Статьи

Магнитная левитация (маглев)

«Магнитная левитация (маглев)
31-01-2017 3 507 0

Маглев (магнитная левитация) – метод транспортировки, основанный на магнитной левитации. Транспортное средство перемещается по направляющей,

Маглев (магнитная левитация) – метод транспортировки, основанный на магнитной левитации. Транспортное средство перемещается по направляющей, используя магниты, приподнимаясь над землёй, и перемещается практически без трения и на высоких скоростях.
Магнитная левитация (маглев)
Шанхайский поезд маглев, также известный как Transrapid, в настоящее время является самым быстрым коммерческим поездом в эксплуатации и имеет максимальную скорость 430 км/ч. Линия была построена для связи международного аэропорта Пудуна и предместья центрального Пудуна, Шанхая. Поезд преодолевает дистанцию 30.5 километров за 8 минут. Поезда маглев ездят более гладко и бесшумно, в отличие от колесных систем передвижения. Они относительно независимы от погоды. Мощность, необходимая для левитации, как правило, является небольшим процентом от общего потребления энергии; большая часть энергии идёт на преодоление сопротивления воздуха. Поезда маглев держат все железнодорожные рекорды скорости. Поезда маглев намного эффективнее классических поездов. Трение между колёсными парами и полотном у высокоскоростных поездов ускоряет износ и делает высокие скорости недоступными. С другой стороны, поезда маглев более дорогие в строительстве.

В апреле 2004 года Shanghai Transrapid начала коммерческие операции. В марте 2005 года Япония начала эксплуатацию своей относительно низкоскоростной системы HSST "Linimo". За первые три месяца линия Linimo перевезла 10 миллионов пассажиров. Южная Корея стала четвертой страной в мире, которая преуспела в этом: линия маглев аэропорта Инчхона, начала эксплуатироваться 3 февраля 2016 года.

Развитие технологии

В конце 1940-х, британский инженер-электрик Эрик Лэйтвэйт, преподаватель в Имперском колледже Лондона, развивал первую полноразмерную рабочую модель линейного асинхронного двигателя. Он стал преподавателем сложной электротехники в Имперском Колледже в 1964, где он продолжал свою успешную разработку линейного двигателя. Так как линейные двигатели не требуют физического контакта между транспортным средством и направляющей, они стали обычным делом на усовершенствованных системах транспортировки в 1960-х и 70-х. Линейный двигатель подходил для системы маглев. В начале 1970-х, Лэйтвэйт определил такое положение магнитов, которое позволило единственному линейному двигателю производить и подъемную и ведущую тягу, позволив строить системы маглев с одним набором магнитов. Работая в British Rail Research Division, наряду с командами нескольких гражданских строительных фирм, система "поперечного потока" была собрана в рабочую систему.

Первый коммерческий маглев транспорт назвали просто - "Маглев" и официально открыли в 1984 году под Бирмингемом, Англия. Линия была 600-метровой и проходила между железнодорожной станцией Birmingham Airport и станцией Birmingham International, поезда ходили на скоростях 42 км/ч. Система была закрыта в 1995 году из-за проблем с надёжностью.

История разработок и испытаний

Первые патенты на маглев

Патенты на устройства быстрой транспортировки предоставили различным изобретателям во всем мире. Ранние патенты США для линейного двигателя были присуждены немецкому изобретателю Альфреду Зехдену. Изобретатель был награжден американским патентом 782,312 (14 февраля 1905) и американским патентом RE12,700 (21 августа 1907). Серия немецких патентов для поездов на магнитной подушке, двигаемых линейными двигателями, были присуждены Герману Кемперу между 1937 и 1941 годами. Первый маглев поезд был описан патентом 3,158,765, "Магнитная система транспортировки", G. R. Polgreen (25 августа 1959). Первое использование "магнитной левитации" в патенте США было в "Системе наведения магнитной левитации" Canadian Patents and Development Limited.

Нью-Йорк, США, 1913 год

Эмиль Бачелет, Маунт-Вернона, Нью-Йорк, продемонстрировал прототип вагона маглев.

Нью-Йорк, США 1968 год

В 1968, в то время как были проблемы с трафиком на мосту «Throgs Neck», Джеймс Пауэлл, исследователь в Brookhaven National Laboratory (BNL), думал об использовании технологий маглева. Пауэлл и его коллега Гордон Дэнби решили применить статические магниты, смонтированные на движущемся транспортном средстве, чтобы создавались подъёмная и стабилизационная силы в петлях специальной формы на направляющих.
Гамбург, Германия, 1979 год

Transrapid 05 - были первыми маглев поездами с лицензией на пассажирские перевозки. В 1979 году маршрут длиной 908 м был открыт в Гамбурге для выставки (IVA 79). Интерес к проекту был высоким, и спустя 3 месяца линию расширили, по ней перевезли более 50000 пассажиров. Повторно такую выставку открыли в Касселе в 1980 году.

