Elektrodynamisk fjæring - Electrodynamic suspension
Elektrodynamisk suspensjon ( EDS ) er en form for magnetisk levitasjon der det er ledere som er utsatt for tidsvarierende magnetfelt. Dette induserer virvelstrømmer i lederne som skaper et frastøtende magnetfelt som holder de to gjenstandene fra hverandre.
Disse tidsvarierende magnetfeltene kan være forårsaket av relativ bevegelse mellom to objekter. I mange tilfeller er det ene magnetfeltet et permanent felt, for eksempel en permanent magnet eller en superledende magnet , og det andre magnetfeltet induseres fra endringene i feltet som oppstår når magneten beveger seg i forhold til en leder i det andre objektet.
Elektrodynamisk suspensjon kan også oppstå når en elektromagnet drevet av en elektrisk strømkilde produserer det skiftende magnetfeltet, i noen tilfeller genererer en lineær induksjonsmotor feltet.
EDS brukes til maglevtog , for eksempel japanske SCMaglev . Den brukes også til noen klasser av magnetisk leviterte lagre.
Typer
Mange eksempler på dette har blitt brukt opp gjennom årene.
Bedford levitator
I denne tidlige konfigurasjonen av Bedford, Peer og Tonks fra 1939 plasseres en aluminiumsplate på to konsentriske sylindriske spoler, og drives med en vekselstrøm. Når parametrene er riktige, viser platen 6-akset stabil levitasjon.
Levitasjon smelter
På 1950-tallet ble det utviklet en teknikk der små mengder metall ble levitert og smeltet av et magnetfelt på noen titalls kHz. Spolen var et metallrør, slik at kjølevæske kunne sirkuleres gjennom det. Den generelle formen var generelt konisk, med en flat topp. Dette tillot en inert atmosfære å bli brukt, og var kommersielt vellykket.
Lineær induksjonsmotor
Eric Laithwaite og kollegaer tok Bedford-levitatoren, og utviklet og forbedret den trinnvis.
Først gjorde de levitatoren lengre langs den ene aksen, og klarte å lage en levitator som var nøytralt stabil langs den ene aksen, og stabil langs alle andre akser.
Videre utvikling inkluderte erstatning av enfasestrømmen med en lineær induksjonsmotor som kombinerte levitasjon og skyvekraft.
Senere "traverse-flux" -systemer på hans Imperial College- laboratorium, som Magnetisk elv, unngikk de fleste problemene med å trenge å ha lange, tykke bakplater av jern når de hadde veldig lange stolper, ved å lukke flussbanen sidelengs ved å ordne de to motsatte lange stolper side om side. De var også i stand til å bryte levitator primær i praktiske seksjoner som gjorde det lettere å bygge og transportere.
Null fluks
Nullfluksystemer fungerer ved å ha spoler som er utsatt for et magnetfelt, men er viklet i figur 8 og lignende konfigurasjoner slik at når det er relativ bevegelse mellom magneten og spolene, men sentrert, strømmer ingen strøm siden potensialet avbrytes. Når de blir forskjøvet utenfor sentrum, strømmer det og det genereres et sterkt felt av spolen som har en tendens til å gjenopprette avstanden.
Disse ordningene ble foreslått av Powell og Danby på 1960-tallet, og de foreslo at superledende magneter kunne brukes til å generere det høye magnetiske trykket som trengs.
Inductrack
Inductrack er et passivt , feilsikkert magnetisk levitasjonssystem , som kun bruker ledninger med ledning i sporet og permanente magneter (ordnet i Halbach-arrays ) på kjøretøyet for å oppnå magnetisk levitasjon . Sporet kan være i en av to konfigurasjoner, et "stigespor" og et "laminert spor". Stigesporet er laget av ikke-kraftige Litz-ledningskabler , og det laminerte sporet er laget av stablet kobber- eller aluminiumsark.
Det er to design: Inductrack I, som er optimalisert for høyhastighetsdrift, og Inductrack II, som er mer effektiv ved lavere hastigheter.
Elektrodynamisk lager
Elektrodynamiske lagre (EDB) er en ny type lager som er en passiv magnetisk teknologi. EDB krever ingen kontrollelektronikk for å fungere. De fungerer ved de elektriske strømningene som genereres av bevegelse og forårsaker en gjenopprettingskraft.
Bruker
Maglev
I EDS maglev-tog utøver både skinnen og toget et magnetfelt, og toget blir levitert av den frastøtende kraften mellom disse magnetfeltene. Magnetfeltet i toget produseres av enten superledende magneter (som i SCMaglev ) eller av en rekke permanente magneter (som i Inductrack ). Den frastøtende kraften i sporet er skapt av et indusert magnetfelt i ledninger eller andre ledende striper i sporet. En stor fordel med de frastøtende maglevsystemene er at de er naturlig stabile - mindre innsnevring i avstand mellom sporet og magneter skaper sterke krefter for å frastøte magnetene tilbake til sin opprinnelige posisjon, mens en liten økning i avstand reduserer kraften kraftig og igjen returnerer kjøretøyet til riktig separasjon. Ingen tilbakemeldingskontroll er nødvendigvis nødvendig.
