Электромагнитная тяга - Electromagnetic propulsion

Электромагнитная тяга (EMP) - принцип ускорение объект за счет использования текущего электрический ток и магнитные поля. В электрический ток используется для создания противоположного магнитного поля или для плата поле, которое затем можно отбить. Когда ток течет через дирижер в магнитном поле электромагнитная сила, известная как Сила Лоренца, толкает проводник в направлении, перпендикулярном проводнику и магнитному полю. Эта отталкивающая сила - это то, что вызывает движение в системе, разработанной, чтобы воспользоваться этим явлением. Термин «электромагнитная тяга» (ЭМП) можно описать отдельными его компонентами: электромагнитный - использование электричества для создания магнитного поля и движение - процесс приведения чего-либо в движение. Когда жидкость (жидкость или газ) используется в качестве движущегося проводника, движение можно назвать магнитогидродинамический привод. Одно из ключевых различий между ЭМИ и движением, обеспечиваемым электродвигателями, заключается в том, что электрическая энергия, используемая для ЭМИ, не используется для производства вращательная энергия для движения; хотя оба используют магнитные поля и текущий электрический ток.

Наука об электромагнитной силовой установке не берет начало у какого-то одного человека и находит применение во многих различных областях. Мысль об использовании магнитов для приведения в движение продолжается и по сей день, и о ней мечтают по крайней мере с 1897 года, когда Джон Манро опубликовал свой вымышленный рассказ «Путешествие на Венеру».[1] Текущие приложения можно увидеть в поезда на магнитной подвеске и военные рельсотрон. Другие приложения, которые по-прежнему широко не используются или все еще находятся в разработке, включают ионный двигатель для низкоорбитальных спутников и магнитогидродинамический привод для кораблей и подводных лодок.

История

Одно из первых зарегистрированных открытий, касающихся электромагнитной тяги, было в 1889 году, когда профессор Элиу Томсон обнародовал свои работы с электромагнитными волнами и переменным током.[2][3] Несколько лет спустя Эмиль Бачелет предложил идею металлического вагона, парящего в воздухе над рельсами современной железной дороги, которую он продемонстрировал в начале 1890-х годов.[2][3] В 1960-е годы Эрик Робертс Лэйтуэйт разработал линейный асинхронный двигатель, который основывался на этих принципах и представил первое практическое применение электромагнитной тяги.[4] В 1966 г. Джеймс Р. Пауэлл и Гордон Дэнби запатентовал сверхпроводящий маглев транспортная система, и после этого инженеры всего мира помчались, чтобы создать первую высокоскоростную железную дорогу.[4][5] С 1984 по 1995 год в Бирмингеме работала первая коммерческая автоматизированная система магнитной подвески.[нужна цитата ] Это был низкоскоростной шаттл на магнитной подвеске, который курсировал от международного аэропорта Бирмингема до международной железнодорожной системы Бирмингема.[нужна цитата ]В СССР в начале 1960-х гг. В Институте гидродинамики, Новосибирск, Россия, проф. В.Ф. Минин заложил экспериментальные основы электромагнитного разгона тел до гиперзвуковой скорости.[6][конфликтующий источник ]

Использует

Поезда

СКМаглев на Яманаси испытательный трек в Японии в ноябре 2005 г.

Электромагнитная силовая установка используется в транспортных системах для минимизации трения и увеличения скорости на больших расстояниях. Это в основном реализовано в системах высокоскоростных рельсов, в которых используется линейный асинхронный двигатель для привода поездов с помощью магнитных токов. Его также использовали в тематических парках для создания высокоскоростных американские горки и водные аттракционы.

Маглев

Основная статья: Маглев (транспорт)

В поезд на магнитной подвеске узел первичной обмотки находится ниже реакционной пластины.[7] Между ними имеется воздушный зазор 1–10 см (0,39–3,93 дюйма), который устраняет трение и позволяет развивать скорость до 500 км / ч (310 миль в час).[7] На катушки подается переменный электрический ток, который вызывает изменение полярности магнитного поля.[8] Это тянет поезд вперед спереди и толкает поезд вперед сзади.[9]

