Магнітний поїзд власноруч. Найцікавіше про поїзди на магнітному підвісі

Потяги на магнітних подушках – це транспорт майбутнього? Як працює поїзд на магнітній подушці?

Вже понад двісті років минуло з того моменту, коли людство винайшло перші паровози. Проте досі залізничний наземний транспорт, який перевозить пасажирів та великовагові вантажі за допомогою сили електрики та дизельного палива, дуже поширений.

Всі ці роки інженери-винахідники активно працювали над створенням альтернативних способів переміщення. Результатом їхньої праці стали поїзди на магнітних подушках.

Історія появи

Сама ідея створити поїзди на магнітних подушках активно розроблялася ще на початку ХХ століття. Проте втілити цей проект на той час із низки причин так і не вдалося. До виготовлення подібного поїзда почали лише 1969 р. Саме тоді на території ФРН почали укладати магнітну трасу, якою мав пройти новий транспортний засіб, який згодом назвали так: потяг-маглів. Запущено воно було 1971 року. Магнітною трасою пройшов перший поїзд-маглів, який називався «Трансрапід-02».

Цікавим є той факт, що німецькі інженери виготовляли альтернативний транспортний засіб на підставі тих записів, які залишив вчений Герман Кемпер, який ще в 1934 р. отримав патент, що підтверджував винахід магнітоплану.

«Трансрапід-02» важко назвати дуже швидким. Він міг переміщатися з максимальною швидкістю 90 кілометрів на годину. Низька була і його місткість – всього чотири людини.

1979 року створили більш удосконалену модель магльова. Цей потяг, що зветься «Трансрапід-05», міг перевозити вже шістдесят вісім пасажирів. Переміщався він по лінії, розташованій у місті Гамбурзі, довжина якої становила 908 метрів. Максимальна швидкість, яку розвивав цей поїзд, дорівнювала сімдесяти п'яти кілометрам на годину.

У тому ж 1979 р. у Японії було випущено іншу модель маглева. Її назвали "МЛ-500". Японський поїзд на магнітній подушці розвивав швидкість до п'ятисот сімнадцяти кілометрів на годину.

Конкурентоспроможність

Швидкість, яку можуть розвинути поїзди на магнітних подушках, можна порівняти зі швидкістю літаків. У зв'язку з цим цей вид транспорту може стати серйозним конкурентом для тих повітряних авіаліній, які працюють на відстані до тисячі кілометрів. Повсюдному застосуванню маглевів перешкоджає той факт, що переміщатися традиційними залізничними покриттями вони не можуть. Потяги на магнітних подушках потребують побудови спеціальних магістралей. А це потребує великих вкладень капіталу. Вважається також, що магнітне поле, що створюється для маглевів, здатне негативно впливати на організм людини, що негативно позначиться на здоров'ї машиніста і жителів регіонів, що знаходяться неподалік такої траси.

Принцип роботи

Поїзди на магнітних подушках є особливим різновидом транспорту. Під час руху маглів ніби ширяє над залізничним полотном, не торкаючись його. Це відбувається через те, що транспортний засіб керується силою штучно створеного магнітного поля. Під час руху магльова відсутнє тертя. Гальмівною силою при цьому є аеродинамічний опір.

Як це працює? Про те, які базові властивості мають магніти, кожному з нас відомо з уроків фізики шостого класу. Якщо два магніти піднести один до одного північними полюсами, то вони відштовхуватимуться. Створюється так звана магнітна подушка. При поєднанні різних полюсів магніти притягнуться один до одного. Цей досить простий принцип лежить в основі руху потяга-маглева, який буквально ковзає повітрям на незначній відстані від рейок.

В даний час вже розроблено дві технології, за допомогою яких приводиться в дію магнітна подушка або підвіс. Третя є експериментальною і існує лише на папері.

Електромагнітний підвіс

Ця технологія називається EMS. В її основі лежить сила електромагнітного поля, що змінюється у часі. Вона і викликає левітацію (підйом у повітрі) магльова. Для руху поїзда у разі необхідні Т-образные рейки, які виконуються з провідника (зазвичай, з металу). Цим робота системи схожа на звичайну залізницю. Однак у поїзді замість колісних пар встановлені опорні та напрямні магніти. Їх мають паралельно феромагнітним статорам, що знаходяться по краю Т-подібного полотна.

