Pociągi Maglev wykorzystują magnetyzm do lewitowania nad torami, po których się poruszają. Są szybsze, wydajniejsze i bardziej przyjazne dla środowiska niż nowoczesne pociągi kołowe. Może się zdarzyć, że pewnego dnia technologia maglev stanie się powszechna na całym świecie. W tym artykule omówiono historię tych pociągów, sposób ich działania, a także ich zalety i wady. Omawia również znaczenie elektrotechniki w rozwoju maglev i jak inżynierowie elektrycy mogą uczynić tę technologię kolejną rewolucją w transporcie.

Wprowadzenie

Wyobraź sobie pociąg bez kół. Zamiast toczyć się po torze, cicho unosi się nad nim i ślizga się płynnie od początku do celu, nie dotykając nigdy szyny. Może to brzmieć jak science fiction, ale przykłady tej technologii istnieją już w wielu miejscach na świecie. Są znane jako pociągi maglev (wywodzące się od terminu lewitacja magnetyczna). Te futurystyczne lokomotywy oferują wiele nowych i ekscytujących możliwości podróżowania. Mogą być szybsze, bezpieczniejsze i bardziej energooszczędne niż konwencjonalne systemy transportowe. Chociaż takich pociągów jest obecnie niewiele, są one siedliskiem badań w społeczności elektrotechnicznej. W rezultacie maglev może stać się powszechny wcześniej, niż myślisz.

Historia Maglev

Podstawowe idee związane z technologią maglev można prześledzić do początku XX wieku. Wiele pracy włożono w przygotowanie podwalin pod te pociągi, w tym opracowanie silników elektrycznych i badania magnetyzmu. Kilku naukowców, a mianowicie Robert Goddard i Emile Bachelet, odważyło się nawet zaproponować pojazd, który unosiłby się za pomocą magnesów (Yadav, 2013). W 1934 roku Niemiec Hermann Kemper otrzymał patent na pierwszą koncepcję magnetycznego, lewitującego pociągu (Yadav, 2013). Dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku pomysł naprawdę zaczął się manifestować. W tym czasie Niemcy i Japonia zaczęły badać potencjał maglevu. W latach 70. i 80. oba kraje poczyniły duże postępy w rozwoju tych pociągów. Niemcy zbudowali i przetestowali szereg prototypowych systemów maglev i nazwali ich projekt TransRapid (Rysunek 1). Pociągi osiągały prędkość ponad 250 mil na godzinę (402 km / h) na torze testowym (Luu, 2005). Japonia przetestowała również dwie serie swoich własnych projektów, zwane ML-500, a później MLU. Ich pociągi były w stanie przekraczać 300 mil na godzinę (483 km / h) (Luu, 2005).

Rysunek 1

Transrapid w centrum testowym w Niemczech koło Bremy. Źródło: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japonia kontynuowała rozwój swojej technologii maglev do lat 90-tych i później. Przetestowali nową serię, nazwaną MLX, która w 2003 roku zepsuła 350 mil na godzinę (563 km / h) (Yadav, 2013). W kraju nie powstały żadne linie handlowe, ale nadal prowadzą badania. W Niemczech w 1992 roku zaproponowano komercyjną linię TransRapid łączącą Berlin z Hamburgiem. Jednak w 2000 roku rząd zamknął projekt (Luu, 2005). Nie wszystko jednak zostało stracone, co zauważyli Chińczycy i zlecili Niemcom budowę pociągu TransRapid w Szanghaju. Szanghajski pociąg Maglev (rysunek 2), który powstał w wyniku tego przedsięwzięcia, jest obecnie jedynym szybkim pociągiem maglev w użytku komercyjnym. Przewozi pasażerów na odległość 19 mil (30 km) w 8 minut, osiągając prędkość maksymalną ponad 250 mil na godzinę (431 km / h) (Coates, 2004). W ten sposób Chiny szybko stały się dużym graczem na światowym rynku maglevów. Kraj planuje dalszy rozwój swojej infrastruktury maglev.