Типичный поезд на маглеве стоит три цента за пассажиро-милю или семь центов за тонно-милю (не включая затраты на строительство).[10] Это для сравнения: 15 центов за пассажиро-милю при путешествии самолетом и 30 центов за тонно-милю при поездках на междугородних грузовиках.[10] Гусеницы Maglev обладают высокой долговечностью за счет минимального трения и равномерного распределения веса.[8] Большинство из них служат не менее 50 лет и в течение этого времени требуют минимального обслуживания.[11] Поезда на магнитной подвеске пропагандируются за их энергоэффективность, поскольку они работают на электричестве, которое может быть произведено с помощью угля, атомной энергии, гидроэнергетики, термоядерного синтеза, ветра или солнца, не требуя нефти.[4] В среднем большинство поездов развивает скорость 483 км / ч (300 миль / ч) и расходует 0,4 мегаджоуля на пассажиро-милю.[10] Если взять автомобиль объемом 20 миль / галлон и вместимостью 1,8 человека, то поездка на автомобиле обычно составляет 97 км / ч (60 миль в час) и расходуется 4 мегаджоуля на пассажиро-милю.[10] Выбросы углекислого газа основаны на методе производства электроэнергии и использование топлива. Многие методы производства возобновляемой электроэнергии производят мало углекислого газа или вообще не производят его (хотя углекислый газ может выделяться при производстве компонентов, например, стали, используемой в ветряных турбинах). Поезд движется значительно тише, чем другие поезда, грузовики или самолеты.[5]

Сборка: линейный асинхронный двигатель

Основная статья: Линейный двигатель

А линейный асинхронный двигатель состоит из двух частей: первичной обмотки и реакционной пластины.[8][11] Сборка первичной обмотки состоит из фазных обмоток, окруженных стальными пластинами, и включает термодатчик в термопласте.[10] Реакционная пластина состоит из алюминиевой или медной пластины толщиной 3,2 мм (0,125 дюйма), прикрепленной к холоднокатаному стальному листу толщиной 6,4 мм (0,25 дюйма).[11] Между этими двумя частями имеется воздушный зазор, который обеспечивает отсутствие трения, присущее электромагнитной силовой установке.[7][11] Функционирование линейного асинхронного двигателя начинается с силы переменного тока, которая подается на обмотки катушки в первичном узле катушки.[4] Это создает бегущее магнитное поле, которое индуцирует ток в реакционной пластине, который затем создает собственное магнитное поле.[9] Магнитные поля в первичной обмотке и реакционной пластине чередуются, что создает силу и прямое линейное движение.[11]

Космический корабль

Основная статья: Движитель космического корабля с электрическим приводом

Существует множество применений технологий ЭМИ в аэрокосмической сфере. Многие из этих приложений на данный момент являются концептуальными, однако есть также несколько приложений, которые варьируются от ближайшего будущего до следующего столетия.[12] Одним из таких приложений является использование ЭМИ для точной настройки орбитальных спутников. Одна из этих конкретных систем основана на прямом взаимодействии собственного электромагнитного поля транспортного средства и магнитного поля Земли. Сила тяги может рассматриваться как электродинамическая сила взаимодействия электрического тока внутри его проводников с приложенным естественным полем Земли.[13] Чтобы достичь большей силы взаимодействия, магнитное поле должно распространяться дальше от летательного аппарата. Достоинства таких систем - очень точный и мгновенный контроль силы тяги. Вдобавок ожидаемый электрический КПД намного выше, чем у современных химических ракет, которые достигают тяги за счет промежуточного использования тепла; это приводит к низкой эффективности и большому количеству газообразных загрязнителей.[14] Электрическая энергия в катушке системы ЭМИ преобразуется в потенциальную и кинетическую энергию посредством прямого преобразования энергии. Это приводит к тому, что система имеет такой же высокий КПД, как и другие электрические машины, при этом исключая выброс любого вещества в окружающую среду.[14]

В настоящее время отношение тяги к массе этих систем относительно низкое. Тем не менее, поскольку они не требуют реактивной массы, масса транспортного средства постоянна. Кроме того, тяга может быть постоянной при относительно низком потреблении электроэнергии.[13] Самым большим ограничением будет, в основном, электрическая проводимость материалов для создания необходимых значений тока в двигательной установке.