Основним недоліком технології EMS є необхідність контролю за відстанню між статором і магнітами. І це при тому, що воно залежить від безлічі факторів, у тому числі від непостійної природи електромагнітної взаємодії. Щоб уникнути раптової зупинки поїзда, на ньому встановлюються спеціальні батареї. Вони здатні заряджати лінійні генератори, вбудовані в опорні магніти, і цим досить довго підтримувати процес левітації.

Гальмування поїздів, створених на базі технології EMS, здійснює синхронний лінійний двигун низького прискорення. Він представлений опорними магнітами, а також дорожнім полотном, над яким ширяє маглів. Швидкість та тягу складу можна регулювати зміною частоти та сили створюваного змінного струму. Для уповільнення ходу достатньо змінити напрямок магнітних хвиль.

Електродинамічний підвіс

Існує технологія, коли рух магльова відбувається при взаємодії двох полів. Одне створюється в полотні магістралі, а друге – на борту складу. Ця технологія одержала назву EDS. На її базі побудований японський поїзд на магнітній подушці JR-Maglev.

Така система має деякі відмінності від EMS, де використовуються звичайні магніти, до яких від котушок підводиться електричний струм тільки при подачі живлення.

Технологія EDS має на увазі постійне надходження електрики. Це відбувається навіть у тому випадку, якщо джерело живлення вимкнено. У котушках такої системи встановлено кріогенне охолодження, що дозволяє заощаджувати значні обсяги електроенергії.

Переваги та недоліки технології EDS

Позитивною стороною системи, що працює на електродинамічному підвісі, є її стабільність. Навіть незначне скорочення або збільшення відстані між магнітами та полотном регулюється силами відштовхування та тяжіння. Це дозволяє системі перебувати у незмінному стані. За даної технології відсутня необхідність встановлення електроніки для контролю. Не потрібні й прилади для регулювання відстані між полотном та магнітами.

Технологія EDS має деякі недоліки. Так, сила, достатня для левітації складу, може виникнути лише великій швидкості. Саме тому маглеви оснащують колесами. Вони забезпечують їхній рух при швидкості до ста кілометрів на годину. Ще одним недоліком даної технології є сила тертя, що виникає в задній і передній частині магнітів, що відштовхують, при низькому значенні швидкості.

Через сильне магнітне поле в секції, призначеній для пасажирів, необхідна установка спеціального захисту. А якщо ні, то людині з електронним стимулятором серця подорожувати заборонено. Захист необхідний і для магнітних носіїв інформації (кредитних карток та HDD).

Технологія, що розробляється

Третьою системою, яка зараз існує лише на папері, є використання у варіанті EDS постійних магнітів, які для активації не потребують подачі енергії. Ще нещодавно вважалося, що це неможливо. Дослідники вважали, що постійні магніти не мають такої сили, яка здатна викликати левітацію поїзда. Однак цієї проблеми вдалося уникнути. Для її вирішення магніти помістили в масив Хальбаха. Подібне розташування призводить до створення магнітного поля не під масивом, а над ним. Це сприяє підтримці левітації складу навіть на швидкості близько п'яти кілометрів на годину.

Практичної реалізації цей проект наразі не отримав. Це високою вартістю масивів, виконаних із постійних магнітів.

Переваги маглевів

Найбільш привабливою стороною поїздів на магнітній подушці є перспектива досягнення ними високих швидкостей, які дозволять магльям у майбутньому конкурувати навіть із реактивними літаками. Цей вид транспорту досить економічний за рівнем споживаної електроенергії. Невеликі витрати та на його експлуатацію. Це стає можливим через відсутність тертя. Тішить і низький шум маглевів, що позитивно позначиться на екологічній обстановці.

Недоліки

Негативною стороною маглів є занадто велика сума, необхідна для їх створення. Високі витрати та обслуговування колії. Крім того, для розглянутого виду транспорту потрібна складна система шляхів та надточні прилади, що контролюють відстань між полотном та магнітами.