Бирмингем, Великобритания, 1984–95 годы

Первая в мире коммерческая маглев линия была между зданием аэропорта Бирмингемского международного аэропорта и соседней железнодорожной станцией Birmingham International, работавшая в 1984 – 1995 годах. Длина маршрута составляла 600 метров, поезда левитировали на высоте 15 мм над направляющей. Из за устаревания механизмов линию закрыли.

Условия, благоприятствовавшие созданию этой линии:
  • Опытный образец весил 3 тонны, и спокойно мог весить 8 тонн.
  • Был доступ к электроэнергии.
  • Аэропорт и станция маглева имели одинаковой высоты платформы.
  • Не было никаких градиентов, пересечение было только одно с обычной дорогой.
  • Земля принадлежала железной дороге и аэропорту.
  • Местная промышленность поддержала проект.
  • Некоторые правительство предоставило часть средств на строительство, которое не было сильно дорогим.
  • После того, как линия закрылась в 1995 году, направляющая бездействовала до 2003, когда под неё не разработали другую технологию.


Эмсланд, Германия, 1984–2012 годы

Немецкая компания Transrapid, занимающаяся проектами маглев, имела испытательную площадку в Emsland длиной 31.5 километров. Линия одноколейного пути была между Dörpen и Lathen петлями на концах. Поезда регулярно ездили со скоростью до 420 километров в час. На линии велись перевозки пассажиров. Строительство линии началось в 1980 году и закончилось в 1984 году. В 2006 произошло крушение поезда, погубившее 23 человека. Крушение было вызвано халатной проверкой систем безопасности. После 2006 года перевозки пассажиров прекратили. В конце 2011 лицензия на эксплуатацию линии истекла, и не была продлена. И линию снесли.

Япония, 1969–современность

В Японии существуют 2 независимых друг от друга маглев проекта. Один - HSST (и его потомок, линия Linimo) для нужд Japan Airlines и другой, который более известен, как SCMaglev (superconducting maglev; сверхпроводящий маглев), которым заведует компания JRCentral.

Развитие SCMaglev началось в 1969 году. На испытательной линии Миядзаки была достигнута регулярная скорость 517 км/ч в 1979 году. После того, как из-за несчастного случая, поезд был уничтожен, был разработан новый дизайн. В Окадзаки, Япония (1987 год), была проведена демонстрационная поездка поезда SCMaglev. Тесты в течение 1980-х годов продолжались до того, как построили более крупную испытательную линию, длиной 20 км, в Yamanashi в 1997.

Развитие HSST (High Speed Surface Transport) началось в 1974 году, основанное на технологиях, Привезённых из Германии. В Цукубе, Япония (1985), HSST-03 (Linimo) стал популярным, несмотря на свою низкую скорость (30 км/ч) на Выставке Мира Цукубы. В Сайтаме, Япония (1988), HSST-04-1 был показан на выставке Сайтамы, в городе Кумагаи. Его самая высокая зарегистрированная скорость составляла 300 км/ч.

Ванкувер, Канада и Гамбург, Германия, 1986–88 годы

В Ванкувере, Канада, японский HSST-03 был показан на Экспо 86 и работал на 400-метровой показательной линии, совершая поездки по территории выставки. Был списан после ярмарки и дебюта на Экспо Aoi в 1987 году и теперь хранится как экспонат в парке Окадзаки, Minami. В Гамбурге, Германия, TR 07 был показан на международной выставке транспорта (IVA88) в 1988 году.

Берлин, Германия, 1989–91 годы

В Западном Берлине была построена линия «M-Bahn» в конце 1980-х. Это была линия длиной 1.6-километров, соединяющая три станции. Испытания с пассажирскими перевозками начались в августе 1989 года, и регулярная эксплуатация началась в июле 1991 года. Несмотря на то, что линия в основном проложена с нуля, она заканчивалась на станции метро Gleisdreieck, на неиспользуемой ранее платформе, которая раньше вела в Восточный Берлин. После падения Берлинской стены планы были приведены в исполнение, чтобы повторно воссоздать эту линию. Разрушение линии M-Bahn началось спустя только два месяца после того, как начались регулярные перевозки. Этот проект назвали «Pundai» и закончили в феврале 1992 года.

