Магнитная левитация: Магнитная левитация | izi.TRAVEL

Содержание

Декоративные магнитная левитация для подарков и сувениров Online Customization Items

О продукте и поставщиках:
Alibaba.com предлагает невероятные коллекции красивого, элегантного и потрясающего. магнитная левитация для различных подарочных, декоративных и сувенирных целей. Эти обаятельные и привлекательные. магнитная левитация очень привлекательны с эстетической точки зрения и изготовлены из высококачественных материалов, благодаря которым они служат долго. Широкий ассортимент. магнитная левитация на сайте замысловато созданы, демонстрируя истинное мастерство, и доступны в различных индивидуальных вариантах. Ведущие поставщики и проверенные оптовики на сайте предлагают эти товары по заманчивым ценам. 

Безупречный. магнитная левитация товары на сайте изготовлены из различных прочных материалов, таких как АБС-пластик, закаленный пластик и ПВХ, для обеспечения большей долговечности в будущем. Файл. магнитная левитация являются идеальными элементами декора для вашего интерьера и могут вписаться в любой стиль или декор. Эти. магнитная левитация доступны во всех типах современного, классического и старинного дизайна в соответствии с вашими индивидуальными предпочтениями.

Alibaba.com предлагает несколько различных вариантов. магнитная левитация различных дизайнов, форм, размеров, цветов и материалов в зависимости от продуктов и ваших требований. Вы можете выбрать из выдающихся. магнитная левитация, которые идеально подходят для любых типов рекламных мероприятий, деловых подарков, сувениров, произведений искусства и других товаров. предметы коллекционирования или даже украшения. Эти. магнитная левитация экологически безопасны и обладают более высокой устойчивостью, чтобы противостоять всем видам внешних воздействий благодаря регулярному использованию.

Исследуйте обширное царство. магнитная левитация на Alibaba.com и приобретайте продукты в рамках своего бюджета и требований. Эти продукты доступны как OEM-заказы и поставляются в индивидуальной упаковке при оптовых закупках. Они имеют сертификаты ISO, CE для обеспечения качества.

Магнитная левитация изменит принцип грузоперевозок — Российская газета

Испытания тележки для перспективной транспортной системы Hyperloop наделали много шума. РЖД сообщили о существовании рабочей группы, изучающей технологию, а министр транспорта РФ Максим Соколов заявил, что Россия готова к реализации таких инфраструктурных проектов. Трубы для Hyperloop еще пока никто не видел, поэтому об экономическом потенциале «гиперпетли» говорить пока преждевременно. У другой составляющей проектов Hyperloop — технологии магнитной левитации (маглев) — есть потенциал, но не в пассажирских, а в грузовых перевозках на маршруте Азия — Европа, однако он требует тщательного анализа.

Прорыва пока не произошло — в Неваде испытательную тележку Hyperloop в движение приводил линейный двигатель. В этой технологии нет ничего нового: она была опробована еще в 1960-х годах (при этом впервые — в СССР на монорельсовой дороге). Сейчас линейные электродвигатели активно используются в мире в высокототехнологичных производствах и оборонной промышленности.

Например, именно линейным двигателем «ускоряют» самолеты для взлета с палуб авианосцев. Москвичам даже не нужно далеко ездить, чтобы посмотреть на технологию — линейным асинхронным двигателем приводятся в движение составы на монорельсе у ВДНХ.

Однако уже сейчас идет разговор об экономике и сравнении эффективности маглева с «традиционными» видами транспорта, в первую очередь, с железнодорожным. Но из более чем 20 проектов, предполагавших использование технологии в сфере транспорта, реализовано всего 4. Один из них — самый известный маглев в Шанхае, он связывает аэропорт и центр города. Его эксплуатационная скорость — 430 км/ч (ее он достигает всего за 50 секунд), протяженность — 30,5 км. Ветка прибыльна за счет колоссального пассажиропотока местного аэропорта. Направление аэропорт — город пока остается единственным, где приживается маглев. Так, другие функционирующие сейчас 3 магнитолевитационные системы (одна в Китае, две в Японии и Корее) работают по той же схеме, но технологии там проще — эксплуатационная скорость не превышает 80-110 км/ч, а длина пути везде короче 20 км.

Запущенная в 1980-х и уже неработающая линия в Великобритании также предназначалась для экспресса из города в аэропорт. Запускалась линия и в Берлине после объединения ФРГ и ГДР, чтобы обеспечить транспортное сообщение между восточной и западной частями города, но она была закрыта после восстановления городского метрополитена и железнодорожных перевозок.

Все остальные проекты так и не дошли до коммерческой реализации из-за очень длительных сроков окупаемости (свыше 50 лет), технической сложности, климатических требований и норм безопасности. При этом даже на работающих системах возникали проблемы. Так, Шанхайский маглев при больших скоростях задевал путь, а в Японии эксплуатацию поезда останавливают при скорости ветра, превышающей 25 м/с.

Еще одной проблемой на пути проектов стало отсутствие промежуточных станций. К примеру, в Нидерландах в 2000-е годы из-за этого идею подобного транспорта между крупнейшими городами страны заблокировали муниципальные провинции, а с появлениями таких станций все преимущества маглева по скорости перед железной дорогой исчезали. Так что в пассажирских перевозках маглев имеет пока экономический потенциал на очень небольших участках, без промежуточных станций и с колоссальным круглосуточным пассажиропотоком.

Однако технологии предлагается использовать и на грузовых перевозках — есть проекты для контейнерных перевозок в США и России (между портом Усть-Луга и грузовыми терминалами Москвы). При этом в грузоперевозках скорость ощутимо растет — грузы по железным дорогам сегодня перевозятся на скоростях 80-90 км/ч, потенциал же грузового маглева в зависимости от технологий варьирует от 120 до 250 км/ч.

Основной объем перевозок контейнеров по главному мировому транспортному каналу — из Азии в Европу — сегодня идет морем. По цене морские перевозки всегда будут выигрывать: размеры грузовых кораблей растут, как и их автоматизация и энергоэффективность. Однако, учитывая растущее значение скорости и возможное удешевление материалов и технологий, именно грузовой сухопутный «мост» Азия — Европа имеет наибольший потенциал для внедрения.

ТЕКСТ. Инфографика «РГ» / Леонид Кулешов / Елена Березина>

Плавающий глобус магнитная левитация | Gearbest Russia

Плавающий глобус магнитная левитация стенд для витрины бутика ювелирного салона

Краткое введение:

Специальная карта мира с плавающей плавающей глобус, которую люди всех возрастов будут наслаждаться! Пусть что-то парит, левитирует, плавает и дает иллюзию антигравитации, очень приятно смотреть и, прежде всего, иметь как декоративный орнамент, который хорошо сочетается с любым стилем домашней и офисной мебели. Это произведение искусства делает ваше пространство вдохновляющим, создавая уникальный визуальный эффект. Он работает с электромагнитом и компьютеризированным датчиком, скрытым на его стенде, заставляя его неподвижно левитироваться в воздухе. Кроме того, у него есть светодиодный ночник, который делает его очень крутым, когда он включен в темноте. Вы можете обвести ее рукой, не нарушая ее магнитного поля. Он прост в установке. Как только вы получите левитирование гаджета, просто дайте ему немного покрутиться и следите за тем, чтобы он вращался в течение длительного периода времени.

Основные характеристики:

-Поплавки на электрически активном магнитном поле.

-Изготовлен с использованием передовой технологии магнитной левитации. Он управляется магнитной системой с электронным управлением.

Магнит над гаджетом содержит электромагнит и датчик магнитного поля.

-База содержит микропроцессор и электронные компоненты управления, которые заставляют гаджет левитировать.

-Особенности со светодиодным ночным освещением для украшения, освещают вашу жизнь.

-Этот классный гаджет делает отличный дисплей для вашего магазина, бизнеса и дома.

-Гаджет прост в установке, он работает прямо из коробки, и через пару минут вы освоите древнюю технику магнетизма.

-Как только вы получите левитирующее устройство, просто слегка поверните его пальцем и наблюдайте, как он вращается в течение длительного периода времени.

Теплые заметки:

-Гаджет содержит мощные магниты. Не размещайте его в непосредственной близости от компьютерных устройств, USB-ключей, медиаплееров и других типов электронных устройств.

-Функция левитации автоматически контролируется внутренним компьютером, который постоянно контролирует расстояние между земным шаром и электромагнитной головкой.

-Несмотря на скрытую картинку, все левитирующие глобусы имеют электрический шнур, который выходит из основания и должен быть подключен к электрической розетке для работы левитации.

Примечания: Основной цвет (серебристый и черный) зависит от наличия запаса, мы оставляем за собой право заменить другой цвет.

30 км за восемь минут – и это не самолет, это китайский маглев

  • Ларри Блайберг
  • BBC Travel

Автор фото, Getty Images

Поезд на магнитной подушке, соединяющий шанхайский международный аэропорт Пудун с городским метрополитеном, способен развить скорость до 430 км/ч. В этом на собственном опыте убедился обозреватель BBC Travel.

С посадочным талоном в руках я отошел от стойки регистрации. Мой рейс должен был вылетать из Шанхая чуть больше чем через два часа, но я направился не к зонам на посадку, а в совсем противоположную сторону.

Если я рассчитал все правильно, то до отъезда из Китая у меня остается время на еще одно приключение — поездку на одном из самых быстрых пассажирских поездов в мире.

Поезд на магнитной подушке (он же маглев), соединяющий шанхайский международный аэропорт Пудун с городским метрополитеном, развивает скорость до 430 км/ч.

Это технологическое чудо — один из того ограниченного пока количества поездов, использующих принцип магнитной левитации (подобный поезд в Японии развивает еще более ошеломляющую скорость, около 600 км в час. — Ред.) . Подобное ожидаешь увидеть скорее в парке развлечений, чем на схеме общественного транспорта.

Поезда отправляются из центральной части аэропорта. Путь к платформе указывают надписи на китайском и английском, а также симпатичные изображения поезда, парящего над путями.

И это не фантазия художника. Маглевы (от английского magnetic levitation — «магнитная левитация». —Прим. переводчика) не опираются на колеса, а скользят над путями, что позволяет избежать сопротивления трения.

Автор фото, Larry Bleiberg

Подпись к фото,

Поезда отправляются из центральной части международного аэропорта Пудун

Научное обоснование этого принципа удивительно простое: всякий, кто когда-нибудь играл с магнитами, знает, что положительный и отрицательный полюса притягиваются друг к другу, а два положительных (или два отрицательных) отталкиваются.

При магнитной левитации используется именно эта сила отталкивания, которой управляют с помощью быстрого включения и выключения электромагнитов, что позволяет разгонять вагоны до невероятных скоростей.

Я не зациклен на поездах, но путешествовать очень люблю. Мог ли я пройти мимо такого шанса?

За несколько минут я дошел до станции, нашел автомат по продаже билетов и изучил список предлагаемых вариантов.

Билет туда и обратно стоил 80 юаней — меньше, чем в шанхайский Диснейленд, что стало еще одним доводом в пользу поездки.

Был в поезде и первый класс, но от него я отказался, рассудив, что в самом современном поезде мира эконом-класс вряд ли окажется совсем уж убогим.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Поезд на магнитной подушке соединяет аэропорт Шанхая с метрополитеном

Потом я взглянул на карту и заколебался, осознав, в какую авантюру собрался пуститься.

Если меня не обманывают, то через восемь минут я окажусь в 30 километрах от аэропорта — на станции метро Лунъян-Лу. Там я планировал выйти и немедленно сесть на обратный поезд.

Если все пройдет как задумано, то я проеду 60 километров меньше чем за 20 минут.

Если же нет, то мне предстоит увлекательный разговор с представителем авиакомпании, которому я должен буду объяснить, почему опоздал на свой рейс.

У меня оставался последний шанс отказаться от поездки. Глубоко вздохнув, я сунул в автомат купюру в 100 юаней и через мгновение уже входил в сверкающий вестибюль с золотистыми колоннами.

Цифровые часы отмеряли секунды до отправления ближайшего поезда. Пока я мучился сомнениями у билетного автомата, предыдущий поезд ушел; до следующего оставалось примерно восемь минут.

Не успели часы отсчитать минуту, как на станцию с гулом прибыл изящный поезд белого цвета, состоящий из четырех вагонов.

Миновав раздвижные двери, я оказался в современном и чистом салоне с креслами, обтянутыми синим вельветом. Симпатично, но ничего примечательного, кроме цифровых часов и спидометра в конце каждого вагона.

Как только обратный отсчет на часах дошел до нуля, двери закрылись, и мы плавно отъехали от станции.

Автор фото, China Photos/Getty

Подпись к фото,

60-километровая поездка туда и обратно занимает всего 20 минут

Поезд сразу же начал разгоняться. Словно сверхмощный спорткар в гонках на ускорение, он набирал и набирал скорость: почти сразу же на спидометре появилось число 100, затем 200…

С каждым пройденным километром пассажиры оживлялись все больше. Я думал, что мои попутчики равнодушно уткнутся в свои смартфоны, не обращая внимания на удивительную поездку, но они сходили с ума, словно школьники.

Когда поезд разогнался до 300 км/ч, они начали вылезать в проход и фотографироваться на фоне спидометра. Пейзаж за окном слился в сплошное размазанное пятно.

В вагоне ровное гудение стало громче. «Я словно лечу!» — завопил калифорнийский турист Тин Нгуен.

В следующее мгновение на спидометре появилась цифра 431 и так и оставалась там ровно столько, чтобы мы успели насладиться ощущением чуда.

Потом поезд начал замедляться: 300, 250… На 100 км/ч мне показалось, что мы еле ползем.

Я схватил сумку и приготовился к быстрому забегу до обратного поезда. Как только двери открылись, я кинулся к выходу, но повернул не налево в город, а направо.

Сунув билет в турникет, я торопливо выскочил на платформу… и с удивлением обнаружил себя в том же вагоне, из которого только что вышел. Судя по всему, можно было остаться внутри и сэкономить на обратном билете, но я впервые оказался в маглеве и этого не знал.

Автор фото, Larry Bleiberg

Подпись к фото,

Поезд может разгоняться до 430 км/ч

На обратном пути я начал обращать внимание на различные подробности этой поездки — например, автомобили, которые едва ползли по автостраде вдоль железной дороги и превращались в размытые пятна, когда мы набирали скорость.

Примерно через четыре минуты после отправления несколько пассажиров бросились к окнам по одну сторону вагона.

Я оторвал взгляд от спидометра и заметил, как снаружи мелькнуло какое-то пятнышко. Это был второй маглев, следовавший в противоположном направлении.

Поезд замедлил ход, и вскоре я уже возвращался знакомой дорогой в терминал. На этот раз я послушно встал в очередь на досмотр и паспортный контроль, и эта очередь показалась мне невыносимо медлительной.

Я подошел к выходу на посадку, когда примерно половина пассажиров уже поднялась на борт. Вклинившись в очередь за супружеской парой, я узнал пассажиров, вместе с которыми проходил регистрацию на рейс.

У них был утомленный и довольно хмурый вид, а руки оттягивали пакеты из дьюти-фри.

Я не мог разглядеть их покупки, но не сомневался, что увожу с собой куда более ценный сувенир.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

После поездки со скоростью 430 км в час мир кажется медленным

Исследовательская работа по теме «Левитация»

Учебно-исследовательская работа

«Преодоление гравитации»

Выполнили: Меньшикова Ульяна Андреевна,

учащаяся 10 класса

Руководитель: Меньшикова Вера Андреевна

учитель физики, математики, информатики

МКОО «Комсомольская СОШ»

Оглавление.

Введение…………………………………………………………………………3

Основная часть.

1.Магнитная левитация………………………………………………………….5

2.Применение магнитной левитации……………………………………………7

2.1Использование магнитной левитации при конструкции поездов……8

2.2Использование магнитной левитации в энергетике………………….9

2.3 Использование магнитной левитации………………………………….9

2.4Практическая часть……………………………………………………….9

Заключение……………………………………………………………………….12

Список литературы……………………………………………………………….13

Приложения…………………………………………………………………….14

Введение.

Многие из нас смотрели фильм «Назад в будущее», где главный герой парил на «ховерборде», или «парящей доске» (приложение 1). Еще пару лет назад мы не задумывались о том, каким образом удается летать этому предмету, но в этом году после прохождения по физике темы гравитационные силы, мы задумались: «А почему же «ховерборд» не падает на землю вследствие притяжения к земле?». Таким образом, возникла идея изучить явление, которое заставляет парить этот предмет и найти ответ на поставленный вопрос.

Актуальность исследования: Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики — познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку. Поэтому мы хотим выяснить какое физическое явление лежит в основе полета воздушного скейтборда, и где это явление используется в реальной жизни.

Постановка проблемы: В реальной жизни нельзя парить над землей без специальных приспособлений, а во многих фильмах о будущем это явление повсеместно. Почему же до сих пор «мечта» режиссеров: заставить людей летать не реализована даже в условиях современной технической оснащенности.

Объект исследования: Магниты и магнитное поле.

Предмет исследования: Явление магнитной левитации и область ее применения.

Цель исследования: Выяснить какое явление лежит в основе полета «ховерборда», изучить его и найти область его применения в реальной жизни.

Задачи исследования:

  • Изучить явление, которое лежит в основе воздушного скейтборда

  • Проанализировать литературу по данной теме

  • Провести опыты по изучению магнитной левитации

  • Выяснить где и как применяется магнитная левитация.

Методы исследования: изучение и анализ информации, проведение опытов.

Гипотеза: Мы предполагаем, что в основе полета «ховерборда» лежит магнитная левитация, а так же считаем, что в реальной жизни это явление широкоприменимо.

Теоретическая значимость заключается в анализе литературы. Практическая значимость заключается в формулировке выводов по результатам исследования, и наблюдение магнитной левитации.

Основная часть.

  1. Магнитная левитация.

Чтобы понять какое явление лежит в основе полета «ховеборда», мы создали запрос в яндексе о преодолении гравитации и получили в ответ незнакомое нам слово «левитация».

«Левитация» происходит от английского «levitate» — парить, подниматься в воздух. То есть левитация — это преодоление объектом гравитации, когда он парит и не касается опоры, не отталкиваясь при этом от воздуха, не используя реактивную тягу. С точки зрения физики, левитация — это устойчивое положение объекта в гравитационном поле, когда сила тяжести скомпенсирована и имеет место возвращающая сила, обеспечивающая объекту устойчивость в пространстве.

В частности магнитная левитация — это технология подъёма объекта с помощью магнитного поля, когда для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений используется магнитное действие на объект.

Среди людей, далеких от науки, можно столкнуться с распространённым заблуждением, что магнитная левитация это свободный направленный полёт магнита. В действительности имеется в виду левитация в магнитном поле, то есть преодоление гравитационных сил, направленных на материальный предмет, с помощью воздействия на него магнитного поля. Магнитное поле обладает такой характеристикой, как магнитное давление, которое может быть использовано для нейтрализации силы гравитации. Другими словами, если сила притяжения «давит» на тело сверху вниз, то магнитное давление можно направить таким образом, что оно будет «давить» на объект снизу вверх.

Сложность практического осуществления магнитной левитации состоит в том, что само по себе статическое магнитное поле не в состоянии противостоять силе притяжения.

Для этого магнитное давление слишком неустойчиво и нестабильно, оно не может быть сфокусированным в одной точке пространства. Однако с помощью внедрения дополнительных элементов эту проблему можно решить, то есть стабилизировать магнитное поле и с его помощью зафиксировать предмет в гравитационном поле. Это означает, что посредством магнитного поля, обладающего динамической устойчивостью, можно фактически создать область невесомости. Динамическая устойчивость магнитного поля достигается различными способами. Наиболее распространено внедрение в систему электрического тока с помощью сверхпроводящих материалов (имеющих нулевое электрическое сопротивление при определённой температуре). Также используются электромагнитные установки, регулируемые электронной системой стабилизации.

Таким образом, можно предположить, что «ховерборд», не просто выдумка режиссеров, а использование физического явления – магнитная левитация на практике. Но тогда почему мы не встречаем эти предметы в реальной жизни?

Дело в том, что сверхпроводники при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 Кельвин теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление. Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.

Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре — ʼʼсвятой Граальʼʼ физиков-твердотельщиков. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже ʼʼпланирующие автомобилиʼʼ, возможно, окажутся экономически выгодными. Возможно, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие «ховеборды» станут реальностью.

  1. Применение магнитной левитации.

Получается, что сейчас данное явление нельзя «поставить на службу» человека? Но нет, как оказалось, магнитная левитация нашла свое применение в некоторых областях нашей жизни.

    1. Использование магнитной левитации при конструкции поездов.

Впервые идею состава, использующего линейный двигатель, подал (и даже запатентовал) немецкий инженер-изобретатель Альфред Зейн. И было это в 1902 году. После этого разработки электромагнитного подвеса и поезда, оснащенного им, появлялись с завидной регулярностью: в 1906 г. Франклин Скотт Смит предложил еще один прототип, между 1937 и 1941 гг. ряд патентов по этой же теме получил Герман Кемпер, а чуть позже британец Эрик Лэйзвейт создал работающий прототип двигателя в натуральную величину. В 60-х он же участвовал в разработке Tracked Hovercraft, который должен был стать самым скоростным поездом, но так и не стал, поскольку из-за недостаточного финансирования в 1973-м проект был закрыт.

Только шесть лет спустя, причем снова в Германии, был построен поезд на магнитной подушке, получивший лицензию на пассажирские перевозки. Испытательный трек, проложенный в Гамбурге, имел длину меньше километра, но сама идея так вдохновила общество, что поезд функционировал и после закрытия выставки, успев за три месяца перевезти 50 тысяч людей. Скорость его, по современным меркам, была не так уж велика – всего 75 км/ч.

Не выставочный, а коммерческий маглев (так нарекли поезд, использующий магнит), курсировал между аэропортом Бирмингема и железнодорожной станцией с 1984 г., и продержался на своем посту 11 лет. Длина пути была еще меньше, всего 600 м, а над полотном поезд поднимался на 1,5 см.

В дальнейшем ажиотаж по поводу поездов на магнитной подушке в Европе поутих. Зато к концу 90-х ими активно заинтересовалась такая страна высоких технологий как Япония. На ее территории уже проложены несколько довольно протяженных трасс, по которым летают маглевы, использующие такое явление как левитация магнитная. Этой же стране принадлежат и скоростные рекорды, поставленные данными поездами. Последний из них показал скоростной режим более 550 км/ч (приложение 2).

    1. Использование магнитной левитации в энергетике.

Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решает серьезную проблему износа исходного материала.

Как известно, классические подшипники истираются довольно быстро – они постоянно испытывают высокие механические нагрузки. В некоторых областях необходимость замены этих деталей обозначает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, которые обслуживают механизм. Магнитные подшипники сохраняют работоспособность во много раз дольше, так что их применение весьма целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях либо отраслях, сопровождаемых чрезвычайно низкими/высокими температурами (приложение 3).

    1. Использование магнитной левитации.

Магнитную левитацию применяют для эффектности при проведении выставок. Экспонаты попросту парят над тумбами, что придает зрелищности (приложение 4)

    1. Практическая часть

Мы проделали четыре несложных опыта по наблюдению магнитной левитации.

Первый самый простой – это отталкивание одного магнита от другого с опорой (приложение 5).

Он заключается в том, что магнит большего диаметра лежит на опоре, а магнит меньшего диаметра располагают рядом с большим, направив их друг к другу разноименными полюсами.

Второй это зависание небольшого магнита над магнитом большего диаметра в горизонтальной плоскости (приложение 6).

Кольцевой магнит большего диаметра закрепляется на опоре, а магнит меньшего диаметра надевают на стержень, направив его к большему магниту разноименными полюсами и маленький магнит начинает парить над большим.

Третий – это парение карандаша над магнитами (приложение 7).

Этот опыт сложнее, так как нужно два одинаковых магнита закрепить на стенке деревянного бруса направив друг к другу разными полюсами, но прижав их шайбой вплотную. На стержень карандаша надевается небольшой магнит. Затем карандаш вносят в поле магнитов и добавляют опору для стержня. Карандаш зависает в поле магнитов.

Самый наглядный пример магнитной левитации, которая создается на постоянных магнитах — это так называемый левитрон. Эту игрушку придумал американский изобретатель почти 30 лет назад. В основе конструкции всего два кольцевых магнита. Большой лежит строго горизонтально, а маленький вращается и зависает над ним. Что же его удерживает от падения? За счет чего достигается такой эффект?

Естественно, постоянные магниты направлены друг к другу одноименными полюсами, что и заставляет их отталкиваться. Но для устойчивой магнитной левитации этого мало. Большой кольцевой магнит создает особую форму магнитного поля. Другими словами образуется магнитная впадина или потенциально яма, на дне которой волчок и находят свою устойчивость. Но это всего лишь позволяет ему не свалиться в сторону.

Решающим фактором для стабильной левитации является вращение самого волчка, вследствие чего возникает в гироскопический эффект, благодаря ему волчок не опрокидывается, хотя постоянно к этому стремится, и как только трение, а воздух притормозит его вращение, сила магнитного притяжения возьмет верх.

Для создания левитрона мы взяли три больших кольцевых постоянных магнита, один магнит диаметром 10 миллиметров пластмассовую подставку.

Три больших магнита нужно расположить так, чтобы они притягивались друг к другу, то есть направить их разноименными полюсами. Из маленького магнита делаем волчок, для сердечника выбираем алюминий, пластмасс или дерево.

Дальше располагаем на больших магнитах подставку и на ней запускаем волчок, затем медленно поднимаем волчок при помощи подставки вверх и убираем ее в сторону. Волчок начинает свободно парить над магнитами (приложение 8).

Заключение.

По результатам нашего исследования можно сделать вывод, что магнитная левитация существует. И «ховерборд», действительно, не просто выдумка режиссеров, а как раз, использование магнитной левитации на практике. Но так же, можно утверждать, что в то, время, когда снимался фильм «Назад в будущее» ученые-физики уже были в поисках сверхпроводников, и режиссер фильма предположил, что ко времени, куда он отправлял своего героя эта проблема решиться, но не угадал.

Но не смотря на все трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении магнитной левитации, они ее активно используют в повседневной жизни: при конструкции поездов, в электроэнергетике, а так же при проведение выставок.

Но широко применять магнитную левитации. Так, как это показано в фильме «Назад в будущее» невозможно, так как это экономически невыгодно, ведь охлаждение сверхпроводников до температур близких к абсолютному нулю, очень дорого.

Но мечта режиссера воплотится в жизнь, как только будет найден сверхпроводник, у которого сопротивление будет равно нулю. Надеемся, что мы застанем это время.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась.

Список литературы.

  1. http://allrefs.net/c24/3t5zh/p9/

  2. http://referatwork.ru/category/tehnologii/view/495443_magnitnaya_levitaciya

  3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитная_левитация

  4. http://izobreteniya.net/magnitnaya-levitatsiya-na-postoyannyih-magnitah-idei-i-opyityi/

  5. https://all-he.ru/publ/svoimi_rukami/igrushki/levitron_na_postojannykh_magnitakh_svoimi_rukami/4-1-0-93

Приложения.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6

Приложение 7

Приложение 8

Магнитная левитация — Бортжурнал безупречной биологической машины — LiveJournal

Вот этот эффект я просто обожаю. На днях откопали среди шурушков застарелую таблетку иттрий-бариевого оксидного купрата (YBCO), которая, несмотря на ужасные условия хранения, сохранила немного сверхпроводящих свойств.

В связи с этим я незамедлительно провел серию экспериментов по подвешиванию магнитиков в воздухе (магнитной сверхпроводниковой левитации).

Церковные низкотехнологичные чудеса отдыхают, не правда ли? 🙂

А зависает магнит следующим образом. Берётся тёплый сверхпроводник, находящийся при температуре выше критической. То есть выше той, при которой он переходит в состояние сверхпроводимости.

В этом состоянии он является очень плохим проводником тока с невероятно-слабыми магнитными свойствами. Силовые линии магнитного поляв внешнего магнита проходит через него практически без искажения.

Берутся так же магнитик и пласмасска определенной толщины. Магнит кладется на сверхпроводник (или наоборот), а между ними пластмасска. Затем сверхпроводник охлаждается жидким азотом. Температура кипения жидкого азота -195. 8°С, а критическая температура YBCO около -184°C.

Сверхпроводимость характеризуется так назыаемым эффектом Мейснера — полным выталкиванием магнитного поля из толщи сверхпроводника. Так что магнитный поток, который до этого свободно проходил через сверхпроводник оказывается в необычном положении. Он достаточно силён, чтобы немного помешать полному переходу сверхпроводника в сверхпроводящее состояния при данной темепературе и не вытесниться из обёма полностью. Но недостаточно силён, чтобы разрушить сверхпроводимость полностью.

И тут происходит чудо. Внутри сверхпрводника возникает множество крохотных участков, которые не являются сверхпроводящими. В них стягиваются магнитные линии внешнего магнита. Но так как вокруг них весь остальной материал сверхпроводящий, вокруг этих зон начинают циркулировать токи, создающие точно такое же поле, только обратного направления, чтобы скомпенсировать внешнее поле и не позоволить ему проникнуть вглубь.

Силовые линии при этом стягиваются в эти точки, каждая из которых может пропустить через себя не какое-то произвольную, а строго квантованную величину магнитного потока. Квант магнитного потока — фундаментальная постоянная, определяемая постоянной Планка и зарядом электрона. Через каждую такую зону может проходить только кратное количество квантов. А из энергетических соображений в данном случае может проходить только один квант через каждый.

Эти структуры — с крохотной нормальной зоной, несущей квант магнитного потока и циркулирующий вокруг него незатухающий ток называются вихрями Абрикосова.

Чудо заключается в том, что т.к. токи незатухающие, то сверхпроводник «запоминает» профиль поля магнита и в точности его копирует. В силу сверхпроводимости, единожды образовавшись ток уже не затухает, поэтому сверхпроводник будет препятствовать изменению магнитного потока.

Иначе говоря, если вы придвините магнит ближе и попробуете вдавить больше силовых линий, он будет отталкиваться. Если же начнете удалять и, таким образом уменьшать магнитный поток, он будет притягиваться. Даже если с силой удалить магнит в который «вморозился» поток постоянного магнита, то когда вы вернете его на место, он впрыгнет туда же, где он изначально стоял.

Если же приблизить магнит достаточно близко и с силой, то можно «вдавить» немного магнитного поля в сверхпроводник, разрушив чуть больше сверхпроводимости. Тогда вихрей Абрикосова в объёме добавится и высота будет чуть ниже.

Когда вихрей абрикосова становится так много, что они оначинают перекрываться, это момент полного разрушения сверхпроводимости в сверхпроводнике второго рода внешним магнитным полем.

Кто-нибудь дочитал до конца? 🙂

Магнитная левитация – обзор

Пример 11.11: Электродинамический пример Maglev

Системы магнитной левитации (Maglev 10 ) с использованием сверхпроводящих магнитов имеют низкое демпфирование. Кроме того, было продемонстрировано, что эти электродинамические подвески могут иметь несколько отрицательное демпфирование при определенных условиях эксплуатации (с полюсами в правой полуплоскости). Следовательно, необходима система управления для предотвращения недостаточно демпфированных или неустойчивых вертикальных колебаний.

Для статического подвешивания магнита нисходящее гравитационное притяжение компенсируется направленной вверх магнитной силой.При отклонении от положения равновесия возникает восстанавливающая сила, подобная массе и пружине. Магнитная левитирующая сила, действующая на магнит, определяется формулой:

(11,52)fz=-kmz=-CiM2z

, где k м — эквивалентная постоянная пружины, z — расстояние по вертикали относительно нулевое положение магнита , i M — ток магнита, а C — константа, учитывающая геометрию магнита и катушки, а также относительную скорость между магнитом и левитирующей катушкой.

Предполагая наличие инкрементных изменений сил, вертикального положения магнита и магнитных токов, можно создать линеаризованную модель, связывающую инкрементальные изменения вертикального положения магнита с изменениями инкрементального магнитного тока. Вертикальная сила, вертикальное положение и ток магнита задаются как сумма постоянной составляющей и инкрементной составляющей:

(11,53)fz=Fz+f˜zz=Zo+z˜iM=IM+i˜m это в уравнении силы дает:

(11,54)fz≈-CIM2Zo-CIM2z˜-2CIMZoi˜m

, где члены второго порядка и более высокие не учитывались. Если M — масса, а g — ускорение свободного падения, в равновесии возникает результирующая магнитная сила, уравновешивающая силу тяжести:

(11,55)FZ=Mg=−CIM2Zo

Закон Ньютона применяется к магнит приводит к:

(11.56)Mⅆ2z˜ⅆt2=fM−Mg=-CIM2z˜−2CIMZoi˜

приводит к:

(11.57)MCIM2ⅆ2z˜ⅆt2+z˜=2MgkmIMi˜m

7˜m

k и преобразование уравнения в частотную область дает:

(11.58)(Mkms2+1)z(s)=2MgkmIMim(s)

, что дает передаточную функцию между положением магнита и током управления магнитом:

(11,59)z(s)im(s)=2MgkmIM(Mkms2+1 )

Этот результат показывает, что эта подвеска имеет два осевых полюса (рис. 11.58), как и в простой системе масса-пружина без потерь:

РИСУНОК 11.58. График полюсов установки для примера Maglev (пример 11.11), показывающий полюса на оси .

(11.60) SP1,2 = ± JKMM

Представительные номера для секции магнита Maglev Подвеска следующие:

M = 10 000 кг

K M = 10 5 N / CM = 10 7 N / M

I м = 10 4 A

Это приводит к резонансной частоте Ω o = 31. 6 рад/с (или f o  = 5 Гц) и передаточная функция объекта:

(11,61)z(s)im(s)=1,96×10−6(10−3s2+1)=As2ωo2 +1

Полюса находятся на оси , что соответствует подвеске с недостаточным демпфированием (рис. 11.59). Чтобы улучшить качество езды для пассажиров, стойки подвески необходимо переместить в левую полуплоскость, выбрав соответствующий элемент управления.

РИСУНОК 11.59. Переходная характеристика некомпенсированной подвески Maglev примера 11.11.

Система компенсируется с помощью обратной связи по скорости и положению, как показано на рисунке 11.60. Обратная связь по скорости эквивалентна добавлению в систему демпфирования.

РИСУНОК 11.60. Блок-схема системы управления для примера Maglev из Примера 11.11, показывающая усиление прямого пути ( K f ), обратную связь по скорости ( K v ) и обратную связь по положению ( K p ).

Система управления с K v  = 10 5 и K p  = 10 4 приводит к системе с замкнутой передаточной функцией:

62)H(s)=1,64×10–68,36×10–4s2+1,64×10–2s+1

Полюса замкнутого контура имеют коэффициент демпфирования ζ  = 0,28 и расположение полюсов −9,8 ±  j (33,2) рад/с. Таким образом, мы ожидаем некоторые колебания около 33 рад/с (5,2 Гц). Результирующая система управления приводит к гораздо более плавной переходной реакции (рис. 11.61).

РИСУНОК 11.61. Переходная характеристика компенсированной системы Маглев из примера 11.11.

Как работает Маглев | Департамент энергетики

Что, если бы вы могли добраться из Нью-Йорка в Лос-Анджелес менее чем за семь часов, не садясь в самолет? Это может быть возможно на поезде Маглев.

Маглев — сокращение от «магнитная левитация» — поезда уходят корнями в технологию, впервые разработанную в Брукхейвенской национальной лаборатории. Джеймс Пауэлл и Гордон Дэнби ​​из Брукхейвена получили первый патент на конструкцию поезда на магнитной подушке в конце 1960-х годов. Идея пришла к Пауэллу, когда он сидел в пробке, думая, что должен быть лучший способ путешествовать по суше, чем автомобили или традиционные поезда. Ему пришла в голову идея использовать сверхпроводящие магниты для левитации вагона поезда. Сверхпроводящие магниты — это электромагниты, которые во время использования охлаждаются до экстремальных температур, что резко увеличивает мощность магнитного поля.

Первый коммерчески эксплуатируемый высокоскоростной поезд на сверхпроводящей магнитной подвеске открылся в Шанхае в 2004 г., другие поезда находятся в эксплуатации в Японии и Южной Корее. В Соединенных Штатах изучается ряд маршрутов, которые соединят такие города, как Балтимор и Вашингтон, округ Колумбия.

В маглеве сверхпроводящие магниты подвешивают вагон поезда над U-образной бетонной направляющей.Как и обычные магниты, эти магниты отталкиваются друг от друга, когда совпадающие полюса обращены друг к другу.

«Вагон на маглеве — это просто коробка с магнитами по четырем углам», — говорит Джесси Пауэлл, сын изобретателя маглева, который сейчас работает со своим отцом. Это немного сложнее, чем это, но концепция проста. Используемые магниты являются сверхпроводящими, а это означает, что при охлаждении до температуры менее 450 градусов по Фаренгейту ниже нуля они могут генерировать магнитные поля в 10 раз сильнее, чем обычные электромагниты, достаточные для подвешивания и движения поезда.

Эти магнитные поля взаимодействуют с простыми металлическими петлями, установленными в бетонных стенках направляющей Маглев. Петли сделаны из проводящих материалов, таких как алюминий, и когда магнитное поле проходит мимо, оно создает электрический ток, который генерирует другое магнитное поле.

Через определенные промежутки времени на направляющие устанавливаются три типа петель для выполнения трех важных задач: одна создает поле, которое заставляет поезд зависать примерно на 5 дюймов над направляющей; секунда удерживает поезд в горизонтальном положении.Обе петли используют магнитное отталкивание, чтобы удерживать вагон поезда в оптимальном месте; чем дальше он отходит от центра направляющей или чем ближе к дну, тем большее магнитное сопротивление толкает его обратно на путь.

Третий набор контуров представляет собой силовую установку, работающую на переменном токе. Здесь для движения вагона по направляющей используются как магнитное притяжение, так и отталкивание. Представьте себе коробку с четырьмя магнитами — по одному в каждом углу. В передних углах есть магниты с северными полюсами наружу, а в задних углах магниты с южными полюсами наружу.Электрификация контуров движения создает магнитные поля, которые тянут поезд вперед спереди и толкают его вперед сзади.

Конструкция с плавающим магнитом обеспечивает плавность хода. Несмотря на то, что поезд может двигаться со скоростью до 375 миль в час, пассажир испытывает меньшую турбулентность, чем на традиционных поездах со стальными колесами, потому что единственным источником трения является воздух.

Еще одним важным преимуществом является безопасность. Поезда на маглеве «приводятся в движение» направляющими с электроприводом. Любые два поезда, идущие по одному и тому же маршруту, не могут догнать и столкнуться друг с другом, потому что все они движутся с одинаковой скоростью.Точно так же традиционные сходы поездов с рельсов, которые происходят из-за слишком быстрого прохождения поворотов, не могут произойти с маглевом. Чем дальше поезд на маглеве уходит от своего нормального положения между стенами направляющих, тем сильнее становится магнитная сила, возвращающая его на место.

Эта основная функция больше всего волнует Джесси Пауэлла. «У Маглева нет водителя. Транспортные средства должны двигаться туда, куда их направляет сеть. Это базовая физика. Итак, теперь, когда у нас есть компьютерные алгоритмы для очень эффективной маршрутизации, мы можем изменять планирование всей сети на лету.В будущем это приведет к гораздо более гибкой транспортной системе», — сказал он.

Хотя эта захватывающая технология еще не развернута в Соединенных Штатах сегодня, если Пауэлл и его команда добьются своего, вы можете когда-нибудь плыть к следующему пункту назначения.

Примечание редактора. Этот пост был написан научным писателем Брукхейвенской национальной лаборатории, одной из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики.