Реалізація проекту у Берліні

Всі ці роки інженери-винахідники активно працювали над створенням альтернативних способів переміщення. Результатом їхньої праці стали поїзди на магнітних подушках.

Історія появи

Сама ідея створити поїзди на магнітних подушках активно розроблялася ще на початку ХХ століття. Проте втілити цей проект на той час із низки причин так і не вдалося. До виготовлення подібного поїзда почали лише 1969 р. Саме тоді на території ФРН почали укладати магнітну трасу, якою мав пройти новий транспортний засіб, який згодом назвали так: потяг-маглів. Запущено воно було в 1971 р. магнітною трасою пройшов перший поїзд-маглів, який називався «Трансрапід-02».

У 1979 р. створили більш удосконалену модель маглєва. Цей потяг, що зветься «Трансрапід-05», міг перевозити вже шістдесят вісім пасажирів. Переміщався він по лінії, розташованій у місті Гамбурзі, довжина якої становила 908 метрів. Максимальна швидкість, яку розвивав цей поїзд, дорівнювала сімдесяти п'яти кілометрам на годину.

Конкурентоспроможність

Швидкість, яку можуть розвинути поїзди на магнітних подушках, можна порівняти зі швидкістю літаків. У зв'язку з цим цей вид транспорту може стати серйозним конкурентом для тих повітряних авіаліній, які працюють на відстані до тисячі кілометрів. Повсюдному застосуванню маглевів перешкоджає той факт, що переміщатися традиційними залізничними покриттями вони не можуть. Потяги на магнітних подушках потребують побудови спеціальних магістралей. А це потребує великих вкладень капіталу. Вважається також, що магнітне поле, що створюється для маглевів, здатне негативно впливати на організм людини, що негативно позначиться на здоров'ї машиніста і жителів регіонів, що знаходяться неподалік такої траси.

Принцип роботи

Електромагнітний підвіс

Електродинамічний підвіс

Існує технологія, коли рух маглеву відбувається при взаємодії двох полів. Одне створюється в полотні магістралі, а друге – на борту складу. Ця технологія одержала назву EDS. На її базі побудований японський поїзд на магнітній подушці JR-Maglev.

Переваги та недоліки технології EDS

Технологія EDS має деякі недоліки. Так, сила, достатня для левітації складу, може виникнути тільки великій швидкості. Саме тому маглеви оснащують колесами. Вони забезпечують їхній рух при швидкості до ста кілометрів на годину. Ще одним недоліком даної технології є сила тертя, що виникає в задній і передній частині магнітів, що відштовхують, при низькому значенні швидкості.

Технологія, що розробляється

Переваги маглевів

Недоліки

Реалізація проекту у Берліні

У столиці Німеччини у 1980 роках відбулося відкриття першої системи типу маглів під назвою M-Bahn. Довжина полотна складала 1,6 км. Потяг на магнітній подушці курсував між трьома станціями метро у вихідні дні. Проїзд пасажирів був безкоштовним. Після падіння Берлінського муру населення міста збільшилося практично вдвічі. Потрібно було створення транспортних мереж, що володіють можливістю забезпечення високого пасажиропотоку. Саме тому 1991 р. магнітне полотно було демонтовано, а на його місці почалося будівництво метро.

Бірмінгем

У цьому німецькому місті низькошвидкісний маглів з'єднував з 1984 по 1995 роки. аеропорт та залізничну станцію. Довжина магнітного шляху становила лише 600 м.

Дорога пропрацювала десять років і була закрита через численні скарги пасажирів на існуючі незручності. Згодом монорейковий транспорт замінив маглів на цій ділянці.

Шанхай

Перша магнітна дорога в Берліні була збудована німецькою компанією Transrapid. Невдача проекту не відлякала розробників. Вони продовжили свої дослідження та отримали замовлення від китайського уряду, який вирішив звести в країні трасу-маглів. Шанхай та аеропорт «Пудун» зв'язав цей високошвидкісний (до 450 км/год) шлях.

Дорогу завдовжки 30 км відкрили 2002 р. У планах майбутнє – її продовження до 175 км.

