Trenurile Maglev folosesc magnetismul pentru a levita deasupra pistelor pe care călătoresc. Sunt mai rapide, mai eficiente și mai ecologice decât trenurile moderne cu roți. S-ar putea ca într-o zi în curând, tehnologia maglev să fie obișnuită în întreaga lume. Acest articol trece în revistă istoria acestor trenuri, modul lor de funcționare, precum și beneficiile și dezavantajele acestora. De asemenea, se discută despre importanța ingineriei electrice în dezvoltarea maglevului și despre modul în care inginerii electrici pot face din această tehnologie următoarea revoluție a transportului.

Introducere

Imaginați-vă un tren fără roți. În loc să se rostogolească de-a lungul pistei, pluteste liniștit deasupra și alunecă lin de la origine la destinație fără a atinge vreodată o șină. Acest lucru poate suna ca ficțiunea științifică, dar instanțe ale acestei tehnologii există deja în mai multe locuri din lume. Sunt cunoscute sub numele de trenuri maglev (derivate din termenul de levitație magnetică). Aceste locomotive futuriste oferă multe posibilități noi și interesante de călătorie. Ele au potențialul de a fi mai rapide, mai sigure și mai eficiente din punct de vedere energetic decât sistemele de transport convenționale. Deși astfel de trenuri sunt puține și îndepărtate de acum, ele reprezintă un focar de cercetare în comunitatea de inginerie electrică. Prin urmare, maglev poate fi banal mai devreme decât ați crede.

Istoria Maglev

Ideile fundamentale din spatele tehnologiei maglev pot fi urmărite de la începutul secolului XX. S-au depus multe eforturi pentru a pune bazele acestor trenuri, inclusiv dezvoltarea motoarelor electrice și cercetarea magnetismului. Câțiva oameni de știință, și anume Robert Goddard și Emile Bachelet, au îndrăznit chiar să propună un vehicul care să plutească folosind magneți (Yadav, 2013). În 1934, unui german cu numele de Hermann Kemper i s-a acordat un brevet pentru primul concept de tren magnetic, care levitează (Yadav, 2013). Abia în anii 1960, ideea a început să se manifeste cu adevărat. În acest moment, Germania și Japonia au început să cerceteze potențialul maglevului. În anii 70 și 80, ambele țări au făcut progrese mari în dezvoltarea acestor trenuri. Germania a construit și testat un șir de prototipuri de sisteme maglev și a numit designul lor TransRapid (Figura 1). Trenurile au atins viteze de peste 250 mph (402 km / h) pe pista de testare (Luu, 2005). Japonia a testat, de asemenea, două serii de modele proprii, numite ML-500 și mai târziu MLU. Trenurile lor au reușit să depășească 483 km / h (Luu, 2005).

Figura 1

Transrapid pe centrul de testare din Germania lângă Bremen. Sursa: © Stahlkocher / CC BY-SA 3.0

Japonia a continuat dezvoltarea tehnologiei sale maglev în anii ’90 și mai departe. Au testat o nouă serie, numită MLX, care a rupt 350 mph (563 km / h) în 2003 (Yadav, 2013). Nu au fost stabilite linii comerciale în țară, dar încă fac cercetări. În Germania, în 1992 a fost propusă o linie comercială TransRapid care leagă Berlinul și Hamburgul. Cu toate acestea, în 2000, guvernul a închis proiectul (Luu, 2005). Nu s-a pierdut totuși, în timp ce chinezii au observat și au comandat germanilor să construiască un tren TransRapid în Shanghai. Shanghai Maglev (Figura 2), care a rezultat în urma acestei inițiative, este acum singurul tren Maglev de mare viteză în uz comercial. Transportă pasagerii la o distanță de 30 de kilometri în 8 minute, atingând o viteză maximă de peste 431 km / h (Coates, 2004). Astfel, China a devenit rapid un jucător important pe piața mondială de maglev. Țara intenționează să continue dezvoltarea infrastructurii sale maglev.

Figura 2

Shanghai Maglev părăsind Aeroportul Internațional Pudong, cu harta feroviară Shanghai Transit Map care arată ruta către Longyang Road. Surse de colaj: © Alex Needham / Domeniul public și Metropedia

Cum funcționează?

Trenurile Maglev nu au roți sau șine. Așa cum se arată în Figura 3, au căi de ghidare și plutesc pe aceste căi de ghidare fără a le atinge vreodată.

Figura 3

Comparația dintre șină și roată. Sursa: Autor, derivat din Lee (2006).

Există trei părți esențiale pentru realizarea funcționalității maglev: levitație, propulsie și îndrumare (așa cum se vede mai jos).

Figura 4

Levitație, propulsie și îndrumare în maglev. Sursă: Autor, derivat din Lee (2006).

Levitația

Levitația este capacitatea trenului de a rămâne suspendat deasupra liniei. Există două tipuri importante de tehnologie de levitație:

• Suspensia electromagnetică (EMS): EMS (Figura 5) folosește forța de atracție a electromagnetilor așezați pe calea de ghidare și pe tren pentru a realiza levitația.Avantajele acestei metode sunt că este mai simplu de implementat decât suspensia electrodinamică (discutată mai jos) și că menține levitația la viteză zero. Dezavantajele sunt că sistemul este inerent instabil. La viteze mari, devine dificil să se mențină distanța corectă între tren și cale de ghidare. Dacă această distanță nu poate fi păstrată, trenul nu va reuși să leviteze și să se oprească. Pentru a explica acest lucru, EMS necesită sisteme complexe de control al feedback-ului pentru a se asigura că trenul este întotdeauna stabil (Lee, 2006).

Figura 5

Suspensie electromagnetică (EMS). Folosește forțe magnetice atractive. Sursă: Autor, derivat din Lee (2006).

• Suspensie electrodinamică (EDS): EDS (Figura 6) folosește forța de respingere a magneților (supraconductori) așezați pe calea de ghidare și pe tren spre realizează levitația. Magneții se deplasează unul lângă celălalt în timp ce trenul rulează și generează forța respingătoare. Avantajele acestei metode sunt că este incredibil de stabilă la viteze mari. Menținerea distanței corecte între tren și cale de ghidare nu este o preocupare (Lee, 2006). Dezavantajele sunt că trebuie să se acumuleze o viteză suficientă pentru ca trenul să leviteze deloc. În plus, acest sistem este mult mai complex și mai costisitor de implementat.

Figura 6

Suspensie electrodinamică (EDS). Folosește forțe magnetice respingătoare. Sursa: Autor, derivat din Lee (2006).

Propulsie

Propulsia este forța care conduce trenul înainte. Maglev utilizează un motor electric liniar pentru a realiza propulsia. Un motor electric rotativ normal folosește magnetismul pentru a crea cuplul și a roti o axă. Are o piesă staționară, statorul, care înconjoară o piesă rotativă, rotorul. Statorul este utilizat pentru a genera un câmp magnetic rotativ. Acest câmp induce o forță de rotație asupra rotorului, care îl determină să se rotească. Un motor liniar este pur și simplu o versiune derulată a acestuia (vezi Figura 7). Statorul este așezat plat, iar rotorul se sprijină deasupra acestuia. În loc de un câmp magnetic rotativ, statorul generează un câmp care se deplasează pe lungimea sa. În mod similar, în loc de o forță de rotație, rotorul experimentează o forță liniară care îl trage în jos în stator. Astfel, un motor electric liniar produce direct mișcare în linie dreaptă. Cu toate acestea, acest motor poate produce o forță numai în timp ce rotorul este deasupra statorului. Odată ce rotorul a ajuns la capăt, acesta se oprește din mișcare.

Figura 7

Motor rotativ versus motor liniar. Sursa: Autor, derivat din Lee (2006).

Atunci când se descrie un motor liniar, standardul este de a utiliza termenul „primar” în loc de „stator” și „secundar” în loc de „rotor”. În trenurile Maglev, secundarul este atașat la partea inferioară a vagoanelor de tren, iar principalul este în calea de ghidare. Deci, un câmp magnetic este trimis pe calea de ghidare și trage trenul după el. Într-un fel, întreaga lungime a unei căi maglev poate fi considerată ca făcând parte din motorul trenului. Sistemul care a fost descris până acum este un motor de inducție liniar (LIM). Se numește așa deoarece câmpul magnetic din primar induce un câmp magnetic în secundar. Interacțiunea dintre câmpul original și câmpul indus este cea care determină tragerea secundarului. Cu toate acestea, în această configurație, secundarul rămâne întotdeauna oarecum în urma câmpului în mișcare din primar. Acest decalaj este o sursă de pierdere de energie și viteză. Într-un motor sincron liniar (LSM), întârzierea este eliminată prin atașarea magneților permanenți la secundar. Deoarece secundarul produce acum propriul său câmp magnetic staționar, el călătorește în jos pe primar sincronizat cu câmpul în mișcare – de unde și numele pentru această variantă de motor (Gieras, 2011). Deoarece LSM-urile sunt mai rapide și mai eficiente, ele sunt motorul ales în trenurile maglev de mare viteză (Lee, 2006).

Îndrumare

Îndrumarea este ceea ce menține trenul centrat peste cale de ghidare. Pentru maglev de mare viteză, forțele magnetice respingătoare sunt folosite pentru a realiza acest lucru (Figura 8). În TransRapid, există două șine electromagnetice plasate pe trenul orientat de fiecare parte a căii de ghidare. Aceste șine împiedică trenul să se deplaseze prea departe de curs (Lee, 2006). În MLX, îndrumarea este cuplată cu sistemul de levitație. Șinele de levitație de pe ambele părți ale trenului sunt conectate între ele. Prin această conexiune, atunci când trenul se apropie de o parte este indusă o forță de refacere care îl împinge înapoi spre centru. Astfel, MLX este atât levitat, cât și ghidat în același timp (Lee, 2006).

Figura 8

Sistem de ghidare pentru Transrapid și MLX. Ambii folosesc magneți respingători. Sursa: Autor, derivat din Lee (2006).

Beneficiile Maglev

Cea mai evidentă atracție a trenurilor maglev este că pot călători mai repede decât trenurile feroviare tradiționale. Singurul maglev comercial de mare viteză, Shanghai Maglev, este acum cel mai rapid tren existent.Se deplasează cu peste 50 mph (80 km / h) mai repede decât cea mai rapidă roată-șină de mare viteză (320 km / h Hayabusa, 2013). Și este doar primul. Lipsa fricțiunii dintre tren și calea de ghidare elimină multe limite care legau trenurile tradiționale. Maglev va deveni mai rapid doar de aici (Luu, 2005). Există și alte calități mai subtile care fac maglev atractiv, de asemenea:

• Longevitate: roțile și șinele convenționale suferă o mare stres în timp. Acestea trebuie înlocuite și reparate periodic pentru a rămâne funcționale. În maglev, nu există niciun contact între tren și cale de ghidare, deci există substanțial mai puțină uzură. Durata de viață a pieselor maglev este în mod adecvat mult mai lungă datorită acestui fapt (Powell, 2003). Din punct de vedere economic, acesta este un stimulent, întrucât reparațiile și întreținerea sunt activități costisitoare și care necesită mult timp.
• Siguranță: ar putea părea contra-intuitiv că aceste trenuri sunt mai sigure, deoarece circulă mult mai repede decât roțile lor omologii. Cu toate acestea, este adevărat. Trenurile Maglev sunt aproape imposibil de deraiat (Luu, 2005). Ar fi nevoie de ceva de genul colapsului complet al ghidajului pentru a separa un tren de calea sa. În plus, vremea nu este o problemă prea mare. Întrucât trenurile nu se bazează pe frecare pentru mișcare, zăpada, gheața și ploaia nu provoacă niciun efect (Luu, 2005). În cele din urmă, este ușor să ridicați căile de ghidare. Dacă trenurile circulă pe șine la zece picioare deasupra solului, există o șansă mai mică de coliziune cu un obiect aflat pe calea sa (Luu, 2005).
• Eficiență energetică: Un alt beneficiu al levitației este că aceste trenuri nu pierdeți energie din cauza fricțiunii. Acest lucru le oferă un avantaj în ceea ce privește eficiența (Wang 2010). Consumul de energie este esențial pentru succesul unui sistem de transport. O mare parte din costurile de operare sunt destinate plății pentru energie. Prin urmare, această margine de eficiență este foarte importantă. Cu toate acestea, în timp ce trenurile maglev sunt mai eficiente, în prezent nu sunt substanțial mai eficiente decât calea ferată modernă de mare viteză. Cu toate acestea, ele au potențialul de a fi mult superioare în această categorie.
• Impactul asupra mediului: trenurile Maglev pot face viraje mai strânse decât șinele de mare viteză. Acest lucru permite construirea căilor de ghidare care pot naviga pe teren mult mai bine (Wang 2010). Căile pot fi proiectate pentru a avea un efect cât mai mic asupra mediului. Ghidajele ocupă, de asemenea, mai puțină suprafață decât șinele (Wang 2010). Acest lucru reduce în continuare impactul asupra mediului. Și, după cum sa menționat anterior, căile de ghidare sunt ușor ridicate de la sol (Luu, 2005). Plantele și animalele, deopotrivă, sunt mai sigure cu trenul care circulă deasupra lor și nu se învârte chiar lângă ele.
• Poluarea fonică: atunci când se ia în calcul un proiect de transport, zgomotul (în limite rezonabile) nu este la fel de mare o preocupare ca economie sau siguranță. Cu toate acestea, reducerea zgomotului este încă considerată o caracteristică pozitivă. Trenurile Maglev sunt mai liniștite decât trenurile contemporane, deci acesta este un alt punct în favoarea lor (Wang, 2010).

Dezavantajele Maglev

Deși există multe avantaje, există sunt încă motive pentru care trenurile maglev nu sunt construite peste tot. Poate că cel mai mare motiv este că căile de ghidare maglev nu sunt compatibile cu infrastructura feroviară existentă. Orice organizație care încearcă să implementeze un sistem maglev trebuie să înceapă de la zero și să construiască un set complet nou de piste. Aceasta implică o investiție inițială foarte mare (Coates, 2004). Chiar dacă ghidajele costă mai puțin decât șinele în timp (Powell, 2003), este greu să justifici atât de mult cheltuielile în avans. O altă problemă este că trenurile maglev călătoresc rapid, dar s-ar putea să nu călătorească destul de repede. Țările cu șine de mare viteză deja instalate nu vor să cheltuiască miliarde de dolari implementând un sistem care este doar marginal mai bun decât soluția existentă. Piața acestor trenuri nu este prea mare în acest moment. Este greu de contestat faptul că aceste trenuri sunt superioare celor standard. Indiferent, este nevoie de mai multă muncă înainte de a merita implementarea lor la nivel mondial.

Inginerie electrică în Maglev

Încă de la motorul cu aburi, trenurile au fost în mod tradițional în domeniul inginerilor mecanici . Toate erau motoare și osii, roți și motoare. Cu toate acestea, introducerea tehnologiei maglev a încălcat această tradiție. Dezvoltarea acestor trenuri a necesitat contribuții dintr-o serie de domenii diferite, altele decât ingineria mecanică, inclusiv fizica și chimia. Cel mai important, însă, a adus la masă inginerii electricieni. De la început, inginerii electrici au contribuit major la dezvoltarea tehnologiei maglev. Eric Laithwaite, inginer electric, a dezvoltat primul motor liniar cu inducție, un important și necesar precursor al trenurilor maglev. Hermann Kemper, despre care mulți cred că este tatăl lui Maglev, a fost și inginer electric. Inginerii electrici germani și japonezi au lucrat la stabilirea programelor maglev în națiunile lor respective.Și astăzi, inginerii electrici fac tehnologia din ce în ce mai bună, astfel încât să poată atrage țări din întreaga lume. Trenurile Maglev au surprinzător de puține piese în mișcare. Toate sunt despre curenți electrici, magneți și bucle de sârmă. Unele subiecte importante ale câmpului sunt câmpurile și undele electromagnetice, teoria circuitelor, sistemele de control al feedback-ului și ingineria energetică. Toate acestea intră sub expertiza inginerilor electrici. Prin urmare, inginerii electrici sunt necesari pentru a rezolva cele mai mari probleme cu care se confruntă această tehnologie. Trenurile trebuie să fie mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic. În tot acest timp trebuie să fie păstrate bine în limitele siguranței. Căile de ghidare trebuie să fie mai ieftine, mai ușor de implementat și poate mai compatibile cu șinele existente. Sistemele de control trebuie să fie impecabile. Toate aceste probleme și multe altele solicită ca un inginer electric să-și descopere răspunsurile.

Viitorul Maglev

Tehnologia Maglev are o mare promisiune pentru viitor. Are potențialul de a fi o formă de transport mai ieftină, mai rapidă, mai sigură și mai ecologică decât avem astăzi. Și cu ajutorul unor ingineri electrici, vor deveni toate aceste lucruri. Există posibile aplicații pentru această tehnologie în orice, de la transportul public interurban la călătorii de țară. Există chiar propuneri de a construi tuburi subterane lungi, de a aspira aerul din tuburi și de a plasa trenuri maglev în interiorul lor. În acest cadru nu ar exista practic nici o rezistență la vânt, astfel încât un tren ar putea atinge cu ușurință viteze care depășesc viteza sunetului (Thornton, 2007). Deși poate trece mult timp până când această tehnologie devine predominantă, este greu de negat că la un moment dat va fi predominantă. Avantajele sunt prea greu de ignorat. Deocamdată există un singur tren comercial maglev în uz și a eclipsat deja tot ce a venit înainte. Cum va evolua și se va îmbunătăți această tehnologie pe măsură ce ne îndreptăm spre viitor? Numai timpul va spune. Dar este foarte plauzibil să ne aflăm acum la prăpastia unei revoluții a transporturilor. Eu, aștept cu nerăbdare să alunec peste țară la 300 mph într-o cutie de magneți care levitează.

Bibliografie

Linkuri sugerate

Vezi și

• Vehicule autonome
• Baterii electrice pentru energie regenerabilă
• Infrastructură inteligentă