Maglev-tog bruker magnetisme til å sveve over sporene de kjører på. De er raskere, mer effektive og mer miljøvennlige enn moderne hjultog. Det kan være at maglev-teknologi en dag snart vil være vanlig i hele verden. Denne artikkelen gjennomgår historien til disse togene, hvordan de fungerer, samt fordeler og ulemper. Den diskuterer også betydningen av elektroteknikk i utviklingen av maglev, og hvordan elektroingeniører kan gjøre denne teknologien til neste transportrevolusjon.

Innledning

Se for deg et tog uten hjul. I stedet for å rulle langs sporet, svever den stille over og glir jevnt fra opprinnelse til destinasjon uten å berøre en skinne. Dette kan høres ut som science fiction, men forekomster av denne teknologien eksisterer allerede flere steder i verden. De er kjent som maglev-tog (avledet av begrepet magnetisk levitasjon). Disse futuristiske lokomotivene tilbyr mange nye og spennende muligheter for å reise. De har potensial for å være raskere, tryggere og mer energieffektive enn konvensjonelle transportsystemer. Selv om slike tog er få og langt mellom nå, er de et knutepunkt for forskning innen elektroteknikk. Som et resultat kan maglev være vanlig før du tror.

Maglevs historie

De grunnleggende ideene bak maglev-teknologien kan spores tilbake til tidlig på 1900-tallet. Mye arbeid gikk med å legge grunnlaget for disse togene, inkludert utvikling av elektriske motorer og forskning innen magnetisme. Noen få forskere, nemlig Robert Goddard og Emile Bachelet, våget til og med å foreslå et kjøretøy som ville flyte med magneter (Yadav, 2013). I 1934 fikk en tysk mann ved navn Hermann Kemper patent på det første konseptet med et magnetisk, svevende tog (Yadav, 2013). Først på 1960-tallet begynte ideen virkelig å manifestere seg. På dette tidspunktet begynte Tyskland og Japan å undersøke potensialet til maglev. I løpet av 70- og 80-tallet gjorde begge land store fremskritt med å utvikle disse togene. Tyskland bygget og testet en rekke prototype maglev-systemer og kalte designet deres for TransRapid (figur 1). Togene oppnådde hastigheter på over 250 km / t (402 km / t) på testsporet (Luu, 2005). Japan testet også to serier med egne design, kalt ML-500 og senere MLU. Togene deres var i stand til å overstige 483 km / t (Luu, 2005).

Figur 1

Transrapid på testsenter i Tyskland nær Bremen. Kilde: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japan fortsatte utviklingen av sin maglev-teknologi ut på 90-tallet og utover. De testet en ny serie, kalt MLX, som brøt 563 km / t i 2003 (Yadav, 2013). Det er ikke etablert kommersielle linjer i landet, men de utfører fortsatt forskning. I Tyskland ble det foreslått en kommersiell TransRapid-linje som forbinder Berlin og Hamburg i 1992. Imidlertid stengte regjeringen i 2000 prosjektet (Luu, 2005). Ikke alt gikk imidlertid tapt da kineserne la merke til og ga tyskerne i oppdrag å bygge et TransRapid-tog i Shanghai. Shanghai Maglev (figur 2), som er et resultat av denne satsingen, er nå det eneste høyhastighetstoget i kommersiell bruk. Den bærer passasjerer en avstand på 30 km på 8 minutter og når en toppfart på over 250 km / h (Coates, 2004). Dermed har Kina raskt blitt en stor aktør i det verdensomspennende maglevmarkedet. Landet planlegger å fortsette utviklingen av sin maglev-infrastruktur.

Figur 2

Shanghai Maglev forlater Pudong International Airport, med jernbanekartet Shanghai Transit Map som viser ruten til Longyang Road. Collagekilder: © Alex Needham / Public Domain and Metropedia

Hvordan fungerer det?

Maglev-tog har ikke hjul eller skinner. Som vist i figur 3 har de føringsveier, og de flyter nedover disse føringsveiene uten å berøre dem.

Figur 3

Sammenligning av Wheel-Rail versus Guideways. Kilde: Forfatter, hentet fra Lee (2006).

Det er tre viktige deler for å oppnå maglev-funksjonalitet: levitasjon, fremdrift og veiledning (som vist nedenfor).

Figur 4

Levitasjon, fremdrift og veiledning i maglev. Kilde: Forfatter, hentet fra Lee (2006).

