Основите на магнитните левити влакове (Маглев)

Магнитна левитация (maglev) е сравнително нова транспортна технология, при която безконтактните превозни средства пътуват безопасно със скорост от 250 до 300 мили на час или повече, докато са окачени, направлявани и задвижвани над пътека чрез магнит полета. Пътеводителят е физическата структура, по която се левитират превозни средства maglev. Предлагат се различни конфигурации на направляващите, например, Т-образни, U-образни, Y-образни и кутия, направени от стомана, бетон или алуминий.

Има три основни функции, основни на технологията maglev: (1) левитация или окачване; (2) задвижване; и (3) насоки. В повечето съвременни конструкции магнитните сили се използват за изпълнение на трите функции, въпреки че може да се използва немагнитен източник на задвижване. Не съществува консенсус относно оптимален дизайн за изпълнение на всяка от основните функции.

Електромагнитно окачване (EMS) е атрактивна система за левитация на силата, при която електромагнитите на превозното средство си взаимодействат и са привлечени от феромагнитни релси на пътеката. EMS беше практичен благодарение на напредъка в електронните системи за управление, които поддържат въздушната междина между превозното средство и направляващия път, като по този начин предотвратяват контакт.

Отклоненията в теглото на полезното натоварване, динамичните натоварвания и нередностите на направляващите се компенсират чрез промяна на магнитното поле в отговор на измерванията на въздушната междина на превозното средство / направляващия канал.

Електродинамичното окачване (EDS) използва магнити на движещото се превозно средство, за да индуцира токове в направляващото устройство. Резултатната отблъскваща сила създава присъща стабилна опора и напътствие на превозното средство, тъй като магнитното отблъскване се увеличава с намаляването на пролуката на превозното средство / направляващия път. Въпреки това превозното средство трябва да бъде оборудвано с колела или други форми на подкрепа за „излитане“ и „кацане“, тъй като EDS няма да левитира при скорост под приблизително 25 mph. EDS прогресира с напредъка в криогенната и свръхпроводяща магнитна технология.

Задвижването с дълъг статор, използващо линейно навиване на двигателя с електрическо захранване в направляващия канал, изглежда е предпочитаната опция за високоскоростни системи на маглев. Той е и най-скъпият поради по-високите разходи за изграждане на пътеки.

Задвижването с къс статор използва линейна индукционна двигател (LIM) намотка на борда и пасивно направление. Докато задвижването с къси статори намалява разходите за направление, LIM е тежък и намалява полезния товар на автомобила капацитет, което води до по-високи експлоатационни разходи и по-нисък потенциал за приходи в сравнение с дългосрочния статор задвижване. Трета алтернатива е немагнитният енергиен източник (газова турбина или турбомотор), но това също води до тежко превозно средство и намалена експлоатационна ефективност.

Насочването или кормилното управление се отнася до страничните сили, които са необходими, за да може превозното средство да следва пътеката. Необходимите сили се доставят по абсолютно аналогичен начин на силите на окачването, било привлекателни, или отблъскващи. Същите магнити на борда на превозното средство, които доставят асансьор, могат да се използват едновременно за насочване или могат да се използват отделни насочващи магнити.

Системите Maglev могат да предложат атрактивна алтернатива за транспорт за много чувствителни към времето пътувания с дължина от 100 до 600 мили, като по този начин намаляват задръстванията на въздуха и магистралите, замърсяване на въздухаи използване на енергия и освобождаване на слотове за по-ефективно обслужване на дълги разстояния на многолюдни летища. Потенциалната стойност на технологията maglev беше призната в Закона за ефективност на интермодалния повърхностен транспорт от 1991 г. (ISTEA).

Преди преминаването на ISTEA Конгресът е отделил 26,2 милиона долара за идентифициране на системата maglev концепции за използване в Съединените щати и за оценка на техническата и икономическата осъществимост на тях системи. Проучванията също бяха насочени към определяне ролята на maglev за подобряване на междуградския транспорт в Съединените щати. Впоследствие бяха присвоени допълнителни 9,8 милиона долара за завършване на NMI изследвания.

Какви са атрибутите на maglev, които приветстват неговото разглеждане от планиращите транспортни средства?

