Maglev - Magnetic Levitation Train

Úvod:

Maglev je skratka pre vlak pohybujúci sa pomocou magnetickej levitácie - vznášania. Maglev je vysokorýchlostné vozidlo vznášajúce sa nad traťou a poháňané magnetickými poľami. Technológia magnetického vlaku môže byť využitá v mestskej doprave pri relatívne nízkych rýchlostiach (do 100 km/h); krátkotraťový magnetický vlak sa používa vo Veľkej Británií už od roku 1984 medzi Birminghamským letiskom a železničnou stanicou. Ale najväčší záujem vzbudzuje vysokorýchlostný magnetický vlak. V Japonsku dosiahol plnohodnotný magne-tický vlak najvyššiu rýchlosť 517 km/h, zatiaľčo v Nemecku sa magnetický vlak pohyboval najvyššou rýchlosťou 435 km/h. Dva typy:

Boli vyvinuté dva typy magnetických vlakov. Prvý používa konvenčné elektromagnety namontované na konci dvoch konštrukcií pod vlakom. Konštrukcia sa obopína okolo trate a pod ňou. Magnety sa priťahujú smerom k oceľovým koľajám a zdvíhajú tak vlak. Pohybujúci sa magnet indukuje elektrický prúd. Tento indukujúci prúd vytvára vlastné magnetické pole, a to odpudzuje pohybujúci sa magnet. Keďže elektrický prúd sa môže indukovať v ľubovoľnom vodiči (kove), tak použité magnety odpudzujú všetky kovy. V praxi používané sú predovšetkým dobré vodiče, ako sú meď a hliník. Lenže takáto odporová sila existuje len krátko po tom, čo sa magnet priblíži ku kovu. Elektrický odpor kovov rýchlo zmenšuje indukujúci prúd. Preto, keď sa magnet priblíži ku kusu nemagnetického kovu, magnet a kov sa navzájom odpudzujú, ale len na zlomok sekundy. Keď je magnet hodený na medenú platňu, magnet sa spomalí, ale nevznáša sa. Ale keby sa magnet mohol pohybovať potom by približujúce sa nové časti kovu spôsobili obnovovanie prúdu, a tým by sa odporová sila nestrácala. Tento systém je však dosť nestabilný; vzdialenosť medzi elektromagnetmi a traťou, ktorá je 10 mm, musí byť neustále monitorovaná a regulovaná počítačom, aby sa predišlo dotyku vlaku a trate. 31,5 km dlhá trať v Emslande, v Nemecku je testovaná na tento systém magnetického vlaku. Druhý typ využíva odporovú silu medzi magnetmi vozidla a elektricky vodivých pásov alebo cievok v trati na zdvihnutie vlaku. Keď sa magnet priblíži k supravodivej cievke, indukuje náboj v tvare kruhu. Keďže supravodič nemá žiaden odpor, prúd sa nezmenší, protikladné magnetické polia budú taktiež konštantné a magnet sa bude vznášať. Ale tento supravodič potrebuje na svoju pravádzku tekutý dusík (t=-140oC).

Tento systém je v podstate stabilný a nepotrebuje opakované monitorovanie a regulovanie; taktiež medzi traťou a vozidlom je relatívne veľká vzdialenosť, obyčajne 100 až 150 mm. Lenže takýto systém magnetického vlaku používa supravodivé magnety, ktoré sú drahšie ako obyčajné elektromagnety, a naviac vyžaduje chladiaci systém vo vlaku na urdžanie ich nízkej teploty. 7 km dlhá trať, postavená podľa schém vyvinutých v USA v neskorých 60. a skorých 70. rokoch, je v prevádzke v Miyazaki, v Japonsku. Oba typy magnetického vlaku využívajú magnetickú vlnu pohybujúcu sa pozdĺž trate a poháňajúcu vlak, ktorý sa vznáša nad traťou. Výhody magnetického vlaku:

Maglev ponúka mnoho výhod oproti konvenčným vlakom, ktoré využívajú oceľové kolesá na oceľových koľajách. Pretože sa magnetické vlaky nedotýkajú trate, ich systémy prekonávajú obmedzenia koľajových vlakov - vysoké náklady udržiavania precízneho usporiadania tratí, na zabránenie nadmerných vibrácií a poškodzovaniu koľají pri vysokých rýchlostiach. Maglevy môžu poskytnúť trvalé rýchlosti väčšie ako 500 km/h, limitované len nákladmi energie potrebnej na prekonanie odporu vzduchu. Skutočnosť, že sa maglevy nedotýkajú trate, má taktiež ďalšie výhody: rýchlejšia akcelerácia a brzdenie; väčšia schopnosť stúpania; spoľahlivejšia prevádzka vo veľkom daždi, snehu a ľade; a zníženie hlučnosti. Systémy magnetických vlakov sú taktiež energeticky úsporné na tratiach dlhých niekoľko stoviek kilometrov, využívajú asi polovicu energie potrebnej na prepravu cestujúcich v porovnaní s komerčným lietadlom. Tak ako všetky ostatné elektrické transportné systémy, redukujú použitie ropy, a znečisťujú ovzdušie menej než lietadlá, dieselové lokomotívy a autá.

Výstavba:

Terajšie plány pre vysokorýchlostné systémy magnetických vlakov zahrňujú 283 km dlhú trať z Berlína do Hamburgu, ktorá bola schválená nemeckým parlamentom; štart komerčného využitia je naplánovaný na začiatok roku 2005. 43 km dlhá testovacia trať je vo výstavbe v Japonsku, v Yamanashi Prefecture, asi 100 km západne od Tokya. Po ukončení testov na najnovšom magnetickom vlaku bude testovacia trať predĺžená do Tokya a Osaky. Táto nová komerčná dráha odľahčí Shinkanský vysokorýchlostný vlak, ktorý v súčasnej dobe dosahuje pri špičkových rýchlostiach až 225 km/h. V USA vzbudili veľký záujem systémy magnetických vlakov, s plánmi vyvinutými vo Floride, Kalifornii, Nevade, New Yorku a Pennsylvánii. Štúdie ukončené federálnou vládou v roku 1993 dospeli k potenciálnym výhodám systému magnetického vlaku a naštartovali národný vývojový program.
Pohon:
Rozlišujeme 2 typy motorov: Lineárny asynchronný motor (LIM) a Lineárny synchronný motor (LSM).

LIM a LSM sú konštrukčne veľmi podobné , ich správanie je však podstatne rozdielne. Oba typy motorov sa skladajú zo statora a rotora, ktoré sú zložené z magneticky vodivých látok ako je oceľ, a oba typy využívajú trojfázový prúd tečúci cez vodiče statora. LIM pracuje na systéme magnetických cievok, cez ktoré prechádza elektrický prúd, čím sa vytvára magnetické pole. V každej cievke je rozdielny prúd, v dôsledku čoho je magnet v strede priťahovaný a roztáča sa. Táto situácia sa dá rozložiť plošne. Potom sa magnet vo vlaku pohybuje na trati, v ktorej sú zabudované cievky, kde sa mení intenzita prúdu. Tieto indukované prúdy vzdorujú zmene v magnetickom poli podľa Faradayovho zákona. Indukované prúdy potom vzájomne pôsobia s pohybujúcim sa magnetickým poľom, čo má za následok silu, ktorá pohybuje rotor spolu s pohybujúcim sa poľom v statore. Namiesto magnetu sa využíva ako rotor - kotva zhotovená z oceľových plechov s drážkami, v ktorých sú uložené silné vodiče z hliníka alebo z medi. V čelách rotora sú však vodiče spojené prstencom takže vinutie má tvar klietky. Prierez vodičov závisí od výkonu na aký je motor skonštruovaný. Charakteristické je, že k rotoru nevedú prívodné vodiče. Točivé magnetické pole cievok statora indukuje vo vinutí kotvy veľké prúdy. To má za následok vznik síl, ktoré kotvu roztočia v smere rotácie točivého poľa. Kotva sa však nikdy nemôže otáčať rovnakou frekvenciou, akou sa otáčal magnet, t.j. synchrónne s točivým poľom. Pri synchrónnom otáčaní by totiž vinutie kotvy bolo vzhľadom na indukčné čiary relatívne v pokoji, prúd by sa v ňom neindukoval a príčina otáčania by zanikla. Preto sa rotor otáča vždy s menšou frekvenciou alebo synchrónne. LIM ako aj LSM sa skladajú z rotora a statora. Rozdiel spočíva v rotore, kde sa nachádzajú dva jednosmerné káble, vzdialené od seba v rovnakých vzdialenostiach. Magnetické pole je vytvorené, ale indukované prúdy sú omnoho menšie ako v prípade LIMu. Jedným dôvodom je rozdielna kompozícia rotora, ktorý môže byť lamelový alebo pozostávať z materiálu veľkého odporu. Sila pôsobiaca na rotor DC prúdov spôsobuje pohyb rotora do prava. Pozícia DC prúdov je veľmi podstatná. Prúdy v rotore vychádzajúce von z papiera sú usporiadané s ľavým krajným káblom statora, ktorý taktiež vychádza z papiera. Toto produkuje maximálnu silu pôsobiacu na rotor. Po určitom čase sa rotor pohne (vo vzťahu k zrýchleniu a rýchlosti) a pole statora sa pohne. Po krátkom čase nebude usporiadanie rovnaké ako na obrázku, potom sila pôsobiaca na rotor nebude maximálna.

Z toho vyplýva, že LSM pracuje najlepšie v synchrónnych rýchlostiach.

Oba motory majú schopnosť pohybovať rotor vo vzťahu na stator bez fyzického kontaktu. Toto drasticky redukuje opotrebovanie zapojených častí a eliminuje trecie sily, ktoré spôsobujú neúčinnosť. LIM motory majú schopnosť zrýchliť rotor z pokoja po rýchlosť pohybujúceho sa magnetického poľa. LSM, však nemá schopnosť zrýchliť rotor z pokoja na rýchlosť rýchlo sa pohybujúcich magnetických polí. To znamená, že magnetické vlaky, ktoré využívajú LSM musia začínať synchronizovanú rýchlosť veľmi pomaly a pomaly ju zvyšovať alebo použiť ďalší pohon na zrýchlenie.