Levitasjon

Levitasjon er togets evne til å holde seg suspendert over sporet. Det er to viktige typer levitasjonsteknologi:

• Elektromagnetisk suspensjon (EMS): EMS (figur 5) bruker den attraktive kraften til elektromagneter plassert på føringsveien og på toget for å oppnå levitasjon.Fordelene med denne metoden er at den er enklere å implementere enn elektrodynamisk suspensjon (omtalt nedenfor), og at den opprettholder levitasjon ved null hastighet. Ulempene er at systemet iboende er ustabilt. Ved høye hastigheter blir det vanskelig å opprettholde riktig avstand mellom tog og føringsvei. Hvis denne avstanden ikke kan holdes, klarer ikke toget å sveve og stoppe. For å gjøre rede for dette krever EMS komplekse tilbakemeldingssystemer for å sikre at toget alltid er stabilt (Lee, 2006).

Figur 5

Elektromagnetisk suspensjon (EMS). Bruker attraktive magnetiske krefter. Kilde: Forfatter, avledet fra Lee (2006).

• Elektrodynamisk suspensjon (EDS): EDS (Figur 6) bruker den frastøtende kraften til (superledende) magneter plassert på føringsveien og på toget for å oppnå levitasjon. Magnetene beveger seg forbi hverandre mens toget kjører og genererer frastøtende kraft. Fordelene med denne metoden er at den er utrolig stabil i høye hastigheter. Å opprettholde riktig avstand mellom tog og føringsvei er ikke noe som bekymrer (Lee, 2006). Ulempene er at det må bygges opp tilstrekkelig hastighet for at toget i det hele tatt skal kunne sveve. I tillegg er dette systemet mye mer komplekst og kostbart å implementere.

Figur 6

Elektrodynamisk suspensjon (EDS). Bruker frastøtende magnetiske krefter. Kilde: Forfatter, hentet fra Lee (2006).

Propulsion

Propulsion er styrken som driver toget fremover. Maglev bruker en elektrisk lineær motor for å oppnå fremdrift. En vanlig elektrisk rotasjonsmotor bruker magnetisme for å skape dreiemoment og spinne en aksel. Den har et stasjonært stykke, statoren, som omgir et roterende stykke, rotoren. Statoren brukes til å generere et roterende magnetfelt. Dette feltet induserer en rotasjonskraft på rotoren, som får den til å spinne. En lineær motor er ganske enkelt en utrullet versjon av dette (se figur 7). Statoren legges flatt og rotoren hviler over den. I stedet for et roterende magnetfelt genererer statoren et felt som beveger seg nedover lengden. På samme måte, i stedet for en roterende kraft, opplever rotoren en lineær kraft som trekker den nedover statoren. Dermed produserer en elektrisk lineær motor direkte bevegelse i en rett linje. Imidlertid kan denne motoren bare produsere en kraft mens rotoren er over statoren. Når rotoren har nådd slutten, slutter den å bevege seg.

Figur 7

Roterende motor kontra lineær motor. Kilde: Forfatter, avledet fra Lee (2006).

Når man beskriver en lineær motor, er standarden å bruke begrepet «primær» i stedet for «stator» og «sekundær» i stedet for «rotor.» I maglev-tog er det sekundære festet til bunnen av togbilene, og det primære er i føringsveien. Så et magnetfelt blir sendt ned føringsveien, og det trekker toget etter seg. På en måte da kan hele lengden på et maglev-spor betraktes som en del av togets motor. Systemet som hittil er beskrevet er en Lineær induksjonsmotor (LIM). Det kalles så fordi magnetfeltet i primæren induserer et magnetfelt i det sekundære. Det er samspillet mellom det opprinnelige feltet og det induserte feltet som får sekundæren til å trekkes med. Imidlertid henger sekundæren alltid i denne konfigurasjonen noe bak det bevegelige feltet i primærområdet. Dette etterslepet er en kilde til energi og hastighetstap. I en lineær synkron motor (LSM) fjernes forsinkelsen ved å feste permanente magneter til sekundærmotoren. Fordi sekundærprodusenten nå produserer sitt eget stasjonære magnetfelt, beveger det seg nedover det primære i synkronisering med det bevegelige feltet – derav navnet på denne motorvarianten (Gieras, 2011). Fordi LSM er raskere og mer effektive, er de valgmotoren i høyhastighets maglevtog (Lee, 2006).

