Введение

Подвеска объектов посредством обратной связи изменения силы магнитного поля

Электромагнитная подвеска (EMS) – это магнитная левитация объекта, достигаемая постоянным изменением силы магнитного поля, создаваемого электромагнитами, с использованием контура обратной связи. В большинстве случаев эффект левитации обусловлен преимущественно постоянными магнитами, поскольку они не рассеивают энергию, а электромагниты используются лишь для стабилизации эффекта. Согласно теореме Эрншоу, парамагнитное тело не может находиться в устойчивом равновесии при помещении в любую комбинацию гравитационных и магнитостатических полей. В таких полях существует неустойчивое равновесие. Хотя статические поля не обеспечивают устойчивость, EMS работает, непрерывно изменяя ток, подаваемый на электромагниты, для изменения силы магнитного поля и обеспечения стабильной левитации. В EMS для компенсации неустойчивости используется контур обратной связи, который постоянно регулирует один или несколько электромагнитов для корректировки движения объекта. Многие системы используют магнитное притяжение, направленное вверх против силы тяжести, поскольку это обеспечивает некоторую естественную боковую стабильность, но некоторые используют комбинацию магнитного притяжения и отталкивания для создания подъемной силы. Технология магнитной левитации важна, поскольку она снижает энергопотребление, значительно уменьшает трение, предотвращает износ и требует минимального обслуживания. Наиболее известным применением магнитной левитации является ее использование в поездах на магнитной подушке.

История

Сэмюэль Эрншоу обнаружил в 1839 году, что «заряженное тело, помещенное в электростатическое поле, не может левитировать в устойчивом равновесии под воздействием только электрических сил». Аналогично, из-за ограничений диэлектрической проницаемости стабильная подвеска или левитация не может быть достигнута в статическом магнитном поле с использованием системы постоянных магнитов или электромагнитов с фиксированным током. Расширение Браунбека (1939) утверждает, что для получения стабильной статической магнитной левитации или подвески система постоянных магнитов также должна содержать диамагнитный материал или сверхпроводник. Эмиль Башеле применил теорему Эрншоу и расширение Браунбека, стабилизируя магнитную силу путем контроля интенсивности тока и включения/выключения электромагнитов на заданных частотах. В марте 1912 года он получил патент № 1,020,942 на свое «левитационное передающее устройство». Изначально его изобретение предназначалось для небольших почтовых систем, но потенциал применения в более крупных транспортных средствах, подобных поездам, очевиден. В 1934 году Герман Кемпер применил концепцию Башеле в большем масштабе, назвав ее «монорельсовым транспортным средством без колес». Он получил рейхспатент № 643316 на свое изобретение и многими считается изобретателем магнитной левитации. В 1979 году электромагнитно подвешенный поезд Transrapid перевозил пассажиров в течение нескольких месяцев в качестве демонстрации на 908-метровом участке пути в Гамбурге на первой Международной транспортной выставке (IVA 79). Первый коммерческий поезд на магнитной подушке для регулярных перевозок был открыт в Бирмингеме, Англия, в 1984 году, с использованием электромагнитной подвески и линейного индукционного двигателя для движения.

Электромагниты

Когда ток проходит по проводу, вокруг этого провода возникает магнитное поле. Сила создаваемого магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего по проводу. При скручивании провода это созданное магнитное поле концентрируется в центре катушки. Силу этого поля можно значительно увеличить, поместив ферромагнитный материал в центр катушки. Это поле легко изменяется путем пропускания переменного тока по проводу. Таким образом, комбинация постоянных магнитов с электромагнитами является оптимальной схемой для целей левитации. Эта конфигурация доказала свою эффективность в увеличении воздушного зазора и снижении энергопотребления и используется специалистами в области магнитной левитации и гиперлупа.

Магнев

Маглев (магнитная левитация) – это транспортная система, в которой транспортное средство подвешивается над направляющей с помощью принципа электромагнитной подвески. Маглев обладает преимуществами перед колесным транспортом, такими как более тихий и плавный ход, благодаря значительному уменьшению физического контакта между транспортным средством и путевыми конструкциями. Поскольку маглев требует направляющей, он в основном используется в рельсовых транспортных системах, например, в поездах. С момента открытия первой коммерческой линии маглева в Бирмингеме, Англия, в 1984 году, другие коммерческие системы EMS маглева, такие как M Bahn и Transrapid, также были введены в ограниченную эксплуатацию. (Также были разработаны и внедрены поезда маглева, основанные на технологии электродинамической подвески.) За исключением, возможно, Шанхайского маглева протяженностью 30,5 км, крупных междугородних маршрутов EMS построено не было.

Активный магнитный подшипник

Активный магнитный подшипник (AMB) работает по принципу электромагнитной левитации и состоит из электромагнитной сборки, набора усилителей мощности, подающих ток на электромагниты, контроллера и датчиков зазора с соответствующей электроникой, обеспечивающей обратную связь, необходимую для управления положением ротора в зазоре. Эти элементы показаны на диаграмме. Усилители мощности подают равный ток смещения двум парам электромагнитов, расположенных по обе стороны от ротора. Этот постоянный баланс сил поддерживается контроллером, который компенсирует ток смещения равными, но противоположными по знаку изменениями тока при отклонении ротора от центрального положения. Датчики зазора обычно индуктивные и работают в дифференциальном режиме. В современных коммерческих применениях усилители мощности представляют собой твердотельные устройства, работающие в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Контроллер обычно реализован на микропроцессоре или DSP.

Помощь при запуске космического корабля

НАСА разрабатывает систему помощи при запуске, использующую магнитную левитацию для разгона космического корабля. Сторонники использования магнитной левитации при запуске утверждают, что это позволяет снизить затраты на проектирование и сам запуск, а также обеспечивает более безопасный метод запуска.