По-бързи пътувания - високата върхова скорост и високото ускорение / спиране позволяват средни скорости три до четири пъти по-високи от скоростта на магистрала в страната лимит от 65 мили / ч (30 м / с) и по-ниско време за пътуване от врата до врата от високоскоростна железопътна или въздушна (за пътувания под около 300 мили или 500 км). Все пак по-високите скорости са изпълними. Maglev поема там, където високоскоростната железопътна линия отпътува, като позволява скорост от 250 до 300 мили / ч (112 до 134 м / с) и по-висока.

Maglev има висока надеждност и по-малко податлив на задръствания и метеорологични условия в сравнение с пътуването по въздух или магистрала. Отклонението от графика може да бъде средно по-малко от една минута въз основа на чуждестранния опит с високоскоростни влакове. Това означава, че вътрешно и интермодално време за свързване може да се намали до няколко минути (а не на половин час или повече изисква се с авиокомпаниите и Amtrak понастоящем) и че срещите могат спокойно да бъдат насрочени, без да се налага да се обмислят закъснения.

Маглев дава петролен независимост - по отношение на въздуха и автомобила, защото Maglev е електрически. Петролът е ненужен за производството на електроенергия. През 1990 г. по-малко от 5 процента от електроенергията на нацията се получава от петрол, докато петролът, използван както от въздушния, така и от автомобилния режим, идва основно от чужди източници.

Maglev е по-малко замърсяващ - по отношение на въздуха и автомобила, отново заради електрическо задвижване. Емисиите могат да бъдат контролирани по-ефективно при източника на производство на електроенергия, отколкото в многото точки на потребление, например при използване на въздух и автомобил.

Maglev има по-голям капацитет от въздушното пътуване с поне 12 000 пътници на час във всяка посока. Има потенциал за още по-голям капацитет от 3 до 4 минути напред. Maglev осигурява достатъчен капацитет за приспособяване на растежа на трафика до двадесет и първи век и за предоставяне на алтернатива на въздуха и автомобила в случай на криза с наличност на петрол.

Маглев има висока безопасност - както възприемана, така и действителна, базирана на чуждестранен опит.

Maglev има удобство - поради висока честота на обслужване и възможност за обслужване на централни бизнес квартали, летища и други големи възли на столичните райони.

Maglev е подобрил комфорта - по отношение на въздуха поради по-голямата просторност, което позволява отделни зони за хранене и конференции със свободата да се движат наоколо. Липсата на въздушна турбулентност осигурява постоянно плавно каране.

Концепцията за магнетично левитирани влакове е била идентифицирана за първи път от началото на века от двама американци, Робърт Годард и Емил Башелет. До 30-те години на миналия век германският Кемпер разработва концепция и демонстрира използването на магнитни полета за комбиниране на предимствата на влакове и самолети. През 1968 г. американците Джеймс Р. Пауъл и Гордън Т. На Данби беше предоставен патент за техния дизайн за влак за магнитна левитация.

Съгласно Закона за сухопътния транспорт за висока скорост от 1965 г. FRA финансира широк спектър от изследвания за всички форми на HSGT през началото на 70-те години. През 1971 г. FRA възлага договори на Компанията на Ford Motor и Станфордския изследователски институт за аналитична и експериментална разработка на EMS и EDS системи. Спонсорираните от FRA изследвания доведоха до разработването на линейния електромотор, мотивната мощност, използвана от всички съвременни прототипи на maglev. През 1975 г., след като федералното финансиране за високоскоростни изследвания на maglev в Съединените щати е спряно, промишлеността на практика се отказва от интереса си към maglev; изследванията в маглев с ниска скорост продължават в САЩ до 1986 г.

През последните две десетилетия изследователски и развойни програми в технологията maglev се провеждаха от няколко страни, включително Великобритания, Канада, Германия и Япония. Германия и Япония са инвестирали по над 1 милиард долара всяка за разработване и демонстриране на maglev технология за HSGT.

