Проблема магнитной левитации на транспорте (магнитолевитационный транспорт) – сокращенно маглев – интенсивно исследуется уже в течение последних пятидесяти лет. Разработаны поезда на магнитной подушке, которые парят над путями и развивают скорость более 500 км/ч.
В разработке систем высокоскоростного наземного транспорта участвовало несколько промышленно развитых стран. Прежде всего можно выделить Германию, Японию, Китай, США и Великобританию.
Поезд на магнитной подвеске в Китае (Шанхай - аэропорт)
В коммерческом использовании находится Шанхайский поезд на магнитной подвеске в Китае между центром Шанхая и аэропортом. Эта железная дорога основана на немецкой технологии магнитной левитации Transrapid.
Отсутствие физического контакта между рельсом и поездом означает, что трение происходит только с воздухом, и это сведено к минимуму благодаря его аэродинамической форме.
Поэтому поезда на маглеве могут двигаться с очень высокими скоростями, с большим потреблением энергии для поддержания и контроля полярности магнитов и с низким уровнем шума (преимущество перед конкурирующей системой, называемой аэропоездом), способной развивать скорость до 650 км/ч.
В настоящее время, наивысшая скорость, полученная на данный момент при использовании магнитолевитационного транспорта, составила 603 км/ч на маршруте Яманаси в Японии 21 апреля 2015 г.
Эти высокие скорости означают, что маглевы могут стать прямыми конкурентами воздушного транспорта.
Указатель скорости в вагоне маглева
По экономическим причинам магнитолевитационная технология пока не получила широкого распространения.
Поезда на маглеве подвержены такому же сопротивлению воздуха, как и обычные поезда, и на высоких скоростях важность трения между поездом и рельсом уменьшается по сравнению с сопротивлением воздуха.
Маглев требует строительства как специальной железной дороги на магнитной подвеске, так и подходящего поезда. Обычно он построен на бетонных колоннах и стоит дороже обычных железных дорог из-за магнитной левитации.
Шанхайский маглев
История
В конце 1940-х британский инженер-электрик Эрик Лейтуэйт, профессор Имперского колледжа Лондона, разработал первую полноразмерную рабочую модель линейного асинхронного двигателя.
В 1964 году он был назначен профессором тяжелой электротехники в Имперском колледже, где продолжил разработку своей модели.
Линейные двигатели в 1960-х и 1970-х годах они стали обычной частью передовых транспортных систем.
Линейный двигатель идеально подходил для использования в системах на магнитной подвеске. В начале 1970-х Лейтуэйт открыл новое расположение магнитов, «магнитную реку», которая позволяла одному линейному двигателю одновременно создавать вертикальную и горизонтальную тягу, что позволяло строить системы на магнитной подвеске с одним набором магнитов.
Первый транспорт, использующий технологию магнитной подвески, назывался просто «МАГЛЕВ, MAGLEV» и был впервые открыт в 1984 году недалеко от Бирмингема, Англия.
Он работал на участке монорельса длиной около 600 м, покрывая расстояние между аэропортом Бирмингема и международным железнодорожным вокзалом Бирмингема, достигая скорости 42 км/ч.
Он работал и работал в течение 11 лет, к сожалению, несмотря на огромную популярность среди путешественников, его пришлось закрыть в 1995 году из-за постоянных сбоев в системе электроснабжения.
Первый в истории поезд на магнитной подвеске
Transrapid 05 был первым высокоскоростным поездом (маглев) с запатентованным двигателем с длинным статором для пассажирских перевозок. Он был установлен в Гамбурге в 1979 году для Международной транспортной выставки (IVA 79) на 908-метровой трассе.
Интерес был настолько велик, что он работал в течение трех месяцев после окончания выставки, перевозя 50 000 пассажиров. Он был повторно собран в Касселе в 1980 году.
Первым полностью автоматизированным низкоскоростным маглевом был тот, который курсировал от международного аэропорта Бирмингема до международного железнодорожного вокзала Бирмингема в 1984–1985 годах.
Как устроен поезд на магнитной подушке (маглев)
В 1985 году физик Клаус Хальбах (Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли, Калифорния) разработал устройство с постоянными магнитами для создания чрезвычайно сильного магнитного поля. Он хотел использовать это устройство, позже названное решеткой Хальбаха, для разработки ускорителя частиц.
В середине 1990-х система постоянных магнитов Хальбаха использовалась профессором Калифорнийского университета Ричардом Ф. Постом (Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса) для разработки высокоскоростного генератора.
Примерно в то же время были построены первые пассивные магнитные подшипники с системой постоянных магнитов Хальбаха.
В мае 1998 года группа разработчиков Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса под руководством Ричарда Поста разработала транспортную систему на магнитной подушке с магнитной системой Хальбаха. Эта система была запатентована в США под названием Inductrack.
По сравнению с другими транспортными системами на магнитной подвеске эта система очень проста и обладает удивительно выгодными свойствами левитации.
В 2004 году разработчики системы успешно испытали свою 120-метровую гусеницу Inductrack с линейным двигателем на восьмитонном транспортном средстве.
В тестовой модели машина отрывалась от колес на скорости выше 35 км/ч и начинала парить над трассой. В течении последующих десяти лет проводились испытания небольших моделей машин на магнитной подушке. Дальнейшие улучшения, к сожалению, стали невозможными из-за смерти Ричарда Поста в 2015 году.
В настоящее время эта разработка поддерживается компанией Hyperloop One и НАСА с целью использования Inductrack в качестве катапульты для запуска космических ракет и космических челноков.
Исследования пассивных магнитных подшипников с использованием системы постоянного магнита Хальбаха в настоящее время ведутся в Федеральной политехнической школе Лозанны, департамент микротехники (Швейцария).
Система постоянных магнитов Хальбаха
Клаус Хальбах расположил постоянные магниты в виде блоков. Постоянные магниты были изготовлены из порошковой металлургии редкоземельных элементов из сплава неодим-железо-бор (NdFeB) с остаточной индукцией около 1,2 Тл.
Сборка из магнитов по схеме Хальбаха
Магнитные поля отдельных магнитов складываются, и результат удивителен: в нижней части этой системы магнитное поле очень сильное — оно достигает значения примерно до 1 Тл, тогда как в области в верхней части системы магнитное поле очень слабое.
Магнитное поле вокруг сборки Хальбаха
Магнитное поле системы Хальбаха исследовано расчетным путем с использованием профессиональной программы Quick Field: постоянные магниты системы Хальбаха имели форму блоков с размерами основания 100 на 100 мм. Они изготовлены из материала РЕКОМА 25 (магнитотвердый материал на основе очень тонкодисперсных порошков соединений кобальта с редкоземельными элементами).
Размагничивающая часть их петли гистерезиса имеет остаточную индукцию Br = 1,0 Тл и коэрцитивную напряженность магнитного поля Hr = 800 кА/м.
Распределение магнитного поля в системе магнитов Хальбаха и ее окружении было показано различными методами визуализации: площадным отображением областей магнитной индукции, силовыми линиями магнитного поля и системой векторов магнитной индукции.
У верхнего края магнитной системы Хальбаха магнитное поле достаточно слабое, а у нижнего края оно достигает значений около 1 Тл. Пять блоков образуют базовую конфигурацию магнитной системы Хальбаха. Пятёрки блоков можно выстроить в ряд.
Использование системы магнитов Хальбаха на транспорте
До сих пор преобладало мнение, что постоянные магниты не подходят для левитационных транспортных систем из-за их большого веса по сравнению с силой левитации.
Это не относится к транспортной системе Inductrack, в которой используется магнитная система Хальбах. Получается, что отношение массы магнитов системы Хальбаха к их левитационной силе составляет примерно 1:50.
Физическая природа Inductrack очень проста. Помимо системы постоянных магнитов Хальбаха используется система прямоугольных, так называемых левитационных катушек, соединенных коротко. Они изолированы друг от друга и расположены близко друг к другу.
Катушки левитации расположены с одной стороны в области чуть ниже нижней части системы Хальбаха и встроены в проезжую часть. А магнитная система Хальбаха связана с автомобилем.
При движении автомобиля в катушках левитации индуцируются токи, магнитное поле которых взаимодействует с магнитным полем постоянных магнитов и отталкивает их.
На транспортное средство действуют две силы: сила левитации, которая поднимает транспортное средство на несколько сантиметров над дорогой, и тормозная сила, препятствующая движению транспортного средства. Сила левитации намного больше силы торможения.
Из вышеизложенного следует, что токи в катушках левитации индуцируются только при движении аппарата (вместе с магнитной системой Хальбаха).
Чтобы левитирующая сила достигла величины, необходимой для достижения левитации транспортного средства, скорость транспортного средства должна превышать определенное критическое значение.
Оказывается, эта критическая скорость относительно невелика, порядка метров в секунду. Поэтому транспортное средство должно быть оснащено вспомогательными колесами для трогания с места и движения накатом, подобно современным японским автомобилям на магнитной подвеске.
Сила левитации увеличивается со скоростью транспортного средства, пока не достигнет определенного предела. Это довольно много, около 40 т/м2 активной поверхности магнитной системы Хальбаха, вес которой составляет всего около 800 кг/м2, т. е. одну пятидесятую веса левитирующего.
Система Inductrack имеет значительные преимущества перед существующими левитационными транспортными системами. По сравнению с немецким Transrapid устранено требовательное электронное устройство, которое регулирует ток возбуждения магнитов и, таким образом, обеспечивает стабильное положение левитирующего транспортного средства.
По сравнению с японским MLU для сверхпроводящих магнитов не требуется никакого криотехнического оборудования. Как и эти японские транспортные средства, система Inductrack требует для запуска вспомогательных колес, но критическая скорость, при которой происходит левитация, значительно ниже с системой Inductrack.
Как и в случае с существующими транспортными системами на магнитной подвеске, транспортное средство Inductrack должно быть запитано от электрической сети.
Опять же, можно использовать «линейный синхронный двигатель с длинным статором», в котором бегущее магнитное поле на пути взаимодействует с магнитами Хальбаха.
Также рассматривается неэлектрический (например, пневматический) привод, что означало бы еще одно существенное упрощение, так как исключалась бы вся система электропитания.
Заключение
Транспортная система Inductrack отличается простотой и, следовательно, высокой надежностью. Анализ левитационных сил системы Inductrack показывает, что наибольшие силы возникают при наиболее выраженном индуктивном характере левитационных катушек. Этого можно добиться с помощью ферромагнитного сердечника.
Помимо катушек левитации рассматривается более экономически выгодная альтернатива, в которой катушки левитации заменены прямоугольными алюминиевыми листами. Листы изолированы друг от друга и сложены в пакеты. Движение системы Хальбаха вызывает в них вихревые токи с такими же эффектами, как и в левитационных катушках.
НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) занимается использованием системы Inductrack для запусков космических ракет.
Если бы эта ракетная система с магнитами Хальбаха использовалась для доведения ракеты до скорости, соответствующей числу Маха М = 0,8 (т.е. 950 км/ч), то это означало бы экономию ракетного топлива от 30 до 40%. Предполагается, что длина стартовой трассы составит около 1 км.
Пассажирская станция Hyperloop
Первую систему Hyperloop с применением системы Inductrack планирует построить компания Virgin Hyperloop One. 29 июля 2017 года американская компания провела второе испытание своей концепции магнитной левитации на скоростном поезде Hyperloop One XP-1.
Разработка магнитолевитирующих транспортных систем с постоянными магнитами, похоже, еще не завершена. Профессор Олег Валентинович Тозони, который 1964 по 1988 год был заведующим кафедрой электродинамики в Институте кибернетики Академии наук СССР и последние годы своей жизни проживавший в США, разработал еще одну интересную систему, которую назвал Амлев.
Эта система довольно сложная, объяснение его принципа действия выходит за рамки этой статьи. Заинтересованные лица могут ознакомиться с ним в научных публикациях.
Андрей Повный