Модель маглева своими руками

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 19.09.2024

Наша страна одной из первых построила самые быстрые в мире поезда на магнитной подушке. А сейчас у отечественных учёных есть маглев-технология, которой могут позавидовать в Шанхае и Токио. Когда мы сможем объехать всю Россию за 14 часов?

Коллаж © LIFE Фото © LIFE / Стас Вазовски © Shutterstock

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Выглядит величественно, верно? Этот потерпевший крушение космический корабль — советский поезд маглев. Магнитолевитационный. То есть поезд, который не едет, а летит, не касаясь путей. Это не макет, не бутафория. Он настоящий. Он ездил.

А вот, кстати, ещё, не припоминаете? Короткометражка 1987 года из цикла "Этот фантастический мир". Была такая телепрограмма, вёл её космонавт Георгий Гречко. Это 12-й выпуск под названием "С роботами не шутят" по рассказу "Судебный процесс" шведского писателя Фредерика Чиландера. Человек с цветами — Авангард Леонтьев, а перекрашенный специально для фильма вагон с надписью Fire-ball и есть тот шаг в будущее, который не произошёл.

В реальности на нём написано ТП-05. Поскольку это была разработка института ВНИИПИ Транспрогресс, позволим себе предположить, что ТП — это от слов "транспорт" и "прогресс". Его специалисты трудились над технологией маглева ещё с 70-х. Испытания этого вагона начались в 1986-м. Он был не просто демонстрационным.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Вагон строился, чтобы показать, как это будет работать, как будет перевозить пассажиров на проекте Ереван — Севан — Абовян. Но случилось землетрясение в Спитаке, и закончилось финансирование. Хотя мы уже начали строительство, уже первые сваи там забили

Главный конструктор по транспорту на магнитном подвесе инженерно-научного центра "Тэмп", доктор электротехники

Главный конструктор магнитолевитационного вагона ТП-05 Андрей Галенко (справа). Фото © LIFE / Стас Вазовски

Ещё один вариант советского летающего поезда создавали для маршрута Алма-Ата — Медео.

Но руководство в конце концов сказало: ну, это всё хорошо, ребята, но мы будем строить метро

Был и проект маглева Москва — Шереметьево. Но это было в 1992 году.

Проект был закрыт из-за отсутствия финансирования. 1992 год. Каждый выживал как мог. Всё разрушили, что могли

Надо сказать, что после распада СССР отечественные маглев-технологии продолжали и продолжают развивать. Кстати, вы знали, что московский монорельс, который столичное правительство на днях предложило закрыть, тоже, по сути, магнитолевитационный транспорт? Под вагонами состава и на путевой структуре есть магниты, именно они и удерживают состав на своём месте. Этот транспорт, которым Москва когда-то гордилась, разрабатывали те же люди, которые создавали советский маглев.

Юра, мы ещё не всё! Россия могла строить многоразовые ракеты раньше Илона Маска

Как устроен маглев

Вспомните "фокус" из школьной программы: если повернуть магниты друг к другу разными полюсами, они притягиваются, одинаковыми — отталкиваются. Вот этим и ещё некоторыми вещами из школьного курса физики и решили воспользоваться для создания прогрессивного транспорта. Под вагоном закрепили электромагниты. Разработчики называют это магнитной лыжей.

Магниты под днищем советского маглева ТП-05. Фото © LIFE / Стас Вазовски

Что это нам даёт

Маглев способен обеспечить передвижение на скорости до 600 километров в час. Если подумать, трасса Санкт-Петербург — Петрозаводск — Ханты-Мансийск — Челябинск — Владивосток длиной более 12 тысяч километров могла бы преодолеваться за 14 часов

Заместитель генерального директора НИИ электрофизической аппаратуры по термоядерным и магнитным технологиям

В городе магнитолевитационную трассу можно строить буквально в двух метрах от стеклянной поверхности любого здания. Нет вибрации, нет шума, только рассекаемый воздух

Звёздные войны, новая эра. В России возродят советский боевой космолёт

Маглев в других странах

Шанхай. Поезд курсирует между аэропортом и метро. Пролетает 30 километров за 10 минут. Именно пролетает. Билет — 40 юаней, что в переводе 355 рублей. Как просветили создатели советского маглева, это адаптированная китайская версия немецкой системы "Трансрапид", разработанной в 60–70-е годы.

