Zawieszenie elektromagnetyczne

Pływający globus. Lewitacja magnetyczna z pętlą sprzężenia zwrotnego.

Zawieszenie elektromagnetyczne ( EMS ) to lewitacja magnetyczna obiektu uzyskiwana poprzez ciągłą zmianę natężenia pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnesy za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego . W większości przypadków efekt lewitacji wynika głównie z magnesów trwałych, ponieważ nie mają one żadnego rozpraszania mocy, a elektromagnesy służą jedynie do stabilizacji efektu.

Zgodnie z twierdzeniem Earnshawa ciało namagnesowane paramagnetycznie nie może pozostawać w stabilnej równowadze, gdy jest umieszczone w dowolnej kombinacji pól grawitacyjnych i magnetostatycznych . W tego rodzaju polach istnieje niestabilny stan równowagi. Chociaż pola statyczne nie mogą zapewnić stabilności, EMS działa poprzez ciągłą zmianę prądu wysyłanego do elektromagnesów, aby zmienić siłę pola magnetycznego i umożliwia stabilną lewitację. W EMS pętla sprzężenia zwrotnego , która w sposób ciągły dostosowuje jeden lub więcej elektromagnesów w celu skorygowania ruchu obiektu, służy do anulowania niestabilności.

Wiele systemów wykorzystuje przyciąganie magnetyczne ciągnące w górę wbrew grawitacji w przypadku tego rodzaju systemów, ponieważ zapewnia to pewną nieodłączną stabilność boczną, ale niektóre wykorzystują połączenie przyciągania magnetycznego i odpychania magnetycznego, aby pchnąć w górę.

Technologia lewitacji magnetycznej jest ważna, ponieważ zmniejsza zużycie energii, w dużej mierze zmniejsza tarcie. Pozwala również uniknąć zużycia i ma bardzo niskie wymagania konserwacyjne. Zastosowanie lewitacji magnetycznej jest najbardziej znane ze swojej roli w Maglev .

Historia

Samuel Earnshaw był tym, który odkrył w 1839 r., że „naładowane ciało umieszczone w polu elektrostatycznym nie może lewitować w stabilnej równowadze pod wpływem samych sił elektrycznych”. Podobnie, ze względu na ograniczenia przenikalności , nie można osiągnąć stabilnego zawieszenia lub lewitacji w statycznym polu magnetycznym za pomocą układu magnesów trwałych lub elektromagnesów o stałym prądzie . Rozszerzenie Braunbecka (1939) stwierdza, że ​​system magnesów trwałych musi również zawierać materiał diamagnetyczny lub nadprzewodnik , aby uzyskać stabilną, statyczną lewitację magnetyczną lub zawieszenie.

Emile Bachelet zastosował twierdzenie Earnshawa i rozszerzenie Braunbecka oraz ustabilizował siłę magnetyczną, kontrolując natężenie prądu oraz włączając i wyłączając zasilanie elektromagnesów przy żądanych częstotliwościach. W marcu 1912 roku uzyskał patent na „lewitujący aparat nadawczy” (patent nr 1 020 942). Jego wynalazek miał początkowo zostać zastosowany w mniejszych systemach przenoszenia poczty, ale potencjalne zastosowanie w większych pojazdach przypominających pociągi jest z pewnością oczywiste.

W 1934 roku Hermann Kemper zastosował koncepcję Bachelet na dużą skalę, nazywając ją „pojazdem jednoszynowym bez przyczepionych kół”. Na swój wynalazek uzyskał patent Rzeszy nr 643316 i przez wielu uważany jest za wynalazcę maglev.

W 1979 roku pociąg Transrapid z zawieszeniem elektromagnetycznym przewoził pasażerów przez kilka miesięcy jako pokaz na 908-metrowym torze w Hamburgu na pierwszą Międzynarodową Wystawę Transportową (IVA 79).

Pierwszy komercyjny pociąg Maglev do rutynowej obsługi został otwarty w Birmingham w Anglii w 1984 roku, wykorzystując zawieszenie elektromagnetyczne i liniowy silnik indukcyjny do napędu.

Tło

Elektromagnesy

Główny artykuł: Elektromagnes

Gdy prąd przepływa przez przewód, wokół tego przewodu generowane jest pole magnetyczne . Siła generowanego pola magnetycznego jest proporcjonalna do prądu płynącego przez drut. Kiedy drut jest zwinięty, to generowane pole magnetyczne jest skoncentrowane przez środek cewki. Siłę tego pola można znacznie zwiększyć, umieszczając materiał ferromagnetyczny w środku cewki. Tym polem można łatwo manipulować, przepuszczając zmienny prąd w przewodzie. Dlatego połączenie magnesów trwałych z elektromagnesami jest optymalnym rozwiązaniem dla celów lewitacji. Aby zmniejszyć średnie zapotrzebowanie na moc, często zawieszenie elektromagnetyczne jest używane tylko do stabilizacji lewitacji, a statyczna siła nośna wbrew grawitacji jest zapewniana przez wtórny system magnesów trwałych, często przyciągany w kierunku stosunkowo niedrogiego miękkiego materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazo lub stal.

Informacja zwrotna

Położenie zawieszonego obiektu można wykryć optycznie lub magnetycznie, czasami można zastosować inne schematy.

Obwód sprzężenia zwrotnego steruje elektromagnesem, aby spróbować utrzymać zawieszony obiekt we właściwej pozycji.

Jednak zwykłe sterowanie położeniem zwykle prowadzi do niestabilności ze względu na małe opóźnienia czasowe w indukcyjności cewki i wykrywaniu położenia. W praktyce więc obwód sprzężenia zwrotnego musi wykorzystywać zmianę położenia w czasie, aby określić i wytłumić prędkość.

Aplikacje

Maglev

System Transrapid wykorzystuje serwomechanizmy do wyciągania pociągu spod torów i utrzymywania stałego odstępu podczas jazdy z dużą prędkością

Maglev (lewitacja magnetyczna) to system transportowy, w którym pojazd jest zawieszony na szynie prowadzącej na zasadzie zawieszenia elektromagnetycznego. Maglev ma tę zaletę, że jest cichszy i płynniejszy niż transport kołowy ze względu na wyeliminowanie znacznej części fizycznego kontaktu między kołami a torem. Ponieważ maglev wymaga szyny prowadzącej, jest najczęściej używany w szynowych systemach transportowych, takich jak pociągi.

Odkąd pierwszy komercyjny pociąg maglev został otwarty w Birmingham w Anglii w 1984 r., inne komercyjne systemy pociągów maglev EMS, takie jak M-Bahn i Transrapid , również zostały wprowadzone do ograniczonego użytku. (Pociągi Maglev oparte na zawieszenia elektrodynamicznego również zostały opracowane i wdrożone.) Z możliwym wyjątkiem 30,5-kilometrowego pociągu Maglev w Szanghaju , zbudowano główne dalekobieżne trasy EMS maglev.

Aktywne łożysko magnetyczne

Podstawowa operacja dla pojedynczej osi
Główny artykuł: Aktywne łożysko magnetyczne

Aktywne łożysko magnetyczne (AMB) działa na zasadzie zawieszenia elektromagnetycznego i składa się z zespołu elektromagnesu , zestawu wzmacniaczy mocy, które dostarczają prąd do elektromagnesów, sterownika i czujników szczeliny wraz z powiązaną elektroniką dostarczającą sprzężenia zwrotnego wymaganego do sterowania łożyskiem. położenie wirnika w szczelinie. Elementy te pokazano na schemacie. Wzmacniacze mocy dostarczają równy prąd polaryzacji do dwóch par elektromagnesów po przeciwnych stronach wirnika. W tym ciągłym przeciąganiu liny pośredniczy kontroler, który kompensuje prąd polaryzacji przez równe, ale przeciwne zakłócenia prądu, gdy wirnik odchyla się o niewielką wartość od swojego położenia środkowego.

Czujniki szczeliny mają zwykle charakter indukcyjny i wykrywają w trybie różnicowym. Wzmacniacze mocy w nowoczesnych zastosowaniach komercyjnych to urządzenia półprzewodnikowe, które działają w z modulacją szerokości impulsu (PWM). Kontrolerem jest zazwyczaj mikroprocesor lub DSP .

Pomoc w uruchomieniu statku kosmicznego

NASA opracowuje pomoc startową wykorzystującą system lewitacji magnetycznej do napędzania statku kosmicznego. Zwolennicy wspomagania startu maglev twierdzą, że pozwala to zaoszczędzić na kosztach projektowania i wystrzelenia, zapewniając jednocześnie bezpieczniejszą metodę wystrzeliwania.

Zobacz też

  1. ^ a b V Jayawant. W Atsugi Unisia Corporation, Brighton BNl 9QT, Wielka Brytania. Szkoła Inżynierii i Nauk Stosowanych, University of Sussex. Zawieszenie elektromagnetyczne i lewitacja.
  2. ^ KX Quian, P. Zeng, WM Ru, HY Yuan (2005) Nowe koncepcje i nowy projekt stałych obrotowych pomp krwi do sztucznego serca Maglev, inżynieria medyczna i fizyka 28 (2006) 383-388
  3. ^ „Espacenet - oryginalny dokument” . na całym świecie.espacenet.com .
  4. ^ Pojazdy startowe XXI wieku przetestowane jako startowe AIf. (1999/12/13). Tydzień lotnictwa i technologia kosmiczna, 151 (24), 78.

Linki zewnętrzne

Zawieszenie elektromagnetyczne BOSE:

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetic_suspension&oldid=1079775792 ”