Направи си сам магнитно влакче. Всичко най-интересно за маглев влаковете

Дали влаковете с магнитна левитация са транспортът на бъдещето? Как работи влакът с магнитна левитация?

Изминаха повече от двеста години от момента, в който човечеството изобрети първите парни локомотиви. Въпреки това железопътният наземен транспорт, превозващ пътници и тежки товари, използвайки силата на електричество и дизелово гориво, все още е много разпространен.

Струва си да се каже, че през всички тези години инженерите и изобретателите активно работят върху създаването на алтернативни методи за движение. Резултатът от тяхната работа бяха влакове с магнитна левитация.

История на появата

Самата идея за създаване на влакове с магнитна левитация се развива активно в началото на ХХ век. По онова време обаче не беше възможно да се реализира този проект поради редица причини. Производството на такъв влак започва едва през 1969 г. Тогава на територията на Федерална република Германия започва да се полага магнитен маршрут, по който трябваше да премине ново превозно средство, което по-късно беше наречено влак Maglev. Лансиран е през 1971 г. Първият маглев влак, наречен Transrapid-02, премина по магнитната писта.

Интересен факт е, че немски инженери произвеждат алтернативно превозно средство въз основа на записките, оставени от учения Херман Кемпер, който през 1934 г. получава патент, потвърждаващ изобретението на магнитната равнина.

Transrapid-02 трудно може да се нарече много бърз. Той можеше да се движи с максимална скорост от 90 километра в час. Капацитетът му също беше малък - само четирима души.

През 1979 г. е създаден по-усъвършенстван модел маглев. Този влак, наречен Transrapid-05, вече можеше да превозва шестдесет и осем пътници. Той се движи по линия, разположена в град Хамбург, чиято дължина е 908 метра. Максималната скорост, която този влак разви, беше седемдесет и пет километра в час.

Също през 1979 г. в Япония е пуснат друг модел на маглев. Наричаше се "ML-500". Японският влак с магнитна левитация достигна скорост до петстотин и седемнадесет километра в час.

Конкурентоспособност

Скоростта, която могат да достигнат влаковете с магнитна левитация, може да се сравни със скоростта на самолетите. В това отношение този вид транспорт може да се превърне в сериозен конкурент на тези авиокомпании, които работят на разстояние до хиляда километра. Широкото използване на маглев е възпрепятствано от факта, че те не могат да се движат по традиционните железопътни повърхности. Влаковете с магнитна левитация изискват изграждането на специални магистрали. А това изисква големи инвестиции на капитал. Смята се също, че магнитното поле, създадено за maglevs, може да повлияе негативно на човешкото тяло, което ще се отрази негативно на здравето на водача и жителите на региони, разположени в близост до такъв маршрут.

Принцип на действие

Влаковете с магнитна левитация са специален вид транспорт. Докато се движи, маглевът сякаш се носи над железопътната линия, без да я докосва. Това се случва, защото превозното средство се задвижва от силата на изкуствено създадено магнитно поле. Няма триене, когато маглевът се движи. Спирачната сила в този случай е аеродинамично съпротивление.

Как действа? Всеки от нас знае за основните свойства на магнитите от уроците по физика в шести клас. Ако два магнита се доближат един до друг със северните си полюси, те ще се отблъскват. Създава се така наречената магнитна възглавница. Когато различни полюси са свързани, магнитите ще се привличат един друг. Този доста прост принцип е в основата на движението на маглев влак, който буквално се плъзга във въздуха на кратко разстояние от релсите.

В момента вече са разработени две технологии, с помощта на които се активира магнитна възглавница или окачване. Третият е експериментален и съществува само на хартия.

Електромагнитно окачване

Тази технология се нарича EMS. Базира се на силата на електромагнитното поле, което се променя с времето. Той предизвиква левитация (издигане във въздуха) на маглев. За придвижване на влака в този случай са необходими Т-образни релси, които са направени от проводник (обикновено метал). По този начин работата на системата е подобна на конвенционалната железопътна линия. Влакът обаче има опорни и направляващи магнити вместо колесни двойки. Те са разположени успоредно на феромагнитните статори, разположени по ръба на Т-образния лист.

Основният недостатък на технологията EMS е необходимостта да се контролира разстоянието между статора и магнитите. И това въпреки факта, че зависи от много фактори, включително нестабилния характер на електромагнитното взаимодействие. За да се избегне внезапно спиране на влака, на него са монтирани специални батерии. Те са в състояние да презареждат линейни генератори, вградени в опорните магнити, и по този начин да поддържат процеса на левитация за дълго време.

Спирането на влаковете по технологията EMS се осъществява от нискоускоряващ синхронен линеен двигател. Представлява се от опорни магнити, както и пътна настилка, над която се носи магнитът. Скоростта и тягата на влака могат да се регулират чрез промяна на честотата и силата на генерирания променлив ток. За да се забави, е достатъчно да се промени посоката на магнитните вълни.

Електродинамично окачване

Има технология, при която движението на маглев става чрез взаимодействието на две полета. Единият от тях е създаден на магистралата, а вторият на борда на влака. Тази технология се нарича EDS. На негова база е построен японският магнитен левитационен влак JR-Maglev.

Тази система има някои разлики от EMS, където се използват конвенционални магнити, към които електрическият ток се подава от намотки само когато е приложено захранване.

EDS технологията предполага постоянно снабдяване с електроенергия. Това се случва дори ако захранването е изключено. Намотките на такава система са оборудвани с криогенно охлаждане, което позволява спестяване на значителни количества електроенергия.

Предимства и недостатъци на технологията EDS

Положителната страна на системата, работеща с електродинамично окачване, е нейната стабилност. Дори леко намаляване или увеличаване на разстоянието между магнитите и платното се регулира от силите на отблъскване и привличане. Това позволява на системата да остане в непроменено състояние. С тази технология не е необходимо да се инсталира електроника за управление. Няма нужда от устройства за регулиране на разстоянието между острието и магнитите.

EDS технологията има някои недостатъци. По този начин сила, достатъчна да левитира влака, може да възникне само при висока скорост. Ето защо маглевите са оборудвани с колела. Те осигуряват движението им със скорост до сто километра в час. Друг недостатък на тази технология е силата на триене, която възниква отзад и отпред на отблъскващите магнити при ниски скорости.

Поради силното магнитно поле трябва да се постави специална защита в пътническата част. В противен случай е забранено да пътува човек с електронен пейсмейкър. Защита е необходима и за магнитни носители за съхранение (кредитни карти и твърди дискове).

Технология в процес на разработка

Третата система, която засега съществува само на хартия, е използването на постоянни магнити във версия EDS, които не изискват енергия, за да бъдат активирани. Съвсем наскоро се смяташе, че това е невъзможно. Изследователите смятат, че постоянните магнити нямат силата да накарат влак да левитира. Този проблем обаче беше избегнат. За да се реши този проблем, магнитите бяха поставени в „матрица на Халбах“. Това разположение води до създаването на магнитно поле не под масива, а над него. Това помага да се поддържа левитация на влака дори при скорост от около пет километра в час.

Този проект все още не е реализиран на практика. Това се обяснява с високата цена на масивите от постоянни магнити.

Предимства на маглевите

Най-привлекателният аспект на влаковете с магнитна левитация е перспективата те да постигат високи скорости, което ще позволи на маглевите да се конкурират дори с реактивни самолети в бъдеще. Този вид транспорт е доста икономичен по отношение на потреблението на електроенергия. Разходите за експлоатацията му също са ниски. Това става възможно поради липсата на триене. Ниският шум на маглевите също е приятен, което ще има положителен ефект върху екологичната ситуация.

недостатъци

Недостатъкът на маглевите е, че необходимото количество за създаването им е твърде голямо. Разходите за поддръжка на релсите също са високи. В допълнение, разглежданият тип транспорт изисква сложна система от писти и свръхпрецизни инструменти, които контролират разстоянието между пътната настилка и магнитите.

Реализация на проекта в Берлин

Струва си да се каже, че през всички тези години инженерите и изобретателите активно работят върху създаването на алтернативни методи за движение. Резултатът от работата им бяха влакове с магнитна левитация.

История на появата

Самата идея за създаване на влакове с магнитна левитация се развива активно в началото на ХХ век. По онова време обаче не беше възможно да се реализира този проект поради редица причини. Производството на такъв влак започва едва през 1969 г. Тогава на територията на Федерална република Германия започва да се полага магнитен маршрут, по който трябваше да премине ново превозно средство, което по-късно беше наречено влак Maglev. Пуснат е през 1971 г. Първият маглев влак, наречен Transrapid-02, преминава по магнитния маршрут.

Конкурентоспособност

Скоростта, която могат да достигнат влаковете с магнитна левитация, може да се сравни със скоростта на самолетите. В това отношение този вид транспорт може да се превърне в сериозен конкурент на тези авиокомпании, които работят на разстояние до хиляда километра. Широкото използване на маглев е възпрепятствано от факта, че те не могат да се движат по традиционните железопътни повърхности. Влаковете с магнитна левитация изискват изграждането на специални магистрали. А това изисква големи инвестиции на капитал. Смята се също, че магнитното поле, създадено за maglevs, може да повлияе негативно на човешкото тяло, което ще се отрази негативно на здравето на водача и жителите на региони, разположени в близост до такъв маршрут.

Принцип на действие

Електромагнитно окачване

Електродинамично окачване

Предимства и недостатъци на технологията EDS

Технология в процес на разработка

Предимства на маглевите

недостатъци

Реализация на проекта в Берлин

В столицата на Германия през 1980 г. е открита първата система от маглев тип, наречена M-Bahn. Дължината на пътя беше 1,6 км. Влакът с магнитна левитация се движи между три метростанции през почивните дни. Пътуването за пътниците беше безплатно. След падането на Берлинската стена населението на града почти се удвоява. Беше необходимо да се създадат транспортни мрежи, способни да осигурят голям пътникопоток. Ето защо през 1991 г. магнитната лента е демонтирана и на нейно място започва изграждането на метрото.

Бирмингам

В този германски град нискоскоростният маглев е свързан от 1984 до 1995 г. летище и жп гара. Дължината на магнитния път беше само 600 m.

Пътят работи десет години и беше затворен поради множество оплаквания от пътници за съществуващото неудобство. Впоследствие монорелсовият транспорт замени маглев в този участък.

Шанхай

Първата магнитна железница в Берлин е построена от немската компания Transrapid. Провалът на проекта не възпря разработчиците. Те продължиха проучването си и получиха поръчка от китайското правителство, което реши да построи маглев писта в страната. Шанхай и летище Пудонг са свързани с този високоскоростен (до 450 км/ч) маршрут.

Пътят с дължина 30 км е открит през 2002 г. Бъдещите планове включват разширяването му до 175 км.

Япония

Тази страна беше домакин на изложбата Expo-2005 през 2005 г. За откриването му беше пусната в експлоатация магнитна писта с дължина 9 км. Има девет станции по линията. Maglev обслужва района в близост до изложбената зала.

Maglevs се смятат за транспорта на бъдещето. Още през 2025 г. се планира да бъде открита нова супермагистрала в страна като Япония. Влакът с магнитна левитация ще превозва пътници от Токио до една от зоните в централната част на острова. Скоростта му ще бъде 500 км/ч. Проектът ще изисква около четиридесет и пет милиарда долара.

Av. Людмила Фролова 19 януари 2015 г. http://fb.ru/article/165360/po...

Японски влак магнитоплан отново подобри скоростен рекорд

Влакът ще измине разстояние от 280 километра само за 40 минути.

Японски влак с магнитна левитация или маглев подобри собствения си рекорд за скорост, достигайки 603 км/ч по време на тестове близо до Фуджи.

Предишният рекорд - 590 км/ч, беше поставен от него миналата седмица.

JR Central, която притежава влаковете, има за цел те да бъдат пуснати по маршрута Токио-Нагоя до 2027 г.

Влакът ще измине разстояние от 280 километра само за 40 минути.

В същото време, според ръководството на компанията, те няма да превозват пътници с максимална скорост: тя ще ускорява „само“ до 505 км/ч. Но това също е значително по-високо от скоростта на най-бързия японски влак днес, Shinkansen, който изминава разстояние от 320 км за час.

На пътниците няма да се показват рекорди за скорост, но повече от 500 км/ч ще им бъдат достатъчни

Цената на изграждането на скоростен път до Нагоя ще бъде почти 100 милиарда долара, поради факта, че повече от 80% от маршрута ще минава през тунели.

До 2045 г. се очаква влаковете Maglev да пътуват от Токио до Осака само за час, намалявайки времето за пътуване наполовина.

Около 200 ентусиасти се събраха, за да наблюдават тестовете на влака-стрела.

„Настръхвам, наистина искам да се возя на този влак“, каза един от зрителите пред телевизия NHK. „Сякаш се отвори нова страница от историята“.

„Колкото по-бързо се движи влакът, толкова по-стабилен е той, така че по мое мнение качеството на возене се е подобрило“, казва Ясуказу Ендо, ръководител на изследванията в JR Central.

Нови влакове ще бъдат пуснати по маршрута Токио-Нагоя до 2027 г

Япония отдавна има мрежа от високоскоростни пътища върху стоманени релси, наречени Шинкансен. Въпреки това, инвестирайки в нова технология за влак с магнитна левитация, японците се надяват да могат да я изнасят в чужбина.

Очаква се по време на посещението си в САЩ японският премиер Шиндзо Абе да предложи помощ за изграждането на високоскоростна магистрала между Ню Йорк и Вашингтон.

За други публикации от поредицата „Усъвършенстван високоскоростен транспорт“ и „Усъвършенстван местен транспорт“ вижте:

Свръхзвуков вакуумен "влак" - Hyperloop. От поредицата "Усъвършенстван високоскоростен транспорт."

Серия „Обещаващ местен транспорт“. Нов електрически влак EP2D

Видео бонус

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

1. Цел

Магнитно левитационно влакчеили маглев(от англ. magnetic levitation, т.е. “maglev” - магнитен самолет) е магнитно окачен влак, задвижван и управляван от магнитни сили, предназначен за превоз на хора (фиг. 1). Отнася се за технологията на пътническия транспорт. За разлика от традиционните влакове, той не докосва повърхността на релсата по време на движение.

2. Основни части (устройство) и тяхното предназначение

Има различни технологични решения при разработването на този дизайн (вижте параграф 6). Нека разгледаме принципа на работа на магнитната левитация на влака Transrapid с помощта на електромагнити ( електромагнитно окачване, EMS) (фиг. 2).

Електронно управляваните електромагнити (1) са прикрепени към металната „пола“ на всяка кола. Те взаимодействат с магнити от долната страна на специална релса (2), карайки влака да се рее над релсата. Други магнити осигуряват странично подравняване. По протежение на коловоза е положена намотка (3), която създава магнитно поле, което привежда влака в движение (линеен двигател).

3. Принцип на действие

Принципът на работа на влак Maglev се основава на следните физични явления и закони:

явление и закон на електромагнитната индукция от М. Фарадей

Правилото на Ленц

Закон на Био-Савар-Лаплас

През 1831 г. английският физик Майкъл Фарадей открива закон на електромагнитната индукция, според която промяна в магнитния поток вътре в проводяща верига възбужда електрически ток в тази верига дори при липса на източник на енергия във веригата. Въпросът за посоката на индукционния ток, оставен отворен от Фарадей, скоро е решен от руския физик Емилий Кристианович Ленц.

Нека разгледаме затворена кръгова тоководеща верига без свързана батерия или друг източник на захранване, в която със северния полюс е вкаран магнит. Това ще увеличи магнитния поток, преминаващ през контура, и според закона на Фарадей в контура ще се появи индуциран ток. Този ток от своя страна, според закона на Био-Сава, ще генерира магнитно поле, чиито свойства не се различават от свойствата на полето на обикновен магнит със северен и южен полюс. Ленц току-що успя да разбере, че индуцираният ток ще бъде насочен по такъв начин, че северният полюс на магнитното поле, генерирано от тока, ще бъде ориентиран към северния полюс на задвижвания магнит. Тъй като силите на взаимно отблъскване действат между двата северни полюса на магнитите, индукционният ток, индуциран във веригата, ще тече точно в посоката, която ще противодейства на въвеждането на магнита във веригата. И това е само частен случай, но в обобщена формулировка правилото на Ленц гласи, че индуцираният ток винаги е насочен така, че да противодейства на първопричината, която го е причинила.

Правилото на Ленц е точно това, което се използва днес във влаковете с магнитна левитация. Под дъното на вагона на такъв влак са монтирани мощни магнити, разположени на няколко сантиметра от стоманения лист (фиг. 3). Когато влакът се движи, магнитният поток, преминаващ през контура на коловоза, непрекъснато се променя и в него възникват силни индукционни токове, създаващи мощно магнитно поле, което отблъсква магнитното окачване на влака (подобно на това как възникват сили на отблъскване между контура и магнита в експеримента, описан по-горе). Тази сила е толкова голяма, че след като набере известна скорост, влакът буквално се издига от коловоза с няколко сантиметра и всъщност лети във въздуха.

Съставът левитира поради отблъскването на еднакви полюси на магнити и, обратно, привличането на различни полюси. Създателите на влака TransRapid (фиг. 1) са използвали неочаквана схема на магнитно окачване. Те не използваха отблъскването на едноименните полюси, а привличането на противоположните полюси. Окачването на товар над магнит не е трудно (тази система е стабилна), но под магнит е почти невъзможно. Но ако вземете контролиран електромагнит, ситуацията се променя. Системата за управление поддържа разстоянието между магнитите постоянно от няколко милиметра (фиг. 3). С увеличаването на разстоянието системата увеличава силата на тока в поддържащите магнити и по този начин „дърпа“ колата; при намаляване токът намалява и празнината се увеличава. Схемата има две сериозни предимства. Магнитните елементи на коловоза са защитени от атмосферни влияния, а полето им е значително по-слабо поради малката междина между коловоза и влака; изисква много по-ниски токове. Следователно влак с този дизайн се оказва много по-икономичен.

