Tecnologia di frontiera dell'elettromagnetismo: treno Maglev
Riassunto: Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, la vita delle persone ha subito cambiamenti sconvolgenti. Prendendo come esempio il comportamento nelle necessità fondamentali della vita, dai tempi antichi ad oggi, abbiamo sperimentato cambiamenti come camminare-cavalcare-carrozza trainata da cavalli-treno-auto-aereo e così via. Negli ultimi anni, i treni a levitazione magnetica hanno attirato l'attenzione della gente grazie ai vantaggi dell'alta velocità, della protezione ambientale e del risparmio energetico.
Punti chiave:
1. Cos'è un treno maglev?
2. Il principio del treno maglev: a. Tipo di conduzione costante.b. Il principio della repulsione dei poli elettromagnetici con persone dello stesso sesso c. Tipo a magnete permanente
3. Fondamenti tecnici del treno maglev
4. Il treno maglev interno alla Cina
5. Vantaggi dei treni maglev
Cos'è un treno a levitazione magnetica?
Il treno maglev ad alta velocità è un'invenzione tecnologica del 20° secolo e il suo principio non è profondo. Utilizza la proprietà dei magneti secondo cui "lo stesso sesso si respinge a vicenda e i sessi opposti si attraggono", in modo che il magnete abbia la capacità di resistere alla gravità, cioè alla "levitazione magnetica". Gli scienziati applicano al sistema di trasporto ferroviario il principio della "levitazione magnetica", che fa sì che il treno si distacchi completamente dai binari e galleggi, diventando un treno "senza ruote" con una velocità di centinaia di chilometri all'ora. Questo è il cosiddetto "treno maglev".
Il principio del treno maglev:
Il treno Maglev è il prodotto del moderno sviluppo high-tech. Il principio è quello di utilizzare la forza elettromagnetica per compensare la gravità della terra, e la trazione è effettuata dal motore lineare, in modo che il treno sia sospeso sul binario (lo spazio di sospensione è di circa 1 cm). La sua ricerca e produzione coinvolgono molte discipline come il controllo automatico, la tecnologia dell'elettronica di potenza, la tecnologia della propulsione lineare, la progettazione e produzione meccanica, il monitoraggio e la diagnosi dei guasti, ecc. La tecnologia è molto complicata ed è un simbolo importante del valore scientifico e tecnologico di un paese forza e livello industriale. Rispetto ai normali treni ruota-rotaia, ha un basso rumore e la prima linea operativa dimostrativa del treno maglev al mondo: il treno Maglev di Shanghai. Una volta completato, dalla stazione di Pudong Longyang Road all'aeroporto internazionale di Pudong, ci vorranno solo 6-6 chilometri per più di 30 chilometri. 7 minuti. Con le caratteristiche di assenza di inquinamento, sicurezza, comfort, alta velocità ed alta efficienza, ha la reputazione di "aereo ad altitudine zero". Si tratta di una nuova tipologia di trasporto dalle ampie prospettive, particolarmente adatta al transito ferroviario urbano. I treni Maglev sono generalmente suddivisi in tipo repellente e tipo di aspirazione in base a diversi metodi di levitazione e possono essere suddivisi in alta velocità, media e bassa velocità in base alla velocità operativa.
"Stare lontano" è lo stato di funzionamento di base del treno a levitazione magnetica. I treni Maglev utilizzano la forza elettromagnetica per contrastare l'attrazione gravitazionale della Terra, consentendo al treno di levitare sui binari. Durante l'operazione, la carrozzeria dell'auto e la pista sono in uno stato di "vicinanza" e lo spazio di levitazione magnetica è di circa 1 cm, quindi ha la reputazione di "aereo ad altezza zero". Rispetto ai normali treni ruota-rotaia, ha le caratteristiche di bassa rumorosità, basso consumo energetico, assenza di inquinamento, sicurezza e comfort, alta velocità ed alta efficienza ed è considerato un nuovo tipo di trasporto con ampie prospettive. soprattutto in questo
I treni maglev a bassa velocità sono particolarmente adatti per il trasporto ferroviario urbano grazie al loro raggio di sterzata ridotto e alla forte capacità di salita.
I treni ad alta velocità maglev testati nel mondo hanno i seguenti modelli:
1. Tipo normalmente conduttivo (elettromagnetico).
Utilizzando il principio degli opposti elettromagnetici che si attraggono, il veicolo è sospeso sul binario di circa 1 cm. Già nel 1976 la Germania ha sviluppato un veicolo sperimentale a levitazione magnetica costante, attualmente rappresentato dal modello tedesco TR08 (questo modello è stato importato dalla Germania a Shanghai), con una velocità massima di 500 chilometri orari. Quando il premier Zhu visitò la Germania nel giugno del 2000, provò a salire su questo treno ad alta velocità sulla linea di prova girevole di 31,5-chilometri di tipo occhiali a Emslant ( ). Già nel 1992 la Germania aveva annunciato che la tecnologia era pronta per l’applicazione commerciale.
2. Utilizzando il principio della repulsione polare elettromagnetica a temperatura ultrabassa, il veicolo viene sospeso a circa 10 cm sopra il binario. Nel 1962, il Giappone iniziò a studiare la tecnologia dei treni ad alta velocità maglev superconduttori e nel 1989 fu costruita una linea di prova di 18,4-chilometri nella prefettura di Yamanashi. Con il veicolo MLX01 è stato stabilito il record con equipaggio di 552 chilometri orari. Il premier Zhu ha provato a viaggiare su questo tipo di treno quando ha visitato il Giappone nel settembre 2000, e continua ancora a testarlo e migliorarlo.
3. Tipo a magnete permanente
Conosciuto anche come aereo maglev, in realtà è un treno ad alta velocità maglev a magnete permanente. È una creazione che gli Stati Uniti stanno ricercando e testando. L'altezza della sospensione è di 8-15 cm e la velocità può raggiungere i 550 chilometri all'ora. Poiché ci sono "ali dentate" su entrambi i lati del treno (simili alle ali di un aeroplano) e una "coda" in coda per l'equilibrio, è chiamato aereo maglev. Quattro società a Chengdu, nella provincia del Sichuan, hanno costituito una joint venture con la American Commercial Bank, Feimei Magnetic Levitation High-speed Aircraft Co., Ltd., e hanno raggiunto un accordo di cooperazione intenzionale per introdurre la tecnologia americana. Le due parti hanno finanziato congiuntamente la creazione di una base di produzione e hanno pianificato di costruire una linea di prova lunga circa 2 chilometri.
Il treno maglev di Shanghai è un treno maglev ad "attrazione magnetica a conduzione costante" (denominato "conduzione costante"). È progettato in base al principio "gli opposti si attraggono". È un sistema di sospensione ad aspirazione. Utilizza gli elettromagneti di sospensione installati sui carrelli su entrambi i lati del treno e i magneti posati sui binari. La forza di aspirazione generata dal campo magnetico fa galleggiare il veicolo. . Gli elettromagneti sono installati sul fondo del treno e sulla parte superiore dei carrelli su entrambi i lati. Le piastre di reazione e le piastre in acciaio a induzione sono installate rispettivamente sopra la guida "I" e sotto la parte superiore del braccio per controllare la corrente dell'elettromagnete in modo che venga mantenuta una distanza di 1 cm tra l'elettromagnete e la pista. , lascia che l'attrazione tra il carrello e il treno e la gravità del treno si bilancino a vicenda e usa l'attrazione magnetica per far galleggiare il treno di circa 1 cm, in modo che il treno sia sospeso sui binari. Questo deve controllare con precisione la corrente all'elettromagnete.
Il principio di guida del treno di sospensioni è esattamente lo stesso di quello del motore lineare sincrono. In parole povere, la corrente alternata che scorre nella bobina situata su entrambi i lati del binario può trasformare la bobina in un elettromagnete e il treno partirà grazie alla sua interazione con l'elettromagnete sul treno.
Il polo N dell'elettromagnete in testa al treno è attratto dal polo S dell'elettromagnete installato sul binario poco più avanti, ed è respinto dal polo N dell'elettromagnete installato sul binario un po' più avanti. Quando il treno avanza, la direzione della corrente che scorre nella bobina viene invertita, cioè il polo S originale diventa polo N e il polo N diventa polo S. Il ciclo si alterna e il treno corre avanti.
La stabilità è controllata da un sistema di guida. Il sistema di guida "aspirazione magnetica a conduzione normale" consiste nell'installare un gruppo di elettromagneti appositamente utilizzati per la guida sul lato del treno. Quando il treno devia a destra e a sinistra, l'elettromagnete guida il treno
Interagisce con il lato del binario di guida per creare una forza repulsiva che riporta il veicolo nella sua posizione normale. Quando il treno percorre una curva o una rampa, il sistema di controllo controlla la corrente nel magnete di guida per raggiungere lo scopo di controllare il funzionamento.
