Электромагнитная подвеска ( ЭМП ) — это магнитная левитация объекта, достигаемая путем постоянного изменения силы магнитного поля, создаваемого электромагнитами с использованием петли обратной связи . В большинстве случаев эффект левитации обусловлен в основном постоянными магнитами, поскольку они не рассеивают мощность, а электромагниты используются только для стабилизации эффекта.
Согласно теореме Ирншоу парамагнитное тело не может находиться в устойчивом равновесии, если его поместить в любую комбинацию гравитационных и магнитостатических полей. В таких полях существует неустойчивое состояние равновесия. Хотя статические поля не могут обеспечить устойчивость, ЭМС работает, непрерывно изменяя ток, посылаемый на электромагниты, чтобы изменить силу магнитного поля и обеспечить устойчивую левитацию. В ЭМС для устранения неустойчивости используется контур обратной связи , который непрерывно регулирует один или несколько электромагнитов для коррекции движения объекта.
Во многих системах такого рода используется магнитное притяжение, тянущее вверх против силы тяжести, поскольку это обеспечивает некоторую внутреннюю боковую устойчивость, но некоторые используют комбинацию магнитного притяжения и магнитного отталкивания, чтобы подталкивать вверх.
Технология магнитной левитации важна, поскольку она снижает потребление энергии, в значительной степени снижает трение. Она также позволяет избежать износа и имеет очень низкие требования к обслуживанию. Применение магнитной левитации наиболее известно по ее роли в поездах на магнитной подвеске .
Сэмюэл Эрншоу был тем, кто в 1839 году открыл, что «заряженное тело, помещенное в электростатическое поле, не может левитировать в устойчивом равновесии под действием только электрических сил». [1] Аналогичным образом, из-за ограничений диэлектрической проницаемости , устойчивая подвеска или левитация не могут быть достигнуты в статическом магнитном поле с системой постоянных магнитов или электромагнитов с фиксированным током . Расширение Браунбека (1939) утверждает, что система постоянных магнитов должна также содержать диамагнитный материал или сверхпроводник , чтобы получить устойчивую статическую магнитную левитацию или подвеску. [2]
Эмиль Башеле применил теорему Эрншоу и расширение Браунбека и стабилизировал магнитную силу, контролируя интенсивность тока и включая и выключая питание электромагнитов на желаемых частотах. В марте 1912 года он получил патент на свой «левитирующий передающий аппарат» (патент № 1,020,942). [3] Его изобретение изначально предназначалось для применения в небольших системах доставки почты, но потенциальное применение в более крупных транспортных средствах, похожих на поезда, безусловно, очевидно.
В 1934 году Герман Кемпер применил концепцию Башле к крупномасштабным решениям, назвав ее «монорельсовым транспортным средством без прикрепленных колес». Он получил рейхспатент под номером 643316 на свое изобретение и также считается многими изобретателем маглева.
В 1979 году поезд на электромагнитной подвеске Transrapid в течение нескольких месяцев перевозил пассажиров по пути длиной 908 м в рамках демонстрации в Гамбурге на первой Международной транспортной выставке (IVA 79).
Первый коммерческий поезд на магнитной подушке для регулярного обслуживания был открыт в Бирмингеме (Англия) в 1984 году. В качестве привода использовался электромагнитный подвес и линейный асинхронный двигатель .
Когда ток проходит по проводу, вокруг этого провода создается магнитное поле . Сила генерируемого магнитного поля пропорциональна току через провод. Когда провод сворачивается, это генерируемое магнитное поле концентрируется через центр катушки. Силу этого поля можно значительно увеличить, поместив ферромагнитный материал в центр катушки. Этим полем легко манипулировать, пропуская переменный ток по проводу. Поэтому сочетание постоянных магнитов с электромагнитами является оптимальным решением для целей левитации. [1] Чтобы снизить средние требования к мощности, часто электромагнитная подвеска используется только для стабилизации левитации, а статическая подъемная сила против силы тяжести обеспечивается вторичной системой постоянных магнитов, часто притягиваемой к относительно недорогому мягкому ферромагнитному материалу, такому как железо или сталь.
Положение подвешенного объекта может быть определено оптическим или магнитным способом, иногда могут использоваться и другие схемы.
Цепь обратной связи управляет электромагнитом, пытаясь удержать подвешенный объект в правильном положении.
Однако простое управление положением обычно приводит к нестабильности из-за небольших временных задержек в индуктивности катушки и в измерении положения. На практике схема обратной связи должна использовать изменение положения с течением времени для определения и гашения скорости.
В 21 веке было несколько предложений использовать гибридную электромагнитную подвеску (также известную как H-EMS) в качестве модернизации классической конфигурации EMS путем добавления постоянных магнитов к электромагнитам, образуя то, что называется массивом электропостоянных магнитов . [4] Такая конфигурация, как оказалось, увеличивает воздушный зазор и снижает потребление энергии и используется как экспертами по маглеву , так и по гиперпетле . [5] [6]
Maglev (магнитная левитация) — это транспортная система, в которой транспортное средство подвешено на направляющем рельсе по принципу электромагнитной подвески. Maglev имеет преимущества в том, что он тише и плавнее, чем колесный транспорт, благодаря устранению большей части физического контакта между колесами и рельсами. Поскольку для работы маглева требуется направляющий рельс, он в основном используется в рельсовых транспортных системах, таких как поезда.
С момента открытия первого коммерческого поезда на магнитной подвеске в Бирмингеме ( Англия) в 1984 году другие коммерческие системы поездов на магнитной подвеске EMS, такие как M-Bahn и Transrapid, также были введены в ограниченное использование. (Также были разработаны и внедрены поезда на магнитной подвеске, основанные на технологии электродинамической подвески .) За возможным исключением 30,5-километрового шанхайского поезда на магнитной подвеске , не было построено ни одного крупного междугороднего маршрута EMS на магнитной подвеске.
Активный магнитный подшипник (АМП) работает по принципу электромагнитной подвески и состоит из электромагнитного узла, набора усилителей мощности, которые подают ток на электромагниты, контроллера и датчиков зазора с соответствующей электроникой для обеспечения обратной связи, необходимой для управления положением ротора в зазоре. Эти элементы показаны на схеме. Усилители мощности подают равный ток смещения на две пары электромагнитов на противоположных сторонах ротора. Это постоянное перетягивание каната опосредуется контроллером, который компенсирует ток смещения равными, но противоположными возмущениями тока, когда ротор отклоняется на небольшую величину от своего центрального положения.
Датчики зазора обычно индуктивны по своей природе и работают в дифференциальном режиме. Усилители мощности в современном коммерческом применении представляют собой твердотельные устройства, работающие в конфигурации широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Контроллером обычно является микропроцессор или DSP .
NASA разрабатывает систему запуска, использующую систему магнитной левитации для приведения в движение космического корабля. Сторонники системы запуска на магнитной левитации утверждают, что она экономит затраты на проектирование и запуск, обеспечивая при этом более безопасный метод запуска. [7]
Электромагнитная подвеска BOSE: