Sukhov Vitaly Vladimirovich, Galin Alexey Leonidovich

Představujeme vám projekt, jehož hlavním tématem je „Elektromagnetické vozidla a zařízení ". Po zapojení do této práce jsme si uvědomili, že nejzajímavějším problémem pro nás je magnetická levitace.

Nedávno slavný anglický spisovatel sci-fi Arthur Clarke učinil další předpověď. "... Možná jsme na pokraji vytváření." kosmická loď nový typ, který bude schopen opustit Zemi s minimálními náklady překonáním gravitační bariéry, řekl. - Pak budou současné rakety tím, čím byly balónky před první světovou válkou “. Na čem je založen tento úsudek? Je třeba hledat odpověď moderní nápady vytvoření transportu na magnetickém polštáři.

Stažení:

Náhled:

I. otevřená studentská vědecká a praktická konference

"Můj projektové činnosti na vysoké škole"

Směr vědeckého a praktického projektu:

Elektrotechnika

Téma projektu:

Elektromagnetická vozidla a přístroje. Transport magnetické levitace

Projekt připravil:

Sukhov Vitaly Vladimirovich, student skupiny 2 ET

Galin Alexey Leonidovich, student skupiny 2 ET

Název instituce:

GBOU SPO Elektromechanická vysoká škola č. 55

Projektový manažer:

Utenkova Eaterina Sergeevna

Moskva 2012

Úvod

Magnetoplane nebo Maglev

Instalace Halbach

Závěr

Seznam doporučení

Úvod

Představujeme vám projekt, jehož hlavním tématem je „Elektromagnetická vozidla a přístroje“. Po zapojení do této práce jsme si uvědomili, že nejzajímavějším problémem pro nás je magnetická levitace.

Nedávno slavný anglický spisovatel sci-fi Arthur Clarke učinil další předpověď. "... Možná budeme na pokraji vytvoření nového typu kosmické lodi, která bude schopná opustit Zemi s minimálními náklady překonáním gravitační bariéry," řekl. „Takže dnešní střely budou tím, čím byly balóny před první světovou válkou.“ Na čem je založen tento úsudek? Odpověď je třeba hledat v moderních myšlenkách magnetické levitační dopravy.

Magnetoplane nebo Maglev

Magnetoplane nebo Maglev (z anglické magnetické levitace) je vlak na magnetickém závěsu, poháněný a řízen magnetickými silami. Takový vlak se na rozdíl od tradičních vlaků během pohybu nedotýká povrchu kolejnice. Jelikož mezi vlakem a jízdní plochou je mezera, je tření vyloučeno a jedinou brzdnou silou je aerodynamická odporová síla.

Rychlost dosažitelná maglevem je srovnatelná s rychlostí letounu a umožňuje konkurovat leteckým službám na krátké vzdálenosti (pro letectví) (až 1 000 km). I když samotná myšlenka takové dopravy není nová, ekonomická a technická omezení jí nedovolila plně se rozvinout: pro veřejné použití byla technologie ztělesněna jen několikrát. V současné době nemůže Maglev využívat stávající dopravní infrastrukturu, ačkoli existují projekty s umístěním prvků magnetické silnice mezi kolejnice konvenční železnice nebo pod vozovkou.

O potřebě vlaků magnetické levitace (MAGLEV) se hovoří již mnoho let, ale výsledky pokusů o jejich skutečné použití jsou odrazující. Nejdůležitější nevýhodou vlaků MAGLEV jsou zvláštnosti provozu elektromagnetů, které zajišťují levitaci automobilů po trati. Elektromagnety, které nejsou ochlazeny na stav supravodivosti, spotřebovávají obrovské množství energie. Pokud se na plátně použijí supravodiče, náklady na jejich chlazení vyvrátí všechny ekonomické výhody a možnost realizace projektu.

Alternativu navrhuje fyzik Richard Post z Lawrence Livermore National Laboratory v Kalifornii. Jeho podstata spočívá v použití permanentních magnetů, nikoli elektromagnetů. Dříve používané permanentní magnety byly příliš slabé na to, aby zvedly vlak, a Post používá metodu částečného zrychlení vyvinutou fyzikem Klausem Halbachem z Národní laboratoře Lawrencea Berkleyho v důchodu. Halbach navrhl metodu pro uspořádání permanentních magnetů tak, aby soustředila jejich celková pole v jednom směru. Inductrack - jak Post nazval systém - používá návazce Halbach zabudované do spodní části vozu. Samotná pavučina je uspořádané pokládání závitů izolovaného měděného kabelu.

Instalace Halbach

Instalace Halbach koncentruje magnetické pole v určitém bodě a snižuje ho v ostatních. Namontovaný ve spodní části vozu generuje magnetické pole, které indukuje dostatečné proudy ve vinutí koleje pod jedoucím vozem, aby vozidlo zvedlo o několik centimetrů a stabilizovalo [Obr. Když vlak zastaví, levitační efekt zmizí a vozy jsou spuštěny na další podvozek.

Postava: 1 Instalace Halbach

Obrázek ukazuje 20metrové zkušební stanoviště pro testování vlaků MAGLEV Inductrack, které obsahuje přibližně 1000 obdélníkových indukčních vinutí, každé o šířce 15 cm. popředí testovací vozík a elektrický obvod. Hliníkové kolejnice podél koleje podpírají vozík, dokud není dosaženo stabilní levitace. Instalace Halbach zajišťují: pod dnem - levitace, po stranách - stabilitu.

