Elektrodynamisk fjädring
Elektrodynamisk suspension ( EDS ) är en form av magnetisk levitation där det finns ledare som utsätts för tidsvarierande magnetfält. Detta inducerar virvelströmmar i ledarna som skapar ett repulsivt magnetfält som håller isär de två objekten.
Dessa tidsvarierande magnetfält kan orsakas av relativ rörelse mellan två objekt. I många fall är ett magnetfält ett permanent fält, såsom en permanentmagnet eller en supraledande magnet , och det andra magnetfältet induceras från förändringarna av fältet som uppstår när magneten rör sig i förhållande till en ledare i det andra objektet.
Elektrodynamisk upphängning kan också uppstå när en elektromagnet som drivs av en växelströmskälla producerar det föränderliga magnetfältet, i vissa fall genererar en linjär induktionsmotor fältet.
EDS används för maglev-tåg , som det japanska SCMaglev . Det används också för vissa klasser av magnetiskt leviterade lager.
Typer
Många exempel på detta har använts genom åren.
Bedford levitator
I denna tidiga konfiguration av Bedford, Peer och Tonks från 1939, placeras en aluminiumplatta på två koncentriska cylindriska spolar och drivs med en växelström. När parametrarna är korrekta uppvisar plattan 6-axlig stabil levitation.
Levitationssmältning
På 1950-talet utvecklades en teknik där små mängder metall svävade och smälte av ett magnetfält på några tiotals kHz. Spolen var ett metallrör, vilket gjorde att kylvätska kunde cirkuleras genom den. Den övergripande formen var generellt konisk, med en platt topp. Detta gjorde det möjligt att använda en inert atmosfär och var kommersiellt framgångsrik.
Linjär induktionsmotor
Eric Laithwaite och kollegor tog Bedford levitatorn och utvecklade och förbättrade den stegvis.
Först gjorde de levitatorn längre längs en axel, och kunde göra en levitator som var neutralt stabil längs en axel och stabil längs alla andra axlar.
Ytterligare utveckling inkluderade att ersätta den enfasiga energigivande strömmen med en linjär induktionsmotor som kombinerade levitation och dragkraft.
Senare "traverse-flux"-system vid hans Imperial College- laboratorium, såsom Magnetic River undvek de flesta av problemen med att behöva ha långa, tjocka järnstödplåtar när de hade mycket långa stolpar, genom att stänga flödesvägen i sidled genom att arrangera de två motsatta långa stolpar sida vid sida. De kunde också dela upp den primära levitatorn i bekväma sektioner som gjorde det lättare att bygga och transportera.
Nollflöde
Nollflödessystem fungerar genom att ha spolar som är exponerade för ett magnetfält, men är lindade i figur 8 och liknande konfigurationer så att när det finns relativ rörelse mellan magneten och spolarna, men centrerat, flyter ingen ström eftersom potentialen avbryts. När de förskjuts utanför centrum flyter ström och ett starkt fält genereras av spolen som tenderar att återställa avståndet.
Dessa scheman föreslogs av Powell och Danby på 1960-talet, och de föreslog att supraledande magneter kunde användas för att generera det höga magnetiska trycket som behövs.
Inductrack
Inductrack är ett passivt , felsäkert magnetiskt levitationssystem , som endast använder oströmslösa trådslingor i spåret och permanentmagneter (arrangerade i Halbach-arrayer) på fordonet för att uppnå magnetisk levitation . Banan kan vara i en av två konfigurationer, ett "stegespår" och ett "laminerat spår". Stegbanan är gjord av litz- kablar utan ström, och den laminerade banan är gjord av staplade koppar- eller aluminiumplåtar.
Det finns två utföranden: Inducttrack I, som är optimerad för höghastighetsdrift, och Inducttrack II, som är mer effektiv vid lägre hastigheter.
Elektrodynamiskt lager
Elektrodynamiska lager (EDB) är en ny typ av lager som är en passiv magnetisk teknologi. EDB kräver ingen styrelektronik för att fungera. De fungerar genom att de elektriska strömmar som genereras av rörelse orsakar en återställande kraft.
Används
Maglev
I EDS maglev-tåg utövar både skenan och tåget ett magnetfält, och tåget svävar av den frånstötande kraften mellan dessa magnetfält. Det magnetiska fältet i tåget produceras av antingen supraledande magneter (som i SCMaglev ) eller av en uppsättning permanentmagneter (som i Inducttrack ). Den frånstötande kraften i spåret skapas av ett inducerat magnetfält i trådar eller andra ledande remsor i spåret. En stor fördel med de frånstötande maglev-systemen är att de är naturligt stabila - en mindre avsmalning i avståndet mellan spåret och magneterna skapar starka krafter för att stöta tillbaka magneterna till sin ursprungliga position, medan en liten ökning av avståndet kraftigt minskar kraften och igen. återför fordonet till rätt separation. Ingen återkopplingskontroll behövs nödvändigtvis.