Veiledning

Veiledning er det som holder toget sentrert over føringsvei. For høyhastighets maglev brukes avstøtende magnetiske krefter for å oppnå dette (figur 8). I TransRapid er det to elektromagnetiske skinner plassert på toget som vender mot hver side av føringsveien. Disse skinnene hindrer toget i å bevege seg for langt fra kurs (Lee, 2006). I MLX er veiledning kombinert med levitasjonssystemet. Levitasjonsskinnene på hver side av toget er koblet til hverandre. Gjennom denne forbindelsen, når toget beveger seg nærmere den ene siden, induseres en gjenopprettingskraft som skyver den tilbake mot sentrum. Dermed blir MLX både levitert og guidet samtidig (Lee, 2006).

Figur 8

Veiledningssystem for Transrapid og MLX. Begge bruker frastøtende magneter. Kilde: Forfatter, hentet fra Lee (2006).

Fordelene med Maglev

Den mest åpenbare attraksjonen til maglevtog er at de kan reise raskere enn tradisjonelle togtog. Den eneste kommersielle høyhastighetsmagnlev, Shanghai Maglev, er nå det raskeste toget som eksisterer.Den kjører over 50 km / t raskere enn den raskeste høyhastighets hjulskinnen (320 km / t Hayabusa, 2013). Og det er bare den første. Mangelen på friksjon mellom toget og føringsbanen fjerner mange grenser som bundet tradisjonelle tog. Maglev vil bare komme raskere herfra (Luu, 2005). Det er andre, mer subtile kvaliteter som også gjør maglev attraktivt:

• Lang levetid: Konvensjonelle hjul og skinner gjennomgår mye stress over tid. De må skiftes ut og repareres med jevne mellomrom for å forbli funksjonelle. I maglev er det ingen kontakt mellom tog og føringsvei, så det er vesentlig mindre slitasje. Levetiden til maglev-deler er passende mye lenger på grunn av dette faktum (Powell, 2003). Økonomisk er dette et ganske insentiv, da reparasjon og vedlikehold er kostbare og tidkrevende aktiviteter.
• Sikkerhet: Det kan virke kontraintuitivt at disse togene er tryggere, ettersom de reiser så mye raskere enn hjulene sine kolleger. Det er likevel sant. Maglev-tog er nesten umulige å spore av (Luu, 2005). Det vil ta noe sånt som fullstendig styring av veibanen for å dele et tog fra sporet. I tillegg er været ikke noe av et problem. Siden togene ikke stoler på friksjon for bevegelse, forårsaker snø, is og regn liten eller ingen effekt (Luu, 2005). Til slutt er det enkelt å heve føringsveiene. Hvis togene kjører på spor ti meter over bakken, er det mindre sjanse for kollisjon med en gjenstand på veien (Luu, 2005).
• Energieffektivitet: En annen fordel med levitasjon er at disse togene ikke miste energi til friksjon. Dette gir dem et fortrinn i effektivitet (Wang 2010). Energiforbruk er viktig for å lykkes med et transportsystem. Mye av driftskostnadene går til å betale for strøm. Derfor er denne kanten i effektivitet veldig viktig. Imidlertid er maglev-tog mer effektive, men de er foreløpig ikke vesentlig mer effektive enn moderne høyhastighetsbane. De har imidlertid potensial til å være langt overlegne i denne kategorien.
• Miljøpåvirkning: Maglev-tog kan gjøre tettere svinger enn høyhastighetsskinner. Dette gjør at det kan bygges føringsveier som kan navigere i terreng mye bedre (Wang 2010). Stiene kan konstrueres for å ha så liten effekt på miljøet som mulig. Veiviser tar også mindre areal enn skinner (Wang 2010). Dette reduserer miljøpåvirkningen ytterligere. Og, som nevnt før, føres veier lett opp fra bakken (Luu, 2005). Planter og dyr er tryggere med toget som kjører over dem, og ikke løper rett ved siden av dem.
• Støyforurensning: Når du vurderer et transportprosjekt, er støy (innen rimelige grenser) ikke så stor en bekymring som økonomi eller sikkerhet. Imidlertid er støyreduksjon fortsatt ansett som en positiv funksjon. Maglev-tog er roligere enn moderne tog, så dette er et annet poeng i deres favør (Wang, 2010).

Ulempene med Maglev

Selv om det er mange oppturer, er det er fremdeles grunner til at det ikke bygges maglevog overalt. Kanskje den største grunnen er at maglev-veibaner ikke er kompatible med eksisterende jernbaneinfrastruktur. Enhver organisasjon som prøver å implementere et maglevsystem, må starte fra bunnen av og bygge et helt nytt sett med spor. Dette innebærer en veldig høy initialinvestering (Coates, 2004). Selv om føringsveier koster mindre enn skinner over tid (Powell, 2003), er det vanskelig å rettferdiggjøre å bruke så mye på forhånd. Et annet problem er at maglev-tog reiser fort, men de reiser kanskje ikke ganske raskt nok. Land med allerede høyhastighetsskinner ønsker ikke å bruke milliarder av dollar på å implementere et system som bare er marginalt bedre enn den eksisterende løsningen. Markedet for disse togene er for øyeblikket ikke veldig stort. Det er vanskelig å bestride at disse togene er bedre enn standardene. Uansett må det gjøres mer arbeid før det er verdt å implementere dem over hele verden.

Elektroteknikk i Maglev

Helt siden dampmotoren har tog tradisjonelt vært innen maskiningeniører. . De var alle motorer og aksler, hjul og motorer. Imidlertid har introduksjonen av maglev-teknologi brutt den tradisjonen. Å utvikle disse togene har krevd innspill fra en rekke forskjellige felt annet enn maskinteknikk, inkludert fysikk og kjemi. Viktigst, skjønt, har det ført elektriske ingeniører til bordet. Fra begynnelsen har elektroingeniører vært viktige bidragsytere til å utvikle maglev-teknologi. Eric Laithwaite, en elektroingeniør, utviklet den første lineære induksjonsmotoren, en viktig og nødvendig forløper for maglevtog. Hermann Kemper, som mange tror er far til maglev, var også elektroingeniør. Tyske og japanske elektroingeniører jobbet for å etablere maglev-programmene i sine respektive nasjoner.Og i dag gjør elektroingeniører teknologien bedre og bedre, slik at den kan appellere til land over hele verden. Maglev-tog har overraskende få bevegelige deler. De handler om elektriske strømmer, magneter og trådløkker. Noen viktige emner i feltet er elektromagnetiske felt og bølger, kretsteori, tilbakemeldingskontrollsystemer og kraftteknikk. Alle disse faller under kompetanse fra elektroingeniører. Derfor er det elektriske ingeniører som trengs for å løse de største problemene denne teknologien står overfor. Togene må gjøres raskere og mer energieffektive. Hele tiden må de holdes godt innenfor sikkerhetsgrensene. Føringsveiene må gjøres billigere, enklere å implementere, og kanskje mer kompatible med eksisterende skinner. Kontrollsystemene må gjøres feilfrie. Alle disse problemene og mer ber om at en elektrotekniker skal løse svarene sine.

Framtiden til Maglev

Maglev-teknologien gir store løfter for fremtiden. Det har potensial til å være en billigere, raskere, tryggere og grønnere transportform enn vi har i dag. Og med hjelp fra noen elektroingeniører vil det bli alle disse tingene. Det er mulige applikasjoner for denne teknologien i alt fra intercity offentlig transport til langrennsturer. Det er til og med forslag om å bygge lange underjordiske rør, suge luften ut av rørene og plassere maglevtog inne i dem. I denne innstillingen ville det nesten ikke være vindmotstand, så et tog kunne lett nå hastigheter som overstiger lydhastigheten (Thornton, 2007). Selv om det kan ta lang tid før denne teknologien blir utbredt, er det vanskelig å benekte at den på et eller annet tidspunkt vil være utbredt. Fordelene er for vanskelig å ignorere. Per nå er det bare ett kommersielt maglev-tog i bruk, og det har allerede formørket alt som har kommet før det. Hvordan vil denne teknologien utvikle seg og forbedre seg når vi beveger oss inn i fremtiden? Bare tiden vil vise. Men det er høyst sannsynlig at vi nå står ved stupet til en transportrevolusjon. For det første gleder jeg meg til å gli over landskapet ved 300 km / t i en svevekasse med magneter.

Bibliografi

Foreslåtte lenker

Se også

• Autonome kjøretøyer
• Elektriske batterier for fornybar energi
• Intelligent infrastruktur