Сухов Віталій Володимирович, Галин Олексій Леонідович

Ми представляємо вам проект, основною темою якого є «Електромагнітні транспортні засоби та апарати». Зайнявся цією роботою, ми зрозуміли, що найбільш цікавим питанням для нас є транспорт на магнітній подушці.

Нещодавно знаменитий англійський письменник-фантаст Артур Кларк зробив чергове передбачення. «... Ми, можливо, стоїмо на порозі створення космічного апарату нового типу, який зможе залишати Землю з мінімальними витратами за рахунок подолання гравітаційного бар'єру, - вважає він. - Тоді нинішні ракети стануть тим же, чим були повітряні кулі до першої світової війни ». На чому ж грунтується таке судження? Відповідь потрібно шукати в сучасних ідеях створення транспорту на магнітній подушці.

Завантажити:

Попередній перегляд:

I-а відкрита студентська науково-практична конференція

«Моя проектна діяльність в коледжі»

Напрямок науково-практичного проекту:

Електротехніка

Тема проекту:

Електромагнітні транспортні засоби та апарати. Транспорт на магнітній подушці

Проект підготовлений:

Сухов Віталій Володимирович, студент групи 2 ЕТ

Галин Олексій Леонідович, студент групи 2 ЕТ

Назва навчального закладу:

ГБОУ СПО Електромеханічний коледж №55

Керівник проекту:

Утенкова Еатеріна Сергіївна

Москва 2012

Вступ

Магнітоплан або Маглев

установка Хальбаха

висновок

Список літератури

Вступ

Ми представляємо вам проект, основною темою якого є «Електромагнітні транспортні засоби та апарати». Зайнявся цією роботою, ми зрозуміли, що найбільш цікавим питанням для нас є транспорт на магнітній подушці.

Нещодавно знаменитий англійський письменник-фантаст Артур Кларк зробив чергове передбачення. «... Ми, можливо, стоїмо на порозі створення космічного апарату нового типу, який зможе залишати Землю з мінімальними витратами за рахунок подолання гравітаційного бар'єру, - вважає він. - Тоді нинішні ракети стануть тим же, чим були повітряні кулі до першої світової війни ». На чому ж грунтується таке судження? Відповідь потрібно шукати в сучасних ідеях створення транспорту на магнітній подушці.

Магнітоплан або Маглев

Магнітоплан або Маглев (від англ. Magnetic levitation) - це потяг на магнітному підвісі, який рухається і керований магнітними силами. Такий склад, на відміну від традиційних поїздів, в процесі руху не торкається поверхні рейки. Так як між поїздом і поверхнею руху існує зазор, тертя виключається, і єдиною гальмує силою є сила аеродинамічного опору.

Швидкість, досяжна маглев, порівнянна зі швидкістю літака і дозволяє скласти конкуренцію повітряним повідомленнями на малих (для авіації) відстанях (до 1000 км). Хоча сама ідея такого транспорту не нова, економічні та технічні обмеження не дозволили їй розвернутися в повній мірі: для публічного використання технологія втілювалася лише кілька разів. В даний час, Маглев не може використовувати існуючу транспортну інфраструктуру, хоча є проекти з розташуванням елементів магнітної дороги між рейок звичайної залізниці або під полотном автотраси.

Необхідність поїздів на магнітній подушці (MAGLEV) обговорюється вже довгі роки, однак результати спроб їх реального застосування виявилися такими, що бентежать. Найважливіший недолік поїздів MAGLEV полягає в особливості роботи електромагнітів, які і забезпечують левітації вагонів над полотном. Електромагніти, які не охолоджуються до стану надпровідності, споживають гігантські обсяги енергії. При використанні ж надпровідників в полотні вартість їх охолодження зведе нанівець всі економічні переваги і можливість здійснення проекту.

Альтернатива запропонована фізиком Річардом Постом з Lawrence Livermore National Laboratory, Каліфорнія. Її суть полягає у використанні не електромагнітів, а постійних магнітів. Раніше застосовувані постійні магніти були занадто слабкі, щоб підняти поїзд, і Пост застосовує метод часткової акселерації, розроблений відставним фізиком Клаусом Хальбаха з Lawrence Berkley National Laboratory. Хальбах запропонував метод розташування постійних магнітів таким чином, що б сконцентрувати їх сумарні поля в одному напрямку. Inductrack - так Пост назвав цю систему - використовує установки Хальбаха, вмонтовані в днище вагона. Полотно, саме по собі, - це впорядкована укладання витків ізольованого мідного кабелю.

установка Хальбаха

Установка Хальбаха концентрує магнітне поле в певній точці, знижуючи її в інших. Будучи вмонтованою в днище вагона, вона генерує магнітне поле, яке індукує достатні струми в обмотках полотна під рухомим вагоном, щоб підняти вагон на кілька сантиметрів і стабілізувати його [рис.1]. Коли поїзд зупиняється, ефект левітації зникає, вагони опускаються на додаткові шасі.

