Поезда на электромагнитной подушке. Преимущества и недостатки поездов на магнитной подушке Левитирующий поезд маглев китай

Поезда на магнитной подушке, маглевы – самый быстрый вид наземного общественного транспорта. И хотя в эксплуатацию пока введено всего три небольших трека, исследования и испытания прототипов магнитных поездов проходят в разных странах. Как развивалась технология магнитной левитации и что ждет ее в ближайшем будущем вы узнаете из этой статьи.

История становления

Первые страницы истории маглев были заполнены рядами патентов, полученных в начале XX века в разных странах. Еще в 1902 году патентом на конструкцию поезда, оснащенного линейным двигателем, отметился немецкий изобретатель Альфреда Зейден. А уже спустя четыре года Франклин Скотт Смит разработал еще один ранний прототип поезда на электромагнитном подвесе. Немного позже, в период с 1937 года по 1941 год, еще нескольких патентов относящихся к поездам, оснащенным линейными электродвигателями, получил немецкий инженер Герман Кемпер. К слову, подвижные составы Московской монорельсовой транспортной системы, построенной в 2004 г., используют для движения асинхронные линейные двигатели – это первый в мире монорельс с линейным двигателем.

Поезд Московской монорельсовой системы возле станции Телецентр

В конце 1940-х годов исследователи перешли от слова к делу. Британскому инженеру Эрику Лэйзвейту, которого многие называют «отцом маглевов», удалось разработать первый рабочий полноразмерный прототип линейного асинхронного двигателя. Позже, в 1960-х годах, он присоединился к разработке скоростного поезда Tracked Hovercraft. К сожалению, в 1973 году проект закрыли из-за нехватки средств.

В 1979 году появился первый в мире прототип поезда на магнитной подушке, лицензированный для предоставления услуг по перевозке пассажиров – Transrapid 05. Испытательный трек длиной 908 м был построен в Гамбурге и представлен в ходе выставки IVA 79. Интерес к проекту оказался настолько велик, что Transrapid 05 удалось успешно проработать еще три месяца после окончания выставки и перевезти в общей сложности около 50 тыс. пассажиров. Максимальная скорость этого поезда составляла 75 км/ч.

А первый коммерческий магнитоплан появился в 1984 году в Бирмингеме, Англия. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяла терминал международного аэропорта Бирмингема и расположенную рядом железнодорожную станцию. Она успешно проработала с 1984 по 1995 год. Протяженность линии составляла всего 600 м, а высота, на которую состав с линейным асинхронным двигателем поднимался над полотном дороги – 15 миллиметров. В 2003 году на ее месте была построена система пассажирских перевозок AirRail Link на базе технологии Cable Liner.

В 1980-х годах к разработке и реализации проектов по созданию высокоскоростных поездов на магнитной подушке приступили не только в Англии и Германии, но и в Японии, Корее, Китае и США.

Как это работает

О базовых свойствах магнитов мы знаем еще с уроков физики за 6 класс. Если поднести северный полюс постоянного магнита к северному полюсу другого магнита они будут отталкиваться. Если один из магнитов перевернуть, соединив разные полюса – притягиваться. Это простой принцип заложен в поездах-маглевах, которые скользят по воздуху над рельсом на незначительном расстоянии.

В основе технологии магнитного подвеса лежат три основных подсистемы: левитации, стабилизации и ускорения. В то же время на данный момент существует две основных технологии магнитного подвеса и одна экспериментальная, доказанная лишь на бумаге.

Поезда, построенные на базе технологии электромагнитного подвеса (EMS) для левитации используют электромагнитное поле, сила которого изменяется по времени. При этом практическая реализация данной системы очень похожа на работу обычного железнодорожного транспорта. Здесь применяется Т-образное рельсовое полотно, выполненное из проводника (в основном металла), но поезд вместо колесных пар использует систему электромагнитов – опорных и направляющих. Опорные и направляющие магниты при этом расположены параллельно к ферромагнитным статорам, размещенным на краях Т-образного пути. Главный недостаток технологии EMS – расстояние между опорным магнитом и статором, которое составляет 15 миллиметров и должно контролироваться и корректироваться специальными автоматизированными системами в зависимости от множества факторов, включая непостоянную природу электромагнитного взаимодействия. К слову, работает система левитации благодаря батареям, установленным на борту поезда, которые подзаряжаются линейными генераторами, встроенными в опорные магниты. Таким образом, в случае остановки поезд сможет достаточно долго левитировать на батареях. На базе технологии EMS построены поезда Transrapid и, в частности, шанхайский маглев.

Поезда на базе технологии EMS приводятся в движение и осуществляют торможение с помощью синхронного линейного двигателя низкого ускорения, представленного опорными магнитами и полотном, над которым парит магнитоплан. По большому счету, двигательная система, встроенная в полотно, представляет собой обычный статор (неподвижная часть линейного электродвигателя), развернутый вдоль нижней части полотна, а опорные электромагниты, в свою очередь, работают в качестве якоря электродвигателя. Таким образом, вместо получения крутящего момента, переменный ток в катушках генерирует магнитное поле возбуждающихся волн, которое перемещает состав бесконтактно. Изменение силы и частоты переменного тока позволяет регулировать тягу и скорость состава. При этом чтобы замедлить ход, нужно всего лишь изменить направление магнитного поля.

В случае применения технологии электродинамического подвеса (EDS) левитация осуществляется при взаимодействии магнитного поля в полотне и поля, создаваемого сверхпроводящими магнитами на борту состава. На базе технологии EDS построены японские поезда JR–Maglev. В отличие от технологии EMS, в которой применены обычные электромагниты и катушки проводят электричество только в тот момент, когда подается питание, сверхпроводящие электромагниты могут проводить электричество даже после того, как источник питания был отключен, например, в случае отключения электроэнергии. Охлаждая катушки в системе EDS можно сэкономить достаточно много энергии. Тем не менее, криогенная система охлаждения, используемая для поддержания более низких температур в катушках, может оказаться достаточно дорогой.

