Công nghệ điện từ tiên phong—Tàu Maglev
Tóm tắt: Với sự phát triển của khoa học công nghệ, đời sống con người có những thay đổi chấn động. Lấy hành vi làm ví dụ trong những nhu cầu thiết yếu cơ bản của cuộc sống, từ xưa đến nay chúng ta đã trải qua những biến đổi như đi bộ-cưỡi-xe ngựa kéo-tàu-xe-máy bay v.v. Trong những năm gần đây, tàu đệm từ thu hút sự chú ý của người dân nhờ ưu điểm về tốc độ cao, bảo vệ môi trường và tiết kiệm năng lượng.
Những điểm chính:
1. Tàu đệm từ là gì?
2. Nguyên lý hoạt động của tàu đệm từ: a. Loại dẫn truyền không đổi.b. Nguyên lý đẩy các cực điện từ cùng giới tính c. Loại nam châm vĩnh cửu
3. Nền tảng kỹ thuật của tàu đệm từ
4. Tàu đệm từ nội địa của Trung Quốc
5. Ưu điểm của tàu đệm từ
Tàu đệm từ là gì?
Tàu đệm từ tốc độ cao là một phát minh công nghệ của thế kỷ 20 và nguyên lý của nó không sâu sắc. Nó sử dụng đặc tính của nam châm là “cùng giới thì đẩy nhau, khác giới thì hút nhau”, nhờ đó nam châm có khả năng chống lại trọng lực, tức là “từ trường bay lên”. Các nhà khoa học áp dụng nguyên lý “lực hút từ” vào hệ thống giao thông đường sắt khiến đoàn tàu tách hoàn toàn khỏi đường ray và lơ lửng, trở thành đoàn tàu “không bánh” với tốc độ hàng trăm km/h. Đây được gọi là "tàu đệm từ".
Nguyên lý của tàu đệm từ:
Tàu Maglev là sản phẩm của sự phát triển công nghệ cao hiện đại. Nguyên tắc là sử dụng lực điện từ để bù lại trọng lực của trái đất, lực kéo được thực hiện bởi động cơ tuyến tính để đoàn tàu lơ lửng trên đường (khoảng cách treo khoảng 1 cm). Nghiên cứu và sản xuất của nó liên quan đến nhiều lĩnh vực như điều khiển tự động, công nghệ điện tử công suất, công nghệ đẩy tuyến tính, thiết kế và sản xuất cơ khí, giám sát và chẩn đoán lỗi, v.v. Công nghệ này rất phức tạp và là biểu tượng quan trọng của trình độ khoa học và công nghệ của một quốc gia. sức mạnh và trình độ công nghiệp. So với tàu bánh ray thông thường, nó có độ ồn thấp và có dây chuyền trình diễn tàu đệm từ đầu tiên trên thế giới - Tàu Maglev Thượng Hải. Sau khi hoàn thành, từ Ga đường Pudong Longyang đến Sân bay Quốc tế Pudong, sẽ chỉ mất 6-6 km trong hơn 30 km. 7 phút. Với đặc điểm không gây ô nhiễm, an toàn, thoải mái, tốc độ cao và hiệu quả cao, nó nổi tiếng là "máy bay có độ cao bằng không". Đây là loại hình vận tải mới có triển vọng rộng rãi, đặc biệt phù hợp với vận tải đường sắt đô thị. Tàu Maglev thường được chia thành loại đẩy và loại hút theo các phương pháp bay lên khác nhau, và có thể được chia thành tốc độ cao và tốc độ trung bình và tốc độ thấp theo tốc độ vận hành.
“Tránh xa” là trạng thái hoạt động cơ bản của tàu đệm từ. Tàu Maglev sử dụng lực điện từ để chống lại lực hấp dẫn của Trái đất, cho phép tàu bay lên trên đường ray. Trong quá trình vận hành, thân ô tô và đường ray ở trạng thái "gần gũi", khoảng cách bay từ trường khoảng 1 cm nên được mệnh danh là "máy bay có độ cao bằng 0". So với tàu bánh lốp thông thường, nó có đặc điểm là ít tiếng ồn, tiêu thụ năng lượng thấp, không ô nhiễm, an toàn và thoải mái, tốc độ cao và hiệu quả cao, được coi là một loại hình vận tải mới có triển vọng rộng lớn. đặc biệt là trong này
Tàu đệm từ tốc độ thấp đặc biệt thích hợp cho vận tải đường sắt đô thị do bán kính quay vòng nhỏ và khả năng leo dốc tốt.