Влакът се движи напред линеен двигател. Такъв двигател има ротор и статор, опънати на ленти (в конвенционален електродвигател те се навиват на пръстени). Намотките на статора се включват последователно, създавайки движещо се магнитно поле. Статорът, монтиран на локомотива, се изтегля в това поле и движи целия влак (фиг. 4, 5). . Ключовият елемент на технологията е смяната на полюсите на електромагнитите чрез последователно подаване и отвеждане на ток с честота 4000 пъти в секунда. За да се постигне надеждна работа, разстоянието между статора и ротора не трябва да надвишава пет милиметра. Това е трудно постижимо поради люлеенето на автомобилите по време на движение, което е характерно за всички видове монорелсови пътища, с изключение на пътищата със странично окачване, особено при завой. Следователно е необходима идеална пистова инфраструктура.

Стабилността на системата се осигурява чрез автоматично регулиране на тока в намотките за намагнитване: сензорите постоянно измерват разстоянието от влака до коловоза и напрежението на електромагнитите се променя съответно (фиг. 3). Свръхбързите системи за управление контролират разстоянието между пътя и влака.

А

ориз. 4. Принципът на движение на влак с магнитна левитация (EMS технология)

Единствената спирачна сила е силата на аеродинамично съпротивление.

И така, диаграмата на движение на влак maglev: под вагона са монтирани поддържащи електромагнити, а на релсата са монтирани намотки на линеен електродвигател. Когато те взаимодействат, възниква сила, която повдига колата над пътя и я дърпа напред. Посоката на тока в намотките непрекъснато се променя, превключвайки магнитните полета, докато влакът се движи.

Поддържащите магнити се захранват от бордови батерии (фиг. 4), които се зареждат на всяка станция. Токът се подава към линейния електродвигател, който ускорява влака до скоростта на самолета, само в участъка, по който се движи влакът (фиг. 6 а). Достатъчно силно магнитно поле на състава ще индуцира ток в намотките на пистата, а те от своя страна създават магнитно поле.

ориз. 6. а Принципът на движение на влак с магнитна левитация

Когато влакът увеличава скоростта или се движи нагоре, енергията се доставя с по-голяма мощност. Ако трябва да намалите скоростта или да шофирате в обратна посока, магнитното поле променя вектора.

Вижте видеоклиповете " Закон за електромагнитната индукция», « Електромагнитна индукция» « Опитите на Фарадей».

ориз. 6. b Кадри от видео фрагменти „Законът за електромагнитната индукция“, „Електромагнитна индукция“, „Опитите на Фарадей“.

Магнитоплан или Maglev (от английски magnetic levitation) е влак на магнитно окачване, задвижван и управляван от магнитни сили. Такъв влак, за разлика от традиционните влакове, не докосва повърхността на релсата по време на движение. Тъй като има празнина между влака и движещата се повърхност, триенето се елиминира и единствената спирачна сила е силата на аеродинамично съпротивление.

Скоростта, която се постига от Maglev, е сравнима със скоростта на самолет и му позволява да се конкурира с въздушните комуникации на къси (за авиацията) разстояния (до 1000 км). Въпреки че идеята за такъв транспорт не е нова, икономически и технически ограничения са попречили да бъде напълно разработена: технологията е прилагана за обществено ползване само няколко пъти. В момента Maglev не може да използва съществуващата транспортна инфраструктура, въпреки че има проекти с местоположението на магнитни пътни елементи между релсите на конвенционална железопътна линия или под магистралата.

В момента има 3 основни технологии за магнитно окачване на влакове:

1. На свръхпроводящи магнити (електродинамично окачване, EDS).

„Железницата на бъдещето“, създадена в Германия, преди това предизвика протести от жителите на Шанхай. Но този път властите, изплашени от демонстрации, заплашващи да доведат до големи безредици, обещаха да се справят с влаковете. За да спрат демонстрациите своевременно, властите дори окачиха видеокамери на местата, където най-често се случват масови протести. Китайската тълпа е много организирана и подвижна, може да се събере за секунди и да се превърне в демонстрация с лозунги.

Това са най-големите публични демонстрации в Шанхай след антияпонските маршове през 2005 г. Това не е първият протест, предизвикан от опасенията на Китай за влошаващата се околна среда. Миналото лято тълпи от хиляди демонстранти принудиха правителството да отложи строителството на химическия комплекс.