MAGLEV SEMINAR avtor: mentor: Andraž Krajnc prof. dr. Janez Stepišnik Ljubljana, 17.4.2008

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

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

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

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:

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

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 prvo lebdeče vozilo za 4 potnike na 1,6 km progi 1970 Japonska in Nemčija začneta financirati v 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

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)

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

EMS ločen sistem magnetov (visoke hitrosti) integriran sistem magnetov (nizke hitrosti)

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 preseči 700 km/h, vendar jih omejuje dolžina testne proge v Yamanashiju.

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

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

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 iz zgoraj navedenega razloga polje je dvakrat večje

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 pred magnetnimi polji, saj jih obdajajo jeklene konstrukcije

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)

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. VLAK HITROST SEDEŽI DOLŽINA ŠIRINA MASA MOČ MOČ ZA KG TGV Sud-Est 270 km/h 345 200,2 m 2,81 m 385 t 6,45 MW 16,7 W/kg TGV Atlantique 300 km/h 485 237,5 m 2,90 m 444 t 8,80 MW 19,8 W/kg TGV Réseau 377 200 m 383 t 23,0 W/kg Eurostar Three Capitals 750 393,7 m 752 t 12,24 MW 16,3 W/kg Eurostar London 596 318,9 m 665 t 12,24 kW 18,4 W/kg TGV Duplex 320 km/h 512 380 t 23,2 W/kg Thalys PBKA 22,9 W/kg TGV POS 357 9,28 MW 24,2 W/kg Transrapid 08 400 km/h 453 3,70 m 300 t 4,70 MW 1,7 W/kg

Energijska analiza

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

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

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

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

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

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 od nadzemeljskega magleva: moč za 500km/h 1,5MW 35Wh/km na osebo zaradi navideznega vakuuma manj tresljajev, premer tunela le 5m preučujejo ekonomičnost projekta

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

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

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

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