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Suspensión electrodinámica

Los aros de salto se elevan cuando una corriente alterna energiza una bobina y las fuerzas electrodinámicas empujan los aros hacia arriba, venciendo la gravedad. La suspensión e...

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Los aros de salto se elevan cuando una corriente alterna energiza una bobina y las fuerzas electrodinámicas empujan los aros hacia arriba, venciendo la gravedad.

La suspensión electrodinámica ( EDS ) es una forma de levitación magnética en la que dos conductores se exponen a campos magnéticos variables en el tiempo. Esto induce corrientes parásitas en los conductores que crean un campo magnético repulsivo que mantiene separados los dos objetos.

Estos campos magnéticos variables en el tiempo pueden ser causados ​​por el movimiento relativo entre dos objetos. En muchos casos, un campo magnético es permanente, como el de un imán permanente o un imán superconductor , y el otro se induce por los cambios de campo que ocurren cuando el imán se mueve con respecto a un conductor en el otro objeto.

La suspensión electrodinámica también puede producirse cuando un electroimán accionado por una fuente eléctrica de corriente alterna genera un campo magnético variable; en algunos casos, un motor de inducción lineal genera dicho campo.

El sistema EDS se utiliza en trenes de levitación magnética , como el SCMaglev japonés . También se utiliza en algunos tipos de cojinetes de levitación magnética.

Tipos

Se han utilizado muchos ejemplos de esto a lo largo de los años.

Levitador de Bedford

En esta configuración inicial de Bedford, Peer y Tonks de 1939, una placa de aluminio se coloca sobre dos bobinas cilíndricas concéntricas y se alimenta con una corriente alterna. Cuando los parámetros son correctos, la placa presenta levitación estable en 6 ejes. [ 1 ]

fusión por levitación

En la década de 1950, se desarrolló una técnica en la que pequeñas cantidades de metal se levitaban y fundían mediante un campo magnético de unas pocas decenas de kHz. La bobina era un tubo metálico por el que circulaba un refrigerante. Su forma general era cónica, con la parte superior plana. Esto permitía emplear una atmósfera inerte y tuvo éxito comercial. [ 1 ]

Motor de inducción lineal

El campo magnético de un motor lineal genera corrientes en una lámina de aluminio o cobre que crean fuerzas de sustentación y propulsión.

Eric Laithwaite y sus colegas tomaron el levitador de Bedford y, por etapas, lo desarrollaron y mejoraron.

Primero alargaron el levitador a lo largo de un eje y lograron crear un levitador que era neutramente estable a lo largo de un eje y estable a lo largo de todos los demás ejes.

El desarrollo posterior incluyó la sustitución de la corriente de alimentación monofásica por un motor de inducción lineal que combinaba levitación y empuje.

Posteriormente, los sistemas de "flujo transversal" desarrollados en su laboratorio del Imperial College , como Magnetic River, evitaron la mayoría de los problemas derivados de la necesidad de placas de soporte de hierro largas y gruesas al utilizar polos muy largos, al cerrar la trayectoria del flujo lateralmente mediante la disposición de los dos polos largos opuestos uno al lado del otro. También permitieron dividir el primario del levitador en secciones convenientes, lo que facilitó su construcción y transporte. [ 2 ]

flujo nulo

Los sistemas de flujo nulo funcionan mediante bobinas expuestas a un campo magnético, enrolladas en forma de ocho o configuraciones similares. De esta manera, cuando existe movimiento relativo entre el imán y las bobinas, pero centradas, no fluye corriente, ya que el potencial se anula. Al desplazarse del centro, fluye corriente y la bobina genera un campo intenso que tiende a restablecer la separación.

Estos sistemas fueron propuestos por Powell y Danby en la década de 1960, y sugerían que se podrían utilizar imanes superconductores para generar la alta presión magnética necesaria.

Inductrack

Inductrack es un sistema de levitación magnética pasivo y a prueba de fallos que utiliza únicamente bucles de alambre sin alimentación en la vía e imanes permanentes (dispuestos en matrices de Halbach ) en el vehículo para lograr la levitación magnética . La vía puede tener dos configuraciones: una vía tipo escalera y una vía laminada. La vía tipo escalera está hecha de cables Litz sin alimentación , y la vía laminada está hecha de láminas de cobre o aluminio apiladas.

Existen dos diseños: el Inductrack I, optimizado para el funcionamiento a alta velocidad, y el Inductrack II, más eficiente a velocidades más bajas.

Cojinete electrodinámico

Imagen 3D de un imán anular magnetizado axialmente rodeado por un cilindro de cobre. El anillo metálico exterior gira y las corrientes generadas cuando está descentrado con respecto al imán lo empujan de nuevo a su posición original.

Los cojinetes electrodinámicos (EDB) son un nuevo tipo de cojinete que utiliza tecnología magnética pasiva. Los EDB no requieren electrónica de control para funcionar. Su funcionamiento se basa en las corrientes eléctricas generadas por el movimiento, que producen una fuerza de recuperación.

Usos

Maglev

El tren SCMaglev de JR Central utiliza levitación electrodinámica basada en imanes superconductores de flujo nulo.

En los trenes maglev EDS, tanto el riel como el tren ejercen un campo magnético, y el tren levita por la fuerza de repulsión entre estos campos magnéticos. El campo magnético en el tren se produce mediante imanes superconductores (como en SCMaglev ) o mediante una matriz de imanes permanentes (como en Inductrack ). La fuerza de repulsión en el riel se crea mediante un campo magnético inducido en cables u otras tiras conductoras en el riel. Una ventaja importante de los sistemas maglev repulsivos es que son naturalmente estables: una pequeña reducción en la distancia entre el riel y los imanes crea fuertes fuerzas que repelen los imanes de vuelta a su posición original, mientras que un ligero aumento en la distancia reduce considerablemente la fuerza y ​​devuelve el vehículo a la separación correcta. [ 2 ] No se necesita necesariamente un control de retroalimentación.

Los sistemas repulsivos también presentan una desventaja importante. A bajas velocidades, la corriente inducida en estas bobinas por el cambio lento del flujo magnético con respecto al tiempo no es lo suficientemente grande como para producir una fuerza electromagnética repulsiva suficiente para soportar el peso del tren. Además, la eficiencia energética de los sistemas de levitación electromagnética (EDS) a baja velocidad es baja. [ 3 ] Por esta razón, el tren debe tener ruedas u otro tipo de tren de aterrizaje para sostenerlo hasta que alcance una velocidad que permita la levitación. Dado que un tren puede detenerse en cualquier punto, por ejemplo, debido a problemas con el equipo, toda la vía debe ser capaz de soportar tanto la operación a baja como a alta velocidad. Otra desventaja es que el sistema repulsivo crea naturalmente un campo en la vía delante y detrás de los imanes de elevación, que actúa en contra de los imanes y crea una forma de resistencia. Esto generalmente solo es un problema a bajas velocidades; a velocidades más altas, el efecto no tiene tiempo de desarrollarse por completo y otras formas de resistencia predominan. [ 2 ]

Sin embargo, la fuerza de arrastre puede aprovecharse en beneficio del sistema electrodinámico, ya que crea una fuerza variable en los rieles que puede utilizarse como sistema de reacción para impulsar el tren, sin necesidad de una placa de reacción separada, como en la mayoría de los sistemas de motores lineales.

Como alternativa, se utilizan bobinas de propulsión en la vía para ejercer una fuerza sobre los imanes del tren y hacer que este avance. Estas bobinas funcionan como un motor lineal : una corriente alterna que fluye a través de ellas genera un campo magnético variable que se desplaza a lo largo de la vía. La frecuencia de la corriente alterna se sincroniza con la velocidad del tren. La diferencia entre el campo magnético ejercido por los imanes sobre el tren y el campo magnético aplicado crea una fuerza que impulsa el tren hacia adelante.

Principios

Curvas de levitación y fuerza de empuje de un motor lineal

Cuando un circuito conductor experimenta un campo magnético variable, según las leyes de Lenz y Faraday , dicho campo genera una fuerza electromotriz (FEM) en el circuito. Para una excitación sinusoidal, esta FEM está desfasada 90 grados con respecto al campo, alcanzando su valor máximo donde los cambios son más rápidos (en lugar de cuando es más intensa):

mi=−nortedΦBdt{\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}}[ 4 ]

donde N es el número de vueltas de alambre (para un bucle simple esto es 1) y Φ B es el flujo magnético en webers a través de un solo bucle.

Dado que el campo y los potenciales están desfasados, se generan fuerzas tanto atractivas como repulsivas, por lo que cabría esperar que no se produjera una sustentación neta. Sin embargo, aunque la fuerza electromotriz (FEM) sea perpendicular al campo magnético aplicado, la espira inevitablemente presenta inductancia. Esta impedancia inductiva tiende a retrasar la corriente máxima en un ángulo de fase que depende de la frecuencia (ya que la impedancia inductiva de cualquier espira aumenta con la frecuencia).

K=R+iωL{\displaystyle K=R+i\omega L\,}

donde K es la impedancia de la bobina, L es la inductancia y R es la resistencia, siendo el adelanto de fase real derivable como la tangente inversa del producto ωL/R, es decir , la evidencia estándar del adelanto de fase en un circuito RL de un solo bucle.

Pero:

mi=IK{\displaystyle {\mathcal {E}}=IK}

donde yo es la corriente.

Así, a bajas frecuencias, las fases son prácticamente ortogonales y las corrientes menores, por lo que no se genera una elevación significativa. Sin embargo, a frecuencias suficientemente altas, la impedancia inductiva predomina y la corriente y el campo aplicado están prácticamente alineados. Esta corriente genera un campo magnético opuesto al aplicado, lo que permite la levitación.

Sin embargo, dado que la impedancia inductiva aumenta proporcionalmente con la frecuencia, también lo hace la fuerza electromotriz (FEM), por lo que la corriente tiende a un límite cuando la resistencia es pequeña en relación con la impedancia inductiva. Esto también limita la fuerza de sustentación. Por lo tanto, la potencia utilizada para la levitación es prácticamente constante con la frecuencia. No obstante, también existen corrientes parásitas debido al tamaño finito de los conductores utilizados en las bobinas, y estas siguen aumentando con la frecuencia.

Dado que la energía almacenada en el entrehierro se puede calcular a partir de HB/2 (o μ 0 H 2 /2) veces el volumen del entrehierro, la fuerza aplicada a través del entrehierro en la dirección perpendicular a la carga ( es decir , la fuerza que contrarresta directamente la gravedad) viene dada por la derivada espacial (= gradiente ) de esa energía. El volumen del entrehierro es igual al área de la sección transversal multiplicada por el ancho del entrehierro, por lo que el ancho se cancela y nos queda una fuerza suspensiva de μ 0 H 2 /2 veces el área de la sección transversal del entrehierro, lo que significa que la carga máxima soportable varía como el cuadrado de la densidad del campo magnético del imán, permanente o no, y varía directamente como el área de la sección transversal.

Estabilidad

Estático

A diferencia de las configuraciones de imanes permanentes simples, la levitación electrodinámica puede estabilizarse. La levitación electrodinámica con conductores metálicos presenta una forma de diamagnetismo , y se pueden alcanzar permeabilidades relativas de alrededor de 0,7 (dependiendo de la frecuencia y la configuración del conductor). Dados los detalles del ciclo de histéresis aplicable, la variabilidad del comportamiento en función de la frecuencia debería ser de mínima importancia para aquellos materiales magnéticos que probablemente se utilicen.

Dinámica

Este sistema de levitación magnética puede provocar oscilaciones inducidas por la resistencia aerodinámica en el objeto levitado, las cuales siempre se producen a una velocidad suficientemente alta. Estas oscilaciones pueden ser muy graves y causar fallos en la suspensión.

Sin embargo, la amortiguación inherente a nivel del sistema puede evitar frecuentemente que esto ocurra, particularmente en sistemas a gran escala. [ 5 ]

Como alternativa, la adición de amortiguadores de masa sintonizados ligeros puede evitar que las oscilaciones sean problemáticas. [ 6 ]

También se puede emplear la estabilización electrónica. [ 7 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Laithwaite, Eric R. (febrero de 1975). "Máquinas eléctricas lineales: una visión personal". Actas del IEEE . 63 (2): 250– 290. Bibcode : 1975IEEEP..63..250L . doi : 10.1109/PROC.1975.9734 . S2CID 20400221 . 
  2. 1 2 3 "Maglev: Cómo están haciendo que los trenes despeguen del suelo" , Popular Science , diciembre de 1973, pág. 135.
  3. ↑ Flankl, Michael; Wellerdieck, Tobias; Tüysüz, Arda y Kolar, Johann W. (noviembre de 2017). "Leyes de escala para la suspensión electrodinámica en el transporte de alta velocidad". IET Electric Power Applications . 12 (3): 357– 364. doi : 10.1049/iet-epa.2017.0480 . S2CID 117369870 . https://www.pes-publications.ee.ethz.ch/uploads/tx_ethpublications/22_Scaling_laws_for_electrodynamic_suspension_Flankl_accepted-version.pdf Archivado el 26/01/2018 en Wayback Machine
  4. ↑ Nave, Carl R. "Ley de Faraday" . HyperPhysics . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 29 de agosto de 2011 .
  5. ↑ Revisión de la estabilidad dinámica del sistema de suspensión Maglev de fuerza repulsiva. Y. Cai y DM Rote, División de Tecnología Energética, Laboratorio Nacional Argonne.
  6. ↑ Estabilidad de las oscilaciones verticales en un sistema de suspensión electrodinámica con una estructura de guía discreta VA Dzenzerskii, AA Zevin y LA Filonenko
  7. ↑ "STRATO - Dominio no disponible" (PDF) .