Южная Корея, 1993–современность

В 1993 Корея закончила разработку своего собственного маглев поезда, показанного на Экспо Taejŏn '93, который был развит далее в полноценный коммерческий проект, способный перевозить пассажиров на скорости 110 км/ч в 2006 году. Линия маглев была размещена в аэропорту Инчхон, и открылась 3 февраля 2016 года, делая Корею четвертой страной в мире, у которой есть собственная коммерческая маглев линия после Бирмингемского международного аэропорта Великобритании, германского «M-Bahn» и «Linimo» Японии. Линия связывает международный аэропорт Инчхон со станцией Yongyuи комплексом «Leisure Complex», который пересекает остров Еонгджонг. Ветка позволяет доехать до Сеульского столичного метро на специальном экспрессе. Система была совместно разработана Институтом Машинного оборудования и Материалов (KIMM) и Hyundai Rotem. Это - 6.1 километров (3.8 мили) линия с 6 станциями и скоростью в 110 км\ч. Запланированы ещё 2 участка длиной 9.7 км и 37.4 км. После того, всё построят –линия станет кольцевой. Hyundai Rotem экспортирует свою маглев технологию в Санкт - Петербург, это первый иностранный заказчик в Европе.

Технология магнитной левитации

В общественном воображении "магнитная левитация" часто вызывает понятие монорельсовой дороги, поднятой над землёй. Линии маглев могут быть как с монорельсом, так и с 2 - мя рельсами, но не все монорельсовые поезда - маглев. Некоторые системы железнодорожного транспорта имеют в конструкциях линейные двигатели, но используют электромагнетизм только для движения, без левитации. Такие поезда имеют колеса и не являются маглев поездам. Некоторые маглев поезда имеют колёса и перемещаются как обычные поезда на относительно невысоких скоростях, но "взлетают" на более высоких скоростях.

На данный момент существует 2 основных типа маглев подвесок:
  1. Электромагнитная подвеска (EMS) - управляемые электромагниты в поезде взаимодействуют с проводящей (обычно сталь) линией.
  2. Электродинамическая подвеска (EDS) - Сверхпроводящие электромагниты или сильные постоянные магниты, которые создают магнитное поле, вызывающие токи в соседних металлических проводниках, создаётся относительное движение, которое поднимает и тянет поезд.


Существует ещё одна технология, которая была разработана, доказана математически, и запатентована, но, по состоянию на май 2015 года, не применяемая и не имеющая прототипов, магнитодинамическая подвеска (MDS). Она использует магнитную силу множества постоянных магнитов около стальной трассы, для поднятия и удержания на весу поезда. Другие технологии, такие как отталкивающие постоянные магниты и магниты со сверхпроводящей обмоткой требуют ещё исследований.

Электромагнитная подвеска (EMS)

В электромагнитной подвеске (EMS) системы поезд поднимается выше стального рельса, в то время как электромагниты, прикрепленные к поезду, направлены на рельс с низу. Магнитное притяжение изменяется обратно пропорционально кубу расстояния, таким образом, незначительные изменения в расстоянии между магнитами и рельсом вызывает значительное изменение силы. Эти изменения динамично нестабильны – небольшое расхождение от оптимальной позиции имеет тенденцию увеличиваться, по этому требуются системы, которые будут поддерживать оптимальное положение, (приблизительно 15 миллиметров). Главное преимущество этой системы в том, что она работает на всех скоростях, в отличие от электродинамической системы, которая работают только на скоростях, которые выше 30 км/ч. Это избавляет от необходимости создавать отдельные медленные линии. Но динамическая нестабильность требует систем, которые будут выдерживать нужные допуски.

Электродинамическая подвеска

В электродинамической подвеске (EDS) и направляющая и поезд имеют магнитное поле, и поезд поднимается отталкивающей силой между магнитными полями. В некоторых конфигурациях, поезд может левитировать только за счёт отталкивающей силы. Магнитное поле генерируется любыми магнитами со сверхпроводящей обмоткой или множеством постоянных магнитов. Силы притяжения и отталкивания создаются проводами или спиралями. Главное преимущество систем EDS состоит в том, что они динамично стабильны – магниты сами удерживают в нужном положении транспортное средство. Однако на маленьких скоростях, ток, вызванный в этих спиралях и магнитном потоке, не достаточно большой, чтобы эффект левитации начался. Поэтому у поезда должны быть колеса или альтернатива колёсам, чтобы поддерживать поезд, пока он не достигнет нужной скорости для левитации. Так как поезд может остановиться в любом месте, весь маршрут должен быть подготовлен как для больших скоростей, так и для маленьких. Ещё один минус системы EDS – создание впереди перед поездом и сзади магнитного сопротивления. Это мешает только на скоростях до 30 км\ч. На более высоких скоростях это сопротивление не мешает.