Các tàu cao tốc maglev đang được thử nghiệm trên thế giới có các model sau:
1. Loại dẫn điện (điện từ) thông thường
Sử dụng nguyên lý các điện từ trái dấu hút nhau, xe lơ lửng trên đường khoảng 1 cm. Ngay từ năm 1976, Đức đã phát triển một phương tiện thử nghiệm bay lên từ trường không đổi, hiện được đại diện bởi mẫu TR08 của Đức (mẫu này được nhập khẩu từ Đức ở Thượng Hải), với tốc độ tối đa 500 km một giờ. Khi Thủ tướng Chu đến thăm Đức vào tháng 6 năm 2000, ông đã thử đi chuyến tàu cao tốc này trên đường thử nghiệm xoay kiểu cảnh tượng dài 31,5- km ở Emslant ( ). Ngay từ năm 1992, Đức đã thông báo rằng công nghệ này đã sẵn sàng để ứng dụng thương mại.
2. Sử dụng nguyên lý lực đẩy cực điện từ ở nhiệt độ cực thấp, xe được treo cách mặt đường khoảng 10 cm. Năm 1962, Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu công nghệ tàu cao tốc đệm từ siêu dẫn và vào năm 1989, một tuyến thử nghiệm dài 18,{7} km đã được xây dựng ở tỉnh Yamanashi. Kỷ lục có người lái đạt tốc độ 552 km/h đã được tạo ra với xe MLX01. Thủ tướng Zhu đã thử đi loại tàu này khi ông đến thăm Nhật Bản vào tháng 9 năm 2000 và vẫn đang tiếp tục thử nghiệm và cải tiến nó.
3. Loại nam châm vĩnh cửu
Còn được gọi là máy bay đệm từ, nó thực chất là tàu cao tốc đệm từ vĩnh cửu. Đó là một sáng tạo mà Hoa Kỳ đang nghiên cứu và thử nghiệm. Chiều cao hệ thống treo là 8-15 cm và tốc độ có thể đạt tới 550 km/h. Vì có "cánh răng" ở hai bên tàu (tương tự như cánh máy bay) và có "đuôi" ở đuôi để giữ thăng bằng nên gọi là máy bay đệm từ. Bốn công ty ở Thành Đô, tỉnh Tứ Xuyên đã thành lập liên doanh với Ngân hàng Thương mại Mỹ, Công ty TNHH Máy bay tốc độ cao Feimei từ trường và đã đạt được thỏa thuận hợp tác có chủ đích để giới thiệu công nghệ của Mỹ. Hai bên cùng tài trợ để thành lập cơ sở sản xuất và dự kiến xây dựng đường dây thử nghiệm dài khoảng 2 km.
Tàu đệm từ Thượng Hải là tàu đệm từ "dẫn từ không đổi" (gọi tắt là tàu đệm từ "dẫn không đổi"). Nó được thiết kế dựa trên nguyên tắc “các mặt đối lập thu hút lẫn nhau”. Đó là hệ thống treo hút. Nó sử dụng các nam châm điện treo được lắp đặt trên giá chuyển hướng ở hai bên đầu tàu và các nam châm đặt trên đường ray. Lực hút do từ trường tạo ra làm cho xe nổi lên. . Nam châm điện được lắp đặt ở đáy tàu và trên đầu toa tàu ở cả hai bên. Các tấm phản ứng và tấm thép cảm ứng lần lượt được lắp đặt phía trên thanh ray "I" và bên dưới phần cánh tay trên để điều khiển dòng điện của nam châm điện sao cho duy trì khoảng cách 1 cm giữa nam châm điện và đường ray. , cho lực hút giữa giá chuyển hướng và đoàn tàu và trọng lực của đoàn tàu cân bằng nhau rồi dùng lực hút nam châm làm đoàn tàu nổi khoảng 1 cm sao cho đoàn tàu lơ lửng trên đường ray. Điều này phải kiểm soát chính xác dòng điện tới nam châm điện.