Маглев: Поезда на магнитной подушке | Справочник по проектированию электротехники и вычислительной техники

Поезда на маглеве используют магнетизм, чтобы парить над путями, по которым они едут. Они быстрее, эффективнее и экологичнее, чем современные колесные поезда. Возможно, в скором времени технология магнитной подвески станет обычным явлением во всем мире. В этой статье рассматривается история этих поездов, как они работают, а также их преимущества и недостатки. В нем также обсуждается важность электротехники в разработке магнитолевитации и то, как инженеры-электрики могут сделать эту технологию следующей транспортной революцией.

Представьте поезд без колес.Вместо того, чтобы катиться по рельсам, он тихо парит над землей и плавно скользит от точки отправления к месту назначения, даже не касаясь рельсов. Это может звучать как научная фантастика, но примеры этой технологии уже существуют в ряде мест в мире. Они известны как поезда maglev (происходит от термина mag netic lev itation). Эти футуристические локомотивы предлагают много новых и захватывающих возможностей для путешествий. Они могут быть быстрее, безопаснее и энергоэффективнее, чем обычные транспортные системы.Хотя на данный момент таких поездов немного, они являются очагом исследований в электротехническом сообществе. В результате маглев может стать обычным явлением раньше, чем вы думаете.

История Маглева

Фундаментальные идеи, лежащие в основе технологии магнитной подвески, восходят к началу 20 века. На создание основы для этих поездов ушла большая работа, включая разработку электродвигателей и исследования в области магнетизма. Несколько ученых, а именно Роберт Годдард и Эмиль Бачелет, даже осмелились предложить транспортное средство, которое будет плавать с помощью магнитов (Yadav, 2013).В 1934 году немец по имени Герман Кемпер получил патент на первую концепцию магнитного левитирующего поезда (Ядав, 2013). Только в 1960-х годах эта идея действительно начала проявляться. В это время Германия и Япония начали исследования потенциала маглева. В 70-х и 80-х годах обе страны добились больших успехов в разработке этих поездов. Германия построила и испытала серию прототипов систем магнитной подвески и назвала их конструкцию TransRapid (рис. 1). Поезда достигли скорости более 250 миль в час (402 км/ч) на испытательном участке (Luu, 2005).Япония также испытала две серии собственных разработок, получившие название ML-500, а затем MLU. Их поезда могли развивать скорость более 300 миль в час (483 км/ч) (Luu, 2005).

Рисунок 1

Transrapid на испытательном центре в Германии под Бременом. Источник: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Япония продолжала развивать свою технологию магнитной подвески в 90-х годах и позже. Они протестировали новую серию под названием MLX, которая в 2003 году развила скорость до 563 км/ч (Yadav, 2013). Коммерческих линий в стране не создано, но исследования продолжаются.В Германии коммерческая линия TransRapid, соединяющая Берлин и Гамбург, была предложена в 1992 году. Однако в 2000 году правительство закрыло проект (Luu, 2005). Однако не все было потеряно, поскольку китайцы обратили на это внимание и поручили немцам построить поезд TransRapid в Шанхае. Шанхайский маглев (рис. 2), появившийся в результате этого предприятия, в настоящее время является единственным высокоскоростным поездом на магнитной подвеске, используемым в коммерческих целях. Он перевозит пассажиров на расстояние 19 миль (30 км) за 8 минут, развивая максимальную скорость более 250 миль в час (431 км/ч) (Coates, 2004).Таким образом, Китай быстро стал крупным игроком на мировом рынке магнитолевитации. Страна планирует продолжить развитие своей инфраструктуры на магнитной подвеске.

Рисунок 2

Шанхайский маглев, выезжающий из международного аэропорта Пудун, с картой железных дорог Shanghai Transit Map, показывающей маршрут до Longyang Road. Источники коллажей: © Alex Needham / Public Domain and Metropedia

Как это работает?

Поезда

Maglev не имеют ни колес, ни рельсов. Как показано на рисунке 3, у них есть направляющие, и они плавают по этим направляющим, даже не касаясь их.

Рисунок 3

Сравнение колеса-рельса и направляющих. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

Есть три основных компонента для достижения функциональности маглева: левитация, движение и управление (как показано ниже).

Рисунок 4

Левитация, движение и наведение в маглеве. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

Левитация

Левитация — это способность поезда оставаться в подвешенном состоянии над путями. Существует два важных типа технологии левитации:

  • Электромагнитная подвеска (EMS): EMS (рис. 5) использует силу притяжения электромагнитов, размещенных на направляющих и на поезде, для обеспечения левитации.Преимущества этого метода заключаются в том, что его проще реализовать, чем электродинамическую подвеску (обсуждается ниже), и что он поддерживает левитацию на нулевой скорости. Недостатки заключаются в том, что система по своей природе нестабильна. На высоких скоростях становится трудно поддерживать правильное расстояние между поездом и направляющей. Если это расстояние не удастся сохранить, поезд не сможет левитировать и остановится. Чтобы учесть это, EMS требует сложных систем управления с обратной связью, чтобы гарантировать постоянную стабильность поезда (Lee, 2006).

Рисунок 5

Электромагнитная подвеска (EMS). Использует силы магнитного притяжения. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

  • Электродинамическая подвеска (EDS): EDS (рис. 6) использует силу отталкивания (сверхпроводящих) магнитов, размещенных на направляющих и на поезде, для обеспечения левитации. Магниты движутся мимо друг друга во время движения поезда и создают силу отталкивания. Преимущества этого метода в том, что он невероятно стабилен на высоких скоростях.Соблюдение правильного расстояния между поездом и направляющей не является проблемой (Lee, 2006). Недостатки заключаются в том, что необходимо набрать достаточную скорость, чтобы поезд вообще мог левитировать. Кроме того, эта система намного сложнее и дороже в реализации.

Рисунок 6

Электродинамическая подвеска (ЭДС). Использует отталкивающие магнитные силы. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

Г.

Движение — это сила, которая движет поезд вперед.Maglev использует электрический линейный двигатель для достижения движения. Обычный электродвигатель использует магнетизм для создания крутящего момента и вращения оси. У него есть неподвижная часть, статор, которая окружает вращающуюся часть, ротор. Статор используется для создания вращающегося магнитного поля. Это поле индуцирует вращательную силу на роторе, который заставляет его вращаться. Линейный двигатель — это просто его развернутая версия (см. рис. 7). Статор уложен горизонтально, а ротор покоится над ним. Вместо вращающегося магнитного поля статор создает поле, распространяющееся по его длине.Точно так же вместо силы вращения на ротор действует линейная сила, которая тянет его вниз по статору. Таким образом, электрический линейный двигатель непосредственно производит прямолинейное движение. Однако этот двигатель может создавать силу только тогда, когда ротор находится над статором. Как только ротор достигает конца, он останавливается.

Рисунок 7

Роторный двигатель против линейного двигателя. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

При описании линейного двигателя стандартом является использование термина «первичный» вместо «статор» и «вторичный» вместо «ротор».В поездах на магнитной подвеске вторичка крепится к днищу вагонов, а первичка находится в направляющих. Таким образом, магнитное поле посылается вниз по направляющей и тянет поезд за собой. Таким образом, всю длину пути магнитной подвески можно считать частью двигателя поезда. Система, которая была описана до сих пор, представляет собой линейный асинхронный двигатель (ЛИД). Он назван так потому, что магнитное поле в первичной обмотке индуцирует магнитное поле во вторичной обмотке. Именно взаимодействие между первоначальным полем и индуцированным полем заставляет вторичное тянуться за собой.Однако в этой конфигурации вторичное всегда несколько отстает от движущегося поля в первичном. Это отставание является источником потери энергии и скорости. В линейном синхронном двигателе (LSM) запаздывание устраняется путем прикрепления постоянных магнитов к вторичной обмотке. Поскольку вторичная обмотка теперь создает собственное стационарное магнитное поле, она перемещается по первичной обмотке синхронно с движущимся полем — отсюда и название этого варианта двигателя (Gieras, 2011). Поскольку LSM быстрее и эффективнее, они являются предпочтительным двигателем для высокоскоростных поездов на магнитной подвеске (Lee, 2006).

Руководство

Наведение — это то, что удерживает поезд по центру пути. В высокоскоростных маглевах для этого используются силы отталкивания (рис. 8). В TransRapid на поезде установлены два электромагнитных рельса, обращенных по обе стороны от направляющих. Эти рельсы удерживают поезд от слишком далекого отклонения от курса (Lee, 2006). В MLX управление совмещено с системой левитации. Левитационные рельсы по обеим сторонам поезда соединены друг с другом.Благодаря этому соединению, когда поезд приближается к одной стороне, возникает восстанавливающая сила, которая толкает его обратно к центру. Таким образом, MLX одновременно левитирует и управляется (Lee, 2006).

Рисунок 8

Система навигации Transrapid и MLX. Оба используют отталкивающие магниты. Источник: Автор, взято из Lee (2006).

Преимущества Maglev

Самая очевидная привлекательность поездов на магнитной подвеске заключается в том, что они могут двигаться быстрее, чем традиционные железнодорожные поезда.Единственный коммерческий высокоскоростной маглев, шанхайский маглев, в настоящее время является самым быстрым существующим поездом. Он движется на 50 миль в час (80 км/ч) быстрее, чем самый быстрый высокоскоростной колесно-рельсовый транспорт ( 320 км/ч Hayabusa , 2013). И это только первое. Отсутствие трения между поездом и направляющей снимает многие ограничения, ограничивающие традиционные поезда. Отсюда Маглев станет только быстрее (Luu, 2005). Есть и другие, более тонкие качества, которые также делают маглев привлекательным:

.
  • Долговечность: Обычные колеса и рельсы со временем подвергаются большим нагрузкам.Их необходимо периодически заменять и ремонтировать, чтобы они оставались функциональными. В маглеве нет контакта между поездом и направляющей, поэтому износ значительно меньше. Благодаря этому срок службы частей маглева, соответственно, намного больше (Пауэлл, 2003). С экономической точки зрения это вполне себе стимул, так как ремонт и техническое обслуживание являются затратными и трудоемкими мероприятиями.
  • Безопасность: Может показаться нелогичным, что эти поезда безопаснее, поскольку они движутся намного быстрее, чем их колесные аналоги.Тем не менее это правда. Поезда на маглеве практически невозможно сойти с рельсов (Luu, 2005). Чтобы отделить поезд от пути, потребуется что-то вроде полного обрушения направляющей. Кроме того, погода не является большой проблемой. Поскольку движение поездов не зависит от трения, снег, лед и дождь практически не влияют на их движение (Luu, 2005). Наконец, легко поднять направляющие. Если поезда движутся по рельсам в десяти футах над землей, вероятность столкновения с объектом на своем пути меньше (Luu, 2005).
  • Энергоэффективность: Еще одним преимуществом левитации является то, что эти поезда не теряют энергию на трение. Это дает им преимущество в эффективности (Wang 2010). Потребление энергии имеет важное значение для успеха транспортной системы. Большая часть стоимости эксплуатации идет на оплату электроэнергии. Поэтому это преимущество в эффективности очень важно. Однако, хотя поезда на магнитной подвеске более эффективны, в настоящее время они не намного эффективнее современных высокоскоростных железных дорог.Тем не менее, у них есть потенциал, чтобы быть намного лучше в этой категории.
  • Воздействие на окружающую среду: Поезда на магнитной подвеске могут делать более крутые повороты, чем высокоскоростные рельсы. Это позволяет строить направляющие, которые могут намного лучше перемещаться по местности (Wang 2010). Пути могут быть спроектированы таким образом, чтобы оказывать как можно меньшее воздействие на окружающую среду. Направляющие также занимают меньше места, чем рельсы (Wang 2010). Это дополнительно снижает воздействие на окружающую среду. И, как отмечалось ранее, направляющие легко поднимаются над землей (Luu, 2005).Как растениям, так и животным безопаснее, когда поезд едет над ними, а не мчится прямо рядом с ними.
  • Шумовое загрязнение: При рассмотрении транспортного проекта шум (в разумных пределах) не так важен, как экономия или безопасность. Тем не менее, шумоподавление по-прежнему считается положительной чертой. Поезда на маглеве тише современных поездов, так что это еще один аргумент в их пользу (Wang, 2010).

Недостатки Maglev

Несмотря на множество преимуществ, все же есть причины, по которым поезда на магнитной подвеске строят не везде.Возможно, главная причина заключается в том, что направляющие на магнитной подвеске несовместимы с существующей железнодорожной инфраструктурой. Любая организация, пытающаяся внедрить систему магнитной подвески, должна начать с нуля и построить совершенно новый набор путей. Это требует очень больших первоначальных инвестиций (Coates, 2004). Несмотря на то, что направляющие со временем стоят меньше, чем рельсы (Пауэлл, 2003 г.), трудно оправдать такие большие авансовые затраты. Другая проблема заключается в том, что поезда на магнитной подвеске движутся быстро, но могут двигаться недостаточно быстро.Страны, в которых уже есть высокоскоростные железные дороги, не хотят тратить миллиарды долларов на внедрение системы, которая лишь незначительно лучше существующего решения. Рынок этих поездов в настоящее время не очень велик. Трудно спорить с тем, что эти поезда превосходят стандартные. Несмотря на это, необходимо проделать дополнительную работу, прежде чем их стоит внедрять во всем мире.

Электротехника в маглеве

Со времен появления парового двигателя поезда всегда были прерогативой инженеров-механиков.Все они были моторами и осями, колесами и двигателями. Однако внедрение технологии магнитной подвески нарушило эту традицию. Для разработки этих поездов потребовался вклад из ряда различных областей, помимо машиностроения, включая физику и химию. Но самое главное, это привлекло к столу инженеров-электриков. С самого начала инженеры-электрики внесли основной вклад в разработку технологии магнитной подвески. Эрик Лейтуэйт, инженер-электрик, разработал первый линейный асинхронный двигатель, важный и необходимый предшественник поездов на магнитной подвеске.Герман Кемпер, которого многие считают отцом маглева, также был инженером-электриком. Немецкие и японские инженеры-электрики работали над внедрением программ магнитной подвески в своих странах. И сегодня инженеры-электрики делают технологию все лучше и лучше, чтобы она могла понравиться странам во всем мире. В поездах на маглеве на удивление мало движущихся частей. Все они связаны с электрическими токами, магнитами и проволочными петлями. Некоторыми важными темами в этой области являются электромагнитные поля и волны, теория цепей, системы управления с обратной связью и энергетика.Все это входит в компетенцию инженеров-электриков. Поэтому для решения самых больших проблем, с которыми сталкивается эта технология, нужны инженеры-электрики. Поезда должны быть более быстрыми и энергоэффективными. Все это время их нужно держать в пределах безопасности. Направляющие должны быть дешевле, проще в реализации и, возможно, более совместимы с существующими рельсами. Системы управления должны быть безупречными. Все эти и многие другие вопросы требуют, чтобы инженер-электрик пришел и разгадал их ответы.

Будущее маглева

Технология Maglev имеет большие перспективы в будущем. У него есть потенциал стать более дешевым, быстрым, безопасным и экологичным видом транспорта, чем мы имеем сегодня. И с помощью некоторых инженеров-электриков все это станет возможным. Возможно применение этой технологии во всем, от междугороднего общественного транспорта до поездок по пересеченной местности. Есть даже предложения строить длинные подземные трубы, высасывать из труб воздух и размещать в них поезда на магнитной подвеске.В таких условиях практически не было бы сопротивления ветра, поэтому поезд мог бы легко развивать скорость, превышающую скорость звука (Thornton, 2007). Хотя может пройти много времени, прежде чем эта технология станет широко распространенной, трудно отрицать, что в какой-то момент она будет распространена. Преимущества слишком трудно игнорировать. На данный момент используется только один коммерческий поезд на магнитной подвеске, и он уже затмил все, что было до него. Как эта технология будет развиваться и совершенствоваться по мере нашего продвижения в будущее? Время покажет.Но вполне вероятно, что сейчас мы стоим на пороге транспортной революции. Я, например, с нетерпением жду возможности скользить по сельской местности со скоростью 300 миль в час в левитирующей коробке с магнитами.

  • Хаябуса со скоростью 320 км/ч установила мировой рекорд скорости. (2013, 17 марта). The Japan Times . Получено с http://www.japantimes.co.jp/news/2013/03/17/national/320-kph-hayabusa-matches-world-speed-record
  • .
  • Коутс, К., Антлауф, В., и Бернардо, Ф. (2004). Ускоренный режим .Североамериканский институт транспорта на магнитной подвеске. Получено с http://namti.org/published-articles/articles/civil-engineering/fast-track/
  • .
  • Гирас, Дж., Пих, З., и Томчук, Б. (2011). Линейное синхронное движение (2-е издание). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. Постоянная ссылка OCLC WorldCat: http://www.worldcat.org/oclc/526111254
  • Ли, В., Ким, К., и Ли, Дж. (2006). Обзор технологий поездов на магнитной подвеске. IEEE Transactions on Magnetics, 42 (7), 1917–1925.DOI: 10.1109/TMAG.2006.875842
  • Луу, Т., и Нгуен, Д. (2005). Маглев: Поезд будущего . Инженерная школа Суонсона Университета Питтсбурга. Получено с http://www.teslasociety.com/ttrain.doc
  • Пауэлл, Дж., и Дэнби, Г. (2003). Новый вид транспорта 21 века. Журнал науки и технологий 21st Century (лето 2003 г.), стр. 43–57. Получено с http://www.21st Centurysciencetech.com/articles/Summer03/maglev2.html
  • Торнтон, Р.(2007). Будущее Маглева . Доклад представлен на Международной конференции по электрическим машинам и системам, Сеул, Южная Корея. Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE. Получено с http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=4412045
  • Ван, К., и Зонг, Г. (2010). Сравнительное исследование устойчивого развития маглева и высокоскоростного колесно-рельсового транспорта . Документ, представленный на ICCTP 2010: Интегрированные транспортные системы, Пекин, Китай. DOI: 10.1061/41127(382)20
  • Ядав, М., Мехта, Н., Гупта, А., Чаудхари, А., и Махиндру, Д.В. (2013). Обзор магнитной левитации (MAGLEV): технология приведения в движение транспортных средств с помощью магнитов. Global Journal of Engineering Research: Mechanical & Mechanics Engineering, 13 (7), 29-42. Получено с http://engineeringresearch.org/index.php/GJRE/article/view/858
  • .

Магнитная левитация — Learn.sparkfun.com

Избранное Любимый 10

Введение

Да будет свет! В этом уроке мы создадим простой магнитный левитатор.В этом руководстве будет рассмотрена часть теории, как использовать датчик магнитного поля и как использовать его для создания базовой схемы левитации. Наконец, мы пойдем немного дальше и создадим плавающий свет с беспроводным питанием.

Необходимые материалы

Чтобы следовать примерам из этого руководства, вам потребуются следующие материалы:

Внимание! LM358 запланирован на EOL. Мы рекомендуем AS358 в качестве замены операционного усилителя общего назначения. Деталь совместима с 358.

Другие бывшие в употреблении детали, которые мы не носим:

  • Аналоговый датчик Холла
  • 1N5401 Диод
  • Катушка индуктивности 1 мГн

Необходимые инструменты

Инструменты, необходимые для этого проекта, — это мультиметр и паяльник, но наличие осциллографа также поможет при тестировании.

Цифровой мультиметр — базовый

В наличии ТОЛ-12966

Цифровой мультиметр (DMM) является важным инструментом в арсенале каждого энтузиаста электроники.Цифровой мультиметр SparkFun, ч…

22

Предлагаемая литература

Если вы не знакомы со следующими понятиями, мы рекомендуем ознакомиться с этими руководствами, прежде чем продолжить.

Как пользоваться макетной платой

Добро пожаловать в удивительный мир хлебных досок. Здесь мы узнаем, что такое макетная плата и как с ее помощью построить свою самую первую схему.

