La suspensión electrodinámica ( EDS ) es una forma de levitación magnética en la que hay conductores expuestos a campos magnéticos que varían 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 que varían con el tiempo pueden ser causados por el movimiento relativo entre dos objetos. En muchos casos, un campo magnético es un campo permanente, como un imán permanente o un imán superconductor , y el otro campo magnético es inducido por los cambios del campo que ocurren cuando el imán se mueve en relación con un conductor en el otro objeto.
La suspensión electrodinámica también puede ocurrir cuando un electroimán impulsado por una fuente eléctrica de CA produce el campo magnético cambiante; en algunos casos, un motor de inducción lineal genera el campo.
El EDS se utiliza en trenes de levitación magnética , como el SCMaglev japonés . También se utiliza en algunas clases de cojinetes levitados magnéticamente.
Se han utilizado muchos ejemplos de esto a lo largo de los años.
En esta configuración temprana de Bedford, Peer y Tonks de 1939, se coloca una placa de aluminio sobre dos bobinas cilíndricas concéntricas y se acciona con una corriente alterna. Cuando los parámetros son correctos, la placa exhibe levitación estable de 6 ejes. [1]
En la década de 1950 se desarrolló una técnica en la que se hacían levitar y fundir pequeñas cantidades de metal mediante un campo magnético de unas pocas decenas de kHz. La bobina era un tubo de metal que permitía que circulara refrigerante a través de él. La forma general era generalmente cónica, con una parte superior plana. Esto permitía utilizar una atmósfera inerte y tuvo éxito comercial. [1]
Eric Laithwaite y sus colegas tomaron el levitador Bedford y, paso a paso, lo desarrollaron y mejoraron.
Primero hicieron el levitador más largo a lo largo de un eje, y pudieron hacer un levitador que fuera neutralmente estable a lo largo de un eje y estable a lo largo de todos los demás ejes.
Un desarrollo posterior incluyó la sustitución de la corriente eléctrica monofásica por un motor de inducción lineal que combinaba levitación y empuje.
Los sistemas de "flujo transversal" desarrollados posteriormente en su laboratorio del Imperial College , como el Magnetic River, evitaron la mayoría de los problemas que suponía tener placas de soporte de hierro largas y gruesas cuando se tenían polos muy largos, cerrando el camino del flujo lateralmente al disponer los dos polos largos opuestos uno al lado del otro. También pudieron dividir el levitador primario en secciones convenientes que lo hicieron más fácil de construir y transportar. [2]
Los sistemas de flujo nulo funcionan con bobinas expuestas a un campo magnético, pero enrolladas en forma de 8 y configuraciones similares, de modo que cuando hay un movimiento relativo entre el imán y las bobinas, pero centradas, no fluye corriente ya que el potencial se anula. Cuando se desplazan fuera del centro, fluye corriente y la bobina genera un campo fuerte que tiende a restablecer el espaciado.
Estos esquemas fueron propuestos por Powell y Danby en la década de 1960, y sugirieron que se podrían utilizar imanes superconductores para generar la alta presión magnética necesaria.
Inductrack es un sistema de levitación magnética pasivo y a prueba de fallos que utiliza únicamente bucles de cable sin alimentación en la pista e imanes permanentes (dispuestos en matrices Halbach ) en el vehículo para lograr la levitación magnética . La pista puede tener una de dos configuraciones, una "pista de escalera" y una "pista laminada". La pista de escalera está hecha de cables de alambre Litz sin alimentación y la pista laminada está hecha de láminas de cobre o aluminio apiladas.
Hay dos diseños: el Inductrack I, que está optimizado para operación a alta velocidad, y el Inductrack II, que es más eficiente a velocidades más bajas.
Los cojinetes electrodinámicos (EDB) son un nuevo tipo de cojinete que se basa en una tecnología magnética pasiva. Los EDB no requieren ningún sistema electrónico de control para funcionar. Funcionan mediante corrientes eléctricas generadas por el movimiento que provocan una fuerza restauradora.
En los trenes de levitación magnética EDS, tanto el raíl como el tren ejercen un campo magnético, y el tren se eleva por la fuerza repulsiva entre estos campos magnéticos. El campo magnético en el tren es producido por imanes superconductores (como en SCMaglev ) o por una matriz de imanes permanentes (como en Inductrack ). La fuerza repulsiva en la vía es creada por un campo magnético inducido en cables u otras tiras conductoras en la vía. Una ventaja importante de los sistemas de levitación magnética repulsiva es que son naturalmente estables: un pequeño estrechamiento en la distancia entre la vía y los imanes crea fuertes fuerzas para repeler los imanes de regreso a su posición original, mientras que un ligero aumento en la distancia reduce en gran medida la fuerza y nuevamente devuelve el vehículo a la separación correcta. [2] No se necesita necesariamente un control de retroalimentación.
Los sistemas repulsivos también tienen 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 repulsivos electromagnéticos a baja velocidad es baja. [3] Por esta razón, el tren debe tener ruedas o alguna otra forma de tren de aterrizaje para sostener el tren hasta que alcance una velocidad que pueda sostener la levitación. Dado que un tren puede detenerse en cualquier lugar, debido a problemas de equipo, por ejemplo, toda la vía debe poder soportar el funcionamiento tanto a baja velocidad 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 actúan contra los imanes y crean una forma de resistencia. Esto generalmente solo es un problema a bajas velocidades; a velocidades más altas, el efecto no tiene tiempo de desarrollarse hasta su máximo potencial y dominan otras formas de resistencia. [2]
Sin embargo, la fuerza de arrastre se puede utilizar en beneficio del sistema electrodinámico, ya que crea una fuerza variable en los rieles que se puede utilizar como un sistema reaccionario para impulsar el tren, sin la necesidad de una placa de reacción separada, como en la mayoría de los sistemas de motor lineal.
Alternativamente, se utilizan bobinas de propulsión en la vía para ejercer una fuerza sobre los imanes del tren y hacer que este avance. Las bobinas de propulsión que ejercen una fuerza sobre el tren son en realidad un motor lineal : una corriente alterna que fluye a través de las bobinas genera un campo magnético que varía continuamente y que avanza a lo largo de la vía. La frecuencia de la corriente alterna está sincronizada para que coincida con la velocidad del tren. El desfase entre el campo ejercido por los imanes sobre el tren y el campo aplicado crea una fuerza que hace avanzar el tren.
Cuando un circuito conductor experimenta un campo magnético cambiante, según la ley de Lenz y la ley de Faraday , el campo magnético cambiante genera una fuerza electromotriz (FEM) alrededor del circuito. En el caso de una excitación sinusoidal, esta FEM está desfasada 90 grados por delante del campo, y alcanza su punto máximo donde los cambios son más rápidos (en lugar de cuando es más fuerte):
donde N es el número de vueltas de alambre (para un bucle simple 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 producen fuerzas tanto de atracción como de repulsión, y se podría esperar que no se genere ninguna elevación neta. Sin embargo, aunque la FME está a 90 grados del campo magnético aplicado, el bucle inevitablemente tiene inductancia. Esta impedancia inductiva tiende a retrasar la corriente pico, en un ángulo de fase que depende de la frecuencia (ya que la impedancia inductiva de cualquier bucle aumenta con la frecuencia).
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 de adelanto de fase estándar en un circuito RL de bucle único.
Pero:
donde I es la corriente.
Así, a bajas frecuencias, las fases son en gran medida ortogonales y las corrientes más bajas, y no se genera una elevación significativa. Pero a frecuencias suficientemente altas, la impedancia inductiva domina y la corriente y el campo aplicado están prácticamente alineados, y esta corriente genera un campo magnético que se opone al aplicado, y esto permite la levitación.
Sin embargo, como la impedancia inductiva aumenta proporcionalmente con la frecuencia, también lo hace la fuerza electromotriz, 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 en gran medida constante con la frecuencia. Sin embargo, también hay corrientes parásitas debido al tamaño finito de los conductores utilizados en las bobinas, y estas continúan creciendo 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) multiplicado por 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) está 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 de suspensión de μ 0 H 2 /2 multiplicada por el área de la sección transversal del entrehierro, lo que significa que la carga máxima soportable varía con el cuadrado de la densidad del campo magnético del imán, permanente o no, y varía directamente con el área de la sección transversal.
A diferencia de las configuraciones de imanes permanentes simples, la levitación electrodinámica se puede estabilizar. La levitación electrodinámica con conductores metálicos exhibe una forma de diamagnetismo y se pueden lograr permeabilidades relativas de alrededor de 0,7 (dependiendo de la frecuencia y la configuración del conductor). Dados los detalles del bucle de histéresis aplicable, la variabilidad del comportamiento dependiente de la frecuencia debería tener una importancia mínima para aquellos materiales magnéticos que probablemente se utilicen.
Esta forma de levitación magnética puede provocar que el objeto levitado se vea sometido a una oscilación inducida por la resistencia, y esta oscilación siempre se produce a una velocidad suficientemente alta. Estas oscilaciones pueden ser bastante graves y pueden provocar que falle la suspensión.
Sin embargo, la amortiguación inherente a nivel del sistema puede evitar con frecuencia que esto ocurra, particularmente en sistemas de gran escala. [5]
Alternativamente, la adición de amortiguadores de masa livianos y ajustados puede evitar que las oscilaciones sean problemáticas. [6]
También se puede emplear estabilización electrónica. [7]