Мал. 1 Установка Хальбаха

На малюнку представлено 20 метрове дослідне полотно для випробування MAGLEV поїздів типу Inductrack, яке містить близько 1000 прямокутних індуктивних обмоток, кожна шириною 15 см. На передньому плані випробувальна візок і електричний контур. Алюмінієві рейки уздовж полотна підтримують візок до моменту досягнення стійкої левітації. Установки Хальбаха забезпечують: під днищем - левітації, з боків - стійкість.

Коли поїзд досягає швидкості 1-2 км / год, магніти виробляють достатні для левітації поїзда струми в індуктивних обмотках. Сила, рушійна поїзд, генерується електромагнітами, установленими з інтервалами уздовж шляху. Поля електромагнітів пульсують таким чином, що відштовхують від себе установки Хальбаха, змонтовані в поїзді, і рухають його вперед. Згідно Посту, при правильному розташуванні установок Хальбаха, вагони не втратять рівноваги ні за яких обставин, аж до землетрусу. В даний час, виходячи з успіхів демонстраційної роботи Посту в масштабі 1/20, NASA підписало 3-х річний контракт з його колективом в Ліверморі для подальшого дослідження даної концепції для більш ефективного запуску супутників на орбіту. Передбачається, що ця система буде використовуватися в якості багаторазового розгінного носія, який розганяв би ракету до швидкості близько 1 Маха, перед включенням на ній основних двигунів.

Однак, незважаючи на всі складнощі перспективи використання транспорту на магнітній подушці залишаються досить привабливими. Так, японський уряд готується відновити роботу над принципово новим видом наземного транспорту - потягами на магнітній подушці. За запевненням інженерів, вагони «маглева» здатні покривати відстань між двома найбільшими населеними центрами Японії - Токіо і Осакою - всього за 1 годину. Нинішнім швидкісним залізничним експресах для цього потрібно часу в 2,5 рази більше.

Секрет швидкості «маглева» полягає в тому, що вагони, підвішені в повітря силою електромагнітного відштовхування, рухаються не по колії, а над нею. Це геть виключає втрати, неминучі при терті коліс об рейки. Багаторічні випробування, що проводилися в префектурі Яманасі на пробному ділянці довжиною 18,4 км, підтвердили надійність і безпеку цієї транспортної системи. Вагони, що рухалися в автоматичному режимі, без пасажирської навантаження розвивали швидкість в 550 км / год. Поки що рекорд швидкісного пересування по рейках належить французам, чий поїзд TGV в 1990 році на випробуваннях розігнався до 515 км / год.

Питання експлуатації транспорту на магнітній подушці

Японців також турбують економічні проблеми, і в першу чергу питання рентабельності надшвидкісний лінії «маглева». Нині щорічно між Токіо і Осакою здійснюють подорож близько 24 млн. Чоловік, 70% пасажирів користуються при цьому швидкісної залізничної лінією. За підрахунками футурологів, революційний розвиток мережі комп'ютерного зв'язку неминуче призведе до зниження пасажиропотоку між двома найбільшими центрами країни. На завантаженості транспортних ліній може позначитися і намітилося падіння чисельності активного населення країни

Російський проект відкриття руху поїздів на магнітній подушці з Москви в Санкт-Петербург в найближчим часом не буде реалізований, повідомив на прес-конференції в Москві в наприкінці лютого 2011 року керівник Федерального агентства залізничного транспорту Михайло Акулов. З цим проектом можуть бути проблеми, оскільки немає досвіду експлуатації поїздів на магнітній подушці в умовах зими, сказав Акулов, повідомивши, що такий проект розроблений групою російських розробників, які взяли на озброєння досвід Китаю. Разом з тим Акулов зазначив, що ідея створення високошвидкісної магістралі Москва - Санкт-Петербург сьогодні знову актуальна. Зокрема, запропоновано поєднати створення високошвидкісної магістралі з паралельним будівництвом автомобільного шосе. Глава агентства додав, що потужні бізнес-структури з Азії готові брати участь в цьому проекті, не уточнивши, про які саме структури йдеться.

Технології магнітного підвісу поїздів

На даний момент існує 3 основних технології магнітного підвісу поїздів:

1. На надпровідних магнітах (електродинамічна підвіска, EDS).

Надпровідний магніт - соленоїд або електромагніт з обмоткою з надпровідного матеріалу. Обмотка в стані надпровідності володіє нульовим провідникові. Якщо така обмотка замкнута накоротко, то наведений в ній електричний струм зберігається практично скільки завгодно довго.

Магнітне поле невщухаючого струму, циркулюючого по обмотці надпровідного магніту, виключно стабільно і позбавлено пульсацій, що важливо для ряду додатків в наукових дослідженнях і техніці. Обмотка надпровідного магніту втрачає властивість надпровідності при підвищенні температури вище критичної температури Тк надпровідника, при досягненні в обмотці критичного струму Ік або критичного магнітного поля Нк. З огляду на це, для обмоток надпровідних магнітів. застосовують матеріали з високими значеннями Тк, Ік і Нк.

2. На електромагнітах (електромагнітна підвіска, EMS).

3. На постійних магнітах; це нова і потенційно найбільш економічна система.

Склад левитирует за рахунок відштовхування однакових полюсів магнітів і, навпаки, притягнення різних полюсів. Рух здійснюється лінійним двигуном.

