Wie funktioniert die Lokomotive eines Hochgeschwindigkeitszuges? Maglev oder Magnetschwebebahn ist eine neue Transportebene. Nachteile von Magnetschwebebahnen

Magnetschwebebahnen und Magnetschwebebahnen sind die schnellste Form des öffentlichen Nahverkehrs. Und obwohl bisher nur drei kleine Gleise in Betrieb genommen wurden, werden derzeit Forschungen und Tests an Magnetbahn-Prototypen durchgeführt verschiedene Länder Oh. Wie sich die Magnetschwebetechnik entwickelt hat und was sie in naher Zukunft erwartet, erfahren Sie in diesem Artikel.

Entstehungsgeschichte

Die ersten Seiten der Magnetschwebebahn-Geschichte waren gefüllt mit einer Reihe von Patenten, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts in verschiedenen Ländern erteilt wurden. Bereits 1902 erhielt der deutsche Erfinder Alfred Seiden ein Patent für die Konstruktion eines mit einem Linearmotor ausgestatteten Zuges. Und vier Jahre später entwickelte Franklin Scott Smith einen weiteren frühen Prototyp einer elektromagnetischen Schwebebahn. Wenig später, in der Zeit von 1937 bis 1941, erhielt der deutsche Ingenieur Hermann Kemper mehrere weitere Patente im Zusammenhang mit Zügen, die mit linearen Elektromotoren ausgestattet waren. Übrigens das rollende Material der Moskauer Einschienenbahn Transportsystem Die 2004 erbaute Bahn nutzt asynchrone Linearmotoren für den Antrieb – sie ist die weltweit erste Einschienenbahn mit Linearmotor.

Ein Zug der Moskauer Einschienenbahn in der Nähe des Bahnhofs Teletsentr

In den späten 1940er Jahren gingen die Forscher von Worten zu Taten über. Dem britischen Ingenieur Eric Lazethwaite, den viele als „Vater der Magnetschwebebahn“ bezeichnen, gelang es, den ersten funktionsfähigen Prototyp eines linearen Induktionsmotors in Originalgröße zu entwickeln. Später in den 1960er Jahren beteiligte er sich an der Entwicklung des Hochgeschwindigkeitszuges Tracked Hovercraft. Leider wurde das Projekt 1973 aus Geldmangel eingestellt.

1979 erschien der weltweit erste Prototyp einer Magnetschwebebahn mit Zulassung zur Personenbeförderung, der Transrapid 05. In Hamburg wurde eine 908 m lange Teststrecke gebaut und auf der IVA 79 präsentiert. Das Interesse an dem Projekt war groß so großartig, dass der Transrapid 05 nach Messeende noch drei Monate erfolgreich verkehren und insgesamt rund 50.000 Fahrgäste befördern konnte. Die Höchstgeschwindigkeit dieses Zuges betrug 75 km/h.

Und das erste kommerzielle Magnetflugzeug erschien 1984 in Birmingham, England. Eine Magnetschwebebahn verband das Terminal des Birmingham International Airport mit dem nahegelegenen Bahnhof. Sie war von 1984 bis 1995 erfolgreich tätig. Die Länge der Strecke betrug nur 600 m und die Höhe, bis zu der der Zug linear fuhr Asynchronmotor stieg über die Straßenoberfläche - 15 Millimeter. Im Jahr 2003 wurde an seiner Stelle das Personentransportsystem AirRail Link auf Basis der Cable Liner-Technologie gebaut.

In den 1980er Jahren begann die Entwicklung und Umsetzung von Projekten zur Schaffung von Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen nicht nur in England und Deutschland, sondern auch in Japan, Korea, China und den USA.

Wie es funktioniert

Die grundlegenden Eigenschaften von Magneten kennen wir seit dem Physikunterricht der 6. Klasse. Wenn Sie den Nordpol eines Permanentmagneten in die Nähe des Nordpols eines anderen Magneten bringen, stoßen sie sich gegenseitig ab. Wenn einer der Magnete umgedreht wird und dadurch verschiedene Pole verbindet, zieht er an. Dieses einfache Prinzip findet man in Magnetschwebebahnen, die über eine Schiene eine kurze Strecke durch die Luft gleiten.

Die magnetische Aufhängungstechnologie basiert auf drei Hauptsubsystemen: Schweben, Stabilisierung und Beschleunigung. Gleichzeitig weiter dieser Moment Es gibt zwei wesentliche magnetische Aufhängungstechnologien und eine experimentelle, die sich nur auf dem Papier bewährt hat.

Züge, die auf der Technologie der elektromagnetischen Federung (EMS) basieren, nutzen zum Schweben ein elektromagnetisches Feld, dessen Stärke sich im Laufe der Zeit ändert. Dabei praktische Anwendung Dieses System ist dem Betrieb des konventionellen Schienenverkehrs sehr ähnlich. Hier wird ein T-förmiges Schienenbett aus einem Leiter (meist Metall) verwendet, der Zug verwendet jedoch anstelle von Radpaaren ein System aus Elektromagneten – Stützen und Führungen. Die Stütz- und Führungsmagnete sind parallel zu den ferromagnetischen Statoren an den Rändern der T-förmigen Bahn angeordnet. Der Hauptnachteil der EMS-Technologie ist der Abstand zwischen Tragmagnet und Stator, der 15 Millimeter beträgt und durch Spezialgeräte kontrolliert und eingestellt werden muss automatisierte Systeme hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der variablen Natur der elektromagnetischen Wechselwirkung. Das Schwebesystem funktioniert übrigens dank an Bord des Zugs installierter Batterien, die durch in den Tragmagneten eingebaute Lineargeneratoren aufgeladen werden. So kann der Zug im Falle eines Halts lange Zeit mit Batterien schweben. Transrapid-Züge und insbesondere die Shanghai Maglev werden auf Basis der EMS-Technologie gebaut.

