Содержание
Поезда на магнитной подвеске используют магнетизм, чтобы левитировать над рельсами, по которым они движутся. Они быстрее, эффективнее и экологичнее современных колесных поездов. Вполне возможно, что в один прекрасный день технология на магнитной подвеске станет обычным явлением во всем мире. В этой статье рассматривается история этих поездов, как они работают, а также их преимущества и недостатки. В нем также обсуждается важность электротехники в разработке маглева и то, как инженеры-электрики могут сделать эту технологию следующей транспортной революцией.
История маглева
Фундаментальные идеи, лежащие в основе технологии маглев, можно проследить еще в начале 20-го века. Много работы было вложено в закладку фундамента для этих поездов, включая разработку электрических двигателей и исследования в области магнетизма. Несколько ученых, а именно Роберт Годдард и Эмиль Бачелет, даже осмелились предложить транспортное средство, которое будет плавать с помощью магнитов (Yadav, 2013). В 1934 году немец по имени Герман Кемпер получил патент на первую концепцию магнитного левитирующего поезда (Yadav, 2013). Только в 1960-х годах эта идея начала по-настоящему проявляться. В это время Германия и Япония начали исследовать потенциал маглева. В 70-80-е годы обе страны добились больших успехов в разработке этих поездов. Германия построила и испытала ряд прототипов систем на магнитной подвеске и назвала их конструкцию «Трансрапид» (Рис.1). На испытательном треке поезда развивали скорость более 250 миль в час (402 км / ч) (Luu, 2005). Япония также испытала две серии своих собственных конструкций, названных ML-500, а затем MLU. Их поезда могли развивать скорость более 300 миль в час (483 км / ч) (Luu, 2005).
Трансрапид на испытательном центре в Германии под Бременом. Источник: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0
Япония продолжала развивать свою технологию маглева в 90-е годы и далее. Они протестировали новую серию под названием MLX, которая в 2003 году преодолела 350 миль в час (563 км / ч) (Yadav, 2013). В стране не было создано коммерческих линий, но они все еще проводят исследования. В Германии в 1992 году была предложена коммерческая Трансрапидная линия, соединяющая Берлин и Гамбург. Однако в 2000 году правительство закрыло этот проект (Luu, 2005). Однако не все было потеряно, поскольку китайцы обратили на это внимание и поручили немцам построить Трансрапидный поезд в Шанхае. Шанхайский маглев (Рис. 2), который стал результатом этого предприятия, в настоящее время является единственным высокоскоростным поездом на магнитной подвеске в коммерческом использовании. Он перевозит пассажиров на расстояние 19 миль (30 км) за 8 минут, достигая максимальной скорости более 250 миль в час (431 км в час) (Coates, 2004). Таким образом, Китай быстро стал крупным игроком на мировом рынке маглев. Страна планирует продолжить развитие своей инфраструктуры на магнитной подвеске.
Шанхайский маглев покидает Международный аэропорт Пудун, а железнодорожная карта Шанхайской транзитной карты показывает маршрут до Лонъян-Роуд. Источники коллажа: © Alex Needham / Public Domain and Metropedia
Как это работает?
Поезда на магнитной подвеске не имеют ни колес, ни рельсов. Как показано на рисунке 3, у них есть направляющие, и они плывут по этим направляющим, даже не касаясь их.
Сравнение колесно-рельсовых и направляющих. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
Существует три основных компонента для достижения функциональности маглева: левитация, движение и наведение (как показано ниже).