Лінійний двигун -електродвігатель, у якого один з елементів магнітної системи розімкнути і має розгорнуту обмотку, створює біжить магнітне поле, а інший виконаний у вигляді направляючої, що забезпечує лінійне переміщення рухомої частини двигуна.

Зараз розроблено безліч проектів лінійних двигунів, але всіх їх можна розділити на дві категорії - двигуни низького прискорення і двигуни високого прискорення.

Двигуни низької прискорення використовуються в громадському транспорті (маглев, монорельс, метрополітен). Двигуни високого прискорення вельми невеликі по довжині, і зазвичай застосовуються, щоб розігнати об'єкт до високої швидкості, а потім випустити його. Вони часто використовуються для досліджень гіпершвидкісних зіткнень, як зброю або пускові установки космічних кораблів. Лінійні двигуни широко використовуються також в приводах подачі металорізальних верстатів, і в робототехніці. розташованим або на поїзді, або на шляху, або і там, і там. Серйозною проблемою проектування є велика вага досить потужних магнітів, оскільки потрібне сильне магнітне поле для підтримки в повітрі масивного складу.

По теоремі Ірншоу (S. Earnshaw, іноді пишуть Ерншоу), статичні поля, створювані одними тільки електромагнітами і постійними магнітами, нестабільні, на відміну від полів діамагнетіков.

Діамагнетик - речовини, намагнічуватися назустріч напрямку діючого на них зовнішнього магнітного поля. Під час відсутності зовнішнього магнітного поля Діамагнетик не мають магнітного моменту. і надпровідних магнітів. Існують системи стабілізації: датчики постійно вимірюють відстань від поїзда до шляху і відповідно йому змінюється напруга на електромагнітах.

Розглянути принцип руху транспорту на магнітній подушці можна на наступній схемі.

Тут показаний принцип руху транспорту вперед, під дією зміни магнітних полів. Розташування магнітів дають можливість вагону, ніби тягнуться вперед, до протилежного полюса, тим самим рухаючись всією конструкцією.

Найбільш докладно саамам магнітна установка представлена \u200b\u200bна схеміконструкції магнітного підвісу і електроприводу екіпажу на базі лінійних асинхронних машин

Мал. 1. Конструкція магнітного підвісу і електроприводу екіпажу на базі лінійних асинхронних машин:
1 - індуктор магнітного підвісу; 2 - вторинний елемент; 3 - кришка; 4,5 - зубці й обмотка індуктора підвісу; 6,7 - струмопровідна клітина і муздрамтеатр вторинного елемента; 8 - підстава; 9-платформа; 10 - кузов екіпажу; 11, 12 - пружини; 13 -демпфер; 14 - штанга; 15 - циліндричний шарнір; 16 - опора ковзання; 17 - кронштейн; 18 - упор; 19 - штанга. Von - швидкість магнітного поля: Fn - підйомна сила підвісу: Вб - індукція робочого зазору підвісу

Рис.2. Конструкція тягового лінійного асинхронного двигуна:
1 - індуктор тягового приводу; 2 - вторинний елемент; 3 - магнітопровід індуктора приводу; 4 - натискні плити індуктора приводу; 5 - зубці індуктора приводу; 6 - котушки обмотки індуктора приводу; 7 - підстава.

Переваги та недоліки транспорту на магнітній подушці

переваги

• Теоретично найвища швидкість з тих, які можна отримати на серійному (не спортивні) наземному транспорті.
• Низький шум.

недоліки

• Висока вартість створення і обслуговування колії.
• Вага магнітів, споживання електроенергії.
• Створюване магнітною підвіскою електромагнітне поле може виявитися шкідливим для поїзних бригад та / або навколишніх жителів. Навіть тягові трансформатори, застосовувані на електрифікованих змінним струмом залізницях, шкідливі для машиністів, але в даному випадку напруженість поля виходить на порядок більше. Також, можливо, лінії маглева будуть недоступні для людей, що використовують кардіостимулятори.
• Буде потрібно на високій швидкості (сотні км / ч) контролювати зазор між дорогою і поїздом (кілька сантиметрів). Для цього потрібні надшвидкодіючі системи управління.
• Потрібна складна колійна інфраструктура.

Наприклад, стрілка для маглева є дві ділянки дороги, які змінюють один одного в залежності від напрямку повороту. Тому малоймовірно, що лінії маглева будуть утворювати мало-мальськи розгалужені мережі з розвилками і перетинами.

Розробки нових видів транспорту

Роботи зі створення швидкісних бесколесних поїздів на магнітній подушці ведуться досить давно, зокрема в Радянському Союзі з 1974 року. Однак до сих пір проблема найбільш перспективного транспорту майбутнього залишається відкритою і є широким полем діяльності для.