Rysunek 2

Szanghaj Maglev opuszcza międzynarodowe lotnisko Pudong, z mapą kolejową Shanghai Transit Map pokazującą trasę do Longyang Road. Źródła kolaży: © Alex Needham / Public Domain and Metropedia

Jak to działa?

Pociągi Maglev nie mają kół ani szyn. Jak pokazano na rysunku 3, mają prowadnice i unoszą się po nich, nigdy ich nie dotykając.

Rysunek 3

Porównanie koła-szyny i prowadnic. Źródło: Autor, na podstawie Lee (2006).

Istnieją trzy zasadnicze części osiągania funkcjonalności maglev: lewitacja, napęd i naprowadzanie (jak widać poniżej).

Rysunek 4

Lewitacja, napęd i prowadzenie w maglev. Źródło: Autor na podstawie Lee (2006).

Lewitacja

Lewitacja to zdolność pociągu do zawieszania się nad torem. Istnieją dwa ważne typy technologii lewitacji:

• Zawieszenie elektromagnetyczne (EMS): EMS (rysunek 5) wykorzystuje siłę przyciągania elektromagnesów umieszczonych na prowadnicy i na pociągu, aby osiągnąć lewitację.Zaletą tej metody jest to, że jest prostsza do wdrożenia niż zawieszenie elektrodynamiczne (omówione poniżej) i utrzymuje lewitację przy zerowej prędkości. Wadą jest to, że system jest z natury niestabilny. Przy dużych prędkościach trudno jest utrzymać prawidłową odległość między pociągiem a prowadnicą. Jeśli nie da się utrzymać tej odległości, pociąg nie będzie lewitował i zatrzymał się. Aby to uwzględnić, EMS wymaga złożonych systemów kontroli sprzężenia zwrotnego, aby zapewnić, że pociąg jest zawsze stabilny (Lee, 2006).

Rysunek 5

Zawieszenie elektromagnetyczne (EMS). Wykorzystuje przyciągające siły magnetyczne. Źródło: Autor, na podstawie Lee (2006).

• Zawieszenie elektrodynamiczne (EDS): EDS (Rysunek 6) wykorzystuje siłę odpychania magnesów (nadprzewodzących) umieszczonych na prowadnicy i w pociągu do osiągnąć lewitację. Magnesy mijają się podczas jazdy pociągu i generują siłę odpychania. Zaletą tej metody jest to, że jest niesamowicie stabilna przy dużych prędkościach. Utrzymanie prawidłowej odległości między pociągiem a trasą prowadzącą nie stanowi problemu (Lee, 2006). Wadą jest to, że należy zwiększyć odpowiednią prędkość, aby pociąg w ogóle mógł lewitować. Ponadto ten system jest znacznie bardziej złożony i kosztowny w implementacji.

Rysunek 6

Zawieszenie elektrodynamiczne (EDS). Wykorzystuje odpychające siły magnetyczne. Źródło: Autor na podstawie Lee (2006).

Napęd

Napęd to siła, która napędza pociąg do przodu. Maglev wykorzystuje elektryczny silnik liniowy do uzyskania napędu. Normalny elektryczny silnik obrotowy wykorzystuje magnetyzm do wytwarzania momentu obrotowego i obracania osi. Ma nieruchomą część, stojan, który otacza obracającą się część, wirnik. Stojan służy do generowania wirującego pola magnetycznego. Pole to wywołuje siłę obrotową na wirniku, która powoduje jego obrót. Silnik liniowy jest po prostu rozwiniętą wersją tego rozwiązania (patrz rysunek 7). Stojan jest ułożony płasko, a wirnik spoczywa nad nim. Zamiast wirującego pola magnetycznego, stojan generuje pole, które przemieszcza się wzdłuż jego długości. Podobnie, zamiast siły obrotowej, na wirnik działa siła liniowa, która ściąga go w dół stojana. Zatem elektryczny silnik liniowy bezpośrednio wytwarza ruch w linii prostej. Jednak ten silnik może wytwarzać siłę tylko wtedy, gdy wirnik znajduje się nad stojanem. Gdy wirnik osiągnie koniec, przestaje się poruszać.

