Magnetické vlaky
Kategorie: Fyzika a astronómia (celkem: 480 referátů a seminárek)
Informace o referátu:
- Přidal/a: anonymous
- Datum přidání: 05. července 2007
- Zobrazeno: 6621×
Příbuzná témata
Magnetické vlaky
Obsah
ÚVOD 3
HISTÓRIA 3
KLASICKÉ ŽELEZNICE 3
MAGLEV PRVEJ GENERÁCIE 4
PRÍTOMNOSŤ 5
NADNÁŠANIE
JAPONSKÝ TYP 5
Princíp
Japonský "MAGLEV"
Supravodiče
Magnetické dráhy v Číne
NEMECKÝ TYP 10
Princíp
Konštrukčné usporiadanie
Vodiaca dráha
Lokalizačné senzory
Podvozok
Záložné batérie
Smer jazdy
POUŽÍVANÉ POHONY 13
LINEÁRNY ASYNCHRÓNNY MOTOR (LAM)
LINEÁRNY SYNCHRÓNNY MOTOR (LSM) 14
POROVNANIE
VÝSTAVBA 15
VÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU 16
NEVÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
VPLYV MAGNETICKÉHO POĽA NA ČLOVEKA 17
VYHLIADKY
BUDÚCNOSŤ 17
MAGLEV DRUHEJ GENERÁCIE
HALLBACHOV RAD
PRINCÍP ,,Hallbachov rad,,
ZLOŽENIE TRATE 19
SPRÁVANIE SA MAGNETICKÉHO POĽA
EFEKTÍVNOSŤ 20
RIADIACI SYSTÉM INDUTRACKU 21
ĎALŠIE POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY 22
POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY PRI ŠTARTE RAKETOPLÁNU
VÝHODY MAGNETICKEJ DRÁHY
ZÁVER 24
ÚVOD
Pre túto tému som sa rozhodol z dvoch dôvodov. Chcel som poznať princíp činnosti magnetického vlaku a tak isto je v mojom záujme, študovať vlastnosti prostredia nachádzajúceho v našom okolí a využiť to vo všeobecný prospech
HISTÓRIA
KLASICKÉ ŽELEZNICE
Od zavedenia prvých železničných tratí už uplynulo takmer 170 rokov. Verejnosť od železnice očakáva, že bude priateľská k životnému prostrediu, menej hlučná a že spotrebuje menej energie. Požaduje sa kvalitnejšia jazda a jazdné pohodlie. Vysokorýchlostné systémy musia vykazovať nízke náklady na údržbu a vysokú úroveň bezpečnosti. Pokiaľ sa to nepodarí, železnice stratia reálnu nádej obstáť v konkurencii s automobilovou a leteckou dopravou XXI. storočia.
Obvyklé železničné systémy využívajú k dosiahnutiu hnacej sily trenie medzi koľajnicami a oceľovými kolesami. Dochádza pritom k strate adhézie, a to pri maximálnych rýchlostiach nad 350 km.h-1. MAGLEV PRVEJ GENERÁCIE
Začiatkom dvaciateho storočia premýšľal americký fyzik Robert Goddard o pôsobení magnetických síl a pri tejto príležitosti ho napadla zaujímavá myšlienka. Spočívala v jednoduchom zistení. : Another Faraday Experiment
Rovnaké póly magnetov sa odpudzujú silou pozoruhodnej veľkosti. Tieto sily je možné využiť. Pokiaľ by sme jeden rad magnetov umiestnili do zeme a druhý do spodnej časti vozu ľahkej konštrukcie, dostali by sme dopravný prostriedok, ktorý by sa mohol doslova vznášať. Tak sa zrodil pojem magneticky nadnášaný (magnetically levitated) dopravný prostriedok, skrátene maglev. Vo vedeckých kruhoch sa tento nápad uhniezdil na dlhé desaťročia. Goddard sám popísal vlak pohybující sa nad magnetickými koľajnicami vo vákuovom oceľovom tunely, kde by odpadol odpor vzduchu. Ďalším prínosom bol patent francúzskeho vynálezcu Emila Bacheleta. Jeho maglev bol poháňaný elektromagnetmi napájanými striedavým prúdom. Tie sú totiž omnoho účinnejšie než klasické magnety. Pozadu neostali ani Nemci. V roku 1935 sa inžinier Hermann Kemper pokúsil spojiť výhody lietadiel a vlakov a skonštruoval nový druh vysokorýchlostného dopravného prostriedku. Jednoduchá schéma nápadu
Samotný nápad využiť magnetickú silu k nadnášaniu vlakov pochádza zo šesťdesiatych rokov, keď páni Gordon T. Danby a James R. Powell z Brookhaven national Laboratory predložili návrh na využitie supravodivých cievok, ktoré by vytvárali magnetické pole s následným využitím u nadnášania vlakov.
V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch boli v Nemecku a Japonsku postavené prvé prototypy maglevov. V 70.
rokoch bol po prvý krát predstavený voz na magnetickom vankúši. Bol poháňaný lineárnymi indukčnými motormi a dosiahol rýchlosť 60 km.h-1.S ešte nie celkom vyvinutou technológiou, ktorá by sa mohla použiť až rýchlosti 500 Km.h-1, nebol dovtedy postavený jediný komerčne využiteľný voz. Jeho princíp je známy takmer sto rokov, na realizáciu si počkal až do teraz.
Predovšetkým tu chýba akékoľvek trenie. Vlak sa nikdy nedostane do kontaktu s koľajnicou z toho vyplýva, že je to bez vibrácií, tak typické pre klasické železnice. Jedinú brzdiacu silu predstavuje odpor vzduchu. Maglev sa môže pohybovať tak rýchlo, ako je treba. Bohužiaľ je tu však ešte jeden faktor, ktorý jazde vlakov bráni, a tým sú vysoké náklady. Maglev sa pohybuje po špeciálnych tratiach a potrebuje preto i zvláštne stanice. Európa je ale pretkaná sieťou obyčajných železníc, preto sa zdá rozumnejšie investovať do nákupu vysokorychlostných vlakov klasického typu, ktoré sa dostanú takmer všade.
PRÍTOMNOSŤ
NADNÁŠANIE
Boli vyvinuté dva typy magnetických vlakov. JAPONSKÝ TYP
Jeden typ využíva odporovú silu medzi magnetmi vozidla a elektricky vodivých pásov alebo cievok v trati na zdvihnutie vlaku.
Magnetické pole magnetu, vplývajúce na supravodivé cievky v trati
Keď sa magnet priblíži k supravodivej cievke, indukuje náboj v tvare kruhu. Keďže supravodič nemá žiaden odpor, prúd sa nezmenší, protikladné magnetické polia budú taktiež konštantné a magnet sa bude vznášať. Na obr. (a), vidiet rozloženie supravodivých cievok v trati a vplyv ich magnetického poľa na magnety nachádzajúce sa v spodnej časti vlaku
Obr. (b) vyjadruje pohyb vlaku, silové pôsobenie magnetu, na supravodivé cievky v podobe osmičky. Takýto tvar cievok je žiadúci z hľadiska samotného princípu nadnášania, využívajúceho Faradayov zakon ( Zmena magnetického toku v čase je priamoúmerná indukovanému napätiu v cievke, ale opačného znamienka)
Ale tento supravodič potrebuje na svoju prevádzku tekutý dusík (t=-140 oC). Tento systém je v podstate stabilný a nepotrebuje opakované monitorovanie a regulovanie, taktiež medzi traťou a vozidlom je relatívne veľká vzdialenosť, obyčajne 100 až 150 mm. Lenže takýto systém magnetického vlaku používa supravodivé magnety, ktoré sú drahšie ako obyčajné elektromagnety, a naviac vyžaduje chladiaci systém vo vlaku na udržanie ich nízkej teploty. 7 km dlhá trať, postavená podľa schém vyvinutých v USA v neskorých 60. a skorých 70. rokoch, je v prevádzke v Miyazaki, v Japonsku. Japonský "MAGLEV"
V 60.
rokoch sa japonská vláda pustila do výskumného programu, aby zistila, či bude technológia magnetického nadnášania pri veľmi vysokých rýchlostiach realizovateľná
V nasledujúcom období bol podrobený analýze lineárny synchrónny systém a v roku 1977 vybudovaná 7 km dlhá skušobná trať v spomínanom Mijazaki. Bol tu dosiahnutý svetový rekord 517 km.h-1. Ďalšie testy obmedzila krátka dĺžka trate a tiež limity pohonnej jednotky. V roku 1990 preto japonská vláda postavila novú skúšobnú trať (o dĺžke 42 km) blízko Tokia. Ukázalo sa, že nový systém môže zároveň prekonať prudké stúpanie pri vysokých rýchlostiach, bez preklzávania. Keďže pohonné jednotky "Maglev" nemajú pantografy a neprichádzajú do styku s vodiacou dráhou, umožňujú podstatne znížiť hluk. Práve supervodivé magnety sú nutnou podmínkou k znížení hmotnosti vyzdvihnutých vozov.
