Электромагнитная подвеска - Electromagnetic suspension

Плавающий глобус. Магнитная левитация с петлей обратной связи.

Электромагнитная подвеска ( EMS ) - это магнитная левитация объекта, достигаемая путем постоянного изменения силы магнитного поля, создаваемого электромагнитами, с использованием петли обратной связи . В большинстве случаев эффект левитации в основном связан с постоянными магнитами, поскольку они не рассеивают мощность, а электромагниты используются только для стабилизации эффекта.

Согласно теореме Ирней в парамагнитно намагниченное теле не может лежать в устойчивом равновесии при нахождении в любой комбинации гравитационных и магнитостатических полей. В таких полях существует неустойчивое состояние равновесия. Хотя статические поля не могут обеспечить стабильность, EMS работает, постоянно изменяя ток, подаваемый на электромагниты, чтобы изменить силу магнитного поля и обеспечить стабильную левитацию. В EMS контур обратной связи, который непрерывно регулирует один или несколько электромагнитов для коррекции движения объекта, используется для устранения нестабильности.

Многие системы используют магнитное притяжение, тянущее вверх против силы тяжести для таких систем, поскольку это дает некоторую внутреннюю боковую устойчивость, но некоторые используют комбинацию магнитного притяжения и магнитного отталкивания, чтобы толкать вверх.

Технология магнитной левитации важна, потому что она снижает потребление энергии, в значительной степени устраняя трение. Он также предотвращает износ и требует очень низкого технического обслуживания. Применение магнитной левитации наиболее широко известно благодаря своей роли в поездах на магнитной подвеске .

История

Сэмюэл Эрншоу был одним из тех, кто в 1839 году обнаружил, что «заряженное тело, помещенное в электростатическое поле, не может левитировать в устойчивом равновесии только под действием электрических сил». Точно так же из-за ограничений диэлектрической проницаемости стабильная подвеска или левитация не могут быть достигнуты в статическом магнитном поле с помощью системы постоянных магнитов или электромагнитов с фиксированным током . Расширение Браунбека (1939) утверждает, что система постоянных магнитов должна также содержать диамагнитный материал или сверхпроводник , чтобы получить стабильную статическую магнитную левитацию или подвеску.

Эмиль Бачелет применил теорему Эрншоу и расширение Браунбека и стабилизировал магнитную силу, контролируя силу тока и включая и отключая питание электромагнитов на желаемых частотах. В марте 1912 года он получил патент на свой «левитирующий передающий аппарат» (патент № 1,020,942). Его изобретение сначала было предназначено для применения в небольших почтовых системах, но его потенциальное применение в более крупных транспортных средствах, подобных поездам, определенно очевидно.

В 1934 году Герман Кемпер применил концепцию Бачелет к большому масштабу, назвав его «монорельсовым транспортным средством без колес». Он получил патент Райха № 643316 на свое изобретение, и многие также считают его изобретателем маглева.

В 1979 году поезд Transrapid с электромагнитной подвеской перевозил пассажиров в течение нескольких месяцев в качестве демонстрации на 908-метровом пути в Гамбурге на первой Международной транспортной выставке (IVA 79).

Первый коммерческий поезд на магнитной подвеске для повседневной эксплуатации был открыт в Бирмингеме, Англия, в 1984 году с использованием электромагнитной подвески и линейного асинхронного двигателя для движения.

Задний план

Электромагниты

Основная статья: Электромагнит

Когда через провод проходит ток, вокруг него создается магнитное поле . Сила генерируемого магнитного поля пропорциональна току через провод. Когда провод наматывается, это генерируемое магнитное поле концентрируется в центре катушки. Напряженность этого поля можно значительно увеличить, поместив ферромагнитный материал в центр катушки. Этим полем легко управлять, пропуская через провод переменный ток. Поэтому комбинация постоянных магнитов с электромагнитами - оптимальное устройство для левитации. Чтобы снизить требования к средней мощности, часто электромагнитная подвеска используется только для стабилизации левитации, а статическая подъемная сила против силы тяжести обеспечивается системой вторичных постоянных магнитов, часто притягиваемых к относительно недорогому мягкому ферромагнитному материалу, например, железу или стали.

Обратная связь

Положение подвешенного объекта можно определить оптически или магнитно, иногда могут использоваться другие схемы.

Схема обратной связи управляет электромагнитом, чтобы удерживать подвешенный объект в правильном положении.

Однако простое управление положением обычно приводит к нестабильности из-за небольших временных задержек индуктивности катушки и определения положения. Таким образом, на практике схема обратной связи должна использовать изменение положения с течением времени для определения и снижения скорости.

Приложения

Маглев

Система Transrapid использует сервомеханизмы, чтобы подтянуть поезд из-под пути и поддерживать постоянный зазор при движении на высокой скорости.

Маглев (магнитная левитация) - транспортная система, в которой транспортное средство подвешено на направляющем рельсе по принципу электромагнитной подвески. Преимущество Maglev заключается в том, что он тише и плавнее, чем при транспортировке на колесах, благодаря устранению большей части физического контакта между колесами и гусеницей. Поскольку для маглев 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. (Поезда на магнитной подвеске, основанные на технологии электродинамической подвески , также были разработаны и внедрены.) За исключением, возможно, 30,5-километрового поезда на маглеве в Шанхае , были построены основные магистральные маршруты EMS на большие расстояния.

Активный магнитный подшипник

Базовая операция для одной оси
Основная статья: Активный магнитный подшипник

Активный магнитный подшипник (AMB) работает по принципу электромагнитной подвески и состоит из узла электромагнита , набора усилителей мощности, которые подают ток на электромагниты, контроллера и датчиков зазора с соответствующей электроникой для обеспечения обратной связи, необходимой для управления положение 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 осуществляется контроллером, который компенсирует ток смещения равными, но противоположными возмущениями тока, когда ротор отклоняется на небольшую величину от своего центрального положения.

Датчики зазора обычно индуктивные по своей природе и работают в дифференциальном режиме. Усилители мощности в современном коммерческом применении представляют собой твердотельные устройства, которые работают в конфигурации с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Контроллер обычно представляет собой микропроцессор или DSP .

Помощь при запуске космического корабля

НАСА разрабатывает стартовое средство, использующее систему магнитной левитации для приведения в движение космического корабля. Сторонники средства запуска на магнитной подвеске утверждают, что оно позволяет сэкономить на проектировании и затратах на запуск, обеспечивая при этом более безопасный метод запуска.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Б. В. Джаявант. В Atsugi Unisia Corporation, Брайтон, BNl 9QT, Великобритания. Школа инженерии и прикладных наук Университета Сассекса. Электромагнитная подвеска и левитация.
  2. ^ KX Quian, P. Zeng, WM Ru, HY Yuan (2005) Новые концепции и новый дизайн постоянных вращающихся магнитных насосов искусственного сердца для крови, Медицинская инженерия и физика 28 (2006) 383-388
  3. ^ «Espacenet - Оригинальный документ» . world.espacenet.com .
  4. ^ Ракета-носитель 21-го века VehiclesMagLev тестировалась как стартовая AIf. (1999/12/13). Авиационная неделя и космические технологии, 151 (24), 78.

Внешние ссылки

Электромагнитная подвеска BOSE: