MAGLEV

1. MAGLEV • SEMINARavtor:mentor:Andraž Krajnc prof. dr. Janez Stepišnik • Ljubljana, 17.4.2008

2. Kratka vsebina predavanja • osnovni fizikalni pojavi pri magnetni levitaciji • nekaj o zgodovini razvoja • delovanje maglevov • energijska analiza in prednosti • projekti in prihodnost

3. Magnetna levitacija • Earnshaw teorem: ni mogoče stabilno lebdeti nad “klasičnim” magnetnim poljem. • z uporabo elektronske stabilizacije ali diamagnetnih materialov lahko kljub vsemu vzpostavimo lebdenje • sila med dvema magnetnima poloma • sila med dvema privlačnima površinama z enako magnetizacijo

4. Magnetna levitacija • Earnshaw teorem ne velja za diamagnetike • zaradi permeabilnosti μr < 1 magnetno polje v snovi nasprotuje zunanjemu • SUPERPREVODNIK ima μr = 0, zaradi Meissnerjevega efekta je iz snovi izrinjeno magnetno polje

5. Magnetna levitacija • Odbojna sila • sila na zgornji segment AB od magnetnega polja, ki ga ustvarja segment A'B': • ker so v zanki 4 ravne žice so tu 4 sile, ki delujejo na zgornjo zanko:

6. Magnetna levitacija • Privlačna sila • kadar tokova tečeta v istih smereh, med zankama deluje privlačna sila • nezaželjeno je, da pride do kakršnegakoli stika zank, zato potrebujemo še sistem, ki prilagaja gostoto magnetnega polja • veljajo podobne izpeljave, kot smo jih naredili za odbojno silo

7. Zgodovina • 1902 Alfred Zehden patentira svoj izum – linearen pogonski motor • 1907 F. S. Smith razvije prvi elektromagnetni transportni sistem • 1937-1941 Hermann Kemper – serija patentov za magnetno-lebdeči vlak z linearnim motorjem • 1960-1970 Britanec Eric Laithwaite zgradi prvolebdeče vozilo za 4 potnike na 1,6 km progi • 1970 Japonska in Nemčija začneta financirativ razvoj magleva • 1979 Japonski maglev ML-500 doseže 517 km/h • 1987 zgrajena 30 km testna proga v nemškem Lathenu • 2000 nemška vlada zavrne izgradnjo maglev-povezave Hamburg-Berlin, Transrapid se proda na Kitajsko (2002) Hermann Kemper

8. Kako maglev funkcionira? • Trenutno sta v razvoju in uporabi dve maglev tehnologiji: • EMS (electromagnetic suspension) • EDS (electrodynamic suspension) • Novejši tehnologiji, zelo perspektivni, a zaenkrat le na papirju: • Inductrack (permanent magnet EDS) • MDS (magnetodynamic suspension)

9. EMS • izkoriščajo se privlačne sile med feromagnetno stezo in elektromagneti na vlaku • sistem EMS je brez kontrolnih sistemov nestabilen • zaradi velike hitrosti morajo kontrolniki 4000-krat v sekundi preveriti razdaljo med stezo in vlakom ter po potrebi popraviti na 10 mm • prednost tega sistema je, da vlak lebdi tudi če se ne giblje • za levitacijo se porabi manj energije kot za klimatizacijo vlaka • v levitacijske magnete je vgrajen linearni generator za polnjenje baterij ter napajanje električnega omrežja na vlaku

10. EMS • ločen sistem magnetov (visoke hitrosti) • integriran sistem magnetov (nizke hitrosti)

11. EDS • izkoriščajo se odbojne sile med stezo in vlakom • sistem EDS je povsem stabilen, natančni kontrolni sistemi odveč • minimalna hitrost, da se vlak odlepi od tal je 100 km/h, zato potrebuje kolesa • lebdi na višini 10 cm, posledično manj tresljajev (manj občutljiv na potrese) • za hlajenje superprevodnikov uporabljajo tekoči dušik ali tekoči helij • Japonci, ki držijo rekord 581 km/h, menijo,da bi s to tehnologijo bili zmožni preseči700 km/h, vendar jih omejuje dolžina testne proge v Yamanashiju.

12. EDS • na dno vlaka so nameščene superprevodne tuljave, ki ustvarijo zelo močno magnetno polje, kadar po njih steče tok • ko se vlak že giblje s hitrostjo večjo od 100 km/h, indukcijske tuljave na progi občutijo spreminjajoče magnetno polje • inducirana napetost in tok povzročita odbojno silo

13. Inductrack • to tehnologijo razvijajo na Lawrence Livermore National Laboratory, v ZDA • analogna EDS tehnologiji s tem, da superprevodnike zamenjajo permanentni magneti • hitreje kot se giblje vlak, višji ima kvocient dvig/upor • cenejša izvedba, ki zna izriniti dosedanje tehnologije v maglevih • zanjo se zanima NASA, uporabili bi jo pa naj pri izstreljevanju raket • za dvig vlaka je potrebna hitrost najmanj 5 km/h, tudi tukaj rabimo začasna kolesa