Když vlak dosáhne rychlosti 1 až 2 km / h, magnety produkují dostatek proudů, aby vlak vznesly v indukčních vinutích. Síla poháněná vlakem je generována elektromagnety v intervalech podél trati. Pole elektromagnetů pulzují takovým způsobem, že odpuzují Halbachova zařízení namontovaná na vlaku a pohybují jej vpřed. Podle Post, se správným umístěním Halbachových instalací, auta za žádných okolností neztratí rovnováhu, dokud nedojde k zemětřesení. V současné době, na základě úspěchu demonstračních prací v měřítku 1/20, podepsala NASA se svým týmem v Livermore tříletou smlouvu na další výzkum konceptu efektivnějšího vypouštění satelitů na oběžnou dráhu. Předpokládá se, že tento systém bude použit jako opakovaně použitelný posilovač, který by urychlil raketu na rychlost asi Mach 1, než na ní zapne hlavní motory.

Navzdory všem obtížím však vyhlídky na použití vozidel s magnetickou levitací zůstávají velmi lákavé. Japonská vláda se tedy připravuje na pokračování prací na zásadně novém typu pozemní dopravy - magnetických levitačních vlacích. Podle ujištění inženýrů jsou vozy Maglev schopné překonat vzdálenost mezi dvěma největšími obydlenými centry Japonska - Tokiem a Osakou - za pouhou 1 hodinu. Současné vysokorychlostní železniční expresní vlaky to dělají 2,5krát déle.

Tajemství rychlosti Maglevu spočívá v tom, že auta, která jsou ve vzduchu zavěšena elektromagnetickým odporem, se nepohybují po trati, ale nad ní. To zcela eliminuje ztráty nevyhnutelné, když se kola třou o kolejnice. Spolehlivost a bezpečnost tohoto dopravního systému potvrdily roky testování prováděného v prefektuře Yamanashi na 18,4 km zkušebním úseku. Automobily pohybující se v automatickém režimu bez nákladu cestujících vyvinuly rychlost 550 km / h. Rekord ve vysokorychlostním pohybu po kolejích zatím patří Francouzům, jejichž vlak TGV v roce 1990 během testů zrychlil na 515 km / h.

Provozní úvahy pro vozidla s magnetickou levitací

Japonci se také obávají ekonomických problémů a především otázky ziskovosti superrychlé maglevské trati. V současné době cestuje každý rok mezi Tokiem a Osakou asi 24 milionů lidí, 70% cestujících využívá vysokorychlostní železniční trať. Podle výpočtů futurologů bude revoluční vývoj počítačové komunikační sítě nevyhnutelně vést ke snížení osobní dopravy mezi dvěma největšími centry země. Přetížení dopravních linek může být také ovlivněno naznačeným poklesem počtu aktivního obyvatelstva v zemi.

Ruský projekt otevírání vlaků magnetické levitace z Moskvy do Petrohradu nebude v blízké budoucnosti realizován, uvedl šéf Federální agentury na tiskové konferenci v Moskvě na konci února 2011 železniční doprava Michail Akulov. S tímto projektem mohou být problémy, protože neexistují žádné zkušenosti s provozováním vlaků magnetické levitace v zimních podmínkách, uvedl Akulov s tím, že takový projekt navrhla skupina ruských vývojářů, kteří přijali zkušenosti z Číny. Akulov zároveň poznamenal, že myšlenka vytvoření vysokorychlostní dálnice Moskva - Petrohrad je dnes opět aktuální. Zejména bylo navrženo spojit vytvoření vysokorychlostní dálnice s paralelní výstavbou dálnice. Vedoucí agentury dodal, že silné obchodní struktury z Asie jsou připraveny se tohoto projektu zúčastnit, aniž by specifikovaly, o které struktury jde.

Vlak magnetická technologie zavěšení

V současné době existují 3 hlavní technologie magnetického zavěšení vlaků:

1. Na supravodivých magnetech (elektrodynamické zavěšení, EDS).

Supravodivý magnet - solenoid nebo elektromagnet s vinutím supravodivého materiálu. Supravodivé vinutí má nulový ohmický odpor. Pokud je takové vinutí zkratováno, pak v něm indukované elektřina trvá téměř neurčitě.

Magnetické pole kontinuálního proudu cirkulujícího vinutím supravodivého magnetu je extrémně stabilní a bez pulzací, což je důležité pro řadu aplikací ve vědeckém výzkumu a technologii. Vinutí supravodivého magnetu ztrácí vlastnost supravodivosti, když teplota stoupne nad kritickou teplotu Tk supravodiče, když je ve vinutí dosaženo kritického proudu Ik nebo kritického magnetického pole Hk. Vzhledem k tomu pro vinutí supravodivých magnetů. jsou použity materiály s vysokými hodnotami Тк, Iк a Нк.

2. Na elektromagnetech (elektromagnetické odpružení, EMS).

3. Na permanentních magnetech; je to nový a potenciálně nejekonomičtější systém.

Kompozice levituje díky odpuzování stejných pólů magnetů a naopak přitažlivosti různých pólů. Pohyb se provádí lineárním motorem.

