Suspensão eletrodinâmica - Electrodynamic suspension

Os anéis de salto levantam quando uma corrente AC energiza uma bobina e as forças eletrodinâmicas empurra os anéis para cima contra a gravidade

A suspensão eletrodinâmica ( EDS ) é uma forma de levitação magnética na qual existem condutores expostos a campos magnéticos variáveis no tempo. Isso induz correntes parasitas nos condutores que criam um campo magnético repulsivo que mantém os dois objetos separados.

Esses campos magnéticos variáveis no tempo podem ser causados pelo movimento relativo entre dois objetos. Em muitos casos, um campo magnético é um campo permanente, como um ímã permanente ou um ímã supercondutor , e o outro campo magnético é induzido a partir das mudanças do campo que ocorrem quando o ímã se move em relação a um condutor no outro objeto.

A suspensão eletrodinâmica também pode ocorrer quando um eletroímã acionado por uma fonte elétrica CA produz o campo magnético variável, em alguns casos, um motor de indução linear gera o campo.

O EDS é usado para trens maglev , como o SCMaglev japonês . Também é usado para algumas classes de rolamentos levitados magneticamente.

Tipos

Muitos exemplos disso foram usados ao longo dos anos.

Levitador bedford

Nesta configuração inicial de Bedford, Peer e Tonks de 1939, uma placa de alumínio é colocada em duas bobinas cilíndricas concêntricas e acionada por uma corrente CA. Quando os parâmetros estão corretos, a placa exibe levitação estável de 6 eixos.

Derretimento de levitação

Na década de 1950, foi desenvolvida uma técnica em que pequenas quantidades de metal levitavam e eram derretidas por um campo magnético de algumas dezenas de kHz. A bobina era um tubo de metal, permitindo que o refrigerante circulasse por ele. A forma geral era cônica, com topo plano. Isso permitiu o emprego de uma atmosfera inerte e foi um sucesso comercial.

Motor de indução linear

O campo de um motor linear gera correntes em uma folha de alumínio ou cobre que cria forças de sustentação e também propulsão.

Eric Laithwaite e seus colegas pegaram o levitador de Bedford e, por etapas, o desenvolveram e aprimoraram.

Primeiro, eles tornaram o levitador mais longo ao longo de um eixo e foram capazes de fazer um levitador que era neutro e estável ao longo de um eixo e estável ao longo de todos os outros eixos.

O desenvolvimento adicional incluiu a substituição da corrente de energização monofásica por um motor de indução linear que combinava levitação e impulso.

Posteriormente, os sistemas de "fluxo transversal" em seu laboratório do Imperial College , como o Magnetic River, evitaram a maioria dos problemas de precisar de placas de apoio de ferro longas e grossas quando havia pólos muito longos, fechando o caminho do fluxo lateralmente, organizando os dois opostos longos pólos lado a lado. Eles também foram capazes de quebrar o levitador primário em seções convenientes que o tornaram mais fácil de construir e transportar.

Fluxo nulo

Os sistemas de fluxo nulo funcionam por ter bobinas que são expostas a um campo magnético, mas são enroladas na figura de 8 e configurações semelhantes, de modo que quando há movimento relativo entre o ímã e as bobinas, mas centralizado, nenhuma corrente flui uma vez que o potencial é cancelado. Quando eles são deslocados para fora do centro, a corrente flui e um campo forte é gerado pela bobina que tende a restaurar o espaçamento.

Esses esquemas foram propostos por Powell e Danby na década de 1960, e eles sugeriram que ímãs supercondutores poderiam ser usados para gerar a alta pressão magnética necessária.

Inductrack

O Inductrack é um sistema de levitação magnética passivo e à prova de falhas , usando apenas laços de fio não alimentados na pista e ímãs permanentes (dispostos em matrizes Halbach ) no veículo para atingir a levitação magnética . A trilha pode ter uma de duas configurações, uma "trilha em escada" e uma "trilha laminada". O trilho da escada é feito de cabos de arame Litz sem energia e o trilho laminado é feito de cobre ou folhas de alumínio empilhadas.