14. Inductrack • glavni nosilec te teorije je t.i. Halbachova vrsta “rare-earth” kobaltovih magnetov – ti so postavljeni v točno določenem smernem zaporedju • velika prednost je v tem, da Halbachova vrsta ustvari magnetno polje le na eni strani • ustvarijo vertikalno kot tudi horizontalno polje, ki se lahko uporabi s stranskimi, vodilnimi tuljavami • dodatnega ščitenja potnikov pred magnetnim poljem ni potrebno izzgoraj navedenega razloga • polje je dvakrat večje

15. MDS • izvor magnetnega polja so permanentni “rare-earth” magneti Crumax in železna jedra • prednost tega sistema je, da je zmožen sam nadzorovati levitacijo in vodenje po trajektoriji (nobene dodatne kontrole ne rabimo) • potniki so povsem zaščiteni predmagnetnimi polji, saj jih obdajajojeklene konstrukcije

16. Linearni pogonski motor • koncept linearnega motorja • prednosti so tišje obratovanje, manj vibracij, večji izkoristek • lahko si predstavljamo, da magnetno polje, ki ga ustvarja proga, potuje z vlakom in ga “tišči” naprej (gre za sinhrono nihanje magnetnega polja z določeno frekvenco)

17. Energijska analiza • Največ energije se porabi za premagovanje zračnega upora. • Izračunajmo moč, ki jo troši vlak zaradi zračnega upora, ko se giblje s hitrostjo 400 km/h. Koeficient zračnega upora nemškega Transrapid-a znaša 0,26. • Pri efektivnosti 0,85 nanese približno 4,2 MW. Znano je, da Transrapid porabi 1,7 kW/t za levitacijo. Masa petih vagonov je 300 ton, to pomeni dodatnih 0,5 MW.

18. Energijska analiza

19. Prednosti manjša poraba, nižji stroški vzdrževanja, tišje delovanje, šibko magnetno polje

20. Prednosti boljši pospeški, za progo potrebuje manj površine, premaguje bolj strme klance

21. Projekti in prihodnost • Obstoječi maglev sistemi: • Emsland, Nemčija: testna proga podjetja Transrapidv Lathenu (31,5 km) • JR-Maglev, Japonska: razvijalci superprevodnega magleva lahkona progi Yamanashi testirajo njegove zmogljivosti (18,4 km) • Linimo, Japonska: od leta 2005 delujoča mestna linija magleva,ki izkorišča prednosti sistema EMS, hitrosti med devetimipostajami pa segajo tja do 100 km/h (8,9 km)

22. Projekti in prihodnost • Chengdu, Kitajska: raziskovalci Southwest Jiaotong University so aprila 2006 predstavili njihovo različico “počasnega” magleva za mestni promet, hitrosti ne presegajo 160 km/h (0,5 km) • Shanghai Maglev Train, Kitajska: prva komercialna različica magleva na svetu je ugledala luč sveta na Kitajskem, proga povezuje mednarodno letališče Pudong s centrom mesta Shanghai – 7 min 20 s (30,5 km) • začel obratovati 1.1.2004, vozi pa vsak dan od 6:45 do 21:30 vsakih 15 min • cena vozovnice se giblje med 5 in 6 USD, za VIP boste odšteli 12 USD • pospeši do 431 km/h, njegov rekord pa je 501 km/h • projekt stal 1,3 milijarde USD, zgrajen v dveh letih in pol • izkorišča nemško tehnologijo Transrapid 08 • vlada potrdila izgradnjo maglev-povezave do mesta Hangzhou (175 km), vendar kasneje zaradi protestov prebivalcev ob bodoči progi zamrznila projekt

23. Projekti in prihodnost • Načrti za prihodnost: • München – letališče: projekt je bil že potrjen, toda letos preklican zaradi dvakrat višjih stroškov, kot je bilo sprva načrtovano. • Tokyo - Nagoya - Osaka: 500 km dolga proga bi naj bila zgrajena do leta 2025, z japonsko tehnologijo in stroški okrog 70 milijard USD. • za izgradnjo maglev linije se zanimajo še:Venezuela, Indija, ZDA, Nizozemska, Velika Britanija, Švica

24. Projekti in prihodnost • Švicarska zamisel • Swissmetro načrtuje projekt HISTAR • 50 m pod zemljo, zračno odčrpavanje • pritisk 0,1 bar - kot 15km nad zemljo • energijsko efektivnejši celo odnadzemeljskega magleva: • moč za 500km/h 1,5MW • 35Wh/km na osebo • zaradi navideznega vakuuma manjtresljajev, premer tunela le 5m • preučujejo ekonomičnost projekta

25. Projekti in prihodnost • Veterne turbine z maglev tehnologijo (kot zanimivost)

26. Krajši film o Transrapidu Za ogled filmov morate imeti nameščen Adobe Flash Player in omogočene kontrolnike ActiveX.

27. Še nekaj posnetkov… Za ogled filmov morate imeti nameščen Adobe Flash Player in omogočene kontrolnike ActiveX.

28. Literatura • članki • http://en.wikipedia.org • http://www.transrapid.de • http://www.youtube.com