Мал. 2 Модель поїзда на магнітній подушці

На малюнку 2 представлена \u200b\u200bмодель поїзда на магнітній подушці, де розробники вирішили перевернути всю механічну систему з ніг на голову. Залізнична траса являє собою сукупність розставлених через певні рівні відстані залізобетонних опор зі спеціальними прорізами (вікнами) для поїздів. Рейок немає. Чому? Справа в тому, що модель перевернута, і в якості рейки служить сам поїзд, а у вікнах опор встановлені колеса з електромоторами, швидкістю обертання яких дистанційно управляє машиніст поїзда. Таким чином, поїзд як би летить по повітрю. Відстані між опорами підібрані таким чином, щоб в кожен момент свого руху поїзд знаходився, як мінімум, в двох-трьох з них, а один вагон має довжину більшу, ніж один проліт. Це дозволяє не тільки утримувати поїзд на вазі, але і, в той же час, при відмові одного з коліс в якої-небудь опори рух буде продовжуватися.

Переваг використання саме цієї моделі досить. По-перше, це економія на матеріалах, по-друге, вага поїзда значно зменшується (не потрібно ні двигунів, ні коліс), по-третє, така модель надзвичайно екологічна, а по-четверте, прокласти таку трасу в умовах густонаселеного міста або місцевості з нерівним ландшафтом набагато простіше, ніж в стандартних видах транспорту.

Але не можна не сказати і про недоліки. Наприклад, якщо в рамках траси одна з опор сильно відхилиться, це призведе до катастрофи. Хоча, катастрофи можливі і в рамках звичайних залізниць. Інше питання, який веде до сильного подорожчання технології, це фізичні навантаження на опори. Наприклад, хвіст поїзда, тільки виїхав з будь-якого конкретного отвору, якщо говорити простими словами, як би "зависає" і надає велике навантаження на наступну опору, при цьому зміщується і центр ваги самого поїзда, що впливає на всі опори, в цілому. Приблизно така ж ситуація виникає, коли голова поїзда виїжджає з отвору і так само "повисає", поки не досягне наступного опори. Виходять свого роду гойдалки. Як цю проблему мають намір вирішувати конструктори (з допомогою несучого крила, величезній швидкості, зменшенням відстані між опорами ...), поки неясно. Але рішення є. І третя проблема - повороти. Оскільки розробники вирішили, що довжина вагона більше, ніж один проліт, стоїть питання поворотів

Мал. 3 Високошвидкісний Струнний Транспорт Юницького

Як альтернатива цьому існує чисто російська розробка, іменована високошвидкісних струни Транспортом Юницького (СТЮ). В її рамках пропонується використовувати підняті на опорах на висоту 5-25 метрів попередньо напружені рейки-струни, по яких рухаються чотириколісні транспортні модулі. Собівартість у СТЮ виявляється набагато меншою - $ 600-800 тисяч за один кілометр, а з інфраструктурою і рухомим складом - $ 900-1200 тисяч за км.

Мал. 4 Приклад монорейкового транспорту

Але найближче майбутнє бачиться все-таки за звичайним монорейковим поданням. Причому в рамках монорейкових систем зараз відкочуються новітні технології по автоматизированности транспорту. Наприклад, американська корпорація Taxi 2000 створює монорельсову систему автоматичних таксі SkyWeb Express, які можуть їздити як в рамках міста, так і за його межами. Водій в таких таксі не потрібен (прямо як у фантастичних книгах і фільмах). Ви вказуєте точку призначення, і таксі саме вас туди відвозить, самостійно вибудовуючи оптимальний маршрут. Тут виходить все - і безпеку, і точність. Taxi 2000 року на даний момент - найбільш реальний і здійсненний проект

висновок

Потяги на магнітній подушці вважаються одним з найбільш перспективних видів транспорту майбутнього. Від звичайних поїздів і монорейок поїзда на магнітній подушці відрізняються повною відсутністю коліс - при русі вагони як би ширяють над одним широким рейкою за рахунок дії магнітних сил. В результаті швидкість руху такого поїзда може досягати 400 км / год, і в ряді випадків такий транспорт може замінити собою літак. В даний час в світі реалізується на практиці тільки один проект магнітної дорозі, званої також Transrapid.

Багатьом розробками та проектами вже по 20-30 років. І головним завданням для їх творців є залучення інвесторів. Сама проблема транспорту досить істотна, адже часто ми купуємо деякі продукти так дорого, тому що багато витрачено на їх перевезення. Друга проблема - це екологія, третя - велика завантаженість транспортних шляхів, що збільшується рік від року, і для деяких видів транспорту на десятки відсотків.

Будемо сподіватися, що в недалекому майбутньому ми самі вже зможемо проїхатися на транспорті з магнітною подушкою. Час рухається ...

Список літератури

1. Дроздова Т.Є. Теоретичні основи прогресивних технологій. - Москва: МГОУ, 2001. - 212 с.
2. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів / Тяліна Л.Н., Федорова Н.В. Навчальний посібник. - Тамбов: ТДТУ, 2006. - 457 с.
3. Методи охорони внутрішніх вод від забруднення і виснаження / під ред. Гавіч І.К. - М .: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 287 с.
4. Методи очищення виробничих стічних вод / Жуков О.І. Монгайт І.Л., Родзиллер І.Д. - М .: Инфра-М, 2005. - 338 с.
5. Основи технологій найважливіших галузей промисловості / під ред. Сидорова І.А. Підручник ВНЗ. - М .: Вища школа, 2003. - 396 с.
6. Система технологій найважливіших галузей народного господарства / Дворцин М.Д., Дмитрієнко В.В., Крутікова Л.В., Машихіна Л.Г. Навчальний посібник. - Хабаровськ: ХПІ, 2003. - 523 с.

