Магнитные поезда. Поезда на магнитной подушке: почему «транспорт будущего» не прижился. Очень дорогая игрушка

Больше 200 лет минуло с той поры, когда были изобретены паровозы. С тех пор железнодорожный транспорт стал самым востребованным для перевозки пассажиров и грузов. Однако ученые активно трудились над усовершенствованием данного способа перемещения. В результате был создан маглев или поезд на магнитных подушках.

Идея появилась в начале двадцатого века. Но реализовать ее в то время и в тех условиях не удалось. И лишь в конце 60-х – начале 70-х годов в ФРГ собрали магнитную трассу, где и запустили транспортное средство нового поколения. Тогда он двигался со скоростью максимум 90 км/ч и мог вместить только 4 пассажира. В 1979 году поезд на магнитных подушках модернизировали, и он смог перевезти 68 пассажиров, проезжая 75 километров в час. А в то же время в Японии сконструировали иную вариацию маглева. Он разгонялся до 517 км/ч.

Сегодня стремительность поездов на магнитных подушках может составить реальную конкуренцию самолетам. Магнитоплан мог бы серьезно соперничать с воздушными авиаперевозчиками. Единственное препятствие в том, что скользить по обычным железнодорожным путям маглевы не способны. Они требуют особых магистралей. Кроме того, считается, что необходимое поездам на воздушной подушке магнитное поле может оказать неблагоприятное воздействие на здоровее человека.

Магнитоплан не движется по рельсам, он летит в прямом смысле этого слова. На небольшой высоте (15 см) от поверхности магнитной трассы. Поднимается он над треком за счет действия электромагнитов. Это объясняет и невероятную скорость.

Полотно для маглева выглядит как череда бетонных плит. Магниты расположены под этой поверхностью. Они искусственно создают магнитное поле, по которому «едет» поезд. Во время движения нет трения, поэтому для торможения используется аэродинамическое сопротивление.

Если на простом языке объяснять принцип действия, то получится так. Когда пару магнитов приближают друг к другу одинаковыми полюсами, они как бы отталкиваются один от другого. Получается магнитная подушка. А при приближении противоположных полюсов магниты притягиваются, и поезд останавливается. Такой элементарный принцип и положен в основу работы магнитоплана, который движется по воздуху на небольшой высоте.

Сегодня применяются 3 технологии подвеса маглевов.

1. Электродинамическая подвеска, EDS.

Иначе это называется на сверхпроводящих магнитах, то есть на вариациях с обмоткой из сверхпроводящего материала. Такая обмотка обладает нулевым омическим сопротивлением. И если она замкнута накоротко, то электрический ток в ней сохраняется бесконечно долго.

2. Электромагнитная подвеска, EMS (или на электромагнитах).

3. На постоянных магнитах. Сегодня это наименее затратная технология. Процесс передвижения обеспечивается линейным двигателем, то есть электродвигателем, где один элемент магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а второй сделан в виде направляющей, отвечающей за линейное перемещение подвижной части двигателя.

Многие задумываются: безопасный ли это поезд, он не упадет? Разумеется, не упадет. Нельзя сказать, что маглев на дороге ничего не удерживает. Он опирается на трек посредством особенных “клешней”, расположенных снизу поезда, в которых и поставлены электромагниты, поднимающие поезд в воздух. Там же расположены и те магниты, которые удерживают магнитоплан на треке.

Те, кто прокатился на маглеве, утверждают, что ничего вдохновляющего не ощутили. Поезд идет настолько тихо, что умопомрачительная скорость не чувствуется. Объекты за окном пролетают быстро, но расположены очень далеко от трека. Разгоняется магнитоплан плавно, так что перегрузок тоже не ощущается. Интересен и необычен только момент, когда поезд поднимается.

Итак, основные преимущества маглева:

• максимально возможная скорость движения, которая достигается на наземном (неспортивном) транспорте,
• требуется небольшое количество электроэнергии,
• из-за отсутствия трения малозатратны в обслуживании,
• тихое передвижение.

Недостатки:

• необходимость больших финансовых затрат при строительстве и обслуживании трека,
• электромагнитное поле способно нанести вред здоровью тем, кто работает на этих линиях и живет в окрестных районах,
• для постоянного контроля расстояния между поездом и треком необходимы быстродействующие системы управления и сверхпрочные приборы,
• требуются сложная схема путей и дорожная инфраструктура.

