Шанхайский Маглев – самый быстрый и самый дорогой поезд в мире. Все самое интересное о поездах на магнитном подвесе Принцип работы поездов

Больше 200 лет минуло с той поры, когда были изобретены паровозы. С тех пор железнодорожный транспорт стал самым востребованным для перевозки пассажиров и грузов. Однако ученые активно трудились над усовершенствованием данного способа перемещения. В результате был создан маглев или поезд на магнитных подушках.

Идея появилась в начале двадцатого века. Но реализовать ее в то время и в тех условиях не удалось. И лишь в конце 60-х – начале 70-х годов в ФРГ собрали магнитную трассу, где и запустили транспортное средство нового поколения. Тогда он двигался со скоростью максимум 90 км/ч и мог вместить только 4 пассажира. В 1979 году поезд на магнитных подушках модернизировали, и он смог перевезти 68 пассажиров, проезжая 75 километров в час. А в то же время в Японии сконструировали иную вариацию маглева. Он разгонялся до 517 км/ч.

Сегодня стремительность поездов на магнитных подушках может составить реальную конкуренцию самолетам. Магнитоплан мог бы серьезно соперничать с воздушными авиаперевозчиками. Единственное препятствие в том, что скользить по обычным железнодорожным путям маглевы не способны. Они требуют особых магистралей. Кроме того, считается, что необходимое поездам на воздушной подушке магнитное поле может оказать неблагоприятное воздействие на здоровее человека.

Магнитоплан не движется по рельсам, он летит в прямом смысле этого слова. На небольшой высоте (15 см) от поверхности магнитной трассы. Поднимается он над треком за счет действия электромагнитов. Это объясняет и невероятную скорость.

Полотно для маглева выглядит как череда бетонных плит. Магниты расположены под этой поверхностью. Они искусственно создают магнитное поле, по которому «едет» поезд. Во время движения нет трения, поэтому для торможения используется аэродинамическое сопротивление.

Если на простом языке объяснять принцип действия, то получится так. Когда пару магнитов приближают друг к другу одинаковыми полюсами, они как бы отталкиваются один от другого. Получается магнитная подушка. А при приближении противоположных полюсов магниты притягиваются, и поезд останавливается. Такой элементарный принцип и положен в основу работы магнитоплана, который движется по воздуху на небольшой высоте.

Сегодня применяются 3 технологии подвеса маглевов.

1. Электродинамическая подвеска, EDS.

Иначе это называется на сверхпроводящих магнитах, то есть на вариациях с обмоткой из сверхпроводящего материала. Такая обмотка обладает нулевым омическим сопротивлением. И если она замкнута накоротко, то электрический ток в ней сохраняется бесконечно долго.

2. Электромагнитная подвеска, EMS (или на электромагнитах).

3. На постоянных магнитах. Сегодня это наименее затратная технология. Процесс передвижения обеспечивается линейным двигателем, то есть электродвигателем, где один элемент магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а второй сделан в виде направляющей, отвечающей за линейное перемещение подвижной части двигателя.

Многие задумываются: безопасный ли это поезд, он не упадет? Разумеется, не упадет. Нельзя сказать, что маглев на дороге ничего не удерживает. Он опирается на трек посредством особенных “клешней”, расположенных снизу поезда, в которых и поставлены электромагниты, поднимающие поезд в воздух. Там же расположены и те магниты, которые удерживают магнитоплан на треке.

Те, кто прокатился на маглеве, утверждают, что ничего вдохновляющего не ощутили. Поезд идет настолько тихо, что умопомрачительная скорость не чувствуется. Объекты за окном пролетают быстро, но расположены очень далеко от трека. Разгоняется магнитоплан плавно, так что перегрузок тоже не ощущается. Интересен и необычен только момент, когда поезд поднимается.

Итак, основные преимущества маглева:

• максимально возможная скорость движения, которая достигается на наземном (неспортивном) транспорте,
• требуется небольшое количество электроэнергии,
• из-за отсутствия трения малозатратны в обслуживании,
• тихое передвижение.

Недостатки:

• необходимость больших финансовых затрат при строительстве и обслуживании трека,
• электромагнитное поле способно нанести вред здоровью тем, кто работает на этих линиях и живет в окрестных районах,
• для постоянного контроля расстояния между поездом и треком необходимы быстродействующие системы управления и сверхпрочные приборы,
• требуются сложная схема путей и дорожная инфраструктура.

Шанхайский Маглев (Shanghai Maglev Train) – является первой в мире коммерческой железнодорожной линией на магнитном подвесе, а также самым дорогим железнодорожным проектом в Поднебесной.