L'idea del treno maglev a "conduzione normale" fu proposta dall'ingegnere tedesco Hermann Kemper nel 1922. Il principio di funzionamento del treno maglev a "conduzione normale", il binario e il motore sono esattamente gli stessi. Basta disporre il "rotore" del motore sul treno e adagiare lo "statore" del motore sui binari. Attraverso l'interazione tra il "rotore" e lo "statore", l'energia elettrica viene convertita in energia cinetica diretta. Sappiamo che quando lo "statore" del motore è eccitato, il "rotore" può essere portato a ruotare attraverso l'induzione elettromagnetica. Quando la potenza viene trasmessa allo "statore" del binario, il treno viene spinto a muoversi in linea retta proprio come il "rotore" del motore attraverso l'induzione elettromagnetica. La base tecnica del treno maglev:
Il treno maglev è composto principalmente da tre parti: il sistema di sospensione, il sistema di propulsione e il sistema di guida, come mostrato in figura
3. Nella stragrande maggioranza dei progetti attuali, tutte e tre le funzioni sono svolte da magneti, sebbene si possa utilizzare un sistema di propulsione indipendente dal magnetismo. Le tecnologie utilizzate in queste tre parti sono introdotte rispettivamente di seguito.
Sistema di sospensione: attualmente, il design del sistema di sospensione può essere suddiviso in due direzioni, vale a dire il tipo di conduzione normale adottato dalla Germania e il tipo superconduttore adottato dal Giappone. In termini di tecnologia di levitazione, si tratta del sistema di levitazione elettromagnetica (EMS) e del sistema di levitazione elettrica (EDS). La Figura 4 mostra le differenze strutturali dei due sistemi. Il sistema di levitazione elettromagnetica (EMS) è un sistema di levitazione ad aspirazione, in cui l'elettromagnete sulla locomotiva e il binario ferromagnetico sulla rotaia di guida si attraggono a vicenda per produrre levitazione. Quando il treno a levitazione magnetica convenzionale funziona, regolare innanzitutto la sospensione della parte inferiore del veicolo e l'attrazione elettromagnetica dell'elettromagnete di guida e reagire con gli avvolgimenti su entrambi i lati del binario a terra per far galleggiare il treno. Sotto la reazione dell'elettromagnete di guida nella parte inferiore del veicolo e del magnete del binario, la ruota e il binario vengono mantenuti ad una certa distanza laterale, e il supporto senza contatto e la guida senza contatto della ruota-rotaia nel vengono realizzate le direzioni orizzontale e verticale. La distanza della sospensione tra il veicolo e la carreggiata è di 10 mm, garantita da un sistema di regolazione elettronica ad alta precisione. Inoltre, poiché la sospensione e la guida sono in realtà irrilevanti per la velocità del treno, il treno può comunque entrare nello stato di sospensione anche nello stato di parcheggio.
I sistemi di sospensione elettrica (EDS) utilizzano magneti su una locomotiva in movimento per generare corrente elettrica sulle rotaie. Man mano che lo spazio tra la locomotiva e la rotaia di guida diminuisce, la repulsione elettromagnetica aumenterà e la risultante repulsione elettromagnetica fornisce supporto e guida stabili per la locomotiva. Tuttavia, la locomotiva deve essere dotata di qualcosa come ruote per supportare efficacemente la locomotiva durante il "decollo" e l'"atterraggio" perché l'EDS non può mantenere la sospensione della locomotiva a velocità inferiori a circa 25 mph. I sistemi EDS sono stati ulteriormente sviluppati con la tecnologia dei superconduttori a bassa temperatura.
La caratteristica principale del treno maglev superconduttore è la completa conduttività e il completo diamagnetismo dei suoi componenti superconduttori a una temperatura relativamente bassa. I magneti superconduttori sono composti da bobine superconduttrici realizzate con materiali superconduttori. Non solo ha una resistenza alla corrente pari a zero, ma può anche condurre una corrente potente che non può essere paragonata ai cavi normali. Questa caratteristica consente di realizzare elettromagneti di piccole dimensioni e potenti. .
Il veicolo del treno maglev superconduttore è dotato di magneti superconduttori a bordo e costituisce un dispositivo di integrazione della potenza a induzione.
L'avvolgimento di guida del treno e l'avvolgimento di guida della sospensione sono installati su entrambi i lati della guida di terra. L'apparecchiatura per l'integrazione dell'energia a induzione sul veicolo è costituita da un avvolgimento per l'integrazione dell'energia e un superconduttore per l'integrazione dell'energia a induzione
Il magnete guida è composto da tre parti. Quando la corrente alternata trifase coerente con la frequenza della velocità del veicolo viene fornita agli avvolgimenti di comando su entrambi i lati del binario, verrà generato un campo elettromagnetico in movimento, generando così onde magnetiche sulla rotaia di guida del treno e sul Il magnete superconduttore di bordo del treno sarà sottoposto a La spinta, sincronizzata con il campo magnetico in movimento, è ciò che spinge il treno in avanti. Il suo principio è come quello del surf, il surfista sta sulla cresta dell'onda e viene spinto in avanti dall'onda. Analogamente ai problemi affrontati dai surfisti, anche i treni maglev superconduttori devono affrontare il problema di come controllare accuratamente il movimento di picco delle onde elettromagnetiche in movimento. A tal fine, sulla guida a terra è installato uno strumento ad alta precisione per rilevare la posizione del veicolo e la modalità di alimentazione di corrente alternata trifase viene regolata in base alle informazioni del rilevatore e la forma d'onda elettromagnetica viene controllata con precisione affinché il treno possa circolare bene.
Sistema di propulsione: l'azionamento del treno maglev utilizza il principio del motore lineare sincrono. La bobina dell'elettromagnete che supporta la parte inferiore del veicolo agisce come la bobina di campo di un motore lineare sincrono, e l'avvolgimento del campo magnetico mobile trifase all'interno del binario di terra agisce come un'armatura, che agisce come il lungo avvolgimento dello statore di un motore lineare sincrono. Dal principio di funzionamento del motore, si può sapere che quando la bobina dell'armatura come statore è alimentata, il rotore del motore viene portato a ruotare a causa dell'induzione elettromagnetica. Allo stesso modo, quando la sottostazione disposta lungo la linea fornisce alimentazione trifase FM e AM all'avvolgimento motore interno al binario, il sistema di cuscinetti insieme al treno è spinto a muoversi in linea retta come il "rotore" del motore a causa di induzione elettromagnetica. Pertanto, nello stato sospeso, il treno può realizzare completamente trazione e frenata senza contatto.
In parole povere, la corrente alternata che scorre nella bobina situata su entrambi i lati del binario può trasformare la bobina in un elettromagnete. Grazie alla sua interazione con l'elettromagnete superconduttore del treno, fa muovere il treno. Il treno avanza perché l'elettromagnete (polo N) in testa al treno è attratto dall'elettromagnete (polo S) montato sul binario poco più avanti, e contemporaneamente è attratto dall'elettromagnete (polo N)) vengono respinti. Mentre il treno avanza, la direzione della corrente che scorre nelle bobine viene invertita. Il risultato è che la bobina originale con polo S è ora una bobina con polo N e viceversa. In questo modo il treno può continuare a viaggiare in avanti grazie all'inversione della polarità elettromagnetica. In base alla velocità del veicolo, la frequenza e la tensione della corrente alternata che scorre nella bobina vengono regolate dal convertitore di potenza.
Il treno maglev domestico cinese:
Il primo treno maglev superconduttore ad alta temperatura con equipaggio al mondo sviluppato dalla Southwest Jiaotong University nel 2000
Il "Secolo" e il "Futuro" con equipaggio a temperatura normale e normale treno a levitazione magnetica sviluppati successivamente hanno ricevuto grande attenzione e piena affermazione da Hu Jintao, Jiang Zemin e altri leader di partito e stato.
Secondo i rapporti, già nel 1994, la Southwest Jiaotong University ha sviluppato con successo il primo treno maglev a bassa velocità della Cina in grado di trasportare persone, ma è stato utilizzato con successo in condizioni di laboratorio completamente ideali. Nel 2003, la Southwest Jiaotong University ha completato la linea ferroviaria maglev a Qingshan, Chengdu, Sichuan. La pista di prova maglev è lunga 420 metri. È rivolto principalmente ai turisti e il prezzo del biglietto è inferiore a quello del taxi. La prima linea operativa dimostrativa del treno maglev al mondo - Shanghai Maglev Train, dopo il completamento, ci vorranno solo 6-7 minuti per percorrere più di 30 chilometri dalla stazione di Pudong Longyang Road all'aeroporto internazionale di Pudong.
Sul principio della levitazione magnetica
Treno Maglev di Shanghai
Rispetto agli attuali treni ad alta velocità, i treni maglev presentano molti vantaggi incomparabili:
Poiché il treno a levitazione magnetica corre sui binari, non c'è alcun contatto effettivo tra la rotaia di guida e la locomotiva, e diventa uno stato "senza ruote", quindi non c'è quasi alcun attrito tra la ruota e la rotaia e la velocità è altrettanto elevata come diverse centinaia di chilometri all'ora; l'affidabilità del treno a levitazione magnetica È grande, di facile manutenzione e a basso costo. Il suo consumo energetico è solo la metà di quello di un'auto e un quarto di quello di un aereo. Il rumore è basso. Quando la velocità del treno a levitazione magnetica supera i 300 chilometri orari, il rumore è di soli 656 decibel, che equivale solo a quello di una persona che parla ad alta voce. , che è più piccolo del rumore delle auto che passano; poiché è alimentato dall'elettricità, non emette gas di scarico lungo il percorso e non inquina. È un vero e proprio strumento di trasporto verde.
Riferimenti: Principi di funzionamento e caratteristiche strutturali delle EMU ad alta velocità/Dong Ximing/China Railway Press? 1.12.2007; Little Newton Science Museum--Treni elettrici e a levitazione magnetica (quarta serie) Guizhou Education Press, 2011.12.9