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

1. Назначение

Поезд на магнитной подушке или маглев (от англ. magnetic levitation, т.е. «maglev» - магнитоплан) – это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами, предназначенный для перевозки людей (рис. 1). Относиться к технике пассажирского транспорта. В отличие от традиционных поездов, в процессе движения он не касается поверхности рельса .

2. Основные части (устройство) и их назначение

Существуют разные технологические решения в разработке данной конструкции (см. п.6). Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS ) (рис. 2).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение (линейный двигатель).

3. Принцип действия

В основе принципа действия поезда на магнитном подвесе лежат следующие физические явления и законы:

явление и закон электромагнитной индукции М. Фарадея

правило Ленца

закон Био-Савара-Лапласа

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции , согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания . Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Рассмотрим замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня как раз и используется в поезде на магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна (рис. 3). При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на несколько сантиметров и, фактически, летит по воздуху .

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Создатели поезда «Трансрапид» (рис.1) приме­нили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не от­талкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магни­том - практически невозможно. Но если взять управляемый электромаг­нит, ситуация меняется. Система кон­троля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной в несколько миллиметров (рис. 3). При увели­чении зазора система повышает си­лу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении - понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема облада­ет двумя серьёзными преимущества­ми. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздейст­вий, а их поле существенно слабее за счёт малого зазора между путём и составом; оно требу­ет токов гораздо меньшей силы. Сле­довательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более эконо­мичным .

Движение поезда вперед осуществляется линейным двигателем . Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёр­нуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бе­гущее магнитное поле. Статор, укреп­лённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав (рис. 4, 5). . Ключевым элементом технологии является смена полюсов на электромагнитах путем попеременной подачи и снятия тока с частотой 4000 раз в секунду. Зазор между статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно при прохождении поворотов. Поэтому необходима идеальная путевая инфраструктура.

Устойчивость системы обеспечивается автоматическим регулированием тока в обмотках намагничивания: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах (рис. 3) . Сверхбыстродействующие системы управления контролировать зазор между дорогой и поездом.

Единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Итак, схема движения поезда на магнитной подвеске: под вагоном установлены несущие электромагниты, а на рельсе - катушки линейного электродвигателя. При их взаимодействии возникает сила, которая приподнимает вагон над дорогой и тянет его вперёд. Направление тока в обмотках непрерывно меняется, переключая магнитные поля по мере движения поезда .

Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов (рис.4), которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд (рис. 6 а). Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, - создавать магнит­ное поле.

Туда, где поезд увеличивает скорость или идет в гору, энергия подается с большей мощностью. Если нужно затормозить или ехать в обратном направлении, магнитное поле меняет вектор .

Ознакомьтесь с видеофрагментами «Закон электромагнитной индукции », «Электромагнитная индукция » «Опыты Фарадея ».

Рис. 6. б Кадры из видеофрагментов «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».

Технология находится в процессе разработки!

Поезд на магнитной подушке – летающий поезд, магнитоплан или маглев – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитного либо магнитного поля.

Описание:

Поезд на магнитной подушке – летающий поезд, магнитоплан или маглев (от англ. magnetic levitation – «магнитная левитация ») – это поезд, удерживаемый над полотном дороги, движимый и управляемый силой электромагнитноголибо магнитного поля.

В отличие от традиционных железнодорожных поездов, в процессе движения маглев не касается поверхности рельса . Поэтому скорость данного транспорта может быть сопоставима со скоростью самолета . На сегодняшний день максимальная скорость такого поезда – 581 км/ч (Япония).

На практике реализованы две системы магнитной левитации: на электромагнитной подвеске (EMS) и на электродинамической подвеске (EDS). Другие системы: на постоянных магнитах существуют еще только в теории, а система RusMaglev находится в процессе разработки.

Поезд на электромагнитной подвеске (EMS) :

Электромагнитная подвеска (EMS) позволяет поезду левитировать, используя электромагнитное поле с изменяющейся по времени силой. Система представляет собой путь, сделанный из проводника и систему электромагнитов, установленных на поезде.

Достоинства этой системы:

– магнитные поля внутри и снаружи транспортного средства меньше, чем у системы EDS,

– экономически выгодная реализуемая и доступная технология,

– высокие скорости (500 км/ч),

– нет нужды в дополнительных системах подвески.

Недостатки этой системы:

– нестабильность: требуется постоянный контроль и корректировка колебания магнитного поля путей и состава,

– процесс выравнивания по допускам внешними средствами может привести к нежелательной вибрации.

Поезд на электродинамической подвеске (EDS):

Система на электродинамической подвеске (EDS) создает левитацию изменяющимся магнитным полем в путях и поля, создаваемого магнитами на борту состава поезда.

Достоинства этой системы:

– развитие сверхбольших скоростей (603 км/ч) и способность выдерживать большие нагрузки.

Недостатки этой системы:

– невозможность левитировать на низких скоростях, необходимость в большой скорости, чтобы была достаточно отталкивающая сила хотя бы для удержания на весу поезда (поэтому подобные поезда используют колеса),

– сильное магнитное излучение вредно и небезопасно для пассажиров со слабым здоровьем и с кардиостимуляторами, для магнитных носителей данных.

Системы магнитной левитации поезда на постоянных магнитах Inductrack:

В настоящее время актуальной к воплощению является система на постоянных магнитах Inductrack, которая является разновидностью системы EDS.

Достоинства этой системы:

– потенциально самая экономичная система,

– 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 эффективным, чем электромагниты.

Недостатки этой системы:

– требуются колеса или специальный сегмент пути, поддерживающий поезд при его остановке.

Система RusMaglev:

Левитация RusMaglev является российской разработкой. Левитация создается постоянными магнитами (неодим-железо-бор) на борту состава поезда. Пути выполнены из алюминия . Система не требует абсолютно никакого подвода электричества.

Достоинства этой системы:

– экономичнее высокоскоростной магистрали,

– не требуется электричества,

– высокие скорости – более 400 км/ч,

– поезд левитирует при нулевой скорости,

– перевозка грузов в 2 раза дешевле, чем перевозка грузов по существующей железной дороге.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com

Поезда на магнитной подушке - это экологический чистый, бесшумный и быстрый транспорт. Они не могут слететь с рельсов и в случае неполадки способны безопасно остановиться. Но почему же такой транспорт не получил широкого распространения, и люди по-прежнему пользуется обычными электричками и поездами?

Поезда на магнитной подушке: почему «транспорт будущего» не прижился

В 1980-е годы считалось, что поезда с магнитной левитацией (маглевы) это транспорт будущего, который уничтожит внутренние авиарейсы. Эти поезда могут перевозить пассажиров со скоростью 800 км/ч и не наносят практически никакого вреда окружающей среде.

Маглевы способны ездить в любую погоду и не могут сойти со своего единственного рельса - чем дальше поезд отклоняется от путей, тем сильнее его толкает обратно магнитная левитация. Все маглевы двигаются с одинаковой частотой, поэтому не будет никаких неполадок с сигналами. Представьте себе, какой эффект оказали бы такие поезда на экономику и транспорт, если бы расстояние между отдаленными крупными городами преодолевалось за полчаса.

Но почему вы до сих пор не можете ездить по утрам на работу со сверхзвуковой скоростью? Концепт маглевов существует уже более века, еще с начала 1900-х было оформлено множество патентов, использующих эту технологию. Однако до наших дней дожило лишь три рабочие системы поездов на магнитной подушке, причем все они есть только в Азии.

Японский маглев. Фото: Yuriko Nakao/Reuters

Могут ли ваши работники стать угрозой для корпоративной безопасности? , хорошо ли ваша организация защищена от вирусов, кибератак и халатности персонала.

До этого первый рабочий маглев появился в Великобритании: в период с 1984 по 1995 из аэропорта Бирмингема ходил шаттл AirLink . Маглев был популярным и дешевым транспортом, но его обслуживание обходилось очень дорого, поскольку некоторые запчасти были единичного производства и их было тяжело найти.

В конце 1980-х Германия тоже обратилась к этой идее: ее беспилотный поезд M-Bahn ездил между тремя станциями западного Берлина. Однако технологию левитирующих поездов решили отложить на потом, и линию закрыли. Ее производитель TransRapid проводил испытания маглевов до тех пор, пока в 2006 году на тренировочном полигоне в Латене не произошел несчастный случай, в котором погибло 23 человека.

Это происшествие могло поставить крест на немецких маглевах, если бы компания TransRapid не подписала до этого договор на строительство в 2001 году маглева для Шанхайского аэропорта. Сейчас этот маглев является самым быстрым электропоездом в мире, который ездит со скоростью 431 км/ч. С его помощью расстояние от аэропорта до бизнес-квартала Шанхая можно преодолеть всего за восемь минут. На обычном транспорте для этого понадобился бы целый час. В Китае есть еще один среднескоростной маглев (его скорость составляет около 159 км/ч), который работает в столице провинции Хунань, Чанша. Китайцы настолько полюбили эту технологию, что к 2020 году планируют запустить еще несколько маглевов в 12 городах.

Канцлер Германии Ангела Меркель первой проехала на маглеве TransRapid до Шанхайского аэропорта. Фото: Rolf Vennenbernd/EPA

В Азии сейчас ведется работа и над другими проектами поездов на магнитной подушке. Один из самых известных - это беспилотный шаттл EcoBee, который ездит от южнокорейского аэропорта Инчхон с 2012 года. На его самой короткой линии расположено семь станций, между которыми маглев проносится со скоростью 109 км/ч. А еще поездки на нем абсолютно бесплатны.

Невзирая на то, что с момента создания первых паровозов прошло уже более двухсот лет, человечество до сих пор не готово полностью отказаться от использования дизельного топлива, силы пара и электричества в качестве движущей мощи, способной перемещать тяжеловесные грузы и пассажиров.

Однако, как вы сами понимаете, все это время инженеры-изобретатели не пребывали в полном бездействии, и результатом работы их мысли стал выход в свет альтернативных способов транспортировки по железнодорожному полотну.

История возникновения поездов на электромагнитной подушке

Сама идея изготовления поезда, передвигающегося на магнитной подушке не так уж нова. Впервые о создании подобного подвижного состава изобретатели стали задумываться еще в самом начале XX столетия, однако по ряду причин воплощение данного проекта осуществить не удавалось на протяжении довольно длительного времени.

Только к 1969 году на территории тогдашнего ФРГ приступили к изготовлению подобного поезда, впоследствии нареченного маглевом, и укладыванию магнитной трассы. Запуск первого маглева под названием «Трансрапид-02» был произведен уже спустя два года.

Интересным является тот факт, что при изготовлении маглева немецкие инженеры основывались на записях, произведенных ученым Германом Кемпером, получившим патент на создание магнитоплана еще в 1934 году. Первый маглев «Транрапид-02» высокоскоростным не назовешь, так как скорость он развивал всего лишь до 90 км/ч. Вместимость его также была очень низкой: всего четыре человека.

Последующая модель маглева, созданная в 1979 году, «Трансрапид-05» вмещала уже до 68 пассажиров и двигалась по пассажирской линии города Гамбурга, имеющей протяженность в 908 м, со скоростью 75 км/ч.

Трансрапид-05

Параллельно на другом конце континента, в Японии, в том же 1979 году был запущен маглев модели «МЛ-500», способный развить скорость аж до 517 км/ч.

Что такое маглев и каков принцип его работы?

Маглев (или попросту поезд на магнитной подушке) - это разновидность транспорта, управляемого и приводимого в движение посредством силы магнитного поля. При этом маглев не касается железнодорожного полотна, а «левитирует» над ним, удерживаемый искусственно созданным магнитным полем. При этом исключается трение, тормозящей силой выступает только аэродинамическое сопротивление.

На ближнемагистральных направлениях в будущем маглев может составить серьезную конкуренцию воздушному транспорту ввиду своей возможности развивать очень высокую скорость передвижения. На сегодняшний день повсеместному внедрению маглевов в большой мере препятствует то, что они не могут быть применены на традиционном магистральном железнодорожном покрытии. Маглев может передвигаться лишь на специально построенной магнитной магистрали, что требует очень крупных капиталовложений.

Также считается, что магнитный транспорт способен негативно воздействовать на организм машинистов и жителей приближенных к магнитным трассам регионов.

Преимущества маглевов

К достоинствам маглевов относится обширная перспектива достижения высоких скоростей, способных конкурировать даже с реактивной авиацией. Кроме того, маглев является довольно экономичным, в плане потребления электроэнергии, транспортом. К тому же практически отсутствует трение деталей, что позволяет существенно снизить уровень эксплуатационных расходов.