Avstötande system har också en stor nackdel. Vid låga hastigheter är strömmen som induceras i dessa spolar av den långsamma förändringen i magnetiskt flöde med avseende på tid inte tillräckligt stor för att producera en repulsiv elektromagnetisk kraft som är tillräcklig för att bära tågets vikt. Dessutom är energieffektiviteten för EDS vid låg hastighet låg. Av denna anledning måste tåget ha hjul eller någon annan form av landningsställ för att stödja tåget tills det når en hastighet som kan upprätthålla levitation. Eftersom ett tåg kan stanna var som helst, till exempel på grund av utrustningsproblem, måste hela spåret klara både låg- och höghastighetsdrift. En annan nackdel är att det frånstötande systemet naturligt skapar ett fält i spåret framför och baktill på lyftmagneterna, som verkar mot magneterna och skapar en form av drag. Detta är i allmänhet bara ett problem vid låga hastigheter; vid högre hastigheter hinner inte effekten byggas upp till sin fulla potential och andra former av motstånd dominerar.
Dragkraften kan dock användas till det elektrodynamiska systemets fördel, eftersom den skapar en varierande kraft i rälsen som kan användas som ett reaktionärt system för att driva tåget, utan behov av en separat reaktionsplatta, som i de flesta linjärmotorer system.
Alternativt används framdrivningsspolar på styrbanan för att utöva en kraft på magneterna i tåget och få tåget att gå framåt. Framdrivningsspolarna som utövar en kraft på tåget är i själva verket en linjärmotor : en växelström som flyter genom spolarna genererar ett kontinuerligt varierande magnetfält som rör sig framåt längs spåret. Växelströmmens frekvens synkroniseras för att matcha tågets hastighet. Förskjutningen mellan fältet som utövas av magneter på tåget och det applicerade fältet skapar en kraft som för tåget framåt.
Principer
När en ledande slinga upplever ett föränderligt magnetfält, från Lenz lag och Faradays lag , genererar det föränderliga magnetfältet en elektromotorisk kraft (EMF) runt kretsen. För en sinusformad excitation är denna EMF fasad 90 grader före fältet, och når en topp där förändringarna är snabbast (snarare än när den är som starkast):
där N är antalet trådvarv (för en enkel slinga är detta 1) och Φ B är det magnetiska flödet i webers genom en enda slinga.
Eftersom fältet och potentialerna är ur fas produceras både attraktionskrafter och frånstötande krafter, och det kan förväntas att inget nettolyft skulle genereras. Men även om EMF är 90 grader mot det applicerade magnetfältet har slingan oundvikligen induktans. Denna induktiva impedans tenderar att fördröja toppströmmen med en fasvinkel som beror på frekvensen (eftersom den induktiva impedansen för en slinga ökar med frekvensen).
där K är impedansen för spolen, L är induktansen och R är resistansen, varvid den faktiska fasledningen är härledbar som inverstangensen för produkten ωL/R, dvs. , standardfasledningsbeviset i en enkelslinga RL-krets.
Men:
där jag är strömmen.
Sålunda vid låga frekvenser är faserna till stor del ortogonala och strömmarna lägre, och ingen betydande lyftning genereras. Men vid tillräckligt hög frekvens dominerar den induktiva impedansen och strömmen och det applicerade fältet är praktiskt taget i linje, och denna ström genererar ett magnetiskt fält som är motsatt det applicerade, och detta tillåter levitation.
Men eftersom den induktiva impedansen ökar proportionellt med frekvensen, ökar även EMF, så strömmen tenderar till en gräns när resistansen är liten i förhållande till den induktiva impedansen. Detta begränsar också lyftkraften. Effekten som används för levitation är därför i stort sett konstant med frekvensen. Men det finns också virvelströmmar på grund av den ändliga storleken på ledare som används i spolarna, och dessa fortsätter att växa med frekvensen.
00 Eftersom energin som lagras i luftgapet kan beräknas från HB/2 (eller μ H 2 /2) gånger luftgapvolymen, kraften som appliceras över luftgapet i riktningen vinkelrät mot lasten ( dvs. kraften som direkt motverkar gravitationen) ges av den rumsliga derivatan (= gradient ) av den energin. Luftgapsvolymen är lika med tvärsnittsarean multiplicerad med luftgapets bredd, så bredden upphävs och vi står kvar med en upphängningskraft på μ H 2 /2 gånger luftgapets tvärsnittsarea , vilket betyder att maximal uthärdlig belastning varierar som kvadraten på magnetfältets täthet hos magneten, permanent eller på annat sätt och varierar direkt som tvärsnittsarean.
Stabilitet
Statisk
Till skillnad från konfigurationer av enkla permanentmagneter kan elektrodynamisk levitation göras stabil. Elektrodynamisk levitation med metalliska ledare uppvisar en form av diamagnetism , och relativa permeabiliteter på cirka 0,7 kan uppnås (beroende på frekvens och ledarkonfiguration). Med tanke på detaljerna i den tillämpliga hysteresloopen, bör frekvensberoende variation av beteende vara av minimal betydelse för de magnetiska material som sannolikt kommer att användas.
Dynamisk
Denna form av maglev kan göra att det svävade föremålet utsätts för en draginducerad svängning, och denna svängning sker alltid med en tillräckligt hög hastighet. Dessa svängningar kan vara ganska allvarliga och kan få upphängningen att misslyckas.
Emellertid kan inneboende systemnivådämpning ofta undvika att detta inträffar, särskilt i storskaliga system.
Alternativt kan tillägg av lättavstämda massdämpare förhindra att svängningar blir problematiska.
Elektronisk stabilisering kan också användas.