전자기학의 최전선 기술 - 자기부상열차
개요: 과학기술의 발달로 인해 사람들의 삶은 엄청난 변화를 겪었다. 기본적인 생활필수품의 행동을 예로 들면, 고대부터 현재에 이르기까지 우리는 걷기, 타기, 마차, 기차, 자동차, 비행기 등의 변화를 경험해 왔습니다. 최근 몇 년 동안 자기 부상 열차는 고속, 환경 보호 및 에너지 절약이라는 장점으로 인해 사람들의 관심을 끌었습니다.
키 포인트:
1. 자기부상열차란 무엇인가요?
2. 자기부상열차의 원리: a. 일정한 전도 유형.b. 동성간의 전자극 반발 원리 c. 영구자석형
3. 자기부상열차의 기술적 기반
4. 중국 국내 자기부상열차
5. 자기부상열차의 장점
자기부상열차란 무엇인가요?
고속 자기부상열차는 20세기 기술의 발명품으로 그 원리가 심오하지 않습니다. '동성끼리 밀어내고 이성끼리 끌어당긴다'는 자석의 성질을 이용하여 자석이 중력에 저항하는 능력, 즉 '자기부상'을 갖게 된다. 과학자들은 철도 운송 시스템에 '자기 부상' 원리를 적용해 열차가 선로에서 완전히 분리되어 떠다니게 하여 시속 수백 킬로미터의 속도를 지닌 '바퀴 없는' 열차가 됩니다. 이것이 이른바 '자기부상열차'이다.
자기 부상 열차의 원리:
자기 부상 열차는 현대 첨단 기술 개발의 산물입니다. 원리는 전자기력을 이용하여 지구의 중력을 상쇄시키는 것이며, 견인력은 리니어 모터에 의해 이루어지므로 열차는 선로에 매달린다(서스펜션 간격은 약 1cm). 연구 및 제조에는 자동 제어, 전력 전자 기술, 선형 추진 기술, 기계 설계 및 제조, 결함 모니터링 및 진단 등과 같은 많은 분야가 포함됩니다. 이 기술은 매우 복잡하며 국가 과학 기술의 중요한 상징입니다. 힘과 산업 수준. 일반 휠레일 열차에 비해 소음이 적고 세계 최초의 자기부상열차 실증 운행선인 상하이 자기부상열차입니다. 완료 후 푸동 룽양루역에서 푸동 국제공항까지 30킬로미터 이상만 6-6킬로미터만 소요됩니다. 7분. 무공해, 안전성, 편안함, 고속 및 고효율이라는 특성을 바탕으로 "고도 제로 항공기"라는 명성을 얻고 있습니다. 이는 전망이 넓은 새로운 유형의 교통수단으로, 특히 도시 철도 운송에 적합합니다. 자기부상열차는 일반적으로 부상방식에 따라 반발형과 흡입형으로 구분되며 운행속도에 따라 고속, 중저속으로 구분할 수 있다.
"멀리 떨어져 있는 것"은 자기 부상 열차의 기본 작동 상태입니다. 자기 부상 열차는 전자기력을 사용하여 지구의 중력에 대응하여 열차가 선로 위에서 공중에 떠오를 수 있도록 합니다. 운행 중에는 차체와 선로가 '밀착'된 상태로 자기 부상 간격이 1cm 정도 돼 '제로 높이 항공기'라는 평가를 받고 있다. 일반 휠 레일 열차와 비교하여 저소음, 저에너지 소비, 무공해, 안전 및 편안함, 고속 및 고효율이라는 특성을 가지며 전망이 넓은 새로운 유형의 운송 수단으로 간주됩니다. 특히 이것에
저속 자기부상열차는 회전반경이 작고 상승능력이 뛰어나 도시철도 운송에 특히 적합합니다.
세계에서 테스트 중인 자기부상 고속열차의 모델은 다음과 같습니다.
1. 상시 전도성(전자기)형
서로 끌어당기는 전자기적 반대 원리를 이용하여 차량은 트랙에서 약 1cm 정도 정지됩니다. 이미 1976년 초에 독일은 현재 독일 TR08 모델(이 모델은 독일 상하이에서 수입됨)로 대표되는 항속 자기 부상 실험 차량을 개발했으며 최대 속도는 시속 500km입니다. 주 총리는 2000년 6월 독일을 방문했을 때 엠슬란트( )의 31.5-km 안경형 선회 시험선에서 이 고속열차를 타려고 했다. 이미 1992년에 독일은 이 기술이 상업적으로 적용될 준비가 되었다고 발표했습니다.