Немският дизайн на EMS maglev, Transrapid (TR07), е сертифициран за експлоатация от германското правителство през декември 1991 г. В Германия се обмисля линия на маглев между Хамбург и Берлин с частно финансиране и потенциално с допълнителна подкрепа от отделни държави в Северна Германия по протежение на предложеното маршрут. Линията би се свързвала с високоскоростния влак Intercity Express (ICE), както и с конвенционалните влакове. TR07 е тестван широко в Емсланд, Германия и е единствената високоскоростна система maglev в света, готова за обслужване на приходите. TR07 е планиран за внедряване в Орландо, Флорида.

Разработената в Япония концепция EDS използва свръхпроводяща магнитна система. През 1997 г. ще бъде взето решение дали да се използва maglev за новата линия Chuo между Токио и Осака.

След прекратяването на федералната поддръжка през 1975 г., в Съединените щати до 1990 г., когато беше създадена Националната инициатива за Maglev (NMI), беше малко проучване на високоскоростната технология maglev. NMI е съвместно усилие на FRA на DOT, USACE и DOE, с подкрепата на други агенции. Целта на NMI беше да оцени потенциала на maglev да подобри междуградския транспорт и да развие информацията Необходимо е администрацията и Конгресът да определят подходящата роля на федералното правителство за постигането на това технология.

Всъщност от самото си създаване на Правителството на САЩ е подпомагал и насърчавал иновативен транспорт по причини от икономическо, политическо и социално развитие. Има многобройни примери. През XIX век федералното правителство насърчава развитието на железопътния транспорт трансконтинентални връзки чрез такива действия като мащабната безвъзмездна помощ за земя на Илинойс Централен Мобайл Охайо Железопътни линии през 1850г. От 20-те години на миналия век федералното правителство предоставя търговски стимули за новата технология на авиацията чрез договори за маршрути и средства за въздушна поща, които плащат за полета за аварийно кацане, осветление на маршрута, отчитане на времето и комуникации. По-късно през 20 век федералните средства са били използвани за изграждането на междудържавната магистрална система и подпомагане на държавите и общините в изграждането и експлоатацията на летищата. През 1971 г. федералното правителство формира Амтрак, за да осигури железопътни пътнически услуги за САЩ.

За да определи техническата възможност за разполагане на maglev в Съединените щати, Службата на NMI извърши цялостна оценка на състоянието на технологията maglev.

През последните две десетилетия в чужбина са разработени различни наземни транспортни системи експлоатационни скорости над 150 mph (67 m / s), в сравнение със 125 mph (56 m / s) за САЩ. Metroliner. Няколко влака със стоманени колела на релсите могат да поддържат скорост от 167 до 186 мили / ч (75 до 83 м / сек), най-вече японската серия 300 Shinkansen, немската ICE и френската TGV. Германският влак Transrapid Maglev демонстрира скорост от 270 мили / ч на тестова писта, а японците са управлявали тестов вагон maglev при 321 mph (144 m / s). По-долу са описания на френската, немската и японската системи, използвани за сравнение с концепциите за SCD на САЩ Maglev (USML).

TGV на френската национална железопътна линия е представител на настоящото поколение високоскоростни влакове със стоманено колело на релсите. TGV е в експлоатация от 12 години по маршрута Париж-Лион (PSE) и 3 години на първоначална част от маршрута Париж-Бордо (Атлантика). Влакът в Атлантика се състои от десет пътнически вагона с мощност на всеки край. Силовите автомобили използват синхронни ротационни тягови двигатели за задвижване. Монтиран на покрива пантографите събират електрическа енергия от надземна канализация. Круизната скорост е 186 mph (83 m / s). Влакът е без накланяне и, следователно, изисква сравнително правилно подравняване на маршрута, за да поддържа висока скорост. Въпреки че операторът контролира скоростта на влака, съществуват блокировки, включително автоматична защита от превишена скорост и принудително спиране. Спирането е чрез комбинация от реостатни спирачки и дискови спирачки, монтирани на оси. Всички оси притежават спиране срещу блокиране. Силовите оси имат управление срещу хлъзгане. Конструкцията на коловозите на TGV е тази на конвенционална железопътна линия със стандартно междурелсие с добре проектирана основа (уплътнени гранулирани материали). Релсата се състои от непрекъснато заварена релса върху бетон / стоманени връзки с еластични крепежни елементи. Неговият високоскоростен превключвател е конвенционална избирателна активност с люлеещ се нос. TGV работи на вече съществуващи писти, но със значително намалена скорост. Поради високата си скорост, високата мощност и контрола срещу плъзгане на колелата, TGV може да изкачи степени, които са около два пъти по-големи от нормалните в американската железопътна практика и по този начин може да следва внимателно подвижен терен на Франция без обширни и скъпи виадукти и тунели.

Немската TR07 е високоскоростната система Maglev, най-близка до търговска готовност. Ако финансирането може да бъде получено, през 1993 г. във Флорида ще се извърши новаторска маршрутка за 14 мили (23 км) между Международното летище Орландо и увеселителната зона на International Drive. Системата TR07 също се обмисля за високоскоростна връзка между Хамбург и Берлин и между центъра на Питсбърг и летището. Както обозначението подсказва, TR07 е предшестван от поне шест по-ранни модела. В началото на седемдесетте години немски фирми, включително Krauss-Maffei, MBB и Siemens, тестваха в пълен мащаб версии на превозно средство с въздушна възглавница (TR03) и превозно средство maglev с отблъскване, използващо свръхпроводящи магнити. След като през 1977 г. е взето решение да се концентрира върху привличането на маглев, напредването продължава със значителни стъпки, като системата се развива от линейна индукция двигателно (LIM) задвижване със странично събиране на мощност към линейния синхронен двигател (LSM), който използва променлива честота, намотки с електрическо захранване на трасе. TR05 функционира като преместване на хора на Международния панаир на трафика в Хамбург през 1979 г., превозвайки 50 000 пътници и осигурявайки ценен експлоатационен опит.

TR07, който работи на 31,5 км от пътека на тестовата писта в Емсланд на северозапад Германия е кулминацията на близо 25 години от развитието на германския Maglev, струващ над 1 долар милиард. Това е усъвършенствана EMS система, използваща отделни конвенционални железни сърцевини, привличащи електромагнити за генериране на повдигане и насочване на превозното средство. Автомобилът се увива около Т-образна пътека. TR07 пътеката използва стоманени или бетонни греди, изградени и издигнати до много тесни допуски. Системите за управление регулират левитационните и насочващите сили за поддържане на инчов празнина (8 до 10 мм) между магнитите и железните „коловози“ на направляващия канал. Привличането между магнитите на превозното средство и монтираните на ръба направляващи релси осигуряват насоки. Привличането между втори комплект магнити на превозни средства и задвижващите статорни пакети под направляващите генерират повдигане. Повдигащите се магнити също служат като вторичен или ротор на LSM, чийто основен или статор е електрическа намотка с дължина на направляващия канал. TR07 използва две или повече превозни средства, които не се накланят в състава. TR07 задвижването е от LSM с дълъг статор. Намотките на статора на маршрутизатора генерират пътуваща вълна, която взаимодейства с магнитите за левитация на превозното средство за синхронно задвижване. Централно контролирани крайпътни станции осигуряват необходимата променлива честота и променливо напрежение на LSM. Първичното спиране е регенериращо чрез LSM, с спирачно-токово спиране и с висока фрикционна пързалка за спешни случаи. TR07 демонстрира безопасна работа при 270 mph / 121 m / s на пистата Emsland. Той е проектиран за круизна скорост от 311 mph (139 m / s).

Японците са похарчили над 1 милиард долара за разработване на системи за привличане и отблъскване на maglev. Системата за привличане на HSST, разработена от консорциум, често идентифициран с Japan Airlines, всъщност е серия от превозни средства, проектирани за 100, 200 и 300 км / ч. Шестдесет мили на час (100 км / ч) HSST Maglevs са превозили над два милиона пътници на няколко експозиции в Япония и изложбеното изложение в Канада от 1989 г. във Ванкувър. Високоскоростната японска система за отблъскване Maglev се разработва от Railway Technical Research Institute (RTRI), изследователската група на новоприватизираната Японска железопътна група. Изследователското превозно средство ML500 на RTRI постигна световния рекорд на високоскоростен воден наземен автомобил от 321 mph (144 m / s) през декември 1979 г., запис все още стои, въпреки че е дошъл специално модифициран френски железопътен влак TGV близо. Пилотиран триколесен MLU001 започна тестване през 1982г. Впоследствие единичната кола MLU002 е унищожена от пожар през 1991г. Замяната му, MLU002N, се използва за тестване на левитацията на страничната стена, която е планирана за евентуално използване на системата за приходи. Основната дейност понастоящем е изграждането на тестова линия на Maglev от 2 милиарда долара, която е на 27 мили през планините на префектура Яманаши, където се планира да започне тестване на прототип на приходите през 1994г.

