Поезд на магнитной подушке

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

1. Назначение

Поезд на магнитной подушке или маглев (от англ. magnetic levitation, т.е. «maglev» - магнитоплан) – это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами, предназначенный для перевозки людей (рис. 1). Относиться к технике пассажирского транспорта. В отличие от традиционных поездов, в процессе движения он не касается поверхности рельса [2.1].

Рис. 1. Шанхайский поезд на магнитной подушке «Трансрапид» (технология EMS) [2.1]

2. Основные части (устройство) и их назначение

Существуют разные технологические решения в разработке данной конструкции (см. п.6). Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS) (рис. 2).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение (линейный двигатель).

Рис. 2. Устройство магнитной подушки поезда «Трансрапид» (технология EMS) [1.1]

3. Принцип действия

В основе принципа действия поезда на магнитном подвесе лежат следующие физические явления и законы:

• явление и закон электромагнитной индукции М. Фарадея

• правило Ленца

• закон Био-Савара-Лапласа

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания. Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Рассмотрим замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня как раз и используется в поезде на магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна (рис. 3). При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на несколько сантиметров и, фактически, летит по воздуху [2.4].

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Создатели поезда «Трансрапид» (рис.1) приме­нили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не от­талкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магни­том — практически невозможно. Но если взять управляемый электромаг­нит, ситуация меняется. Система кон­троля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной в несколько миллиметров (рис. 3). При увели­чении зазора система повышает си­лу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении — понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема облада­ет двумя серьёзными преимущества­ми. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздейст­вий, а их поле существенно слабее за счёт малого зазора между путём и составом; оно требу­ет токов гораздо меньшей силы. Сле­довательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более эконо­мичным [1.1].

Рис. 3. Принцип левитации поезда на магнитном подвесе (технологияEMS)

Движение поезда вперед осуществляется линейным двигателем. Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёр­нуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бе­гущее магнитное поле. Статор, укреп­лённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав (рис. 4, 5). [1.1, 1.3]. Ключевым элементом технологии является смена полюсов на электромагнитах путем попеременной подачи и снятия тока с частотой 4000 раз в секунду. Зазор между статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно при прохождении поворотов. Поэтому необходима идеальная путевая инфраструктура.

Устойчивость системы обеспечивается автоматическим регулированием тока в обмотках намагничивания: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах (рис. 3) [2.6]. Сверхбыстродействующие системы управления контролировать зазор между дорогой и поездом.

а
б	в
Рис. 4. Принцип движения поезда на магнитном подвесе (технология EMS)

Единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Рис. 5. Схема движения поезда на магнитной подвеске (технология EMS) [1.1]

Итак, схема движения поезда на магнитной подвеске: под вагоном установлены несущие электромагниты, а на рельсе — катушки линейного электродвигателя. При их взаимодействии возникает сила, которая приподнимает вагон над дорогой и тянет его вперёд. Направление тока в обмотках непрерывно меняется, переключая магнитные поля по мере движения поезда [1.1].

Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов (рис.4), которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд (рис. 6 а). Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, — создавать магнит­ное поле.

Рис. 6. а Принцип движения поезда на магнитной подушке

Туда, где поезд увеличивает скорость или идет в гору, энергия подается с большей мощностью. Если нужно затормозить или ехать в обратном направлении, магнитное поле меняет вектор [2.2].

Ознакомьтесь с видеофрагментами «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».

Рис. 6. б Кадры из видеофрагментов «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».