Электродинамическая подвеска ( ЭДС ) — это форма магнитной левитации , при которой проводники подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это индуцирует вихревые токи в проводниках, которые создают отталкивающее магнитное поле , удерживающее два объекта друг от друга.
Эти изменяющиеся во времени магнитные поля могут быть вызваны относительным движением между двумя объектами. Во многих случаях одно магнитное поле является постоянным, например, постоянным магнитом или сверхпроводящим магнитом , а другое магнитное поле индуцируется изменениями поля, которые происходят при движении магнита относительно проводника в другом объекте.
Электродинамическая подвеска также может возникать, когда электромагнит, приводимый в действие электрическим источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле, в некоторых случаях это 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.
Многие примеры этого использовались на протяжении многих лет.
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 стабильную 6-осевую левитацию. [1]
В 1950-х годах была разработана технология, при которой небольшие количества металла поднимались в воздух и плавились магнитным полем частотой в несколько десятков кГц. Змеевик представлял собой металлическую трубку, по которой циркулировала охлаждающая жидкость. Общая форма обычно была конической с плоской вершиной. Это позволило использовать инертную атмосферу и имело коммерческий успех. [1]
Эрик Лейтуэйт и его коллеги взяли левитатор Бедфорда и постепенно разработали и усовершенствовали его.
Сначала они сделали левитатор длиннее по одной оси и смогли сделать левитатор нейтрально устойчивым по одной оси и стабильным по всем остальным осям.
Дальнейшая разработка включала замену однофазного питающего тока линейным асинхронным двигателем , сочетающим в себе левитацию и тягу.
Более поздние системы «поперечного потока» в его лаборатории Имперского колледжа , такие как Magnetic River , позволили избежать большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные и толстые железные опорные пластины при наличии очень длинных полюсов, за счет закрытия пути потока в поперечном направлении путем расположения двух противоположных длинных столбы рядом. Они также смогли разбить основную часть левитатора на удобные секции, что облегчило сборку и транспортировку. [2]
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, когда между магнитом и катушками происходит относительное движение, но центрировано, ток не течет, поскольку потенциал уравновешивается. Когда они смещаются от центра, течет 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 можно использовать для создания необходимого высокого магнитного давления.
Inductrack — это пассивная , отказоустойчивая система магнитной левитации , в которой для достижения магнитной левитации используются только проволочные петли без питания на гусенице и постоянные магниты (сгруппированные в массивы Хальбаха ) на транспортном средстве . Трек может иметь одну из двух конфигураций: «лестничный трек» и «ламинированный трек». Лестничная направляющая изготовлена из непитаемых многожильных кабелей, а ламинированная направляющая изготовлена из сложенных друг на друга медных или алюминиевых листов.
Существует 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, основанный на пассивной магнитной технологии. Для работы ЭБР не требуется никакой управляющей электроники. Они работают за счет электрических токов, генерируемых движением, вызывающих восстанавливающую силу.
В поездах на магнитной подвеске EDS и рельс, и поезд создают магнитное поле, и поезд поднимается в воздух 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 на дорожке создается индуцированным магнитным полем в проводах или других проводящих полосах на дорожке. Основным преимуществом систем отталкивания на магнитной подвеске является то, что они естественно стабильны: незначительное сужение расстояния между дорожкой и магнитами создает сильные силы, отталкивающие магниты обратно в исходное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно уменьшает силу и снова возвращает транспортное средство на правильное разделение. [2] Никакого контроля с обратной связью не требуется.