Внедрение каждой из этих систем имеет как плюсы, так и минусы.

EMS (Электромагнитная подвеска)
Плюсы: Магнитные поля внутри и снаружи транспортного средства меньше, чем у системы EDS; коммерчески легко реализуемая и доступная технология; высокие скорости (500 км/ч); нет нужды в дополнительных системах подвески.
Минусы: Допуск между транспортным средством и направляющей должен постоянно проверяться и корректироваться из-за нестабильного характера электромагнитного притяжения; процесс выравнивания по допускам внешними средствами может привести к нежелательной вибрации.

EDS (Электродинамическая подвеска)

Плюсы: Система позволяет развивать сверхбольшие скорости (603 км/ч) и выдерживать большие нагрузки.

Минусы: Сильные магнитные поля небезопасны для пассажиров с кардиостимуляторами и магнитных носителей данных, таких, как жесткие диски и кредитные карты; ограничения на индуктивность направляющей ограничивают максимальную скорость; транспортное средство не может левитировать на низких скоростях.

Разрабатывается ещё система Inductrack (постоянные магниты + пассивная подвеска) — этой системе необходима низкая мощность для активации магнитов; магнитное поле локализовано ниже вагона; поле левитации генерируется уже при скорости 5 км\ч; при сбое питания вагоны останавливаются безопасно; множество постоянных магнитов может оказаться более экономически эффективным, чем электромагниты. Требует или колес или специальных сегментов пути, которые поддерживают вагон при его остановке. Прототипов на данный момент нет.

Ни Inductrack, ни EDS не в состоянии поддерживать левитацию безостановочно, несмотря на то, что Inductrack обеспечивает поднятие на намного более низкой скорости.

Движение

Системы EMS, такие как HSST/Linimo могут обеспечить и поднятие и движение, используя бортовой линейный двигатель. Но системы EDS и некоторые системы EMS обеспечивают только левитацию. Таким системам нужна другая технология для движения.

Равновесие

Теорема Ирншоу показывает, что никакая комбинация статических магнитов не может быть в стабильном равновесии. Поэтому необходимо динамическое магнитное поле, для стабилизации. Системы EMS полагаются на активную электронную стабилизацию, которая постоянно измеряет допуск и корректирует ток электромагнита. Системы EDS полагаются на изменение магнитных полей, чтобы создать токи, которые обеспечивают пассивную стабильность. Поскольку маглев поезда фактически «летают», им требуется стабилизация. Колебания вагонов в разных направлениях могут приводить к различным проблемам.

Сравнение поездов маглев с обычными поездами

Скорость: Маглев поезда могут достигать высоких скоростей с большей эффективностью и меньшим ущербом для окружения, чем обычные поезда.

Обслуживание: Маглев поезда требуют минимального обслуживания пути и транспортных единиц. Так же оно зависит от часов работы, а не от степени износа той или иной части. Традиционный рельс подвергается механическому износу, который увеличивается экспоненциально в зависимости от скорости.

Погода: Поезда маглев зависят от погодных условий намного меньше, чем обычные поезда. Однако они не работали в широком спектре условий, в котором используются классические поезда.

Трасса: Маглев поезда не совместимы с классическими железнодорожными путями, им необходима отдельная инфраструктура.

Эффективность:- Обычные рельсовые пути, более эффективны на более низких скоростях. Но из-за отсутствия физического контакта между дорогой и составом, маглев поезда не подвержены качению. Есть только аэродинамическое и электромагнитное сопротивление.

Вес: электромагниты во многих EMS и EDS для поднятия одной тонны веса тратят 1 – 2 кВт\ч. Использование сверхпроводящих магнитов уменьшает потребление энергии. 50-тонный Transrapid может весить до 70 тонн, будет потреблять 70-140 кВт\ч электрической энергии.

Весовые нагрузки на магистраль: Высокоскоростная железнодорожная магистраль требует больше издержек на поддержку в надлежащем состоянии и специальных технологий постройки, связанных с нагрузкой колёс на полотно. Маглев поезда весят легче и распределяют нагрузку на полотно равномерно.

Шум: Поскольку основной источник шума у маглев поездов – преодоление аэродинамического сопротивления, поезда маглев шумят меньше обычных на одинаковых скоростях. Однако психоакустический эффект может нивелировать это преимущество: шум маглев поездов приравнен к шуму автомобильных магистралей, и является более раздражающим, чем стук колёс.