Lineární motor - elektrický motor, ve kterém je jeden z prvků magnetického systému otevřený a má rozvinuté vinutí, které vytváří pohyblivé magnetické pole, a druhý je vytvořen ve formě vodítka, které zajišťuje lineární pohyb pohyblivé části motoru.

V současné době existuje mnoho návrhů pro lineární motory, ale všechny je lze rozdělit do dvou kategorií - motory s nízkou akcelerací a motory s vysokou akcelerací.

Motory s nízkou akcelerací se používají ve veřejné dopravě (maglev, jednokolejka, metro). Motory s vysokou akcelerací mají poměrně malou délku a obvykle se používají k zrychlení objektu na vysokou rychlost a následném uvolnění. Často se používají pro výzkum rychlých kolizí, jako jsou zbraně nebo odpalovací zařízení. kosmické lodě... Lineární motory jsou také široce používány v pohonech posuvu pro obráběcí stroje a v robotice. umístěné buď ve vlaku, nebo na trati, nebo obojí. Vážným konstrukčním problémem je velká hmotnost dostatečně výkonných magnetů, protože pro udržení masivního složení ve vzduchu je nutné silné magnetické pole.

Podle věty S. Earnshawa (někdy se píše Earnshaw) jsou statická pole vytvářená pouze elektromagnety a permanentními magnety nestabilní, na rozdíl od polí diamagnetů.

Diamagnety jsou látky, které jsou magnetizovány proti směru vnějšího magnetického pole, které na ně působí. Při absenci vnějšího magnetického pole nemají diamety žádný magnetický moment. a supravodivé magnety. Existují stabilizační systémy: senzory neustále měří vzdálenost od vlaku k trati a podle toho se mění napětí na elektromagnetech.

Princip pohybu vozidel na magnetickém polštáři můžete zvážit v následujícím schématu.

Ukazuje princip pohybu vozidel vpřed pod vlivem měnícího se magnetického pole. Uspořádání magnetů umožňuje, aby byl vůz vytažen dopředu, na opačný pól, čímž se posune celá konstrukce.

Nejpodrobnější magnetická instalace Sami je znázorněna na obrázkunávrhy magnetického odpružení a elektrického pohonu posádky na základě lineárních asynchronních strojů

Postava: 1. Konstrukce magnetického odpružení a elektrického pohonu vozidla na základě lineárních asynchronních strojů:
1 - magnetický tlumič cívky; 2 - sekundární prvek; 3 - kryt; 4.5 - zuby a vinutí tlumivky; 6.7 - vodivá klec a magnetický obvod sekundárního prvku; 8 - základna; 9 platforma; 10 - tělo vozíku; 11, 12 - pružiny; 13 - tlumič; 14 - činka; 15 - válcový závěs; 16 - kluzné ložisko; 17 - držák; 18 - zarážka; 19 - lišta. Von - rychlost magnetického pole: Fn - zvedací síla zavěšení: Wb - indukce pracovní mezery zavěšení

Obr. Konstrukce trakčního lineárního indukčního motoru:
1 - cívka trakčního pohonu; 2 - sekundární prvek; 3 - magnetické jádro cívky pohonu; 4 - přítlačné desky induktoru pohonu; 5 - zuby cívky pohonu; 6 - cívky vinutí cívky pohonu; 7 - základna.

Výhody a nevýhody transportu magnetickou levitací

Výhody

• Teoreticky nejvyšší rychlost, kterou lze dosáhnout na sériově vyráběném (nesportovním) pozemním vozidle.
• Nízká hlučnost.

nevýhody

• Vysoké náklady na vytvoření a udržování stopy.
• Hmotnost magnetu, spotřeba elektřiny.
• Elektromagnetické pole generované magnetickým odpružením může být škodlivé pro vlakové čety nebo místní obyvatele. I trakční transformátory používané na železnici pod napětím AC jsou pro řidiče škodlivé, ale v tomto případě je intenzita pole mnohem vyšší. Je také možné, že čáry Maglev budou pro uživatele kardiostimulátorů nepřístupné.
• Bude nutné kontrolovat mezeru mezi vozovkou a vlakem (několik centimetrů) při vysoké rychlosti (stovky km / h). To vyžaduje ultrarychlé řídicí systémy.
• Je vyžadována složitá infrastruktura trati.

Například šipka pro maglev představuje dva úseky silnice, které se střídají v závislosti na směru zatáčky. Proto je nepravděpodobné, že by Maglevovy linky vytvářely víceméně rozvětvené sítě s rozvětvením a křižovatkami.

Vývoj nových druhů dopravy

Práce na vytvoření vysokorychlostních bezkolejkových vlaků na magnetickém polštáři probíhají již dlouhou dobu, zejména v Sovětském svazu od roku 1974. Doposud však problém nejslibnější dopravy budoucnosti zůstává otevřený a představuje širokou oblast činnosti.

Postava: 2 Model vlaku na magnetickou levitaci

Obrázek 2 ukazuje model magnetické levitace, kde se vývojáři rozhodli obrátit celý mechanický systém vzhůru nohama. Železniční trať je sada železobetonových podpěr rozmístěných v určitých stejných vzdálenostech se speciálními otvory (okny) pro vlaky. Nejsou žádné kolejnice. Proč? Faktem je, že model je obrácen vzhůru nohama a samotný vlak slouží jako kolejnice a do oken podpěr jsou instalována kola s elektrickými motory, jejichž rychlost otáčení je dálkově ovládána strojvedoucím. Zdá se tedy, že vlak letí vzduchem. Vzdálenosti mezi podpěrami se volí takovým způsobem, že v každém okamžiku jeho pohybu je vlak alespoň ve dvou nebo třech z nich a jeden vozík má délku větší než jedno rozpětí. To umožňuje nejen udržet vlak zavěšený, ale zároveň, pokud jedno z kol selže v jakékoli podpoře, bude pohyb pokračovat.