Технологія знаходиться в процесі розробки!

Поїзд на магнітній подушці - літаючий поїзд, магнітоплан або маглев - це потяг, утримуваний над полотном дороги, який рухається і керований силою електромагнітного або магнітного поля.

  опис:

Поїзд на магнітній подушці - літаючий поїзд, магнітоплан або маглев (від англ. Magnetic levitation - «магнітна левітація») - це потяг, утримуваний над полотном дороги, який рухається і керований силою електромагнітноголібо магнітного поля.

На відміну від традиційних залізничних поїздів, в процесі руху маглев не стосується поверхні рейки. Тому швидкість даного транспорту може бути порівнянна зі швидкістю літака. На сьогоднішній день максимальна швидкість такого потягу - 581 км / ч (Японія).

На практиці реалізовані дві системи магнітної левітації: на електромагнітної підвісці (EMS) і на електродинамічної підвісці (EDS). Інші системи: на постійних магнітах існують ще тільки в теорії, а система RusMaglev знаходиться в процесі розробки.

  Поїзд на електромагнітної підвісці (EMS):

Електромагнітна підвіска (EMS) дозволяє поїзду левитировать, використовуючи електромагнітне поле зі змінною за часом силою. Система являє собою шлях, зроблений з провідника  і систему електромагнітів, встановлених на поїзді.

Переваги цієї системи:

- магнітні поля всередині і зовні транспортного засобу менше, ніж у системи EDS,

–   економічно вигідна реалізована і доступна технологія,

- високі швидкості (500 км / ч),

–   не потрібні якісь додаткові системах підвіски.

Недоліки цієї системи:

–   нестабільність: потрібен постійний контроль і коригування коливання магнітного поля шляхів і складу,

–   процес вирівнювання по допускам зовнішніми засобами може призвести до небажаної вібрації.

  Поїзд на електродинамічної підвісці (EDS):

Система на електродинамічної підвісці (EDS) створює левітації, що змінюються магнітним полем в шляхах і поля, створюваного магнітами на борту складу поїзда.

Переваги цієї системи:

- розвиток надвеликих швидкостей (603 км / ч) і здатність витримувати великі навантаження.

Недоліки цієї системи:

–   неможливість левитировать на низьких швидкостях, необхідність у великій швидкості, щоб була досить відразлива сила хоча б для утримання на вазі поїзда (тому подібні поїзди використовують колеса),

–   сильне магнітне випромінювання шкідливе й небезпечно для пасажирів зі слабким здоров'ям і з кардіостимуляторами, для магнітних носіїв даних.

  Системи магнітної левітації поїзда на постійних магнітах Inductrack:

В даний час актуальною до втілення є система на постійних магнітах Inductrack, яка є різновидом системи EDS.

Переваги цієї системи:

- потенційно найбільш економічна система,

–   низька потужність для активації магнітів,

- магнітне поле локалізоване нижче вагона,

–   поле левітації генерується вже при швидкості 5 км / год,

- при збої живлення вагони зупиняються безпечно,

–   безліч постійних магнітів може виявитися більш ефективним, ніж електромагніти.

Недоліки цієї системи:

–   потрібні колеса або спеціальний сегмент шляху, підтримує потяг при його зупинці.

  Система RusMaglev:

Левітація RusMaglev є російською розробкою. Левітація створюється постійними магнітами (неодим-залізо-бор) на борту складу поїзда. Шляхи виконані з алюмінію. Система не вимагає абсолютно ніякого підведення електрики.

Переваги цієї системи:

- економічніше високошвидкісної магістралі,

–   не потрібно електрики,

- високі швидкості - понад 400 км / год,

–   поїзд левитирует при нульовій швидкості,

- перевезення вантажів в 2 рази дешевше, ніж перевезення вантажів по існуючій залізницею.

Примітка: © Фото https://www.pexels.com

Zoom-презентація:http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Призначення

Поїзд на магнітній подушці  або маглев  (Від англ. Magnetic levitation, тобто «maglev» - магнітоплан) - це потяг на магнітному підвісі, який рухається і керований магнітними силами, призначений для перевезення людей (рис. 1). Ставитися до техніки пасажирського транспорту. На відміну від традиційних поїздів, в процесі руху він не торкається поверхні рейки.

2. Основні частини (пристрій) і їх призначення

Існують різні технологічні рішення в розробці даної конструкції (див. П.6). Розглянемо принцип дії магнітної подушки поїзда «Трансрапід» на електромагнітах ( електромагнітна підвіска, EMS) (Рис. 2).

Електронно-керовані електромагніти (1) прикріплені до металевої «спідниці» кожного вагона. Вони взаємодіють з магнітами на нижній стороні спеціального рейки (2), в результаті чого поїзд зависає над рейкою. Інші магніти забезпечують бічне вирівнювання. Уздовж шляху покладена обмотка (3), яка створює магнітне поле, що приводить поїзд у рух (лінійний двигун).