Motstøtende systemer har også en stor ulempe. Ved lave hastigheter er ikke strømmen indusert i disse spolene av den langsomme endringen i magnetisk strømning med hensyn til tid ikke stor nok til å produsere en frastøtende elektromagnetisk kraft som er tilstrekkelig til å bære togets vekt. Videre er energieffektiviteten for EDS ved lav hastighet lav. Av denne grunn må toget ha hjul eller annen form for landingsutstyr for å støtte toget til det når en hastighet som kan opprettholde levitasjon. Siden et tog kan stoppe hvor som helst, for eksempel på grunn av utstyrsproblemer, må hele sporet kunne støtte både lavhastighets- og høyhastighetsdrift. En annen ulempe er at det frastøtende systemet naturlig skaper et felt i sporet foran og bak på løftemagnetene, som virker mot magnetene og skaper en form for drag. Dette er generelt bare en bekymring ved lave hastigheter; ved høyere hastigheter har effekten ikke tid til å bygge sitt fulle potensiale, og andre former for drag dominerer.
Dragkraften kan brukes til det elektrodynamiske systemets fordel, men da det skaper en varierende kraft i skinnene som kan brukes som et reaksjonært system for å kjøre toget, uten behov for en separat reaksjonsplate, som i de fleste lineære motorer systemer.
Alternativt brukes fremdriftsspoler på føringsveien til å utøve en kraft på magneter i toget og få toget til å bevege seg fremover. Drivspolene som utøver en kraft på toget, er effektivt en lineær motor : en vekselstrøm som strømmer gjennom spolene genererer et kontinuerlig varierende magnetfelt som beveger seg fremover langs sporet. Frekvensen på vekselstrømmen synkroniseres for å matche hastigheten på toget. Forskyvningen mellom feltet som magneter utøver på toget og det påførte feltet skaper en kraft som beveger toget fremover.
Prinsipper
Når en ledende sløyfe opplever et skiftende magnetfelt, fra Lenzs lov og Faradays lov , genererer det skiftende magnetfeltet en elektromotorisk kraft (EMF) rundt kretsen. For en sinusformet eksitasjon er denne EMF 90 grader faset foran feltet, og når toppen der endringene er raskest (snarere enn når den er sterkest):
hvor N er antall svinger av ledningen (for en enkel sløyfe er dette 1) og Φ B er den magnetiske strømmen i nettene gjennom en enkelt sløyfe.
Siden feltet og potensialene er ute av fase, produseres både attraktive og frastøtende krefter, og det kan forventes at ingen nettolift vil bli generert. Imidlertid, selv om EMF er 90 grader i forhold til det påførte magnetfeltet, har sløyfen uunngåelig induktans. Denne induktive impedansen har en tendens til å forsinke toppstrømmen med en fasevinkel avhengig av frekvensen (siden den induktive impedansen til en hvilken som helst sløyfe øker med frekvensen).
hvor K er impedans til spolen, L er induktansen og R er motstanden, den faktiske faseledningen kan avledes som den omvendte tangenten til produktet ωL / R, dvs. , standardfase-blybevis i en RL-krets med en sløyfe.
Men:
der jeg er strømmen.
Dermed ved lave frekvenser er fasene stort sett ortogonale og strømene lavere, og ingen signifikant løft genereres. Men ved tilstrekkelig høy frekvens dominerer den induktive impedansen, og strømmen og det påførte feltet er praktisk talt på linje, og denne strømmen genererer et magnetfelt som er i motsetning til det påførte, og dette tillater levitasjon.
Siden den induktive impedansen øker proporsjonalt med frekvensen, øker imidlertid EMF, så strømmen har en tendens til en grense når motstanden er liten i forhold til den induktive impedansen. Dette begrenser også løftekraften. Effekt brukt til levitasjon er derfor stort sett konstant med frekvens. Imidlertid er det også virvelstrømmer på grunn av den endelige størrelsen på ledere som brukes i spolene, og disse fortsetter å vokse med frekvens.
Siden den energi som er lagret i luftgapet kan beregnes fra HB / 2 (eller μ 0 H 2 /2) ganger luftgap volum, den kraft som utøves på tvers av luftgapet i retningen perpendikulært på de last ( viz. , Vil kraften som direkte motvirker tyngdekraften) er gitt av den romlige derivaten (= gradient ) av den energien. Den luftgapet mengden svarer til tverrsnittsarealet multiplisert med bredden av luftspalten, slik at bredden kansellerer ut og vi igjen med en oppsettende kraft av μ 0 H 2 /2 ganger luftgap tverrsnittsareal, hvilken betyr at maksimal tålelig belastning varierer som kvadratet av magnetfeltettheten til magneten, permanent eller på annen måte, og varierer direkte som tverrsnittsarealet.
Stabilitet
Statisk
I motsetning til konfigurasjoner av enkle permanente magneter, kan elektrodynamisk levitasjon gjøres stabil. Elektrodynamisk levitasjon med metalledere viser en form for diamagnetisme , og relative permeabiliteter på rundt 0,7 kan oppnås (avhengig av frekvens og lederkonfigurasjon). Gitt detaljene i den gjeldende hysteresesløyfen, bør frekvensavhengig variasjon i atferd være av minimal betydning for de magnetiske materialene som sannsynligvis vil bli distribuert.
Dynamisk
Denne formen for maglev kan føre til at den leviterte gjenstanden blir utsatt for en dragindusert svingning, og denne svingningen skjer alltid i tilstrekkelig høy hastighet. Disse svingningene kan være ganske alvorlige og kan føre til at suspensjonen mislykkes.
Imidlertid kan innebygd demping av systemnivå ofte unngå at dette oppstår, spesielt på store skalaer.
Alternativt kan tilsetning av lett innstilte massespjeld forhindre at svingninger blir problematiske.
Elektronisk stabilisering kan også benyttes.