Электродинамическая подвеска

редактировать
Прыгающие кольца поднимаются, когда переменный ток возбуждает катушку и электродинамические силы толкают кольца вверх против силы тяжести

Электродинамическая подвеска (EDS ) представляет собой форму магнитная левитация, в которой есть проводники, которые подвергаются воздействию изменяющихся во времени магнитных полей. Это индуцирует вихревые токи в проводниках, что создает отталкивающее магнитное поле, которое удерживает два объекта друг от друга.

Эти изменяющиеся во времени магнитные поля могут быть вызваны относительным движением двух объектов. Во многих случаях одно магнитное поле представляет собой постоянное поле, такое как постоянный магнит или сверхпроводящий магнит, а другое магнитное поле индуцируется в результате изменений поля, которые возникают как магнит движется относительно проводника в другом объекте.

Электродинамическое подвешивание также может возникать, когда электромагнит, приводимый в действие источником переменного тока, создает изменяющееся магнитное поле, в некоторых случаях линейный асинхронный двигатель генерирует поле.

EDS используется для поездов на магнитной подвеске, таких как японский SCMaglev. Он также используется для некоторых классов подшипников с магнитной подвеской.

Содержание

  • 1 Типы
    • 1.1 Левитатор Бедфорда
    • 1.2 Левитационное плавление
    • 1.3 Линейный асинхронный двигатель
    • 1.4 Нулевой поток
    • 1.5 Inductrack
    • 1.6 Электродинамический подшипник
  • 2 использования
    • 2.1 Маглев
  • 3 Принципы
  • 4 Стабильность
    • 4.1 Статический
    • 4.2 Динамический
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки

Типы

Многие примеры этого использовались на протяжении многих лет.

Левитатор Бедфорда

В этой ранней конфигурации Бедфорда, Пера и Тонкс из 1939 года алюминиевая пластина размещена на двух концентрических цилиндрических катушках и приводится в действие переменным током. При правильных параметрах пластина демонстрирует стабильную 6-осевую левитацию.

Плавление с левитацией

В 1950-х годах была разработана технология, при которой небольшие количества металла поднимались и плавились под действием магнитного поля. несколько десятков кГц. Змеевик представлял собой металлическую трубу, по которой циркулировал хладагент. Форма в целом была конической, с плоской вершиной. Это позволило использовать инертную атмосферу и было коммерчески успешным.

Линейный асинхронный двигатель

Поле от линейного двигателя генерирует токи в алюминиевом или медном листе, которые создают подъемную силу, а также движущую силу.

Эрик Лэйтуэйт и его коллеги взяли левитатор Бедфорда и постепенно разработали и улучшили его.

Сначала они сделали левитатор длиннее по одной оси и смогли сделать левитатор, который был нейтрально устойчивым по одной оси и устойчивым по всем другим осям.

Дальнейшие разработки включали замену однофазного тока возбуждения на линейный асинхронный двигатель, который сочетал левитацию и тягу.

Более поздние системы «поперечного потока» в его лаборатории Имперского колледжа, такие как Магнитная река, избегали большинства проблем, связанных с необходимостью иметь длинные толстые железные опорные пластины. при наличии очень длинных полюсов путем закрытия пути потока потока в боковом направлении путем размещения двух противоположных длинных полюсов рядом. Они также смогли разбить первичную обмотку левитатора на удобные секции, что упростило ее сборку и транспортировку.

Нулевой поток

Системы с нулевым потоком работают, имея катушки, которые подвергаются воздействию магнитного поля, но намотаны на фигуре 8 и аналогичных конфигурациях, так что при относительном движении между магнитом и катушками, но по центру, ток не течет, поскольку потенциал нейтрализуется. Когда они смещены не по центру, протекает 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 могут использоваться для создания необходимого высокого магнитного давления.