2. 초저온에서의 전자기 극 반발 원리를 이용하여 차량이 트랙 위 약 10cm 높이에 매달려 있습니다. 1962년 일본에서는 초전도 자기부상 고속열차 기술 연구에 착수했고, 1989년에는 야마나시현에 18.{7}}km의 시험선이 건설됐다. MLX01 차량으로 시속 552km의 유인 기록을 세웠습니다. 주 총리는 2000년 9월 일본을 방문했을 때 이런 유형의 열차를 타려고 했으며 지금도 계속해서 테스트하고 개선하고 있습니다.
3. 영구자석형
자기 부상 항공기라고도 알려진 이 열차는 실제로는 영구 자석 자기 부상 고속 열차입니다. 미국이 연구하고 테스트 중인 창작물이다. 서스펜션 높이는 8-15cm이고 속도는 시속 550km에 달합니다. 열차의 양쪽에는 "이빨 날개"(비행기 날개와 유사)가 있고 꼬리에는 균형을 잡기 위한 "꼬리"가 있어 자기 부상 항공기라고 불립니다. 쓰촨성 청두의 4개 회사는 미국상업은행인 Feimei Magnetic Levitation High-speed Aircraft Co., Ltd.와 합작회사를 설립하고 미국 기술을 도입하기 위한 의도적인 협력 계약을 체결했습니다. 양사는 생산 기지 설립에 공동 자금을 지원하고 약 2km 길이의 테스트 라인을 구축할 계획이었습니다.
상하이 자기 부상 열차는 "일정 전도 자기 인력"( "일정 전도"라고도 함) 자기 부상 열차입니다. "반대되는 것은 서로 끌어당긴다"는 원칙을 바탕으로 디자인되었습니다. 흡입 서스펜션 시스템입니다. 열차 양쪽 대차에 설치된 서스펜션 전자석과 선로에 설치된 자석을 이용한다. 자기장에 의해 생성된 흡입력으로 차량이 뜨게 됩니다. . 전자석은 열차 바닥과 양쪽 대차 상단에 설치됩니다. 'I'레일 위쪽에는 반력판과 유도강판은 상부암 부분 아래쪽에 각각 설치되어 전자석과 트랙 사이에 1cm의 간격이 유지되도록 전자석의 전류를 조절한다. , 대차와 열차 사이의 인력과 열차의 중력이 서로 균형을 이루도록 하고, 자기 인력을 이용하여 열차를 약 1cm 정도 띄워 열차가 선로 위에 매달리게 한다. 이는 전자석에 대한 전류를 정밀하게 제어해야 합니다.
서스펜션 트레인의 구동 원리는 동기식 선형 모터의 구동 원리와 정확히 동일합니다. 쉽게 말하면 선로 양쪽에 위치한 코일에 교류 전류가 흐르면 코일이 전자석으로 바뀔 수 있고, 열차의 전자석과의 상호 작용으로 인해 열차가 출발하게 되는 것입니다.
열차 선두에 있는 전자석의 N극은 조금 앞쪽에 설치된 전자석의 S극에 끌려가고, 조금 뒤에 선로에 설치된 전자석의 N극에 의해 반발됩니다. 기차가 전진하면 코일에 흐르는 전류의 방향이 반대로 바뀌는데, 즉 원래의 S극이 N극이 되고, N극이 S극이 된다. 주기가 번갈아 바뀌고 기차는 앞으로 나아갑니다.
안정성은 안내 시스템에 의해 제어됩니다. "정상 전도 자기 흡입" 유도 시스템은 열차 측면에 유도용으로 특별히 사용되는 전자석 그룹을 설치하는 것입니다. 열차가 좌우로 이탈하면 열차에 있는 유도전자석이
가이드 레일의 측면과 상호 작용하여 차량을 정상 위치로 되돌리는 반발력을 생성합니다. 열차가 곡선로나 경사로를 주행할 때 제어 시스템은 가이드 자석의 전류를 제어하여 운행 제어 목적을 달성합니다.
"정상 전도" 자기 부상 열차의 아이디어는 1922년 독일 엔지니어 Hermann Kemper에 의해 제안되었습니다. "정상 전도" 자기 부상 열차의 작동 원리와 선로 및 모터는 완전히 동일합니다. 모터의 "로터"를 기차에 배치하고 모터의 "고정자"를 선로에 놓으면 됩니다. "회전자"와 "고정자"의 상호 작용을 통해 전기 에너지가 순방향 운동 에너지로 변환됩니다. 우리는 모터의 "고정자"에 전원이 공급되면 전자기 유도를 통해 "회전자"가 회전하도록 구동될 수 있다는 것을 알고 있습니다. 선로의 '고정자'에 동력이 전달되면 열차는 전자기 유도에 의해 전동기의 '회전자'처럼 직선으로 움직이도록 밀려나게 됩니다. 자기 부상 열차의 기술적 기반:
자기 부상 열차는 그림과 같이 주로 서스펜션 시스템, 추진 시스템 및 유도 시스템의 세 부분으로 구성됩니다.