3. Принцип дії

В основі принципу дії поїзда на магнітному підвісі лежать такі фізичні явища і закони:

явище і закон електромагнітної індукції М. Фарадея

правило Ленца

закон Біо-Савара-Лапласа

У 1831 році англійський фізик Майкл Фарадей відкрив закон електромагнітної індукції, згідно якому зміна магнітного потоку всередині проводить контуру збуджує в цьому контурі електричний струм навіть при відсутності в контурі джерела живлення. Залишений Фарадеєм відкритими питання про направлення індукційного струму незабаром вирішив російський фізик Емілій Християнович Ленц.

Розглянемо замкнутий круговий струмопровідний контур без підключеної батареї чи іншого джерела живлення, в який північним полюсом починають вводити магніт. Це призведе до збільшення магнітного потоку, що проходить через контур, і, відповідно до закону Фарадея, в контурі виникне індукований струм. Цей струм, в свою чергу, відповідно до закону Біо-Савара буде генерувати магнітне поле, властивості якого нічим не відрізняються від властивостей поля звичайного магніту з північним і південним полюсами. Ленцу якраз і вдалося з'ясувати, що індукований струм буде спрямований таким чином, що північний полюс генерується струмом магнітного поля буде орієнтований в бік північного полюса всувають магніту. Оскільки між двома північними полюсами магнітів діють сили взаємного відштовхування, наведений в контурі індукційний струм потече саме в такому напрямку, що буде протидіяти введенню магніту в контур. І цей лише окремий випадок, а в узагальненій формулювання правило Ленца свідчить, що індукційний струм завжди спрямований так, щоб протидіяти викликала його причини.

Правило Ленца сьогодні якраз і використовується в поїзді на магнітній подушці. Під днищем вагона такого поїзда змонтовані потужні магніти, розташовані в лічених сантиметрах від сталевого полотна (рис. 3). При русі поїзда магнітний потік, що проходить через контур полотна, постійно змінюється, і в ньому виникають сильні індукційні струми, що створюють потужне магнітне поле, відразливе магнітну підвіску поїзда (аналогічно тому, як виникають сили відштовхування між контуром і магнітом для наведеного вище досвіді). Сила ця настільки велика, що, набравши деяку швидкість, поїзд буквально відривається від полотна на кілька сантиметрів і, фактично, летить по повітрю.

Склад левитирует за рахунок відштовхування однакових полюсів магнітів і, навпаки, притягнення різних полюсів. Творці поїзда «Трансрапід» (рис.1) застосували несподівану схему магнітної підвіски. Вони використовували не відштовхування однойменних полюсів, а притягання різнойменних. Підвісити вантаж над магнітом нескладно (ця система стійка), а під магнітом - практично неможливо. Але якщо взяти керований електромагніт, ситуація змінюється. Система контролю зберігає величину зазору між магнітами постійної в кілька міліметрів (рис. 3). При збільшенні зазору система підвищує силу струму в несучих магнітах і таким чином «підтягує» вагон; при зменшенні - знижує силу струму, і зазор збільшується. Схема володіє двома серйозними перевагами. Колійні магнітні елементи захищені від погодних впливів, а їх поле значно слабше за рахунок малого зазору між шляхом і складом; воно вимагає струмів набагато меншої сили. Отже, поїзд такій конструкції виявляється набагато більш економічним.

Рух поїзда вперед здійснюється лінійним двигуном. Такий двигун має ротор і статор, розтягнуті в смуги (в звичайному електромоторі вони згорнуті в кільця). Обмотки статора включаються черзі, створюючи біжить магнітне поле. Статор, укріплений на локомотиві, втягується в це поле і рухає весь склад (рис. 4, 5). . Ключовим елементом технології є зміна полюсів на електромагнітах шляхом поперемінної подачі і зняття струму з частотою 4000 разів у секунду. Зазор між статором і ротором для отримання надійного роботи не повинен перевищувати п'яти міліметрів. Це важкодосяжним через властивої всім типам монорейкових доріг, крім доріг з бічним підвіскою, розгойдування вагонів під час руху, особливо при проходженні поворотів. Тому необхідна ідеальна колійна інфраструктура.

Стійкість системи забезпечується автоматичним регулюванням струму в обмотках намагнічування: датчики постійно вимірюють відстань від поїзда до шляху і відповідно йому змінюється напруга на електромагнітах (рис. 3). Надшвидкодіючі системи управління контролювати зазор між дорогою і поїздом.

а
Мал. 4. Принцип руху поїзда на магнітному підвісі (технологія EMS)

Єдиною гальмує силою є сила аеродинамічного опору.

Отже, схема руху поїзда на магнітній підвісці: під вагоном встановлені несучі електромагніти, а на рейці - котушки лінійного електродвигуна. При їх взаємодії виникає сила, яка піднімає вагон над дорогою і тягне його вперед. Напрямок струму в обмотках безперервно змінюється, перемикаючи магнітні поля у міру руху поїзда.