Züge auf Basis der EMS-Technologie werden mit einem synchronen Linearmotor mit geringer Beschleunigung angetrieben und gebremst, der durch Stützmagnete und eine Schiene dargestellt wird, über der die Magnetebene schwebt. Von im Großen und Ganzen, Antriebssystem Der in die Leinwand eingebaute normale Stator (der stationäre Teil eines linearen Elektromotors) ist entlang der Unterseite der Leinwand angeordnet, und die unterstützenden Elektromagnete fungieren wiederum als Anker des Elektromotors. Anstatt also ein Drehmoment zu erzeugen, erzeugt der Wechselstrom in den Spulen ein Magnetfeld aus angeregten Wellen, das den Zug berührungslos bewegt. Änderung der Stärke und Frequenz Wechselstrom ermöglicht es Ihnen, die Traktion und Geschwindigkeit des Zuges anzupassen. Um langsamer zu werden, müssen Sie gleichzeitig nur die Richtung ändern Magnetfeld.

Bei der Verwendung der elektrodynamischen Aufhängungstechnologie (EDS) erfolgt die Levitation durch die Wechselwirkung des Magnetfelds in der Leinwand und des durch supraleitende Magnete an Bord des Zuges erzeugten Felds. Japanische JR-Maglev-Züge werden auf Basis der EDS-Technologie gebaut. Im Gegensatz zur EMS-Technologie, die herkömmliche Elektromagnete und Spulen verwendet, die Strom nur dann leiten, wenn Strom angelegt wird, können supraleitende Elektromagnete Strom auch dann leiten, wenn die Stromquelle entfernt wurde, beispielsweise während eines Stromausfalls. Durch die Kühlung der Spulen im EDS-System können Sie viel Energie sparen. Allerdings musste das kryogene Kühlsystem früher mehr aufrechterhalten niedrige Temperaturen in Spulen kann recht teuer sein.

Der Hauptvorteil des EDS-Systems ist seine hohe Stabilität – bei einer leichten Verringerung des Abstands zwischen Blech und Magneten entsteht eine Abstoßungskraft, die die Magnete in ihre ursprüngliche Position zurückbringt, während bei Vergrößerung des Abstands die Abstoßungskraft abnimmt und zunimmt die Anziehungskraft, die wiederum zur Stabilisierung des Systems führt. In diesem Fall ist keine Elektronik zur Steuerung und Anpassung des Abstands zwischen Zug und Gleis erforderlich.

Allerdings gibt es auch hier einige Nachteile: Nur bei hohen Geschwindigkeiten entsteht eine Kraft, die ausreicht, um den Zug schweben zu lassen. Aus diesem Grund muss ein EDS-Zug mit beweglichen Rädern ausgestattet sein niedrige Geschwindigkeiten(bis 100 km/h). Auch auf der gesamten Streckenlänge müssen entsprechende Änderungen vorgenommen werden, da der Zug aufgrund technischer Störungen an jedem beliebigen Ort anhalten kann.

Ein weiterer Nachteil von EDS besteht darin, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten an der Vorder- und Rückseite der abstoßenden Magnete in der Bahn eine Reibungskraft entsteht, die diesen entgegenwirkt. Dies ist einer der Gründe, warum JR-Maglev das vollständig abstoßende System aufgab und sich einem seitlichen Levitationssystem zuwandte.

Zu beachten ist auch, dass starke Magnetfelder im Fahrgastraum den Einbau eines Magnetschutzes erforderlich machen. Ohne Abschirmung ist die Fahrt in einem solchen Wagen für Passagiere mit elektronischem Herzschrittmacher oder magnetischen Speichermedien (HDD und Kreditkarten) kontraindiziert.

Das Beschleunigungssubsystem in Zügen mit EDS-Technologie funktioniert auf die gleiche Weise wie in Zügen mit EMS-Technologie, mit der Ausnahme, dass die Statoren nach einem Polaritätswechsel vorübergehend anhalten.

Die dritte Technologie, die der Umsetzung am nächsten kommt und derzeit nur auf dem Papier existiert, ist die EDS-Version mit Inductrack-Permanentmagneten, für deren Aktivierung keine Energie erforderlich ist. Bis vor kurzem glaubten Forscher, dass Permanentmagnete nicht genug Kraft hätten, um einen Zug schweben zu lassen. Dieses Problem wurde jedoch durch die Platzierung von Magneten im sogenannten „Halbach-Array“ gelöst. Die Magnete sind so angeordnet, dass das Magnetfeld über der Anordnung und nicht darunter entsteht, und sind in der Lage, den Zug bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten schweben zu lassen – etwa 5 km/h. Es stimmt, die Kosten für solche Arrays betragen Permanentmagnete ist sehr hoch, weshalb es noch kein einziges kommerzielles Projekt dieser Art gibt.

Guinness-Buch der Rekorde

Im Moment die erste Zeile in der Liste der Meisten Schnellzüge Die Magnetschwebebahn ist mit der japanischen Lösung JR-Maglev MLX01 besetzt, die am 2. Dezember 2003 auf der Teststrecke in Yamanashi eine Rekordgeschwindigkeit von 581 km/h erreichte. Es ist erwähnenswert, dass der JR-Maglev MLX01 mehrere weitere Rekorde hält, die zwischen 1997 und 1999 aufgestellt wurden – 531, 550, 552 km/h.

Wenn Sie sich Ihre engsten Konkurrenten ansehen, ist unter ihnen der in Deutschland gebaute Shanghai-Magnetschwebebahn Transrapid SMT erwähnenswert, der bei Tests im Jahr 2003 eine Geschwindigkeit von 501 km/h erreichte, und sein Vorläufer – der Transrapid 07, der diesen übertraf 1988 die Marke von 436 km/h

Praktische Anwendung

Die im März 2005 in Betrieb genommene Magnetschwebebahn Linimo wurde von Chubu HSST entwickelt und ist in Japan immer noch im Einsatz. Sie verläuft zwischen zwei Städten in der Präfektur Aichi. Die Länge der Leinwand, über der die Magnetschwebebahn schwebt, beträgt etwa 9 km (9 Stationen). Gleichzeitig beträgt die Höchstgeschwindigkeit von Linimo 100 km/h. Dies hinderte sie jedoch nicht daran, allein in den ersten drei Monaten nach ihrer Einführung mehr als 10 Millionen Passagiere zu befördern.

Bekannter ist die von Shanghai entwickelte Magnetschwebebahn Deutsches Unternehmen Transrapid und am 1. Januar 2004 in Betrieb genommen. Diese Magnetschwebebahn verbindet den Bahnhof Shanghai Longyang Lu mit dem internationalen Flughafen Pudong. Gesamtentfernung beträgt 30 km, der Zug bewältigt sie in etwa 7,5 Minuten und beschleunigt auf eine Geschwindigkeit von 431 km/h.

Eine weitere Magnetschwebebahnlinie ist in Daejeon, Südkorea, erfolgreich in Betrieb. UTM-02 wurde am 21. April 2008 für Passagiere verfügbar und die Entwicklung und Erstellung dauerte 14 Jahre. Die Magnetschwebebahn verbindet das National Science Museum und den Exhibition Park, die nur 1 km voneinander entfernt sind.

Unter den Magnetschwebebahnen, die in naher Zukunft ihren Betrieb aufnehmen werden, ist die Magnetschwebebahn L0 in Japan hervorzuheben, deren Tests kürzlich wieder aufgenommen wurden. Es wird erwartet, dass es bis 2027 auf der Strecke Tokio-Nagoya verkehren wird.

Sehr teures Spielzeug

Vor nicht allzu langer Zeit nannten populäre Zeitschriften Magnetschwebebahnen einen revolutionären Transport, und sowohl Privatunternehmen als auch Behörden aus der ganzen Welt berichteten mit beneidenswerter Regelmäßigkeit über den Start neuer Projekte solcher Systeme. Die meisten dieser grandiosen Projekte wurden jedoch in der Anfangsphase geschlossen und einige Magnetschwebebahnstrecken wurden später abgebaut, obwohl sie für kurze Zeit der Bevölkerung zugute kamen.

Der Hauptgrund für das Scheitern ist, dass Magnetschwebebahnen extrem teuer sind. Sie benötigen eine eigens für sie gebaute Infrastruktur, die in der Regel den größten Ausgabenposten im Projektbudget darstellt. Beispielsweise kostete die Shanghai Maglev China 1,3 Milliarden US-Dollar oder 43,6 Millionen US-Dollar pro 1 km Strecke in beide Richtungen (einschließlich der Kosten für den Bau von Zügen und Bahnhöfen). Nur auf längeren Strecken können Magnetschwebebahnen mit Fluggesellschaften konkurrieren. Aber andererseits gibt es nur wenige Orte auf der Welt, an denen so viel Passagierverkehr herrscht, dass sich eine Magnetschwebebahnstrecke lohnt.

Was weiter?

Derzeit sieht die Zukunft der Magnetschwebebahnen vage aus, was vor allem auf die unerschwinglichen Kosten solcher Projekte und die lange Amortisationszeit zurückzuführen ist. Gleichzeitig investieren viele Länder weiterhin enorme Summen in Hochgeschwindigkeitsbahnprojekte (HSR). Vor nicht allzu langer Zeit wurden in Japan die Hochgeschwindigkeitstests der Magnetschwebebahn Maglev L0 wieder aufgenommen.

Die japanische Regierung hofft auch, das Interesse der USA für ihre eigenen Magnetschwebebahnen zu wecken. Kürzlich statteten Vertreter der Northeast Maglev Company, die Washington und New York mithilfe einer Magnetschwebebahn verbinden will, Japan einen offiziellen Besuch ab. Vielleicht werden Magnetschwebebahnen in Ländern mit einem weniger effizienten Hochgeschwindigkeitsbahnnetz eine größere Verbreitung finden. Zum Beispiel in den USA und Großbritannien, aber ihre Kosten werden trotzdem hoch bleiben.

Es gibt ein anderes Szenario für die Entwicklung von Ereignissen. Eine Möglichkeit, die Effizienz von Magnetschwebebahnen zu steigern, ist bekanntlich der Einsatz von Supraleitern, die bei Abkühlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt vollständig verlieren elektrischer Wiederstand. Allerdings ist die Aufbewahrung großer Magnete in Tanks mit extrem kalten Flüssigkeiten sehr teuer gewünschte Temperatur Es werden riesige „Kühlschränke“ benötigt, was die Kosten weiter erhöht.

Aber niemand schließt die Möglichkeit aus, dass Koryphäen der Physik in naher Zukunft in der Lage sein werden, eine kostengünstige Substanz zu schaffen, die auch bei atmosphärischen Eigenschaften ihre supraleitenden Eigenschaften behält Zimmertemperatur. Wenn Supraleitung erreicht wird hohe Temperaturen Starke Magnetfelder, die Autos und Züge in der Schwebe halten können, werden so zugänglich, dass sogar „fliegende Autos“ wirtschaftlich rentabel sein werden. Wir warten also auf Neuigkeiten aus den Laboren.

Zoomen-Präsentation:http://zoom.pspu.ru/presentations/145

1. Zweck

Magnetschwebebahn oder Magnetschwebebahn(aus dem Englischen „Magnetic Levitation“, d. h. „Maglev“ – magnetisches Flugzeug) ist ein magnetisch schwebender Zug, der durch Magnetkräfte angetrieben und gesteuert wird und für den Personentransport bestimmt ist (Abb. 1). Bezieht sich auf Personentransporttechnik. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zügen berührt er während der Fahrt nicht die Oberfläche der Schiene.

2. Hauptteile (Gerät) und ihr Zweck

Bei der Entwicklung dieses Designs gibt es unterschiedliche technologische Lösungen (siehe Abschnitt 6). Betrachten wir das Funktionsprinzip der Magnetschwebebahn des Transrapid-Zuges mit Elektromagneten ( elektromagnetische Federung, EMS) (Abb. 2).

An der Metallschürze jedes Wagens sind elektronisch gesteuerte Elektromagnete (1) angebracht. Sie interagieren mit Magneten an der Unterseite einer speziellen Schiene (2), wodurch der Zug über der Schiene schwebt. Andere Magnete sorgen für seitliche Ausrichtung. Entlang des Gleises ist eine Wicklung (3) verlegt, die ein Magnetfeld erzeugt, das den Zug in Bewegung setzt ( Linearmotor).

3. Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip einer Magnetschwebebahn basiert auf folgenden physikalischen Phänomenen und Gesetzen:

Phänomen und Gesetz der elektromagnetischen Induktion von M. Faraday

Lenzsche Regel

Biot-Savart-Laplace-Gesetz

Im Jahr 1831 entdeckte der englische Physiker Michael Faraday Gesetz der elektromagnetischen Induktion, Wobei Eine Änderung des magnetischen Flusses innerhalb eines leitenden Stromkreises regt diesen Stromkreis an elektrischer Strom auch wenn im Stromkreis keine Stromquelle vorhanden ist. Die von Faraday offen gelassene Frage nach der Richtung des Induktionsstroms wurde bald vom russischen Physiker Emilius Christianovich Lenz gelöst.

Betrachten wir einen geschlossenen kreisförmigen Stromkreis ohne angeschlossene Batterie oder andere Stromquelle, in den ein Magnet mit dem Nordpol eingefügt ist. Dadurch erhöht sich der durch die Schleife fließende Magnetfluss, und gemäß dem Faradayschen Gesetz entsteht in der Schleife ein induzierter Strom. Dieser Strom wiederum erzeugt nach dem Bio-Savart-Gesetz ein Magnetfeld, dessen Eigenschaften sich nicht von den Eigenschaften des Feldes eines gewöhnlichen Magneten mit Nord- und Südpolen unterscheiden. Lenz hat gerade herausgefunden, dass der induzierte Strom so gerichtet ist, dass der Nordpol des durch den Strom erzeugten Magnetfelds zum Nordpol des angetriebenen Magneten ausgerichtet ist. Da zwischen den beiden Nordpolen der Magnete gegenseitige Abstoßungskräfte wirken, fließt der im Stromkreis induzierte Induktionsstrom genau in die Richtung, die dem Einführen des Magneten in den Stromkreis entgegenwirkt. Und das ist nur ein Sonderfall, aber in einer verallgemeinerten Formulierung besagt die Lenzsche Regel, dass der induzierte Strom immer so gerichtet ist, dass er der Grundursache, die ihn verursacht hat, entgegenwirkt.

Die Lenzsche Regel ist genau das, was heute in Magnetschwebebahnen verwendet wird. Unter dem Wagenboden eines solchen Zuges sind leistungsstarke Magnete angebracht, die sich einige Zentimeter vom Stahlblech entfernt befinden (Abb. 3). Wenn sich der Zug bewegt, ändert sich der magnetische Fluss, der durch die Gleiskontur fließt, ständig, und es entstehen starke Induktionsströme, die ein starkes Magnetfeld erzeugen, das die magnetische Aufhängung des Zuges abstößt (ähnlich wie abstoßende Kräfte zwischen den Konturen entstehen). und der Magnet im oben beschriebenen Experiment). Diese Kraft ist so groß, dass der Zug, nachdem er etwas an Geschwindigkeit gewonnen hat, buchstäblich um mehrere Zentimeter vom Gleis abhebt und tatsächlich durch die Luft fliegt.

Die Komposition schwebt aufgrund der Abstoßung identischer Magnetpole und umgekehrt der Anziehung unterschiedlicher Pole. Die Erfinder des TransRapid-Zugs (Abb. 1) verwendeten ein unerwartetes magnetisches Aufhängungsschema. Sie nutzten nicht die Abstoßung gleichnamiger Pole, sondern die Anziehung entgegengesetzter Pole. Eine Last über einen Magneten zu hängen ist nicht schwierig (dieses System ist stabil), aber unter einem Magneten ist es fast unmöglich. Nimmt man jedoch einen gesteuerten Elektromagneten, ändert sich die Situation. Die Steuerung hält den Abstand zwischen den Magneten konstant bei mehreren Millimetern (Abb. 3). Mit zunehmendem Abstand erhöht das System die Stromstärke in den Tragmagneten und „zieht“ so das Auto; Wenn es abnimmt, nimmt der Strom ab und die Lücke vergrößert sich. Das System hat zwei gravierende Vorteile. Gleismagnetelemente sind vor Witterungseinflüssen geschützt und ihr Feld ist aufgrund des geringen Spalts zwischen Gleis und Zug deutlich schwächer; es erfordert viel geringere Ströme. Folglich erweist sich ein Zug dieser Bauart als wesentlich wirtschaftlicher.

Der Zug fährt vorwärts Linearmotor. Bei einem solchen Motor sind Rotor und Stator in Streifen gespannt (bei einem herkömmlichen Elektromotor sind sie zu Ringen gerollt). Die Statorwicklungen werden abwechselnd eingeschaltet, wodurch ein magnetisches Wanderfeld entsteht. Der an der Lokomotive montierte Stator wird in dieses Feld hineingezogen und bewegt den gesamten Zug (Abb. 4, 5). . Das Schlüsselelement der Technologie ist der Polwechsel von Elektromagneten durch abwechselnde Zu- und Ableitung von Strom mit einer Frequenz von 4.000 Mal pro Sekunde. Für einen zuverlässigen Betrieb sollte der Spalt zwischen Stator und Rotor fünf Millimeter nicht überschreiten. Dies ist aufgrund des Schwankens der Wagen während der Fahrt, das für alle Arten von Einschienenbahnstraßen charakteristisch ist, mit Ausnahme von Straßen mit Seitenfederung, insbesondere bei Kurvenfahrten, schwierig zu erreichen. Daher ist eine optimale Gleisinfrastruktur notwendig.

Die Stabilität des Systems wird durch eine automatische Regelung des Stroms in den Magnetisierungswicklungen gewährleistet: Sensoren messen ständig den Abstand vom Zug zum Gleis und die Spannung an den Elektromagneten ändert sich entsprechend (Abb. 3). Ultraschnelle Steuerungssysteme kontrollieren den Abstand zwischen Straße und Zug.

Die einzige Bremskraft ist die Luftwiderstandskraft.

Also das Bewegungsdiagramm einer Magnetschwebebahn: Unter dem Wagen sind unterstützende Elektromagnete installiert, und auf der Schiene sind Spulen eines linearen Elektromotors installiert. Wenn sie zusammenwirken, entsteht eine Kraft, die das Auto über die Straße hebt und nach vorne zieht. Die Stromrichtung in den Wicklungen ändert sich ständig, wodurch sich die Magnetfelder ändern, während sich der Zug bewegt.

Die Stützmagnete werden von Bordbatterien gespeist (Abb. 4), die an jeder Station wieder aufgeladen werden. Der elektrische Linearmotor, der den Zug auf Flugzeuggeschwindigkeit beschleunigt, wird nur in dem Abschnitt mit Strom versorgt, auf dem sich der Zug bewegt (Abb. 6 a). Ein ausreichend starkes Magnetfeld der Zusammensetzung induziert Strom in den Gleiswicklungen, die wiederum ein Magnetfeld erzeugen.

Wo der Zug seine Geschwindigkeit erhöht oder bergauf fährt, wird die Energie mit größerer Leistung zugeführt. Wenn Sie langsamer fahren oder in die entgegengesetzte Richtung fahren müssen, ändert das Magnetfeld seinen Vektor.

Schauen Sie sich die Videoclips an " Gesetz der elektromagnetischen Induktion», « Elektromagnetische Induktion» « Faradays Experimente».

Reis. 6. b Standbilder aus Videofragmenten „Das Gesetz der elektromagnetischen Induktion“, „Elektromagnetische Induktion“, „Faradays Experimente“.

Mehr als zweihundert Jahre sind seit der Erfindung der ersten Dampflokomotiven durch die Menschheit vergangen. Allerdings bis jetzt die Eisenbahn Bodentransport, Passagiere sowohl mit Strom als auch mit Strom befördern Dieselkraftstoff, sehr gewöhnlich.

Es ist erwähnenswert, dass Ingenieure und Erfinder all die Jahre aktiv daran gearbeitet haben, etwas zu schaffen alternative Wege Bewegung. Das Ergebnis ihrer Arbeit waren Züge magnetische Pads.

Geschichte des Aussehens

Die Idee, Magnetschwebebahnen zu schaffen, wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts aktiv entwickelt. Allerdings war die Umsetzung dieses Vorhabens zu diesem Zeitpunkt aus mehreren Gründen nicht möglich. Die Produktion eines solchen Zuges begann erst 1969. Damals begann man auf dem Territorium Deutschlands mit der Verlegung einer Magnetstrecke, auf der ein neuer Zug passieren sollte. Fahrzeug, die später Magnetschwebebahn genannt wurde. Sie wurde 1971 in Betrieb genommen. Die erste Magnetschwebebahn namens Transrapid-02 fuhr auf der Magnetstrecke.

Eine interessante Tatsache ist, dass deutsche Ingenieure auf der Grundlage der Notizen des Wissenschaftlers Hermann Kemper, der 1934 ein Patent erhielt, das die Erfindung der Magnetebene bestätigte, ein alternatives Fahrzeug herstellten.