Проект начал коммерческую эксплуатацию с 1 января 2004 года. Его стоимость – около 1,6 млрд. долларов США (10 млрд юаней).

Столь высокие расходы были связаны, прежде всего, с тем, что большая часть трассы проходит по заболоченной местности, из-за чего строителям пришлось сооружать бетонную подушку для каждой опоры эстакады (а их тут много, через каждые 25 метров). Кстати в некоторых местах толщина этой самой подушки доходит до 70 м.

К слову сказать, шанхайская линия Maglev не самая протяжённая из скоростных магистралей, её протяжённость всего 30 километров от международного аэропорта Пудун до станции метро Лунъян-Лу в городе Шанхай.

Зато это расстояние «Шанхайский маглев» преодолевает всего за 7:20 или 8:10 минут (в зависимости от времени дня). Поезд развивает максимальную скорость в 431 км/час, а его средняя скорость около 250 км/ч.

Правда со своей максимальной скоростью он мчится всего 1,5 минуты, ведь негде там особо разгоняться так, расстояние же не очень большое.

Линия работает с 6:45 до 9:30 вечера, с интервалами движения от 15 до 20 минут.

Стоимость проезда – около 7,3 USD в одну сторону. Для пассажиров с авиабилетами – 5,81 USD. VIP билеты стоят примерно в два раза дороже, чем стандартные.

Несомненно, Шанхайский Маглев - одна из достопримечательностей Шанхая, да и всего Китая. Это первая в мире коммерческая магнитная железная дорога была введена в эксплуатацию в январе 20о4 года.

Сейчас эта 30-километровая линия соединяет со станцией метро Лун"ян Лу в районе Шанхая. Это расстояние на поезде на магнитной подушке преодолевается меньше, чем за 8 минут. Для сравнения, если ехать на , то понадобится 40 минут.

На таком поезде нужно проехать как минимум два раза - один раз наблюдая за указателем скорости, когда он достигнет максимума, а другой раз - любуясь видом из окна 🙂

Шанхайский Маглев построен по немецкой технологии. Активные разработки в этой области ведутся в основном в Японии и Германии.

Магнитная подушка. Как это работает?

Слово Маглев - сокращенно от магнитная левитация (magnetig levitation, англ.), то есть поезд как бы левитирует над полотном дороги под действием мощного электромагнитного поля.

К низу каждого вагона к стальному обхвату (4) прикреплены управляемые электронным способом электромагниты (1). Также магниты расположены в нижней части специального рельса (2). При взаимодействии магнитов поезд зависает над рельсом в одном сантиметре. Есть также магниты, отвечающие за боковое выравнивание (3). Обмотка, уложенная вдоль пути, создает магнитное поле, приводящее поезд в движение.

Поезд едет без машиниста. Управление осуществляется из центра управления с помощью компьютеров. Электрический ток подается из центра управления только на тот участок, по которому движется в данный момент поезд. Для торможения магнитное поле меняет свой вектор.

Достоинства и недостатки

"Если кто-нибудь из вас решит построить башню, то разве он не сядет сначала и не подсчитает все затраты, чтобы посмотреть, хватит ли ему средств, чтобы закончить её?" ( , Луки 14 глава 28 стих)

В этих словах заключена одна из причин, почему таких поездов не понаделали всюду.

Дорого обходится строительство и обслуживание специальной колеи. Например, строительство Шанхайского Маглева было дополнительно осложнено заболоченной местностью. Каждая опора трассы уложена на специальную бетонную подушку, упирающуюся в скальное основание. Местами такая подушка достигает 85 метров толщины! В итоге эти 30 км магнитной дороги обошлись в 10 млрд юаней.

К тому же по этой дороге уже нельзя пустить другой транспорт. Это отличает его от путей, построенных для скоростных поездов - по ним все равно могут ехать и обычные .

Теперь о приятном. Главным плюсом Маглева является, конечно, же скорость. За короткое время после старта поезд разгоняется до 430 км в час.

Сравнительно низкое потребление электроэнергии - в разы меньше, чем у автомобиля или самолета. Соответственно меньше вреда окружающей среде.

Так как сильно уменьшено трение деталей, то и затраты на эксплуатацию такого поезда меньше.

Проведенные испытания показали, что магнитное поле в поезде даже слабее, чем в обычных поездах. Значит, мощные магниты не опасны для пассажиров, в том числе с электронным стимулятором сердца.

На случай потери электропитания в поезде установлены батареи, на которых срабатывают специальные тормоза. Они создают магнитное поле с обратным вектором, и скорость поезда снижается до 10 км в час, и в конце концов поезд останавливается и опускается на рельсы.

Будущее Шанхайского Маглева

Сейчас длина маглев-пути равна 30 км. Известно о планах продлить линию до другого аэропорта Шанхая - до Хунцяо, расположенном на западе от . И дальше продлить дорогу на юго-запад до Ханчжоу. В итоге длина пути составила бы 175 км. Но пока проект заморожен до 2014 года. С 2010 года Шанхай и Ханчжоу соединила высокоскоростная железная дорога. Будут ли реализованы планы по продлению Маглева - покажет время.

• Поезда на магнитной подушке способны развивать большую скорость, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке производят меньше шума, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке сокращают время в пути для пассажиров.
• Поезда на магнитной подушке используют источники электрической энергии, в меньшей степени загрязняющие атмосферу.

Недостатки поездов на магнитной подушке

• Поезда на магнитной подушке стоят дороже, чем обычные поезда.
• Поезда на магнитной подушке требуют особого обучения персонала.
• Поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке используют для создания левитации мощные электромагниты, установленные на рельсе. При этом возникает задача экранировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей.
• Неожиданное падение напряжения приведет к тому, что вагоны поезда на сверхпроводниковой магнитной подушке опустятся на рельс. На большой скорости это может быть опасным (при эксплуатации поездов типа Inductrack такие - проблемы не возникают, так как колеса поезда позволят вагонам двигаться по инерции до полной остановки).
• Сильный боковой порыв ветра может нарушить работу поезда на магнитной подушке, сместив вагоны и заставив их прийти в соприкосновение с рельсом. Снег или лед на рельсе также могут вызвать проблемы.

Вопрос

Как изолировать пассажиров от воздействия сильных магнитных полей в поезде на сверхпроводниковых магнитных подушках?

Ответ

Вагоны или, по крайней мере, купе могут быть сделаны из ферромагнитного материала (стали, например), блокирующего линии магнитной индукции. К сожалению, сталь гораздо тяжелее алюминия, обычно использующегося при производстве поездов. Алюминий не является ферромагнетиком и не обеспечивает защиты от магнитных полей, если к нему не подвести токи высокого напряжения, потенциально опасные для пассажиров.

Вопрос

Преодолеет ли поезд на магнитной подушке крутой холм или гору? Не скатится ли он вниз по склону и не останется ли в долине, если отсутствует трение, необходимое для торможения?

Ответ

Линейные индукционные двигатели,- применяемые в поездах на магнитной подушке, способны поднимать такие поезда по более крутым склонам, чем обычные поезда. Более того, линейные индукционные двигатели переключаются на торможение в реверсном режиме, предохраняя поезд от скатывания вниз за счет работы, направленной против силы тяготения.

Zoom -презентация: http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Назначение

Поезд на магнитной подушке или маглев (от англ. magnetic levitation, т.е. «maglev» - магнитоплан) – это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами, предназначенный для перевозки людей (рис. 1). Относиться к технике пассажирского транспорта. В отличие от традиционных поездов, в процессе движения он не касается поверхности рельса .

2. Основные части (устройство) и их назначение

Существуют разные технологические решения в разработке данной конструкции (см. п.6). Рассмотрим принцип действия магнитной подушки поезда «Трансрапид» на электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS ) (рис. 2).

Электронно-управляемые электромагниты (1) прикреплены к металлической «юбке» каждого вагона. Они взаимодействуют с магнитами на нижней стороне специального рельса (2), в результате чего поезд зависает над рельсом. Другие магниты обеспечивают боковое выравнивание. Вдоль пути уложена обмотка (3), которая создает магнитное поле, приводящее поезд в движение (линейный двигатель).

3. Принцип действия

В основе принципа действия поезда на магнитном подвесе лежат следующие физические явления и законы:

явление и закон электромагнитной индукции М. Фарадея

правило Ленца

закон Био-Савара-Лапласа

В 1831 году английский физик Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции , согласно которому изменение магнитного потока внутри проводящего контура возбуждает в этом контуре электрический ток даже при отсутствии в контуре источника питания . Оставленный Фарадеем открытым вопрос о направлении индукционного тока вскоре решил российский физик Эмилий Христианович Ленц.