У отталкивающих систем есть и серьезный недостаток. На малых скоростях ток, индуцируемый в этих катушках медленным изменением магнитного потока во времени, недостаточно велик, чтобы создать отталкивающую электромагнитную силу, достаточную для того, чтобы выдержать вес поезда. Более того, энергоэффективность ЭЦП на низкой скорости низкая. [3] По этой причине поезд должен иметь колеса или какое-либо другое шасси, чтобы поддерживать поезд до тех пор, пока он не достигнет скорости, позволяющей поддерживать левитацию. Поскольку поезд может остановиться в любом месте, например, из-за проблем с оборудованием, весь путь должен обеспечивать работу как на низкой, так и на высокой скорости. Еще одним недостатком является то, что система отталкивания естественным образом создает поле на путях перед и позади подъемных магнитов, которые действуют против магнитов и создают своего рода сопротивление. Обычно это беспокоит только на низких скоростях; на более высоких скоростях эффект не успевает полностью раскрыть свой потенциал, 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 реакционной системы для привода поезда, без необходимости использования отдельной реактивной пластины, как в большинстве линейных двигателей. системы.
Альтернативно, движители на направляющих используются для приложения силы к магнитам в поезде и движения поезда вперед. Движущие катушки, которые оказывают силу на поезд, по сути, представляют собой линейный двигатель : переменный ток, протекающий через катушки, создает постоянно меняющееся магнитное поле, которое движется вперед по рельсам. Частота переменного тока синхронизируется в соответствии со скоростью поезда. Смещение между полем, создаваемым магнитами на поезде, и приложенным полем создает силу, перемещающую поезд вперед.
Когда проводящая петля подвергается воздействию изменяющегося магнитного поля, согласно закону Ленца и закону Фарадея , изменяющееся магнитное поле генерирует электродвижущую силу (ЭДС) вокруг цепи. Для синусоидального возбуждения эта ЭДС сдвинута по фазе на 90 градусов вперед поля, достигая максимума там, где изменения наиболее быстрые (а не тогда, когда она самая сильная):
где N — количество витков провода (для простой петли это 1), а Φ B — магнитный поток в веберах через одну петлю.
Поскольку поле и потенциалы не совпадают по фазе, возникают силы как притяжения, так и отталкивания, и можно ожидать, что чистой подъемной силы не будет. Однако, хотя ЭДС расположена 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 любой петли увеличивается с частотой).
где K - импеданс катушки, L - индуктивность, а R - сопротивление, причем фактическое опережение фазы можно определить как обратный тангенс произведения ωL/R, а именно. , стандартное показание опережения фазы в одноконтурной цепи RL.
Но:
где I — ток.
Таким образом, на низких частотах фазы в основном ортогональны, а токи ниже, и существенного подъема не создается. Но на достаточно высокой частоте индуктивный импеданс доминирует, ток и приложенное поле практически совпадают, и этот ток создает магнитное поле, противоположное приложенному, и это позволяет левитировать.
Однако, поскольку индуктивный импеданс увеличивается пропорционально частоте, растет и ЭДС, поэтому ток стремится к пределу, когда сопротивление мало по сравнению с индуктивным импедансом. Это также ограничивает подъемную силу. Таким образом, мощность, используемая для левитации, в основном зависит от частоты. 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 как произведение HB/2 (или μ 0 H 2 /2) на объем воздушного зазора, сила, приложенная к воздушному зазору в направлении, перпендикулярном нагрузке ( т. е . сила которая напрямую противодействует гравитации) определяется пространственной производной (= градиентом ) этой энергии. Объем воздушного зазора равен площади поперечного сечения, умноженной на ширину воздушного зазора, поэтому ширина уравновешивается, и у нас остается подвешивающая сила, равная μ 0 H 2 /2 площади поперечного сечения воздушного зазора, что означает, что максимальная переносимая нагрузка изменяется пропорционально квадрату плотности магнитного поля магнита, постоянного или другого, 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 может быть достигнута относительная проницаемость 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 могут быть использованы.
Эта форма маглева может привести к тому, что левитирующий объект подвергнется колебаниям, вызванным сопротивлением, и это колебание всегда происходит с достаточно высокой скоростью. Эти колебания могут быть весьма серьезными и могут привести к выходу из строя подвески.
Однако встроенное демпфирование на уровне системы часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах. [5]
Альтернативно, добавление легких настроенных демпферов массы может предотвратить возникновение проблем с колебаниями. [6]
Также может быть использована электронная стабилизация. [7]