Rysunek 7

Silnik obrotowy a silnik liniowy. Źródło: Autor, na podstawie Lee (2006).

Przy opisywaniu silnika liniowego standardem jest użycie terminu „pierwotny” zamiast „stojana” i „wtórny” zamiast „wirnika”. W pociągach maglev drugorzędny jest przymocowany do spodu wagonów, a główny znajduje się w prowadnicy. Więc pole magnetyczne jest wysyłane w dół prowadnicy i ciągnie za sobą pociąg. Zatem w pewnym sensie całą długość toru maglev można uznać za część silnika pociągu. Dotychczas opisany system to liniowy silnik indukcyjny (LIM). Jest to tak zwane, ponieważ pole magnetyczne w części pierwotnej indukuje pole magnetyczne w części wtórnej. To interakcja między pierwotnym polem a polem indukowanym powoduje ciągnięcie wtórnego. Jednak w tej konfiguracji drugorzędny zawsze pozostaje nieco w tyle za ruchomym polem w podstawowym. To opóźnienie jest źródłem utraty energii i prędkości. W liniowym silniku synchronicznym (LSM) opóźnienie jest usuwane przez przymocowanie magnesów trwałych do wtórnego. Ponieważ wtórnik wytwarza teraz własne stacjonarne pole magnetyczne, przemieszcza się w dół pierwotnego w synchronizacji z ruchomym polem – stąd nazwa tego wariantu silnika (Gieras, 2011). Ponieważ LSM są szybsze i bardziej wydajne, są preferowanym silnikiem w szybkich pociągach maglev (Lee, 2006).

Naprowadzanie

Prowadzenie jest tym, co utrzymuje pociąg w centrum przewodnik. W przypadku szybkich maglevów wykorzystuje się do tego odpychające siły magnetyczne (Rysunek 8). W TransRapid znajdują się dwie szyny elektromagnetyczne umieszczone na pociągu zwrócone po obu stronach prowadnicy. Dzięki tym szynom pociąg nie zjeżdża zbyt daleko z kursu (Lee, 2006). W MLX prowadzenie jest połączone z systemem lewitacji. Szyny lewitacyjne po obu stronach pociągu są ze sobą połączone. Dzięki temu połączeniu, gdy pociąg zbliża się do jednej strony, wywoływana jest siła przywracająca, która popycha go z powrotem do środka. W ten sposób MLX jest jednocześnie lewitowany i prowadzony (Lee, 2006).

Rysunek 8

System naprowadzania Transrapid i MLX. Oba używają odpychających magnesów. Źródło: Autor na podstawie Lee (2006).

Korzyści z Maglev

Najbardziej oczywistą atrakcją pociągów maglev jest to, że mogą podróżować szybciej niż tradycyjne pociągi kolejowe. Jedyny komercyjny szybki maglev, Shanghai Maglev, jest obecnie najszybszym istniejącym pociągiem.Porusza się z prędkością ponad 80 km / h (80 km / h) szybciej niż najszybsza szybkobieżna szyna kołowa (320 km / h Hayabusa, 2013). I to tylko pierwszy. Brak tarcia między pociągiem a jezdnią znosi wiele ograniczeń, które ograniczały tradycyjne pociągi. Stąd Maglev będzie tylko szybszy (Luu, 2005). Istnieją inne, bardziej subtelne cechy, które również czynią maglev atrakcyjnym:

• Długowieczność: Konwencjonalne koła i szyny poddawane są z czasem dużym obciążeniom. Aby zachować funkcjonalność, należy je okresowo wymieniać i naprawiać. W maglevie nie ma kontaktu między pociągiem a prowadnicą, więc zużycie jest znacznie mniejsze. Dzięki temu żywotność części maglev jest odpowiednio dużo dłuższa (Powell, 2003). Z ekonomicznego punktu widzenia jest to dość zachęta, ponieważ naprawy i konserwacja są kosztownymi i czasochłonnymi czynnościami.
• Bezpieczeństwo: może wydawać się sprzeczne z intuicją, że te pociągi są bezpieczniejsze, ponieważ poruszają się o wiele szybciej niż ich kołowe odpowiedniki. Niemniej jest to prawda. Wykolejenie pociągów Maglev jest prawie niemożliwe (Luu, 2005). Oddzielenie pociągu od toru wymagałoby czegoś w rodzaju całkowitego zawalenia się prowadnicy. Dodatkowo pogoda nie stanowi większego problemu. Ponieważ pociągi nie polegają na tarciu podczas ruchu, śnieg, lód i deszcz powodują niewielki lub żaden wpływ (Luu, 2005). Wreszcie, łatwo jest podnieść prowadnice. Jeśli pociągi jeżdżą po torach dziesięć stóp nad ziemią, istnieje mniejsze prawdopodobieństwo kolizji z obiektem na swojej drodze (Luu, 2005).
• Efektywność energetyczna: Kolejną zaletą lewitacji jest to, że te pociągi nie trać energii na tarcie. Daje im to przewagę w wydajności (Wang 2010). Zużycie energii ma zasadnicze znaczenie dla powodzenia systemu transportowego. Znaczna część kosztów eksploatacji idzie na płacenie za energię. Dlatego ta przewaga w wydajności jest bardzo ważna. Jednakże, chociaż pociągi maglev są bardziej wydajne, obecnie nie są znacznie bardziej wydajne niż nowoczesna szybka kolej. Jednak mają potencjał, by być znacznie lepszymi w tej kategorii.
• Wpływ na środowisko: pociągi Maglev mogą wykonywać ostrzejsze zakręty niż szyny dużych prędkości. Pozwala to na budowanie prowadnic, które znacznie lepiej poruszają się po terenie (Wang 2010). Ścieżki można zaprojektować tak, aby miały jak najmniejszy wpływ na środowisko. Prowadnice zajmują również mniej miejsca niż szyny (Wang 2010). To dodatkowo zmniejsza wpływ na środowisko. Jak już wspomniano, prowadnice można łatwo unieść nad ziemię (Luu, 2005). Zarówno rośliny, jak i zwierzęta są bezpieczniejsze, gdy pociąg jedzie nad nimi, a nie toczy się obok nich.
• Zanieczyszczenie hałasem: przy rozważaniu projektu transportowego hałas (w rozsądnych granicach) nie jest tak duży kwestia ekonomii lub bezpieczeństwa. Jednak redukcja szumów jest nadal uważana za pozytywną cechę. Pociągi Maglev są cichsze niż współczesne, więc jest to kolejny punkt na ich korzyść (Wang, 2010).

Wady Maglev

Chociaż jest wiele zalet, to wciąż powody, dla których pociągi maglev nie są wszędzie budowane. Być może największym powodem jest to, że prowadnice maglev nie są kompatybilne z istniejącą infrastrukturą kolejową. Każda organizacja próbująca wdrożyć system maglev musi zacząć od zera i zbudować zupełnie nowy zestaw torów. Wiąże się to z bardzo wysoką inwestycją początkową (Coates, 2004). Mimo że prowadnice kosztują z czasem mniej niż szyny (Powell, 2003), trudno jest uzasadnić wydawanie tak dużej kwoty z góry. Innym problemem jest to, że pociągi maglev poruszają się szybko, ale mogą nie podróżować wystarczająco szybko. Kraje z już istniejącymi szynami dużych prędkości nie chcą wydawać miliardów dolarów na wdrażanie systemu, który jest tylko nieznacznie lepszy niż istniejące rozwiązanie. Rynek na te pociągi nie jest w tej chwili zbyt duży. Trudno zaprzeczyć, że te pociągi są lepsze od standardowych. Niemniej jednak, trzeba wykonać więcej pracy, zanim będzie warto je wdrożyć na całym świecie.

Elektrotechnika w Maglev

Od czasu pojawienia się silnika parowego pociągi są tradycyjnie domeną inżynierów mechaników . Wszystkie były silnikami i osiami, kołami i silnikami. Jednak wprowadzenie technologii maglev złamało tę tradycję. Rozwój tych pociągów wymagał wkładu z szeregu różnych dziedzin innych niż inżynieria mechaniczna, w tym z fizyki i chemii. Ale co najważniejsze, przyciągnął do stołu inżynierów elektryków. Od samego początku inżynierowie elektrycy byli głównymi współtwórcami technologii maglev. Eric Laithwaite, inżynier elektryk, opracował pierwszy liniowy silnik indukcyjny, ważny i niezbędny prekursor pociągów maglev. Hermann Kemper, którego wielu uważa za ojca magleva, był także inżynierem elektrykiem. Niemieccy i japońscy inżynierowie elektrycy pracowali nad stworzeniem programów maglev w swoich krajach.A dziś inżynierowie elektrycy ulepszają tę technologię, aby mogła być atrakcyjna dla krajów na całym świecie. Pociągi Maglev mają zaskakująco mało ruchomych części. Wszystkie dotyczą prądów elektrycznych, magnesów i pętli z drutu. Niektóre ważne tematy w tej dziedzinie to pola i fale elektromagnetyczne, teoria obwodów, systemy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym i energetyka. Wszystko to podlega wiedzy inżynierów elektryków. Dlatego do rozwiązania największych problemów, z jakimi boryka się ta technologia, potrzebni są elektrycy. Pociągi muszą być szybsze i bardziej energooszczędne. Przez cały czas muszą być dobrze trzymane w granicach bezpieczeństwa. Prowadnice muszą być tańsze, łatwiejsze do wdrożenia i być może bardziej kompatybilne z istniejącymi szynami. Systemy sterowania muszą być bezbłędne. Wszystkie te i inne problemy wzywają inżyniera elektryka, aby rozwikłać ich odpowiedzi.

Przyszłość Maglev

Technologia Maglev jest bardzo obiecująca na przyszłość. Ma potencjał, by stać się tańszą, szybszą, bezpieczniejszą i bardziej ekologiczną formą transportu niż mamy obecnie. Z pomocą niektórych inżynierów elektryków stanie się tym wszystkim. Istnieją możliwe zastosowania tej technologii we wszystkim, od międzymiastowego transportu publicznego po wycieczki terenowe. Istnieją nawet propozycje budowy długich podziemnych rur, wysysania powietrza z rur i umieszczania w nich pociągów maglev. W takim ustawieniu praktycznie nie byłoby oporu wiatru, więc pociąg mógłby z łatwością osiągać prędkości przekraczające prędkość dźwięku (Thornton, 2007). Chociaż może minąć dużo czasu, zanim ta technologia stanie się powszechna, trudno zaprzeczyć, że w pewnym momencie będzie powszechna. Zalety są zbyt trudne do zignorowania. Obecnie w użyciu jest tylko jeden komercyjny pociąg maglev, który przyćmił już wszystko, co było przed nim. W jaki sposób ta technologia będzie ewoluować i poprawiać się w przyszłości? Tylko czas powie. Ale jest wysoce prawdopodobne, że stoimy teraz u progu rewolucji transportowej. Ja, na przykład, nie mogę się doczekać szybowania po okolicy z prędkością 300 mil na godzinę w lewitującym pudełku magnesów.

Bibliografia

Sugerowane linki

Zobacz także

• Pojazdy autonomiczne
• Baterie elektryczne do energii odnawialnej
• Inteligentna infrastruktura