Cieľom bolo dosiahnuť rýchlosť 550 km.h-1. Mala byť nasadená druhá vlaková súprava pre experiment, kde sa budú 2 vlaky míňať pri relatívnej rýchlosti 1000 km.h-1. Výsledky tohto experimentu mali objasniť, správanie sa vlakov pri vzájomnom sa míňaní, v dôsledku náhlej aerodynamickej zmeny
Čo sú to vlastne tie supravodiče, o tom v nasledujúcom texte. Maglev/ODU Presentation 8-9-01 (3.99 MB)
Supravodiče
V roku 1911 objavil holandský fyzik Kamerling Onnes jav, ktorý nazývame supravodivosť. Zistil, že pri teplote 4,2 oK klesá odpor ortuti na nemerateľne malé hodnoty. Môžeme teda hovoriť o tom, že supravodiče majú skutočne nulový odpor. Supravodivosť je pokles elektrického odporu niektorých látok pri teplotách nižších ako určitá kritická teplota na nemerateľne nízku hodnotu. Hovoríme preto že látka má nulový odpor.
Supravodivý stav sa v supravodičoch vyskytuje len ak je splnená naslededovná podmienka a síce, teplota supravodiča je nižšia ako kritická teplota, preto potrebuje byť magnetický systém chladený. Kritická teplota závisí od štruktúry supravodiča. Môžeme ju teda ovplyvňovať štruktúrnym zložením materiálu. V niektorých prípadoch závisí od hrúbky materiálu a tlaku. Prímesami môžeme kritické veličiny zvyšovať alebo znižovať. To sa využíva pri objavovaní nových supravodičov. Ako už bolo spomenuté jav supravodivosti nastáva pri veľmi nízkych teplotách. Tieto teploty sa dosahujú v chladiacich zariadeniach pomocou skvapalnených plynov. Veľmi nízke teploty, héliové teploty (od 0,2 do 4,2 oK) sa získavajú kvapalným héliom. Jeho výhodou je, že za normálneho tlaku vôbec neexistuje v tuhom skupenstve. Má tú nevýhodu, že je drahý, preto aj cena Maglevu stúpa.
Využitie supravodičov:
· bezstratový prenos elektrickej energie
· výroba supravodivých magnetov
· hromadenie elektrickej energie
· vinutia transformátorov ( zmenšenie rozmerov a hmotnosti s výkonom 2 až 3 GV.A)
Uvažuje sa aj o využití supravodičov v počítačoch, v meracej technike a vo výskume vesmíru. Najväčšou prekážkou väčšieho využívania supravodičov je nízka kritická teplota
Objav supravodivosti patrí medzi najvýznamnejšie objavy 20. storočia. V súčasnosti, keď už bola podstata supravodivosti objasnená aj teoreticky a bola objavená tzv. vysokoteplotná supravodivosť, sa všetky predpovede budúcnosti supravodičov zhodujú v tom, že sú to perspektívne materiály, ktoré spôsobia revolučný skok nielen v elektrotechnike a elektronike, ale aj v technike vôbec.
95.5 KB Windows Media Player
Magnetické dráhy v Číne
Krajinou, ktorá sa ekonomicky náročných dráh nebojí, je trochu prekvapivo Čína. V spolupráci s nemeckými spoločnosťami Siemens a Thyssen-Krupp, ktoré vytvorili konzorcium nazvané Transrapid International, tam vzniká trať o dĺžke tricať kilometrov. Spojí stanicu metra Long Yang Road v centre Šanghaja a letisko Pudong. Maglev sa bude pohybovať rýchlosťou 430 kilometrov za hodinu a doba potrebná k prekonaniu vzdialenosti sa skráti zo štyridsaťpeť minút na osem. Vlaky by malý mať tri až šesť vozov a mali by odchádzať každých desať minút. V roku 2005 sa tak dopraví podľa prepočtov 10 miliónov ľudí za rok a toto množstvo by sa malo do roku 2010 zdvojnásobiť. Očakáva sa, že počet návštevníkov cestujících za zábavou i obchodom stále porastie. NEMECKÝ TYP
Princíp
Tento typ používa konvenčné elektromagnety namontované na konci dvoch konštrukcií pod vlakom. Konštrukcia sa obopína okolo trate a pod ňou. Spodná časť magnetov sa priťahujú smerom k oceľovým koľajniciam a zdvíhajú tak vlak. Pohybujúci sa magnet indukuje elektrický prúd. Tento indukujúci prúd vytvára vlastné magnetické pole, a to odpudzuje pohybujúci sa magnet. Keďže elektrický prúd sa môže indukovať v ľubovoľnom vodiči (kove), tak použité magnety odpudzujú všetky kovy. V praxi používané vodiče sú meď a hliník. Lenže takáto odporová sila existuje len krátko po tom, čo sa magnet priblíži ku kovu. Elektrický odpor kovov rýchlo zmenšuje indukujúci prúd. Preto, keď sa magnet priblíži ku kusu nemagnetického kovu, magnet a kov sa navzájom odpudzujú, ale len na zlomok sekundy. Keď je magnet hodený na medenú platňu, magnet sa spomalí, ale nevznáša sa. Ale keby sa magnet mohol pohybovať potom by približujúce sa nové časti kovu spôsobili obnovovanie prúdu, a tým by sa odporová sila nestrácala. Tento systém je však dosť nestabilný; vzdialenosť medzi elektromagnetmi a traťou, ktorá je 10 mm, musí byť neustále monitorovaná a regulovaná počítačom, aby sa predišlo dotyku vlaku a trate.
31,5 km dlhá trať v Emslande, v Nemecku je testovaná na tento systém magnetického vlaku. Konštrukčné usporiadanie
Vodiaca dráha
Vodiaca dráha môže mať jednoduchý alebo dvojitý prierez. Je zhotovená z betónových nosníkov o hmotnosti 175 ton a dĺžke 24 metrov, ktoré sú umiestnené na stĺpoch, aby bol vylúčený kontakt so zemou. Polohové senzory
Keď sa vlak pohybuje, palubný počítač sleduje jeho polohu podľa zachytených značiek umiestnených na dráhe. Výmena informací s centrálnym riadiacim strediskom prebieha pomocou rádiových vĺn. Podvozok
Podvozok vlaku obopína vodiacu dráhu tak, že spodok vlaku sa vznáša 150 milimetrov nad dráhou, aby prekonal drobné prekážky, napr. sneh. See a Mag-Lev train in action!
See a Mag-Lev train in action!
(mpg format - 208 KB)
(mpg format - 208 KB)
Záložné batérie
Nevýhodou je skutočnosť, že vlak musí byť neustále pripojený k zdroju energie. Pokiaľ by došlo k výpadku, stroj by udržali vo vzduchu akumulátory umiestnené na jeho palube.
Batéria na palube je dobíjaná z generátora zabudovaného do nosných magnetov. Ich úlohou je zabezpečiť i počas výpadku elektrického prúdu nadnášanie vlaku. Smer jazdy
Maglev je poháňaný magnetickým poľom, ktoré prechádza vodiacou dráhou. Ak sa zmení jeho smer, vlak začne spomaľovať. Oba typy magnetického vlaku využívajú magnetickú vlnu pohybujúcu sa pozdĺž trate a poháňajúcu vlak, ktorý sa vznáša nad traťou.
POUŽÍVANÉ POHONY
Rozlišujeme 2 typy motorov: Lineárny asynchrónny motor (LAM) a Lineárny synchrónny motor (LSM). LAM a LSM sú konštrukčne veľmi podobné , ich správanie je však podstatne rozdielne. Oba typy motorov sa skladajú zo statora a rotora, ktoré sú zložené z magneticky vodivých látok ako je oceľ, a oba typy využívajú trojfázový prúd tečúci cez vodiče statora. LINEÁRNY ASYNCHRÓNNY MOTOR (LAM)
LAM pracuje na systéme magnetických cievok, cez ktoré prechádza elektrický prúd, čím sa vytvára magnetické pole. V každej cievke je rozdielny prúd, v dôsledku čoho je magnet v strede priťahovaný a roztáča sa. Táto situácia sa dá rozložiť plošne. Potom sa magnet vo vlaku pohybuje na trati, v ktorej sú zabudované cievky, kde sa mení intenzita prúdu. Tieto indukované prúdy vzdorujú zmene v magnetickom poli podľa Faradayovho zákona. Indukované prúdy potom vzájomne pôsobia s pohybujúcim sa magnetickým poľom, čo má za následok silu, ktorá pohybuje rotor spolu s pohybujúcim sa poľom v statore. Namiesto magnetu sa využíva ako rotor, kotva zhotovená z oceľových plechov s drážkami, v ktorých sú uložené silné vodiče z hliníka alebo z medi.