Как пользоваться мультиметром

Изучите основы использования мультиметра для измерения непрерывности, напряжения, сопротивления и тока.

Основы теории

Что касается магнитной левитации, то есть два вида левитации: притягивающая и отталкивающая. В этом руководстве мы собираемся использовать привлекательную схему левитации, так как с ней намного проще работать.Как известно, у магнита два полюса, северный и южный. Магнитные поля с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга, тогда как противоположные полюса притягиваются. Для магнитной левитации нам нужно фиксированное магнитное поле, обеспечиваемое постоянными магнитами, и магнитное поле, которым мы можем управлять для позиционирования постоянных магнитов.

Изображение предоставлено Geek3 через Википедию, CC BY-SA 3.0

Чтобы создать управляемое магнитное поле, мы можем использовать индуктор. Катушки индуктивности хранят энергию подобно конденсаторам; в то время как конденсаторы сохраняют напряжение в виде электрического поля, катушки индуктивности сохраняют ток, создавая магнитное поле.Здесь мы будем использовать магнитное поле катушки индуктивности для взаимодействия с магнитами. При притягательной левитации индуктор используется для противодействия силе тяжести, которая затем притягивает магнит к индуктору.

Если магнит окажется слишком близко к индуктору, напряженность поля магнита будет достаточно сильной, чтобы прилипнуть к индуктору, независимо от того, какой ток проходит через индуктор. Однако, если магнит находится слишком далеко от индуктора, напряженность магнитного поля будет слишком слабой по сравнению с гравитацией, чтобы ее можно было поднять обратно.Таким образом, хитрость заключается в том, чтобы найти окно, где магнит недостаточно силен, чтобы подтянуться сам по себе, но благодаря притяжению противодействующего поля индуктора магнит способен преодолеть гравитацию. Чтобы отслеживать его положение, мы будем использовать датчик магнитного поля, называемый датчиком на эффекте Холла.

Датчик Холла

Датчик Холла — это устройство, которое используется для измерения силы магнитного поля. Выход датчика прямо пропорционален напряженности магнитного поля, проходящего через него.Нам понадобится датчик SS496B, который имеет аналоговое напряжение на выходе . Существуют и другие датчики на эффекте Холла, которые действуют как переключатель и включаются или выключаются только при наличии магнитного поля. В следующем разделе мы увидим, как датчик реагирует на присутствие наших магнитов.

Проверка датчика Холла

Давайте сначала проверим, как работает датчик. С макетной платой подключите 5V к контакту напряжения питания, земля к земле, а к выходному контакту подключите либо щуп осциллографа, чтобы наблюдать за изменением напряжения, либо мы можем использовать мультиметр в режиме напряжения, чтобы наблюдать за изменением напряжения.

Без магнита выходное напряжение составляет около 2,5 В . С одной стороны магнита по мере приближения магнита к датчику напряжение уменьшается. Если вы перевернете магнит и поднесете его ближе к датчику, вы увидите увеличение выходного напряжения. Обратите внимание, на какой стороне напряжение уменьшается. Это может помочь сделать отметку перманентным маркером, который пригодится в нашем следующем тесте.

Примечание: Магниты, использованные на фотографиях, круглые, размером около 0.5 дюймов в диаметре и 0,1 дюйма в высоту, но квадратные магниты тоже подойдут. Важно то, что это неодимовые (также известные как редкоземельные) магниты.

Однако, прежде чем перейти к следующему тесту, нам нужно удлинить выводы нашего датчика, добавив провод. Рекомендуется добавить термоусадочную трубку вокруг каждого паяного соединения, чтобы убедиться, что они не замыкаются друг на друга, но немного изоленты вокруг выводов также подойдет. На изображении ниже датчик имеет красный провод для подачи положительного напряжения, черный для отрицательного и желтый провод для аналогового выхода.

Пока паяльник горячий, самое время припаять провод к индуктору. Использование разных цветов для двух контактов индуктора может помочь в устранении неполадок в дальнейшем.

Создание схемы управления

Как упоминалось в Основах теории, важно, чтобы магнит располагался достаточно близко к магнитному полю индуктора, чтобы он мог взаимодействовать с магнитом, но не настолько близко, чтобы собственное магнитное поле магнита могло подтянуться к магниту. Индуктивность независимо от мощности.Что нам нужно, так это способ управления индуктором, чтобы, когда магнит находится слишком далеко, индуктор притягивал магнит ближе, но выключался, когда он подходит слишком близко, чтобы гравитация все еще могла притягивать его обратно.

Прежде чем мы начнем подключать электронику, необходимо сделать подставку, чтобы держать индуктор над землей. В этом руководстве не рассматривается изготовление подставки, но ниже приведена фотография подставки, используемой для справки. Катушка индуктивности висит примерно в 5 дюймах над столом, а болт 8-32 (~1,5 мм)5 дюймов в длину) и гайка используются для крепления индуктора к стойке.

Совет: Убедитесь, что магнит может прилипнуть к болту. Железный материал болта будет «фокусировать» линии магнитного поля на индукторе, и магнит будет подтягиваться к центру индуктора.

После установки индуктора нам нужно прикрепить датчик Холла к головке болта. Если на датчике есть оголенный металл, используйте кусок изоленты, чтобы изолировать датчик от болта, и закрепите датчик большим количеством изоленты, как показано ниже. Обратите внимание, что изогнутая сторона датчика обращена от индуктора.

Схема компаратора

Для управления катушкой индуктивности мы будем использовать операционный усилитель в конфигурации, называемой компаратором, который сравнивает выходной сигнал датчика Холла с эталонным напряжением, подключенным к другому входному контакту. Опорное напряжение устанавливается с помощью потенциометра, который действует как делитель напряжения. Это создает регулируемое аналоговое напряжение между 0 В и 5 В .Напряжение потенциометра представляет собой то напряжение, которое мы хотим, чтобы датчик Холла считывал, что зависит от того, насколько далеко находится магнит.

В этой схеме используются две шины напряжения: 5 В и 12 В . Шина 12 В питает катушку индуктивности и операционный усилитель, а шина 5 В используется для источника опорного напряжения и датчика Холла. Два источника питания идеальны, потому что, если шина 12 В переходит в режим ограничения тока и напряжение падает, датчик Холла не будет иметь достаточно высокого напряжения, чтобы определить, когда магнит находится достаточно близко.Однако вы можете обойтись и одной шиной питания, используя линейный стабилизатор напряжения LM7805. Если вы планируете использовать два источника питания, убедитесь, что вы соединили заземление вместе , иначе схема не будет работать правильно.

Примечание: На схеме U2 указан как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема цепи компаратора

Нечеткое изображение цепи компаратора

После того, как схема построена, мы используем мультиметр для измерения напряжения на неинвертирующем входе (вывод 2 операционного усилителя) и поворачиваем ручку потенциометра, пока она не покажет 0V .Затем мы поместим магнит на расстоянии около 2 см от сенсора или толщиной с большой палец. По сути, магнит должен находиться в «наилучшем месте» — в положении немного дальше, чем положение, в котором магнит хочет подтянуться сам по себе и прилипнуть к индуктору.

Судя по выходному напряжению операционного усилителя (контакт 1), оно должно быть 9-12 В . Не снимая магнита, мы будем медленно поворачивать потенциометр и увеличивать опорное напряжение, пока не увидим изменение напряжения с 12 В на 0 В .Небольшое перемещение магнита вверх и вниз должно изменить выходной сигнал операционного усилителя с высокого на низкий и с низкого на высокий.

Компаратор пытается поддерживать равные напряжения между входными контактами и устанавливает на выходе высокий или низкий уровень, чтобы значение датчика соответствовало эталонному значению. На следующем шаге мы присоединим нашу катушку индуктивности к выходу операционного усилителя и попытаемся заставить магнит левитировать!

Левитация магнита

Теперь, когда мы поняли, как компаратор будет управлять катушкой индуктивности, давайте попробуем левитировать магнит.Операционные усилители хорошо справляются с управлением сигналами, но для приложений с большим током, подобных этому, нам понадобится полевой МОП-транзистор. Отключите питание цепи, которую мы построили в предыдущем разделе, и подключите следующую цепь. Не пропустите диод! Когда катушка индуктивности отключается, создаваемое ею магнитное поле разрушается, что может вызвать сильный всплеск напряжения и повредить MOSFET. На схеме указан диод 1N4007, но диод 1N5401 должен лучше работать с пиками обратного тока.

Примечание: На схеме U2 указан как SS494, но следует использовать SS496 , так как он имеет большую чувствительность, но распиновка такая же.

Схема компаратора с дросселем

Нечеткое изображение схемы компаратора с индуктором

При отключенном питании поверните ручку потенциометра до упора в одну сторону так, чтобы опорное напряжение было установлено на 5 В . Затем включите питание и убедитесь, что на выходе операционного усилителя отображается значение 0V . Расположите магниты между большим и средним пальцами, как показано ниже.Ваш большой палец сможет поймать магнит, если он притянется к индуктору, а ваш средний палец уравновесит магниты и поймает их, если магниты упадут.

Другой рукой медленно уменьшайте опорное напряжение. Когда вы приблизитесь к точке перехода из построения схемы управления, магниты должны начать левитировать. Если магниты подпрыгивают до большого пальца, снова увеличьте напряжение и повторите попытку. С некоторой практикой и небольшими, но точными движениями магниты должны быть в состоянии левитировать.

Совет: Если магнит пытается перевернуться так, что метка на магнитах направлена ​​в сторону от индуктора, магнитные поля одинаковы и отталкивают друг друга. Реверсивное подключение катушки индуктивности решит эту проблему.

Возможность считывать ток от источника питания 12 В — хороший способ увидеть, где находится точка левитации. Когда магнит находится слишком близко, ток должен быть меньше 10 мА. С магнитами, которые я использую, величина используемого тока составляет около 80 мА, и я могу левитировать в окне 2-3 см от индуктора.Немного потренировавшись, вы сможете заставить свои магниты левитировать!

Беспроводное питание

Если левитация магнита недостаточно крута, вы можете добавить еще больше сложности, добавив светодиод с беспроводным питанием. Этот шаг требует еще нескольких инструментов, которые есть не у всех. Для этого раздела вам понадобится следующее:

Сборка передающей катушки

Индуктор, используемый для левитации магнитов, обеспечивает мощность, достаточную только для удержания магнита на месте.Для беспроводной передачи энергии нам потребуется сделать второй индуктор, который мы будем наматывать с помощью магнитной проволоки. Магнитная проволока представляет собой тонкую проволоку с еще более тонким изоляционным слоем. Это позволяет виткам проводов располагаться еще ближе друг к другу и увеличивает создаваемую индуктивность по сравнению с тем же количеством витков провода с обычной изоляцией.

Беспроводная передача энергии работает по тому же принципу, что и трансформатор, где у вас есть один индуктор, индуцирующий ток в другом индукторе, за исключением того, что вместо использования железного сердечника для передачи потока от одного индуктора к другому, он использует воздух, как тесла. катушка.Одна из проблем беспроводной передачи энергии заключается в том, что она очень неэффективна. Первичная сторона трансформатора будет потреблять много энергии, чтобы генерировать немного мощности на вторичной обмотке.

Создание основного

Первичная обмотка состоит из 25 витков магнитной проволоки калибра 30 с диаметром в центре 1 дюйм. Поскольку инженеры не в состоянии что-либо выбрасывать, я использовал пустую катушку соединительного провода с отрезанным концом, чтобы снять магнитный провод.

Чтобы катушка не разматывалась, вы можете отрезать небольшой кусок дополнительного магнитного провода и обернуть его вокруг первичной обмотки с двух сторон, чтобы он держал форму.Эмалевое покрытие провода затрудняет прилипание припоя к проводу. Поэтому с помощью наждачной бумаги счистите часть эмали, чтобы можно было припаять пару контактов, как показано ниже, или припаяйте провод непосредственно к катушке, чтобы добраться до макетной платы.

Создание вторичного

Вторичная сторона была изготовлена ​​таким же образом, за исключением того, что на этот раз использовалось 100 витков магнитной проволоки вместе с диодом и двумя конденсаторами для преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока для светодиода. См. схему ниже.

Схема создания вторичной беспроводной передачи питания

Отрежьте несколько дополнительных кусков магнитной проволоки, чтобы скрепить вторичную обмотку, как это было сделано с первичной обмоткой. На этот раз отрежьте большие куски, чтобы петля вокруг радиатора светодиода удерживалась в центре вторичной обмотки. Кусок двустороннего скотча был использован для крепления магнитов к нижней части радиатора светодиода. Убедитесь, что при размещении магнитов метка на магнитах направлена ​​в сторону от светодиода.


В сборе Вторичный — верхняя часть Вторичная часть в сборе — нижняя часть

Создание основного драйвера и тестирование

Чтобы индуцировать ток через вторичную катушку, нам нужно сгенерировать сигнал переменного тока с помощью функции или генератора частоты, который позволит нам найти наилучшую частоту для использования с этими катушками индуктивности, которые мы сделали. Как и в случае с операционным усилителем для схемы левитации, функциональный генератор не может генерировать очень большой ток, поэтому нам нужно будет использовать другой MOSFET для управления нашей первичной катушкой.Схема довольно проста: входной сигнал прямоугольной формы имеет амплитуду 5 В и смещение по постоянному току 2,5 В (нам нужна прямоугольная волна с высоким напряжением до 5 В и низким до 0 В). Обязательно прикрепите радиатор к этому мосфету, так как они довольно быстро нагреваются.

Чтобы найти наилучшую частоту для использования, я использовал свой LCR-метр, который может измерять индуктивность моей вторичной катушки, а также получил точное значение для C1 из схемы и рассчитал резонансную частоту около 80 кГц.Существует баланс между частотой и потребляемым током от источника питания. Чем ниже частота, тем ярче будет светодиод, но эффективность крайне низкая, и MOSFET, управляющий первичной катушкой, будет сильно нагреваться. Лучший подход к этой проблеме — определить, насколько высокую частоту вы можете использовать, чтобы при этом иметь достаточную яркость светодиодов.

Присоединение первичного элемента к левитирующему индуктору

Теперь, когда беспроводная передача энергии работает, пришло время подключить первичный индуктор беспроводной энергии к индуктору левитации.Немного изоленты прикрепите индуктор из 25 витков, который мы сделали, к нижней части индуктора левитации, где находится датчик Холла.

Нахождение нового расстояния левитации

Вес света и магнитов теперь значительно больше, чем с одними магнитами. Когда первичная беспроводная сеть отключена от остальной цепи, используйте потенциометр эталонного напряжения, чтобы отрегулировать расстояние левитации. Из-за массы магниты должны быть значительно ближе, примерно на 1 см.Уменьшение напряжения на потенциометре уменьшит расстояние левитации. После того, как свет начнет левитировать, вы можете снова подключить первичную обмотку и включить или выключить выход функционального генератора, чтобы управлять светодиодом.

Ранее я упоминал, что это неэффективно. Но насколько неэффективно? Я измерил ток около 50 мА, а напряжение на светодиоде составило 2,72 В, поэтому схема получает мощность около 136 мВт. Источник питания настроен на 12 В, и при левитации магнита и включенном свете схема потребляет 886 мА или 10.6 Вт, что составляет КПД 1,3%. Справедливости ради следует отметить, что схема левитации потребляет около 450 мА, так что эффективность беспроводной передачи энергии на самом деле составляет около 2,5%. Теперь, когда мы знаем, на какой частоте может работать наша беспроводная силовая цепь, функциональный генератор можно заменить новой схемой, использующей таймер 555 для генерации сигнала прямоугольной формы.

Ресурсы и дальнейшее продвижение

Одним из способов дальнейшего развития этого проекта является повышение эффективности беспроводной передачи энергии.Если у вас есть доступ к измерителю LCR, который может измерять индуктивность, емкость, а также сопротивление, вы можете найти точные значения L1 и C1 вторичных обмоток и ввести значения в калькулятор резонанса LC. Зная резонансную частоту вторичной обмотки, можно измерить индуктивность первичной обмотки, и калькулятор вернет значение емкости. Добавление этого конденсатора параллельно первичной катушке индуктивности и настройка генератора сигналов на эту частоту должны повысить эффективность.А пока ознакомьтесь с некоторыми ссылками ниже:

Нужно больше вдохновения? Ознакомьтесь с другими замечательными уроками от SparkFun:

.

Симулятор низкой гравитации на основе магнитной левитации с беспрецедентно большим функциональным объемом

  • 1.

    Hammond, T.G. et al. Экспрессия генов в космосе. Нац. Мед. 5 , 359–359 (1999).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google Scholar

  • 2.

    Уайт Р. Дж. и Авернер М. Люди в космосе. Природа 409 , 1115–1118 (2001).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 3.

    Williams, D., Kuipers, A., Mukai, C. & Thirsk, R. Акклиматизация во время космического полета: влияние на физиологию человека. Кан. Мед. доц. J. 180 , 1317–1323 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 4.

    Ставничук М., Миколаевич Н., Корлетт Т., Моррис М. и Комарова С. В. Систематический обзор и метаанализ потери костной массы у космонавтов. нпдж Микрогравитация 6 , 1–9 (2020).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 5.

    Snyder, H.A. Влияние выплескивания на механику систем Дьюара в условиях низкой гравитации. Криогеника 41 , 825–832 (2001).

    КАС Статья Google Scholar

  • 6.

    Нельсон, А. Р. и Гокхале, Н. Р. Частоты колебаний свободно взвешенных капель воды. Ж. Геофиз. Рез. 77 , 2724–2727 (1972).

    Артикул Google Scholar

  • 7.

    Obreschkow, D. et al. Динамика кавитационных пузырьков внутри капель жидкости в условиях невесомости. Физ. Преподобный Летт. 97 , 094502 (2006).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 8.

    Siegel, R. Влияние пониженной гравитации на теплопередачу. В доп. Теплопередача . 4 , 143–228 (1967).

    КАС Статья Google Scholar

  • 9.

    Охта Х. и Баба С. Эксперименты по кипению в условиях микрогравитации. Экспл. Нагревать. Трансф. 26 , 266–295 (2013).

    КАС Статья Google Scholar

  • 10.

    Ансуорт, Б. Р. и Лелкес, П. И. Выращивание тканей в условиях микрогравитации. Нац. Мед. 4 , 901–907 (1998).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 11.

    Стрелов В.И., Куранова И.П., Захаров Б.Г., Волошин А.Е. Кристаллизация в космосе: итоги и перспективы. Кристаллогр. 59 , 781–806 (2014).

    КАС Статья Google Scholar

  • 12.

    Матисак, Б. П., Чжао, А. X., Нараянан, Р. и Фрипп, А. Л. Окружающая среда микрогравитации: ее предсказание, измерение и важность для обработки материалов. Дж. Кристалл. Рост 174 , 90–95 (1997).

    КАС Статья Google Scholar

  • 13.

    Board, SS & National Research Council of The National Academia. Оценка марсианской архитектуры НАСА, 2007–2016 гг. . Издательство национальных академий (2006 г.).

  • 14.

    Витце, А. НАСА планирует марсоход для возврата образцов. Природа 509 , 272 (2014).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 15.

    Маск, Э. Делая жизнь многопланетной. N. Space 6 , 2–11 (2018).

    Артикул Google Scholar

  • 16.

    Ванденбринк, Дж. П. и Кисс, Дж. З. Космос, последний рубеж: критический обзор недавних экспериментов, проведенных в условиях микрогравитации. Растениевод. 243 , 115–119 (2016).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 17.

    Пенли, Н. Дж., Шафер, С. П. и Барто, Дж. Ф. Международная космическая станция как платформа для исследования микрогравитации. Акта Астронавт. 50 , 691–696 (2002).

    ПабМед Статья Google Scholar

  • 18.

    Ферранти, Ф., Дель Бьянко, М. и Пачелли, К. Преимущества и недостатки современных платформ микрогравитации для исследований космической биологии. Заяв. науч. 11 , 68 (2021).

    КАС Статья Google Scholar

  • 19.

    Selig, H., Dittus, H. & Lämmerzahl, C. Улучшение микрогравитации падающей башни до уровня нано- г для испытаний полезной нагрузки MICROSCOPE. Наука о микрогравитации. Технол. 22 , 539–549 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 20.

    Лю, Т. Ю., Ву, К. П., Сун, Б. К. и Хан, Ф. Т. Измерение уровня микрогравитации в пекинской башне падения с использованием чувствительного акселерометра. науч. 6 , 1–9 (2016).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 21.

    Мельников Д.Е., Рыжков И.И., Миалдун А.& Шевцова В. Термовибрационная конвекция в условиях микрогравитации: подготовка параболического летного эксперимента. Наука о микрогравитации. Технол. 20 , 29–39 (2008).

    Артикул Google Scholar

  • 22.

    Шелхамер М. Параболический полет как аналог космического полета. J. Appl. Физиол. 120 , 1442–1448 (2016).

    ПабМед Статья Google Scholar

  • 23.

    Фурманн, Э. и Дрейер, М. Описание эксперимента с зондирующей ракетой — ИСТОЧНИК. Наука о микрогравитации. Технол. 20 , 205–212 (2008).

    Артикул Google Scholar

  • 24.

    Охта, Х. и др. Ракетный эксперимент ТР-1А по теплообмену при пузырьковом кипении в условиях микрогравитации. ASME J. Дин. Сист. Изм. Контроль 62 , 249–256 (1997).

    Google Scholar

  • 25.

    Сундаресан А., Рисин Д. и Пеллис Н. Р. Рост клеток в условиях невесомости. В обзорах по клеточной биологии и молекулярной медицине . Американское онкологическое общество (2006 г.).

  • 26.

    Плецер, В. Кратковременные эксперименты по микрогравитации в физических науках и науках о жизни во время параболических полетов: первые 30 кампаний ЕКА. Акта Астронавт. 55 , 829–854 (2004).

    ПабМед Статья Google Scholar

  • 27.

    Дедольф, Р. Р. и Дипер, М. Х. Физическая основа аннулирования гравитационного стимула вращением клиностата. Завод физиол. 47 , 756–764 (1971).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google Scholar

  • 28.

    Herranz, R. et al. Наземные средства моделирования микрогравитации: организменные рекомендации по их использованию и рекомендуемая терминология. Астробиология 13 , 1–17 (2013).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья Google Scholar

  • 29.

    Carlsson, S.I., Bertilaccio, M.T., Ballabio, E. & Maier, J.A. Эндотелиальный стресс при гравитационной разгрузке: влияние на рост клеток и организацию цитоскелета. Биохим. Биофиз. Акта Мол. Сотовый рез. 1642 , 173–179 (2003).

    КАС Статья Google Scholar

  • 30.

    Wuest, S.L., Richard, S., Kopp, S., Grimm, D. & Egli, M. Моделирование микрогравитации: критический обзор использования машин случайного позиционирования для культуры клеток млекопитающих. Биомед. Рез. Междунар. 2015 , 1–8 (2015).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 31.

    Хосон Т., Камисака С., Масуда Ю., Ямасита М. и Бучен Б. Оценка трехмерного клиностата как симулятора невесомости. Планта 203 , S187–S197 (1997).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 32.

    Браун, А. Х., Даль, А. О. и Чепмен, Д. К. Ограничение на использование горизонтального клиностата в качестве компенсатора силы тяжести. Завод физиол. 58 , 127–130 (1976).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google Scholar

  • 33.

    Альбрехт-Бюлер, Г. Моделирование условий микрогравитации на земле. Гравит. Космический Рез. 5 , 3–10 (2007).

    Google Scholar

  • 34.

    Hill, R.J. & Eaves, L. Неосесимметричные формы левитирующей на магните и вращающейся капли воды. Физ. Преподобный Летт. 101 , 234501 (2008 г.).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 35.

    Брукс, Дж. С. и др. Новые возможности в науке, материалах и биологических системах в условиях низкой гравитации (магнитной левитации). J. Appl. физ. 87 , 6194–6199 (2000).

    КАС Статья Google Scholar

  • 36.

    Вейлерт, М. А., Уитакер, Д. Л., Марис, Х. Дж. и Зайдель, Г. М. Магнитная левитация и неслияние жидкого гелия. Физ. Преподобный Летт. 77 , 4840 (1996).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 37.

    Берри М.В., Гейм А.К. О летающих лягушках и левитронах. евро. Дж. Физ. 18 , 307 (1997).

    Артикул Google Scholar

  • 38.

    Валлес-младший, Дж. М., Лин, К., Денегре, Дж. и Моури, К. Левитация Xenopus laevis со стабильным градиентом магнитного поля: к моделированию низкой гравитации. Биофиз. J. 73 , 1130–1133 (1997).

    КАС Статья Google Scholar

  • 39.

    Liu, Y., Zhu, D., Strayer, D.M. & Israelsson, U. Магнитная левитация больших капель воды и мышей. Доп. Космический Рез. 45 , 208–213 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 40.

    Гейм А. К. Магнетизм каждого. Физ.Сегодня 51 , 36–39 (1998).

    Артикул Google Scholar

  • 41.

    Schenck, J. F. Безопасность сильных статических магнитных полей. Дж. Магн. Резон. Imaging 12 , 2–19 (2000).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 42.

    Хай, В. Б., Сикора, Дж., Угурбил, К. и Гарвуд, М. Субхронические эффекты сильного статического магнитного поля in vivo (9.4 Тесла) у крыс. Дж. Магн. Резон. Imaging 12 , 122–139 (2000).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 43.

    Валлес-младший, Дж. М., Марис, Х. Дж., Зайдель, Г. М., Тан, Дж. и Яо, В. Симулятор марсианской и лунной гравитации на основе магнитной левитации. Доп. Космический Рез. 36 , 114–118 (2005).

    КАС Статья Google Scholar

  • 44.

    Чоу, Т., Вонг, П.Л. и Лю, К.П. Влияние формы магнитного источника на стабилизирующий диапазон вертикальной диамагнитной левитации. IEEE Trans. Магн. 48 , 26–30 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 45.

    Кастлер Г., Немояну И. В. и Казаку Э. Теоретическое и экспериментальное исследование многократной горизонтальной диамагнитно стабилизированной левитации с постоянными магнитами. IEEE Trans.Магн. 48 , 4793–4801 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 46.

    Кузнецов С. и Гест Дж. К. Топологическая оптимизация распределения магнитных источников для диамагнитной и сверхпроводящей левитации. Дж. Магн. Магн. Матер. 438 , 60–69 (2017).

    КАС Статья Google Scholar

  • 47.

    Джексон, Дж. Д. Классическая электродинамика .Американская ассоциация учителей физики, 3-е изд. (1999 г.).

  • 48.

    Кониши С. и Мудавар И. Обзор кипения потока и критического теплового потока в условиях микрогравитации. Междунар. J. Тепломассообмен. 80 , 469–493 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 49.

    Straub, J. Теплопередача при кипении и динамика пузырьков в условиях микрогравитации. В доп. Теплопередача . 35 , 57–172 (2001).

    КАС Статья Google Scholar

  • 50.

    Тегарт, Дж. Р. и Бутц, Дж. Р. Анализ научных демонстраций гидромеханики Skylab. Martin Marietta Corporation , подготовлено для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (1975 г.).

  • 51.

    Cooper, G.M., Hausman, R.E., & Hausman, R.E. Клетка: молекулярный подход , Vol. 4, ASM Press, Вашингтон, округ Колумбия, 4-е изд. (2007 г.).

  • 52.

    Айзенберг Д., Каузманн В. и Каузманн В. Структура и свойства воды . Издательство Оксфордского университета по запросу (2005).

  • 53.

    Van Sciver, S.W. & Marken, K.R. Сверхпроводящие магниты выше 20 Тл. Физ. Сегодня 55 , 37–42 (2002).

    КАС Статья Google Scholar

  • 54.

    Диксон И. Р., Маркевич В. Д., Брей В. В. и Шетти К. К. Характеристики ЯМР-магнита со сверхшироким отверстием 900 МГц в национальной лаборатории сильного магнитного поля. IEEE Trans. заявл. Суперконд. 15 , 1334–1337 (2005).

    КАС Статья Google Scholar

  • 55.

    Мозер Э., Лайстлер Э., Шмитт Ф. и Контаксис Г. ЯМР и МРТ сверхвысокого поля – роль магнитной технологии в повышении чувствительности и специфичности. Перед. физ. 5 , 33 (2017).

  • 56.

    Markiewicz, W.D. et al. Конструкция сверхпроводящего магнита 32-T с катушками сильного поля REBCO. IEEE Trans. заявл. Суперконд. 22 , 4300704–4300704 (2011).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 57.

    Максвелл, Дж. К. Трактат об электричестве и магнетизме , Vol. 1, Кларендон Пресс (1873 г.).

  • 58.

    Фихтл, Г. Х., Теон, Дж. С., Хил, С. К., и Ота, Х. Обзор научной миссии Spacelab 3. Публикация конференции НАСА . Отдел научно-технической информации (1987).

  • 59.

    Hahn, S. et al. Магнитное поле постоянного тока силой 45,5 тесла, создаваемое высокотемпературным сверхпроводящим магнитом. Природа 570 , 496–499 (2019).

    КАС пабмед Статья ПабМед Центральный Google Scholar

  • 60.

    Fu, R. et al. ЯМР высокого разрешения на частоте 900 МГц со сверхшироким каналом в национальной лаборатории сильного магнитного поля. Дж. Магн. Резон. Imaging 177 , 1–8 (2005).

    КАС Статья Google Scholar

  • 61.

    Hendrickson, C. et al. 21 Масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье Теслы: национальный ресурс для масс-анализа сверхвысокого разрешения. Дж. Ам. соц. Масс-спектр. 26 , 1626–1632 (2015).

    КАС пабмед Статья Google Scholar

  • 62.

    Braccini, V. et al. Свойства последних проводников с покрытием IBAD-MOCVD, относящиеся к их сильному магнитному полю и низкотемпературному использованию магнита. Суперконд. науч. Технол. 24 , 035001 (2010).

    Артикул КАС Google Scholar

  • 63.

    Callaghan, E.E., & Maslen, S.H. Магнитное поле конечного соленоида , Vol. 465, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Вашингтон (1960).

  • 64.

    Caciagli, A., Baars, R.J., Philipse, A.P. & Kuipers, B.W. Точное выражение для магнитного поля конечного цилиндра с произвольной однородной намагниченностью. Дж. Магн. Магн. Матер. 456 , 423–432 (2018).

    КАС Статья Google Scholar

  • Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка браузера на прием файлов cookie

    Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

    Наиболее важные области применения маглева

    Название маглев происходит от магнитной левитации. Магнитная левитация — это очень продвинутая технология. Он имеет различные применения. Общим моментом во всех применениях является отсутствие контакта и, следовательно, отсутствие износа и трения.Это повышает эффективность, снижает затраты на техническое обслуживание и увеличивает срок службы системы. Технология магнитной левитации может быть использована как эффективная технология в различных отраслях промышленности. Уже есть много стран, которые заинтересованы в системах на магнитной подвеске. Многие системы были предложены в разных частях мира. В этой статье делается попытка изучить наиболее важные области применения технологии магнитной левитации. Результаты ясно показывают, что маглев удобно рассматривать как решение для будущих инженерных потребностей мира.

    1. Введение

    В «Путешествиях Гулливера» (1726 г.) Джонатан Свифт описал магнитный остров Лапута, способный подниматься на высоту в несколько километров. В комиксах Дика Трейси и Человека-паука магнитная левитация также достигла немалых высот.

    В 1842 году Сэмюэл Эрншоу, английский священник и ученый, доказал еще одно важное ограничение магнитной левитации. Он показал, что устойчивая бесконтактная левитация за счет сил только между статическими магнитами невозможна; левитирующая часть будет неустойчива к смещениям хотя бы в одном направлении.

    В марте 1912 года инженер и изобретатель Эмиль Бачелет только что узнал, что ему был выдан патент США на его «левитирующий передающий аппарат», и он устроил публичную демонстрацию в Нью-Йорке модели поезда на магнитной подвеске в надежде заинтересовать инвесторов с обещанием высокоскоростного наземного транспорта.

    Одним из первых основных применений магнитной левитации была поддержка моделей самолетов в аэродинамических трубах. Исследователи обнаружили, что механические опорные конструкции иногда мешают воздушному потоку настолько, что создают большее сопротивление, чем сила сопротивления, действующая на модель.Решением, разработанным Джином Ковертом и его коллегами из Массачусетского технологического института в 1950-х годах, была магнитная левитация (хотя они называли ее «системой магнитной подвески и баланса»).

    Другим способом использования движущегося магнита для обхода правила Эрншоу и достижения полной левитации является перемещение магнита в присутствии электрического проводника, тем самым вызывая вихревые токи в проводнике и связанные с ними отталкивающие силы на магните. Это основа электродинамического подхода к поездам на магнитной подвеске, предложенного Джеймсом Пауэллом и Гордоном Дэнби ​​в 1960-х годах и наиболее широко разработанного Японской национальной железной дорогой.Сильные сверхпроводящие электромагниты на автомобилях индуцируют вихревые токи в проводящей дорожке, которые вызывают левитацию, когда автомобили достигают достаточной скорости. Левитация за счет индукции и вихретокового отталкивания также может быть достигнута с помощью полей переменного тока. Это было основой поезда на магнитной подвеске, предложенного в 1912 году Бачелет. Одним из важных промышленных применений левитации с помощью полей индукции и переменного тока является левитационное плавление, которое позволяет плавить и смешивать очень химически активные металлы без необходимости использования тигля.

    В 1983 году Рой Харриган получил патент на «устройство левитации», которое состояло из небольшого вращающегося магнита, плавающего над большим базовым магнитом, а Билл Хоунс из Fascinations, Inc. позже развил идею Харригана в успешный коммерческий продукт, названный Левитрон. Как и в случае с ротором электросчетчика, вращающийся магнит левитрона толкался вверх силами отталкивания между одноименными полюсами. Но он плавал полностью бесконтактно, обходя правило Эрншоу, потому что он не был статическим магнитом — он вращался.На первый взгляд кажется, что это простое гироскопическое действие, которое удерживает вращающийся магнит от опрокидывания, но подробный математический анализ, проведенный несколькими известными учеными, вскоре показал, что стабильность левитрона немного сложнее.

    В 1930-х годах немецкие ученые продемонстрировали левитацию сильно диамагнитных графита и висмута, а после разработки сверхпроводящих электромагнитов с сильным полем была достигнута левитация даже гораздо более слабых диамагнетиков, таких как вода, дерево и пластик.На это почти не обращали внимания до 1997 года, когда Андрей Гейм и его коллеги использовали сверхпроводящий магнит мощностью 16 тесла, чтобы поднять на магнитной подушке маленькую живую лягушку, и их «летающая лягушка» наконец привлекла внимание всего мира к чуду диамагнитной левитации. (Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике 2010 года за исследования графена, десятью годами ранее был удостоен Шнобелевской премии за левитацию лягушки, награду, которую он и его соавтор сэр Майкл Берри приняли с призывом «больше науки с улыбкой». )

    Сверхпроводники гораздо более диамагнитны, чем лягушки, и даже гораздо более диамагнитны, чем графит и висмут.Они являются супердиамагнетиками. Левитация постоянного магнита над сверхпроводником была впервые продемонстрирована В. Аркадьевым в 1945 г., а левитация магнитов над сверхпроводниками стала намного проще и распространеннее после открытия в 1987 г. высокотемпературных сверхпроводников — материалов, сверхпроводящих при температуре жидкого азота. Магнитные подшипники, основанные на силе отталкивания между постоянными магнитами и высокотемпературными сверхпроводниками, были разработаны для ряда потенциальных применений, включая маховики с накоплением энергии и модели поездов на магнитной подвеске (перевозка охлаждаемых азотом сверхпроводников на автомобилях, плавающих над рельсами с постоянными магнитами).

    Джейн Филбрик, приглашенный художник Массачусетского технологического института, спроектировала и построила свою «Парящую скульптуру» — захватывающий комплекс из двенадцати больших левитирующих шаров, который стал важной частью ее персональной выставки в шведском художественном музее в 2009 году и был представлен в Нью-Йорке. Йорк, весна 2011 года.

    Технология, которая чаще всего ассоциируется с термином «маглев» в сознании широкой публики, — это высокоскоростные поезда на маглеве, впервые предложенные столетие назад Бачелет. Около двадцати лет спустя Вернер Кемпер из Германии предложил поезд на магнитной левитации с помощью силы притяжения с обратной связью, и после многих десятилетий разработки его идея в конечном итоге превратилась в систему Transrapid, использованную в шанхайском поезде на магнитной подвеске в 2003 году.

    Японская национальная железная дорога по-прежнему намерена построить примерно 300-километровую высокоскоростную линию на магнитной подвеске между Токио и Нагоей примерно к 2025 году. Нагоя, которая успешно работает с 2005 года, и Китай в настоящее время строит аналогичную городскую линию в Пекине. Преимуществом низкоскоростного городского маглева является плавная, тихая, безопасная, надежная и экономичная (низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию) поездка.Таким образом, мечты Бачелет 1912 года о «полных пассажирских вагонах, несущихся на невидимых волнах электромагнетизма в космосе со скоростью от 300 до 1000 миль в час» сбываются.

    Магнитная левитация, использование восходящих магнитных сил для уравновешивания всепроникающей нисходящей силы гравитации, уже нашла множество других важных применений в науке и технике. Маглев сегодня помогает циркулировать крови в груди человека, производит интегральные схемы с многомиллионными фотолитографическими системами, измеряет мелкие размеры с субатомным разрешением, совершенствует исследования в аэродинамической трубе и плазме, плавит и смешивает химически активные высокотемпературные металлы, имитирует осязание в тактильных приборах. систем, охлаждает наши портативные компьютеры, обогащает уран и другие изотопы в центрифугах, накапливает энергию во вращающихся маховиках и запускает вращающиеся роторы с низким коэффициентом трения в бесчисленных вращающихся машинах по всему миру.Будущее маглева остается очень ярким. Борьба с силами гравитации и трения — одна из вещей, с которыми магниты справляются лучше всего [1].

    2. Технология магнитной левитации

    Магнитная левитация — это метод, при котором объект подвешивается в воздухе без какой-либо поддержки, кроме магнитных полей. Поля используются для обращения или противодействия гравитационному притяжению и любым другим встречным ускорениям. Маглев может создавать бесшумные, эффективные и невероятно звучащие технологии. Принцип магнитной левитации известен уже более 100 лет, когда американские ученые Роберт Годдард и Эмиль Бачелет впервые придумали поезда без трения.Но хотя поезда на магнитной подушке были в центре внимания многих людей во всем мире, эта технология не ограничивается поездками на поезде [2]. Использование магнитной подвески с точки зрения технических наук можно разделить на следующие категории и резюмировать следующим образом: (i) транспортная инженерия (поезда на магнитной подушке, летающие автомобили или персональный скоростной транспорт (PRT) и т. д.), (ii) экологическая инженерия (малые и огромные ветряные турбины: бытовые, офисные, промышленные и т. д.), (iii) аэрокосмическая техника (космические корабли, ракеты и т. д.).), (iv) военное вооружение (ракета, пушка и т. д.), (v) атомная техника (центрифуга ядерного реактора), (vi) гражданское строительство, включая строительные объекты и системы кондиционирования воздуха (магнитный подшипник, лифт, подъемник, вентилятор, компрессор, чиллер, насос, газовый насос, геотермальные тепловые насосы и т. д.), (vii) биомедицинская инженерия (сердечный насос и т. д.), (viii) химическая инженерия (анализ пищевых продуктов и напитков и т. д.), (ix) электротехника (магнит и т. д.), (x) архитектурная инженерия и проектирование интерьеров, включая бытовую и административную технику (лампа, стул, диван, кровать, стиральная машина, комната, игрушки (поезд, парящие космонавты над космическим кораблем и т. д.).), канцелярские товары (ручка) и т. д.), (xi) автомобильная техника (автомобиль и т. д.), (xii) рекламная техника (можно выбрать левитацию всего, что рассматривается внутри или над различными рамками).