Железопътната компания в Централна Япония планира да започне изграждането на втора високоскоростна линия от Токио до Осака по нов маршрут (включително тестовия участък Яманаши) от 1997 г. Това ще осигури облекчение на изключително печелившия Токайдо Шинкансен, който е близо до насищане и се нуждае от рехабилитация. За осигуряване на непрекъснато подобряване на услугата, както и за предотвратяване на посегателства от страна на авиокомпаниите настоящият 85-процентен пазарен дял, считат се за по-високи скорости от настоящите 171 mph (76 m / s) необходимо. Въпреки че проектната скорост на системата от първо поколение maglev е 311 mph (139 m / s), за бъдещи системи се предвижда скорост до 500 mph / 223 m / s. Отблъскването maglev е избрано над атракцията maglev поради реномирания му потенциал за по-висока скорост и защото по-голямата въздушна междина приспособява движението на земята, преживяно при склонност към земетресение в Япония територия. Дизайнът на системата за отблъскване на Япония не е твърд. Оценка на разходите за 1991 г. от Японската централна железопътна компания, която ще притежава линията, показва, че новата високоскоростна линия през планински терен северно от планината Mt. Фуджи би бил много скъп, около 100 милиона долара на миля (8 милиона йени на метър) за конвенционален железопътна линия. Система maglev би струвала 25 процента повече. Значителна част от разходите са разходите за придобиване на повърхностни и подземни ROW. Познаването на техническите подробности за високоскоростния Maglev на Япония е оскъдно. Известно е, че той ще има свръхпроводящи магнити в талигите с левитация на страничната стена, линейно синхронно задвижване с помощта на направляващи намотки и круизна скорост от 311 mph (139 m / s).

Три от четирите концепции за SCD използват EDS система, в която индуцират свръхпроводящи магнити на превозното средство отблъскващи сили за повдигане и насочване чрез движение по система от пасивни проводници, монтирани на трасе. Четвъртата концепция SCD използва система EMS, подобна на немската TR07. В тази концепция силите за привличане генерират повдигане и направляват превозното средство по направляващия път. Въпреки това, за разлика от TR07, който използва конвенционални магнити, силите на привличане на концепцията SCD EMS се произвеждат от свръхпроводящи магнити. Следващите индивидуални описания подчертават важните характеристики на четирите SCD САЩ.

Концепцията на Bechtel е система за EDS, която използва нова конфигурация на монтирани на превозното средство магнити, които премахват потока. Превозното средство съдържа шест комплекта от осем свръхпроводими магнита от една страна и обгръща бетон за направляваща греда. Взаимодействие между магнитите на превозното средство и ламинирана алуминиева стълба от всяка странична стена на направляващото устройство генерира повдигане. Подобно взаимодействие с монтирани на нулева флуидни намотки направляващи води осигурява насоки. Задвижващите намотки LSM, също прикрепени към страничните стени на направляващите, взаимодействат с магнитите на превозното средство, за да създадат тяга. Централно контролирани крайпътни станции осигуряват необходимата променлива честота с променливо напрежение на LSM. Превозното средство Bechtel се състои от единична кола с вътрешна накланяща се черупка. Той използва аеродинамични контролни повърхности за увеличаване на силите на магнитно насочване. В случай на спешност той левитира върху въздушни лагери. Пътеката се състои от постнатягаща се бетонна греда. Поради високите магнитни полета концепцията изисква немагнитни, подсилени с влакна пластмасови (FRP) пръти за постнатягане и стремена в горната част на кутията. Превключвателят е огъващ лъч, изграден изцяло от FRP.

Концепцията Foster-Miller е EDS, подобна на японската високоскоростна Maglev, но има някои допълнителни функции за подобряване на потенциалните резултати. Концепцията Foster-Miller има наклонен дизайн на превозното средство, който би му позволил да работи по криви по-бързо от японската система за същото ниво на комфорт на пътниците. Подобно на японската система, концепцията Foster-Miller използва свръхпроводящи магнити на превозни средства за генериране на повдигане чрез взаимодействие с бобини за левитация с нулев поток, разположени в страничните стени на U-образна форма трасе. Взаимодействието на магнит с електрически задвижващи намотки, монтирани на водача, осигурява нулево насочване. Иновативната му задвижваща схема се нарича локално комутиран линеен синхронен двигател (LCLSM). Отделни инвертори "H-мост" последователно захранват задвижващите бобини директно под талигите. Инверторите синтезират магнитна вълна, която се движи по направлението със същата скорост като превозното средство. Превозното средство Foster-Miller е съставено от съчленени пътнически модули и части на опашката и носа създаване на няколко автомобила "се състои". Модулите имат магнитни талиги във всеки край, които споделят със съседни коли. Всеки талис съдържа четири магнита от всяка страна. П-образната пътека се състои от две успоредни бетонни греди след напрежение, съединени напречно от сглобяеми бетонни диафрагми. За да се избегнат неблагоприятни магнитни ефекти, горните пръчки след опъване са FRP. Високоскоростният превключвател използва превключени бобини с нулев поток, за да води автомобила през вертикална избирателна активност. По този начин превключвателят Foster-Miller не изисква движещи се конструктивни елементи.

Концепцията Grumman е EMS с прилики с немската TR07. Въпреки това автомобилите на Grumman се увиват около Y-образна пътека и използват общ набор от магнити на превозни средства за левитация, задвижване и насочване. Релсите на направляващите са феромагнитни и имат LSM намотки за задвижване. Магнитите на превозното средство са свръхпроводящи намотки около железни ядра във формата на подкова. Лицата на полюсите са привлечени от железни релси от долната страна на пътечката. Непроводими контролни бобини на всяка желязо-висока модулация на левитацията и насочването, за да поддържа 1,6-инчова (40 мм) въздушна междина. Не е необходимо вторично окачване за поддържане на адекватно качество на возене. Задвижването става чрез конвенционален LSM, вграден в направляващата шина. Grumman превозни средства могат да бъдат единични или много автомобили се състои с възможност за накланяне. Иновативната надстройка на пътечките се състои от стройни Y-образни направляващи участъци (по една за всяка посока), монтирани от аутригери на всеки 15 фута до 90-футов (4,5 m до 27 m) шлиц. Структурната шлицова греда служи и в двете посоки. Превключването се осъществява със сгъваема направляваща греда в стил TR07, съкратена чрез използване на плъзгаща се или въртяща се секция.

Концепцията Magneplane е EDS за едно превозно средство, използваща алуминиево направление с дебелина 0,8 инча (20 мм) за левитация на листа и насочване. Автомобилите с магниплан могат да се самоблокират до 45 градуса в криви. По-ранната лабораторна работа по тази концепция утвърди схемите за левитация, насочване и задвижване. Свръхпроводящи левитационни и задвижващи магнити са групирани в талиги отпред и отзад на автомобила. Магнитите по централната линия взаимодействат с конвенционалните LSM намотки за задвижване и генерират някакъв електромагнитен „въртящ момент на въртене“, наречен ефект на кила. Магнитите отстрани на всяко талига реагират срещу алуминиевите направляващи листове, за да осигурят левитация. Превозното средство Magneplane използва аеродинамични контролни повърхности, за да осигури активно затихване на движението. Алуминиевите левитационни листове в направляващия канал формират върховете на две структурни алуминиеви кутии. Тези греди на кутиите се поддържат директно на стълбове. Високоскоростният превключвател използва превключващи бобини с нулев поток, за да води автомобила през вилка в коритото на направляващото устройство. По този начин превключвателят Magneplane не изисква движещи се конструктивни елементи.

• _{Източници: Национална транспортна библиотека http://ntl.bts.gov/}