Торможение: Процесс торможения у маглев поездов не приводит к износу полотна\элементов поезда. В отличие от обычных поездов, где износу подвергаются и пути, и контактный провод, и тормозная система поездов.

Системы управления: Железнодорожная сигнализация для маглев поездов не нужна, так как они управляются компьютером. Машинисты - люди не обладают достаточной реакцией, чтобы управлять сверхбыстрыми поездами. Нет необходимости в гудках. Поезда управляются и отслеживаются из специальных башен.

Ландшафт: Маглев поезда могут подниматься на более высокие подъёмы, нежели обычные поезда, и изменять ландшафт для маглев путей нужно меньше, чем для обычных поездов.

Энергозатраты на движение

Электрическая энергия используется для движения и левитации поездов. Она может возвращатся в сеть при рекуперативном торможении. Наибольшая часть энергии уходит на преодоление аэродинамического сопротивления. На низких скоростях мощность, требуемая для поднятия поезда, может быть значительной, на 15% больше, у трамваев и метро - поездов при езде. Для разгона за короткое время расход энергии ещё больше.

Экономическая сторона вопроса

Шанхайская демонстрационная маглев линия стоила 1.2 миллиарда долларов США. Количество перевезённых пассажиров – не самая основная задача данной линии, так как станция Лонгайанг-Роуд находится в восточных предместьях Шанхая. Однажды линия будет расширена до Южной Шанхайской станции и станции аэропорта Хунцяо, но на данный момент это экономически невозможно. Количество перевезённых пассажиров, как ожидают, покроют эксплуатацию и затраты на обслуживание и обеспечат значительный чистый доход. Расширение линии до Южного Шанхая, будет стоить приблизительно 18 миллионов долларов США за километр. В 2006 году немецкое правительство инвестировало $125 миллионов в развитие разработок по понижению себестоимости направляющей, в результате чего создали модульную конструкцию, которая на 30% дешевле и быстрее в строительстве. Так же развиваются и другие методы более дешёвого строительства линий. Федеральная администрация железной дороги США в отчете 2005 года к Конгрессу, оценила стоимость постройки линии маглев в промежутке между $50 миллионами и $100 миллионами за 1 милю пути. Отчет о воздействии на окружающую среду Maryland Transit Administration (MTA) оценила в 4.9 миллиарда долларов США при строительстве и $53 миллиона в год при эксплуатации.

Предложенная к строительству маглев линия Chuo Shinkansen в Японии, как оценивалось, стоила приблизительно 82 миллиарда долларов США. Линия проходила бы в длинных тоннелях. Так же планировалась маглев линия на замену Tokaido Shinkansen, но из – за шумового загрязнения оба этих проекта не осуществили.

Единственная медленная маглев линия (100 км/ч), в настоящее время эксплуатируемая, Linimo HSST, стоила приблизительно 100 миллионов/км долларов США. Данная линия технически очень надёжна, шумовое загрязнение очень низкое.

Поскольку всё больше и больше маглев линий строится, эксперты ожидаю удешевления себестоимости проектов в дальнейшем за счёт наращивания производства нужных компонентов и оптимизации процесса строительства.

Вакуумные трубы и маглев

Некоторые технологии применения маглев поездов (особенно проект Swissmetro) предлагают использование vactrains — технология маглев, в которой поезда предполагается использовать в вакуумных трубах, для устранения аэродинамического сопротивления. У этой технологии есть потенциал, и возможность достижения колоссальных скоростей, так как большая часть энергозатрат у маглев поездов идёт на преодоление сопротивления воздуха. Для пассажиров подобных поездов существует одна потенциальная опасность – разгерметизация салона, если системы герметизации вдруг выйдут из строя.

Рекорды

Самая высокая зарегистрированная скорость маглев поезда составляет 603 км/ч, достигнута 21 апреля 2015 года, это на 28 км/ч быстрее, чем рекорд скорости поездов TGV. Для рекорда поезду TGV потребовалось преодолеть 72.4-километра, прежде чем достичь рекордной скорости и 13 минут времени. Для торможения потребовалось 77.25 км. Общее расстояние, потребовавшееся на рекорд - 149.65 км. Маглев состав MLX01 поставил рекорд на отрезке 18.4-километровой испытательной площадки Yamanashi. Но на скоростях выше 500 км\ч ещё не проводилась коммерческая эксплуатация как обычных, так и маглев поездов.

Вас заинтересуют так же следующие новости

Больше интересного

Комментарии (0)
Добавить комментарий
Прокомментировать
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
ИЛИ ЧЕРЕЗ СОЦ. СЕТЬ