El río magnético es un sistema de levitación magnética electrodinámica (maglev) diseñado por Fredrick Eastham y Eric Laithwaite en 1974. Consiste en una delgada placa conductora sobre un motor de inducción lineal de CA. Debido al flujo transversal y la geometría, esto le da sustentación, estabilidad y propulsión, además de ser relativamente [ vago ] eficiente. El nombre hace referencia a la acción que proporciona estabilidad a lo largo del eje longitudinal, que actúa de manera similar al flujo de agua en un río.
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Un motor de inducción lineal (LIM) es esencialmente un motor de inducción convencional con su primario "desenrollado" y colocado en posición plana. El rotor, que normalmente consta de una serie de conductores enrollados en algún tipo de forma, se reemplaza por una lámina de metal magnéticamente susceptible. Debido a su buena relación entre conductancia y peso, casi siempre se utiliza aluminio para esta "placa del estator". Cuando los primarios reciben corriente, inducen un campo magnético en la placa del estator, que genera fuerzas que se alejan de la placa y a lo largo de ella. [1]
La forma más sencilla de utilizar estas fuerzas para producir movimiento lineal es disponer dos de estos motores a cada lado de una única placa del estator. De esa manera, las fuerzas de elevación de un motor son opuestas a las del otro, y sujetar los dos motores juntos da como resultado que no haya fuerza lateral neta (está contenida en la tensión de la abrazadera). Normalmente está dispuesto en un dispositivo en forma de C que se cuelga encima de una placa de estator vertical. Disposiciones de este tipo se pueden ver comúnmente en muchos sistemas de tránsito pioneros de la década de 1960, normalmente pasando por una ranura en el medio del piso del vehículo. [1]
A finales de la década de 1960, se descubrió un defecto fatal en esta disposición del "motor sándwich". La placa del estator no puede estar hecha de una sola pieza, ya que tiene kilómetros de longitud. En cambio, está hecho de muchas placas más pequeñas que luego se sueldan entre sí. La resistencia de estas soldaduras es mucho menor que la de la propia placa y son propensas a romperse en climas fríos. Cuando el vehículo pasa, cualquier desalineación entre el motor y el estator genera enormes fuerzas que empujan la placa hacia el centro del motor. Estas fuerzas pueden ser lo suficientemente grandes como para romper las soldaduras entre las placas o simplemente deformarlas. En este caso, el motor del vehículo que circula detrás puede golpear la placa de forma catastrófica. [2]
Buscando abordar los problemas encontrados en el motor sándwich, a partir de 1967 Eric Laithwaite y su equipo en el Imperial College de Londres comenzaron a experimentar con disposiciones LIM de un solo lado. En esta disposición no hay un conjunto correspondiente de campos magnéticos en el "lado opuesto" del estator, lo que requiere el uso de algún otro sistema para crear una ruta de flujo completa. [3]
Inicialmente, el equipo consideró pequeñas placas de hierro dulce, como las del núcleo de un transformador . El tamaño de la disposición del flujo y, por tanto, el tamaño de las placas de hierro necesarias, era función de la velocidad del vehículo, la frecuencia industrial y el tamaño de los imanes. El tamaño de los imanes es función de la disipación de potencia dentro de ellos y, por lo tanto, tienen un tamaño fijo para cualquier tipo de vehículo; Se necesitan imanes más grandes para niveles de potencia más altos, que se utilizan en vehículos de mayor velocidad. Por tanto, la única variable real es la frecuencia del suministro de energía. En ese momento, la conversión eficiente de frecuencia de alta potencia era costosa y pesada, por lo que utilizar una red eléctrica estándar de 50 Hz era el único sistema práctico. Teniendo en cuenta estos insumos, un LIM de un solo lado exigía un "núcleo" de flujo de unos 30 cm de profundidad, lo que aumentaría enormemente el coste de las vías. [4]
En febrero de 1969, el equipo de Laithwaite logró un gran avance que mejoró la practicidad del LIM de una sola cara para uso a alta velocidad. Se dieron cuenta de que al girar el lado del rotor del motor montado en el vehículo 90 grados, de modo que estuviera alineado "a través" de las pistas en lugar de a lo largo de ellas, el flujo podía extenderse a través de toda la placa del estator, eliminando así los problemas con la profundidad. . Una vez más, una simple y delgada lámina de aluminio serviría como placa de estator adecuada. Como Laithwaite señaló más tarde, no había razón para no considerar este diseño desde el principio, simplemente no había surgido durante el desarrollo del LIM a partir de motores eléctricos rotativos, cuyos primarios estaban alineados "a lo largo" del estator de la misma manera que LIM anteriores. [5] Estos nuevos arreglos se conocieron como máquinas de flujo transversal o TFM . [4]
Durante el desarrollo del TFM, los vehículos maglev fueron un área importante de investigación, especialmente en Alemania . Laithwaite siempre había estado interesado en estos diseños e invirtió algo de esfuerzo en desarrollar sus propias versiones. La mayoría de los sistemas maglev utilizaban una serie de imanes para proporcionar elevación y juegos separados para guiar de lado a lado a lo largo del riel. Todos estos diseños tenían problemas considerables de estabilidad y requerían sistemas electrónicos para mantener la marcha. Laithwaite fue muy crítico con cualquier diseño que utilizara fuerzas atractivas para la elevación y consideró que un sistema repulsivo, que es naturalmente estable, sería un mejor diseño.
Laithwaite desarrolló un maglev de base repulsiva utilizando dos conductores largos colocados a cada lado de una placa de flujo. Los conductores bajaban por la parte superior de la placa desde el extremo, se doblaban 180 grados y luego volvían a lo largo de la parte superior de la placa, formando una larga forma de U. El paso de corriente a través de los bucles de alambre provocaba campos magnéticos que eran repulsivos sobre los bucles y atractivos en el área entre ellos. Esto significaba que si el motor se descentraba en comparación con la placa del estator, naturalmente sentiría una fuerza que lo empujaba hacia el centro. El único inconveniente de este enfoque es que el vehículo en la alineación adecuada siente fuerzas tanto de atracción como de repulsión, lo que significa que se necesita mayor energía para proporcionar la cantidad necesaria de sustentación. El sistema no proporcionaba empuje, sólo elevación, por lo que el equipo propuso colocar un LIM delgado entre las dos bobinas de elevación. [6]
Tom Fellows del equipo Tracked Hovercraft se acercó a Laithwaite para construir un modelo de sistema maglev para la próxima feria comercial Transpo '72 . Utilizando el diseño repulsivo, descubrió que el modelo requería un motor muy ancho, de unos 25 cm para una pista que debía tener sólo 9 m de largo, por lo que Laithwaite comenzó a examinar formas de reducir el tamaño del sistema. Uno de los primeros cambios fue mover los conductores de la parte superior del motor a tener la mitad del bucle debajo de la placa de flujo. Se descubrió que esto provocaba que el sistema se volviera inestable, hasta que alguien accidentalmente conectó los conductores del ascensor en el "camino equivocado", de modo que la corriente fluyó en la misma dirección en los dos bucles. Esto inmediatamente hizo que el sistema se estabilizara. [6]
Cuando Laithwaite contrató a una empresa de ingeniería para construir el modelo, se dieron cuenta de que era muy poco probable que una pila de placas de hierro de 9 m de largo sobreviviera intacta al viaje a Estados Unidos. Teniendo en cuenta el problema, Fredrick Eastham consideró dividir la vía en varias secciones, cada una con sus propios circuitos de elevación. Esto llevó a un diseño que utiliza una serie de núcleos de hierro en forma de U con un cable en bucle que crea un flujo en ellos, similar a la mitad del núcleo de un transformador. Cuando se probó esta disposición, se descubrió que proporcionaba sustentación desde ambos brazos de la U, eliminando la necesidad de dos filas de bobinas de elevación. Finalmente, al conectar las U a una fuente de alimentación trifásica, se creó empuje. Este era el río magnético. [6]
En el río magnético, la placa conductora tiene un ancho crítico en relación con los imanes que se encuentran debajo de ella.
Cada fila de imanes del motor lineal tiene dos polos, dispuestos transversalmente al "río" con núcleos en forma de U y excitados con una corriente alterna.
Cuando se activan, los imanes producen un campo transversal oscilante que corta la placa. Luego, la placa genera dos corrientes parásitas, una encima de cada polo.
Sin embargo, el borde reduce el tamaño de la corriente de Foucault en cada lado, ya que interfiere con la corriente circular. Mover la placa hacia un lado aumenta la corriente en un lado, ya que el borde interfiere menos y esto empuja ese lado hacia arriba. Las corrientes también empujan la placa lateralmente hacia el centro, estabilizando el movimiento lateral.
Esta estabilización sólo funciona siempre que la placa no sea ni demasiado ancha ni demasiado estrecha, y también depende en cierta medida de la altura de levitación; la placa debe ser más ancha en elevaciones más altas.