Сеул, Южная Корея. Неторопливый маглев, всего 110 километров в час. А больше и не надо — линия всего шесть километров. Внутригородская.

В Японии маглев тестируют. Между Токио и Нагоей. Их разделяет примерно 440 километров. На машине ехать больше шести часов. А на новом поезде обещают всего час.

Но этот поезд летит по немного другой системе. Магниты на борту сделаны из материалов, которые держат при температуре жидкого азота. Это примерно минус 200 по Цельсию. Поэтому в таком лютом морозе ток через них проходит беспрепятственно. Это называется сверхпроводимостью: вещество приобретает сверхспособность проводить ток, ему нужно сравнительно мало электричества, чтобы создать мощное магнитное поле. Такая особенность имеется, например, у свинца, алюминия, олова и некоторых других металлов.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

Это явление известно как "эффект Мейснера". Правда, сам профессор Мюнхенского университета Вальтер Фриц Мейснер величал его более возвышенно: "гроб Магомета". Дело в том, что в священной книге мусульман описано, как после смерти пророка Мохаммеда гроб с его телом висел в воздухе без всякой поддержки. Учёный не был религиозен, просто начитан.

Берётся сверхпроводник, в данном случае квадратная пластина из подходящего сплава. Заливается жидким азотом. Только, пожалуйста, без самодеятельности, все эксперименты под присмотром опытных людей. А теперь попробуем сверху положить магнитик. Ну как? Кажется, произошло чудо.

Фото © LIFE / Стас Вазовски

В принципе, поезд можно сделать на таком эффекте, только нужно, наоборот, из магнита сделать дорогу, а внутри поезда разместить сверхпроводник, потому что дорогу мы не можем охлаждать, то есть у нас будет внутри поезда сверхпроводник, охлаждаемый жидким азотом, а полотно дороги сделано из магнитов, вдоль которых может левитировать состав

Презентация о магнетизме и удивительном явлении магнитной левитации. Может использоваться на внеурочной деятельности.

Актуальность исследования магнитной левитации и её практического применения обусловлена необходимостью поиска новых экологически чистых источников энергии.

Цель исследования: изучить явление магнитной левитации, выяснить, где и как это явление применяется, оценить перспективы использования магнитной левитации.

Задачи исследования: изучить литературу по теме исследования; познакомиться с понятиями магнит, сильный магнит, магнетизм; экспериментальным путём проверить возможность использования магнитной левитации; установить, может ли явление магнитной левитации быть использовано в целях уменьшения негативного воздействия на окружающую среду.

Гипотеза: увеличение интенсивности использования явления магнитной левитации приведёт к снижению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Методы исследования: теоретический (анализ данных, полученных при изучении информации по теме исследования, обобщение, сравнение); экспериментальный (физические эксперименты); обработка результатов эксперимента, визуализация полученных данных.

Начать исследование я решил со знакомства с магнитами и их свойствами.

Я проделал несложные опыты, в результате которых выяснил, что

1) Магнит притягивает к себе только железо

Магнит имеет два полюса.

Невозможно получить магнит только с одним полюсом.

Одинаковые полюса магнитов отталкиваются, противоположные притягиваются.

Магнитное поле можно увидеть.

Магнитное поле заставляет железные частички

вдоль магнитных линий.

Магнитные свойства можно передать обычному железу.

Если железные изделия какое-то время побудут в магнитном поле, они приобретут своё собственное магнитное поле. Правда, оно весьма недолговечно.

Магнитное поле Земли

Наша планета Земля - это огромный магнит, полюса которого находятся совсем рядом от географических полюсов планеты. Магнитное поле всех наших магнитов взаимодействует с ее магнитным полем. На этом и основана работа компаса.

Электро магнитное поле

Чтобы продемонстрировать способность магнита создавать магнитное поле, пригодное для практического использования, соберём простейший электромотор с использованием магнита, батарейки и медной рамки. К отрицательному полюсу батарейки поместим магнит, а к положительному — медную рамку. В результате действия электромагнитного поля рамка начнёт вращаться.

Магнитная левитация — метод подъёма объекта с помощью одного только магнитного поля. Магнитное давление используется для компенсации ускорения свободного падения или любых других ускорений.

Применение магнитной левитации

Поезда на магнитной подушке, маглевы – самый быстрый вид наземного транспорта. И хотя в эксплуатацию пока введено всего три небольших трека, исследования и испытания прототипов магнитных поездов проходят в разных странах.

Впервые в России 5–7 сентября 2018 года пройдет 24 Международная конференция Maglev 2018.

У такого транспорта множество достоинств: самая высокая скорость из всех видов наземного транспорта; низкое потребление электроэнергии (энергия расходуется в три раза эффективнее, чем у автомобиля и в пять раз эффективнее, чем у самолёта); возможность достичь скорости, многократно превышающие скорости, используемые в реактивной авиации; низкий шум.

Основной недостаток Маглева – его дороговизна, именно из-за высоких затрат на постройку и обслуживание данный вид транспорта до сих пор не получил широкого распространения.

Ещё магнитная левитация используется, например, в магнитных подшипниках. Обычные подшипники очень быстро приходят в негодность из-за трения между ними. В магнитных подшипниках детали изнашиваются во много раз меньше, потому что механического контакта между ними нет.

Широко применяются такие устройства, как вертикальные ветрогенераторы на магнитной левитации. Именно использование в них магнитных подшипников помогает получать электроэнергию из энергии ветра.

ХОВЕРБОРД (летающий скейт)

ховерборды летают только над специальными поверхностями;

эти поверхности очень дорогие;

короткое время работы (около 5 минут);

очень тяжело производить.

Однако создатели обещали, что очень скоро каждый ребенок сможет полетать на чудо-скейте!

Опыты с магнитной левитацией

Я проверил, действительно ли существует магнитная левитация, правда ли, что предметы могут висеть в воздухе?

Взяв два магнита, я попробовал приблизить их друг к другу одинаковыми полюсами. Но они очень сильно сопротивляются! В результате верхний магнит висит в воздухе.

Это подтверждает наличие магнитной левитации.

К необычным свойствам сильных магнитов можно отнести способность создавать электромагнитное поле в медном проводнике, который сам по себе не является магнитным материалом.

Я взял медную трубу, которая не притягивается магнитом.

Если магнит бросить внутрь этой трубы, мы увидим, что его падение заметно замедляется.

Это тоже своего рода левитация.

Модель Маглева

Для создания модели поезда на магнитной подушке требуется около 100 неодимовых магнитов. Высокая стоимость самих магнитов откладывает демонстрацию и описание данного опыта. Автор оставляет за собой право решения данной проблемы другим способом.

В работе доказана необходимость интенсивного развития технологий, основанных на магнитной левитации, так как широкое использование данного явления приведёт к снижению отрицательного воздействия на окружающую среду, что так необходимо в настоящее время!

Магнитная левитация – это не фантастика. Это явление уже применяется в механизмах.

Мы смогли проделать опыты, смогли своими глазами увидеть, что тяжёлые металлические предметы могут парить в воздухе.

Маглев, или поезд на магнитной подушке, — это состав, который удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. В настоящий момент существует две основные технологии магнитного подвеса: электромагнитная EMS и электродинамическая EDS.

В поездах первого типа под днищем вагона крепятся мощные магниты в сантиметрах от Т-образного стального полотна. При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи. Они создают мощное магнитное поле, которое отталкивает магнитную подвеску поезда. Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов и притягивания разных полюсов магнитов. А специальная система сохраняет величину зазора между магнитами в 15 миллиметров постоянной. При увеличении зазора система повышает силу тока в несущих магнитах и приближает вагон, при уменьшении — понижает силу тока, и зазор увеличивается. Также на электромагнитные маглевы устанавливают специальные батареи, позволяющие поезду левитировать при остановке.

Движение поезда осуществляется линейным двигателем – поочерёдно включаются обмотки статора, создавая бегущее магнитное поле. Статор поезда втягивается в это поле и движет весь состав. При этом с частотой 4000 раз в секунду происходит смена полюсов на магнитах путем попеременной подачи тока. Изменение силы и частоты тока позволяет регулировать скорость состава.