Výhody použití tohoto konkrétního modelu jsou dostatečné. Zaprvé to šetří materiál, zadruhé se výrazně sníží hmotnost vlaku (nejsou potřeba žádné motory ani kola), zatřetí, takový model je mimořádně šetrný k životnímu prostředí, a zatřetí, pokládat takovou trať v hustě osídleném městě nebo oblasti s nerovným terénem, \u200b\u200bmnohem jednodušší než u standardních druhů dopravy.

Nelze ale zmínit nedostatky. Například pokud se některá z podpěr v trati silně odchýlí, povede to ke katastrofě. Přesto jsou katastrofy možné v rámci konvenčních železnic. Dalším problémem, který vede k výraznému nárůstu nákladů na technologii, je fyzické zatížení podpěr. Například ocas vlaku, který právě opouští určitý otvor, když mluvíme jednoduchými slovy„visí“ a vyvíjí velkou zátěž na další podpěru, zatímco samotné těžiště vlaku se posouvá, což obecně ovlivňuje všechny podpěry. Zhruba stejná situace nastane, když hlava vlaku opustí otvor a také „visí“, dokud nedosáhne další podpory. Ukázalo se to jakousi houpačkou. Jak mají návrháři v úmyslu tento problém vyřešit (pomocí hlavního křídla, vysoké rychlosti, zmenšení vzdálenosti mezi podpěrami ...) je stále nejasné. Ale existují řešení. A třetím problémem jsou zatáčky. Protože se vývojáři rozhodli, že délka vozíku je více než jedno rozpětí, je zde otázka zatáček

Postava: 3 Vysokorychlostní strunový transport Yunitskiy

Alternativou je čistě ruský vývoj s názvem Yunitskiy High-Speed \u200b\u200bString Transport (UST). V jeho rámci se navrhuje použít předpjaté kolejnice-struny zvednuté na podpěrách do výšky 5-25 metrů, po kterých se pohybují čtyřkolové dopravní moduly. Hlavní náklady na STU jsou mnohem nižší - 600–800 000 $ za kilometr as infrastrukturou a vozidly - 900–1200 000 $ za km.

Postava: 4 Příklad přepravy jednokolejky

Blízká budoucnost je ale stále vidět za obvyklým výkonem jednokolejky. Kromě toho se nyní v rámci jednokolejných systémů vracejí zpět nejnovější technologie pro automatizaci dopravy. Například americká korporace Taxi 2000 vytváří jednokolejný systém automatických taxi SkyWeb Express, který může cestovat jak po městě, tak i mimo něj. V těchto taxislužbách nepotřebujete řidiče (stejně jako ve sci-fi knihách a filmech). Naznačíte cíl a sám taxík vás tam odveze, nezávisle na tom, jak vytvoříte nejlepší trasu. Všechno se ukáže tady - bezpečnost i přesnost. Taxi 2000 je v současné době nejrealističtější a proveditelný projekt

Závěr

Vlaky magnetické levitace jsou považovány za jeden z nejslibnějších druhů dopravy budoucnosti. Vlaky magnetické levitace se od běžných vlaků a jednokolejek liší úplnou absencí kol - při jízdě se zdá, že se vozy v důsledku působení magnetických sil vznášejí nad jednou širokou kolejnicí. Výsledkem je, že rychlost takového vlaku může dosáhnout 400 km / h a v některých případech může taková doprava nahradit letadlo. V současné době je ve světě v praxi implementován pouze jeden projekt magnetické silnice, zvaný také Transrapid.

Mnoho vývojových projektů a projektů je již 20–30 let starých. A hlavním úkolem jejich tvůrců je přilákat investory. Samotný problém dopravy je poměrně významný, protože často kupujeme některé výrobky tak drahé, protože na jejich přepravu bylo vynaloženo hodně peněz. Druhým problémem je ekologie, třetím je velké přetížení dopravních cest, které se z roku na rok zvyšuje a u některých druhů dopravy o desítky procent.

Doufejme, že v blízké budoucnosti budeme my sami schopni řídit dopravní prostředek s magnetickým polštářem. Čas se pohybuje ...

Seznam doporučení

1. Drozdova T.E. Teoretický základ progresivní technologie. - Moskva: MGOU, 2001 .-- 212 s.
2. Věda o materiálech a technologie konstrukčních materiálů / Tyalina L.N., Fedorova N.V. Tutorial... - Tambov: TSTU, 2006 .-- 457 s.
3. Metody ochrany vnitrozemských vod před znečištěním a vyčerpáním / ed. Gavich I.K. - M.: UNITI-DANA, 2002 .-- 287 s.
4. Metody průmyslového čištění odpadních vod / Žukov A.I. Mongait I.L., Rodziller I.D. - M.: Infra-M, 2005 .-- 338 s.
5. Základy technologií nejdůležitějších průmyslových odvětví / vyd. Sidorova I.A. Univerzitní učebnice. - M.: Vyšší škola, 2003 .-- 396 s.
6. Systém technologií nejdůležitějších odvětví národního hospodářství / Dvortsin M.D., Dmitrienko V.V., Krutikova L.V., Mashikhina L.G. Tutorial. - Khabarovsk: KhPI, 2003 .-- 523 s.