Inductrack

Inductrack - это пассивная, отказоустойчивая система на магнитной подушке, в которой используются только петли проводов без питания. трек и постоянные магниты (организованные в массивы Хальбаха ) на транспортном средстве для достижения магнитной левитации. Путь может быть в одной из двух конфигураций: «лестничный путь» и «ламинированный путь». Лестничная дорожка сделана из кабелей без источника питания Litz wire, а многослойная дорожка сделана из сложенных друг на друга медных или алюминиевых листов.

Существует две конструкции: Inductrack I, оптимизированный для работы на высоких скоростях, и Inductrack II, который более эффективен на более низких скоростях.

Электродинамический подшипник

Трехмерное изображение намагниченного в осевом направлении кольцевого магнита, окруженного медным цилиндром. Металлическое кольцо вокруг внешней стороны вращается, и токи, возникающие, когда оно смещено по центру относительно магнита, подталкивают его назад для выравнивания.

Электродинамические подшипники (EDB) - это подшипник нового типа, использующий пассивную магнитную технологию. Для работы EDB не требуется управляющая электроника. Они работают за счет электрических токов, возникающих при движении, вызывая восстанавливающую силу.

Использует

Маглев

Поезд JR Central SCMaglev использует электродинамическую левитацию на основе сверхпроводящего магнита с нулевым потоком.

В поездах на магнитной подвеске EDS и рельс, и поезд создают магнитное поле, а поезд левитирует за счет силы отталкивания между этими магнитными полями. Магнитное поле в цепи создается либо сверхпроводящими магнитами (как в SCMaglev ), либо массивом постоянных магнитов (как в Inductrack ). Сила отталкивания в дорожке создается индуцированным магнитным полем в проводах или других проводящих полосках в дорожке. Основным преимуществом отталкивающих магнитных систем является их естественная стабильность - небольшое сужение расстояния между дорожкой и магнитами создает сильные силы, отталкивающие магниты обратно в их исходное положение, в то время как небольшое увеличение расстояния значительно снижает силу и снова возвращает автомобиль в правильное положение. Нет необходимости в управлении с обратной связью.

Отталкивающие системы также имеют серьезный недостаток. На малых скоростях ток, индуцируемый в этих катушках из-за медленного изменения магнитного потока во времени, недостаточно велик, чтобы создать отталкивающую электромагнитную силу, достаточную для поддержки веса поезда. Кроме того, энергоэффективность ЭЦП на низкой скорости низкая. По этой причине поезд должен иметь колеса или какое-либо другое шасси для поддержки поезда, пока он не достигнет скорости, способной выдержать левитацию. Поскольку поезд может остановиться в любом месте, например, из-за проблем с оборудованием, весь путь должен выдерживать как низкоскоростную, так и высокоскоростную работу. Другой недостаток заключается в том, что отталкивающая система естественным образом создает поле на гусенице спереди и сзади от подъемных магнитов, которые действуют против магнитов и создают форму сопротивления. Обычно это вызывает беспокойство только на низких скоростях, на более высоких скоростях эффект не успевает раскрыться в полную силу, и преобладают другие формы сопротивления.

Однако сила сопротивления может быть использована в пользу электродинамической системы., поскольку он создает изменяющуюся силу в рельсах, которую можно использовать в качестве реактивной системы для привода поезда, без необходимости в отдельной реакционной плите, как в большинстве систем с линейными двигателями.

В качестве альтернативы, двигательные катушки на направляющих используются для приложения силы к магнитам в поезде и заставляют поезд двигаться вперед. Катушки силовой установки, которые воздействуют на поезд, фактически представляют собой линейный двигатель : переменный ток, протекающий через катушки, создает непрерывно изменяющееся магнитное поле, которое движется вперед по рельсовому пути. Частота переменного тока синхронизирована, чтобы соответствовать скорости поезда. Смещение между полем, создаваемым магнитами на поезде, и приложенным полем создает силу, перемещающую поезд вперед.