    2.1. Электромагнитная подвеска (EMS)

    Испытательный стенд можно использовать в качестве платформы для изучения теории управления и работы на магнитной подвеске. Завершение проекта демонстрирует возможности магнитной левитации для любого количества разнообразных приложений. Испытательный стенд способен левитировать небольшой стальной шарик в каком-то устойчивом стационарном положении.Левитация осуществляется электромагнитом, создающим силы, поддерживающие вес мяча. Датчик положения указывает вертикальное положение мяча и передает его на плату контроллера на базе ПК. Система управления использует эту информацию для регулирования электромагнитной силы, действующей на мяч. Система состоит в основном из испытательного стенда платформы и ПК с платой контроллера DSP. Испытательный стенд содержит электромагнитный привод, оптический датчик положения, электромагнитный ШИМ-усилитель мощности и 2 источника питания постоянного тока (рис. 1).


    Система делится на две основные подсистемы. Подсистема силового срабатывания состоит из катушки электромагнита с сердечником из порошкового металла, ШИМ-усилителя мощности и источника питания 24 В постоянного тока. Усилитель питается от источника постоянного тока и на основе его входного управляющего сигнала посылает диапазон тока через катушку. Подсистема определения положения состоит из датчика на основе фотоэлемента, источника света накаливания и источника питания 15 В постоянного тока. Эта система работает путем измерения интенсивности света, поскольку левитирующий шар закрывает источник света, расположенный напротив датчика (рис. 2).Для улучшения работы датчика вокруг фотоэлемента размещается световой экран с вертикальным щелевым отверстием.


    Эти подсистемы смонтированы вместе на опорной плите, образуя испытательный стенд. Такая конфигурация обеспечивает портативность системы и жесткое, но регулируемое расположение компонентов. Испытательный стенд связывает входные/выходные сигналы датчика с платой контроллера dSPACE DS1104 в ПК. На рис. 3 показана базовая конфигурация системы с физическими интерфейсами подсистемы.


    Чтобы спроектировать подходящий контроллер для системы магнитной подвески, необходимо смоделировать или охарактеризовать компоненты подсистемы.

    Подсистема датчика моделируется путем измерения выходного напряжения, когда световой экран, соответствующий размеру шара, перемещается вертикально в пределах диапазона датчика. Из-за небольшого размера фотоэлемента (~10 мм диаметр) и характера подсистемы датчика выходные сигналы датчика остаются линейными в течение примерно 3 мм. В большем диапазоне показания датчика становятся очень нелинейными.Подсистема силового срабатывания моделируется экспериментально путем измерения сил, приложенных к шару, в зависимости от тока катушки и вертикального положения шара. Эта сила измеряется с помощью S-образного тензодатчика. В пределах небольшого диапазона перемещения, допускаемого датчиком, магнитная сила как функция тока является приблизительно линейной. Модель объекта для магнитолевитационной системы — это просто масса шара под действием внешних сил.

    На рис. 4 показана базовая схема управления системой магнитной левитации.Его магнитное поле создает восходящую силу притяжения на любой магнитный объект, расположенный ниже. Датчик положения определяет вертикальное положение объекта и передает эту информацию контроллеру. Затем контроллер регулирует ток электромагнитного привода в зависимости от положения объекта, чтобы создать стабильную левитацию.


    Используя рассмотренные ранее модели силы, объекта и датчика, можно разработать замкнутую систему управления (рис. 5). Регулятор опережения-запаздывания выбирается для стабилизации системы.Используя анализ корневой точки и частотной области, контроллер разработан таким образом, что время установления составляет ≤1,0 с, а процент перерегулирования ≤50%. Этот линеаризованный контроллер способен удерживать стальной шар в стабильной левитации (рис. 6) [3–6].



    2.2. Электродинамическая подвеска (ЭДС)

    Сверхпроводники производят сверхток, который создает идеальное отражение полюсов постоянных магнитов. Это зеркало обеспечивает стабильное отталкивание магнита, которое заставляет магнит левитировать, что называется эффектом Мейснера.Сверхпроводник, чтобы иметь нулевое электрическое сопротивление, должен охлаждаться жидким азотом. Без сопротивления сверхпроводник способен почти мгновенно отражать постоянный магнит. Это позволяет магниту вращаться, раскачиваться или подпрыгивать, не отрываясь от магнита и не ударяясь о землю.

    Приложение напряжения к проводу приводит к возникновению электрического тока в проводе. Этот электрический ток имеет аналогию с диском, скользящим по доске из организованных колышков (рис. 7), прославленной в популярной игре «Плинко», показанной в игровом шоу «Цена-верная».Движущийся диск аналогичен электрону, движущемуся через решетку ионов (штифты). Гравитационное притяжение диска при наклоне доски (которое приводит к падению диска через набор штифтов) аналогично применению разности потенциалов для перемещения электронов через материал. Когда диск падает через решетку, диск слетает с колышков и замедляется, по аналогии с тем, как электроны рассеиваются на ионах в материале. События рассеяния электронов приводят к удельному сопротивлению — внутреннему свойству материала, связанному с частотой этих событий рассеяния, которые сопротивляются потоку электронов.Теперь, если мы удалим все колышки, диск упадет беспрепятственно. Этот беспрепятственный поток в точности аналогичен тому, что происходит, когда материал становится сверхпроводящим — электроны больше не рассеиваются. Некоторые материалы становятся сверхпроводящими ниже критической температуры, которая различна для каждого материала. Материал, который становится сверхпроводящим ниже определенной температуры, имеет удельное сопротивление, которое стремится к нулю ниже , и электроны беспрепятственно текут.


    Нулевое удельное сопротивление ниже является признаком сверхпроводимости, которая была впервые обнаружена в 1911 году Камерлинг-Оннесом для элемента ртути ниже 4.2 К (рис. 8). Неудивительно, что это открытие произошло через три года после того, как Оннес впервые сжижил гелий в 1908 году. Большинство обычных сверхпроводников имеют критические температуры перехода ниже 10 К, и, следовательно, до сжижения гелия (температура кипения 4,2 К) не было способа охладить его. материалов до достаточно низких температур, чтобы наблюдать явление сверхпроводимости.


    Вторая существенная особенность сверхпроводимости связана с магнитным поведением, известным как эффект Мейснера.Когда магнитное поле прикладывается к сверхпроводнику при температурах выше , силовые линии магнитного поля проникают непосредственно через материал так же, как магнитные поля проникают через любой стандартный материал, такой как бумага или медь. Однако, когда материал охлаждается насквозь и переходит в сверхпроводящее состояние, силовые линии магнитного поля выталкиваются из сверхпроводящего материала (при достаточно малой напряженности магнитного поля) (рис. 9). Это так называемый эффект Мейснера. Хотя первоначальные резистивные свойства сверхпроводников были обнаружены в 1911 году, эффект Мейснера был открыт лишь несколько лет спустя, в 1933 году, Мейснером и Ошенфельдом.

    Форма маглева, называемая диамагнитной левитацией, может использоваться для левитации легких материалов, капель воды и даже живых животных. Он был использован для успешной левитации лягушки в 2000 году. Магнитные поля, необходимые для этого, очень высоки, обычно в диапазоне 16 тесла.

    Эффект Мейснера соответствует идеальному диамагнетизму для достаточно малых магнитных полей. Диамагнетизм — свойство многих материалов; когда внешнее магнитное поле прикладывается к диамагнитному материалу, диамагнетик создает собственное внутреннее магнитное поле, чтобы частично нейтрализовать приложенное извне поле.Диамагнитные свойства воды были продемонстрированы в ходе впечатляющих демонстраций, когда клубника и лягушки левитировали в воздухе над сильными магнитами.

    Макроскопические свойства сверхпроводников привели к ряду приложений — некоторые из них используются в настоящее время, а некоторые разрабатываются для использования в будущем. Парящая клубника и лягушки впечатляют, но не особенно полезны. Однако сверхпроводники используются при разработке поездов на магнитной подушке, например, на испытательной линии Яманаси Маглев в Японии.Ожидается, что поезда смогут развивать более высокие скорости и использовать меньше энергии, если поезда будут двигаться без трения, что обеспечит эффективность использования времени в пути и энергии. Использование сверхпроводящих проводов без сопротивления позволяет создавать «свободные» электромагниты. Эти магниты свободны от затрат на подачу электроэнергии на магнит, мощность которой теперь требуется для всех больших магнитов, изготовленных из резистивной проволоки. В самом деле, если взять петлю из сверхпроводящего провода и настроить ток, протекающий по этому проводу, он будет течь практически вечно.Исследование, проведенное в 1962 году, показало, что время рассеяния составило более 100 000 лет. Это означает, что, в отличие от медного провода, не нужно было бы постоянно подключать к проводу батарею для поддержания протекания тока. Объединив несколько таких сверхпроводящих проволочных петель друг над другом, можно создать электромагнит. Сегодня сверхпроводящий провод используется в электромагнитах медицинских аппаратов МРТ (магнитно-резонансная томография). Используя свойство сверхпроводников, которое мы еще не упомянули и не будем касаться в остальной части этой диссертации, сверхпроводники также могут быть использованы для создания очень чувствительных магнитометров с возможностью измерения очень малых магнитных полей (порядка 10–15 тесла).Чтобы проиллюстрировать впечатляющий характер этого измерения, эти небольшие поля в 20 миллиардов раз меньше, чем магнитное поле Земли. Эти магнитометры использовались в магнитоэнцефалографии (МЭГ), которая изучает магнитные поля, создаваемые человеческим мозгом. Наконец, сверхпроводники можно использовать для эффективного хранения энергии. Спрос на электростанции значительно меняется в течение дня с наименьшим спросом в поздние вечерние и ранние утренние часы. Если бы в периоды, когда спрос наименьший, электростанции могли бы генерировать, а затем хранить энергию без каких-либо потерь, это привело бы к повышению эффективности и значительной экономии.General Electric и другие компании в настоящее время изучают и разрабатывают небольшие версии этого хранилища энергии, известного как распределенное сверхпроводящее магнитное хранилище энергии (D-SMES). Некоторые из этих систем используются в настоящее время, поскольку технология продолжает развиваться. Похоже, что потребуется дальнейший прогресс, потому что охлаждение существующих сверхпроводящих систем все еще связано с высокими затратами. Надежда состоит в том, чтобы в конечном итоге создать лучшие сверхпроводники, которые не нужно охлаждать до очень низких температур.Тогда сверхпроводящая технология станет широко применимой.

    До сих пор мы упоминали основные макроскопические свойства сверхпроводимости (нулевое сопротивление и эффект Мейснера), а также то, как эти свойства можно использовать в технологических приложениях. И феноменологическая, и микроскопическая теории позволили понять сверхпроводимость. В 1957 году Бардин, Купер и Шриффер сформулировали микроскопическую теорию сверхпроводимости (теперь известную как теория БКШ), которая могла вывести макроскопические свойства сверхпроводников, исходя из спаривания электронов ниже .Благодаря успехам этой теории научное сообщество в целом рассматривало сверхпроводимость как хорошо изученное явление. Однако в 1986 году все изменилось благодаря новому открытию. Теория БКШ предсказала общее ограничение на максимально возможную критическую температуру , Max ~ 28 К. Однако в 1986 году Беднорц и Мюллер открыли материал (LaBaCuO), который входит в сверхпроводящее состояние ниже  К, температуры выше максимума, ограниченного БКШ. . Это был первый представитель нового класса сверхпроводников, известных как «высокотемпературные» сверхпроводники.Критическая температура выше максимальной, установленной теорией БКШ, указывает на то, что на микроскопическом уровне происходит нечто иное. На сегодняшний день микроскопический механизм этих сверхпроводников неизвестен. Цель этой диссертации состоит в том, чтобы получить дополнительное представление об этих высокотемпературных сверхпроводниках на микроскопическом уровне с конечной целью, чтобы это исследование привело к микроскопической теории высокотемпературных сверхпроводников. Понимание высокотемпературных сверхпроводников имеет важные технологические последствия как из-за более высоких температур перехода, так и из-за способности проводить большие токи, чем провода сопоставимого размера, сделанные из меди.Более высокие температуры перехода означают, что эти сверхпроводники легче охлаждаются ниже их температур перехода, чем обычные сверхпроводники. Жидкий гелий является стандартным способом охлаждения обычных сверхпроводников ниже. Жидкий гелий дорог и малодоступен. Более поздние высокотемпературные сверхпроводники имеют температуру кипения выше 77 K, температуру кипения жидкого азота, который широко доступен (например, в нашем воздухе для дыхания) и недорог. Способность пропускать большие токи через высокотемпературные сверхпроводники также имеет преимущество с точки зрения создания проводов меньшего размера, а также более мощных магнитов.

    Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) — это мощный метод, изобретенный в 1981 году Биннигом и Рорером. Поскольку СТМ может исследовать материалы на атомарном уровне, этот метод, естественно, позволяет исследовать работу высокотемпературных сверхпроводников на микроскопическом уровне. Вся эта диссертация посвящена применению СТМ к высокотемпературным сверхпроводникам и полученным знаниям. Этот раздел предназначен для того, чтобы дать нефизикам представление о том, как работает СТМ, и какую информацию она может предоставить.

    В СТМ мы переносим атомарно острый наконечник на несколько ангстрем от атомарно плоской поверхности. Ангстрем () равен 10 −10 метров, что примерно равно диаметру атома. Приложение напряжения между наконечником и образцом приводит к туннельному току, протекающему между ними (рис. 10). Этот ток очень чувствителен к расстоянию между зондом и образцом. Большее расстояние между зондом и образцом приводит к меньшему току. Изменение расстояния между зондом и образцом примерно на 1  приводит к изменению тока почти на порядок, а это означает, что СТМ очень чувствителен к очень небольшим изменениям контуров поверхности.Следовательно, когда мы сканируем иглой по поверхности, подъемы и спады топографии поверхности (подъемы и спады, когда мы перемещаемся по атомам) легко фиксируются.


    Исследователей интересует изучение этой щели в плотности состояний высокотемпературных сверхпроводников как в зависимости от положения, так и от температуры. Поскольку СТМ имеет атомарное разрешение, они могут изучать, как этот зазор изменяется от одного атома к другому. СТМ имеет возможность изменять температуру, и, следовательно, они могут изучать, как плотность состояний изменяется с температурой как ниже, так и выше.Благодаря информации, полученной в результате этих исследований, они получают представление о сверхпроводящем состоянии высокотемпературных сверхпроводников (см. рис. 11 и 12) [7].



    3. Поезда на магнитной подушке

    Среди полезных применений технологий магнитной левитации наиболее важным является использование поездов на магнитной подушке. Поезда на маглеве, несомненно, являются самыми передовыми транспортными средствами, доступными в настоящее время для железнодорожной отрасли. Маглев — первая фундаментальная инновация в области железнодорожных технологий с момента изобретения железной дороги.Поезд на магнитной подушке — очень современное транспортное средство. В транспортных средствах Maglev используются бесконтактные системы магнитной левитации, наведения и движения, а колеса, оси и трансмиссия отсутствуют. В отличие от традиционных железнодорожных транспортных средств, между транспортным средством на магнитной подвеске и его направляющей отсутствует прямой физический контакт. Эти транспортные средства движутся вдоль магнитных полей, которые устанавливаются между транспортным средством и его направляющей. Условия отсутствия механического контакта и трения, обеспечиваемые такой технологией, позволяют достичь более высоких скоростей движения, приписываемых таким поездам.Пилотируемые автомобили на магнитной подвеске продемонстрировали скорость движения, равную 581 км/ч. Замена механических компонентов неизнашиваемой электроникой преодолевает технические ограничения технологии «колесо на рельсах». Применение поездов на магнитной подушке привлекло внимание многих транспортных компаний по всему миру. Поезда на магнитной подушке являются последним достижением в железнодорожной технике, особенно в транспортной отрасли. Поезда на маглеве удобно рассматривать как решение транспортных потребностей настоящего времени, а также будущих потребностей мира.Существует множество конструкций магнитолевитационных систем, и инженеры продолжают раскрывать новые идеи о таких системах. Было предложено множество систем в разных частях мира, выбрано и исследовано несколько коридоров [8].

    Быстрый рост объемов перевозок в транспортных системах, а также необходимость повышения комфорта пассажиров выдвинули на первый план тему разработки новых транспортных систем. Требуемое в последнее время увеличение объема перевозок в транспортных системах, а также потребность в повышении комфорта пассажиров и необходимом снижении стоимости жизненного цикла пути обусловили разработку новой транспортной системы.Одной из важных систем, привлекших промышленность, является транспортная система на магнитной подвеске. В связи с этим транспортная система на магнитной подвеске оказывается правильным выбором для транспортной отрасли по всему миру. Системы Maglev были недавно разработаны в ответ на потребность в системах скоростного транспорта. Система на магнитной подвеске явно лучше и превосходит высокоскоростные железные дороги (ВСМ) почти в большинстве областей. К ним относятся загрязнение, уровень шума, уровень вибрации, экологические проблемы, землепользование, нагрузка, скорость, ускорение и торможение, торможение, затраты на техническое обслуживание, комфорт пассажиров, безопасность и время в пути.С помощью направляющей на магнитной подвеске также можно достичь минимальных радиусов для горизонтальных и вертикальных кривых. Автомобиль на магнитной подвеске также может двигаться по более крутым склонам по сравнению с системами HSR. Это значительно сокращает общую длину пути для маршрутов на магнитной подвеске по сравнению с системами HSR. Возможность движения с более высокими углами наклона также уменьшает количество туннелей, необходимых для проезда через горные районы. Это также может сократить общую длину маршрута на магнитной подвеске.Поэтому строительство магнитолевитационных трасс в холмистой местности, помимо многих других преимуществ этих систем, можно рассматривать как привлекательный выбор для транспортных отраслей. Более низкое энергопотребление транспортных средств на магнитной подвеске по сравнению с системами HSR также является одной из основных характеристик поездов на магнитной подушке. Это можно легко связать с отсутствием колес и, как следствие, отсутствием физического контакта между магнитолевитатором и его направляющей.Следовательно, потери энергии из-за нежелательного трения не учитываются. Кроме того, вес автомобиля меньше из-за отсутствия колес, осей и двигателя. С другой стороны, сокращение времени в пути значительно снижает потребление энергии. Ограниченные энергетические ресурсы, которые в настоящее время доступны для нации, выдвинули на первый план тот факт, что каждый человек должен осознавать энергию. Правительству пришлось принимать меры, и началось оно с введения превентивных правил и ужесточения доступа к дешевым энергоресурсам.Очевидно, что широкое применение поездов на магнитной подушке для общественного транспорта на короткие и дальние расстояния может обеспечить стране огромную экономию энергопотребления. Это не тот факт, который можно легко игнорировать или обойти [9, 10].

    Системы подвески Maglev делятся на две группы: электромагнитная подвеска (EMS) и электродинамическая подвеска (EDS). Существуют разновидности транспортных средств, которые производятся на основе этих двух типов систем.Пути транспортных средств в системах EMS и EDS называются направляющими и путями соответственно. По сути, в системе магнитной подвески есть два основных элемента, включая транспортное средство и направляющую. Три основные функции в технологии магнитной подвески — это левитация, движение и наведение. Магнитные силы выполняют все это. Магниты используются для создания таких магнитных сил. Для систем EMS эти магниты расположены внутри автомобиля, а для систем EDS магниты расположены на гусеницах. Работа системы EMS основана на магнитных силах притяжения, а система EDS работает на магнитных силах отталкивания.В системе EDS транспортное средство левитирует на высоте от 1 до 10 см над направляющей с помощью сил отталкивания, как показано на рисунке 13. В системе EMS транспортное средство левитирует на высоте от 1 до 2 см над направляющей с помощью сил притяжения, как показано на рисунке 14. В системе EMS электромагниты на транспортном средстве взаимодействуют с левитирующими рельсами на направляющей и притягиваются к ним. Электромагниты, прикрепленные к транспортному средству, направлены вверх к направляющей, которая поднимает транспортное средство над направляющей и удерживает транспортное средство в паре.Контроль допустимых воздушных зазоров между направляющей и транспортным средством достигается за счет использования передовых систем управления. На рисунках 13 и 14 показаны компоненты направляющей и гусеницы, включая балку и системы левитации и наведения в вышеупомянутых магнитолевитационных системах [11].