Tato technologie je ve vývoji!

Vlak magnetické levitace - létající vlak, magnetoplane nebo maglev - je vlak držený nad vozovkou, poháněný a řízen silou elektromagnetického nebo magnetického pole.

Popis:

Vlak na magnetické levitaci - létající vlak, magnetoplane nebo maglev (z anglického magnetická levitace - „magnetická levitace“) je vlak držený nad vozovkou, poháněný a řízen silou elektromagnetického nebo magnetického pole.

Na rozdíl od tradičních železničních vlaků se maglev během pohybu nedotýká povrchu. železnice... Rychlost tohoto transportu proto může být srovnatelná s rychlostí letadlo... Dnes maximální rychlost takový vlak - 581 km / h (Japonsko).

V praxi byly implementovány dva systémy magnetické levitace: elektromagnetická suspenze (EMS) a elektrodynamická suspenze (EDS). Jiné systémy: systémy s permanentními magnety existují pouze teoreticky a systém RusMaglev je ve vývoji.

Elektromagnetické odpružení (EMS):

Elektromagnetické odpružení (EMS) umožňuje vlaku levitovat pomocí elektromagnetického pole s časově proměnnou silou. Systém je cesta vytvořená z dirigent a systém elektromagnetů instalovaných ve vlaku.

Výhody tohoto systému:

- magnetické pole uvnitř i vně vozidla je menší než magnetické pole systému EDS,

– ekonomicky proveditelná a dostupná technologie,

- vysoké rychlosti (500 km / h),

– není potřeba dalších systémů odpružení.

Nevýhody tohoto systému:

– nestabilita: vyžaduje neustálé sledování a korekci kolísání magnetického pole stop a složení,

– Vyrovnání tolerancí vnějšími prostředky může mít za následek nežádoucí vibrace.

Elektrodynamický závěsný systém (EDS):

Elektrodynamický závěsný systém (EDS) vytváří levitaci s měnícím se magnetickým polem ve stopách a polem vytvářeným magnety na palubě vlaku.

Výhody tohoto systému:

- vývoj ultravysokých rychlostí (603 km / h) a schopnost odolat těžkým nákladům.

Nevýhody tohoto systému:

– neschopnost levitovat při nízkých rychlostech, potřeba vysoké rychlosti, aby byla dostatečná odpudivá síla alespoň k udržení vlaku na váze (proto takové vlaky používají kola),

– silné magnetické záření je škodlivé a nebezpečné pro cestující se špatným zdravím a pro kardiostimulátory pro magnetické datové nosiče.

Systémy magnetické levitace vlaku Inductrack s permanentními magnety:

V současné době je pro implementaci relevantní systém permanentních magnetů Inductrack, který je typem systému EDS.

Výhody tohoto systému:

- potenciálně nejekonomičtější systém,

– nízký výkon pro aktivaci magnetů,

- magnetické pole je lokalizováno pod vozem,

– levitační pole je generováno již při rychlosti 5 km / h,

- v případě výpadku proudu vozidla bezpečně zastaví,

– mnoho permanentních magnetů může být účinnějších než elektromagnety.

Nevýhody tohoto systému:

– vyžaduje kola nebo speciální segment tratě, aby podepřel vlak, když se zastaví.

Systém RusMaglev:

RusMaglevova levitace je ruský vývoj. Levitace je vytvářena permanentními magnety (neodym-železo-bor) na palubě vlaku. Dráhy jsou vyrobeny z hliníku. Systém nevyžaduje absolutně žádné napájení elektřinou.

Výhody tohoto systému:

- ekonomičtější než vysokorychlostní dálnice,

– není nutná elektřina

- vysoké rychlosti - přes 400 km / h,

– vlak levituje nulovou rychlostí,

- přeprava zboží je 2krát levnější než přeprava zboží stávající železnicí.

Poznámka: © Foto https://www.pexels.com

Zvětšení-prezentace:http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Účel

Magnetický levitační vlak nebo maglev (z anglické magnetické levitace, tj. „maglev“ - magnetoplane) je vlak na magnetickém závěsu, poháněný a ovládaný magnetickými silami, určený k přepravě osob (obr. 1). Zacházejte s technikou osobní dopravy. Na rozdíl od tradičních vlaků se během pohybu nedotýká povrchu kolejnice.

2. Hlavní části (zařízení) a jejich účel

Existují různé technologická řešení při vývoji tohoto designu (viz kapitola 6). Zvažte princip fungování magnetického polštáře vlaku "Transrapid" na elektromagnety ( elektromagnetické odpružení, EMS) (obr.2).

Elektronicky ovládané elektromagnety (1) jsou připevněny ke kovové „sukni“ každého automobilu. Interakce s magnety na spodní straně speciální kolejnice (2) způsobují, že se vlak vznáší nad kolejnicí. Jiné magnety poskytují boční zarovnání. Podél koleje je položeno vinutí (3), které vytváří magnetické pole, které pohání vlak (lineární motor).