Рассмотрим замкнутый круговой токопроводящий контур без подключенной батареи или иного источника питания, в который северным полюсом начинают вводить магнит. Это приведет к увеличению магнитного потока, проходящего через контур, и, согласно закону Фарадея, в контуре возникнет индуцированный ток. Этот ток, в свою очередь, согласно закону Био-Савара будет генерировать магнитное поле, свойства которого ничем не отличаются от свойств поля обычного магнита с северным и южным полюсами. Ленцу как раз и удалось выяснить, что индуцированный ток будет направлен таким образом, что северный полюс генерируемого током магнитного поля будет ориентирован в сторону северного полюса вдвигаемого магнита. Поскольку между двумя северными полюсами магнитов действуют силы взаимного отталкивания, наведенный в контуре индукционный ток потечет именно в таком направлении, что будет противодействовать введению магнита в контур. И это лишь частный случай, а в обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Правило Ленца сегодня как раз и используется в поезде на магнитной подушке. Под днищем вагона такого поезда смонтированы мощные магниты, расположенные в считанных сантиметрах от стального полотна (рис. 3). При движении поезда магнитный поток, проходящий через контур полотна, постоянно меняется, и в нем возникают сильные индукционные токи, создающие мощное магнитное поле, отталкивающее магнитную подвеску поезда (аналогично тому, как возникают силы отталкивания между контуром и магнитом в вышеописанном опыте). Сила эта настолько велика, что, набрав некоторую скорость, поезд буквально отрывается от полотна на несколько сантиметров и, фактически, летит по воздуху .

Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Создатели поезда «Трансрапид» (рис.1) приме­нили неожиданную схему магнитной подвески. Они использовали не от­талкивание одноимённых полюсов, а притягивание разноимённых. Подвесить груз над магнитом несложно (эта система устойчива), а под магни­том - практически невозможно. Но если взять управляемый электромаг­нит, ситуация меняется. Система кон­троля сохраняет величину зазора между магнитами постоянной в несколько миллиметров (рис. 3). При увели­чении зазора система повышает си­лу тока в несущих магнитах и таким образом «подтягивает» вагон; при уменьшении - понижает силу тока, и зазор увеличивается. Схема облада­ет двумя серьёзными преимущества­ми. Путевые магнитные элементы защищены от погодных воздейст­вий, а их поле существенно слабее за счёт малого зазора между путём и составом; оно требу­ет токов гораздо меньшей силы. Сле­довательно, поезд такой конструкции оказывается гораздо более эконо­мичным .

Движение поезда вперед осуществляется линейным двигателем . Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы (в обычном электромоторе они свёр­нуты в кольца). Обмотки статора включаются поочерёдно, создавая бе­гущее магнитное поле. Статор, укреп­лённый на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав (рис. 4, 5). . Ключевым элементом технологии является смена полюсов на электромагнитах путем попеременной подачи и снятия тока с частотой 4000 раз в секунду. Зазор между статором и ротором для получения надежной работы не должен превышать пяти миллиметров. Это труднодостижимо из-за свойственной всем типам монорельсовых дорог, кроме дорог с боковой подвеской, раскачки вагонов во время движения, особенно при прохождении поворотов. Поэтому необходима идеальная путевая инфраструктура.

Устойчивость системы обеспечивается автоматическим регулированием тока в обмотках намагничивания: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах (рис. 3) . Сверхбыстродействующие системы управления контролировать зазор между дорогой и поездом.

Единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.

Итак, схема движения поезда на магнитной подвеске: под вагоном установлены несущие электромагниты, а на рельсе - катушки линейного электродвигателя. При их взаимодействии возникает сила, которая приподнимает вагон над дорогой и тянет его вперёд. Направление тока в обмотках непрерывно меняется, переключая магнитные поля по мере движения поезда .

Несущие магниты питаются от бортовых аккумуляторов (рис.4), которые подзаряжаются на каждой станции. Ток на линейный электродвигатель, разгоняющий поезд до самолётных скоростей, подаётся только на том участке, по которому идёт поезд (рис. 6 а). Достаточно сильное магнитное поле состава будет наводить ток в путевых обмотках, а те, в свою очередь, - создавать магнит­ное поле.

Туда, где поезд увеличивает скорость или идет в гору, энергия подается с большей мощностью. Если нужно затормозить или ехать в обратном направлении, магнитное поле меняет вектор .

Ознакомьтесь с видеофрагментами «Закон электромагнитной индукции », «Электромагнитная индукция » «Опыты Фарадея ».

Рис. 6. б Кадры из видеофрагментов «Закон электромагнитной индукции», «Электромагнитная индукция» «Опыты Фарадея».