    Маглев — это система, в которой транспортное средство поднимается над направляющими (соответствующими рельсовым путям обычных железных дорог) за счет использования электромагнитных сил между сверхпроводящими магнитами на борту транспортного средства и катушками на земле.Катушки левитации установлены на боковых стенках направляющей. Когда бортовые сверхпроводящие магниты проходят с высокой скоростью примерно в нескольких сантиметрах ниже центра этих катушек, внутри катушек индуцируется электрический ток, который затем временно действует как электромагниты. В результате существуют силы, толкающие сверхпроводящий магнит вверх, и силы, одновременно тянущие их вверх, тем самым поднимая в воздух аппарат на магнитной левитации. Катушки левитации, обращенные друг к другу, соединены под направляющей, образуя петлю.Когда движущееся транспортное средство на магнитной подвеске, то есть сверхпроводящий магнит, смещается вбок, в петле индуцируется электрический ток, в результате чего на катушки левитации сбоку от автомобиля действует сила отталкивания, а на катушки левитации стороны автомобиля действует сила притяжения. стороне, удаленной от автомобиля. Таким образом, движущийся автомобиль всегда находится в центре направляющей. Сила отталкивания и сила притяжения, возникающие между магнитами, используются для приведения в движение транспортного средства (сверхпроводящий магнит).Катушки движителей, расположенные на боковых стенках по обеим сторонам направляющего пути, питаются трехфазным переменным током от подстанции, создавая на направляющем подвижное магнитное поле. Бортовые сверхпроводящие магниты притягиваются и толкаются изменяющимся полем, приводя в движение магнитолевитационную машину.

    Направляющая — это конструкция, по которой движутся транспортные средства на магнитной подвеске, которые поддерживаются и направляются ею. Его основные функции заключаются в том, чтобы направлять движение транспортного средства, поддерживать нагрузку транспортного средства и передавать нагрузку на землю.Функция направляющей конструкции состоит в том, чтобы выдерживать приложенные нагрузки от транспортного средства и передавать их на фундамент. Это основной элемент системы магнитной подвески, на который приходится большая часть затрат на систему. Это жизненно важно для поездов на магнитной подвеске [12]. Поезд на маглеве парит над одно- или двухпутными направляющими. Направляющая может монтироваться на уровне земли или приподнята на колоннах и состоит из отдельных стальных или бетонных балок. Приподнятые направляющие занимают наименьшее количество земли на земле. Более того, с такими системами гарантируется отсутствие препятствий на пути следования.Чтобы гарантировать безопасность поездов на магнитной подвеске, необходимо гарантировать, что между направляющими и другими видами транспортных путей не будет пересечения. Чтобы служить этой цели, общее предложение состоит в том, чтобы иметь приподнятые направляющие.

    Направляющая обеспечивает направление движения транспортного средства, поддерживает нагрузку транспортного средства и передает нагрузку на землю. В направляющих на магнитной подвеске, в отличие от традиционных железнодорожных путей, нет необходимости в балласте, шпалах, рельсовых подкладках и рельсовых креплениях для стабилизации ширины колеи.Направляющая состоит из надстроек и подконструкций. Направляющая состоит из балки (фермы) и двух левитационных (направляющих) рельсов. Направляющие могут быть построены на уровне земли или приподняты, включая колонны с бетонными, стальными или гибридными балками. Приподнятые направляющие Maglev сводят к минимуму занятие земли и предотвращают столкновения с другими видами транспорта на одноуровневых перекрестках. Направляющие спроектированы и изготовлены как одинарные или двойные (рис. 15). Направляющие могут быть U-образными, I-образными, Т-образными, коробчатыми, ферменными и т.д.Большинство поперечных сечений направляющих балок также имеют П-образную форму. Ширина колеи (шириной колеи) и пролетов в основном составляет 2,8 м и 24,8 м соответственно [13].


    Наиболее важной частью расчета и проектирования направляющих является нагрузка на конструкцию. Загрузка автомобиля на магнитной подвеске является важным параметром в практическом применении. Это связано с магнитными силами. Направляющая должна нести стационарную нагрузку из-за собственного веса и динамическую нагрузку, включая нагрузку от транспортного средства.Чтобы учесть динамическое взаимодействие между направляющей и транспортным средством, динамическая нагрузка умножается на коэффициент динамического усиления. Также может потребоваться учитывать боковые и продольные нагрузки, включая ветровые и сейсмические нагрузки. Нагрузки на направляющие моделируются как динамические и равномерно распределенные магнитные силы для учета динамической связи между транспортным средством и направляющими. По мере увеличения скорости транспортных средств на магнитной подвеске до 300–500 км/ч динамическое взаимодействие между транспортным средством и направляющей становится важной проблемой и будет играть доминирующую роль в установлении требований к подвеске транспортного средства.Магнитные силы генерируются магнитолевитатором и вызывают структурную нагрузку, которая передается на направляющую. Это может произойти, когда такое транспортное средство неподвижно или находится в движении.

    Направляющие спроектированы и изготовлены из бетонных или стальных балок. Бетонные направляющие балки могут быть как армированными, так и предварительно напряженными. Направляющая балка оценивается для различных случаев нагрузки. Например, шанхайская направляющая балка была оценена в отношении 14 000 вариантов нагрузки с учетом прогиба, динамической прочности и теплового расширения.Направляющая балка для программы Urban Maglev в Корее также была оценена для пяти случаев нагрузки, которые представляют собой комбинации постоянной нагрузки, временной нагрузки и сил предварительного напряжения сухожилия [14, 15].

    Несмотря на высокие скорости, в транспортных средствах на магнитной подвеске пассажиры в большей безопасности, чем в других транспортных системах. Тележка с электромагнитной подвеской наматывается на направляющую, и поэтому ее практически невозможно сойти с рельсов. Приподнятые направляющие гарантируют отсутствие препятствий на пути. Чтобы предотвратить контакт между транспортным средством и направляющей и поддерживать необходимый зазор между ними, система постоянно находится под управлением Системы управления работой (OCS).Система оперативного управления (СУО) включает в себя все технические средства планирования, контроля и обеспечения безопасности эксплуатации транспортных средств [16].

    4. Запуск ракет

    В Центре космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, США запущена и работает система магнитной левитации. Экспериментальный трек установлен внутри многоярусного сооружения в Центре Маршалла. Программа перспективных космических перевозок Маршалла разрабатывает технологии магнитной левитации или магнитной подвески, которые могут дать космической ракете-носителю «разбег», чтобы вырваться из-под земного притяжения.Система запуска Maglev будет использовать магнитные поля для левитации и ускорения транспортного средства на трассе со скоростью до 600 миль в час. Транспортное средство перейдет на ракетные двигатели для запуска на орбиту. Системы Maglev могут значительно снизить стоимость полета в космос, потому что они питаются от электричества — недорогого источника энергии, который остается на земле — в отличие от ракетного топлива, которое увеличивает вес и стоимость ракеты-носителя.

    Экспериментальный трек Фостера-Миллера разгоняет авианосец до 57 миль в час на пике, преодолевая 22 фута за 1/4 секунды, что эквивалентно 10-кратному ускорению свободного падения.Настольная дорожка имеет длину 44 фута, с 22 футами ускорения и 22 футами пассивного торможения. 10-килограммовый носитель с постоянными магнитами по бокам быстро скользит по медным катушкам, создавая силу левитации. В гусенице используется линейный синхронный двигатель, что означает, что гусеница синхронизируется, чтобы включить катушки непосредственно перед тем, как носитель соприкасается с ними, и выключить, когда носитель проходит мимо. Датчики расположены сбоку от гусеницы, чтобы определить положение тележки, чтобы можно было активировать соответствующие приводные катушки.Инженеры проводят испытания внутренней трассы и 50-футовой открытой трассы Maglev, установленных в Маршалле в сентябре прошлого года НАСА и отраслевым партнером PRT Advanced Maglev Systems Inc. из Парк-Форест, штат Иллинойс. Ожидается, что испытания помогут инженерам лучше понять динамику транспортных средств Maglev. , интерфейс между носителем и его ракетой-носителем и как отделить корабль от носителя для запуска. Будущую работу над большими системами будет возглавлять Космический центр НАСА имени Кеннеди во Флориде, США. Ракеты будущего могут запускаться с использованием стартовой дорожки на магнитной подушке (Маглев), аналогичной испытательной трассе, недавно построенной в Центре космических полетов имени Маршалла НАСА в Хантсвилле, штат Алабама, США (см. рис. 16).


    Система Maglev использует магнитные поля для левитации и ускорения транспортного средства на трассе. Подобные системы используются сегодня в качестве высокоскоростных поездов и некоторых более новых, радикальных американских горок. В системах Maglev используются высокопрочные электромагниты, которые поднимают транспортное средство на несколько дюймов над гусеницей, а затем продвигают его вперед с большим ускорением. Используя Maglev для запуска, космический корабль будет разгоняться до скорости 600 миль в час (965 километров в час) без использования бортового топлива.Когда космический корабль приближается к концу пути, он может взлететь как самолет, а затем переключиться на более традиционные ракетные двигатели, чтобы продолжить движение по орбите. Вес топлива является основной причиной высокой стоимости запуска обычных ракет. Но поскольку Maglev использует внешнее электричество для помощи при запуске, вес транспортного средства при старте примерно на 20% меньше, чем у обычной ракеты. Это удешевляет полеты в космос.

    Испытательный полигон в Маршалле, длина которого составляет 50 футов (15 метров), около 2 футов (0,000 м).6 метров) в ширину и около 1,5 футов (0,5 метра) в высоту, установлен на бетонных постаментах. Он состоит из 10 одинаковых сегментов длиной 5 футов (1,5 метра) и весом около 500 фунтов каждый. Большую часть веса составляет железо, используемое в двигателе. Трасса покрыта немагнитной нержавеющей сталью. Через некоторое время в Маршалле будет проложена более крупная гусеница длиной 400 футов (122 метра).

    Компания по космическому туризму Galactic Suite уже сделала 38 бронирований от туристов, которые, по словам компании, в 2012 году отправятся на борту космического корабля на магнитной подушке в орбитальный роскошный отель с плавучим спа-салоном.Поездка стоимостью 3 миллиона евро предусматривает четыре дня пребывания на орбите на высоте 450 километров над землей и включает в себя 18 недель подготовки туристов к космическому полету на карибском острове. На острове строится космодром Galactic Suite с первой ракетой на магнитной подвеске, где космический корабль разгоняется до скорости 1000 км/ч (620 миль/ч) за 10 секунд и взлетает с вертикальной взлетно-посадочной полосы.

    Достигнув приблизительно скорости звука, космический корабль отсоединится от своего магнитолевитационного носителя и ускорителя и поднимется на орбиту с помощью ракетных или воздушно-реактивных двигателей.Затем ускоритель на магнитной подвеске остановится и вернется в исходную точку для следующего запуска. Длина пусковой трассы составит около 3 километров. Технология помощи при запуске Maglev позволит космическим туристам путешествовать на наши космические курорты на орбите на коммерческой основе. Самая дорогая часть любого космического путешествия на низкую околоземную орбиту — это первые несколько секунд — отрыв от земли. Эта технология конкурентоспособна по стоимости с другими видами космического транспорта, экологически безопасна и по своей сути безопасна.Пребывание в отеле предложит смешанную программу размышлений и упражнений, чтобы овладеть уникальными физическими условиями, встречающимися в космосе. Одно из самых инновационных впечатлений, которые могут испытать туристы, — это ванная комната в невесомости. Galactic Suite разработала космический спа. Внутри курорта туристы могут плавать с 20 литрами водяных пузырей. Согласно материалам Galactic Suite, турист, уже обученный избегать воздействия воды в состоянии невесомости, может играть с пузырем, разделяя его на тысячи пузырей в нескончаемой игре.Кроме того, прозрачной сферой можно поделиться с другими гостями. Galactic Suite — частная компания по космическому туризму, основанная в Барселоне в 2006 году. Компания надеется сделать космический туризм доступным для широкой публики и будет сочетать интенсивную программу подготовки космонавтов к отдыху с программой мероприятий на тропическом острове как процесс подготовка к космическим путешествиям.

    Пусковое кольцо состоит из системы магнитной подвески, в которой левитирующее транспортное средство разгоняется в эвакуированном кольцевом туннеле до достижения желаемой скорости, а затем выпускает снаряд на путь, ведущий в атмосферу.До сих пор химическая ракета была единственной технологией, которую человечество успешно использовало для перемещения людей и материалов с поверхности Земли на низкую околоземную орбиту и дальше. Стоимость этой технологии, даже с частично многоразовыми ракетами, остается достаточно высокой, поэтому ее использование остается ограниченным. Существует общее мнение, что более дешевая альтернатива ракетам значительно увеличит объем трафика в космос (см. рис. 17 и 18) [17, 18].



    Космический лифт, пожалуй, самая известная альтернатива ракетам.Обычная современная концепция дизайна космического лифта основана на механическом кабеле, идущем радиально внутрь и наружу от геосинхронной орбиты, обычно с противовесом на внешнем радиусе и с самой внутренней частью кабеля, прикрепленной к земле на экваторе. Затем к кабелю можно прикрепить кабину лифта и перевозить людей или материалы вверх или вниз. К сожалению, имеющиеся в настоящее время материалы недостаточно прочны, чтобы выдержать собственный вес в кабеле с постоянным поперечным сечением от геостационарной точки земли до поверхности земли.В принципе, такой кабель можно сконструировать, сужая поперечное сечение от небольшого диаметра на концах до очень большого диаметра в геостационарной точке. На практике прочность доступных в настоящее время инженерных материалов делает массу такого кабеля неудобно большой. Другие типы предлагаемых концепций космического лифта, которые могли бы обеспечить доступ к низкой околоземной орбите, включают сверхпроводящий кабель с высокой Jc, который может самолевитировать в магнитном поле Земли [19, 20], и массивное кольцо, вращающееся в вертикальной плоскости так, что центробежная сила кольца противодействует силе тяжести в верхней части орбиты.

    Другой общий тип альтернативы состоит в разгоне снаряда до высокой скорости на поверхности Земли. К таким «пушкам» относятся рельсотрон, койлган, электротермохимическая пушка, легкогазовая пушка, ускоритель RAM и ускоритель взрывной волны [21]. Большинство концепций орудий предполагают короткое время разгона, и последующие большие источники питания для увеличения даже скромных масс до требуемой скорости, вероятно, будут дорогими. Было предложено, чтобы электромагнитный запуск придавал ракетам начальную составляющую скорости, при этом большая часть требуемой скорости обеспечивалась сгоранием топлива [22].Наземные мощные лазеры, увеличивающие химическую энергию ракетного топлива, также, вероятно, потребуют больших источников питания [21].

    5. Вентилятор на магнитной подвеске

    Вентилятор на магнитной подвеске обеспечивает превосходную производительность, низкий уровень шума и долгий срок службы. Используя силы магнитной левитации, эти вентиляторы отличаются нулевым трением и отсутствием контакта между валом и подшипником. Обладая превосходной стабильностью вращения, вентилятор на магнитной подвеске устраняет вибрацию, типичное колебание и тряску, характерные для двигателей вентиляторов.Вентиляторы на магнитной подвеске также обеспечивают превосходную устойчивость к высоким температурам, что обеспечивает долгий срок службы, а модели вентиляторов на магнитной подвеске также оснащены полностью пластиковыми основными элементами для обеспечения оптимального сопротивления изоляции и характеристик электростатического разряда (ЭСР). Вентиляторы на магнитной подвеске предлагают эффективное решение для охлаждения оборудования и систем, обещая более низкую стоимость владения и длительный срок службы. Вентиляторы на магнитной подвеске решают проблемы шума, истирания и короткого срока службы, присущие традиционным двигателям вентиляторов.Вентилятор с двигателем на магнитной подвеске отличается нулевым трением и отсутствием контакта между валом и подшипником во время работы. Конструкция вентилятора на магнитной подвеске основана на магнитных принципах и силах, которые не только приводят в движение вентилятор, но и обеспечивают стабильное вращение на всех 360 градусах. Используя притяжение силы магнитной левитации, маглев устраняет проблемы с колебанием и тряской традиционных вентиляторов. Благодаря этой новой технологии пропеллер вентилятора на магнитной подвеске при вращении подвешивается в воздухе, так что вал и подшипник не вступают в прямой контакт друг с другом, создавая трение.В результате появился новый улучшенный вентилятор с низким уровнем шума, высокой термостойкостью и длительным сроком службы. Вентиляторы Maglev могут использоваться в различных отраслях промышленности и в продуктах, требующих высокого уровня теплопередачи, таких как ноутбуки, серверы, проекторы и стереосистемы. Традиционные вентиляторы используют принцип отталкивания полюсов для вращения. Но без контроля над траекторией лопастей лопасти вентилятора имеют тенденцию вызывать неравномерное дрожание и вибрации. После длительного использования вал вызовет сильное истирание подшипников, деформируя их в форме рога.Изношенный вентилятор начинает издавать механические шумы, и срок его службы сокращается. Уникальной особенностью вентилятора на магнитной подвеске является то, что траектория движения лопастей вентилятора во время работы управляется магнитным полем. В результате вал и подшипник не имеют прямого контакта во время работы и поэтому не испытывают трения независимо от того, как ориентирован вентилятор. Это означает, что характерные шумы трения изношенных компонентов не возникают, а срок службы составляет 50 000 часов или даже больше при комнатной температуре (см. рис. 19).


    В традиционном вентиляторе встроенные магниты ротора и статора создают силы отталкивания, и именно эта постоянная сила отталкивания заставляет вентилятор вращаться. Это основной принцип всех охлаждающих вентиляторов. Если мы визуализируем магнитные силы между статором и ротором, мы увидим только плотные линии стандартного магнитного потока, движущегося без какого-либо механизма управления для стабилизации вибрации лопастного ротора во время работы с отталкиванием. Вентилятор на магнитной подвеске включает в свою конструкцию именно такой механизм управления.Это требует, чтобы каждый вентилятор, в дополнение к стандартному магнитному потоку, содержал магнитный поток, необходимый для поддержания уникальной орбиты магнитной подвески в его конструкции. На поперечном разрезе магнитной левитации виден уникально разработанный набор проводящих элементов на основной плате — магнитной пластине. Эта магнитная пластина и встроенные магниты в лопасти вентилятора вместе создают всеобъемлющие вертикальные магнитные силы, которые представляют собой магнитный поток. В поперечном сечении стандартный магнитный поток и поток магнитной подвески образуют вертикальный угол в 90 градусов, другими словами, поток магнитной подвески действует перпендикулярно стандартному магнитному потоку.Это первая ключевая черта, по которой можно идентифицировать вентилятор на магнитной подвеске. Конструкция вертикально пересекающихся стандартных магнитных потоков и потоков магнитной подвески обеспечивает фиксацию вращателя на орбите магнитной подвески. Поэтому, независимо от угла установки вентилятора, вал всегда будет вращаться вокруг фиксированной точки и на постоянном расстоянии от подшипника, не соприкасаясь с ним и не создавая трения или механического шума. Проблема износа подшипников до овальной формы или рогового отверстия после длительного использования эффективно решена.Наибольшим преимуществом магнитной левитации на самом деле является полная сила притяжения на 360 градусов между проводящим элементом (пластиной магнитной левитации) и ротором над ней. Это обеспечивает равномерное распределение силы притяжения, что помогает сохранить оптимальный баланс ротора во время работы и избежать дрожания или нестабильности. Вентиляторы с хорошо сбалансированными лопастями не только служат дольше, но и создают стабильный поток воздуха. Короче говоря, вторая простая черта для идентификации вентилятора на магнитной подвеске заключается в том, что система на магнитной подвеске создает притяжение на 360° к ротору, что приводит к стабильному вращению (см. рис. 20).