V čelách rotora sú však vodiče spojené prstencom takže vinutie má tvar klietky. Prierez vodičov závisí od výkonu na aký je motor skonštruovaný. Točivé magnetické pole cievok statora indukuje vo vinutí kotvy veľké prúdy. To má za následok vznik síl, ktoré kotvu roztočia v smere rotácie točivého poľa. Kotva sa však nikdy nemôže otáčať rovnakou frekvenciou, akou sa otáčal magnet, t.j. synchrónne s točivým poľom. Pri synchrónnom otáčaní by totiž vinutie kotvy bolo vzhľadom na indukčné čiary relatívne v pokoji, prúd by sa v ňom neindukoval a príčina otáčania by zanikla. Preto sa rotor otáča vždy s menšou frekvenciou alebo synchrónne. LINEÁRNY SYNCHRÓNNY MOTOR (LSM)
LAM ako aj LSM sa skladajú z rotora a statora. Rozdiel spočíva v rotore, kde sa nachádzajú dva jednosmerné káble, vzdialené od seba v rovnakých vzdialenostiach. Magnetické pole je vytvorené, ale indukované prúdy sú omnoho menšie ako v prípade LAMu. Jedným dôvodom je rozdielna kompozícia rotora, ktorý môže byť lamelový alebo pozostávať z materiálu veľkého odporu. POROVNANIE
Oba motory majú schopnosť pohybovať rotor vo vzťahu na stator bez fyzického kontaktu. Toto drasticky redukuje opotrebovanie zapojených častí a eliminuje trecie sily, ktoré spôsobujú neúčinnosť. LAM motory majú schopnosť zrýchliť rotor z pokoja po rýchlosť pohybujúceho sa magnetického poľa. LSM, však nemá schopnosť zrýchliť rotor z pokoja na rýchlosť rýchlo sa pohybujúcich magnetických polí. To znamená, že magnetické vlaky, ktoré využívajú LSM musia začínať synchronizovanú rýchlosť veľmi pomaly a pomaly ju zvyšovať alebo použiť ďalší pohon na zrýchlenie. Konkrétne Japonsko používa pri menších rýchlostiach počas rozbehu kolesá s iným pohonom, ktoré sa potom zasunú podobne ako u lietadiel.
Magnetické vlaky môžu zaistiť budúcu ekologicky prijateľnú dopravu medzi mestami i medzi ich centrami a letiskom. Pokrok vo vývoji elektroniky, magnetických materiálov a supravodičov sľubuje ďalší pokrok tejto technológie.
VÝSTAVBA
Terajšie plány pre vysokorýchlostné systémy magnetických vlakov zahŕňajú 283 km dlhú trať z Berlína do Hamburgu, ktorá bola schválená nemeckým parlamentom a už spomínané Maglevy v Japonsku a Číne.
V USA vzbudili veľký záujem systémy magnetických vlakov, s plánmi vyvinutými na Floride, Kalifornii, Nevade, New Yorku a Pennsylvánii. Štúdie ukončené federálnou vládou v roku 1993 dospeli k potenciálnym výhodám systému magnetického vlaku a naštartovali národný vývojový program.
Brzdiace zariadenie magnetického vlaku využívajúce odpor vzduchu, počas plnej rýchlosti je sklopené
US Maglev Maglev Japonais
maglevmotion1.wmv 1.65 MB maglevmotion2.wmv 1.68 MB
VÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
Maglev ponúka mnoho výhod oproti konvenčným vlakom, ktoré využívajú oceľové kolesá na oceľových koľajniciach. Pretože sa magnetické vlaky nedotýkajú trate, ich systémy prekonávajú obmedzenia koľajových vlakov, ako vysoké náklady udržiavania precízneho usporiadania tratí, nadmerné vibrácií a poškodzovanie koľají pri vysokých rýchlostiach, spoľahlivejšia prevádzka vo veľkom daždi, snehu a ľade; a zníženie hlučnosti. Tak ako všetky ostatné elektrické transportné systémy, redukujú použitie ropy, a neznečisťujú ovzdušie, ako dieselové lokomotívy a autá.
Maglevy môžu poskytnúť trvalé rýchlosti väčšie ako 500 km/h, limitované len nákladmi energie potrebnej na prekonanie odporu vzduchu. Skutočnosť, že sa maglevy nedotýkajú trate, má taktiež ďalšie výhody: rýchlejšia akcelerácia a brzdenie, väčšia schopnosť stúpania. Zatiaľ čo klasický zvládne maximálne štvorpercentné stúpanie, malgev si poradí i s desaťstupňovým stúpaním. Aj keď sa to nezdá, maglev spotrebuje omnoho menej energie než nemecký elektrický rýchlovlak ICE. To preto, že elektrickou energiou je napájaná len tá časť trate, nad ktorou sa nachádza magnetický vlak. Ostatné časti sú vypnuté až do chvíle, kedy sa vlak přiblíží. Najväčšiu spotrebu energie má na svedomí udržanie rýchlosti nad štzristo kilometrov za hodinu, pretože je potrebné prekonať veľký odpor vzduchu. Aj tak je však spotreba o tridsať percent nižšia. NEVÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
Ako už bolo povedané, stroje pohybujúce sa vplyvom magnetického poľa potrebujú na svoju prevádzku vlastné trate i stanice. V európskych mestách by to znamenalo náročné stavebné úpravy. Cestujúci by museli prestupovať, pričom práve činnosti spojené s nákupom lístku a nástupom do vozu zaberú najviac času. Maglev musí rovnako ako každý iný vlak v nejakom časovom rozpätí získavať rýchlosť a potom opäť brzdiť, takže úspora času plynúca z väčšej rýchlosti môže nakoniec byť celkom bezvýznamná. Pre jedných je omnoho drahšia než klasické konvenčné dráhy, druhí v nej jednoducho nemajú dôveru. Japonský systém napríklad, potrebuje pre svoju prevádzku kryogénne vybavenie na vozoch k chladeniu supravodivých cievok, ktoré sa musí udržiavať na teplotách blízkych absolútnej nule, v tomto případě 5 stupňov Kelvina (cca - 268 oC), aby pracovali aspoň trochu efektívne. Nemecký Maglev používa naproti japonskému systému konvenčné elektromagnety. Každý voz musí byť vybavený senzormi a obvodmi spätnej väzby k zaisteniu bezpečnej vzdialenosti medzi magnetmi a traťou. Ani jeden systém nieje bezpečný.
Poškodenie kontrolného systému, alebo výpadok energie môže spôsobiť náhly výpadok nadnášacej (levitačnej) sily, a to by samozrejme pri plnej rýchlosti spôsobilo katastrofu. Starostlivé spracovanie môže riziko minimalizovať, ale nemôže ho vylúčiť. VPLYV VZNIKAJÚCEHO MAGNETICKÉHO POĽA NA ČLOVEKA
Dalo by sa čakať, že v stroji poháňanom elektromagnetickým poľom bude magnetizmus zasahovať i do kabíny. Opak je pravdou a pre cestujúcich preto neplatí žiadne obmedzenie. Skúšobných jázd v Emslande v Nemecku sa zúčastnili tiež seniori, z nich niektorí mali i kardiostimulátory, a napriek tomu nezaznamenali žiaden problém. Ďalším prínosom maglevu je nízka hlučnosť. Podľa údajov konzorcia Transrapid je hluk vlaku idúceho rýchlosťou tristo kilometrov za hodinu vo vzdialenosti dvadsaťpäť metrov o polovicu nižší než u elektrických rýchlovlakov, akým je povedzme francúzske TGV. VYHLIADKY
Stavba tratí pre elektromagnetické pole je najmenej o polovicu drahšia než u tradičných železníc. Na dlhé vzdialenosti by vlaky mohli prevážať náklad i cestujúcich rýchlejšie než letecké linky. Technológia vznášajúcich sa vlakov bola vyvinutá pre dlhšie trate, ale ani mestské použitie nieje pre ich tvorcov nezaujímavé. Pre hovorí hlavne skutočnosť, že mestské letiskové linky, ktoré sa pohybujú na vzdialenosti neprekračujúce päťdesiat kilometrov, by nemali zaťažovať okolie priveľkým hlukom. Túto podmienku maglev bez pochýb spĺňa a jeho výhodou je väčšia rýchlosť, než dokáže ponúknuť klasický vlak. A práve z tohto dôvodu si magnetické vznášadlo svoje miesto na svete možno udrží. BUDÚCNOSŤ
MAGLEV DRUHEJ GENERÁCIE
HALLBACHOV RAD
V Lawrence Livermore National Laboratory je vyvíjaný iný druh magnetického nadnášania, ktoré je omnoho lacnejšie a hlavne jednoduchšie a spoľahlivejšie. Myšlienka sa zrodila pri výskumoch minimalizácie strát u zotrvačníkových batérií automobilov, kde ako ložiská bolo využité magnetické pole, korigované elektromagnetmi. Ložiska vyvinuté v Lawrence Livermore National Laboratory používala valcovité magnety k stabilizácii zotrvačníkov. Napadlo ich ako využiť tento systém k nadnášaniu rôznych pohybujúcich sa predmetov pri zachovaní optimálnej vzdialenosti medzi predmetom a traťou. Nová generácia maglevov bola na svete.
Nový systém dostal názov Indutruck (induce truck).
PRINCÍP ,,Hallbachov rad,,
Ide o nový spôsob pasívneho magnetického nadnášania, pri využití nesupravodivých magnetov alebo elektromagnetov. Namiesto supravodivých magnetov ostáva premyslená zostava špeciálny rad silnejších magnetov, aké sa bežne doposiaľ využívali.