Корабли и подводные лодки

EMP и его приложения для морских кораблей и подводных лодок исследуются по крайней мере с 1958 года, когда Уоррен Райс подал патент, объясняющий технологию. США 2997013 .[15] Технология, описанная Райс, предполагала зарядку корпуса самого судна. Позднее конструкция была усовершенствована, позволив воде проходить через двигатели, как описано в более позднем патенте Джеймса Менга. США 5333444 .[16] Устройство состоит из водного канала, открытого с обоих концов, проходящего в продольном направлении через судно или прикрепленного к нему, средства для создания магнитного поля по всему водному каналу. электроды на каждой стороне канала и источника питания для отправки постоянный ток через канал под прямым углом к ​​магнитному потоку в соответствии с силой Лоренца.[17]

Лифтов

Без кабеля лифты с использованием ЭМИ, способного перемещаться как вертикально, так и горизонтально, были разработаны немецкой инженерной фирмой. Тиссен Крупп для использования в многоэтажных зданиях с высокой плотностью застройки.[18][19]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Манро, Джон (1897). Путешествие к Венере (Издание IndyPublish, 2007 г.). Лондон: Jarrold & Sons. С. 26–28.
  2. ^ а б «Изобретатель недели - Элиу Томсон». Февраль 2002. Архивировано с оригинал на 2003-04-15.
  3. ^ а б Harding, R, & Darroch, D. (2003, май). Коллекция Эмиля Бачелет. Полученное из «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-03-11. Получено 2010-03-10.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  4. ^ а б c d Джеймс Р. Пауэлл к. (2002). Полученное из «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-06-01. Получено 2010-03-10.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  5. ^ а б Пауэлл, Дж. И Дэнби, Г. (2005). «Маглев - новый вид транспорта 21 века». Журнал "Наука и технологии 21 века".CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  6. ^ Шипилов, С.Е .; Якубов В П (2018). «История технической защиты. 60 лет науке: к юбилею проф. В.Ф. Минина». IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия.. IOP Publishing. 363 (012033). Дои:10.1088 / 1757-899X / 363/1/012033.
  7. ^ а б c Бонсор, К. (13 октября 2010 г.). «Как работают поезда Маглев».
  8. ^ а б c Глюкман, Р. (нет данных). Это птица? самолет?. Получено с gluckman.com
  9. ^ а б «Шанхайский суперпоезд совершает первое путешествие». Новости BBC. 31 декабря 2002 г.
  10. ^ а б c d е "Левитирующая железная дорога Бачелет". Природа. 93 (2324): 273–273. 1914. Дои:10.1038 / 093273a0. ISSN  0028-0836.
  11. ^ а б c d е Lmac - линейный асинхронный двигатель переменного тока. (2010). Полученное из «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2010-01-05. Получено 2010-03-10.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  12. ^ Байерс, Д. К. (1984). Программа электрического движения НАСА. JSASS / AIAA / DGLR 17-я Международная конференция по электродвигателям, 1-9.
  13. ^ а б Пулатов, Валентин (апрель 2001 г.). «Магнитные двигательные установки». Прогресс в аэрокосмических науках. 37 (3): 245–261. Дои:10.1016 / S0376-0421 (01) 00006-9. ISSN  0376-0421.
  14. ^ а б Пулатов, Валентин (январь 2005 г.). «Физика магнитных двигателей». Прогресс в аэрокосмических науках. 41 (1): 64–91. Bibcode:2005PrAeS..41 ... 64P. Дои:10.1016 / j.paerosci.2005.02.003. ISSN  0376-0421.
  15. ^ Райс, W.A. (1961). Патент США № 2997013. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро патентов и товарных знаков США.
  16. ^ Мэн, J.C.S. (1994). Патент США № 5333444. Вашингтон, округ Колумбия: Бюро патентов и товарных знаков США.
  17. ^ Фриауф, Дж. Б. (1961). Электромагнитная силовая установка корабля. Американское общество морских инженеров - журнал, 73 (1), 139-142.
  18. ^ «МУЛЬТИ - Безканатная лифтовая система - thyssenkrupp Elevator». multi.thyssenkrupp-elevator.com. Тиссен Крупп. Архивировано из оригинал 19 января 2019 г.. Получено 19 октября 2017.
  19. ^ Кондлифф, Джейми (23 июня 2017 г.). «Первый в мире бескабельный лифт увеличивает горизонтальное и вертикальное масштабирование с помощью технологии Maglev». Обзор технологий MIT. Массачусетский Институт Технологий. Получено 19 октября 2017.