Существует также электродинамическая EDS-технология, при которой движение маглева осуществляется за счет взаимодействия двух полей. Одно из них создается в дорожном полотне, а второе – на корпусе поезда. В отличие от EMS с обычными магнитами, EDS использует сверхпроводящие электромагниты, которые могут проводить электричество даже после отключения источника питания.

Кроме того, EDS не нуждается в специальных системах корректировки расстояния между поездом и полотном. При его сокращении возникает сила отталкивания, которая возвращает магниты в первоначальное положение. А при увеличении расстояния увеличивается сила притяжения, что также ведет к стабилизации системы.

Еще одно отличие поездов, созданных по технологии EDS, — необходимость в дополнительных колёсах при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении высокой скорости колёса отделяются от земли и поезд летит на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. Также стоит отметить, что из-за сильных магнитных полей на корпусе поезда необходима магнитная защита – экранирование.

Маглев — это самый быстрый общественный наземный транспорт. Рекорд скорости был установлен японским поездом Синкансэн L0 в апреле 2015 года — он разогнался до 603 км/ч.

Электродинамическая магнитная левитация может возникнуть при наличии переменного магнитного поля в окрестности проводящего материала. В этой статье мы расскажем и покажем, как моделировать магнитную левитацию, на двух примерах: верификационной задаче TEAM про устройство, основанное электродинамической левитации и модели электродинамического колеса.

Что такое электродинамическая магнитная левитация?

Явление электродинамической магнитной левитации возникает, когда вращающийся и/или движущийся постоянный магнит либо катушка с током создают переменное магнитное поле близи проводника. Переменное магнитное поле наводит вихревые токи в проводнике, которые создают поле в противоположном направлении. Оно, в свою очередь, создаёт отталкивающую силу между проводящим материалом и источником магнитного поля. Этот процесс является основополагающим принципом действия всех магнитных левитирующих устройств.

Магнит, левитирующий над сверхпроводником. Изображение предоставлено Julien Bobroff. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Анализ эталонной задачи на электродинамическую левитацию

Рассмотрим верификационную задачу №28, описанную в Testing Electromagnetic Analysis Methods (TEAM) (от общества Compumag) и посвященную расчету электромагнитного левитирующего устройства В данной задаче круглый алюминиевый проводящий диск расположен над двумя цилиндрическими, концентрическими катушками переменного тока, протекающего в противоположных направлениях. Поперечное сечение элементов задачи показано на рисунке ниже.

Поперечное сечение концентрических катушек и алюминиевого диска. Все размеры указаны в миллиметрах.

3D модель изображена ниже.

3D-модель электродинамического левитирующего устройства. На ней изображёны левитирующий диск и две концентрических катушки переменного тока, протекающего в противоположных направлениях.

Для моделирования такого устройства в программном обеспечении COMSOL Multiphysics® мы используем 2D осесимметричную геометрию. Будем использовать физический интерфейс Magnetic Fields (Магнитные поля), который доступен в модуле AC/DC и позволяет корректно описать переменные токи в катушках, а также наводимые вихревые токи. Концентрические катушки с протекающими в противоположных направлениях токами опишем с помощью двух отдельных узлов Coil (Катушка), выбрав в настройках Homogenized Multi-Turn Coil (Гомогенизированная многовитковая катушка). Электродинамическая сила, возникающая в алюминиевом диске, будет рассчитана с помощью узла Force Calculation (Расчёт силы), который вычисляет тензор напряжений Максвелла.

Динамика твёрдого тела задаётся обыкновенным дифференциальным уравнением (ОДУ, англ. ODE) в физическом интерфейсе Global ODEs and DAEs. ОДУ первого порядка, задающие положение и скорость имеют следующий вид:

Так как электродинамическая сила изменяется в зависимости от расстояния между диском и катушками, наша модель должна учитывать динамику изменения положения диска. Для этого мы воспользуемся интерфейсом Moving Mesh (Подвижная сетка). Ниже на графике мы привели сравнение опорных данных, указанных в тесте TEAM, и результатов, полученных с помощью моделирования в COMSOL.

Сравнение результатов моделирования и данных TEAM на одном графике. Показана зависимость перемещения диска от времени.

Анимация перемещения диска над двумя концентрическими катушками в течении 0.6 с.

Моделирование электродинамического колеса в COMSOL Multiphysics®

Механические вращение источников магнитного поля, таких как радиально намагниченный ротор Халбаха, наводит вихревые токи в проводящем материале (например, алюминии). Они создают противоположно направленное магнитное поле, которое взаимодействует с источником магнитного поля и отталкивает его. Одновременно создаются подъемная сила и сила тяги. Такое устройство называется электродинамическим колесом (ЭДК).

На рисунке ниже показан принцип левитации ЭДК при высокоскоростном движении. Сила тяги или тормозящая сила зависят от относительной скорости скольжения, s_l, которая определяется, как разница между азимутальной v_c и поступательной v_x скоростями. Например, s_l = v_c — v_x, где v_c = ω_mr_o и ω_m = ω_eP. Где ω_m — это механическая угловая скорость, ω_e — электрическая угловая скорость, P — число пар полюсов ротора Халбаха.

Конструкция четырёхполюсного ЭДК, основанного на принципе магнитной левитации (maglev — маглева). На рисунке изображёны проводящий слой и вращающийся и/или перемещающийся ротор Халбаха.

Если азимутальная скорость больше, чем поступательная (скольжение положительно), то создаётся подъёмная сила. В противном случае создаётся тормозящая сила.

Используя физический интерфейс Rotating Machinery in 2D and 3D, Magnetic (Вращающиеся машины в 2D и 3D), мы можем учитывать оба этих движения в одной модели. Вращательное движение задаётся узлом Prescribed Rotational Velocity (Заданное вращательное движение). Поступательное движение ротора Халбаха задаётся в противоположном направлении узлом Velocity (Lorentz) (Скорость по Лоренцу). Постоянные магниты задаются узлами Ampère's Law (Закон Ампера) с указанием остаточной магнитной индукцией B_r = 1.42[Тл]. Так как намагниченность создаётся в радиальном или азимутальном направлениях, для удобства выберем цилиндрическую систему координат.

В итоге, было выполнено моделирование переходного процесса для разных механических угловых скоростей ротора. На графиках ниже показаны зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Две этих силы вычисляются различными способами: расчётом тензора напряжений Максвелла и методом Лоренца.

На графиках изображены зависимости подъёмной силы и силы тяги от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

На втором этапе проводилось стационарное исследование для различных поступательных скоростей. Тормозящая сила возникает при отсутствии вращения или если азимутальная скорость меньше, чем прямолинейная. Результаты моделирования подъёмной и тормозящей силы для различных скоростей показаны на графиках ниже.

Зависимости подъёмной и тормозящей силы от времени. Синим цветом показан расчёт тензора напряжений Максвелла, зелёным — метод Лоренца.

Анимация показывает поверхностный график распределения магнитного поля в воздухе и магнитах; плотность тока в проводящем слое; силовые линии векторного магнитного потенциала, A_z. Изображено вращение ротора по часовой стрелке и взаимодействие полей.

Выводы по моделированию электродинамической магнитной левитации

В данной статье мы показали, как моделировать два электродинамических магнитных устройства, используя модуль AC/DC пакета COMSOL Multiphysics. Мы разобрали верификационную задачу №28 от TEAM: Электродинамическое левитирующее устройство и сравнили результаты моделирования с данными эксперимента. Также мы постарались доступно объяснить принцип действия электродинамического колеса, основанного на явлении магнитной левитации. Наши результаты моделирования оказались довольно точными и полностью сошлись с экспериментальными результатами.

Отмечается, что монорельсовая транспортная система, разработка которой ведётся в настоящее время институтом, обладает рядом преимуществ перед современным городским транспортом — быстрота строительства и ввода в эксплуатацию, пониженный уровень шума и высокие эксплуатационные характеристики. Роскосмос подчёркивает, что транспорт на магнитной подушке является экологически чистым, требует минимального обслуживания подвижного состава и эстакады, обладает низким энергопотреблением. Такой поезд сможет работать в том числе в беспилотном режиме.

По результатам всех запланированных циклов испытаний нового поезда разработчики рассмотрят возможность проведения полномасштабных работ по серийному изготовлению такого типа монорельсовой транспортной системы.

Читайте также: