Электродинамическая подвеска ( ЭДП ) — это форма магнитной левитации , в которой имеются проводники, подвергающиеся воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это индуцирует вихревые токи в проводниках, которые создают отталкивающее магнитное поле , удерживающее два объекта порознь.
Эти изменяющиеся во времени магнитные поля могут быть вызваны относительным движением между двумя объектами. Во многих случаях одно магнитное поле является постоянным полем, таким как постоянный магнит или сверхпроводящий магнит , а другое магнитное поле индуцируется изменениями поля, которые происходят, когда магнит движется относительно проводника в другом объекте.
Электродинамическая подвеска может также возникать, когда электромагнит, приводимый в действие источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле; в некоторых случаях поле создает линейный асинхронный двигатель .
EDS используется для поездов на магнитной подвеске , таких как японский SCMaglev . Он также используется для некоторых классов подшипников на магнитной подвеске.
За прошедшие годы было приведено множество примеров такого подхода.
В этой ранней конфигурации Бедфорда, Пира и Тонкса 1939 года алюминиевая пластина помещается на две концентрические цилиндрические катушки и приводится в движение переменным током. Если параметры верны, пластина демонстрирует 6-осевую стабильную левитацию. [1]
В 1950-х годах была разработана технология, при которой небольшие количества металла поднимались в воздух и плавились под действием магнитного поля в несколько десятков кГц. Катушка представляла собой металлическую трубу, позволяющую охлаждающей жидкости циркулировать по ней. Общая форма была, как правило, конической с плоским верхом. Это позволяло использовать инертную атмосферу и имело коммерческий успех. [1]
Эрик Лейтуэйт и его коллеги взяли за основу левитатор Бедфорда и постепенно усовершенствовали и усовершенствовали его.
Сначала они удлинили левитатор вдоль одной оси и смогли создать левитатор, который был нейтрально устойчив вдоль одной оси и устойчив вдоль всех остальных осей.
Дальнейшее развитие включало замену однофазного тока возбуждения линейным асинхронным двигателем, который сочетал в себе левитацию и тягу.
Более поздние системы "траверс-флюс" в его лаборатории Имперского колледжа , такие как Magnetic River, избежали большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные, толстые железные опорные пластины при наличии очень длинных полюсов, закрывая путь потока сбоку, размещая два противоположных длинных полюса рядом друг с другом. Они также смогли разбить первичный левитатор на удобные секции, что облегчило его сборку и транспортировку. [2]
Системы с нулевым потоком работают, имея катушки, которые подвергаются воздействию магнитного поля, но намотаны в форме восьмерки и подобных конфигураций, так что когда между магнитом и катушками происходит относительное движение, но они центрированы, ток не течет, поскольку потенциал нейтрализуется. Когда они смещены от центра, ток течет, 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 быть использованы для создания необходимого высокого магнитного давления.
Inductrack — это пассивная , отказоустойчивая система магнитной левитации , использующая только непитаемые петли провода в дорожке и постоянные магниты (организованные в массивы Хальбаха ) на транспортном средстве для достижения магнитной левитации . Трасса может быть в одной из двух конфигураций: «лестничная дорожка» и «ламинированная дорожка». Лестничная дорожка сделана из непитаемых кабелей Litz , а ламинированная дорожка сделана из сложенных медных или алюминиевых листов.
Существуют две конструкции: Inductrack I, оптимизированная для работы на высоких скоростях, и Inductrack II, более эффективная на более низких скоростях.
Электродинамические подшипники (EDB) — это новый тип подшипников, представляющий собой пассивную магнитную технологию. Для работы EDB не требуется никакой управляющей электроники. Они работают за счет электрических токов, генерируемых движением, вызывая восстанавливающую силу.
В поездах на магнитной подвеске EDS и рельс, и поезд создают магнитное поле, и поезд левитирует за счет силы отталкивания между этими магнитными полями. Магнитное поле в поезде создается либо сверхпроводящими магнитами (как в SCMaglev ), либо массивом постоянных магнитов (как в Inductrack ). Сила отталкивания в рельсе создается индуцированным магнитным полем в проводах или других проводящих полосах в рельсе. Главным преимуществом отталкивающих систем на магнитной подвеске является то, что они по своей природе стабильны — незначительное сужение расстояния между рельсом и магнитами создает большие силы, отталкивающие магниты обратно в их исходное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно уменьшает силу и снова возвращает транспортное средство в правильное положение. [2] Никакого управления с обратной связью не требуется.
Отталкивающие системы также имеют существенный недостаток. На низких скоростях ток, индуцированный в этих катушках медленным изменением магнитного потока относительно времени, недостаточно велик, чтобы создать отталкивающую электромагнитную силу, достаточную для поддержки веса поезда. Более того, энергоэффективность EDS на низкой скорости низкая. [3] По этой причине поезд должен иметь колеса или какую-либо другую форму шасси, чтобы поддерживать поезд, пока он не достигнет скорости, которая может поддерживать левитацию. Поскольку поезд может остановиться в любом месте, например, из-за проблем с оборудованием, весь путь должен быть в состоянии поддерживать как низкоскоростную, так и высокоскоростную работу. Другим недостатком является то, что отталкивающая система естественным образом создает поле на пути спереди и сзади подъемных магнитов, которые действуют против магнитов и создают форму сопротивления. Это, как правило, беспокоит только на низких скоростях; на более высоких скоростях эффект не успевает развиться в полную силу, и доминируют другие формы сопротивления. [2]
Однако силу сопротивления можно использовать в интересах электродинамической системы, поскольку она создает переменную силу в рельсах, которую можно использовать в качестве реактивной системы для приведения в движение поезда, без необходимости использования отдельной реактивной пластины, как в большинстве систем линейных двигателей.
В качестве альтернативы, тяговые катушки на направляющей используются для приложения силы к магнитам в поезде и заставляют поезд двигаться вперед. Тяговые катушки, которые оказывают силу на поезд, фактически являются линейным двигателем : переменный ток, протекающий через катушки, создает непрерывно изменяющееся магнитное поле, которое движется вперед по пути. Частота переменного тока синхронизирована, чтобы соответствовать скорости поезда. Смещение между полем, создаваемым магнитами на поезде, и приложенным полем создает силу, движущую поезд вперед.
Когда проводящий контур испытывает изменяющееся магнитное поле, из закона Ленца и закона Фарадея , изменяющееся магнитное поле генерирует Электродвижущую силу (ЭДС) вокруг контура. Для синусоидального возбуждения эта ЭДС опережает поле на 90 градусов по фазе, достигая пика там, где изменения наиболее быстрые (а не тогда, когда они самые сильные):
где N — число витков провода (для простого контура это 1), а Φ B — магнитный поток в веберах через один контур.
Поскольку поле и потенциалы не совпадают по фазе, возникают как силы притяжения, так и силы отталкивания, и можно было бы ожидать, что не будет генерироваться чистая подъемная сила. Однако, хотя ЭДС находится под углом 90 градусов к приложенному магнитному полю, контур неизбежно имеет индуктивность. Этот индуктивный импеданс имеет тенденцию задерживать пиковый ток на фазовый угол, зависящий от частоты (поскольку индуктивный импеданс любого контура увеличивается с частотой).
где K — импеданс катушки, L — индуктивность, R — сопротивление, причем фактическое опережение фазы можно вывести как арктангенс произведения ωL/R, т. е. стандартное свидетельство опережения фазы в одноконтурной RL-цепи.
Но:
где I — ток.
Таким образом, на низких частотах фазы в значительной степени ортогональны, а токи ниже, и не создается существенного подъема. Но на достаточно высокой частоте индуктивное сопротивление доминирует, а ток и приложенное поле фактически находятся на одной линии, и этот ток создает магнитное поле, которое противоположно приложенному, и это допускает левитацию.
Однако, поскольку индуктивное сопротивление увеличивается пропорционально частоте, то же самое происходит и с ЭДС, поэтому ток стремится к пределу, когда сопротивление мало по сравнению с индуктивным сопротивлением. Это также ограничивает подъемную силу. Мощность, используемая для левитации, поэтому 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 μ 0 H 2 /2) умноженной на объем воздушного зазора, сила, приложенная через воздушный зазор в направлении, перпендикулярном нагрузке ( а именно , сила, которая непосредственно противодействует гравитации), определяется пространственной производной (= градиентом ) этой энергии. Объем воздушного зазора равен площади поперечного сечения, умноженной на ширину воздушного зазора, поэтому ширина сокращается, и у нас остается подвешивающая сила μ 0 H 2 /2 умноженной на площадь поперечного сечения воздушного зазора, что означает, что максимальная переносимая нагрузка изменяется как квадрат плотности магнитного поля магнита, постоянного или иного, и изменяется прямо пропорционально площади поперечного сечения.
В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическую левитацию можно сделать стабильной. Электродинамическая левитация с металлическими проводниками демонстрирует форму диамагнетизма , и можно достичь относительной проницаемости около 0,7 (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, вероятно, будут развернуты.
Эта форма маглева может привести к тому, что левитирующий объект будет подвержен колебаниям, вызванным сопротивлением, и эти колебания всегда происходят на достаточно высокой скорости. Эти колебания могут быть довольно серьезными и могут привести к отказу подвески.
Однако внутреннее системное демпфирование часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах. [5]
В качестве альтернативы добавление легких настроенных инерционных демпферов может предотвратить возникновение проблем с колебаниями. [6]
Также может использоваться электронная стабилизация. [7]