Несучі магніти живляться від бортових акумуляторів (рис.4), які заряджаються на кожній станції. Струм на лінійний електродвигун, що розганяє потяг до літакових швидкостей, подається тільки на тій ділянці, по якому йде поїзд (рис. 6 а). Досить сильне магнітне поле складу буде наводити струм в колійних обмотках, а ті, в свою чергу, - створювати магнітне поле.

Мал. 6. а Принцип руху поїзда на магнітній подушці

Туди, де поїзд збільшує швидкість або йде в гору, енергія подається з більшою потужністю. Якщо потрібно загальмувати чи їхати в зворотному напрямку, магнітне поле змінює вектор.

Ознайомтеся з відеофрагментами « Закон електромагнітної індукції», « Електромагнітна індукція» « досліди Фарадея».

Мал. 6. б Кадри з відеофрагментів «Закон електромагнітної індукції», «Електромагнітна індукція» «Досліди Фарадея».

Незважаючи на те, що з моменту створення перших паровозів пройшло вже більше двохсот років, людство досі не готове повністю відмовитися від використання дизельного палива, сили пара і електрики в якості рушійної сили, здатної переміщати великовагові вантажі і пасажирів.

Однак, як ви самі розумієте, все це час інженери-винахідники не пробуває в повній бездіяльності, і результатом роботи їх думки став вихід у світ альтернативних способів транспортування залізничним полотном.

Історія виникнення поїздів на електромагнітної подушці

Сама ідея виготовлення поїзда, який пересувається на магнітній подушці не так вже й нова. Вперше про створення подібного рухомого складу винахідники стали замислюватися ще на самому початку XX століття, проте з ряду причин втілення даного проекту здійснити не вдавалося протягом досить тривалого часу.

Тільки до 1969 року на території тодішнього ФРН приступили до виготовлення подібного поїзда, згодом названого маглева, і укладання магнітної траси. Запуск першого маглева під назвою «Трансрапід-02» був проведений вже через два роки.

Цікавим є той факт, що при виготовленні маглева німецькі інженери грунтувалися на записах, зроблених вченим Германом Кемпером, який отримав патент на створення магнітоплан ще в 1934 році. Перший маглев «Транрапід-02» високошвидкісним назвати не можна, так як швидкість він розвивав всього лише до 90 км / ч. Місткість його також була дуже низькою: всього чотири людини.

Подальша модель маглева, створена в 1979 році, «Трансрапід-05» вміщала вже до 68 пасажирів і рухалася по пасажирської лінії міста Гамбурга, що має протяжність в 908 м, зі швидкістю 75 км / ч.

Трансрапід-05

Паралельно на іншому кінці континенту, в Японії, в тому ж 1979 році був запущений маглев моделі «МЛ-500», здатний розвинути швидкість аж до 517 км / ч.

Що таке маглев і який принцип його роботи?

Маглев (або просто поїзд на магнітній подушці) - це різновид транспорту, керованого і приводиться в рух за допомогою сили магнітного поля. При цьому маглев не стосується залізничного полотна, а «левитирует» над ним, утримуваний штучно створеним магнітним полем. При цьому виключається тертя, яка гальмує силою виступає тільки аеродинамічний опір.

На близькомагістральних напрямках в майбутньому маглев може скласти серйозну конкуренцію повітряному транспорту через свою можливості розвивати дуже високу швидкість пересування. На сьогоднішній день повсюдного впровадження маглева великою мірою перешкоджає те, що вони можна буде застосувати на традиційному магістральному залізничному покритті. Маглев може пересуватися лише на спеціально побудованій магнітної магістралі, що вимагає дуже великих капіталовкладень.

Також вважається, що магнітний транспорт здатний негативно впливати на організм машиністів і жителів наближених до магнітних трасах регіонів.

переваги маглева

До переваг маглева відноситься велика перспектива досягнення високих швидкостей, здатних конкурувати навіть з реактивною авіацією. Крім того, маглев є досить економічним, в плані споживання електроенергії, транспортом. До того ж практично відсутнє тертя деталей, що дозволяє істотно понизити рівень експлуатаційних витрат.

Перших пасажирів з центральної частини Токіо в один з найбільших портів Японії - місто Нагоя. Він курсуватиме по лінії протяжністю 338 кілометрів між станціями Сінагава і Нагоя. Середня швидкість перших поїздів серії L0 складе 507 км / ч. В ході недавніх випробувань один з них вже розігнався до 500 км / год без шкоди для комфорту і спокою пасажирів - дивіться відео.

http://youtu.be/KCF3tw-HFdE

Сьогодні пасажири долають цей маршрут за звичайною залізничної магістралі на швидкісних електропоїздах серії Сінкансен за дев'яносто три хвилини. Через характерних обрисів і середньої швидкості 218 км / год такий склад отримав назву "поїзд-куля".

Швидкісна магістраль Сінагава - Нагоя (зображення: maps.google.com)

Японський маглев (зменшення від "магнітна левітація"), регулярний рух якого почнеться в 2027 році, зможе виконати той же шлях за сорок хвилин. Всього в кожному складі планується від чотирнадцяти до шістнадцяти вагонів. Для оптимального розподілу маси в останньому вагоні будуть передбачені місця для двадцяти чотирьох пасажирів, а у всіх інших вагонах - для шістдесяти восьми.

Сама ідея підвісити транспорт в магнітному полі далеко не нова. Експериментальні маглева з'явилися в Берліні, Емсланд і Бірмінгемі ще в середині вісімдесятих років минулого століття. Однак в ході експлуатації навіть на малих швидкостях виникало безліч непередбачених проблем. Вирішити їх тоді не вдалося через загального рівня технічного развития. Маглева володіли низькою надійністю і невисоким рівнем комфорту. Через різний час відповідні проекти були закриті. Більшість фахівців зосередилося на розвитку швидкісних ліній для звичайних поїздів.

Швидкісні магістралі Сінкансен і електропоїзди однойменної серії служать японцям ось уже майже півстоліття. У наступному році виповнюється 50 років з дня відкриття лінії Токайдо-Сінкансен. Сьогодні вона вважається найбільш завантаженою в світі, і для подальшого розвитку залізничної мережі вже потрібно щось принципово нове.

Сьогодні бачиться два основні варіанти підвищення пропускної спроможності залізниць: поліпшення характеристик електропоїздів існуючого типу або поступове переведення поїздів на "магнітну левітацію". До недавнього часу перший варіант здавався менш витратним.

Так, у Франції аналогічну проблему давно і почасти успішно намагається вирішити компанія Alstom Transport. Створювані в рамках проекту Vitesse 150 електропоїзди обходиться без магнітної подушки, але цілком можуть скласти їм конкуренцію.

"Компьютерра" вже раніше про те, що навесні цього року один з таких експериментальних поїздів розігнався до 574,8 км / год. Справедливості заради треба відзначити, що для встановлення рекорду поїзд TGV POS був підданий глибокої модернізації. У порівнянні з реально використовуваними варіантами його потужність збільшили вдвічі, залишили тільки три вагони (не рахуючи моторних) і закрили проміжки між ними для кращої аеродинаміки.

Зараз подібні склади (правда, з набагато меншою швидкістю) регулярно курсують по лінії LGV Est europeenne, що з'єднує французькі муніципалітети Бодрекур і Вер-сюр-Марн.

Потяги серії TGV четвертого покоління також ходять між Францією, Німеччиною і Швейцарією. Їх принципова конструкція близька до традиційної - вагони встановлені на колісні візки і котяться по рейках. Однак розкрити свій потенціал вони можуть тільки на спеціалізованих лініях LGV, споруда і обслуговування яких можна порівняти з витратами з введенням в експлуатацію магістралей на магнітних подушках. На звичайних шляхах машиністам доводиться рухатися зі швидкістю до двохсот кілометрів на годину.

У довгостроковій перспективі найбільш привабливо виглядають саме поїзда на магнітній подушці. Переміщаючись над магістраллю в магнітному полі, вони практично не відчувають тертя. Втрати енергії при русі у них обумовлені, головним чином, аеродинамічним опором.

Для його мінімізації поїзду надається сильно витягнута форма. При загальній довжині головного вагона двадцять вісім метрів близько п'ятнадцяти з них формує обтічник носового відсіку.

Величина зазору між потягом на магнітній подушці і полотном магістралі коливається в районі декількох сантиметрів. Потік, що набігає повітря створює додаткову підйомну силу.

У порівнянні зі звичайним електропоїздом, що зазнають тертя коліс, маглев здатний швидше перемістити вантаж тієї ж маси на таку ж відстань, витративши приблизно вдвічі менше енергії. Таким чином, незважаючи на високу вартість введення в експлуатацію, поїзди на магнітних подушках дозволяють економити державі і пасажирам.

Відсутність у маглева тертя об полотно має й інший важливий плюс - низький рівень шуму і вібрації. На всіх швидкісних електропоїздах зараз встановлені потужні пневматичні підвіски, що компенсують биття колісних пар при проходженні над стиками рейок.

За попередніми розрахунками з часом маглева зможуть розганятися як мінімум до тисячі кілометрів на годину, що повністю змістить пріоритети при виборі способу подорожі. З урахуванням розташування залізничних станцій і відсутності істотних обмежень на перевезення багажу, частка пасажирських авіаперельотів в майбутньому різко скоротиться.

Цікаво відзначити, що одним з головних напрямків розвитку транспорту на магнітній подушці були траси між великими містами і аеропортами. Ось відео, зняте з вікна шанхайського маглева, наступного в аеропорт на швидкості до 430 км / ч.

Згідно з планом розвитку японської залізничної мережі, аналогічна швидкісна лінія зв'яже Токіо з Осакою вже до 2045 року. Для японських поїздів maglev L0 має добрі перспективи і на зовнішньому ринках.

У Китаї швидкісна залізнична мережа почала будуватися в 2007 році і на сьогодні вже досягла статусу найбільшої в світі. Зараз курсують по ній поїзди класичного типу розвивають швидкість до 300 км / ч. Паралельний розвиток магістралей для поїздів з магнітними подушками дозволить збільшити пропускну здатність транспортного мережі, забезпечить плавний перехід на більш високий рівень і створить хороший запас для майбутнього зростання.