Fungujú optimálne pri izbovej teplote a sú o niečo efektívnejšie než ich minulá generácia. Na spodnej strane každého vozu sa nachádza rad pravouhlých magnetov zoradených nasledovne:
orientácia prvého - hore,
orientácia druhého - doprava,
orientácia tretieho - dole
(to je sekvencia jednej polovice opakujúcej sa pozdĺž celého vozu)
nasleduje sekvencia:
prvý (zároveň tretí z prvej polovice) dole,
druhý doľava,
tretí hore (zároveň prvý ďalšieho opakujúceho sa úseku). Táto sekvencia dostala názov podľa svojh
o objaviteľa Klausa
ZLOŽENIE TRATE
Trať je samozrejme špeciálne navrhnutá pre danú aplikáciu. Je zložená z uzavretých cievok, prispôsobených k pokiaľ možno najlepšej indukcii elektrického prúdu. Cievky sú hranaté a podobajú sa rozmermi i tvarom okennému rámu. Pri pohybe tohto Hallbachovho radu sa v trati indukujú elektrické prúdy, ktoré podľa Lenzovho zákona o indukcii (objaveného M. Farradayom v roku 1831) vytvárajú magnetické pole pôsobiace svojou orientáciou proti zmene, ktorá ho vyvolala. Inými slovami oba prvky - Hallbachov rad vo voze a cievky v trati - sa odpudzujú. Keby šlo o obyčajné magnety a cievky, fungovalo by nadnášanie najviac prvých pár blokov magnetov, potom by sa prestali v dôsledku odporu cievok odpudzovať a voz by dosadol na trať.
SPRÁVANIE SA MAGNETICKÉHO POĽA
Špeciálne usporiadanie Hallbachovho radu však zaručuje rovnakú nadnášaciu silu na akomkoľvek dlhom úseku vozu. Dochádza tu totiž k indukcii, nasledovne k zmene orientácie o 90 stupňov, hneď nato o ďalších 90 stupňov rovnakým smerom, čím sa celkom otočí polarita. A všetko sa opakuje až ku koncu vozu. Jednoducho povedané dochádza tu k vyvolaniu reakcie a následne k jej anulácii. Indutruck ako už názov napovedá funguje na princípe zindukovania trate, čím sa vyvolávajú odpudivé sily. Toto samozrejme neplatí, keď sa voz nepohybuje. Je tu teda určitá medzná rýchlosť, pri nej sa voz vznesie na trať. Tejto rýchlosti sa hovorí tranzitná rýchlosť. Aj keď sa to zdá neuveriteľné tranzitná rýchlosť je veľmi nízka. Jej hodnota je asi 10 km.h-1, čo je len o málo viac než rýchlosť kráčajúceho človeka. Pri prekonaní tejto rýchlosti sa bude voz vznášať len niekoľko centimetrov nad traťou, ale už sa to dá nazvať levitácia. Magnetické pole sa od tejto rýchlosti vyššie začína chovať ako spružina. Výchylka je priamoúmerná sile a naopak. Tento systém zaručuje prirodzenú stabilitu vozu.
Napríklad v zákrute, keď je vonkajšia strana vozu vplyvom odstredivej sily priťahovaná, sa výchylka z rovnovážnej polohy zväčšuje a tým rastie i sila. Sila však nerastie lineárne, ani kvadraticky ako odstredivá, ale exponenciálne. To je veľmi žiadúce, pretože bod rovnováhy sa bude nachádzať vyššie než by sme očakávali a nedôjde k veľkému náklonu vozu. Podobne sa chová voz v predu kde je tlačený aerodynamickou silou k trati. Ide o autostabilizačný systém, ktorý nepotrebuje žiadne kontrolné obvody. Dokonca nieje potrebný ani prívod elektrickej energie, lebo tá sa vytvára pomerne efektívne pri samotnom pohybe. V minulosti inžinieri neverili tomu, že by permanentné magnety mohli vyvinúť dostatočne silné magnetické pole.
Nasledujúce výsledky výskumu ich však presvedčili o opaku. Z teoretických simulácii vychádza, že pomer hmotnosti nadnášanej ku hmotnosti magnetu je až neuveriteľne vysoký - 40t / 800kg/m2, teda asi 15:1. Stojí za zmienku, že magnety sú vyrobené z Neodym-železo-boranu. Z toho vyplýva, že systém Indutrucku by mohol mať podobné usporiadanie ako klasické vozy
- mal by na spodku vozu dva Hallbachove rady. Menší Hallbachov rad by mohla byť umiestnený tak, že by kompenzoval axiálne sily (vznikajúce v oblúku trate). V podstate veľký rad nahrádza koleso a malý oporné koliesko. EFEKTÍVNOSŤ
Hlavné hľadisko pre každý maglev je jeho efektivita nadnášacieho systému a prevádzkové náklady. Oproti japonskému a nemeckému maglevu nepotrebuje Indutruck k vznášaniu elektrickú energiu, v tom nieje zdroj neefektyvity. Aby sa voz vznášal, musí sa samozrejme pohybovať a k tomu je potrebné prekonať hneď niekoľko odporových síl. Je to sila aerodynamická, zotrvačná pri rozjazde, sila odporová v dôsledku sklonu trate (do kopce), a nakoniec sú to straty počas samotnej indukcie v trati. Odporové sily sú priamoúmerné odporovým silám vznikajúcim pri pohybe po kolesách u klasického vlaku. Oproti klasickému vlaku sú tieto sily pri typických rýchlostiach maglevu 250 - 500 km.h-1 veľmi nízke. Samozrejme rastú rovnako ako sila aerodynamického odporu úmerne rýchlosti.
V leteckom priemysle sa konštruktéri uchyľujú ku kompromisu medzi silou čelnou odporovou a silou vztlakovou, kedy zvažujú vhodnosť toho či iného tvaru krídla. Väčšinou sa u podzvukových rýchlostí dosahuje pomeru sily vztlaku ku odporu 25:1. Tento pomer , označovaný ako L/D (Lift/Drag) sa príliš s rýchlosťou nemení. U Indutrucku je niečo podobné, len sa tu porovnáva sila vznášania so silou magnetického odporu, spôsobenou neideálnym tvarom hysteréznej slučky a odporom cievok.
V začiatkoch, aby bolo na čom stavať, bolo nutné sa rozhodnúť pre správny pomer. V tomto ohľade je pripisovaná zásluha Dimitrij D. Ryutovi, pôsobiacemu v tom čase na Budkerovom ústave nukleárnej fyziky v Novosibirsku v Rusku. Je známi vďaka magneticky regulovanej plazme pre jadrovú fúziu. Svoje skúsenosti predal týmu pracujúcemu na systéme Indutrucku.
Vedci z Lawrence spočítali, že pomer L/D u Indutrucku úzko korešponduje s rýchlosťou pohybu Hallbachovho radu nad traťou. Keď vlak stojí je rovný nule, lebo nadnášacia sila pochopiteľne nevzniká. Ako sa začína pohybovať, nadnášacia sila rýchlo rastie a polovicu svojej maximálnej hodnoty dosahuje už pri rýchlosti 5 - 10 km.h-1. Ide o tranzitnú rýchlosť. Pri dvojnásobnej tranzitnej rýchlosti už dosahuje 80% svojej maximálnej hodnoty a L/D je rovný 5. Vidíme teda, že systém Indutruck je vysoko efektívni už pri veľmi nízkych rýchlostiach. Pokiaľ by boli vozy vybavené kolesami pre začiatočné rýchlosti nachádzajúcej sa pod tranzitnou rýchlosťou, mohli byť nasadené do prevádzky. Efektivita však ešte rastie. Keď voz zvyšuje svoju rýchlosť, pomer L/D môže dosiahnuť i hodnoty 200 pri maximálnej rýchlosti 500 km.h-1. Pokiaľ dôjde k náhlemu výpadku energie, nič sa nedeje. Vlak má stále rýchlosť a taktiež i nadnášacia sila stále existuje. Voz teda jednoducho znižuje svoju rýchlosť až po poklese pod tranzitnú rýchlosť dosadne na kolesá a zastaví. Ďalším spôsobom ako merať jazdné odpory je zamerať sa na spotrebu energie. Voz vážiaci 50 ton a pohybujúci sa rýchlosťou 500 km.h-1, potrebuje asi 300 - 600 kW výkonu. RIADIACI SYSTÉM INDUTRACKU
Zatiaľ bola popísaná len jedna časť systému Indutruck - Hallbachov rad a traťové slučky. Trať však môže mať mnoho podôb, žiadané sú len jej vlastnosti. Mohla by byť zostavená napríklad z profilov potiahnutých ochranným hliníkovým filmom. Išlo by o jednoduchú výrobu. Ďalšia možnosť zefektívnenia by mohlo spočívať vo využití Indukovaného nábehu. Dalo by sa to aplikovať u cievok tratí tak, že by sa po okraji každej cievky vložili dosky z oxidu železa. Táto zmena spôsobí zníženie indukovaného elektrického prúdu v cievke a tým zníži i straty vyplývajúce z odporu cievky. Ak bude magnetická sila odporu nižšia, sila zdvihu bude prekonaná skôr, čo by viedlo k zníženiu tranzitnej rýchlosti. Celé zostava síce povedie k zníženiu maximálnej nosnosti pod 40 ton.m-2 , na druhej strane pôjde o zjednodušenie konštrukcie. Jedna z výhod systému Indutruck je možnosť obsiahnuť v sebe širokú škálu riadiacich systémov.