    В традиционной конструкции бесщеточного двигателя вентилятора постоянного тока ротор крыльчатки (называемый просто ротором) с помощью вала, проходящего через отверстие пропитанного маслом подшипника или подшипника скольжения, шарнирно удерживается в центральном положении статора двигателя . Между ротором и статором сохранялся соответствующий воздушный зазор. Конечно, между валом и отверстием подшипника должен быть зазор, иначе вал будет плотно заблокирован и не сможет вращаться. Узел статора (называемый просто статором) после подключения к источнику питания будет генерировать наведенный магнитный поток между ротором и статором.При управлении приводной схемой двигатель вентилятора начнет вращаться. В традиционной конструкции двигателя вентилятора есть ротор рабочего колеса, статор двигателя и схема привода. Ротор шарнирно соединен со статором валом ротора и системой подшипников. Ротор приводится во вращение за счет индуцированного магнитного поля между статором и ротором, как показано на рис. 21.


    Подшипник скольжения имеет следующие преимущества. (i) Более ударопрочный, меньше повреждений при доставке.(ii) Подшипники скольжения стоят намного дешевле по сравнению с шарикоподшипниками.

    Недостатки подшипника скольжения заключаются в следующем. (i) Пыль извне может проникнуть в подшипник и смешаться с частицами нитрида, засорив двигатель, что может привести к шуму и значительному замедлению работы двигателя. Внутренняя поверхность отверстия подшипника быстро изнашивается и влияет на производительность. Зазор между валом и отверстием подшипника скольжения мал, что приводит к грубым неравномерным пускам.

    В шариковых подшипниках для вращения используются маленькие металлические шарики.Поскольку они имеют только точечные контакты, вращение можно легко запустить. При использовании пружин для удержания внешнего металлического кольца шарикоподшипника вверху вес всего ротора может приходиться на шарикоподшипник, косвенно поддерживаемый пружинами. Поэтому шарикоподшипники идеально подходят для использования в портативных устройствах с различными углами установки. Однако следует соблюдать осторожность, чтобы предотвратить падение изделия и повреждение шарикоподшипника ударом, что может привести к шуму и сокращению срока службы изделия (см. рис. 22).


    Преимущества шарикоподшипников заключаются в следующем. (i) Срок службы стальных шарикоподшипников намного больше, чем у подшипников скольжения. (ii) Однако следует избегать грубого обращения или падения изделия на землю.

    Недостатки шарикоподшипника следующие. (i) Шарикоподшипники довольно слабые. Он не выдерживает никаких внешних воздействий. (ii) Когда двигатель вентилятора работает, стальные шарики внутри создают более высокий шум вращения, чем подшипник скольжения.(iii) Высокая цена затрудняет конкуренцию с подшипниками скольжения. (iv) Ограничение как источников поставок, так и количества поставок делает их неприемлемыми для нужд массового производства. (v) Использование крошечных узлов, таких как пружины, приводит к неэффективности для массовое производство.

    Когда волчок (разновидность игрушки) брошен, волчок продолжает ускоряться, даже когда он падает на землю. Во время этого ускорения верхняя часть наклоняется и качается до тех пор, пока не будет достигнута постоянная скорость. В этот момент вершина уравновесится, например, раскачивание и наклон исчезли и стали зафиксированы перпендикулярно земле.Это простая концепция, которую формируют корни вентиляторной системы на магнитной подвеске (см. рис. 23).


    Из рисунка выше мы знаем, что независимо от того, как установлен двигатель вентилятора, сила, создаваемая существующим магнитом внутри ступицы и магнитной пластиной, добавленной к печатной плате вентилятора, постоянно притягивает ротор. В результате ротор вращается перпендикулярно земле с постоянным расстоянием между подшипником и валом без какого-либо контакта. Таким образом, не должно возникать ни трения, ни шума.Срок службы двигателя вентилятора чрезвычайно велик (см. рис. 24). (1) Система Maglev помогает рабочему колесу равномерно вращаться по фиксированной орбите в центре орбиты. Следовательно, вал внутри отверстия подшипника Vapo вращается без трения. Отверстие подшипника почти никогда не изнашивается и приобретает неправильную или овальную форму, как в обычных вентиляторах. Следовательно, срок службы подшипника становится очень долгим. (2) Вал внутри отверстия подшипника находится в трении только с воздухом, и двигатель вентилятора легко запускается.(3) В этой новой системе не используются маслосъемные кольца и шайбы, что оставляет место для выпуска газа во время нормальной работы. Проблем с засорением больше нет. Следовательно, двигатель вентилятора может работать без сбоев в течение довольно долгого времени. (4) Использование магнитного потока и опорной крышки обеспечивает ту же функцию, что и шариковый подшипник; поэтому, независимо от того, как размещен вентилятор, не происходит наклона и качания, что означает, что он подходит для конструкции в портативных устройствах. (5) Подшипники Vapo изготовлены из материала, специально обработанного для повышения износостойкости и ударопрочности.При использовании в сочетании с маглевом он создает функцию пружины, которая помогает двигателю вентилятора выдерживать удары. (6) Подшипник Vapo с магнитной подвеской может работать при температуре более 70°C. Он также очень хорошо работает в условиях низких температур. (7) Устранение шайбы и маслосъемного кольца также может позволить автоматизировать производство, что повышает эффективность производства. (8) Пылезащитный колпачок предотвращает попадание пыли в подшипник и смешивание с частицами нитрида для засорения. двигатель, что может привести к шуму и замедлению работы двигателя.


    Благодаря сочетанию конструкции магнитной подвески и подшипника Vapo сохраняются все преимущества шарикоподшипников и подшипников скольжения, при этом устраняются все недостатки.

    Подшипник Vapo можно объяснить следующим образом. (i) Подшипники Vapo изготовлены из материала, специально обработанного для повышения износостойкости и ударопрочности. При использовании в сочетании с маглевом он создает функцию пружины, которая помогает двигателю вентилятора выдерживать удары. (ii) Конструкция маглева помогает ротору равномерно вращаться по фиксированной орбите в центре орбиты без какого-либо трения с отверстием подшипника.Вибрации не было. (iii) В этой новой системе не используются маслосъемные кольца и шайбы, что оставляет место для выхода газа, происходящего во время нормальной работы. Проблем с засорением больше нет. Подшипник Vapo назван в честь этого персонажа.

    Вентиляторы Maglev предотвращают дефекты обычных вентиляторов (см. Таблицу 1).


    Недостатками традиционных двигателей Маглев раствор вентилятора

    Втулка подшипника (я) Масса ротора полностью загружен на вал.Абразивное вращение между валом и подшипником приведет к образованию неровной и шероховатой поверхности на внутренней поверхности отверстия подшипника. Вращение двигателя вентилятора становится неравномерным, что, в свою очередь, вызывает шум при работе и сокращает срок службы вентилятора.
    (ii) Масляное кольцо и майларовая шайба не только увеличивают площадь трения, но и блокируют высокотемпературные газы, которые, если их не высвободить до затвердевания, превратятся в частицы нитрида, которые, в свою очередь, забьют зазор между валом и отверстием подшипника. затем вызывая гораздо более медленное вращение ротора и шум.
    (i) Весь вес ротора полностью притягивается магнитной силой в любом установленном положении, поддерживая равномерное вращение двигателя в фиксированной точке и сохраняя постоянное расстояние от внутренней поверхности подшипника. Больше не возникает традиционных трений и шума.
    (ii) Масляное кольцо, шайба и смазка больше не используются в конструкции маглева. Следовательно, больше нет проблем с утечкой масла или заеданием ротора.
    (iii) Конструкция Maglev допускает рабочую температуру выше 70°C.
    Шариковый подшипник (i) Когда двигатель вентилятора работает, стальные шарики внутри создают более высокий шум вращения, чем подшипник скольжения.
    (ii) Конструкция шарикоподшипников довольно слабая и не способна поглощать внешние удары. Его легко повредить, что приводит к более громкому шуму при вращении.

    Во время работы нет трения и контакта между валом и подшипником.Они стали любимыми благодаря своим превосходным характеристикам, таким как низкий уровень шума, устойчивость к высоким температурам и сверхдолгий срок службы.

    Осевой двигатель с постоянными магнитами и радиальным магнитным потоком вместе с сегментом железной полосы, как показано на рис. 25, использовался для охлаждающих вентиляторов малой мощности [23]. Этот двигатель оснащен только одним набором осевой обмотки статора, который может обеспечить желаемый радиальный поток за счет соответствующей конструкции полюса статора, и такая конструкция конструкции весьма перспективна для приложений с ограниченным пространством.Поскольку нежелательные вибрационные силы в основном генерируются в радиальном направлении двигателя, концепция состоит в том, чтобы обеспечить адекватный путь магнитного потока, чтобы можно было установить пассивную магнитную подвеску. Как видно из рис. 25(б), магнитные потоки, генерируемые обмоткой статора двигателя, сначала будут протекать через его центральный вал статора, выходя из пар полюсов статора в его верхней/нижней части, а затем возвращаясь к нижней части. /верхняя часть пар полюсов статора после прохождения через соответствующие магниты ротора.Поскольку пары полюсов на верхней и нижней частях статора перпендикулярны друг другу, будут проявляться нежелательные вибрационные силы, в основном создаваемые в радиальном направлении двигателя. Результирующее трение, воздействующее на систему подшипников двигателя, безусловно, приведет к дополнительным потерям тепла и энергии и, таким образом, снизит надежность и срок службы этого двигателя [24, 25].


    (a) Фотография основания статора
    (b) Концептуальная конструкция двигателя
    (a) Фотография основания статора
    (b) Схематическая конструкция двигателя

    Основные проблемы изготовления двигателей охлаждающих вентиляторов отличаются низкой стоимостью строительства/обслуживания и высокой эксплуатационной надежностью [26].Кроме того, чтобы удовлетворить эти предпосылки конструкции, также желательно, чтобы общая производительность таких двигателей могла сохранить их рыночную конкуренцию без внедрения сложных датчиков и устройств управления приводом. Магнитная подвеска будет установлена ​​за счет предусмотренного дополнительного пути потока. Хотя ожидается, что сила притяжения между постоянным магнитом ротора и сегментом пассивной магнитной подвески будет индуцироваться для стабилизации колебаний ротора, интуитивно также предполагается, что этот сегмент с высокой магнитной проницаемостью может обеспечивать вращательные характеристики двигателя [25].

    6. Сердечный насос Maglev

    Тепловая недостаточность является одной из основных причин смерти. Лечение сердечной недостаточности обычно включает трансплантацию сердца, механическую поддержку желудочков, замену искусственных органов и так далее. Хотя трансплантация сердца является относительно естественной технологией, существует серьезная нехватка донорских сердец, что приведет к реакции отторжения трансплантата. В опоре традиционных искусственных сердечных насосов часто используются подшипники качения или скольжения. Из-за контакта между подшипником и кровью кровь будет загрязнена и легко вызовет тромбоз.С развитием маглева, двигателей и технологий управления искусственный сердечный насос преодолел такие проблемы, как трение, уплотнение и смазка, что уменьшило повреждение клеток крови и повысило срок службы и безопасность сердечного насоса.

    Искусственный сердечный насос требует небольшой конструкции, низкого энергопотребления, определенной жесткости и демпфирования для трансплантации и длительного использования. Осевой магнитный насос гибридного типа не только имеет небольшие размеры, почти не потребляет энергии и плохие динамические характеристики подшипника с постоянными магнитами, но также имеет низкое энергопотребление, длительный срок службы и хорошие динамические характеристики магнитного подшипника.

    Искусственный сердечный насос (также известный как насос для переливания крови) можно разделить на вытесняющий, пульсирующий и непрерывный сердечный насос. Бионические характеристики пульсирующей помпы хороши, но ее недостатками являются относительно большой объем и склонность к гемолизу из-за большой площади контакта с кровью. Эти недостатки серьезно ограничивали его применение. Насос искусственного сердца с непрерывным потоком можно разделить на насос с осевым потоком, центробежный насос и насос со смешанным потоком. Центробежный сердечный насос Maglev имеет большее давление при малой скорости потока и меньшее разрушение крови при малой скорости, при этом его недостаток не подходит для имплантации; осевой сердечный насос Maglev имеет большую скорость потока, низкое давление, которое необходимо увеличить скорость для получения гораздо большего давления.Осевой насос имеет плотную конструкцию, меньшие по размеру компоненты привода, низкое энергопотребление, малый вес, высокую эффективность и т. д., поэтому его легче имплантировать, и он может снизить стоимость операции и возможность инфицирования, но его крыльчатка имеет высокая скорость и его гемолитическая также высока. Либо осевые, либо центробежные, традиционные опоры представляют собой контактные подшипники, такие как керамические подшипники, и есть некоторые проблемы с трением, смазкой и уплотнением, которые легко повреждают кровь, что приводит к гемолизу и образованию тромбов.Магнитный подшипник позволяет избежать контакта ротора и статора под действием магнитной силы, не требующей смазки, и устраняет традиционные недостатки, такие как прямое трение, большие потери и короткий срок службы, и является одной из идеальных опор для нового поколения искусственных сердечный насос [27, 28].

    Согласно теории Эрншоу (1839 г.), постоянный маглев нестабилен. Эта теорема применима только к левитатору в статическом состоянии. Пассивные магнитные (ПМ) подшипники могли бы обеспечить стабильную магнитную подвеску во всех центробежных насосах, если бы ротор имел достаточно высокую скорость и при этом получал так называемый гироэффект, а именно, вращающееся тело с достаточно высокой скоростью могло бы стабильно поддерживать свое вращение [29, 30]. ].

    Для упрощения роторных насосов на магнитной подвеске с электрическим приводом был разработан безваловый насос с постоянным рабочим колесом на магнитной подвеске без активно управляемого змеевика для подвески ротора (Рисунок 26). Левая сторона крыльчатки представляет собой диск магнита для вращения, а правая сторона крыльчатки представляет собой диск магнита для подвески. Насос массой 150 г имеет максимальный диаметр 42 мм, а его длина в наибольшей точке составляет 35 мм.

    Устройство состоит из статора и ротора. Статор имеет жесткий полиуретановый корпус с цилиндрической внутренней поверхностью; с левой стороны подключена катушка двигателя постоянного тока с осевым приводом, намотанная на железный сердечник, а с правой стороны навинчено уравновешивающее железное кольцо.Ротор уплотнен магнитным диском для вращения (слева), крыльчаткой (посередине) и магнитным диском для подвески (справа). Сила притяжения между железным сердечником катушки двигателя и вращающимся магнитным диском ротора уравновешивается силой притяжения между магнитным диском для подвески и уравновешивающим железным кольцом. Кроме того, с обеих сторон ротора разработаны два новых запатентованных подшипника с постоянными магнитами, которые устраняют оставшиеся силы притяжения и предотвращают аксиальное прилегание ротора к статору как слева, так и справа.Каждый подшипник состоит из малого и большого постоянных магнитных колец; маленькое кольцо вставлено в ротор, а большое кольцо закопано в статор. Два кольца, намагниченные в одном и том же осевом направлении, отталкивают друг друга, создавая осевую опорную силу. Сила притяжения между ротором и статором противодействует радиальному эксцентричному движению ротора и, таким образом, служит радиальным подшипником. Вход и выход насоса расположены соответственно в центре балансировочного кольца и на периферии корпуса ПУ.При стендовых испытаниях с водой насос выдает расход до 10 л/мин при напоре 100 мм рт.ст. Насос массой 150 г имеет максимальный диаметр 42 мм и длину 35 мм (без учета впускной и выпускной трубок) [31].

    Имплантируемые ротационные насосы были разработаны и использовались для оказания помощи больным желудочкам сердца из-за отсутствия доноров сердца для трансплантации. Измерение пульсирующего расхода важно для контроля расхода этих роторных насосов. Обычные расходомеры не отличаются особой компактностью, в то время как надежность и долговечность небольших расходомеров, изготовленных с использованием технологии микроэлектромеханических систем, все еще остаются неопределенными.Несколько групп предложили оценивать скорость потока, используя мощность двигателя центробежного насоса крови (ЦКН). На рис. 27(а) показана схема имплантируемой вспомогательной системы желудочков с использованием ротационного насоса [32].

    Четвертая итерация дизайна (PF4) детского вспомогательного желудочкового устройства PediaFlow (VAD) была разработана для младенцев и детей ясельного возраста с врожденными и приобретенными пороками сердца.

    Ключевые характеристики педиатрической VAD PediaFlow включают следующее: (i) беспрецедентная биосовместимость благодаря технологии магнитной подвески, модернизированной конструкции с одним потоком и оптимизированному с помощью компьютера процессу проектирования; (ii) исключительно малые размеры из-за сверхкритического (выше резонансная частота) роторно-динамическая технология; (iii) бесклапанная турбодинамическая конструкция с одной движущейся частью для минимизации размера; (iv) вычислительная оптимизация с использованием первых принципов биоинженерии и физики.

    Нынешняя конструкция VAD возникла в результате комплексной оценки трех топологий насоса, включающих в себя различные схемы магнитной подвески, двигателя и пути прохождения жидкости. В каждой из выбранных топологий использовались радиальные и моментные подшипники с постоянными магнитами, активный осевой упорный подшипник и бесщеточный двигатель постоянного тока [33–36].

    7. Анализ пищевых продуктов и напитков

    Измерения плотности вещества важны в пищевой промышленности, здравоохранении и других учреждениях, поскольку они предоставляют ключевую информацию о химическом составе вещества.Измерения плотности, например, могут определить содержание сахара в безалкогольных напитках, количество алкоголя в вине или слишком много соли для поливной воды, чтобы ее можно было использовать на фермерском поле. Существующие устройства для проведения таких измерений далеки от идеальных, и существует потребность в более простых, менее дорогих и удобных в использовании технологиях.

    Ученые описывают разработку специального датчика, который использует маглев для удовлетворения этих потребностей, подвешивая твердые или жидкие образцы с помощью магнитов для измерения их плотности.Датчик размером с кубик льда состоит из заполненного жидкостью контейнера с магнитами на каждом конце. Образцы различных материалов могут быть помещены внутрь, и расстояние, на которое они мигрируют в жидкости, является мерой их плотности. Ученые показали, что устройство может быстро оценить содержание соли в различных образцах воды и относительное содержание жира в разных видах молока, сыра и арахисового масла. Потенциальные применения маглева могут включать оценку пригодности воды для питья или орошения, оценку содержания жира в пищевых продуктах и ​​напитках или мониторинг обработки зерна (например,г., снятие шелухи или сушка) (см. рис. 28) [37].


    8. Заключение

    Название маглев происходит от MAGnetic LEVitation. Магнитная левитация — это очень продвинутая технология. Он имеет различные применения, включая чистую энергию (маленькие и огромные ветряные турбины: дома, офисы, промышленность и т. д.), строительные объекты (вентилятор), транспортные системы (поезд на магнитной подушке, персональный скоростной транспорт (PRT) и т. д.), оружие (пушка, ракетная техника), ядерная техника (центрифуга ядерного реактора), гражданское строительство (лифт), реклама (левитация всего, что рассматривается внутри или над различными рамками, можно выбрать), игрушки (поезд, левитация космонавтов над космическим кораблем и т. д. .) и канцелярские принадлежности (ручка). Общим во всех этих применениях является отсутствие контакта и, следовательно, отсутствие износа и трения. Это повышает эффективность, снижает затраты на техническое обслуживание и увеличивает срок службы системы. Технология магнитной левитации может быть использована как эффективная технология в различных отраслях промышленности. Уже есть много стран, которые заинтересованы в системах на магнитной подвеске.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *