Grunderna i magnetiska leviterade tåg (Maglev)

Magnetisk levitation (maglev) är en relativt ny transportteknologi där fordon som inte är i kontakt med trafiken körs säkert med hastigheter på 250 till 300 miles per timme eller högre medan de är upphängda, styrda och framdrivna över en styrväg med magnet fält. Styrvägen är den fysiska strukturen längs vilken maglev fordon lyftes. Olika styrvägskonfigurationer, t.ex. T-formad, U-formad, Y-formad och lådbalk, tillverkad av stål, betong eller aluminium, har föreslagits.

Det finns tre primära funktioner baserade på maglev-teknik: (1) levitation eller suspension; (2) framdrivning; och (3) vägledning. I de flesta aktuella konstruktioner används magnetiska krafter för att utföra alla tre funktionerna, även om en icke-magnetisk framdrivningskälla skulle kunna användas. Det finns ingen konsensus om en optimal design för att utföra var och en av de primära funktionerna.

Elektromagnetisk upphängning (EMS) är ett attraktivt kraftöverföringssystem där elektromagneter på fordonet interagerar med och dras till ferromagnetiska skenor på styrbanan. EMS gjordes praktiskt genom framsteg i elektroniska styrsystem som upprätthåller luftspalten mellan fordon och styrväg och därmed förhindrar kontakt.

Variationer i nyttolastets vikt, dynamiska laster och oregelbundna styrbanor kompenseras för genom att ändra magnetfältet som svar på fordon / styrvägsluftsmätningar.

Elektrodynamisk fjädring (EDS) använder magneter på det rörliga fordonet för att inducera strömmar i styrbanan. Resulterande avstötande kraft producerar i sig stabilt fordonsstöd och styrning eftersom den magnetiska avstötningen ökar när fordonets / styrbanans avstånd minskar. Fordonet måste emellertid vara utrustat med hjul eller andra former av stöd för "start" och "landning" eftersom EDS inte kommer att luftas i hastigheter under ungefär 25 km / h. EDS har utvecklats med framsteg inom kryogenik och superledande magnetteknik.

"Långstator" -framdrivning med hjälp av en elektrisk driven linjär motorlindning i styrbanan verkar vara det gynnade alternativet för höghastighets maglev-system. Det är också det dyraste på grund av högre konstruktionskostnader för styrvägar.

"Kortstator" -framdrivning använder en linjär induktionsmotor (LIM) lindad ombord och en passiv styrväg. Medan kortstatorframdrivning minskar styrvägskostnaderna, är LIM tung och minskar fordonens nyttolast kapacitet, vilket resulterar i högre driftskostnader och lägre intäktspotential jämfört med långstatorn framdrivning. Ett tredje alternativ är en icke-magnetisk energikälla (gasturbin eller turboprop) men också detta resulterar i ett tungt fordon och minskad driftseffektivitet.

Styrning eller styrning avser sidokrafter som krävs för att få fordonet att följa styrvägen. De nödvändiga krafterna tillförs på exakt analogt sätt till upphängningskrafterna, antingen attraktiva eller avvisande. Samma magneter ombord på fordonet, som levererar lyft, kan användas samtidigt för vägledning eller separata styrmagneter kan användas.

Maglev-system kan erbjuda ett attraktivt transportalternativ för många tidskänsliga resor med en längd på 100 till 600 miles och därmed minska luft- och motorvägstoppningar, luftförorening, och energianvändning, och släppa ut slots för effektivare långdistanstjänst på trånga flygplatser. Det potentiella värdet av maglev-tekniken erkändes i Intermodal Surface Transportation Efficiency Act från 1991 (ISTEA).

Innan ISTEA passerade hade kongressen anslagit 26,2 miljoner dollar för att identifiera maglev-systemet koncept för användning i USA och för att bedöma den tekniska och ekonomiska genomförbarheten hos dessa system. Studier riktade sig också mot att bestämma maglevs roll för att förbättra intercity transport i USA. Därefter anslogs ytterligare 9,8 miljoner dollar för att slutföra NMI-studierna.

Vilka är egenskaperna hos Maglev som berömmer att det beaktas av transportplanerare?

Snabbare resor - hög topphastighet och hög acceleration / bromsning möjliggör medelhastigheter tre till fyra gånger den nationella motorvägshastigheten gräns på 65 mph (30 m / s) och lägre tid för dörr till dörr än höghastighetståg eller luft (för resor under ungefär 300 miles eller 500 km). Ännu högre hastigheter är möjliga. Maglev tar upp där höghastighetståg går av, vilket tillåter hastigheter från 250 till 300 mph (112 till 134 m / s) och högre.

Maglev har hög tillförlitlighet och är mindre mottagliga för trängsel och väderförhållanden än luft- eller motorväg. Avvikelse från schema kan i genomsnitt vara mindre än en minut baserat på utländsk höghastighetstågupplevelse. Detta innebär att intra- och intermodala förbindelsetider kan reduceras till några minuter (snarare än en halvtimme eller mer krävs med flygbolag och Amtrak för närvarande) och att möten säkert kan planeras utan att behöva överväga förseningar.

Maglev ger petroleum oberoende - med avseende på luft och bil på grund av att Maglev är elektrisk driven. Petroleum är onödigt för elproduktion. 1990 kom mindre än 5 procent av nationens elektricitet från petroleum medan den petroleum som används av både luft- och billägen främst kommer från utländska källor.

Maglev är mindre förorenande - med avseende på luft och bil, återigen på grund av att den är elektrisk driven. Utsläpp kan styras mer effektivt vid källan för elproduktion än vid de många förbrukningspunkterna, till exempel med användning av luft och bil.

Maglev har en högre kapacitet än flygresor med minst 12 000 passagerare per timme i varje riktning. Det finns potential för ännu högre kapacitet vid 3 till 4-minuters sväng. Maglev tillhandahåller tillräcklig kapacitet för att tillgodose trafiktillväxten långt in i det tjugoförsta århundradet och tillhandahålla ett alternativ till luft och bil i händelse av en oljetillgänglighetskris.

Maglev har hög säkerhet - både uppfattad och faktisk, baserad på utländsk erfarenhet.

Maglev har bekvämlighet - på grund av en hög servicefrekvens och förmågan att betjäna centrala affärsdistrikt, flygplatser och andra större storstadsområden.

Maglev har förbättrat komfort - med avseende på luft på grund av större rymlighet, vilket möjliggör separata restauranger och konferensområden med frihet att röra sig. Frånvaron av luftturbulens garanterar en jämn körning.

Begreppet magnetiskt leviterade tåg identifierades först vid sekelskiftet av två amerikaner, Robert Goddard och Emile Bachelet. På 1930-talet utvecklade Tysklands Hermann Kemper ett koncept och demonstrerade användningen av magnetfält för att kombinera fördelarna med tåg och flygplan. 1968 amerikanerna James R. Powell och Gordon T. Danby beviljades patent på deras design för magnetiskt levitationståg.

Enligt lagen om höghastighets marktransporter från 1965 finansierade FRA ett brett spektrum av forskning om alla former av HSGT till och med tidigt 1970-tal. År 1971 tilldelade FRA kontrakt till Ford Motor Company och Stanford Research Institute för analytisk och experimentell utveckling av EMS och EDS-system. FRA-sponsrad forskning ledde till utvecklingen av den linjära elektriska motoren, den drivkraft som används av alla aktuella maglev-prototyper. 1975, efter att federala finansiering för höghastighetsmaglevforskning i USA avbröts, övergav industrin praktiskt taget sitt intresse för maglev; dock fortsatte forskning i låg hastighet maglev i USA fram till 1986.

Under de senaste två decennierna har forsknings- och utvecklingsprogram inom maglev-teknik genomförts av flera länder, inklusive Storbritannien, Kanada, Tyskland och Japan. Tyskland och Japan har investerat över 1 miljard dollar vardera för att utveckla och demonstrera maglev-teknik för HSGT.

Den tyska EMS maglev-designen, Transrapid (TR07), certifierades för drift av den tyska regeringen i december 1991. En maglevlinje mellan Hamburg och Berlin övervägs i Tyskland med privat finansiering och potentiellt med ytterligare stöd från enskilda stater i norra Tyskland längs det föreslagna rutt. Linjen skulle anslutas till höghastighetståg Intercity Express (ICE) och konventionella tåg. TR07 har testats omfattande i Emsland, Tyskland, och är det enda höghastighets maglev-systemet i världen som är redo för intäktsservice. TR07 planeras för implementering i Orlando, Florida.

EDS-konceptet som utvecklas i Japan använder ett superledande magnetsystem. 1997 fattas ett beslut om att använda Maglev för den nya Chuo-linjen mellan Tokyo och Osaka.

Sedan det federala stödet upphörde 1975 fanns det lite forskning om maglev-teknik i USA snabbt tills 1990, då National Maglev Initiative (NMI) inrättades. NMI är en samarbetsinsats av FRA för DOT, USACE och DOE, med stöd från andra byråer. Syftet med NMI var att utvärdera potentialen för Maglev att förbättra transport mellan intercity och att utveckla informationen nödvändigt för administrationen och kongressen för att bestämma den relevanta rollen för den federala regeringen i att främja detta teknologi.

Faktum är att från början USAs regering har hjälpt och främjat innovativa transporter av ekonomiska, politiska och sociala utvecklingsskäl. Det finns många exempel. Under 1800-talet uppmuntrade den federala regeringen järnvägsutvecklingen att etablera transkontinentala länkar genom sådana åtgärder som det massiva markbidraget till Illinois Central-Mobile Ohio Järnvägar 1850. Från och med 1920-talet gav den federala regeringen kommersiell stimulans till den nya tekniken för luftfart genom kontrakt för flygpostvägar och fonder som betalade för nödlandningsfält, ruttbelysning, väderrapportering och kommunikation. Senare under 1900-talet användes federala medel för att konstruera Interstate Highway System och hjälpa stater och kommuner i byggandet och driften av flygplatser. År 1971 bildade den federala regeringen Amtrak för att säkerställa järnvägspassagerare för USA.

För att bestämma den tekniska genomförbarheten för att distribuera maglev i USA utförde NMI Office en omfattande bedömning av den senaste tekniken för maglev-tekniken.

Under de senaste två decennierna har olika marktransportsystem utvecklats utomlands, med driftshastigheter som överstiger 150 mph (67 m / s), jämfört med 125 mph (56 m / s) för U.S. Metroliner. Flera stål-hjul-på-järnväg tåg kan upprätthålla en hastighet på 167 till 186 mph (75 till 83 m / s), särskilt den japanska serien 300 Shinkansen, den tyska ICE och den franska TGV. Det tyska Transrapid Maglev-tåget har visat en hastighet på 270 mph (121 m / s) på ett testspår, och japanerna har kört en maglev testbil på 144 mph (144 m / s). Följande är beskrivningar av de franska, tyska och japanska system som används för jämförelse med U.S. Maglev (USML) SCD-koncept.

Den franska nationella järnvägens TGV är representativ för den nuvarande generationen av höghastighetståg av stål-hjul-på-järnväg. TGV har varit i drift i 12 år på rutten Paris-Lyon (PSE) och i 3 år på en initial del av rutten Paris-Bordeaux (Atlantique). Atlantique-tåget består av tio personbilar med en elbil i varje ände. Elbilarna använder synkron roterande dragmotorer för framdrivning. Takmonterad strömavtagare samlar elkraft från en huvudledning. Kryssningshastigheten är 186 mph (83 m / s). Tåget är inte lutande och kräver därför en ganska rak linjeanpassning för att upprätthålla hög hastighet. Även om operatören kontrollerar tåghastigheten, finns spärrar inklusive automatisk överhastighetsskydd och tvingad bromsning. Bromsning sker genom en kombination av reostatbromsar och axelmonterade skivbromsar. Alla axlar har en bromsning som är tillåtet. Kraftaxlar har antislipreglage. TGV-spårstrukturen är konstruktionen av en konventionell järnväg med standardmätare med en välkonstruerad bas (komprimerade granulära material). Banan består av kontinuerligt svetsad skena på betong / stålband med elastiska fästelement. Dess höghastighetsomkopplare är en konventionell svängning i näsan. TGV arbetar på befintliga spår, men med en väsentlig reducerad hastighet. TGV kan på grund av sin höga hastighet, höga effekt och anti-hjulslippkontroll klättra klass som är ungefär dubbelt så bra som normalt i U.S. rullande terräng i Frankrike utan omfattande och dyra viadukter och tunnlar.

Den tyska TR07 är Maglev-systemet med hög hastighet närmast kommersiell beredskap. Om finansiering kan erhållas kommer banbrytande att äga rum i Florida 1993 för en 23-kilometer (23 km) pendelbuss mellan Orlando International Airport och nöjeszonen vid International Drive. TR07-systemet övervägs också för en höghastighetsförbindelse mellan Hamburg och Berlin och mellan centrala Pittsburgh och flygplatsen. Som beteckningen antyder föregicks TR07 av minst sex tidigare modeller. I början av sjuttiotalet testade tyska företag, inklusive Krauss-Maffei, MBB och Siemens, fullskala versioner av ett luftkudde fordon (TR03) och ett repulsion maglev fordon med superledande magneter. Efter att ett beslut fattades att koncentrera sig på attraktion maglev 1977, fortsatte framsteg i betydande steg, varvid systemet utvecklades från linjär induktion motor (LIM) framdrivning med kraftvägsuppsamling till den linjära synkronmotorn (LSM), som använder variabel frekvens, elektriskt drivna spolar på styrbanan. TR05 fungerade som en folkförflyttare på International Traffic Fair Hamburg 1979, med 50 000 passagerare och gav värdefull driftserfaring.

TR07, som arbetar på 31,5 km (31,5 km) väg på Emsland testspår i nordväst Tyskland är kulminationen på nästan 25 år av tysk Maglev-utveckling som kostar över $ 1 miljard. Det är ett sofistikerat EMS-system som använder separata konventionella järnkärnor som lockar elektromagneter för att generera fordonslyft och vägledning. Fordonet lindas runt en T-formad styrväg. TR07-styrvägen använder stål- eller betongbalkar konstruerade och uppförda för mycket snäva toleranser. Styrsystem reglerar levitation- och styrkrafter för att upprätthålla ett tum mellanrum (8 till 10 mm) mellan magneterna och järnspåren på styrbanan. Attraktionen mellan fordonsmagneter och kantmonterade styrspår ger vägledning. Attraktionen mellan en andra uppsättning fordonsmagneter och framdrivningsstatorpaketen under styrvägen genererar hiss. Lyftmagneterna tjänar också som sekundär eller rotor för en LSM, vars primär- eller stator är en elektrisk lindning som löper längs ledvägen. TR07 använder två eller flera icke-lutande fordon i en bestående. TR07-framdrivning sker med en långstator LSM. Guideringsstatorlindningar genererar en rörlig våg som interagerar med bilens levitationsmagneter för synkron framdrivning. Centralt styrda sidostationer tillhandahåller den nödvändiga variabla frekvensen, variabel spänning till LSM. Primär bromsning är regenererande genom LSM, med virvelströmbromsning och högfriktionsskridskor för nödsituationer. TR07 har visat säker drift vid 270 mph (121 m / s) på Emslandsbanan. Den är utformad för kryssningshastigheter på 139 m / s (139 m / s).

Japanerna har spenderat mer än 1 miljard dollar på att utveckla maglev-system för attraktion och repulsion. HSST attraktionssystem, utvecklat av ett konsortium som ofta identifierats med Japan Airlines, är faktiskt en serie fordon designade för 100, 200 och 300 km / h. Sextio miles per timme (100 km / h) HSST Maglevs har transporterat över två miljoner passagerare vid flera expon i Japan och Canada Transport Expo 1989 i Vancouver. Det höghastiga japanska avskaffandet Maglev-systemet utvecklas av Railway Technical Research Institute (RTRI), forskningsarmen för den nyligen privatiserade Japan Rail Group. RTRI: s forskningsfordon ML500 uppnådde världens höghastighetsstyrda markfordonsrekord på 321 mph (144 m / s) i december 1979, ett rekord som fortfarande finns, även om ett speciellt modifierat franska TGV-tåg har kommit stänga. En bemannad trebils MLU001 började testa 1982. Därefter förstördes singelbilen MLU002 av brand 1991. Dess utbyte, MLU002N, används för att testa sidoväggsupplösningen som är planerad för eventuell inkomstsystem. Den huvudsakliga aktiviteten för närvarande är byggandet av en testlinje på 23 miljarder dollar (43 km) genom bergen i Yamanashi Prefecture, där testning av en intäktsprototyp är planerad att påbörjas 1994.

Central Japan Railway Company planerar att börja bygga en andra höghastighetslinje från Tokyo till Osaka på en ny rutt (inklusive Yamanashi-testavsnittet) från och med 1997. Detta ger lättnad för den mycket lönsamma Tokaido Shinkansen, som närmar sig mättnad och behöver rehabilitering. Att tillhandahålla ständigt förbättrade tjänster såväl som att hindra intrång i flygbolagen på dess nuvarande 85 procent marknadsandel, högre hastigheter än den nuvarande 171 mph (76 m / s) anses vara nödvändig. Även om konstruktionshastigheten för den första generationen maglev-systemet är 311 mph (139 m / s), projiceras hastigheter upp till 500 mph (223 m / s) för framtida system. Repulsion maglev har valts framför attraktion maglev på grund av dess ansedda högre hastighetspotential och eftersom det större luftgapet rymmer markrörelsen som upplevs i Japans utsatta jordbävning territorium. Utformningen av Japans repulsionssystem är inte fast. En kostnadsberäkning 1991 från Japans Central Railway Company, som skulle äga linjen, indikerar att den nya höghastighetslinjen genom bergsområde norr om Mt. Fuji skulle vara mycket dyrt, cirka 100 miljoner dollar per mil (8 miljoner yen per meter) för en konventionell järnväg. Ett maglev-system skulle kosta 25 procent mer. En betydande del av utgifterna är kostnaden för att förvärva ROW under ytan och undergrunden. Kunskapen om de tekniska detaljerna i Japans höghastighets Maglev är gles. Det som är känt är att det kommer att ha superledande magneter i boggier med sidoväggsloftning, linjär synkron framdrivning med hjälp av styrspolar och en farthastighet på 311 mph (139 m / s).

Tre av de fyra SCD-koncepten använder ett EDS-system där superledande magneter på fordonet inducerar avvisande lyft- och styrkrafter genom rörelse längs ett system med passiva ledare monterade på styrbanan. Det fjärde SCD-konceptet använder ett EMS-system som liknar det tyska TR07. I detta koncept genererar dragkrafter lyft och styr fordonet längs styrbanan. Till skillnad från TR07, som använder konventionella magneter, produceras dock attraktionskrafter för SCD EMS-konceptet av superledande magneter. Följande individuella beskrivningar belyser de viktiga egenskaperna hos de fyra amerikanska SCD: erna.

Bechtel-konceptet är ett EDS-system som använder en ny konfiguration av fordonsmonterade, fluxdämpande magneter. Fordonet innehåller sex uppsättningar med åtta supraledande magneter per sida och sträcker sig över en betonglåda med balkbalk. En växelverkan mellan fordonsmagneterna och en laminerad aluminiumstege på varje styrvägs sidovägg genererar hiss. En liknande interaktion med styrvägsmonterade nollflödesspolar ger vägledning. LSM-framdrivningslindningar, även fästa vid styrvägens sidoväggar, samverkar med fordonsmagneter för att producera drivkraft. Centralt styrda sidostationer tillhandahåller den önskade variabla frekvensen, variabel spänning till LSM. Bechtel-fordonet består av en enda bil med ett inre lutande skal. Den använder aerodynamiska kontrollytor för att förstärka magnetiska styrkrafter. I en nödsituation lyfter den på luftbärande dynor. Styrvägen består av en eftersträckt betonglåda. På grund av höga magnetfält kräver konceptet icke-magnetisk, fiberförstärkt plast (FRP) efterspänningsstänger och böjningar i den övre delen av lådstrålen. Strömställaren är en böjbar balk konstruerad helt av FRP.

Foster-Miller-konceptet är en EDS som liknar den japanska höghastighets Maglev men har några ytterligare funktioner för att förbättra potentialen. Foster-Miller-konceptet har en lutningsdesign för fordon som gör det möjligt att arbeta igenom kurvor snabbare än det japanska systemet för samma nivå av passagerarkomfort. Liksom det japanska systemet använder Foster-Miller-konceptet superledande fordonsmagneter till generera hiss genom att interagera med noll-flödesloftningsspolar belägna i sidoväggarna på en U-formad styrbanan. Magnetinteraktion med styrvägsmonterade, elektriska framdrivningsspolar ger noll-flödesstyrning. Dess innovativa framdrivningssystem kallas en lokalt kommuterad linjär synkronmotor (LCLSM). Individuella "H-bridge" -omformare aktiverar i följd framdrivningsspolar direkt under boggierna. Inverterarna syntetiserar en magnetisk våg som färdas längs styrbanan med samma hastighet som fordonet. Foster-Miller-fordonet består av ledade passagerarmoduler och svans- och nässektioner skapa flera-bil "består." Modulerna har magnetiska boggier i varje ände som de delar med intilliggande bilar. Varje boggi innehåller fyra magneter per sida. Den U-formade styrbanan består av två parallella, eftersträckta betongbjälkar förenade tvärs av förhärdade betongmembran. För att undvika negativa magnetiska effekter är de övre efterspännstavarna FRP. Höghastighetsomkopplaren använder växlade nollflödesspolar för att styra fordonet genom en vertikal vändning. Foster-Miller-omkopplaren kräver således inga rörliga konstruktionselement.

Grumman-konceptet är en EMS med likheter med den tyska TR07. Grummans fordon sveper emellertid runt en Y-formad styrväg och använder en gemensam uppsättning fordonsmagneter för levitation, framdrivning och vägledning. Styrskenor är ferromagnetiska och har LSM-lindningar för framdrivning. Fordonsmagneterna är supraledande spolar runt hästskoformade järnkärnor. Stolytorna lockas av järnskenor på undersidan av styrbanan. Icke-ledande kontrollspolar på varje järn-punktsben modulerar levitation och styrkrafter för att upprätthålla en 1,6 tum (40 mm) luftgap. Ingen sekundär fjädring krävs för att upprätthålla tillräcklig körkvalitet. Framdrivning sker genom konventionell LSM inbäddad i styrbanan. Grumman-fordon kan vara enkla eller flera bilar består av lutningsförmåga. Den innovativa styrvägsbyggnaden består av smala Y-formade styrvägsektioner (en för varje riktning) monterade av utriggare var 15: e fot till en 90 fot (4,5 m till en 27 m) splinebalk. Den strukturella splinsträngen tjänar båda riktningarna. Omkopplingen utförs med en böjande styrbalk i TR07-stil, förkortad med användning av en glidande eller roterande sektion.

Magneplane-konceptet är en EDS med en fordon som använder en trågformad 0,8-tums (20 mm) tjock aluminiumledningsväg för arköverföring och styrning. Magnetbilar kan självbanka upp till 45 grader i kurvor. Tidigare laborationsarbete med detta koncept validerade system för levitation, vägledning och framdrivning. Superledande levitation- och framdrivningsmagneter är grupperade i boggier framför och bak på fordonet. Mittlinjemagneterna interagerar med konventionella LSM-lindningar för framdrivning och genererar ett visst elektromagnetiskt "rullnings-vridmoment" som kallas köleffekten. Magneterna på sidorna av varje boggi reagerar mot aluminiumledningsarken för att ge levitation. Magneplane-fordonet använder aerodynamiska kontrollytor för att ge aktiv rörelsedämpning. Aluminiumloftningsarken i styrbanan bildar topparna på två strukturella aluminiumlådbalkar. Dessa lådbalkar stöds direkt på bryggor. Höghastighetsomkopplaren använder omkopplade nollflödesspolar för att leda fordonet genom en gaffel i styrbanan. Således kräver Magneplane-omkopplaren inga rörliga konstruktionselement.

• _{Källor: National Transportation Library http://ntl.bts.gov/}