Pokiaľ by bola trať napájaná elektrorozvodnou sieťou, mohol by byť voz poháňaný jazdnými cievkami pozdĺž trate. Tie by mohli byť impulzne riadené a v súlade s Hallbachovým radom spôsobovať akceleráciu a deceleráciu vlaku. V oblastiach, kde by bola elektrifikácia trate príliš nákladná - farmárske oblasti medzi mestami, bol by vlak poháňaný povedzme plynovou turbínou, vytvárajúcou ťah rovnaký ako ťah motorov prúdových lietadiel. Pretože jazdné odpory sú len aerodynamické, mohla by vrtuľa urýchliť vlak na veľmi vysoké rýchlosti.
Po simulácii bol postavený i malý fungujúci model. Bolo potrebné teóriu overiť v praxi a tím demonštrovať stabilitu celého systému. Testovacia trať dĺžky 20m bola navrhnutá pre model o hmotnosti 22kg. V trati bolo umiestnených asi 1000 cievok každá o priemere asi 15cm. Do dosiahnutia tranzitnej rýchlosti sa model pohyboval na kolesách a potom sa vzniesol. Boli merané jazdné vlastnosti za použitia laserovej techniky. Testy overili výpočty a dokázali prevádzkyschopnosť celého zariadenia. Vyplynulo z nich tiež, že systém Indutruck je omnoho lacnejší ako Nemecký maglev. Výroba by bola dvojnásobkom ceny klasického vlaku, jeho cena sa pohybuje okolo 2 miliónov $. V prevádzke je lacnejší než klasický vlak.
ĎALŠIE POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY
POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY PRI ŠTARTE RAKETOPLÁNU
Jednou z najväčších prekážok rozsiahleho výskumu a využívania vesmíru je vysoká cena za kilogram dopravovaného nákladu. Americký Národní úrad pre letectvo a kozmonautiku (NASA) preto má množstvo programov, v rámci ktorých hľadá lacnejšie spôsoby dopravy vo vesmíre.
V súčasnosti stojí jediný štart raketoplánu amerických daňových poplatníkov približne 420 miliónov dolárov. Na konci vývoja novej generácie raketoplánov v rámci programu Venture Star by malo nastať desaťnásobné zníženie nákladov. Po úspešných testoch Maglevu projevil NASA záujem o jeho využitie. Výsledkom je magnetická dráha urýchľujúca raketoplán v prvej etape (rozumie sa pod tým pojmom štart raketoplánu) jeho letu. Miesto vagónu sa na magnetické dráhe nachádza kozmická loď.
VÝHODY MAGNETICKEJ DRÁHY
Využitie magnetickej dráhy má celý rad výhod. Namiesto drahého a ťažkého paliva a motoru na jedno použitie je využívaná lacná elektrická energia zo siete. Celé zariadenie ostáva na Zemi pripravené k ďalším štartom. Počíta sa s akceleráciou na Mach 0,8. Potom by došlo k zábehu vlastných motorov. Ide vlastne o katapult. Cena vypustenia družice by klesla o 30 - 40%.
Bola postavená testovacia dráha dĺžky 100m a testovalo sa vypoušťanie rakety o hmotnosti 10 kg s akceleráciou na Mach 0,5. Systém je schopný vyvinúť zrýchlenie s preťažením 10G, v praxi sa používa preťaženie 3G. Päťkilogramový vozík tak behom zlomku sekundy dosiahne rýchlosť okolo 90 km.h-1. Predpokladané zrýchlenie sa pre pasažierov píliš nehodí. Tak bude môcť byť raketoplán s rovnakou hmotnosťou nákladu až o dvacať percent ľahšia. Toto NASA skúša na zmenšených modeloch v Marshall Space Flight Center v alabamskom Huntsville.
Pokiaľ bude raketoplán mnohonásobne použiteľný, potom cena za kilogram vynesený do vesmíru klesne z dnešných desiatok tisíc na niekoľko stovák, alebo dokonca i desiatok dolárov.
Magnetické dráhy NASA skúma v rámci Advanced Space Transportation Program - Program pokročilej vesmírnej dopravy. Praktické využitie je zatiaľ vzdialené, už dnes sa ale objavujú zaujímavé návrhy. Magnetické kozmodromi by podľa expertov mali byť umiestnené na rovníku, kde by raketoplán naviac využil i rotáciu Zeme okolo vlastnej osy. Trvalé slnečné počasie v trópoch by dovolilo napájať dráhy lacnejšie a hlavne ekologicky neškodne napájať zo solárnych článkov.
ZÁVER
Len čas ukáže, či bude niekedy systém Indutruck využívaný v praxi. Mnoho sa musí doriešiť, doladiť a niektoré technológie sa celkom iste dostanú do nášho bežného života. Nečistoty podstatne ovplyvňujú chovanie sa magnetického poľa, z tohto dôvodu je potrebné riešiť spôsob čistenia trate počas prevádzky.
Freight UST routs
UST routes in places of tourism and rest, in conditions of city
Zdroj internet
http://stoplusjedna.newtonit.cz/stare/200301/so01a00e.asp
http://mujweb.atlas.cz/www/astrolisty/clanky/clanek13.html
http://www.referaty.sk/?referat=2420
Obsah
ÚVOD 3
HISTÓRIA 3
KLASICKÉ ŽELEZNICE 3
MAGLEV PRVEJ GENERÁCIE 4
PRÍTOMNOSŤ 5
NADNÁŠANIE
JAPONSKÝ TYP 5
Princíp
Japonský "MAGLEV"
Supravodiče
Magnetické dráhy v Číne
NEMECKÝ TYP 10
Princíp
Konštrukčné usporiadanie
Vodiaca dráha
Lokalizačné senzory
Podvozok
Záložné batérie
Smer jazdy
POUŽÍVANÉ POHONY 13
LINEÁRNY ASYNCHRÓNNY MOTOR (LAM)
LINEÁRNY SYNCHRÓNNY MOTOR (LSM) 14
POROVNANIE
VÝSTAVBA 15
VÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU 16
NEVÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
VPLYV MAGNETICKÉHO POĽA NA ČLOVEKA 17
VYHLIADKY
BUDÚCNOSŤ 17
MAGLEV DRUHEJ GENERÁCIE
HALLBACHOV RAD
PRINCÍP ,,Hallbachov rad,,
ZLOŽENIE TRATE 19
SPRÁVANIE SA MAGNETICKÉHO POĽA
EFEKTÍVNOSŤ 20
RIADIACI SYSTÉM INDUTRACKU 21
ĎALŠIE POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY 22
POUŽITIE MAGNETICKEJ DRÁHY PRI ŠTARTE RAKETOPLÁNU
VÝHODY MAGNETICKEJ DRÁHY
ZÁVER 24
ÚVOD
Pre túto tému som sa rozhodol z dvoch dôvodov. Chcel som poznať princíp činnosti magnetického vlaku a tak isto je v mojom záujme, študovať vlastnosti prostredia nachádzajúceho v našom okolí a využiť to vo všeobecný prospech
HISTÓRIA
KLASICKÉ ŽELEZNICE
Od zavedenia prvých železničných tratí už uplynulo takmer 170 rokov. Verejnosť od železnice očakáva, že bude priateľská k životnému prostrediu, menej hlučná a že spotrebuje menej energie. Požaduje sa kvalitnejšia jazda a jazdné pohodlie. Vysokorýchlostné systémy musia vykazovať nízke náklady na údržbu a vysokú úroveň bezpečnosti. Pokiaľ sa to nepodarí, železnice stratia reálnu nádej obstáť v konkurencii s automobilovou a leteckou dopravou XXI. storočia.
Obvyklé železničné systémy využívajú k dosiahnutiu hnacej sily trenie medzi koľajnicami a oceľovými kolesami. Dochádza pritom k strate adhézie, a to pri maximálnych rýchlostiach nad 350 km.h-1. MAGLEV PRVEJ GENERÁCIE
Začiatkom dvaciateho storočia premýšľal americký fyzik Robert Goddard o pôsobení magnetických síl a pri tejto príležitosti ho napadla zaujímavá myšlienka. Spočívala v jednoduchom zistení. : Another Faraday Experiment
Rovnaké póly magnetov sa odpudzujú silou pozoruhodnej veľkosti. Tieto sily je možné využiť. Pokiaľ by sme jeden rad magnetov umiestnili do zeme a druhý do spodnej časti vozu ľahkej konštrukcie, dostali by sme dopravný prostriedok, ktorý by sa mohol doslova vznášať. Tak sa zrodil pojem magneticky nadnášaný (magnetically levitated) dopravný prostriedok, skrátene maglev. Vo vedeckých kruhoch sa tento nápad uhniezdil na dlhé desaťročia. Goddard sám popísal vlak pohybující sa nad magnetickými koľajnicami vo vákuovom oceľovom tunely, kde by odpadol odpor vzduchu. Ďalším prínosom bol patent francúzskeho vynálezcu Emila Bacheleta. Jeho maglev bol poháňaný elektromagnetmi napájanými striedavým prúdom. Tie sú totiž omnoho účinnejšie než klasické magnety. Pozadu neostali ani Nemci. V roku 1935 sa inžinier Hermann Kemper pokúsil spojiť výhody lietadiel a vlakov a skonštruoval nový druh vysokorýchlostného dopravného prostriedku. Jednoduchá schéma nápadu
Samotný nápad využiť magnetickú silu k nadnášaniu vlakov pochádza zo šesťdesiatych rokov, keď páni Gordon T. Danby a James R. Powell z Brookhaven national Laboratory predložili návrh na využitie supravodivých cievok, ktoré by vytvárali magnetické pole s následným využitím u nadnášania vlakov.
V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch boli v Nemecku a Japonsku postavené prvé prototypy maglevov. V 70.
rokoch bol po prvý krát predstavený voz na magnetickom vankúši. Bol poháňaný lineárnymi indukčnými motormi a dosiahol rýchlosť 60 km.h-1.S ešte nie celkom vyvinutou technológiou, ktorá by sa mohla použiť až rýchlosti 500 Km.h-1, nebol dovtedy postavený jediný komerčne využiteľný voz. Jeho princíp je známy takmer sto rokov, na realizáciu si počkal až do teraz.
Predovšetkým tu chýba akékoľvek trenie. Vlak sa nikdy nedostane do kontaktu s koľajnicou z toho vyplýva, že je to bez vibrácií, tak typické pre klasické železnice. Jedinú brzdiacu silu predstavuje odpor vzduchu. Maglev sa môže pohybovať tak rýchlo, ako je treba. Bohužiaľ je tu však ešte jeden faktor, ktorý jazde vlakov bráni, a tým sú vysoké náklady. Maglev sa pohybuje po špeciálnych tratiach a potrebuje preto i zvláštne stanice. Európa je ale pretkaná sieťou obyčajných železníc, preto sa zdá rozumnejšie investovať do nákupu vysokorychlostných vlakov klasického typu, ktoré sa dostanú takmer všade.
PRÍTOMNOSŤ
NADNÁŠANIE
Boli vyvinuté dva typy magnetických vlakov. JAPONSKÝ TYP
Jeden typ využíva odporovú silu medzi magnetmi vozidla a elektricky vodivých pásov alebo cievok v trati na zdvihnutie vlaku.
Magnetické pole magnetu, vplývajúce na supravodivé cievky v trati
Keď sa magnet priblíži k supravodivej cievke, indukuje náboj v tvare kruhu. Keďže supravodič nemá žiaden odpor, prúd sa nezmenší, protikladné magnetické polia budú taktiež konštantné a magnet sa bude vznášať. Na obr. (a), vidiet rozloženie supravodivých cievok v trati a vplyv ich magnetického poľa na magnety nachádzajúce sa v spodnej časti vlaku
Obr. (b) vyjadruje pohyb vlaku, silové pôsobenie magnetu, na supravodivé cievky v podobe osmičky. Takýto tvar cievok je žiadúci z hľadiska samotného princípu nadnášania, využívajúceho Faradayov zakon ( Zmena magnetického toku v čase je priamoúmerná indukovanému napätiu v cievke, ale opačného znamienka)
Ale tento supravodič potrebuje na svoju prevádzku tekutý dusík (t=-140 oC). Tento systém je v podstate stabilný a nepotrebuje opakované monitorovanie a regulovanie, taktiež medzi traťou a vozidlom je relatívne veľká vzdialenosť, obyčajne 100 až 150 mm. Lenže takýto systém magnetického vlaku používa supravodivé magnety, ktoré sú drahšie ako obyčajné elektromagnety, a naviac vyžaduje chladiaci systém vo vlaku na udržanie ich nízkej teploty. 7 km dlhá trať, postavená podľa schém vyvinutých v USA v neskorých 60. a skorých 70. rokoch, je v prevádzke v Miyazaki, v Japonsku. Japonský "MAGLEV"
V 60.
rokoch sa japonská vláda pustila do výskumného programu, aby zistila, či bude technológia magnetického nadnášania pri veľmi vysokých rýchlostiach realizovateľná
V nasledujúcom období bol podrobený analýze lineárny synchrónny systém a v roku 1977 vybudovaná 7 km dlhá skušobná trať v spomínanom Mijazaki. Bol tu dosiahnutý svetový rekord 517 km.h-1. Ďalšie testy obmedzila krátka dĺžka trate a tiež limity pohonnej jednotky. V roku 1990 preto japonská vláda postavila novú skúšobnú trať (o dĺžke 42 km) blízko Tokia. Ukázalo sa, že nový systém môže zároveň prekonať prudké stúpanie pri vysokých rýchlostiach, bez preklzávania. Keďže pohonné jednotky "Maglev" nemajú pantografy a neprichádzajú do styku s vodiacou dráhou, umožňujú podstatne znížiť hluk. Práve supervodivé magnety sú nutnou podmínkou k znížení hmotnosti vyzdvihnutých vozov.
Cieľom bolo dosiahnuť rýchlosť 550 km.h-1. Mala byť nasadená druhá vlaková súprava pre experiment, kde sa budú 2 vlaky míňať pri relatívnej rýchlosti 1000 km.h-1. Výsledky tohto experimentu mali objasniť, správanie sa vlakov pri vzájomnom sa míňaní, v dôsledku náhlej aerodynamickej zmeny
Čo sú to vlastne tie supravodiče, o tom v nasledujúcom texte. Maglev/ODU Presentation 8-9-01 (3.99 MB)
Supravodiče
V roku 1911 objavil holandský fyzik Kamerling Onnes jav, ktorý nazývame supravodivosť. Zistil, že pri teplote 4,2 oK klesá odpor ortuti na nemerateľne malé hodnoty. Môžeme teda hovoriť o tom, že supravodiče majú skutočne nulový odpor. Supravodivosť je pokles elektrického odporu niektorých látok pri teplotách nižších ako určitá kritická teplota na nemerateľne nízku hodnotu. Hovoríme preto že látka má nulový odpor.
Supravodivý stav sa v supravodičoch vyskytuje len ak je splnená naslededovná podmienka a síce, teplota supravodiča je nižšia ako kritická teplota, preto potrebuje byť magnetický systém chladený. Kritická teplota závisí od štruktúry supravodiča. Môžeme ju teda ovplyvňovať štruktúrnym zložením materiálu. V niektorých prípadoch závisí od hrúbky materiálu a tlaku. Prímesami môžeme kritické veličiny zvyšovať alebo znižovať. To sa využíva pri objavovaní nových supravodičov. Ako už bolo spomenuté jav supravodivosti nastáva pri veľmi nízkych teplotách. Tieto teploty sa dosahujú v chladiacich zariadeniach pomocou skvapalnených plynov. Veľmi nízke teploty, héliové teploty (od 0,2 do 4,2 oK) sa získavajú kvapalným héliom. Jeho výhodou je, že za normálneho tlaku vôbec neexistuje v tuhom skupenstve. Má tú nevýhodu, že je drahý, preto aj cena Maglevu stúpa.
Využitie supravodičov:
· bezstratový prenos elektrickej energie
· výroba supravodivých magnetov
· hromadenie elektrickej energie
· vinutia transformátorov ( zmenšenie rozmerov a hmotnosti s výkonom 2 až 3 GV.A)
Uvažuje sa aj o využití supravodičov v počítačoch, v meracej technike a vo výskume vesmíru. Najväčšou prekážkou väčšieho využívania supravodičov je nízka kritická teplota
Objav supravodivosti patrí medzi najvýznamnejšie objavy 20. storočia. V súčasnosti, keď už bola podstata supravodivosti objasnená aj teoreticky a bola objavená tzv. vysokoteplotná supravodivosť, sa všetky predpovede budúcnosti supravodičov zhodujú v tom, že sú to perspektívne materiály, ktoré spôsobia revolučný skok nielen v elektrotechnike a elektronike, ale aj v technike vôbec.
95.5 KB Windows Media Player
Magnetické dráhy v Číne
Krajinou, ktorá sa ekonomicky náročných dráh nebojí, je trochu prekvapivo Čína. V spolupráci s nemeckými spoločnosťami Siemens a Thyssen-Krupp, ktoré vytvorili konzorcium nazvané Transrapid International, tam vzniká trať o dĺžke tricať kilometrov. Spojí stanicu metra Long Yang Road v centre Šanghaja a letisko Pudong. Maglev sa bude pohybovať rýchlosťou 430 kilometrov za hodinu a doba potrebná k prekonaniu vzdialenosti sa skráti zo štyridsaťpeť minút na osem. Vlaky by malý mať tri až šesť vozov a mali by odchádzať každých desať minút. V roku 2005 sa tak dopraví podľa prepočtov 10 miliónov ľudí za rok a toto množstvo by sa malo do roku 2010 zdvojnásobiť. Očakáva sa, že počet návštevníkov cestujících za zábavou i obchodom stále porastie. NEMECKÝ TYP
Princíp
Tento typ používa konvenčné elektromagnety namontované na konci dvoch konštrukcií pod vlakom. Konštrukcia sa obopína okolo trate a pod ňou. Spodná časť magnetov sa priťahujú smerom k oceľovým koľajniciam a zdvíhajú tak vlak. Pohybujúci sa magnet indukuje elektrický prúd. Tento indukujúci prúd vytvára vlastné magnetické pole, a to odpudzuje pohybujúci sa magnet. Keďže elektrický prúd sa môže indukovať v ľubovoľnom vodiči (kove), tak použité magnety odpudzujú všetky kovy. V praxi používané vodiče sú meď a hliník. Lenže takáto odporová sila existuje len krátko po tom, čo sa magnet priblíži ku kovu. Elektrický odpor kovov rýchlo zmenšuje indukujúci prúd. Preto, keď sa magnet priblíži ku kusu nemagnetického kovu, magnet a kov sa navzájom odpudzujú, ale len na zlomok sekundy. Keď je magnet hodený na medenú platňu, magnet sa spomalí, ale nevznáša sa. Ale keby sa magnet mohol pohybovať potom by približujúce sa nové časti kovu spôsobili obnovovanie prúdu, a tým by sa odporová sila nestrácala. Tento systém je však dosť nestabilný; vzdialenosť medzi elektromagnetmi a traťou, ktorá je 10 mm, musí byť neustále monitorovaná a regulovaná počítačom, aby sa predišlo dotyku vlaku a trate.
31,5 km dlhá trať v Emslande, v Nemecku je testovaná na tento systém magnetického vlaku. Konštrukčné usporiadanie
Vodiaca dráha
Vodiaca dráha môže mať jednoduchý alebo dvojitý prierez. Je zhotovená z betónových nosníkov o hmotnosti 175 ton a dĺžke 24 metrov, ktoré sú umiestnené na stĺpoch, aby bol vylúčený kontakt so zemou. Polohové senzory
Keď sa vlak pohybuje, palubný počítač sleduje jeho polohu podľa zachytených značiek umiestnených na dráhe. Výmena informací s centrálnym riadiacim strediskom prebieha pomocou rádiových vĺn. Podvozok
Podvozok vlaku obopína vodiacu dráhu tak, že spodok vlaku sa vznáša 150 milimetrov nad dráhou, aby prekonal drobné prekážky, napr. sneh. See a Mag-Lev train in action!
See a Mag-Lev train in action!
(mpg format - 208 KB)
(mpg format - 208 KB)
Záložné batérie
Nevýhodou je skutočnosť, že vlak musí byť neustále pripojený k zdroju energie. Pokiaľ by došlo k výpadku, stroj by udržali vo vzduchu akumulátory umiestnené na jeho palube.
Batéria na palube je dobíjaná z generátora zabudovaného do nosných magnetov. Ich úlohou je zabezpečiť i počas výpadku elektrického prúdu nadnášanie vlaku. Smer jazdy
Maglev je poháňaný magnetickým poľom, ktoré prechádza vodiacou dráhou. Ak sa zmení jeho smer, vlak začne spomaľovať. Oba typy magnetického vlaku využívajú magnetickú vlnu pohybujúcu sa pozdĺž trate a poháňajúcu vlak, ktorý sa vznáša nad traťou.
POUŽÍVANÉ POHONY
Rozlišujeme 2 typy motorov: Lineárny asynchrónny motor (LAM) a Lineárny synchrónny motor (LSM). LAM a LSM sú konštrukčne veľmi podobné , ich správanie je však podstatne rozdielne. Oba typy motorov sa skladajú zo statora a rotora, ktoré sú zložené z magneticky vodivých látok ako je oceľ, a oba typy využívajú trojfázový prúd tečúci cez vodiče statora. LINEÁRNY ASYNCHRÓNNY MOTOR (LAM)
LAM pracuje na systéme magnetických cievok, cez ktoré prechádza elektrický prúd, čím sa vytvára magnetické pole. V každej cievke je rozdielny prúd, v dôsledku čoho je magnet v strede priťahovaný a roztáča sa. Táto situácia sa dá rozložiť plošne. Potom sa magnet vo vlaku pohybuje na trati, v ktorej sú zabudované cievky, kde sa mení intenzita prúdu. Tieto indukované prúdy vzdorujú zmene v magnetickom poli podľa Faradayovho zákona. Indukované prúdy potom vzájomne pôsobia s pohybujúcim sa magnetickým poľom, čo má za následok silu, ktorá pohybuje rotor spolu s pohybujúcim sa poľom v statore. Namiesto magnetu sa využíva ako rotor, kotva zhotovená z oceľových plechov s drážkami, v ktorých sú uložené silné vodiče z hliníka alebo z medi.
V čelách rotora sú však vodiče spojené prstencom takže vinutie má tvar klietky. Prierez vodičov závisí od výkonu na aký je motor skonštruovaný. Točivé magnetické pole cievok statora indukuje vo vinutí kotvy veľké prúdy. To má za následok vznik síl, ktoré kotvu roztočia v smere rotácie točivého poľa. Kotva sa však nikdy nemôže otáčať rovnakou frekvenciou, akou sa otáčal magnet, t.j. synchrónne s točivým poľom. Pri synchrónnom otáčaní by totiž vinutie kotvy bolo vzhľadom na indukčné čiary relatívne v pokoji, prúd by sa v ňom neindukoval a príčina otáčania by zanikla. Preto sa rotor otáča vždy s menšou frekvenciou alebo synchrónne. LINEÁRNY SYNCHRÓNNY MOTOR (LSM)
LAM ako aj LSM sa skladajú z rotora a statora. Rozdiel spočíva v rotore, kde sa nachádzajú dva jednosmerné káble, vzdialené od seba v rovnakých vzdialenostiach. Magnetické pole je vytvorené, ale indukované prúdy sú omnoho menšie ako v prípade LAMu. Jedným dôvodom je rozdielna kompozícia rotora, ktorý môže byť lamelový alebo pozostávať z materiálu veľkého odporu. POROVNANIE
Oba motory majú schopnosť pohybovať rotor vo vzťahu na stator bez fyzického kontaktu. Toto drasticky redukuje opotrebovanie zapojených častí a eliminuje trecie sily, ktoré spôsobujú neúčinnosť. LAM motory majú schopnosť zrýchliť rotor z pokoja po rýchlosť pohybujúceho sa magnetického poľa. LSM, však nemá schopnosť zrýchliť rotor z pokoja na rýchlosť rýchlo sa pohybujúcich magnetických polí. To znamená, že magnetické vlaky, ktoré využívajú LSM musia začínať synchronizovanú rýchlosť veľmi pomaly a pomaly ju zvyšovať alebo použiť ďalší pohon na zrýchlenie. Konkrétne Japonsko používa pri menších rýchlostiach počas rozbehu kolesá s iným pohonom, ktoré sa potom zasunú podobne ako u lietadiel.
Magnetické vlaky môžu zaistiť budúcu ekologicky prijateľnú dopravu medzi mestami i medzi ich centrami a letiskom. Pokrok vo vývoji elektroniky, magnetických materiálov a supravodičov sľubuje ďalší pokrok tejto technológie.
VÝSTAVBA
Terajšie plány pre vysokorýchlostné systémy magnetických vlakov zahŕňajú 283 km dlhú trať z Berlína do Hamburgu, ktorá bola schválená nemeckým parlamentom a už spomínané Maglevy v Japonsku a Číne.
V USA vzbudili veľký záujem systémy magnetických vlakov, s plánmi vyvinutými na Floride, Kalifornii, Nevade, New Yorku a Pennsylvánii. Štúdie ukončené federálnou vládou v roku 1993 dospeli k potenciálnym výhodám systému magnetického vlaku a naštartovali národný vývojový program.
Brzdiace zariadenie magnetického vlaku využívajúce odpor vzduchu, počas plnej rýchlosti je sklopené
US Maglev Maglev Japonais
maglevmotion1.wmv 1.65 MB maglevmotion2.wmv 1.68 MB
VÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
Maglev ponúka mnoho výhod oproti konvenčným vlakom, ktoré využívajú oceľové kolesá na oceľových koľajniciach. Pretože sa magnetické vlaky nedotýkajú trate, ich systémy prekonávajú obmedzenia koľajových vlakov, ako vysoké náklady udržiavania precízneho usporiadania tratí, nadmerné vibrácií a poškodzovanie koľají pri vysokých rýchlostiach, spoľahlivejšia prevádzka vo veľkom daždi, snehu a ľade; a zníženie hlučnosti. Tak ako všetky ostatné elektrické transportné systémy, redukujú použitie ropy, a neznečisťujú ovzdušie, ako dieselové lokomotívy a autá.
Maglevy môžu poskytnúť trvalé rýchlosti väčšie ako 500 km/h, limitované len nákladmi energie potrebnej na prekonanie odporu vzduchu. Skutočnosť, že sa maglevy nedotýkajú trate, má taktiež ďalšie výhody: rýchlejšia akcelerácia a brzdenie, väčšia schopnosť stúpania. Zatiaľ čo klasický zvládne maximálne štvorpercentné stúpanie, malgev si poradí i s desaťstupňovým stúpaním. Aj keď sa to nezdá, maglev spotrebuje omnoho menej energie než nemecký elektrický rýchlovlak ICE. To preto, že elektrickou energiou je napájaná len tá časť trate, nad ktorou sa nachádza magnetický vlak. Ostatné časti sú vypnuté až do chvíle, kedy sa vlak přiblíží. Najväčšiu spotrebu energie má na svedomí udržanie rýchlosti nad štzristo kilometrov za hodinu, pretože je potrebné prekonať veľký odpor vzduchu. Aj tak je však spotreba o tridsať percent nižšia. NEVÝHODY MAGNETICKÉHO VLAKU
Ako už bolo povedané, stroje pohybujúce sa vplyvom magnetického poľa potrebujú na svoju prevádzku vlastné trate i stanice. V európskych mestách by to znamenalo náročné stavebné úpravy. Cestujúci by museli prestupovať, pričom práve činnosti spojené s nákupom lístku a nástupom do vozu zaberú najviac času. Maglev musí rovnako ako každý iný vlak v nejakom časovom rozpätí získavať rýchlosť a potom opäť brzdiť, takže úspora času plynúca z väčšej rýchlosti môže nakoniec byť celkom bezvýznamná. Pre jedných je omnoho drahšia než klasické konvenčné dráhy, druhí v nej jednoducho nemajú dôveru. Japonský systém napríklad, potrebuje pre svoju prevádzku kryogénne vybavenie na vozoch k chladeniu supravodivých cievok, ktoré sa musí udržiavať na teplotách blízkych absolútnej nule, v tomto případě 5 stupňov Kelvina (cca - 268 oC), aby pracovali aspoň trochu efektívne. Nemecký Maglev používa naproti japonskému systému konvenčné elektromagnety. Každý voz musí byť vybavený senzormi a obvodmi spätnej väzby k zaisteniu bezpečnej vzdialenosti medzi magnetmi a traťou. Ani jeden systém nieje bezpečný.
Poškodenie kontrolného systému, alebo výpadok energie môže spôsobiť náhly výpadok nadnášacej (levitačnej) sily, a to by samozrejme pri plnej rýchlosti spôsobilo katastrofu. Starostlivé spracovanie môže riziko minimalizovať, ale nemôže ho vylúčiť. VPLYV VZNIKAJÚCEHO MAGNETICKÉHO POĽA NA ČLOVEKA
Dalo by sa čakať, že v stroji poháňanom elektromagnetickým poľom bude magnetizmus zasahovať i do kabíny. Opak je pravdou a pre cestujúcich preto neplatí žiadne obmedzenie. Skúšobných jázd v Emslande v Nemecku sa zúčastnili tiež seniori, z nich niektorí mali i kardiostimulátory, a napriek tomu nezaznamenali žiaden problém. Ďalším prínosom maglevu je nízka hlučnosť. Podľa údajov konzorcia Transrapid je hluk vlaku idúceho rýchlosťou tristo kilometrov za hodinu vo vzdialenosti dvadsaťpäť metrov o polovicu nižší než u elektrických rýchlovlakov, akým je povedzme francúzske TGV. VYHLIADKY
Stavba tratí pre elektromagnetické pole je najmenej o polovicu drahšia než u tradičných železníc. Na dlhé vzdialenosti by vlaky mohli prevážať náklad i cestujúcich rýchlejšie než letecké linky. Technológia vznášajúcich sa vlakov bola vyvinutá pre dlhšie trate, ale ani mestské použitie nieje pre ich tvorcov nezaujímavé. Pre hovorí hlavne skutočnosť, že mestské letiskové linky, ktoré sa pohybujú na vzdialenosti neprekračujúce päťdesiat kilometrov, by nemali zaťažovať okolie priveľkým hlukom. Túto podmienku maglev bez pochýb spĺňa a jeho výhodou je väčšia rýchlosť, než dokáže ponúknuť klasický vlak. A práve z tohto dôvodu si magnetické vznášadlo svoje miesto na svete možno udrží. BUDÚCNOSŤ
MAGLEV DRUHEJ GENERÁCIE
HALLBACHOV RAD
V Lawrence Livermore National Laboratory je vyvíjaný iný druh magnetického nadnášania, ktoré je omnoho lacnejšie a hlavne jednoduchšie a spoľahlivejšie. Myšlienka sa zrodila pri výskumoch minimalizácie strát u zotrvačníkových batérií automobilov, kde ako ložiská bolo využité magnetické pole, korigované elektromagnetmi. Ložiska vyvinuté v Lawrence Livermore National Laboratory používala valcovité magnety k stabilizácii zotrvačníkov. Napadlo ich ako využiť tento systém k nadnášaniu rôznych pohybujúcich sa predmetov pri zachovaní optimálnej vzdialenosti medzi predmetom a traťou. Nová generácia maglevov bola na svete.
Nový systém dostal názov Indutruck (induce truck).
PRINCÍP ,,Hallbachov rad,,
Ide o nový spôsob pasívneho magnetického nadnášania, pri využití nesupravodivých magnetov alebo elektromagnetov. Namiesto supravodivých magnetov ostáva premyslená zostava špeciálny rad silnejších magnetov, aké sa bežne doposiaľ využívali.
Fungujú optimálne pri izbovej teplote a sú o niečo efektívnejšie než ich minulá generácia. Na spodnej strane každého vozu sa nachádza rad pravouhlých magnetov zoradených nasledovne:
orientácia prvého - hore,
orientácia druhého - doprava,
orientácia tretieho - dole
(to je sekvencia jednej polovice opakujúcej sa pozdĺž celého vozu)
nasleduje sekvencia:
prvý (zároveň tretí z prvej polovice) dole,
druhý doľava,
tretí hore (zároveň prvý ďalšieho opakujúceho sa úseku). Táto sekvencia dostala názov podľa svojh
o objaviteľa Klausa
ZLOŽENIE TRATE
Trať je samozrejme špeciálne navrhnutá pre danú aplikáciu. Je zložená z uzavretých cievok, prispôsobených k pokiaľ možno najlepšej indukcii elektrického prúdu. Cievky sú hranaté a podobajú sa rozmermi i tvarom okennému rámu. Pri pohybe tohto Hallbachovho radu sa v trati indukujú elektrické prúdy, ktoré podľa Lenzovho zákona o indukcii (objaveného M. Farradayom v roku 1831) vytvárajú magnetické pole pôsobiace svojou orientáciou proti zmene, ktorá ho vyvolala. Inými slovami oba prvky - Hallbachov rad vo voze a cievky v trati - sa odpudzujú. Keby šlo o obyčajné magnety a cievky, fungovalo by nadnášanie najviac prvých pár blokov magnetov, potom by sa prestali v dôsledku odporu cievok odpudzovať a voz by dosadol na trať.
SPRÁVANIE SA MAGNETICKÉHO POĽA
Špeciálne usporiadanie Hallbachovho radu však zaručuje rovnakú nadnášaciu silu na akomkoľvek dlhom úseku vozu. Dochádza tu totiž k indukcii, nasledovne k zmene orientácie o 90 stupňov, hneď nato o ďalších 90 stupňov rovnakým smerom, čím sa celkom otočí polarita. A všetko sa opakuje až ku koncu vozu. Jednoducho povedané dochádza tu k vyvolaniu reakcie a následne k jej anulácii. Indutruck ako už názov napovedá funguje na princípe zindukovania trate, čím sa vyvolávajú odpudivé sily. Toto samozrejme neplatí, keď sa voz nepohybuje. Je tu teda určitá medzná rýchlosť, pri nej sa voz vznesie na trať. Tejto rýchlosti sa hovorí tranzitná rýchlosť. Aj keď sa to zdá neuveriteľné tranzitná rýchlosť je veľmi nízka. Jej hodnota je asi 10 km.h-1, čo je len o málo viac než rýchlosť kráčajúceho človeka. Pri prekonaní tejto rýchlosti sa bude voz vznášať len niekoľko centimetrov nad traťou, ale už sa to dá nazvať levitácia. Magnetické pole sa od tejto rýchlosti vyššie začína chovať ako spružina. Výchylka je priamoúmerná sile a naopak. Tento systém zaručuje prirodzenú stabilitu vozu.
Napríklad v zákrute, keď je vonkajšia strana vozu vplyvom odstredivej sily priťahovaná, sa výchylka z rovnovážnej polohy zväčšuje a tým rastie i sila. Sila však nerastie lineárne, ani kvadraticky ako odstredivá, ale exponenciálne. To je veľmi žiadúce, pretože bod rovnováhy sa bude nachádzať vyššie než by sme očakávali a nedôjde k veľkému náklonu vozu. Podobne sa chová voz v predu kde je tlačený aerodynamickou silou k trati. Ide o autostabilizačný systém, ktorý nepotrebuje žiadne kontrolné obvody. Dokonca nieje potrebný ani prívod elektrickej energie, lebo tá sa vytvára pomerne efektívne pri samotnom pohybe. V minulosti inžinieri neverili tomu, že by permanentné magnety mohli vyvinúť dostatočne silné magnetické pole.
Nasledujúce výsledky výskumu ich však presvedčili o opaku. Z teoretických simulácii vychádza, že pomer hmotnosti nadnášanej ku hmotnosti magnetu je až neuveriteľne vysoký - 40t / 800kg/m2, teda asi 15:1. Stojí za zmienku, že magnety sú vyrobené z Neodym-železo-boranu. Z toho vyplýva, že systém Indutrucku by mohol mať podobné usporiadanie ako klasické vozy
- mal by na spodku vozu dva Hallbachove rady. Menší Hallbachov rad by mohla byť umiestnený tak, že by kompenzoval axiálne sily (vznikajúce v oblúku trate). V podstate veľký rad nahrádza koleso a malý oporné koliesko. EFEKTÍVNOSŤ
Hlavné hľadisko pre každý maglev je jeho efektivita nadnášacieho systém