3. Princip činnosti

Princip fungování vlaku na magnetickém závěsu je založen na následujících fyzikálních jevech a zákonech:

fenomén a zákon elektromagnetické indukce M. Faraday

lenzovo pravidlo

zákon Bio-Savart-Laplace

V roce 1831 objevil anglický fyzik Michael Faraday zákon elektromagnetické indukce, Čím změna magnetického toku uvnitř vodivého obvodu budí elektrický proud v tomto obvodu, i když v obvodu není žádný zdroj energie... O otázce směru indukčního proudu, který Faraday nechal otevřený, brzy rozhodl ruský fyzik Emiliy Khristianovich Lenz.

Zvažte uzavřený kruhový obvod pro vedení proudu bez připojené baterie nebo jiného zdroje energie, do kterého je zaveden magnet se severním pólem. To povede ke zvýšení magnetického toku procházejícího obvodem a podle Faradayova zákona se v obvodu objeví indukovaný proud. Tento proud zase podle zákona Bio-Savarda vygeneruje magnetické pole, jehož vlastnosti se neliší od vlastností pole obyčejného magnetu se severním a jižním pólem. Lenzovi se podařilo zjistit, že indukovaný proud bude směrován takovým způsobem, že severní pól magnetického pole generovaného proudem bude orientován k severnímu pólu vloženého magnetu. Protože mezi dvěma severními póly magnetů existují síly vzájemného odpuzování, indukční proud indukovaný v obvodu bude proudit takovým směrem, že bude proti zavedení magnetu do obvodu. A to je jen zvláštní případ a v zobecněné formulaci Lenzovo pravidlo uvádí, že indukční proud je vždy směrován tak, aby působil proti hlavní příčině, která jej způsobila.

Lenzovo pravidlo se dnes používá na magnetickém levitačním vlaku. Pod spodní částí vozíku takového vlaku jsou namontovány silné magnety, které se nacházejí několik centimetrů od ocelového plechu (obr. 3). Když se vlak pohybuje, magnetický tok procházející obrysem koleje se neustále mění a v něm vznikají silné indukční proudy, které vytvářejí silné magnetické pole, které odpuzuje magnetické zavěšení vlaku (podobně jako odpudivé síly mezi obrysem a magnetem ve výše uvedeném experimentu). Tato síla je tak velká, že po získání určité rychlosti vlak doslova zlomí trať o několik centimetrů a ve skutečnosti letí vzduchem.

Kompozice levituje díky odpuzování stejných pólů magnetů a naopak přitažlivosti různých pólů. Tvůrci vlaku Transrapid (obr. 1) použili neočekávané schéma magnetického zavěšení. Nevyužili odpuzování pólů stejného jména, ale přitažlivost opačných. Zavěšení zátěže na magnet není obtížné (tento systém je stabilní), ale pod magnetem je téměř nemožné. Ale pokud vezmete řízený elektromagnet, situace se změní. Řídicí systém udržuje velikost mezery mezi magnety konstantní v několika milimetrech (obr. 3). Se zvětšením mezery systém zvyšuje proud v magnetech ložisek a tím „táhne“ auto; při snižování snižuje intenzitu proudu a mezera se zvyšuje. Tento režim má dvě hlavní výhody. Traťové magnetické prvky jsou chráněny před povětrnostními vlivy a jejich pole je výrazně slabší kvůli malé mezeře mezi tratí a vlakem; vyžaduje proudy mnohem menší síly. V důsledku toho je vlak tohoto designu mnohem ekonomičtější.

Pohyb vlaku vpřed se provádí lineární motor... Takový motor má rotor a stator natažené do pásů (u běžného elektromotoru jsou stočeny do kroužků). Statorová vinutí se zapínají střídavě a vytvářejí pohyblivé magnetické pole. Stator namontovaný na lokomotivě je vtažen do tohoto pole a pohybuje celým vlakem (obr. 4, 5). ... Klíčovým prvkem této technologie je změna pólů elektromagnetů střídavým napájením a odebíráním proudu s frekvencí 4000krát za sekundu. Mezera mezi statorem a rotorem by neměla přesáhnout pět milimetrů, aby byl zajištěn spolehlivý provoz. Toho je obtížné dosáhnout kvůli kývání automobilů během jízdy, zejména při zatáčení, které je vlastní všem druhům jednokolejných silnic, kromě silnic s bočním zavěšením. Proto je potřeba ideální traťová infrastruktura.

Stabilita systému je zajištěna automatickou regulací proudu v magnetizačních vinutích: senzory neustále měří vzdálenost od vlaku k trati a podle toho se mění napětí na elektromagnetech (obr. 3). Ultrarychlé řídicí systémy řídí vzdálenost mezi vozovkou a vlakem.

a
Postava: 4. Princip pohybu vlaku na magnetickém závěsu (technologie EMS)

Jedinou brzdnou silou je aerodynamický odpor.

Schéma pohybu vlaku na magnetickém odpružení: ložiskové elektromagnety jsou instalovány pod automobilem a cívky lineárního elektrického motoru jsou instalovány na kolejnici. Při jejich interakci vzniká síla, která zvedne auto nad vozovku a táhne ho vpřed. Směr proudu ve vinutí se neustále mění a mění magnetická pole, když se vlak pohybuje.