Принципы

Кривые левитации и силы тяги линейного двигателя

Когда токопроводящая петля испытывает изменяющееся магнитное поле, из закона Ленца и закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле создает вокруг цепи электродвижущую силу (ЭДС). Для синусоидального возбуждения эта ЭДС опережает поле на 90 градусов по фазе, достигая максимума там, где изменения наиболее быстрые (а не когда они самые сильные):

E = - N d Φ B dt {\ displaystyle {\ mathcal { E}} = - N {{d \ Phi _ {B}} \ over dt}}{\ mathcal {E}} = - N {{d \ Phi _ {B}} \ over dt}

где N - количество витков провода (для простой петли это 1) и Φ B - магнитный поток в веберах через одиночный контур.

Так как поле и потенциалы не совпадают по фазе, возникают силы притяжения и отталкивания, и можно было ожидать, что полезной подъемной силы не будет. Однако, хотя ЭДС находится под углом 90 градусов к приложенному магнитному полю, петля неизбежно имеет индуктивность. Этот индуктивный импеданс имеет тенденцию задерживать пиковый ток на фазовый угол, зависящий от частоты (поскольку индуктивный импеданс любого контура увеличивается с частотой).

K = R + я ω L {\ displaystyle K = R + i \ omega L \,}K = R + i \ omega L \,

где K - полное сопротивление катушки, L - индуктивность, а R - сопротивление, фактический вывод фазы можно получить как арктангенс произведения ωL / R, а именно, стандартное свидетельство фазового вывода в одноконтурной цепи RL.

Но:

E = I K {\ displaystyle {\ mathcal {E}} = IK}\ mathcal {E} = IK

, где I - ток.

Таким образом, на низких частотах фазы в значительной степени ортогональны, а токи ниже, и никакого значительного подъема не возникает. Но на достаточно высокой частоте преобладает индуктивный импеданс, и ток и приложенное поле практически совпадают, и этот ток создает магнитное поле, противоположное приложенному, и это позволяет левитацию.

Однако, поскольку индуктивный импеданс увеличивается пропорционально частоте, увеличивается и ЭДС, поэтому ток стремится к пределу, когда сопротивление мало по сравнению с индуктивным импедансом. Это также ограничивает подъемную силу. Поэтому мощность, используемая для левитации, в значительной степени постоянна с частотой. Однако существуют также вихревые токи из-за конечного размера проводников, используемых в катушках, и они продолжают расти с частотой.

Поскольку энергия, запасенная в воздушном зазоре, может быть вычислена из HB / 2 (или μ 0 H / 2), умноженного на объем воздушного зазора, сила, приложенная к воздушному зазору в направление, перпендикулярное нагрузке (то есть сила, которая непосредственно противодействует гравитации), задается пространственной производной (= градиент ) этой энергии. Объем воздушного зазора равен площади поперечного сечения, умноженной на ширину воздушного зазора, поэтому ширина сокращается, и мы остаемся с подвешивающей силой μ 0 H / 2, умноженной на поперечное сечение воздушного зазора. -площадь сечения, что означает, что максимально допустимая нагрузка изменяется как квадрат плотности магнитного поля магнита, постоянного или иного, и изменяется прямо как площадь поперечного сечения.

Стабильность

Статическая

В отличие от конфигураций простых постоянных магнитов, электродинамическую левитацию можно сделать стабильной. Электродинамическая левитация с металлическими проводниками проявляет 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 развернуты.

Динамический

Этот вид магнитной подвески может вызывать колебания, вызванные сопротивлением левитирующему объекту, и эти колебания всегда происходят с достаточно высокой скоростью. Эти колебания могут быть довольно серьезными и могут привести к отказу подвески.

Однако внутреннее демпфирование на уровне системы часто позволяет избежать этого, особенно в крупномасштабных системах.

В качестве альтернативы, добавление легких настроенных демпферов массы может предотвратить возникновение колебаний проблематично.

Также можно использовать электронную стабилизацию.

См. также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:28:50
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте