Vlaky Maglev používají magnetismus k levitaci nad tratěmi, po kterých jedou. Jsou rychlejší, efektivnější a ekologičtější než moderní kolové vlaky. Je možné, že jednoho dne brzy bude technologie maglev běžná po celém světě. Tento článek shrnuje historii těchto vlaků, jejich fungování a jejich výhody a nevýhody. Rovněž pojednává o důležitosti elektrotechniky při vývoji maglevu a o tom, jak mohou elektrotechnici z této technologie udělat další dopravní revoluci.

Úvod

Představte si vlak bez kol. Místo toho, aby se točilo po trati, tiše se vznáší a hladce klouže z místa původu do cíle, aniž by se dotklo zábradlí. Může to znít jako sci-fi, ale instance této technologie již existují na mnoha místech světa. Jsou známé jako vlaky maglev (odvozené od termínu magnetická levitace). Tyto futuristické lokomotivy nabízejí mnoho nových a vzrušujících možností cestování. Mají potenciál být rychlejší, bezpečnější a energeticky účinnější než konvenční dopravní systémy. Ačkoli takových vlaků je od nynějška málo a jsou si navzájem vzdálené, jsou to semeniště výzkumu v elektrotechnické komunitě. Díky tomu může být maglev běžný dříve, než byste si mysleli.

Historie Maglev

Základní myšlenky technologie maglev lze vysledovat až do počátku 20. století. Mnoho práce šlo do položení základů pro tyto vlaky, včetně vývoje elektrických motorů a výzkumu magnetismu. Několik vědců, jmenovitě Robert Goddard a Emile Bachelet, se dokonce odvážilo navrhnout vozidlo, které bude plavat pomocí magnetů (Yadav, 2013). V roce 1934 dostal německý muž jménem Hermann Kemper patent na první koncept magnetického levitujícího vlaku (Yadav, 2013). Tato myšlenka se začala projevovat až v 60. letech. V této době Německo a Japonsko začaly zkoumat potenciál maglevu. Během 70. a 80. let dosáhly obě země při vývoji těchto vlaků velkého pokroku. Německo postavilo a otestovalo řadu prototypových systémů maglev a nazvalo jejich design TransRapid (obrázek 1). Vlaky na testovací trati dosáhly rychlosti 402 km / h (Luu, 2005). Japonsko také testovalo dvě řady vlastních návrhů, které se nazývaly ML-500 a později MLU. Jejich vlaky dokázaly překročit 483 km / h (Luu, 2005).

Obrázek 1

Transrapid v testovacím centru v Německu poblíž Brém. Zdroj: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japonsko pokračovalo ve vývoji své technologie maglev do 90. let a dále. Testovali novou sérii s názvem MLX, která v roce 2003 překonala 563 km / h (Yadav, 2013). V zemi nebyly zavedeny žádné komerční linky, stále však provádějí výzkum. V Německu byla v roce 1992 navržena komerční linka TransRapid spojující Berlín a Hamburk. V roce 2000 však vláda projekt zastavila (Luu, 2005). Ne všechno však bylo ztraceno, protože Číňané si toho všimli a pověřili Němce postavením vlaku TransRapid v Šanghaji. Shanghai Maglev (obrázek 2), který vznikl z tohoto podniku, je nyní jediným vysokorychlostním vlakem maglev v komerčním použití. Cestujícím přepraví vzdálenost 30 km za 8 minut a dosáhne maximální rychlosti 431 km / h (Coates, 2004). Čína se tak rychle stala velkým hráčem na světovém trhu maglev. Země plánuje pokračovat v rozvoji své maglevské infrastruktury.

Obrázek 2

Shanghai Maglev opouští mezinárodní letiště Pudong a železniční mapa Šanghaje ukazuje trasu na Longyang Road. Zdroje koláží: © Alex Needham / Public Domain a Metropedia

Jak to funguje?

Vlaky Maglev nemají kola ani kolejnice. Jak je znázorněno na obrázku 3, mají vodicí dráhy a plaví se po těchto vodicích drahách, aniž by se jich kdykoli dotkly.

Obrázek 3

Srovnání mezi kolejnicí a kolejnicí. Zdroj: Autor, odvozený od Lee (2006).

K dosažení maglevské funkčnosti existují tři základní části: levitace, pohon a vedení (jak je vidět níže).

Obrázek 4

Levitace, pohon a vedení v maglev. Zdroj: Autor, odvozeno od Lee (2006).

Levitace

Levitace je schopnost vlaku zůstat viset nad tratí. Existují dva důležité typy levitačních technologií:

• Elektromagnetické odpružení (EMS): EMS (obrázek 5) využívá k dosažení levitace přitažlivou sílu elektromagnetů umístěných na vodicí dráze a ve vlaku.Výhodou této metody je, že je jednodušší implementovat než elektrodynamické zavěšení (popsáno níže) a že udržuje levitaci při nulové rychlosti. Nevýhodou je, že systém je ze své podstaty nestabilní. Při vysokých rychlostech je obtížné udržovat správnou vzdálenost mezi vlakem a vodicí dráhou. Pokud tuto vzdálenost nelze dodržet, vlak nedokáže levitovat a zastaví se. Aby to bylo možné zohlednit, vyžaduje EMS komplexní systémy zpětné vazby, aby byl vlak vždy stabilní (Lee, 2006).

Obrázek 5

Elektromagnetické zavěšení (EMS). Využívá atraktivní magnetické síly. Zdroj: Autor, odvozeno od Lee (2006).

• Elektrodynamické zavěšení (EDS): EDS (obrázek 6) využívá odpudivou sílu (supravodivých) magnetů umístěných na vodicí dráze a ve vlaku k dosáhnout levitace. Magnety se pohybují kolem sebe, zatímco vlak jede, a vytvářejí odpudivou sílu. Výhodou této metody je, že je neuvěřitelně stabilní při vysokých rychlostech. Udržování správné vzdálenosti mezi vlakem a vodícím vedením není problém (Lee, 2006). Nevýhodou je, že je třeba vybudovat dostatečnou rychlost, aby vlak vůbec levitoval. Tento systém je navíc mnohem složitější a nákladnější na implementaci.

Obrázek 6

Elektrodynamická suspenze (EDS). Používá odpudivé magnetické síly. Zdroj: Autor, odvozeno od Lee (2006).

Pohon

Pohon je síla, která pohání vlak vpřed. Maglev používá k dosažení pohonu elektrický lineární motor. Normální elektrický rotační motor využívá magnetismus k vytváření točivého momentu a otáčení nápravy. Má statický kus, stator, který obklopuje rotující kus, rotor. Stator se používá ke generování rotujícího magnetického pole. Toto pole indukuje rotační sílu na rotoru, která způsobuje jeho rotaci. Lineární motor je jednoduše jeho rozvinutou verzí (viz obrázek 7). Stator je položen naplocho a rotor leží nad ním. Místo rotujícího magnetického pole generuje stator pole, které se pohybuje po své délce. Podobně místo rotační síly rotor zažívá lineární sílu, která ji táhne dolů ke statoru. Elektrický lineární motor tedy přímo produkuje pohyb po přímce. Tento motor však může vytvářet sílu pouze tehdy, když je rotor nad statorem. Jakmile rotor dosáhne konce, zastaví se.

Obrázek 7

Rotační motor versus lineární motor. Zdroj: Autor, odvozený od Leeho (2006).

Při popisu lineárního motoru je standardem použití termínu „primární“ místo „stator“ a „sekundární“ místo „rotor“. Ve vlacích maglev je sekundární jednotka připevněna ke spodní části vagónů a primární je ve vodicí dráze. Takže magnetické pole je posláno dolů po vodicí dráze a táhne vlak za sebou. Svým způsobem pak lze považovat celou délku maglevovy dráhy za součást motoru vlaku. Dosud popsaný systém je lineární indukční motor (LIM). Říká se tomu proto, že magnetické pole v primárním indukuje magnetické pole v sekundárním. Je to interakce mezi původním polem a indukovaným polem, která způsobí, že sekundární bude tažen. V této konfiguraci však sekundární vždy trochu zaostává za pohyblivým polem v primární. Toto zpoždění je zdrojem energie a ztráty rychlosti. U lineárního synchronního motoru (LSM) je zpoždění odstraněno připojením permanentních magnetů k sekundárnímu. Protože sekundární jednotka nyní produkuje své vlastní stacionární magnetické pole, putuje dolů po primární synchronizované s pohyblivým polem – odtud název pro tuto variantu motoru (Gieras, 2011). Protože LSM jsou rychlejší a efektivnější, jsou motorem volby ve vysokorychlostních vlacích maglev (Lee, 2006).