3. 현재 설계의 대다수에서는 세 가지 기능이 모두 자석에 의해 수행되지만 자기와 독립적인 추진 시스템을 사용할 수도 있습니다. 이 세 부분에 사용된 기술은 각각 아래에 소개되어 있습니다.
서스펜션 시스템: 현재 서스펜션 시스템의 설계는 두 가지 방향, 즉 독일에서 채택한 정상 전도 유형과 일본에서 채택한 초전도 유형으로 나눌 수 있습니다. 공중부양 기술로는 전자기부상시스템(EMS)과 전기부상시스템(EDS)이 있다. 그림 4는 두 시스템의 구조적 차이점을 보여줍니다. 전자기 부상 시스템(EMS)은 기관차의 전자석과 가이드 레일의 강자성 트랙이 서로 끌어당겨 부상을 일으키는 흡입 부상 시스템입니다. 기존의 자기부상열차가 작동할 때에는 먼저 차량 하부의 서스펜션과 유도전자석의 전자기적 인력을 조정하고, 지상선로 양측의 권선과 반응하여 열차를 띄우게 된다. 차량 하부의 가이드 전자석과 트랙 자석의 반작용으로 휠과 트랙이 일정한 측면 거리를 유지하고 휠 레일의 비접촉 지지와 비접촉 가이드가 수평, 수직 방향이 구현됩니다. 차량과 주행 트랙 사이의 서스펜션 간격은 10mm이며 이는 고정밀 전자 조정 시스템으로 보장됩니다. 또한, 정차 및 안내는 실제로 열차의 속도와 무관하므로, 주차상태에서도 열차는 정차상태로 진입할 수 있다.
전기 서스펜션 시스템(EDS)은 움직이는 기관차의 자석을 사용하여 레일에 전류를 생성합니다. 기관차와 가이드 레일 사이의 간격이 줄어들수록 전자기 반발력이 증가하고, 그에 따른 전자기 반발력으로 기관차를 안정적으로 지지하고 안내할 수 있습니다. 그러나 EDS는 약 25mph 이하의 속도에서 기관차의 서스펜션을 유지할 수 없기 때문에 "이륙" 및 "착륙" 중에 기관차를 효과적으로 지지하기 위해 기관차에 바퀴와 같은 장치를 장착해야 합니다. EDS 시스템은 저온 초전도 기술을 바탕으로 더욱 개발되었습니다.
초전도 자기 부상 열차의 주요 특징은 상대적으로 낮은 온도에서 초전도 구성 요소의 완전한 전도성과 완전한 반자성입니다. 초전도 자석은 초전도 물질로 만든 초전도 코일로 구성됩니다. 전류 저항이 0일 뿐만 아니라 일반 전선과 비교할 수 없는 강력한 전류를 전도할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 작고 강력한 전자석을 만들 수 있습니다. .
초전도 자기부상열차의 차량에는 초전도 자석이 탑재되어 유도전력 통합장치를 구성합니다.
열차의 구동 권선과 서스펜션 안내 권선은 지상 가이드 레일의 양쪽에 설치됩니다. 차량의 유도전력 집적설비는 전력집적 권선, 유도전력 집적 초전도체로 구성됩니다.
가이드 자석은 세 부분으로 구성됩니다. 차량 속도 주파수와 일치하는 3상 교류 전류가 선로 양측의 구동 권선에 공급되면 움직이는 전자기장이 생성되어 열차 가이드 레일에 자기파가 발생하고, 열차의 초전도 자석은 움직이는 자기장과 동기화된 추력이 열차를 앞으로 나아가게 합니다. 그 원리는 서핑과 같으며, 서퍼는 파도의 꼭대기에 서서 파도에 의해 앞으로 밀려납니다. 서퍼들이 직면하는 문제와 마찬가지로 초전도 자기부상열차 역시 움직이는 전자파의 최대 이동을 어떻게 정확하게 제어할 것인가의 문제를 다루어야 한다. 이를 위해 지상 가이드레일에 차량의 위치를 검출하는 고정밀 계측기를 설치하고, 검출기의 정보에 따라 3상 교류 공급 모드를 조정하며 전자기파형을 정밀하게 제어한다. 기차가 잘 달릴 수 있도록.
추진 시스템: 자기 부상 열차의 구동은 동기 선형 모터의 원리를 사용합니다. 차량 하부를 지지하는 전자석의 코일은 동기선형모터의 계자코일과 같은 역할을 하며, 지면트랙 내부의 3상 이동자기장 구동권선은 전기자 역할을 하여 차량의 긴 고정자권선과 같은 역할을 한다. 동기식 선형 모터. 모터의 작동원리로부터 고정자로 전기자 코일에 전원을 공급하면 전자유도에 의해 모터의 회전자가 회전하게 되는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 선로를 따라 배치된 변전소가 선로 내부의 구동 권선에 3상 FM 및 AM 전력을 공급할 때, 열차와 함께 베어링 시스템은 전동기의 "로터"처럼 직선으로 움직이도록 밀려납니다. 전자기 유도. 따라서 정지 상태에서 열차는 비접촉 견인 및 제동을 완벽하게 구현할 수 있습니다.
일반인의 관점에서 말하면, 트랙 양쪽에 위치한 코일에 흐르는 교류 전류는 코일을 전자석으로 바꿀 수 있습니다. 열차의 초전도 전자석과의 상호작용으로 인해 열차가 움직이게 됩니다. 열차 선두에 있는 전자석(N극)이 조금 더 앞쪽 선로에 설치된 전자석(S극)에 이끌리면서 동시에 전자석(N극)에도 이끌리기 때문에 열차가 앞으로 나아간다. 거부됩니다. 기차가 전진함에 따라 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 됩니다. 그 결과 원래 S극 코일은 이제 N극 코일이 되고 그 반대도 마찬가지입니다. 이런 식으로 전자기 극성의 전환으로 인해 기차는 계속 앞으로 나아갈 수 있습니다. 차량 속도에 따라 코일에 흐르는 교류의 주파수와 전압이 전력 변환기에 의해 조정됩니다.
중국 국내 자기부상열차:
2000년 남서교통대학교가 개발한 세계 최초의 유인 고온 초전도 자기부상열차
이후에 개발된 '세기'와 '미래' 유인 상온 및 정상 자기부상열차는 후진타오, 장쩌민 등 당과 국가 지도자들로부터 높은 관심과 전폭적인 지지를 받았다.
보도에 따르면 1994년 초 남서교통대학교는 중국 최초의 사람을 태울 수 있는 저속 자기 부상 열차를 성공적으로 개발했지만 완전히 이상적인 실험실 조건에서 성공적으로 작동했습니다. 2003년 남서교통대학교는 쓰촨성 청두 칭산에서 자기부상열차 노선을 완공했습니다. 자기 부상 테스트 트랙의 길이는 420m입니다. 주로 관광객을 대상으로 하며 티켓 가격은 택시 요금보다 저렴합니다. 세계 최초의 자기부상열차 시범 운영 노선인 상하이 자기부상열차는 완공 후 푸동 룽양루 역에서 푸동 국제공항까지 30km 이상 이동하는 데 단 6-7분 밖에 걸리지 않습니다.
자기 부상의 원리
상하이 자기부상열차
오늘날의 고속 열차와 비교하여 자기 부상 열차는 비교할 수 없는 많은 장점을 가지고 있습니다.
자기부상열차는 선로를 주행하기 때문에 가이드 레일과 기관차 사이에 실제 접촉이 없고 '바퀴 없는' 상태가 되기 때문에 바퀴와 레일 사이의 마찰이 거의 없고 속도도 그만큼 빠르다. 시속 수백 킬로미터; 자기 부상 열차의 신뢰성은 크고 유지 관리가 쉽고 비용이 저렴합니다. 에너지 소비량은 자동차의 절반, 비행기의 4분의 1에 불과합니다. 소음이 적습니다. 자기부상열차의 속도가 시속 300㎞를 넘을 때 소음은 사람이 큰 소리로 말하는 것과 맞먹는 656데시벨에 불과하다. , 지나가는 자동차 소리보다 작습니다. 전기로 구동되기 때문에 선로를 따라 배기가스를 배출하지 않으며 오염도 없습니다. 진정한 친환경 교통수단입니다.
참고문헌: 고속 EMU의 작동원리와 구조적 특징/동시밍/중국철도출판사? 2007.12.1; 리틀 뉴턴 과학 박물관--전기 및 자기 부상 열차(4번째 시리즈) Guizhou Education Press, 2011.12.9