Transrapid-02 kann kaum als sehr schnell bezeichnet werden. Er konnte mitziehen maximale Geschwindigkeit mit 90 Stundenkilometern. Auch die Kapazität war gering – nur vier Personen.

1979 wurde ein weiterentwickeltes Modell der Magnetschwebebahn entwickelt. mit dem Namen „Transrapid-05“ konnte bereits 68 Passagiere befördern. Es bewegte sich entlang einer Strecke im Hamburger Stadtgebiet, deren Länge 908 Meter betrug. die dieser Zug entwickelte, entsprach einer Geschwindigkeit von fünfundsiebzig Kilometern pro Stunde.

Ebenfalls 1979 wurde in Japan ein weiteres Magnetschwebebahnmodell auf den Markt gebracht. Es wurde „ML-500“ genannt. Auf einer Magnetschwebebahn erreichte es Geschwindigkeiten von bis zu fünfhundertsiebzehn Kilometern pro Stunde.

Wettbewerbsfähigkeit

Die Geschwindigkeit, die Magnetschwebebahnen erreichen können, ist mit vergleichbar. In dieser Hinsicht kann diese Transportart zu einer ernsthaften Konkurrenz für Fluggesellschaften werden, die über eine Entfernung von bis zu tausend Kilometern operieren. Der weitverbreitete Einsatz von Magnetschwebebahnen wird durch die Tatsache erschwert, dass sie sich nicht auf herkömmlichen Eisenbahnoberflächen fortbewegen können. Magnetschwebebahnen erfordern den Bau spezieller Autobahnen. Und das erfordert große Kapitalinvestitionen. Es wird auch angenommen, dass das, was für Magnetschwebebahnen geschaffen wird, negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben kann, was sich negativ auf die Gesundheit des Fahrers und der Bewohner von Regionen in der Nähe einer solchen Route auswirken wird.

Arbeitsprinzip

Magnetschwebebahnen sind eine besondere Fortbewegungsart. Während der Bewegung scheint die Magnetschwebebahn über dem Bahngleis zu schweben, ohne es zu berühren. Dies geschieht, weil das Fahrzeug durch die Kraft eines künstlich erzeugten Magnetfeldes angetrieben wird. Bei der Bewegung der Magnetschwebebahn entsteht keine Reibung. Die Bremskraft ist in diesem Fall der Luftwiderstand.

Wie funktioniert es? Jeder von uns kennt die grundlegenden Eigenschaften von Magneten aus dem Physikunterricht der sechsten Klasse. Bringt man zwei Magnete mit ihren Nordpolen einander nahe, stoßen sie sich gegenseitig ab. Es entsteht ein sogenanntes Magnetkissen. Wenn verschiedene Pole verbunden werden, ziehen sich die Magnete gegenseitig an. Dieses recht einfache Prinzip liegt der Bewegung einer Magnetschwebebahn zugrunde, die in geringem Abstand zu den Schienen buchstäblich durch die Luft gleitet.

Derzeit wurden bereits zwei Technologien entwickelt, mit deren Hilfe ein magnetisches Kissen bzw. eine magnetische Federung aktiviert wird. Die dritte ist experimentell und existiert nur auf dem Papier.

Elektromagnetische Federung

Diese Technologie wird EMS genannt. Sie basiert auf der Stärke des elektromagnetischen Feldes, die sich im Laufe der Zeit verändert. Es verursacht eine Levitation (Aufsteigen in der Luft) der Magnetschwebebahn. Um den Zug in diesem Fall zu bewegen, sind T-förmige Schienen erforderlich, die aus Leiter (meist Metall) bestehen. Auf diese Weise ähnelt der Betrieb des Systems dem Normalzustand Eisenbahn. Allerdings verfügt der Zug statt über Radpaare über Trag- und Führungsmagnete. Sie werden parallel zu den ferromagnetischen Statoren platziert, die sich am Rand des T-förmigen Blechs befinden.

Der Hauptnachteil der EMS-Technologie ist die Notwendigkeit, den Abstand zwischen Stator und Magneten zu kontrollieren. Und das, obwohl es von vielen Faktoren abhängt, unter anderem von der Launenhaftigkeit der Natur. Um ein plötzliches Anhalten des Zuges zu vermeiden, sind darin spezielle Batterien verbaut. Sie sind in der Lage, die in ihnen eingebauten Stützmagnete wieder aufzuladen und so den Schwebevorgang über einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.

Das Bremsen von Zügen auf Basis der EMS-Technologie erfolgt durch einen synchronen Linearmotor mit geringer Beschleunigung. Es wird durch Stützmagnete sowie eine Straßenoberfläche dargestellt, über der die Magnetschwebebahn schwebt. Durch Veränderung der Frequenz und Stärke des erzeugten Wechselstroms können Geschwindigkeit und Schubkraft des Zuges angepasst werden. Um langsamer zu werden, reicht es aus, die Richtung der magnetischen Wellen zu ändern.

Elektrodynamische Federung

Es gibt eine Technologie, bei der die Bewegung einer Magnetschwebebahn durch die Wechselwirkung zweier Felder erfolgt. Einer davon entsteht auf der Autobahn, der zweite im Zug. Diese Technologie wird EDS genannt. Auf seiner Basis gebaut Japanischer Zug auf einer Magnetschwebebahn JR-Maglev.

Dieses System weist einige Unterschiede zum EMS-System auf, bei dem herkömmliche Magnete verwendet werden, denen nur dann elektrischer Strom von Spulen zugeführt wird, wenn Strom angelegt wird.