Navádění

Navádění je to, co udržuje vlak ve středu vodicí dráha. U vysokorychlostního maglevu se k dosažení tohoto cíle používají odpudivé magnetické síly (obrázek 8). V TransRapidu jsou dvě elektromagnetické kolejnice umístěné na vlaku obrácené po obou stranách vodicí dráhy. Tyto kolejnice brání vlaku v pohybu příliš daleko od kurzu (Lee, 2006). V MLX je navádění spojeno s levitačním systémem. Levitační kolejnice na obou stranách vlaku jsou vzájemně spojeny. Prostřednictvím tohoto spojení, když se vlak pohybuje blíže k jedné straně, je vyvolána obnovovací síla, která jej tlačí zpět směrem ke středu. MLX je tedy levitován i veden současně (Lee, 2006).

Obrázek 8

Naváděcí systém Transrapid a MLX. Oba používají odpudivé magnety. Zdroj: Autor, odvozeno od Lee (2006).

Výhody Maglev

Nejviditelnějším lákadlem maglevských vlaků je, že mohou jezdit rychleji než tradiční železniční vlaky. Jediný komerční vysokorychlostní maglev, Shanghai Maglev, je nyní nejrychlejším vlakem v existenci.Jí rychlostí přes 80 km / h rychleji než nejrychlejší vysokorychlostní kolo-kolejnice (320 km / h Hayabusa, 2013). A je to jen první. Nedostatek tření mezi vlakem a vodicí dráhou odstraňuje mnoho omezení, které vázaly tradiční vlaky. Odtud bude Maglev jen rychlejší (Luu, 2005). Maglev přitahují i další, jemnější vlastnosti:

• Dlouhověkost: Konvenční kola a kolejnice jsou časem vystaveny velkému stresu. Aby zůstaly funkční, musí být pravidelně vyměňovány a opravovány. V maglevu nedochází ke kontaktu mezi vlakem a vodicí dráhou, takže dochází k podstatně menšímu opotřebení. Díky této skutečnosti je životnost maglevových částí vhodně mnohem delší (Powell, 2003). Z ekonomického hlediska je to docela pobídka, protože opravy a údržba jsou nákladné a časově náročné činnosti.
• Bezpečnost: Může se zdát protiintuitivní, že tyto vlaky jsou bezpečnější, protože jezdí mnohem rychleji než jejich kolové protějšky. Je to nicméně pravda. Vlaky Maglev jsou téměř nemožné vykolejit (Luu, 2005). Rozdělení vlaku z jeho trati by vyžadovalo něco jako úplné zhroucení vodicí dráhy. Navíc počasí není velký problém. Vzhledem k tomu, že se vlaky nespoléhají na tření při pohybu, sníh, led a déšť nezpůsobují téměř žádný účinek (Luu, 2005). Nakonec je snadné zvednout vodicí dráhy. Pokud vlaky jezdí po kolejích deset stop nad zemí, existuje menší pravděpodobnost kolize s objektem na jeho cestě (Luu, 2005).
• Energetická účinnost: Další výhodou levitace je, že tyto vlaky neztrácejte žádnou energii třením. To jim dává výhodu v efektivitě (Wang 2010). Spotřeba energie je nezbytná pro úspěch dopravního systému. Velká část nákladů na provoz jde na zaplacení energie. Proto je tato hranice účinnosti velmi důležitá. I když jsou vlaky maglev účinnější, v současné době nejsou podstatně účinnější než moderní vysokorychlostní železnice. Přesto mají potenciál být v této kategorii mnohem lepší.
• Dopad na životní prostředí: Vlaky Maglev mohou dělat pevnější zatáčky než vysokorychlostní železnice. To umožňuje stavět vodicí dráhy, které umožňují mnohem lepší navigaci v terénu (Wang 2010). Cesty lze navrhnout tak, aby měly co nejmenší vliv na životní prostředí. Vodicí dráhy také zabírají menší plochu než kolejnice (Wang 2010). To dále snižuje dopad na životní prostředí. A jak již bylo uvedeno, vodicí dráhy jsou snadno zvednuty ze země (Luu, 2005). Rostliny i zvířata jsou bezpečnější, když vlak jede nad nimi, a nehromadí se hned vedle nich.
• Znečištění hlukem: Při zvažování dopravního projektu není hluk (v rozumných mezích) tak velký ekonomika nebo bezpečnost. Redukce šumu je však stále považována za pozitivní rys. Vlaky Maglev jsou tišší než soudobé vlaky, takže je to další bod v jejich prospěch (Wang, 2010).

Nevýhody Maglev

Ačkoli existuje mnoho výhod, existuje jsou stále důvody, proč se vlaky maglev nestaví všude. Snad největším důvodem je, že maglevské trasy nejsou kompatibilní se stávající železniční infrastrukturou. Každá organizace, která se pokouší implementovat systém maglev, musí začít od nuly a vybudovat zcela novou sadu stop. To zahrnuje velmi vysokou počáteční investici (Coates, 2004). Přestože vodítka v průběhu času stojí méně než kolejnice (Powell, 2003), je těžké ospravedlnit utrácení tolik předem. Dalším problémem je, že vlaky maglev jezdí rychle, ale nemusí jezdit dostatečně rychle. Země, které již mají vysokorychlostní železnice, nechtějí utrácet miliardy dolarů za implementaci systému, který je jen o málo lepší než stávající řešení. Trh s těmito vlaky v tuto chvíli není příliš velký. Je těžké zpochybnit, že tyto vlaky jsou lepší než standardní. Bez ohledu na to je třeba udělat ještě více práce, než je třeba je implementovat po celém světě.

Elektrotechnika v Maglevu

Od doby, kdy byl parní stroj, byly vlaky tradičně doménou strojních inženýrů . Všichni byli motory a nápravy, kola a motory. Zavedení technologie maglev však tuto tradici porušilo. Vývoj těchto vlaků vyžadoval vstup z řady různých oborů jiných než strojírenství, včetně fyziky a chemie. Nejdůležitější však je, že přivedl elektrotechniky ke stolu. Od začátku byli elektrotechnici významným přispěvatelem k vývoji technologie Maglev. Eric Laithwaite, elektrotechnik, vyvinul první lineární indukční motor, důležitý a nezbytný předchůdce vlaků maglev. Hermann Kemper, o kterém mnozí věří, že je otcem maglev, byl také elektrotechnikem. Němečtí a japonští elektrotechnici pracovali na zavedení programů maglev v příslušných zemích.A dnes elektrotechnici vylepšují tuto technologii tak, aby mohla oslovit země po celém světě. Vlaky Maglev mají překvapivě málo pohyblivých částí. Jedná se o elektrické proudy, magnety a drátové smyčky. Některými důležitými tématy pole jsou elektromagnetická pole a vlny, teorie obvodů, systémy zpětné vazby a energetika. To vše spadá pod odbornost elektrotechniků. Proto jsou k vyřešení největších problémů, kterým tato technologie čelí, nezbytní elektrotechnici. Vlaky musí být rychlejší a energeticky účinnější. Po celou dobu je třeba je udržovat v mezích bezpečnosti. Vodicí dráhy musí být levnější, snadněji realizovatelné a možná více kompatibilní se stávajícími kolejnicemi. Řídicí systémy musí být bezchybné. Všechny tyto a další problémy volají po elektrotechnikovi, aby odhalil své odpovědi.

Budoucnost společnosti Maglev

Technologie Maglev je velkým příslibem do budoucna. Má potenciál být levnější, rychlejší, bezpečnější a ekologičtější formou dopravy, než je tomu dnes. A s pomocí některých elektrotechniků se z toho stane všechno. Existují možné aplikace pro tuto technologii v čemkoli od meziměstské hromadné dopravy po běžecké výlety. Existují dokonce návrhy na vybudování dlouhých podzemních trubek, nasávání vzduchu z trubek a umístění maglevových vlaků do nich. V tomto nastavení by nebyl prakticky žádný odpor větru, takže vlak mohl snadno dosáhnout rychlosti převyšující rychlost zvuku (Thornton, 2007). I když to může trvat dlouho, než se tato technologie stane převládající, je těžké popřít, že v určitém okamžiku bude převládat. Výhody je příliš těžké ignorovat. Od této chvíle je v provozu pouze jeden komerční vlak maglev a ten už zastínil vše, co před ním přišlo. Jak se bude tato technologie vyvíjet a zlepšovat, jak budeme postupovat do budoucnosti? Pouze čas ukáže. Je však velmi pravděpodobné, že nyní stojíme u propasti dopravní revoluce. Já se například těším na klouzání po venkově rychlostí 300 km / h v levitující krabici magnetů.

Bibliografie

Navrhované odkazy

Viz také

• Autonomní vozidla
• Elektrické baterie pro obnovitelnou energii
• Inteligentní infrastruktura