Nguyên lý dẫn động của hệ thống treo hoàn toàn giống với nguyên lý dẫn động của động cơ tuyến tính đồng bộ. Theo cách nói thông thường, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây nằm ở hai bên đường ray có thể biến cuộn dây thành nam châm điện và tàu sẽ khởi động do tương tác với nam châm điện trên tàu.
Cực N của nam châm điện ở đầu tàu bị hút bởi cực S của nam châm điện lắp trên đường ray phía trước một chút và bị đẩy lùi bởi cực N của nam châm điện lắp trên đường ray muộn hơn một chút. Khi tàu di chuyển về phía trước, hướng của dòng điện chạy trong cuộn dây bị đảo ngược, nghĩa là cực S ban đầu trở thành cực N và cực N trở thành cực S. Chu kỳ luân phiên, đoàn tàu chạy về phía trước.
Sự ổn định được kiểm soát bởi một hệ thống hướng dẫn. Hệ thống dẫn hướng "hút từ dẫn truyền thông thường" là lắp đặt một nhóm nam châm điện chuyên dùng để dẫn hướng ở thành tàu. Khi tàu lệch trái và phải, nam châm điện dẫn hướng trên tàu
Tương tác với thành bên của ray dẫn hướng tạo ra lực đẩy đưa xe về vị trí bình thường. Khi tàu chạy trên đường cong hoặc đoạn dốc, hệ thống điều khiển sẽ điều khiển dòng điện trong nam châm dẫn hướng để đạt được mục đích điều khiển vận hành.
Ý tưởng về tàu đệm từ "dẫn thông thường" được kỹ sư người Đức Hermann Kemper đề xuất vào năm 1922. Nguyên lý làm việc của tàu đệm từ "dẫn thông thường", đường ray và động cơ hoàn toàn giống nhau. Chỉ cần bố trí “rotor” của động cơ trên tàu và đặt “stato” của động cơ trên đường ray. Thông qua sự tương tác giữa "rôto" và "stato", năng lượng điện được chuyển thành động năng thuận. Chúng ta biết rằng khi "stato" của động cơ được cấp điện, "rôto" có thể được điều khiển quay thông qua cảm ứng điện từ. Khi năng lượng được truyền đến “stato” của đường ray, đoàn tàu được đẩy chuyển động theo đường thẳng giống như “rotor” của động cơ thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ. Cơ sở kỹ thuật của tàu đệm từ:
Tàu đệm từ chủ yếu bao gồm ba phần: hệ thống treo, hệ thống đẩy và hệ thống dẫn hướng, như trong hình
3. Trong phần lớn các thiết kế hiện nay, cả ba chức năng đều được thực hiện bằng nam châm, mặc dù có thể sử dụng hệ thống đẩy độc lập với từ tính. Các công nghệ được sử dụng trong ba phần này lần lượt được giới thiệu dưới đây.
Hệ thống treo: Hiện tại, thiết kế hệ thống treo có thể được chia thành hai hướng, đó là loại dẫn truyền thông thường được Đức áp dụng và loại siêu dẫn được Nhật Bản áp dụng. Xét về công nghệ bay lên là hệ thống bay lên điện từ (EMS) và hệ thống bay lên bằng điện (EDS). Hình 4 cho thấy sự khác biệt về cấu trúc của hai hệ thống. Hệ thống bay lên bằng điện từ (EMS) là một hệ thống bay lên bằng lực hút, trong đó nam châm điện trên đầu máy và đường ray sắt từ trên ray dẫn hướng hút nhau để tạo ra lực bay lên. Khi tàu bay từ trường thông thường đang hoạt động, trước tiên hãy điều chỉnh hệ thống treo của phần dưới của xe và lực hút điện từ của nam châm điện dẫn hướng, đồng thời phản ứng với các cuộn dây ở hai bên đường ray để làm nổi tàu. Dưới phản ứng của nam châm điện dẫn hướng ở phần dưới của xe và nam châm đường ray, bánh xe và đường ray được giữ ở một khoảng cách ngang nhất định, và sự hỗ trợ không tiếp xúc và hướng dẫn không tiếp xúc của ray bánh xe trong hướng ngang và dọc được thực hiện. Khoảng cách treo giữa xe và mặt đường là 10 mm, được đảm bảo bằng hệ thống điều chỉnh điện tử có độ chính xác cao. Ngoài ra, do việc tạm dừng và hướng dẫn thực sự không liên quan đến tốc độ của tàu nên tàu vẫn có thể chuyển sang trạng thái tạm dừng ngay cả khi đang đỗ.
Hệ thống treo điện (EDS) sử dụng nam châm trên đầu máy đang chuyển động để tạo ra dòng điện trên đường ray. Khi khoảng cách giữa đầu máy và ray dẫn hướng giảm đi, lực đẩy điện từ sẽ tăng lên và lực đẩy điện từ tạo ra sẽ hỗ trợ và dẫn hướng ổn định cho đầu máy. Tuy nhiên, đầu máy phải được trang bị một thứ gì đó giống như bánh xe để hỗ trợ đầu máy một cách hiệu quả trong quá trình "cất cánh" và "hạ cánh" vì EDS không thể duy trì hệ thống treo của đầu máy ở tốc độ dưới khoảng 25 mph. Hệ thống EDS đã được phát triển hơn nữa theo công nghệ siêu dẫn nhiệt độ thấp.
Đặc điểm chính của tàu đệm từ siêu dẫn là độ dẫn điện hoàn toàn và độ nghịch từ hoàn toàn của các thành phần siêu dẫn của nó ở nhiệt độ tương đối thấp. Nam châm siêu dẫn bao gồm các cuộn dây siêu dẫn làm bằng vật liệu siêu dẫn. Nó không chỉ có điện trở bằng 0 mà còn có thể dẫn dòng điện mạnh không thể so sánh với dây dẫn thông thường. Tính năng này cho phép tạo ra các nam châm điện có kích thước nhỏ và mạnh mẽ. .
Phương tiện của tàu đệm từ siêu dẫn được trang bị nam châm siêu dẫn trên tàu và tạo thành một thiết bị tích hợp năng lượng cảm ứng.
Cuộn dây dẫn động và cuộn dây dẫn hướng treo của tàu được lắp đặt ở cả hai bên của ray dẫn hướng mặt đất. Thiết bị tích hợp nguồn cảm ứng trên ô tô bao gồm cuộn dây tích hợp nguồn, siêu dẫn tích hợp nguồn cảm ứng.
Nam châm dẫn hướng bao gồm ba phần. Khi dòng điện xoay chiều ba pha phù hợp với tần số tốc độ của xe được cấp vào cuộn dây dẫn động ở cả hai bên đường ray, một trường điện từ chuyển động sẽ được tạo ra, do đó tạo ra sóng từ trên ray dẫn hướng tàu và trên- Nam châm siêu dẫn trên tàu sẽ chịu một lực đẩy đồng bộ với từ trường chuyển động, chính là thứ đẩy tàu về phía trước. Nguyên lý của nó cũng giống như lướt sóng, người lướt đứng trên đỉnh sóng và bị sóng đẩy về phía trước. Tương tự như những vấn đề mà người lướt sóng gặp phải, tàu đệm từ siêu dẫn cũng phải giải quyết vấn đề làm thế nào để kiểm soát chính xác chuyển động cực đại của sóng điện từ đang chuyển động. Để đạt được mục đích này, một thiết bị có độ chính xác cao để phát hiện vị trí của xe được lắp đặt trên ray dẫn hướng mặt đất và chế độ cung cấp dòng điện xoay chiều ba pha được điều chỉnh theo thông tin từ máy dò và dạng sóng điện từ được điều khiển chính xác để tàu có thể chạy tốt.
Hệ thống động lực: Hệ truyền động của tàu đệm từ sử dụng nguyên lý động cơ tuyến tính đồng bộ. Cuộn dây của nam châm điện đỡ phần dưới của xe đóng vai trò giống như cuộn dây từ trường của động cơ tuyến tính đồng bộ, còn cuộn dây dẫn động từ trường chuyển động ba pha bên trong đường đất đóng vai trò như một phần ứng, hoạt động giống như cuộn dây stato dài của một động cơ tuyến tính đồng bộ. Từ nguyên lý làm việc của động cơ, có thể biết rằng khi cuộn dây phần ứng giống như stato được cấp điện thì rôto của động cơ được dẫn động quay do cảm ứng điện từ. Tương tự, khi trạm biến áp bố trí dọc đường dây cấp nguồn điện FM, AM 3 pha cho cuộn dây dẫn động bên trong đường ray, hệ thống ổ trục cùng với đoàn tàu được đẩy chuyển động theo đường thẳng giống như “rotor” của động cơ do cảm ứng điện từ. Vì vậy, ở trạng thái lơ lửng, đoàn tàu hoàn toàn có thể thực hiện lực kéo và phanh không tiếp xúc.
Theo cách nói thông thường, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây nằm ở hai bên đường ray có thể biến cuộn dây thành một nam châm điện. Do tương tác với nam châm điện siêu dẫn trên tàu nên nó làm cho tàu chuyển động. Đoàn tàu chuyển động về phía trước do nam châm điện (cực N) ở đầu tàu bị hút bởi nam châm điện (cực S) gắn trên đường ray cách xa một chút về phía trước, đồng thời bị hút bởi nam châm điện (cực N)) bị từ chối. Khi đoàn tàu chuyển động về phía trước thì chiều dòng điện chạy trong cuộn dây bị đảo ngược. Kết quả là cuộn dây cực S ban đầu bây giờ là cuộn dây cực N và ngược lại. Bằng cách này, đoàn tàu có thể tiếp tục chạy về phía trước nhờ sự chuyển đổi cực điện từ. Tùy theo tốc độ của xe, tần số và điện áp của dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn dây được điều chỉnh bằng bộ biến điện.
Tàu đệm từ nội địa của Trung Quốc:
Tàu đệm từ siêu dẫn nhiệt độ cao có người lái đầu tiên trên thế giới do Đại học Giao thông Tây Nam phát triển vào năm 2000
"Thế kỷ" và "Tương lai" có người lái nhiệt độ bình thường và tàu bay từ trường bình thường được phát triển sau này đã nhận được sự quan tâm và khẳng định đầy đủ từ Hồ Cẩm Đào, Giang Trạch Dân cũng như các lãnh đạo đảng và nhà nước khác.
Theo báo cáo, ngay từ năm 1994, Đại học Giao thông Tây Nam đã phát triển thành công tàu đệm từ tốc độ thấp đầu tiên của Trung Quốc có khả năng chở người, nhưng nó đã được vận hành thành công trong điều kiện phòng thí nghiệm hoàn toàn lý tưởng. Năm 2003, Đại học Giao thông Tây Nam đã hoàn thành tuyến tàu đệm từ ở Thanh Sơn, Thành Đô, Tứ Xuyên. Đường thử Maglev dài 420 mét. Nó chủ yếu nhắm đến khách du lịch và giá vé thấp hơn giá taxi. Tuyến trình diễn tàu đệm từ đầu tiên trên thế giới - Tàu Maglev Thượng Hải, sau khi hoàn thành, sẽ chỉ mất 6-7 phút để di chuyển hơn 30 km từ Ga đường Pudong Longyang đến Sân bay quốc tế Phố Đông.
Về nguyên lý bay lên từ
Tàu Maglev Thượng Hải
So với tàu cao tốc ngày nay, tàu đệm từ có nhiều ưu điểm không thể so sánh được:
Do tàu đệm từ chạy trên đường ray nên không có sự tiếp xúc thực tế giữa ray dẫn hướng và đầu máy và chuyển sang trạng thái "không có bánh" nên hầu như không có ma sát giữa bánh xe và ray, tốc độ càng cao. vài trăm km một giờ; độ tin cậy của tàu đệm từ Nó lớn, dễ bảo trì và chi phí thấp. Mức tiêu thụ năng lượng của nó chỉ bằng một nửa so với ô tô và một phần tư so với máy bay. Tiếng ồn thấp. Khi tốc độ của tàu đệm từ đạt hơn 300 km/h, tiếng ồn chỉ còn 656 decibel, chỉ tương đương với một người đang nói to. , nhỏ hơn âm thanh của ô tô chạy ngang qua; vì chạy bằng điện nên sẽ không thải ra khí thải dọc đường đua và không gây ô nhiễm. Nó thực sự là một công cụ giao thông xanh.
Tài liệu tham khảo: Nguyên tắc làm việc và đặc điểm cấu trúc của EMU tốc độ cao/Dong Ximing/Nhà xuất bản Đường sắt Trung Quốc? 2007.12.1; Bảo tàng Khoa học Little Newton--Tàu điện và Từ trường (Sê-ri thứ tư) Nhà xuất bản Giáo dục Quý Châu, 2011.12.9