Левитация, движение и наведение в маглеве. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
Левитация
Левитация-это способность поезда оставаться подвешенным над рельсами. Существует два важных типа технологии левитации:
Электромагнитная подвеска (ЭМС). Использует притягательные магнитные силы. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
Электродинамической подвеске (EDS). Использует отталкивающие магнитные силы. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
Движения
Движущая сила-это сила, которая толкает поезд вперед. Маглев использует электрический линейный двигатель для достижения движущей силы. Обычный электрический роторный двигатель использует магнетизм для создания крутящего момента и вращения оси. Он имеет неподвижную часть, статор, который окружает вращающуюся часть, Ротор. Статор используется для создания вращающегося магнитного поля. Это поле вызывает вращательную силу на роторе, которая заставляет его вращаться. Линейный двигатель-это просто развернутая версия этого двигателя (см. рис. 7). Статор лежит ровно, а Ротор покоится над ним. Вместо вращающегося магнитного поля статор генерирует поле, которое перемещается по его длине. Точно так же вместо вращающей силы Ротор испытывает линейную силу, которая тянет его вниз по Статору. Таким образом, электрический линейный двигатель непосредственно производит движение по прямой. Однако этот двигатель может создавать силу только тогда, когда Ротор находится над статором. Как только Ротор достигает конца, он перестает двигаться.
Роторный двигатель против линейного двигателя. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
При описании линейного двигателя обычно используется термин «первичный» вместо «статор» и «вторичный» вместо «Ротор».» В поездах на магнитной подвеске вторичный элемент прикреплен к днищу вагонов, а первичный-к направляющей. Таким образом, магнитное поле посылается вниз по направляющей, и оно тянет поезд за собой. Таким образом, вся длина пути на магнитной подвеске может рассматриваться как часть двигателя поезда. Система, которая была описана до сих пор, представляет собой линейный асинхронный двигатель (Лим). Он называется так потому, что магнитное поле в первичной обмотке индуцирует магнитное поле во вторичной. Именно взаимодействие между исходным полем и индуцированным полем заставляет вторичное притягиваться. Однако в этой конфигурации вторичное всегда несколько отстает от движущегося поля в первичном. Это отставание является источником потери энергии и скорости. В линейном синхронном двигателе (ЛСМ) запаздывание устраняется путем присоединения постоянных магнитов к вторичной обмотке. Поскольку вторичная обмотка теперь производит свое собственное стационарное магнитное поле, она движется вниз по первичной обмотке синхронно с движущимся полем—отсюда и название этого варианта двигателя (Gieras, 2011). Поскольку Lsm быстрее и эффективнее, они являются двигателем выбора в высокоскоростных поездах на магнитной подвеске (Lee, 2006).
Руководство
Руководство-это то, что удерживает поезд в центре над направляющей. Для высокоскоростного маглева используются отталкивающие магнитные силы (рис. 8). В Трансрапиде есть два электромагнитных рельса, расположенных на поезде по обе стороны направляющей. Эти рельсы удерживают поезд от слишком большого отклонения от курса (Lee, 2006). В MLX наведение связано с системой левитации. Левитационные рельсы по обе стороны поезда соединены друг с другом. Благодаря этой связи, когда поезд приближается к одной стороне, возникает восстанавливающая сила, которая толкает его обратно к центру. Таким образом MLX по как левитируют и руководствуясь одновременно (Ли 2006,).
Система наведения Transrapid и MLX. Оба используют отталкивающие магниты. Источник: Автор, выведенный из Lee (2006).
Преимущества Maglev
Наиболее очевидной привлекательностью поездов на магнитной подвеске является то, что они могут двигаться быстрее, чем традиционные железнодорожные поезда. Единственный коммерческий высокоскоростной маглев, Шанхайский маглев, в настоящее время является самым быстрым поездом в мире. Он движется более чем на 50 миль в час (80 км / ч) быстрее, чем самый быстрый скоростной колесный рельс (320 км / ч Hayabusa, 2013). И это только первое. Отсутствие трения между поездом и направляющей снимает многие ограничения, которые связывают традиционные поезда. Отсюда маглев будет только ускоряться (Luu, 2005). Есть и другие, более тонкие качества, которые также делают маглев привлекательным:
Недостатки маглева
Хотя есть много недостатков, все же есть причины, по которым поезда на магнитной подвеске строятся не везде. Возможно, самая большая причина заключается в том, что магнитные направляющие не совместимы с существующей железнодорожной инфраструктурой. Любая организация, пытающаяся внедрить систему maglev, должна начать с нуля и построить совершенно новый набор треков. Это предполагает очень высокие первоначальные инвестиции (Coates, 2004). Несмотря на то, что направляющие дороги со временем стоят меньше, чем рельсы (Powell, 2003), трудно оправдать такие большие расходы заранее. Другая проблема заключается в том, что поезда на магнитной подвеске движутся быстро, но они могут двигаться недостаточно быстро. Страны, где уже есть высокоскоростные рельсы, не хотят тратить миллиарды долларов на внедрение системы, которая лишь незначительно лучше существующего решения. Рынок этих поездов просто не очень велик в данный момент. Трудно спорить,что эти поезда превосходят стандартные. Несмотря на это, необходимо проделать еще большую работу, прежде чем их стоит внедрять во всем мире.
Электротехника в маглеве
Со времен парового двигателя поезда традиционно находились в ведении инженеров-механиков. Все они были двигателями и осями, колесами и двигателями. Однако внедрение технологии maglev нарушило эту традицию. Разработка этих поездов потребовала участия целого ряда различных областей, помимо машиностроения, включая физику и химию. Но самое главное, что он привел к столу инженеров-электриков. С самого начала инженеры-электрики внесли большой вклад в разработку технологии магнитной подвеске. Эрик Лейтуэйт, инженер-электрик, разработал первый линейный асинхронный двигатель, важный и необходимый предшественник поездов на магнитной подвеске. Герман Кемпер, которого многие считают отцом маглева, тоже был инженером-электриком. Немецкие и японские инженеры-электрики работали над созданием программ на магнитной подвеске в своих странах. И сегодня инженеры-электрики делают эту технологию все лучше и лучше, чтобы она могла понравиться странам по всему миру. У поездов на магнитной подвеске на удивление мало движущихся частей. Все они связаны с электрическими токами, магнитами и проволочными петлями. Некоторые важные темы в этой области-электромагнитные поля и волны, теория цепей, системы управления с обратной связью и энергетика. Все это относится к компетенции инженеров-электриков. Поэтому именно инженеры-электрики необходимы для решения самых больших проблем, с которыми сталкивается эта технология. Поезда должны быть сделаны быстрее и более энергоэффективными. Все это время их нужно держать в пределах безопасности. Направляющие должны быть сделаны дешевле, проще в реализации и, возможно, более совместимыми с существующими рельсами. Системы управления должны быть безупречны. Все эти вопросы и многое другое требуют, чтобы инженер-электрик пришел разгадать их ответы.
Будущее маглева
Технология Maglev имеет большие перспективы на будущее. У него есть потенциал стать более дешевым, быстрым, безопасным и экологичным видом транспорта, чем мы имеем сегодня. И с помощью некоторых инженеров-электриков он станет всем этим. Эта технология может найти применение во всем-от междугороднего общественного транспорта до поездок по пересеченной местности. Есть даже предложения строить длинные подземные трубы, высасывать из них воздух и помещать в них поезда на магнитной подвеске. В этой обстановке практически не было бы сопротивления ветра, поэтому поезд мог бы легко достигать скорости, превышающей скорость звука (Thornton, 2007). Хотя может пройти много времени, прежде чем эта технология станет преобладающей, трудно отрицать, что в какой-то момент она будет преобладать. Преимущества слишком трудно игнорировать. В настоящее время используется только один коммерческий поезд на магнитной подвеске, и он уже затмил все, что было до него. Как эта технология будет развиваться и совершенствоваться по мере нашего продвижения в будущее? Только время покажет. Но весьма вероятно, что сейчас мы стоим на пороге транспортной революции. Я, например, с нетерпением жду возможности скользить по сельской местности со скоростью 300 миль в час в левитирующей коробке с магнитами.
https://sites.tufts.edu/eeseniordesignhandbook/2015/maglev-magnetic-levitating-trains/
Загрузка...