Existem dois designs: o Inductrack I, que é otimizado para operação em alta velocidade, e o Inductrack II, que é mais eficiente em velocidades mais baixas.

Rolamento eletrodinâmico

Imagem 3D de um ímã em anel magnetizado axialmente rodeado por um cilindro de cobre. O anel de metal ao redor do exterior gira e as correntes geradas quando ele está fora do centro em relação ao ímã o empurram de volta ao alinhamento.

Os rolamentos eletrodinâmicos (EDB) são um novo tipo de rolamento com tecnologia magnética passiva. EDBs não requerem nenhum controle eletrônico para operar. Eles funcionam pelas correntes elétricas geradas pelo movimento, causando uma força restauradora.

Usos

Maglev

O trem JR Central SCMaglev usa levitação eletrodinâmica baseada em ímã supercondutor de fluxo nulo.

Nos trens maglev EDS, tanto o trilho quanto o trem exercem um campo magnético, e o trem é levitado pela força repulsiva entre esses campos magnéticos. O campo magnético no trem é produzido por ímãs supercondutores (como no SCMaglev ) ou por uma matriz de ímãs permanentes (como no Inductrack ). A força repulsiva na pista é criada por um campo magnético induzido em fios ou outras faixas condutoras na pista. Uma grande vantagem dos sistemas repulsivos maglev é que eles são naturalmente estáveis - o estreitamento menor na distância entre a trilha e os ímãs cria fortes forças para repelir os ímãs de volta à sua posição original, enquanto um ligeiro aumento na distância reduz muito a força e novamente retorna o veículo para a separação correta. Nenhum controle de feedback é necessariamente necessário.

Os sistemas repulsivos também têm uma grande desvantagem. Em velocidades lentas, a corrente induzida nessas bobinas pela lenta mudança no fluxo magnético em relação ao tempo não é grande o suficiente para produzir uma força eletromagnética repulsiva suficiente para suportar o peso do trem. Além disso, a eficiência energética para EDS em baixa velocidade é baixa. Por esta razão, o trem deve ter rodas ou alguma outra forma de trem de pouso para sustentá-lo até que ele alcance uma velocidade que possa sustentar a levitação. Uma vez que um trem pode parar em qualquer local, devido a problemas de equipamento, por exemplo, toda a linha deve ser capaz de suportar a operação em baixa e alta velocidade. Outra desvantagem é que o sistema repulsivo cria naturalmente um campo na pista à frente e atrás dos ímãs de sustentação, que atuam contra os ímãs e criam uma forma de arrasto. Geralmente, isso é uma preocupação apenas em velocidades baixas; em velocidades mais altas, o efeito não tem tempo para desenvolver todo o seu potencial e outras formas de arrasto dominam.

A força de arrasto pode ser aproveitada para a vantagem do sistema eletrodinâmico, no entanto, pois cria uma força variável nos trilhos que pode ser usada como um sistema reacionário para acionar o trem, sem a necessidade de uma placa de reação separada, como na maioria dos motores lineares. sistemas.

Alternativamente, as bobinas de propulsão no trilho-guia são usadas para exercer uma força sobre os ímãs no trem e fazer o trem se mover para a frente. As bobinas de propulsão que exercem uma força no trem são efetivamente um motor linear : uma corrente alternada fluindo através das bobinas gera um campo magnético continuamente variável que se move para a frente ao longo dos trilhos. A frequência da corrente alternada é sincronizada para coincidir com a velocidade do trem. O deslocamento entre o campo exercido pelos ímãs no trem e o campo aplicado cria uma força que move o trem para frente.

Princípios

Curvas de levitação e força de impulso de um motor linear

Quando um loop condutor experimenta um campo magnético variável, desde a lei de Lenz e lei de Faraday , o campo magnético variável gera uma força eletromotriz (EMF) em todo o circuito. Para uma excitação senoidal, este EMF é 90 graus faseado à frente do campo, com pico onde as mudanças são mais rápidas (ao invés de quando é mais forte):

{\ displaystyle {\ mathcal {E}} = - N {{d \ Phi _ {B}} \ over dt}}

onde N é o número de voltas do fio (para um loop simples é 1) e Φ _B é o fluxo magnético em webers por meio de um único loop.

Uma vez que o campo e os potenciais estão fora de fase, ambas as forças atrativas e repulsivas são produzidas, e pode-se esperar que nenhuma sustentação líquida seja gerada. No entanto, embora o EMF esteja a 90 graus do campo magnético aplicado, o loop inevitavelmente tem indutância. Esta impedância indutiva tende a atrasar a corrente de pico, por um ângulo de fase dependente da freqüência (uma vez que a impedância indutiva de qualquer loop aumenta com a freqüência).

{\ displaystyle K = R + i \ omega L \,}

onde K é a impedância da bobina, L é a indutância e R é a resistência, o fio de fase real sendo derivável como a tangente inversa do produto ωL / R, viz. , a evidência do condutor de fase padrão em um circuito RL de loop único.

Mas:

{\ displaystyle {\ mathcal {E}} = IK}

onde eu é a corrente.

Assim, em baixas frequências, as fases são amplamente ortogonais e as correntes mais baixas, e nenhuma elevação significativa é gerada. Mas em frequência suficientemente alta, a impedância indutiva domina e a corrente e o campo aplicado ficam virtualmente alinhados, e essa corrente gera um campo magnético oposto ao aplicado, e isso permite a levitação.

No entanto, como a impedância indutiva aumenta proporcionalmente com a frequência, o mesmo acontece com a EMF, então a corrente tende a um limite quando a resistência é pequena em relação à impedância indutiva. Isso também limita a força de sustentação. A potência usada para levitação é, portanto, amplamente constante com a frequência. No entanto, também existem correntes parasitas devido ao tamanho finito dos condutores usados nas bobinas, e estas continuam a crescer com frequência.

Uma vez que a energia armazenada no intervalo de ar pode ser calculada a partir HB / 2 (ou μ ₀ H ² /2) vezes o volume do entreferro, a força aplicada através do espaço de ar na direcção perpendicular à carga ( viz. , A força que neutraliza diretamente a gravidade) é dada pela derivada espacial (= gradiente ) dessa energia. O volume de entreferro é igual à área em corte transversal multiplicada pela largura da folga de ar, de modo que a largura cancela e que são deixadas com uma força suspensivo do μ ₀ H ² /2 vezes entreferro área em corte transversal, que significa que a carga máxima suportável varia com o quadrado da densidade do campo magnético do ímã, permanente ou não, e varia diretamente com a área da seção transversal.

Estabilidade

Estático

Ao contrário das configurações de ímãs permanentes simples, a levitação eletrodinâmica pode se tornar estável. A levitação eletrodinâmica com condutores metálicos exibe uma forma de diamagnetismo , e permeabilidades relativas de cerca de 0,7 podem ser alcançadas (dependendo da frequência e configuração do condutor). Dados os detalhes do circuito de histerese aplicável, a variabilidade de comportamento dependente da frequência deve ser de importância mínima para os materiais magnéticos que provavelmente serão implantados.

Dinâmico

Esta forma de maglev pode fazer com que o objeto levitado fique sujeito a uma oscilação induzida por arrasto, e essa oscilação sempre ocorre em uma velocidade suficientemente alta. Essas oscilações podem ser muito sérias e podem fazer com que a suspensão falhe.

No entanto, o amortecimento inerente do nível do sistema pode frequentemente evitar que isso ocorra, particularmente em sistemas de grande escala.

Alternativamente, a adição de amortecedores de massa sintonizados leves pode evitar que as oscilações sejam problemáticas.

A estabilização eletrônica também pode ser empregada.

Languages

In other projects