Nosné magnety jsou napájeny z vestavěných baterií (obr. 4), které jsou na každé stanici dobíjeny. Proud do lineárního elektromotoru, který zrychluje vlak na rychlost letadla, je dodáván pouze v úseku, po kterém vlak jede (obr. 6a). Dostatečně silné magnetické pole kompozice bude indukovat proud ve vinutí koleje, a ta zase vytvoří magnetické pole.

Postava: 6.a Princip pohybu vlaku na magnetické levitaci

Tam, kde vlak zrychluje nebo jde do kopce, je energie dodávána s větším výkonem. Pokud potřebujete brzdit nebo jít opačným směrem, magnetické pole změní vektor.

Podívejte se na videoklipy “ Zákon elektromagnetické indukce», « Elektromagnetická indukce» « Faradayovy experimenty».

Postava: 6. b Rámečky z videoklipů „Zákon elektromagnetické indukce“, „Elektromagnetická indukce“ „Faradayovy experimenty“.

Navzdory skutečnosti, že od vytvoření prvních parních lokomotiv uplynulo více než dvě stě let, lidstvo stále není připraveno zcela opustit používání motorové nafty, síly páry a elektřiny jako hnací síly schopné přepravovat těžké břemena a cestující.

Jak však sami rozumíte, po celou tu dobu nebyli inženýři-vynálezci v naprosté nečinnosti a výsledkem práce jejich myšlenek bylo zveřejnění alternativních způsobů přepravy po železnici.

Historie vzniku vlaků na elektromagnetickém polštáři

Samotná myšlenka, jak uvést vlak do pohybu pomocí magnetické levitace, není tak nová. Vynálezci poprvé začali uvažovat o vytvoření takového kolejového vozidla na samém počátku 20. století, avšak z mnoha důvodů nemohla být realizace tohoto projektu provedena po dlouhou dobu.

Teprve v roce 1969 na území tehdejší Spolkové republiky Německo začali vyrábět podobný vlak, později zvaný maglev, a položili magnetickou stopu. Ke spuštění prvního maglevu pod názvem „Transrapid-02“ došlo o dva roky později.

Zajímavým faktem je, že při výrobě maglev se němečtí inženýři spoléhali na záznamy od vědce Hermanna Kempera, který v roce 1934 získal patent na vytvoření magnetoplony. První maglev „Tranrapid-02“ nelze nazvat vysokorychlostním, protože se vyvíjel pouze do 90 km / h. Jeho kapacita byla také velmi nízká: pouze čtyři lidé.

Následující model Maglev, vytvořený v roce 1979, „Transrapid-05“ již pojal až 68 cestujících a pohyboval se po trati pro cestující ve městě Hamburk, která má délku 908 m, rychlostí 75 km / h.

Transrapid-05

Souběžně s tím na druhém konci kontinentu, v Japonsku, ve stejném roce 1979 byl spuštěn model ML-500 maglev, schopný rychlosti až 517 km / h.

Co je to maglev a jak to funguje?

Maglev (nebo jednoduše magnetický levitační vlak) je druh dopravy, který je řízen a poháněn silou magnetického pole. V tomto případě se maglev nedotýká železničních tratí, ale „levituje“ nad nimi, držený uměle vytvořeným magnetickým polem. V tomto případě je tření vyloučeno, jako brzdná síla působí pouze aerodynamický odpor.

Na budoucích dálkových trasách může být maglev vážnou konkurencí letecká doprava díky své schopnosti vyvinout velmi vysokou rychlost pohybu. Dnes je rozšířenému zavedení maglevů do značné míry bráněno skutečností, že je nelze použít na tradičních železničních površích hlavní trati. Maglev může cestovat pouze po speciálně postavené magnetické dálnici, což vyžaduje velmi velké investice.

Rovněž se věří, že magnetický transport je schopen negativně ovlivnit tělo řidičů a obyvatel regionů v blízkosti magnetických drah.

Výhody Maglev

Mezi přednosti Maglev patří obrovská vyhlídka na dosažení vysoké rychlostischopný konkurovat i s proudové letadlo... Kromě toho je maglev docela ekonomický, pokud jde o spotřebu elektřiny, dopravu. Kromě toho mezi částmi nedochází prakticky k žádnému tření, což může výrazně snížit úroveň provozních nákladů.

První cestující z centra Tokia do jednoho z největších japonských přístavů - města Nagoja. Bude fungovat na trati dlouhé 338 kilometrů mezi stanicemi Shinagawa a Nagoya. Průměrná rychlost prvních vlaků řady L0 bude 507 km / h. Během nedávných testů jeden z nich již zrychlil na 500 km / h, aniž by to ohrozilo pohodlí a klid cestujících - podívejte se na video.

http://youtu.be/KCF3tw-HFdE

Cestující dnes cestují po této trase po pravidelné železnici vysokorychlostními elektrickými vlaky řady Shinkansen za devadesát tři minut. Díky svému charakteristickému tvaru a průměrné rychlosti 218 km / h byl takový vlak pojmenován „bullet train“.

Dálnice Shinagawa - Nagoya (Obrázek: maps.google.com)

Japonský maglev (zkratka pro „magnetickou levitaci“), který začíná pravidelný pohyb v roce 2027, bude schopen dokončit stejnou cestu za čtyřicet minut. Celkově bude mít každý vlak čtrnáct až šestnáct vozů. Pro optimální rozložení hmotnosti bude mít poslední vůz sedadla pro dvacet čtyři cestujících a všechny ostatní vozy - pro šedesát osm.

Samotná myšlenka pozastavení transportu v magnetickém poli není zdaleka nová. Experimentální Maglevs se objevil v Berlíně, Emslandu a Birminghamu již v polovině osmdesátých let minulého století. Během provozu však i při nízkých rychlostech vzniklo mnoho nepředvídaných problémů. Tehdy nebylo možné je vyřešit kvůli obecné úrovni technického rozvoje. Maglevs měl nízkou spolehlivost a nízkou úroveň pohodlí. Později jiný čas příslušné projekty byly uzavřeny. Většina odborníků se zaměřila na rozvoj vysokorychlostních tratí pro konvenční vlaky.

Dálnice Shinkansen a elektrické vlaky stejného jména sloužily Japoncům téměř půl století. V příští rok 50. výročí otevření linky Tokaido Shinkansen. Dnes je považován za nejrušnější na světě a pro další rozvoj železniční sítě je již zapotřebí něco zásadně nového.

V současné době existují dvě hlavní možnosti zvýšení propustnosti železnice: zlepšení vlastností elektrických vlaků stávající typ nebo postupný překlad vlaky na „magnetickou levitaci“. Až do nedávné doby se první možnost zdála méně nákladná.

Například ve Francii se Alstom Transport dlouhodobě a částečně úspěšně snaží vyřešit podobný problém. Elektrické vlaky vytvořené v rámci projektu Vitesse 150 se neobejdou bez magnetického polštáře, ale mohou jim dobře konkurovat.

"Computerra" již uvedl, že na jaře letošního roku jeden z těchto experimentálních vlaků zrychlil na 574,8 km / h. V zájmu spravedlnosti je třeba poznamenat, že vlak TGV POS prošel zásadní modernizací, aby vytvořil rekord. Ve srovnání se skutečně používanými možnostmi se jeho výkon zdvojnásobil, takže zůstaly pouze tři vozy (nepočítaje motorové vozy) a mezery mezi nimi byly pro lepší aerodynamiku odstraněny.

Nyní tyto vlaky (i když mnohem pomalejší rychlostí) pravidelně jezdí na evropské lince LGV Est, která spojuje francouzské obce Bodrecourt a Ver-sur-Marne.

Vlaky řady TGV čtvrté generace jezdí také mezi Francií, Německem a Švýcarskem. Jejich základní design se blíží tradičnímu - vozy jsou namontovány na podvozcích s koly a pojíždějí po kolejích. Mohou však uvolnit svůj potenciál pouze na specializovaných linkách LGV, jejichž výstavba a údržba je nákladově srovnatelná s uváděním magnetických levitačních linek do provozu. Na běžných tratích se musí strojníci pohybovat rychlostí až dvě stě kilometrů za hodinu.

Z dlouhodobého hlediska jsou nejatraktivnější vlaky magnetické levitace. Při pohybu po dálnici v magnetickém poli prakticky nezažijí tření. Jejich energetické ztráty během pohybu jsou způsobeny hlavně aerodynamickým odporem.

Aby se to minimalizovalo, dostane vlak velmi podlouhlý tvar. S celkovou délkou vozíku na hlavu dvacet osm metrů tvoří asi patnáct z nich kapotáž luku.

Velikost mezery mezi magnetickým levitačním vlakem a železničním ložem kolísá kolem několika centimetrů. Dopadající proud vzduchu vytváří další zvedací sílu.

Ve srovnání s konvenčním elektrickým vlakem, který zažívá tření kol, je maglev schopen rychleji přesunout zátěž stejné hmotnosti na stejnou vzdálenost a utratit asi polovinu energie. Navzdory vysokým nákladům na uvedení do provozu tedy magnetické vlaky šetří stát i cestující.

Nedostatek tření na plátně v maglevech má další důležitou výhodu - nízkou hladinu hluku a vibrací. Všechny vysokorychlostní elektrické vlaky jsou nyní vybaveny výkonnými pneumatickými závěsy, které kompenzují házení dvojkolí při přejíždění spojů kolejnice.

Podle předběžných výpočtů bude Maglev v průběhu času schopen zrychlit nejméně na tisíc kilometrů za hodinu, což zcela změní priority při výběru způsobu cestování. S přihlédnutím k umístění železničních stanic a absenci výrazných omezení pro přepravu zavazadel se podíl osobní letecké dopravy v budoucnu výrazně sníží.

Je zajímavé poznamenat, že jedním z hlavních směrů pro rozvoj magnetické levitační dopravy byly trasy mezi velkými městy a letišti. Zde je video pořízené z okna šanghajského magleva směřujícího na letiště rychlostí až 430 km / h.

Podle plánu rozvoje japonské železniční sítě bude podobná vysokorychlostní trať spojovat Tokio s Osakou do roku 2045. Japonské vlaky maglev L0 mají na zahraničním trhu dobré vyhlídky.

V Číně se vysokorychlostní železniční síť začala budovat v roce 2007 a dnes již dosáhla statusu největší na světě. Vlaky klasického typu, které po ní jezdí, nyní dosahují rychlosti až 300 km / h. Souběžný vývoj vlaků magnetické levitace zvýší kapacitu dopravní sítě, zajistí plynulý přechod na vyšší úroveň a vytvoří dobrou rezervu pro budoucí růst.