Die EDS-Technologie impliziert eine konstante Stromversorgung. Dies geschieht auch, wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist. Die Spulen eines solchen Systems sind mit kryogener Kühlung ausgestattet, wodurch erhebliche Strommengen eingespart werden können.

Vor- und Nachteile der EDS-Technologie

Die positive Seite eines Systems mit elektrodynamischer Federung ist seine Stabilität. Selbst eine geringfügige Verringerung oder Vergrößerung des Abstands zwischen den Magneten und der Leinwand wird durch die Abstoßungs- und Anziehungskräfte reguliert. Dadurch bleibt das System in einem unveränderten Zustand. Bei dieser Technologie ist keine Elektronik zur Steuerung erforderlich. Es sind keine Vorrichtungen zur Einstellung des Abstands zwischen der Klinge und den Magneten erforderlich.

Die EDS-Technologie hat einige Nachteile. Daher kann eine Kraft, die ausreicht, um die Zusammensetzung schweben zu lassen, nur bei entstehen hohe Geschwindigkeit. Deshalb sind Magnetschwebebahnen mit Rädern ausgestattet. Sie sorgen für ihre Fortbewegung mit Geschwindigkeiten von bis zu hundert Kilometern pro Stunde. Ein weiterer Nachteil dieser Technologie ist die Reibungskraft, die bei niedrigen Geschwindigkeiten an der Vorder- und Rückseite der abstoßenden Magnete auftritt.

Aufgrund des starken Magnetfeldes muss im Fahrgastraum ein besonderer Schutz angebracht werden. Ansonsten gilt für Personen mit einem elektronischen Herzschrittmacher ein Reiseverbot. Auch magnetische Speichermedien (Kreditkarten und Festplatten) müssen geschützt werden.

Technologie in Entwicklung

Das dritte System, das derzeit nur auf dem Papier existiert, ist der Einsatz von Permanentmagneten in der EDS-Version, für deren Aktivierung keine Energie erforderlich ist. Noch vor Kurzem hielt man dies für unmöglich. Forscher glaubten, dass Permanentmagnete nicht die Kraft hätten, einen Zug schweben zu lassen. Dieses Problem konnte jedoch vermieden werden. Um dieses Problem zu lösen, wurden Magnete in einer „Halbach-Anordnung“ platziert. Diese Anordnung führt dazu, dass ein Magnetfeld nicht unter, sondern über dem Array entsteht. Dies trägt dazu bei, dass der Zug auch bei einer Geschwindigkeit von etwa fünf Kilometern pro Stunde schwebend bleibt.

Dieses Projekt hat noch keine praktische Umsetzung erfahren. Dies wird erklärt Hohe Kosten Arrays aus Permanentmagneten.

Vorteile von Magnetschwebebahnen

Der attraktivste Aspekt von Magnetschwebebahnen ist die Aussicht auf Erfolg hohe Geschwindigkeiten, wodurch Magnetschwebebahnen künftig sogar mit Düsenflugzeugen konkurrieren können. Dieser Typ Der Transport ist hinsichtlich des Stromverbrauchs recht sparsam. Auch die Betriebskosten sind gering. Dies wird durch die fehlende Reibung möglich. Erfreulich ist auch der geringe Lärm der Magnetschwebebahn, der sich positiv auf die Umweltsituation auswirken wird.

Mängel

Der Nachteil von Magnetschwebebahnen besteht darin, dass die für ihre Herstellung erforderliche Menge zu groß ist. Auch die Kosten für die Instandhaltung der Gleise sind hoch. Darüber hinaus erfordert die Art des betrachteten Transports ein komplexes System Pfade und hochpräzise Instrumente, die den Abstand zwischen der Leinwand und den Magneten steuern.

in Berlin

In der deutschen Hauptstadt wurde 1980 das erste Magnetschwebebahnsystem namens M-Bahn eröffnet. Die Länge der Straße betrug 1,6 km. Die Magnetschwebebahn verkehrte am Wochenende zwischen drei U-Bahn-Stationen. Die Fahrt für Passagiere war kostenlos. Danach verdoppelte sich die Einwohnerzahl der Stadt fast. Es bedurfte der Schöpfung Verkehrsnetze mit der Fähigkeit, einen hohen Passagierverkehr bereitzustellen. Aus diesem Grund wurde 1991 der Magnetstreifen abgebaut und an seiner Stelle mit dem Bau der U-Bahn begonnen.

Birmingham

In dieser deutschen Stadt verkehrte von 1984 bis 1995 eine langsame Magnetschwebebahn. Flughafen und Bahnhof. Die Länge des magnetischen Weges betrug nur 600 m.

Shanghai

Die erste Magnetbahn in Berlin wurde von der deutschen Firma Transrapid gebaut. Das Scheitern des Projekts schreckte die Entwickler nicht ab. Sie setzten ihre Forschungen fort und erhielten einen Auftrag von der chinesischen Regierung, die beschloss, im Land eine Magnetschwebebahn zu bauen. Shanghai und der Flughafen Pudong sind durch diese Hochgeschwindigkeitsstrecke (bis zu 450 km/h) verbunden.
Die 30 km lange Straße wurde 2002 eröffnet. Zukünftig ist eine Verlängerung auf 175 km geplant.

Japan

Dieses Land war 2005 Gastgeber der Expo-2005-Ausstellung. Zu seiner Eröffnung wurde eine 9 km lange Magnetbahn in Betrieb genommen. Es gibt neun Stationen auf der Linie. Die Magnetschwebebahn bedient den Bereich neben dem Ausstellungsort.

Magnetschwebebahnen gelten als Transportmittel der Zukunft. Bereits im Jahr 2025 ist die Eröffnung einer neuen Autobahn in einem Land wie Japan geplant. Die Magnetschwebebahn wird Passagiere von Tokio in einen der Bereiche im zentralen Teil der Insel transportieren. Seine Geschwindigkeit wird 500 km/h betragen. Das Projekt wird etwa 45 Milliarden Dollar erfordern.

Russland

Auch die Russische Eisenbahn plant den Bau eines Hochgeschwindigkeitszuges. Bis 2030 wird die Magnetschwebebahn in Russland Moskau und Wladiwostok verbinden. Die Passagiere werden die 9.300 km lange Fahrt in 20 Stunden zurücklegen. Die Geschwindigkeit einer Magnetschwebebahn wird bis zu fünfhundert Kilometer pro Stunde erreichen.

• Magnetschwebebahnen können höhere Geschwindigkeiten erreichen als herkömmliche Züge.
• Magnetschwebebahnen erzeugen weniger Lärm als herkömmliche Züge.
• Magnetschwebebahnen verkürzen die Fahrzeit der Fahrgäste.
• Magnetschwebebahnen nutzen Quellen elektrische Energie, die Atmosphäre weniger verschmutzen.

Nachteile von Magnetschwebebahnen

• Magnetschwebebahnen sind teurer als normale Züge.
• Magnetschwebebahnen erfordern eine spezielle Schulung des Personals.
• Zur Erzeugung der Schwebebahn werden supraleitende Magnetschwebebahnen eingesetzt leistungsstarke Elektromagnete, auf der Schiene montiert. Dabei stellt sich die Aufgabe, die Passagiere vor der Einwirkung starker Magnetfelder abzuschirmen.
• Ein plötzlicher Spannungsabfall führt dazu, dass die Waggons der supraleitenden Magnetschwebebahn auf die Gleise fallen. Bei hoher Geschwindigkeit kann dies gefährlich sein (beim Betrieb von Zügen vom Typ Inductrack treten solche Probleme nicht auf, da die Räder des Zuges es den Waggons ermöglichen, sich durch Trägheit zu bewegen, bis sie vollständig zum Stillstand kommen).
• Eine starke Seitenwindböe kann den Betrieb einer Magnetschwebebahn stören, Autos verschieben und dazu führen, dass sie mit der Schiene in Kontakt kommen. Auch Schnee oder Eis auf der Schiene können zu Problemen führen.

Frage

Wie kann man Passagiere in einer supraleitenden Magnetschwebebahn vor starken Magnetfeldern schützen?

Antwort

Die Wagen oder zumindest die Fächer können aus einem ferromagnetischen Material (z. B. Stahl) bestehen, das die magnetischen Induktionslinien blockiert. Leider ist Stahl viel schwerer als das üblicherweise im Zugbau verwendete Aluminium. Aluminium ist nicht ferromagnetisch und bietet keinen Schutz vor Magnetfeldern, es sei denn, es wird mit Strom versorgt Hochspannung, potenziell gefährlich für Passagiere.

Frage

Kann eine Magnetschwebebahn einen steilen Hügel oder Berg erklimmen? Wird es den Hang hinunterrollen und im Tal bleiben, wenn zum Bremsen keine Reibung erforderlich ist?

Antwort

Lineare Induktionsmotoren, die in Magnetschwebebahnen eingesetzt werden, sind in der Lage, solche Züge steilere Steigungen hinaufzuheben als herkömmliche Züge. Darüber hinaus schalten lineare Induktionsmotoren auf Rückwärtsbremsung um und verhindern so, dass der Zug entgegen der Schwerkraft herunterrollt.

Der Shanghai Maglev Train ist die erste kommerzielle Magnetschwebebahn der Welt und das teuerste Eisenbahnprojekt im Reich der Mitte.

Das Projekt nahm am 1. Januar 2004 den kommerziellen Betrieb auf. Die Kosten belaufen sich auf etwa 1,6 Milliarden US-Dollar (10 Milliarden Yuan).

Derart hohe Kosten waren vor allem darauf zurückzuführen Großer Teil Die Strecke verläuft durch sumpfige Gebiete, weshalb die Bauherren für jede Stütze der Überführung (und davon gibt es viele, alle 25 Meter) eine Betonplatte errichten mussten. Übrigens erreicht die Dicke dieses Kissens an manchen Stellen eine Dicke von 70 m.

Übrigens ist die Shanghai Maglev-Linie nicht die längste der Schnellstraßen, ihre Länge beträgt nur 30 Kilometer vom internationalen Flughafen Pudong bis zur U-Bahn-Station Longyang-Lu in Shanghai.

Doch die Shanghai Maglev legt diese Strecke in nur 7:20 bzw. 8:10 Minuten zurück (je nach Tageszeit). Der Zug hat eine Höchstgeschwindigkeit von 431 km/h und eine Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 250 km/h.

Bei seiner Höchstgeschwindigkeit rast er zwar nur 1,5 Minuten, weil es nirgendwo so viel Beschleunigung gibt und die Distanz nicht sehr groß ist.

Die Linie verkehrt von 18:45 bis 21:30 Uhr im Takt von 15 bis 20 Minuten.

Der Fahrpreis beträgt ca. 7,3 USD pro Strecke. Für Passagiere mit Flugtickets – 5,81 USD. VIP-Tickets kosten etwa doppelt so viel wie Standardtickets.