Главным преимуществом системы EDS является высокая стабильность – при незначительном сокращении расстоянии между полотном и магнитами возникает сила отталкивания, которая возвращает магниты в первоначальное положение, в то же время увеличение расстояния снижает силу отталкивания и повышает силу притяжения, что опять же ведет к стабилизации системы. В этом случае никакой электроники для контроля и корректировки расстояния между поездом и полотном не требуется.

Правда, без недостатков здесь также не обошлось – достаточная для левитации состава сила возникает только на больших скоростях. По этой причине поезд на системе EDS должен быть оснащен колесами, которые смогут обеспечивать движение при низких скоростях (до 100 км/ч). Соответственные изменения также должны быть внесены по всей длине полотна, так как поезд может остановиться в любом месте в связи с техническими неисправностями.

Еще одним недостатком EDS является то, что при низких скоростях в передней и задней частях отталкивающих магнитов в полотне возникает сила трения, которая действует против них. Это одна из причин, по которой в JR–Maglev отказались от полностью отталкивающей системы и посмотрели в сторону системы боковой левитации.

Стоит также отметить, что сильные магнитные поля в секции для пассажиров порождают необходимость установки магнитной защиты. Без экранирования путешествие в таком вагоне для пассажиров с электронным стимулятором сердца или магнитными носителями информации (HDD и кредитные карточки), противопоказано.

Подсистема ускорения в поездах на базе технологии EDS работает точно также, как и в составах на базе технологии EMS за исключением того, что после изменения полярности статоры здесь на мгновение останавливаются.

Третьей, наиболее близкой к реализации технологией, существующей пока только на бумаге, является вариант EDS с постоянными магнитами Inductrack, для активации которых не требуется энергия. До недавнего времени исследователи считали, что постоянные магниты не обладают достаточной для левитации поезда силой. Однако эту проблему удалось решить путем размещения магнитов в так называемый «массив Хальбаха». Магниты при этом расположены таким образом, что магнитное поле возникает над массивом, а не под ним, и способны поддерживать левитацию поезда на очень низких скоростях – около 5 км/ч. Правда, стоимость таких массивов из постоянных магнитов очень высока, поэтому пока и не существует ни одного коммерческого проекта данного рода.

Книга рекордов Гиннесса

На данный момент первою строчку в списке самых быстрых поездов на магнитной подушке занимает японское решение JR-Maglev MLX01, которому 2 декабря 2003 года на испытательной трассе в Яманаси удалось развить рекордную скорость – 581 км/ч. Стоит отметить, что JR-Maglev MLX01 принадлежит еще несколько рекордов, установленных в период с 1997 по 1999 год – 531, 550, 552 км/ч.

Если взглянуть на ближайших конкурентов, то среди них стоит отметить шанхайский маглев Transrapid SMT, построенный в Германии, которому удалось в ходе испытаний в 2003 году развить скорость 501 км/ч и его прародителя – Transrapid 07, преодолевшего рубеж в 436 км/ч еще в 1988 году.

Практическая реализация

Поезд на магнитной подушке Linimo, эксплуатация которого началась в марте 2005 года, был разработан компанией Chubu HSST и до сих пор используется в Японии. Он курсирует между двумя городами префектуры Айти. Протяженность полотна, над которым парит маглев составляет около 9 км (9 станций). При этом максимальная скорость Linimo равна 100 км/ч. Это не помешало ему только в течение первых трех месяцев с момента запуска перевезти более 10 млн пассажиров.

Более известным является шанхайский маглев, созданый немецкой компанией Transrapid и введенный в эксплуатацию 1 января 2004 года. Эта железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет станцию шанхайского метро Лунъян Лу с международным аэропортом Пудун. Общее расстояние составляет 30 км, поезд преодолевает его приблизительно за 7,5 мин, разгоняясь до скорости 431 км/ч.

Еще одна железнодорожная линия на магнитном подвесе успешно эксплуатируется в городе Тэджон, Южная Корея. UTM-02 стал доступен пассажирам 21 апреля 2008 года, а на его разработку и создание ушло 14 лет. Железнодорожная линия на магнитном подвесе соединяет Национальный музей науки и выставочный парк, расстояние между которыми всего лишь 1 км.

Среди поездов на магнитной подушке, эксплуатация которых начнется в ближайшем будущем, стоит отметить Maglev L0 в Японии, его испытания были возобновлены совсем недавно. Ожидается, что к 2027 году он будет курсировать по маршруту Токио – Нагоя.

Очень дорогая игрушка

Не так давно популярные журналы называли поезда на магнитной подушке революционным транспортом, а о запуске новых проектов подобных систем с завидной регулярностью сообщали как частные компании, так и органы власти из разных стран мира. Однако большинство из этих грандиозных проектов были закрыты еще на начальных стадиях, а некоторые железнодорожные линии на магнитном подвесе хоть и сумели недолго послужить на благо населения, позже были демонтированы.

Главная причина неудач в том, что поезда на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Они требуют специально построенной под них с нуля инфраструктуры, которая, как правило, и является самой расходной статьей в бюджете проекта. К примеру, шанхайский маглев обошелся Китаю в $1,3 млрд или $43,6 млн за 1 км двустороннего полотна (включая затраты на создание поездов и постройку станций). Конкурировать с авиакомпаниями поезда на магнитной подушке могут лишь на более длинных маршрутах. Но опять же, в мире достаточно мало мест с большим пассажиропотоком, необходимым для того чтобы железнодорожная линия на магнитном подвесе окупилась.

Что дальше?

На данный момент будущее поездов на магнитной подвеске выглядит туманно в большей степени из-за запредельной дороговизны подобных проектов и длительного периода окупаемости. В то же время множество стран продолжают инвестировать огромные средства в проекты по созданию высокоскоростных железнодорожных магистралей (ВСМ). Не так давно в Японии были возобновлены скоростные испытания поезда на магнитной подушке Maglev L0, .

Японское правительство также надеется заинтересовать собственными поездами на магнитной подушке США. Недавно представители компании The Northeast Maglev, которые планируют соединить с помощью железнодорожной линии на магнитном подвесе Вашингтон и Нью-Йорк, совершили официальный визит в Японию. Возможно поезда на магнитной подвеске получат большее распространение в странах с менее эффективной сетью ВСМ. К примеру, в США и Великобритании, но их стоимость по-прежнему останется высока.

Есть еще один сценарий развития событий. Как известно, одним из путей к увеличению эффективности поездов на магнитной подушке является применение сверхпроводников, которые при охлаждении до близких к абсолютному нулю температур полностью теряют электрическое сопротивление. Однако держать огромные магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого, так как чтобы удерживать нужную температуру, нужны громадные «холодильники», что еще больше повышает стоимость.

Но никто не исключает вероятности, что в ближайшем будущем светилам физики удастся создать недорогое вещество, сохраняющие сверхпроводящие свойства даже при комнатной температуре. При достижении сверхпроводимости при высоких температурах мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько доступными, что даже «летающие автомобили» окажутся экономически выгодными. Так что ждем новостей из лабораторий.

Поезда на магнитной подушке способны развивать большую скорость, чем обычные поезда.
Поезда на магнитной подушке производят меньше шума, чем обычные поезда.
Поезда на магнитной подушке сокращают время в пути для пассажиров.
Поезда на магнитной подушке используют источники электрической энергии, в меньшей степени загрязняющие атмосферу.

Недостатки поездов на магнитной подушке

Поезда на магнитной подушке стоят дороже, чем обычные поезда.
Поезда на магнитной подушке требуют особого обучения персонала.
Поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке используют для создания левитации мощные электромагниты, установленные на рельсе. При этом возникает задача экранировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей.
Неожиданное падение напряжения приведет к тому, что вагоны поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке опустятся на рельс. На большой скорости это может быть опасным (при эксплуатации поездов типа Inductrack такие - проблемы не возникают, так как колеса поезда позволят вагонам двигаться по инерции до полной остановки).
Сильный боковой порыв ветра может нарушить работу поезда на магнитной подушке, сместив вагоны и заставив их прийти в соприкосновение с рельсом. Снег или лед на рельсе также могут вызвать проблемы.

Вопрос

Как изолировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей в поезде на сверхпроводниковых магнитных подушках?

Ответ

Вагоны или, по крайней мере, купе могут быть сделаны из ферромагнитного материала (стали, например), блокирующего линии магнитной индукции. К сожалению, сталь гораздо тяжелее алюминия, обычно использующегося при производстве поездов. Алюминий не является ферромагнетиком и не обеспечивает защиты от магнитных полей, если к нему не подвести токи высокого напряжения, потенциально опасные для пассажиров.

Вопрос

Преодолеет ли поезд на магнитной подушке крутой холм или гору? Не скатится ли он вниз по склону и не останется ли в долине, если отсутствует трение, необходимое для торможения?

Ответ

Линейные индукционные двигатели,- применяемые в поездах на магнитной подушке, способны поднимать такие поезда по более крутым склонам, чем обычные поезда. Более того, линейные индукционные двигатели переключаются на торможение в реверсном режиме, предохраняя поезд от скатывания вниз за счет работы, направленной против силы тяготения.

Сухов Виталий Владимирович, Галин Алексей Леонидович

Мы представляем вам проект, основной темой которого является «Электромагнитные транспортные средства и аппараты». Занявшись этой работой, мы поняли, что наиболее интересным вопросом для нас является транспорт на магнитной подушке.

Недавно знаменитый английский писатель-фантаст Артур Кларк сделал очередное предсказание. «...Мы, возможно, стоим на пороге создания космического аппарата нового типа, который сможет покидать Землю с минимальными затратами за счет преодоления гравитационного барьера, - считает он. - Тогда нынешние ракеты станут тем же, чем были воздушные шары до первой мировой войны». На чем же основано такое суждение? Ответ нужно искать в современных идеях создания транспорта на магнитной подушке.

Скачать:

Предварительный просмотр:

I-ая открытая студенческая научно-практическая конференция

«Моя проектная деятельность в колледже»

Направление научно-практического проекта:

Электротехника

Тема проекта:

Электромагнитные транспортные средства и аппараты. Транспорт на магнитной подушке

Проект подготовлен:

Сухов Виталий Владимирович, студент группы 2 ЭТ

Галин Алексей Леонидович, студент группы 2 ЭТ

Название учебного заведения:

ГБОУ СПО Электромеханический колледж №55

Руководитель проекта:

Утенкова Еатерина Сергеевна

Москва 2012

Введение

Магнитоплан или Маглев

Установка Хальбаха

Заключение

Список литературы

Введение

Магнитоплан или Маглев

Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation) - это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Скорость, достижимая маглев, сравнима со скоростью самолета и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых (для авиации) расстояниях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, Маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсов обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

Необходимость поездов на магнитной подушке (MAGLEV) обсуждается уже долгие годы, однако результаты попыток их реального применения оказались обескураживающими. Важнейший недостаток поездов MAGLEV заключается в особенности работы электромагнитов, которые и обеспечивают левитацию вагонов над полотном. Электромагниты, не охлаждаемые до состояния сверхпроводимости, потребляют гигантские объемы энергии. При использовании же сверхпроводников в полотне стоимость их охлаждения сведет на нет все экономические преимущества и возможность осуществления проекта.

Альтернатива предложена физиком Ричардом Постом из Lawrence Livermore National Laboratory, Калифорния. Ее суть заключается в использовании не электромагнитов, а постоянных магнитов. Ранее применяемые постоянные магниты были слишком слабы, что бы поднять поезд, и Пост применяет метод частичной акселерации, разработанный отставным физиком Клаусом Хальбахом из Lawrence Berkley National Laboratory. Хальбах предложил метод расположения постоянных магнитов таким образом, что бы сконцентрировать их суммарные поля в одном направлении. Inductrack – так Пост назвал эту систему – использует установки Хальбаха, вмонтированные в днище вагона. Полотно, само по себе, - это упорядоченная укладка витков изолированного медного кабеля.

Установка Хальбаха

Установка Хальбаха концентрирует магнитное поле в определенной точке, снижая ее в других. Будучи вмонтированной в днище вагона, она генерирует магнитное поле, которое индуцирует достаточные токи в обмотках полотна под движущимся вагоном, чтобы поднять вагон на несколько сантиметров и стабилизировать его [рис.1]. Когда поезд останавливается, эффект левитации исчезает, вагоны опускаются на дополнительные шасси.

Рис. 1 Установка Хальбаха

На рисунке представлено 20 метровое опытное полотно для испытания MAGLEV поездов типа Inductrack, которое содержит около 1000 прямоугольных индуктивных обмоток, каждая шириной 15 см. На переднем плане испытательная тележка и электрический контур. Алюминиевые рельсы вдоль полотна поддерживают тележку до момента достижения устойчивой левитации. Установки Хальбаха обеспечивают: под днищем – левитацию, по бокам – устойчивость.

Когда поезд достигает скорости 1-2 км/ч, магниты производят достаточные для левитации поезда токи в индуктивных обмотках. Сила, движущая поезд, генерируется электромагнитами, установленными с интервалами вдоль пути. Поля электромагнитов пульсируют таким образом, что отталкивают от себя установки Хальбаха, смонтированные в поезде, и двигают его вперед. Согласно Посту, при правильном расположении установок Хальбаха, вагоны не потеряют равновесия ни при каких обстоятельствах, вплоть до землетрясения. В настоящее время, исходя из успехов демонстрационной работы Поста в масштабе 1/20, NASA подписало 3-х годичный контракт с его коллективом в Ливерморе для дальнейшего исследования данной концепции для более эффективного запуска спутников на орбиту. Предполагается, что эта система будет использоваться в качестве многоразового разгонного носителя, который разгонял бы ракету до скорости около 1 Маха, перед включением на ней основных двигателей.

Однако, несмотря на все сложности перспективы использования транспорта на магнитной подушке остаются весьма заманчивыми. Так, японское правительство готовится возобновить работу над принципиально новым видом наземного транспорта - поездами на магнитной подушке. По заверениям инженеров, вагоны «маглева» способны покрывать расстояние между двумя крупнейшими населенными центрами Японии - Токио и Осакой - всего за 1 час. Нынешним скоростным железнодорожным экспрессам для этого требуется времени в 2,5 раза больше.

Секрет скорости «маглева» состоит в том, что вагоны, подвешенные в воздух силой электромагнитного отталкивания, двигаются не по колее, а над ней. Это напрочь исключает потери, неизбежные при трении колес о рельсы. Многолетние испытания, проводившиеся в префектуре Яманаси на пробном участке длиной 18,4 км, подтвердили надежность и безопасность этой транспортной системы. Вагоны, двигавшиеся в автоматическом режиме, без пассажирской нагрузки развивали скорость в 550 км/час. Пока что рекорд скоростного передвижения по рельсам принадлежит французам, чей поезд TGV в 1990 году на испытаниях разогнался до 515 км/час.

Вопросы эксплуатации транспорта на магнитной подушке

Японцев также тревожат экономические проблемы, и в первую очередь вопрос рентабельности сверхскоростной линии «маглева». Ныне ежегодно между Токио и Осакой совершают путешествие около 24 млн. человек, 70% пассажиров пользуются при этом скоростной железнодорожной линией. По подсчетам футурологов, революционное развитие сети компьютерной связи неминуемо приведет к снижению пассажиропотока между двумя крупнейшими центрами страны. На загруженности транспортных линий может сказаться и наметившееся падение численности активного населения страны

Российский проект открытия движения поездов на магнитной подушке из Москвы в Санкт-Петербург в ближайшее время не будет реализован, сообщил на пресс-конференции в Москве в конце февраля 2011 года руководитель Федерального агентства железнодорожного транспорта Михаил Акулов. С этим проектом могут быть проблемы, поскольку нет опыта эксплуатации поездов на магнитной подушке в условиях зимы, сказал Акулов, сообщив, что такой проект предложен группой российских разработчиков, которые взяли на вооружение опыт Китая. Вместе с тем Акулов отметил, что идея создания высокоскоростной магистрали Москва – Санкт-Петербург сегодня вновь актуальна. В частности, предложено совместить создание высокоскоростной магистрали с параллельным строительством автомобильного шоссе. Глава агентства добавил, что мощные бизнес-структуры из Азии готовы участвовать в этом проекте, не уточнив, о каких именно структурах идет речь.

Технологии магнитного подвеса поездов

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

1. На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS).

Сверхпроводящий магнит - соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго.

Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке сверхпроводящего магнита, исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике. Обмотка сверхпроводящего магнита теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток сверхпроводящих магнитов. применяют материалы с высокими значениями Тк, Iк и Нк.

2. На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS).

3. На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система.

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем.

Линейный двигатель -электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.

Сейчас разработано множество проектов линейных двигателей, но всех их можно разделить на две категории - двигатели низкого ускорения и двигатели высокого ускорения.

Двигатели низкого ускорения используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен). Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его. Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, как оружие или пусковые установки космических кораблей. Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков,и в робототехнике. расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава.

По теореме Ирншоу (S. Earnshaw, иногда пишут Эрншоу), статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков.

Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся навстречу направлению действующего на них внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента. и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах.

Рассмотреть принцип движения транспорта на магнитной подушке можно на следующей схеме.

Здесь показан принцип движения транспорта вперед, под действием изменения магнитных полей. Расположение магнитов дают возможность вагону, будто тянутся вперед, к противоположному полюсу, тем самым двигаясь всей конструкцией.

Наиболее подробно саамам магнитная установка представлена на схеме конструкции магнитного подвеса и электропривода экипажа на базе линейных асинхронных машин

Рис. 1. Конструкция магнитного подвеса и электропривода экипажа на базе линейных асинхронных машин:
1 - индуктор магнитного подвеса; 2 - вторичный элемент; 3 - крышка; 4,5 - зубцы и обмотка индуктора подвеса; 6,7 - токопроводящая клетка и магнитопровод вторичного элемента; 8 - основание; 9-платформа; 10 - кузов экипажа;11, 12 - пружины; 13 -демпфер; 14 - штанга; 15 - цилиндрический шарнир; 16 - опора скольжения; 17 - кронштейн;18 - упор;19 - штанга. Von - скорость магнитного поля: Fn - подъёмная сила подвеса: Вб - индукция рабочего зазора подвеса

Рис.2. Конструкция тягового линейного асинхронного двигателя:
1 - индуктор тягового привода; 2 - вторичный элемент; 3 - магнитопровод индуктора привода; 4 - нажимные плиты индуктора привода; 5 - зубцы индуктора привода; 6 - катушки обмотки индуктора привода; 7 - основание.

Достоинства и недостатки транспорта на магнитной подушке

Достоинства

Теоретически самая высокая скорость из тех, которые можно получить на серийном (не спортивном) наземном транспорте.
Низкий шум.

Недостатки

Высокая стоимость создания и обслуживания колеи.
Вес магнитов, потребление электроэнергии.
Создаваемое магнитной подвеской электромагнитное поле может оказаться вредным для поездных бригад и/или окрестных жителей. Даже тяговые трансформаторы, применяемые на электрифицированных переменным током железных дорогах, вредны для машинистов, но в данном случае напряжённость поля получается на порядок больше. Также, возможно, линии маглева будут недоступны для людей, использующих кардиостимуляторы.
Потребуется на высокой скорости (сотни км/ч) контролировать зазор между дорогой и поездом (несколько сантиметров). Для этого нужны сверхбыстродействующие системы управления.
Требуется сложная путевая инфраструктура.

Например, стрелка для маглева представляет собой два участка дороги, которые сменяют друг друга в зависимости от направления поворота. Поэтому маловероятно, что линии маглева будут образовывать мало-мальски разветвлённые сети с развилками и пересечениями.

Разработки новых видов транспорта

Работы по созданию скоростных бесколесных поездов на магнитной подушке ведутся достаточно давно, в частности в Советском Союзе с 1974 года. Однако до сих пор проблема наиболее перспективного транспорта будущего остается открытой и является широким полем деятельности для.

Рис. 2 Модель поезда на магнитной подушке

На рисунке 2 представлена модель поезда на магнитной подушке, где разработчики решили перевернуть всю механическую систему с ног на голову. Железнодорожная трасса представляет собой совокупность расставленных через определенные равные расстояния железобетонных опор со специальными проемами (окнами) для поездов. Рельсов нет. Почему? Дело в том, что модель перевернута, и в качестве рельса служит сам поезд, а в окнах опор установлены колеса с электромоторами, скоростью вращения которых дистанционно управляет машинист поезда. Таким образом, поезд как бы летит по воздуху. Расстояния между опорами подобраны таким образом, чтобы в каждый момент своего движения поезд находился, как минимум, в двух-трех из них, а один вагон имеет длину большую, чем один пролет. Это позволяет не только удерживать железнодорожный состав на весу, но и, вместе с тем, при отказе одного из колес в какой-либо опоре движение будет продолжаться.

Преимуществ использования именно этой модели достаточно. Во-первых, это экономия на материалах, во-вторых, вес поезда значительно уменьшается (не нужно ни двигателей, ни колес), в-третьих, такая модель чрезвычайно экологична, а в-четвертых, проложить такую трассу в условиях густонаселенного города либо местности с неровным ландшафтом гораздо проще, чем в стандартных видах транспорта.

Но нельзя не сказать и о недостатках. Например, если в рамках трассы одна из опор сильно отклонится, это приведет к катастрофе. Хотя, катастрофы возможны и в рамках обычных железных дорог. Другой вопрос, который ведет к сильному удорожанию технологии, это физические нагрузки на опоры. Например, хвост поезда, только выехавший из какого-либо конкретного проема, если говорить простыми словами, как бы "повисает" и оказывает большую нагрузку на следующую опору, при этом смещается и центр тяжести самого поезда, что влияет на все опоры, в целом. Примерно такая же ситуация возникает, когда голова поезда выезжает из проема и так же "повисает", пока не достигнет следующей опоры. Получаются своего рода качели. Как эту проблему намерены решать конструкторы (с помощью несущего крыла, огромной скорости, уменьшением расстояния между опорами...), пока неясно. Но решения есть. И третья проблема - повороты. Поскольку разработчики решили, что длина вагона больше, чем один пролет, стоит вопрос поворотов

Рис. 3 Высокоскоростной Струнный Транспорт Юницкого

Как альтернатива этому существует чисто российская разработка, именуемая Высокоскоростным Струнным Транспортом Юницкого (СТЮ). В ее рамках предлагается использовать поднятые на опорах на высоту 5-25 метров предварительно напряженные рельсы-струны, по которым движутся четырехколесные транспортные модули. Себестоимость у СТЮ оказывается гораздо меньшей - $600-800 тысяч за один километр, а с инфраструктурой и подвижным составом - $900-1200 тысяч за км.

Рис. 4 Пример монорельсового транспорта

Но ближайшее будущее видится все-таки за обычным монорельсовым представлением. Причем в рамках монорельсовых систем сейчас откатываются новейшие технологии по автоматизированию транспорта. Например, американская корпорация Taxi 2000 создает монорельсовую систему автоматических такси SkyWeb Express, которые могут ездить как в рамках города, так и за его пределами. Водитель в таких такси не нужен (прямо как в фантастических книгах и фильмах). Вы указываете точку назначения, и такси само вас туда отвозит, самостоятельно выстраивая оптимальный маршрут. Тут получается все - и безопасность, и точность. Taxi 2000 на данный момент - наиболее реальный и осуществимый проект

Заключение

Поезда на магнитной подушке считаются одним из наиболее перспективных видов транспорта будущего. От обычных поездов и монорельсов поезда на магнитной подушке отличаются полным отсутствием колес – при движении вагоны как бы парят над одним широким рельсом за счет действия магнитных сил. В результате скорость движения такого поезда может достигать 400 км/ч, и в ряде случаев такой транспорт может заменить собой самолет. В настоящее время в мире реализуется на практике только один проект магнитной дороге, называемой также Transrapid.

Многим разработкам и проектам уже по 20-30 лет. И главной задачей для их создателей является привлечение инвесторов. Сама проблема транспорта достаточно существенна, ведь зачастую мы покупаем некоторые продукты так дорого, потому что много затрачено на их перевозку. Вторая проблема - это экология, третья - большая загруженность транспортных путей, что увеличивается год от года, и для некоторых видов транспорта на десятки процентов.

Будем надеяться, что в скором будущем мы сами уже сможем проехаться на транспорте с магнитной подушкой. Время движется...

Список литературы

Дроздова Т.Е. Теоретические основы прогрессивных технологий. - Москва: МГОУ, 2001. - 212 с.
Материаловедение и технология конструкционных материалов / Тялина Л.Н., Федорова Н.В. Учебное пособие. - Тамбов: ТГТУ, 2006. - 457 с.
Методы охраны внутренних вод от загрязнения и истощения / под ред. Гавич И.К. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 287 с.
Методы очистки производственных сточных вод / Жуков А.И. Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. - М.: Инфра-М, 2005. - 338 с.
Основы технологий важнейших отраслей промышленности / под ред. Сидорова И.А. Учебник ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2003. - 396 с.
Система технологий важнейших отраслей народного хозяйства / Дворцин М.Д., Дмитриенко В.В., Крутикова Л.В., Машихина Л.Г. Учебное пособие. - Хабаровск: ХПИ, 2003. - 523 с.

Уже более двухсот лет прошло с того момента, когда человечество изобрело первые паровозы. Однако до сих пор железнодорожный наземный транспорт, перевозящий пассажиров и при помощи силы электричества и дизельного топлива, весьма распространен.

Стоит сказать о том, что все эти годы инженеры-изобретатели активно работали над созданием альтернативных способов перемещения. Результатом их труда стали поезда на магнитных подушках.

История появления

Сама идея создать поезда на магнитных подушках активно разрабатывалась еще в начале двадцатого века. Однако воплотить данный проект в то время по ряду причин так и не удалось. К изготовлению подобного поезда приступили лишь в 1969 г. Именно тогда на территории ФРГ начали укладывать магнитную трассу, по которой должно было пройти новое транспортное средство, которое впоследствии назвали так: поезд-маглев. Запущено оно было в 1971 г. По магнитной трассе прошел первый поезд-маглев, который назывался «Трансрапид-02».

Интересен тот факт, что немецкие инженеры изготавливали альтернативное транспортное средство на основании тех записей, которые оставил ученый Герман Кемпер, еще в 1934 г. получивший патент, подтверждавший изобретение магнитоплана.

«Трансрапид-02» сложно назвать очень быстрым. Он мог перемещаться с максимальной скоростью в 90 километров в час. Низкой была и его вместимость - всего четыре человека.

В 1979 г. создали более усовершенствованную модель маглева. носящий название «Трансрапид-05», мог перевозить уже шестьдесят восемь пассажиров. Перемещался он по линии, расположенной в городе Гамбурге, протяженность которой составляла 908 метров. которую развивал этот поезд, была равна семидесяти пяти километрам в час.

В том же 1979 г. в Японии была выпущена другая модель маглева. Ее назвали «МЛ-500». на магнитной подушке развивал скорость до пятисот семнадцати километров в час.

Конкурентоспособность

Скорость, которую могут развить поезда на магнитных подушках, можно сравнить со В связи с этим данный вид транспорта может стать серьезным конкурентом тем воздушным авиалиниям, которые работают на расстоянии до тысячи километров. Повсеместному применению маглевов препятствует тот факт, что перемещаться по традиционным железнодорожным покрытиям они не могут. Поезда на магнитных подушках нуждаются в построении специальных магистралей. А это требует крупных вложений капитала. Считается также, что создаваемое для маглевов способно негативно влиять на организм человека, что отрицательно скажется на здоровье машиниста и жителей регионов, находящихся неподалеку от такой трассы.

Принцип работы

Поезда на магнитных подушках представляют собой особую разновидность транспорта. Во время движения маглев словно парит над железнодорожным полотном, не касаясь его. Это происходит по той причине, что транспортное средство управляется силой искусственно созданного магнитного поля. Во время движения маглева отсутствует трение. Тормозящей силой при этом является аэродинамическое сопротивление.

Как же это работает? О том, какими базовыми свойствами обладают магниты, каждому из нас известно из уроков физики шестого класса. Если два магнита поднести друг к другу северными полюсами, то они будут отталкиваться. Создается так называемая магнитная подушка. При соединении различных полюсов магниты притянутся друг к другу. Этот довольно простой принцип и лежит в основе движения поезда-маглева, который буквально скользит по воздуху на незначительном расстоянии от рельсов.

В настоящее время уже разработано две технологии, при помощи которых приводится в действие магнитная подушка или подвес. Третья является экспериментальной и существует только на бумаге.

Электромагнитный подвес

Эта технология носит название EMS. В ее основе лежит сила электромагнитного поля, изменяющаяся во времени. Она и вызывает левитацию (подъем в воздухе) маглева. Для движения поезда в данном случае необходимы Т-образные рельсы, которые выполняются из проводника (как правило, из металла). Этим работа системы похожа на обычную железную дорогу. Однако в поезде вместо колесных пар установлены опорные и направляющие магниты. Их располагают параллельно ферромагнитным статорам, находящимся по краю Т-образного полотна.

Основным недостатком технологии EMS является необходимость контроля над расстоянием между статором и магнитами. И это при том, что оно зависит от множества факторов, в том числе и от непостоянной природы Для того чтобы избежать внезапной остановки поезда, на нем устанавливаются специальные батареи. Они способны подзаряжать встроенные в опорные магниты, и тем самым достаточно долго поддерживать процесс левитации.

Торможение поездов, созданных на базе технологии EMS, осуществляет синхронный линейный двигатель низкого ускорения. Он представлен опорными магнитами, а также дорожным полотном, над которым парит маглев. Скорость и тягу состава можно регулировать изменением частоты и силы создаваемого переменного тока. Для замедления хода достаточно изменить направление магнитных волн.

Электродинамический подвес

Существует технология, при которой движение маглева происходит при взаимодействии двух полей. Одно из них создается в полотне магистрали, а второе - на борту состава. Эта технология получила название EDS. На ее базе построен японский поезд на магнитной подушке JR-Maglev.

Такая система имеет некоторые отличия от EMS, где применяются обычные магниты, к которым от катушек подводится электрический ток только при подаче питания.

Технология EDS подразумевает постоянное поступление электричества. Это происходит даже в том случае, если источник питания отключен. В катушках такой системы установлено криогенное охлаждение, позволяющее экономить значительные объемы электроэнергии.

Преимущества и недостатки технологии EDS

Положительной стороной системы, работающей на электродинамическом подвесе, является ее стабильность. Даже незначительное сокращение или увеличение расстояния между магнитами и полотном регулируется силами отталкивания и притяжения. Это позволяет системе находиться в неизменном состоянии. При данной технологии отсутствует необходимость в установке электроники для контроля. Не нужны и приборы для регулировки расстояния между полотном и магнитами.

Технология EDS имеет некоторые недостатки. Так, сила, достаточная для левитации состава, может возникнуть только на большой скорости. Именно поэтому маглевы оснащают колесами. Они обеспечивают их движение при скорости до ста километров в час. Еще одним недостатком данной технологии является сила трения, возникающая в задней и передней части отталкивающих магнитов при низком значении скорости.

Из-за сильного магнитного поля в секции, предназначенной для пассажиров, необходима установка специальной защиты. В противном случае человеку с электронным стимулятором сердца путешествовать запрещено. Защита нужна и для магнитных носителей информации (кредитных карточек и HDD).

Разрабатываемая технология

Третьей системой, которая в настоящее время существует лишь на бумаге, является использование в варианте EDS постоянных магнитов, которые для активации не нуждаются в подаче энергии. Еще совсем недавно считалось, что это невозможно. Исследователи полагали, что у постоянных магнитов нет такой силы, которая способна вызвать левитацию поезда. Однако этой проблемы удалось избежать. Для ее решения магниты поместили в «массив Хальбаха». Подобное расположение приводит к созданию магнитного поля не под массивом, а над ним. Это способствует поддержанию левитации состава даже на скорости около пяти километров в час.

Практической реализации данный проект пока не получил. Это объясняется высокой стоимостью массивов, выполненных из постоянных магнитов.

Достоинства маглевов

Наиболее привлекательной стороной поездов на магнитной подушке является перспектива достижения ими высоких скоростей, которые позволят маглевам в будущем конкурировать даже с реактивными самолетами. Данный вид транспорта довольно экономичен по уровню потребляемой электроэнергии. Невелики расходы и на его эксплуатацию. Это становится возможным в связи с отсутствием трения. Радует и низкий шум маглевов, что положительно скажется на экологической обстановке.

Недостатки

Отрицательной стороной маглевов является слишком большая сумма, необходимая для их создания. Высоки расходы и на обслуживание колеи. Кроме того, для рассмотренного вида транспорта требуется сложная система путей и сверхточные приборы, контролирующие расстояние между полотном и магнитами.

в Берлине

В столице Германии в 1980 годах состоялось открытие первой системы типа маглев под названием M-Bahn. Длина полотна составляла 1,6 км. Поезд на магнитной подушке курсировал между тремя станциями метро по выходным дням. Проезд для пассажиров был бесплатным. После население города увеличилось практически вдвое. Потребовалось создание транспортных сетей, обладающих возможностью обеспечения высокого пассажиропотока. Именно поэтому в 1991 г. магнитное полотно было демонтировано, а на его месте началось строительство метро.

Бирмингем

В этом германском городе низкоскоростной маглев соединял с 1984 по 1995 гг. аэропорт и железнодорожную станцию. Длина магнитного пути составляла всего 600 м.

Дорога проработала десять лет и была закрыта в связи с многочисленными жалобами пассажиров на существующие неудобства. Впоследствии монорельсовый транспорт заменил маглев на этом участке.

Шанхай

Первая магнитная дорога в Берлине была построена немецкой компанией Transrapid. Неудача проекта не отпугнула разработчиков. Они продолжили свои исследования и получили заказ от китайского правительства, которое решило возвести в стране трассу-маглев. Шанхай и аэропорт «Пудун» связал этот высокоскоростной (до 450 км/ч) путь.
Дорогу длиной в 30 км открыли в 2002 г. В планах на будущее - ее продление до 175 км.

Япония

В этой стране в 2005 г. прошла выставка Expo-2005. К ее открытию была введена в эксплуатацию магнитная трасса длиной 9 км. На линии располагается девять станций. Маглев обслуживает территорию, которая прилегает к месту проведения выставки.

Маглевы считаются транспортом будущего. Уже в 2025 г. планируется открыть новую сверхскоростную трассу в такой стране, как Япония. Поезд на магнитной подушке будет перевозить пассажиров из Токио в один из районов центральной части острова. Его скорость составит 500 км/ч. Для реализации проекта понадобится около сорока пяти миллиардов долларов.

Россия

Создание высокоскоростного поезда планируется и РЖД. К 2030 г. маглев в России соединит Москву и Владивосток. Путь в 9300 км пассажиры преодолеют за 20 часов. Скорость поезда на магнитной подушке будет доходить до пятисот километров в час.

Несомненно, Шанхайский Маглев - одна из достопримечательностей Шанхая, да и всего Китая. Это первая в мире коммерческая магнитная железная дорога была введена в эксплуатацию в январе 20о4 года.

Сейчас эта 30-километровая линия соединяет со станцией метро Лун"ян Лу в районе Шанхая. Это расстояние на поезде на магнитной подушке преодолевается меньше, чем за 8 минут. Для сравнения, если ехать на , то понадобится 40 минут.

На таком поезде нужно проехать как минимум два раза - один раз наблюдая за указателем скорости, когда он достигнет максимума, а другой раз - любуясь видом из окна 🙂

Шанхайский Маглев построен по немецкой технологии. Активные разработки в этой области ведутся в основном в Японии и Германии.

Магнитная подушка. Как это работает?

Слово Маглев - сокращенно от магнитная левитация (magnetig levitation, англ.), то есть поезд как бы левитирует над полотном дороги под действием мощного электромагнитного поля.

К низу каждого вагона к стальному обхвату (4) прикреплены управляемые электронным способом электромагниты (1). Также магниты расположены в нижней части специального рельса (2). При взаимодействии магнитов поезд зависает над рельсом в одном сантиметре. Есть также магниты, отвечающие за боковое выравнивание (3). Обмотка, уложенная вдоль пути, создает магнитное поле, приводящее поезд в движение.

Поезд едет без машиниста. Управление осуществляется из центра управления с помощью компьютеров. Электрический ток подается из центра управления только на тот участок, по которому движется в данный момент поезд. Для торможения магнитное поле меняет свой вектор.

Достоинства и недостатки

"Если кто-нибудь из вас решит построить башню, то разве он не сядет сначала и не подсчитает все затраты, чтобы посмотреть, хватит ли ему средств, чтобы закончить её?" ( , Луки 14 глава 28 стих)

В этих словах заключена одна из причин, почему таких поездов не понаделали всюду.

Дорого обходится строительство и обслуживание специальной колеи. Например, строительство Шанхайского Маглева было дополнительно осложнено заболоченной местностью. Каждая опора трассы уложена на специальную бетонную подушку, упирающуюся в скальное основание. Местами такая подушка достигает 85 метров толщины! В итоге эти 30 км магнитной дороги обошлись в 10 млрд юаней.

К тому же по этой дороге уже нельзя пустить другой транспорт. Это отличает его от путей, построенных для скоростных поездов - по ним все равно могут ехать и обычные .

Теперь о приятном. Главным плюсом Маглева является, конечно, же скорость. За короткое время после старта поезд разгоняется до 430 км в час.

Сравнительно низкое потребление электроэнергии - в разы меньше, чем у автомобиля или самолета. Соответственно меньше вреда окружающей среде.

Так как сильно уменьшено трение деталей, то и затраты на эксплуатацию такого поезда меньше.

Проведенные испытания показали, что магнитное поле в поезде даже слабее, чем в обычных поездах. Значит, мощные магниты не опасны для пассажиров, в том числе с электронным стимулятором сердца.

На случай потери электропитания в поезде установлены батареи, на которых срабатывают специальные тормоза. Они создают магнитное поле с обратным вектором, и скорость поезда снижается до 10 км в час, и в конце концов поезд останавливается и опускается на рельсы.

Будущее Шанхайского Маглева

Сейчас длина маглев-пути равна 30 км. Известно о планах продлить линию до другого аэропорта Шанхая - до Хунцяо, расположенном на западе от . И дальше продлить дорогу на юго-запад до Ханчжоу. В итоге длина пути составила бы 175 км. Но пока проект заморожен до 2014 года. С 2010 года Шанхай и Ханчжоу соединила высокоскоростная железная дорога. Будут ли реализованы планы по продлению Маглева - покажет время.