Японія

У цій країні у 2005 р. відбулася виставка Expo-2005. До її відкриття було введено в експлуатацію магнітна траса завдовжки 9 км. На лінії розміщується дев'ять станцій. Маглєв обслуговує територію, яка прилягає до місця проведення виставки.

Маглеви вважаються транспортом майбутнього. Вже 2025 р. планується відкрити нову надшвидкісну трасу в такій країні, як Японія. Потяг на магнітній подушці перевозитиме пасажирів із Токіо до одного з районів центральної частини острова. Його швидкість становитиме 500 км/год. Для реалізації проекту знадобиться близько сорока п'яти мільярдів доларів.

Ав. Людмила Фролова January 19, 2015 http://fb.ru/article/165360/po...

Японський потяг-магнітоплан знову побив рекорд швидкості

Відстань 280 кілометрів поїзд долатиме всього 40 хвилин

Японський поїзд на магнітній подушці, або маглів, побив власний рекорд швидкості, розігнавшись до 603 км/год під час випробувань поблизу Фудзіями.

Попередній рекорд – 590км/год – був поставлений ним минулого тижня.

Компанія JR Central, до якої належать ці склади, має намір випустити їх на маршрут Токіо-Нагоя до 2027 року.

Відстань у 280 кілометрів потяг долатиме лише за 40 хвилин.

При цьому, за словами керівництва компанії, возитимуть пасажирів на максимальній швидкості: він розганятиметься "лише" до 505 км/год. Але і це помітно вище, ніж швидкість найшвидшого на сьогоднішній день японського поїзда "Сінкансен", що покриває за годину відстань у 320 км.

Пасажирам рекорди швидкості не демонструватимуть, але 500 з лишком км/год їм вистачить за очі

Вартість будівництва швидкісної магістралі до Нагої становитиме майже 100 млрд доларів, це пояснюється тим, що понад 80% шляху пролягатиме тунелями.

Очікується, що до 2045 року поїзди маглів долатимуть відстань від Токіо до Осаки всього за годину, скоротивши час у дорозі вдвічі.

Поспостерігати за випробуваннями надшвидкісного поїзда зібралося близько 200 ентузіастів.

"У мене аж мурашки по шкірі, так хочеться якнайшвидше покататися на цьому поїзді, - заявила телекомпанії NHK одна з глядачок. - Для мене ніби відкрилася нова сторінка історії".

"Чим швидше рухається поїзд, тим більше він стійкий, так що якість поїздки, на мій погляд, покращилася", - пояснює глава дослідницького відділу компанії JR Central Ясукадзу Ендо.

Нові поїзди вийдуть на маршрут Токіо-Нагоя до 2027 року

У Японії вже давно існує мережа високошвидкісних доріг на залізницях "Сінкансен". Однак, інвестуючи в нову технологію поїздів на магнітній подушці, японці сподіваються, що зможуть експортувати її за кордон.

Очікується, що під час візиту до США прем'єр-міністр Японії Сіндзо Абе виступить із пропозицією допомоги у будівництві високошвидкісної магістралі між Нью-Йорком та Вашингтоном.

Інші пости в рамках серії "Перспективний високоростний транспорт" та "Перспективний місцевий транспорт" див.

Надзвуковий вакуумний потяг - Hyperloop. Із серії "Перспективний високошвидкісний транспорт."

Серія "Перспективний місцевий транспорт". Новий електропоїзд ЕП2Д

Відео-бонус

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

1. Призначення

Поїзд магнітною подушкоюабо магльов(Від англ. Magnetic levitation, тобто «maglev» - магнітоплан) - це поїзд на магнітному підвісі, рухомий і керований магнітними силами, призначений для перевезення людей (рис. 1). Відноситися до техніки пасажирського транспорту. На відміну від традиційних поїздів, у процесі руху не стосується поверхні рейки .

2. Основні частини (пристрій) та їх призначення

Існують різні технологічні рішення у розробці даної конструкції (див. п.6). Розглянемо принцип дії магнітної подушки поїзда «Трансрапід» на електромагнітах ( електромагнітна підвіска, EMS) (рис. 2).

Електронно-керовані електромагніти (1) прикріплені до металевої спідниці кожного вагона. Вони взаємодіють із магнітами на нижній стороні спеціальної рейки (2), внаслідок чого поїзд зависає над рейкою. Інші магніти забезпечують бічне вирівнювання. Уздовж шляху укладена обмотка (3), яка створює магнітне поле, що приводить поїзд у рух (лінійний двигун).

3. Принцип дії

В основі принципу дії поїзда на магнітному підвісі лежать такі фізичні явища та закони:

явище та закон електромагнітної індукції М. Фарадея

правило Ленца

закон Біо-Савара-Лапласа

1831 року англійський фізик Майкл Фарадей відкрив закон електромагнітної індукції, згідно якому зміна магнітного потоку всередині провідного контуру збуджує в цьому контурі електричний струм навіть за відсутності в контурі джерела живлення. Залишене Фарадеєм відкритим питання про спрямування індукційного струму невдовзі вирішив російський фізик Емілій Християнович Ленц.

Розглянемо замкнутий круговий струмопровідний контур без підключеної батареї або іншого джерела живлення, в яке північним полюсом починають вводити магніт. Це призведе до збільшення магнітного потоку, що проходить через контур, і, згідно із законом Фарадея, у контурі виникне індукований струм. Цей струм, у свою чергу, згідно із законом Біо-Савара генеруватиме магнітне поле, властивості якого нічим не відрізняються від властивостей поля звичайного магніту з північним та південним полюсами. Ленцу якраз і вдалося з'ясувати, що індукований струм буде спрямований таким чином, що північний полюс магнітного поля, що генерується струмом, буде орієнтований у бік північного полюса магніту, що всувається. Оскільки між двома північними полюсами магнітів діють сили взаємного відштовхування, наведений у контурі індукційний струм потече саме в такому напрямку, що протидіятиме введення магніту в контур. І це лише окремий випадок, а в узагальненому формулюванні правило Ленца говорить, що індукційний струм завжди спрямований так, щоб протидіяти першопричині, що викликала його.

Правило Ленца сьогодні якраз і використовується у поїзді на магнітній подушці. Під дном вагона такого поїзда змонтовані потужні магніти, розташовані за лічені сантиметри від сталевого полотна (рис. 3). При русі поїзда магнітний потік, що проходить через контур полотна, постійно змінюється, і в ньому виникають сильні індукційні струми, що створюють потужне магнітне поле, що відштовхує магнітну підвіску поїзда (аналогічно тому, як виникають відштовхування сили між контуром і магнітом в вищеописаному досвіді). Сила ця настільки велика, що, набравши деяку швидкість, поїзд буквально відривається від полотна на кілька сантиметрів і фактично летить по повітрю.

Склад левітує рахунок відштовхування однакових полюсів магнітів і, навпаки, притягування різних полюсів. Творці поїзда «Трансрапід» (рис.1) застосували несподівану схему магнітної підвіски. Вони використовували не відштовхування однойменних полюсів, а притягування різноїменних. Підвісити вантаж над магнітом нескладно (ця система стійка), а під магнітом практично неможливо. Але якщо взяти керований електромагніт, ситуація змінюється. Система контролю зберігає величину зазору між магнітами постійної кілька міліметрів (рис. 3). При збільшенні зазору система підвищує силу струму в несучих магнітах і таким чином підтягує вагон; при зменшенні - знижує силу струму і зазор збільшується. Схема має дві серйозні переваги. Дорожні магнітні елементи захищені від кліматичних впливів, а їх поле значно слабше за рахунок малого зазору між шляхом і складом; воно вимагає струмів набагато меншої сили. Отже, поїзд такої конструкції виявляється набагато економічнішим.

Рух поїзда вперед здійснюється лінійним двигуном. Такий двигун має ротор і статор, розтягнуті у смуги (у звичайному електромоторі вони згорнуті у кільця). Обмотки статора включаються по черзі, створюючи магнітне поле, що біжить. Статор, укріплений на локомотиві, втягується в поле і рухає весь склад (рис. 4, 5). . Ключовим елементом технології є зміна полюсів на електромагнітах шляхом поперемінної подачі та зняття струму з частотою 4000 разів на секунду. Зазор між статором та ротором для отримання надійної роботи не повинен перевищувати п'яти міліметрів. Це важко досягти через властиву всім типам монорейкових доріг, крім доріг з бічною підвіскою, розгойдування вагонів під час руху, особливо при проходженні поворотів. Тому потрібна ідеальна колійна інфраструктура.

Стійкість системи забезпечується автоматичним регулюванням струму в обмотках намагнічування: датчики постійно заміряють відстань від поїзда до колії і відповідно змінюється напруга на електромагнітах (рис. 3). Надшвидкодіючі системи управління контролюють зазор між дорогою та поїздом.

а

Мал. 4. Принцип руху поїзда на магнітному підвісі (технологія EMS)

Єдиною силою, що гальмує, є сила аеродинамічного опору.

Отже, схема руху поїзда на магнітній підвісці: під вагоном встановлені електромагніти, а на рейці - котушки лінійного електродвигуна. За їхньої взаємодії виникає сила, яка піднімає вагон над дорогою і тягне його вперед. Напрямок струму в обмотках безперервно змінюється, перемикаючи магнітні поля у міру руху поїзда.

Несучі магніти живляться від бортових акумуляторів (рис.4), які заряджаються кожної станції. Струм на лінійний електродвигун, що розганяє поїзд до літакових швидкостей, подається тільки на тій ділянці, якою йде поїзд (рис. 6 а). Досить сильне магнітне поле складу наводитиме струм у колійних обмотках, а ті, у свою чергу, - створюватиме магнітне поле.

Мал. 6. а Принцип руху поїзда на магнітній подушці

Туди, де потяг збільшує швидкість або йде в гору, енергія подається з більшою потужністю. Якщо потрібно загальмувати або їхати у зворотному напрямку, магнітне поле змінює вектор.

Ознайомтеся із відеофрагментами « Закон електромагнітної індукції», « Електромагнітна індукція» « Досліди Фарадея».

Мал. 6. б Кадри з відеофрагментів "Закон електромагнітної індукції", "Електромагнітна індукція" "Досліди Фарадея".

Магнітоплан або Маглєв (від англ. Magnetic levitation) - це поїзд на магнітному підвісі, рухомий і керований магнітними силами. Такий потяг, на відміну від традиційних поїздів, у процесі руху не стосується поверхні рейки. Оскільки між поїздом і поверхнею руху існує зазор, тертя виключається, і єдиною силою, що гальмує, є сила аеродинамічного опору.

Швидкість, досяжна маглів, можна порівняти зі швидкістю літака і дозволяє скласти конкуренцію повітряним сполученням на малих (для авіації) відстанях (до 1000 км). Хоча сама ідея такого транспорту не нова, економічні та технічні обмеження не дозволили їй повністю розвернутися: для публічного використання технологія втілювалася всього кілька разів. В даний час Маглев не може використовувати існуючу транспортну інфраструктуру, хоча є проекти з розташуванням елементів магнітної дороги між рейками звичайної залізниці або під полотном автотраси.

На даний момент існує 3 основні технології магнітного підвісу поїздів:

1. На надпровідних магнітах (електродинамічна підвіска, EDS).

Створена в Німеччині "залізниця майбутнього" і раніше викликала протести жителів Шанхаю. Але цього разу влада, налякана демонстраціями, що загрожують вилитися у великі хвилювання, пообіцяла розібратися з поїздами. Щоб вчасно припиняти демонстрації, чиновники навіть розвісили відеокамери у тих місцях, де найчастіше відбуваються масові протести. Китайський натовп дуже організований і мобільний, він може за лічені секунди зібратися і перетворитися на демонстрацію з гаслами.

Це найбільші народні виступи у Шанхаї з часів антияпонських маршів у 2005 році. Це вже не перший протест, викликаний занепокоєнням китайців екологією, що погіршується. Минулого літа багатотисячні натовпи демонстрантів змусили уряд відкласти будівництво хімічного комплексу.