Кіріспе

Магниттік өрістің күшін өзгерту арқылы объектілерді тоқтату. Электромагниттік тоқтату (ЭМС) – кері байланыс циклын пайдаланып электромагниттер тудыратын магниттік өрістің күшін үнемі өзгерту арқылы жүзеге асырылатын магниттік левитация. Көп жағдайда левитация әсері көбінесе тұрақты магниттерге байланысты, себебі олар қуатты шығындамайды, ал электромагниттер тек әсерді тұрақтандыру үшін қолданылады. Эрншоу теоремасына сәйкес, парамагниттік дене гравитациялық және магнитостатикалық өрістердің кез келген комбинациясында тұрақты тепе-теңдікте қала алмайды. Мұндай өрістерде тұрақсыз тепе-теңдік жағдайы болады. Статикалық өрістер тұрақтылықты қамтамасыз ете алмайды, бірақ ЭМС электромагниттерге берілетін токты үздіксіз өзгерту арқылы магниттік өрістің күшін өзгертеді және тұрақты левитацияға мүмкіндік береді. ЭМС-те, тұрақсыздықты жою үшін объектінің қозғалысын түзету мақсатында бір немесе бірнеше электромагниттерді үздіксіз реттейтін кері байланыс циклы қолданылады. Көптеген жүйелерде магниттік тартылыс күші гравитацияға қарсы қолданылады, себебі бұл жүйелерге белгілі бір көлденең тұрақтылықты береді, бірақ кейбіреулері жоғары қарай итеру үшін магниттік тартылыс пен магниттік итергіш күштің комбинациясын пайдаланады. Магниттік левитация технологиясы маңызды, өйткені ол энергия тұтынуды азайтады, үлкен дәрежеде үйкелісті төмендетеді, тозудан сақтайды және техникалық қызмет көрсетуге талаптар өте төмен. Магниттік левитацияның қолданылуы ең көп танымал мысалы – магниттік левитация пойыздары.

Тарих

1839 жылы Сэмюэл Эрншоу «электростатикалық өрісте орналасқан зарядталған дене электр күштерінің ғана әсерінен тұрақты тепе-теңдікте левитациялай алмайды» деген тұжырым жасады. Сондай-ақ, диэлектрлік өтімділіктің шектеулі болуына байланысты, тұрақты магнит өрісінде тұрақты магниттер немесе тұрақты токпен жұмыс істейтін электромагниттер жүйесімен тұрақты аспауға немесе левитацияға қол жеткізу мүмкін емес. Браунбектің толықтыруы (1939) тұрақты магниттер жүйесінің тұрақты, статикалық магниттік левитацияны немесе аспауды қамтамасыз ету үшін диамагниттік материалды немесе суперопроводникті қамтуы қажет екенін көрсетеді. Эмиль Башелет Эрншоу теоремасын және Браунбек толықтыруын қолданып, ток күшін бақылау және электромагниттерге қажетті жиіліктерде қуатты қосу және өшіру арқылы магниттік күшті тұрақтандырды. Ол 1912 жылдың наурыз айында «левитациялық тарату аппараты» үшін патент алды (патент № 1,020,942). Оның өнертабысы бастапқыда кішкентай пошта тасымалдау жүйелерінде қолдануға арналған еді, бірақ оның үлкен пойыз сияқты көлік құралдарына қолданылуы да әрине көзге түседі. 1934 жылы Герман Кемпер Башелеттің тұжырымдамасын кеңейтіп, оны «дөңгелегі жоқ монорельсті көлік» деп атады. Ол өзінің өнертабысы үшін Рейх патенті 643316 нөмірін алды және көптеген адамдар оны маглевтің ойлап табушысы деп санайды. 1979 жылы Transrapid электромагниттік аспалы пойыз Гамбургте өткен бірінші Халықаралық көлік көрмесінде (IVA 79) 908 метрлік табақта бірнеше ай бойы жолаушыларды демонстрациялық түрде тасымалдады. Алғашқы коммерциялық маглев пойызы 1984 жылы Англияның Бирмингем қаласында ашылды, ол электромагниттік аспау және қозғалыс үшін сызықтық индукциялық қозғалтқышты пайдаланды.

Электромагниттер

Ағым сым арқылы өткенде, сол сымның айналасында магнит өрісі туындайды. Туындаған магнит өрісінің күші сым арқылы өтетін токқа пропорционал. Сымды орап келгенде, бұл туындаған магнит өрісі орамның ортасында шоғырланады. Орамның ортасына ферромагниттік материалды қою арқылы бұл өрістің күшін едәуір арттыруға болады. Өзгермелі ток жіберу арқылы бұл өрісті басқару оңай. Сондықтан, тұрақты магниттер мен электромагниттердің үйлесімі левитация үшін ең тиімді жағдай болып табылады. Бұл конфигурация ауа саңылауын ұлғайтып, энергия тұтынуды азайтады және оны маглев және гиперлуп саласындағы мамандар қолданады.

Магниттік көпір

Магниттік левитация – көлік құралының электромагниттік күш принципі арқылы бағыттаушы рельске ілініп, қозғалатын көлік жүйесі. Магниттік левитацияның дөңгелекті көліктерге қарағанда артықшылығы – шудың аздығы мен тегіс қозғалысы, себебі дөңгелектер мен рельс арасындағы физикалық байланыс барынша азайтылады. Магниттік левитацияға рельс қажет болғандықтан, көбінесе пойыз сияқты рельстік көлік жүйелерінде қолданылады. 1984 жылы Англияның Бирмингем қаласында алғашқы коммерциялық магниттік левитация поез ашылғалы бері, M Bahn және Transrapid сияқты басқа коммерциялық EMS (электромагниттік аспа) магниттік левитация поезд жүйелері де шектеулі қолданысқа енгізілді. (Электродинамикалық аспа технологиясын қолданған магниттік пойыздар да жасалып, пайдалануға берілді.) 30,5 шақырымдық Шанхай магниттік левитация пойызынан басқа, EMS магниттік левитацияның ұзақ қашықтықтық ірі бағыттары салынған жоқ.

Активті магниттік подшипник

Активті магниттік подшипник (AMB) электромагниттік серпіліс принципі бойынша жұмыс істейді және электромагниттік жиынтықтан, электромагниттерге ток жеткізетін қуат күшейткіштер жиынтығынан, контроллерден және ротордың аралықтағы орналасуын басқаруға қажетті кері байланыс үшін оған қосылған электроникамен бірге аралық сенсорларынан тұрады. Бұл элементтер диаграммада көрсетілген. Қуат күшейткіштер ротордың қарама-қарсы жақтарындағы екі жұп электромагнитке теңдей ток береді. Бұл тұрақты тартыс контроллермен реттеледі, ол ротор орталық позициясынан аз ғана ауытқанда токтың тең, бірақ қарама-қарсы өзгерістерін жасау арқылы ауытқуды өтейді. Аралық сенсорлар көбінесе индуктивті болады және дифференциалдық режимде сезінеді. Қазіргі коммерциялық қолданыстағы қуат күшейткіштер – импульс ені модуляциясы (PWM) конфигурациясында жұмыс істейтін жазық құрылғылар. Контроллер әдетте микропроцессор немесе DSP болып табылады.

Ғарыш кемесінің іске қосылу көмегі

НАСА ғарыш кемесін жылдамдату үшін магниттік левитация жүйесін қолданатын ұшыру көмекші құрылғысын жасап жатыр. Магниттік левитацияны қолдаушылар бұл құрылғы жобалау және ұшыру шығындарын азайтады, сондай-ақ қауіпсіз ұшыру әдісін қамтамасыз етеді деп санайды.