efekt nie ma czasu na rozwinięcie pełnego potencjału i dominują inne formy oporu.
Siłę oporu można jednak wykorzystać na korzyść układu elektrodynamicznego, ponieważ wytwarza ona zmienną siłę w szynach, którą można wykorzystać jako układ reakcyjny do napędzania pociągu, bez potrzeby stosowania oddzielnej płyty reakcyjnej, jak w większości silników liniowych systemy.
Alternatywnie cewki napędowe na prowadnicy są wykorzystywane do wywierania siły na magnesy w pociągu i wprawiania pociągu w ruch do przodu. Cewki napędowe, które wywierają siłę na pociąg, są w rzeczywistości silnikiem liniowym : prąd przemienny przepływający przez cewki generuje stale zmieniające się pole magnetyczne, które porusza się do przodu wzdłuż toru. Częstotliwość prądu przemiennego jest synchronizowana w celu dopasowania do prędkości pociągu. Przesunięcie między polem wywieranym przez magnesy na pociąg a przyłożonym polem tworzy siłę poruszającą pociąg do przodu.
Zasady
Kiedy przewodząca pętla doświadcza zmieniającego się pola magnetycznego, zgodnie z prawem Lenza i prawem Faradaya , zmieniające się pole magnetyczne generuje siłę elektromotoryczną (EMF) wokół obwodu. W przypadku wzbudzenia sinusoidalnego to pole elektromagnetyczne jest przesunięte fazowo o 90 stopni przed polem, osiągając maksimum tam, gdzie zmiany są najszybsze (a nie wtedy, gdy jest najsilniejsze):
gdzie N to liczba zwojów drutu (dla prostej pętli jest to 1), a Φ B to strumień magnetyczny w Webersach przechodzący przez pojedynczą pętlę.
Ponieważ pole i potencjały są przesunięte w fazie, wytwarzane są zarówno siły przyciągania, jak i odpychania, i można się spodziewać, że nie zostanie wygenerowana siła nośna netto. Jednakże, chociaż pole elektromagnetyczne jest ustawione pod kątem 90 stopni do przyłożonego pola magnetycznego, pętla nieuchronnie ma indukcyjność. Ta impedancja indukcyjna ma tendencję do opóźniania prądu szczytowego o kąt fazowy zależny od częstotliwości (ponieważ impedancja indukcyjna dowolnej pętli rośnie wraz z częstotliwością).
gdzie K to impedancja cewki, L to indukcyjność, a R to rezystancja, przy czym rzeczywisty przebieg fazy można wyprowadzić jako odwrotność stycznej iloczynu ωL/R, tj. , standardowy dowód ołowiu fazowego w obwodzie RL z pojedynczą pętlą.
Ale:
gdzie ja to prąd.
Zatem przy niskich częstotliwościach fazy są w dużej mierze ortogonalne, a prądy niższe i nie jest generowany żaden znaczący wzrost. Ale przy wystarczająco wysokiej częstotliwości dominuje impedancja indukcyjna, a prąd i przyłożone pole są praktycznie w jednej linii, a prąd ten generuje pole magnetyczne przeciwne do przyłożonego, co pozwala na lewitację.
Jednakże, ponieważ impedancja indukcyjna wzrasta proporcjonalnie do częstotliwości, podobnie jak EMF, więc prąd dąży do granicy, gdy rezystancja jest mała w stosunku do impedancji indukcyjnej. Ogranicza to również siłę nośną. Moc używana do lewitacji jest zatem w dużej mierze stała z częstotliwością. Istnieją jednak również prądy wirowe ze względu na skończony rozmiar przewodników stosowanych w cewkach, które nadal rosną wraz z częstotliwością.
00 Ponieważ energię zmagazynowaną w szczelinie powietrznej można obliczyć z HB/2 (lub μH2 / 2 ) razy objętość szczeliny powietrznej, siła przyłożona do szczeliny powietrznej w kierunku prostopadłym do ładunku ( tj. siła, która bezpośrednio przeciwdziała grawitacji) jest określona przez pochodną przestrzenną (= gradient ) tej energii. Objętość szczeliny powietrznej jest równa polu przekroju poprzecznego pomnożonemu przez szerokość szczeliny powietrznej, więc szerokość jest anulowana i zostajemy z siłą zawieszającą μ H 2 /2 razy pole przekroju poprzecznego szczeliny powietrznej, co oznacza to maksymalne znośne obciążenie zmienia się jako kwadrat gęstości pola magnetycznego magnesu, stałego lub innego, i zmienia się bezpośrednio jako pole przekroju poprzecznego.
Stabilność
Statyczny
W przeciwieństwie do konfiguracji prostych magnesów trwałych, lewitację elektrodynamiczną można ustabilizować. Lewitacja elektrodynamiczna z metalowymi przewodnikami wykazuje formę diamagnetyzmu i można osiągnąć względną przepuszczalność około 0,7 (w zależności od częstotliwości i konfiguracji przewodnika). Biorąc pod uwagę szczegóły odpowiedniej pętli histerezy, zmienność zachowania zależna od częstotliwości powinna mieć minimalne znaczenie dla tych materiałów magnetycznych, które prawdopodobnie zostaną rozmieszczone.
Dynamiczny
Ta forma maglev może powodować, że lewitujący obiekt podlega oscylacji wywołanej oporem, a oscylacja ta zawsze występuje z wystarczająco dużą prędkością. Oscylacje te mogą być dość poważne i mogą spowodować awarię zawieszenia.
Jednak nieodłączne tłumienie na poziomie systemu może często temu zapobiec, szczególnie w systemach o dużej skali.
Alternatywnie, dodanie lekkich, dostrojonych amortyzatorów masowych może zapobiec problematycznym oscylacjom.
Można również zastosować stabilizację elektroniczną.