El río magnético es un sistema de levitación magnética electrodinámica (maglev) diseñado por Fredrick Eastham y Eric Laithwaite en 1974. Consiste en una placa conductora delgada 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 se refiere 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 dispuesto en posición horizontal. El rotor, que normalmente consta de una serie de conductores enrollados sobre 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 se alimenta corriente a los primarios, 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 un movimiento lineal es colocar dos de estos motores a cada lado de una única placa de estator. De esa manera, las fuerzas de elevación de un motor son opuestas a las del otro y, al sujetar los dos motores juntos, no hay ninguna fuerza lateral neta (está contenida en la tensión de la abrazadera). Esto normalmente se coloca en un dispositivo en forma de C que se cuelga sobre una placa de estator vertical. Disposiciones de este tipo se pueden ver comúnmente en muchos sistemas de transporte pioneros de la década de 1960, que normalmente pasan por una ranura en el medio del piso del vehículo. [1]
A finales de los años 60 se descubrió un defecto fatal en este sistema de "motor sándwich". La placa del estator no puede estar hecha de una sola pieza fundida, ya que tiene kilómetros de longitud. En cambio, está hecha 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, un motor de un vehículo que viene detrás puede golpear la placa, catastróficamente. [2]
En 1967, Eric Laithwaite y su equipo del Imperial College de Londres, con el objetivo de solucionar los problemas encontrados en el motor sándwich, comenzaron a experimentar con dispositivos LIM de un solo lado. En este dispositivo no hay un conjunto correspondiente de campos magnéticos en el "lado más alejado" del estator, lo que requiere que se utilice algún otro sistema para crear una trayectoria de flujo completa. [3]
El equipo inicialmente consideró pequeñas placas de hierro dulce, como las que se encuentran en el núcleo de un transformador . El tamaño de la disposición del flujo, y por lo tanto el tamaño de las placas de hierro requeridas, era una función de la velocidad del vehículo, la frecuencia de la energía y el tamaño de los imanes. El tamaño de los imanes es una función de la disipación de energía dentro de ellos, y por lo tanto son de un tamaño fijo para cualquier tipo de vehículo; se necesitan imanes más grandes para niveles de energía más altos, que se utilizan en vehículos de mayor velocidad. Por lo tanto, la única variable real es la frecuencia de la fuente de alimentación. En ese momento, la conversión eficiente de frecuencia de alta potencia era costosa y pesada, por lo que usar la red eléctrica estándar de 50 Hz era el único sistema práctico. Considerando estas entradas, un LIM de un solo lado exigía un "núcleo" de flujo de unos 30 cm de profundidad, lo que aumentaría enormemente el costo de las vías. [4]
En febrero de 1969, el equipo de Laithwaite hizo un gran avance que mejoró la practicidad del LIM de un solo lado para uso a alta velocidad. Observaron que al girar el lado del rotor montado en el vehículo del motor 90 grados, de modo que estuviera alineado "a lo largo" de las vías en lugar de a lo largo de ellas, el flujo podía extenderse por toda la placa del estator, eliminando así los problemas con la profundidad. Una vez más, una simple lámina delgada de aluminio serviría como una placa de estator apropiada. Como Laithwaite señaló más tarde, no había ninguna razón para no considerar este diseño desde el principio, simplemente no había surgido durante el desarrollo del LIM a partir de motores eléctricos rotativos, que tenían sus primarios alineados "a lo largo" del estator de la misma manera que los LIM anteriores. [5] Estas nuevas disposiciones se conocieron como máquinas de flujo transversal o TFM . [4]
Durante el desarrollo del TFM, los vehículos de levitación magnética 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 de levitación magnética utilizaban una serie de imanes para proporcionar sustentación y conjuntos separados para proporcionar orientación de lado a lado a lo largo del raíl. Todos estos diseños tenían problemas considerables con la estabilidad y requerían sistemas electrónicos para mantener el viaje. Laithwaite era muy crítico con cualquier diseño que utilizara fuerzas de atracción para la sustentación y creía que un sistema repulsivo, que es naturalmente estable, sería un mejor diseño.
Laithwaite desarrolló un sistema de levitación magnética basado en la repulsión, utilizando dos conductores largos colocados a ambos lados de una placa de flujo. Los conductores bajaban por la parte superior de la placa, 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 cable provocaba campos magnéticos que eran repulsivos en los bucles y atractivos en el área entre ellos. Esto significaba que si el motor se descentraba en comparación con la placa del estator, sentiría naturalmente una fuerza que lo empujara hacia el centro. La única desventaja de este enfoque es que el vehículo, correctamente alineado, siente fuerzas tanto atractivas como repulsivas, lo que significa que se necesita más energía para proporcionar la cantidad necesaria de sustentación. El sistema no proporcionaba empuje, solo sustentación, por lo que el equipo propuso colocar un LIM delgado entre las dos bobinas de sustentación. [6]
Tom Fellows, del equipo Tracked Hovercraft, se puso en contacto con Laithwaite para que construyera un modelo de un sistema de levitación magnética 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 iba a tener solo 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 causaba que el sistema se volviera inestable, hasta que alguien accidentalmente conectó los conductores del elevador de la "manera incorrecta" para que la corriente fluyera en la misma dirección en los dos bucles. Esto hizo que el sistema se estabilizara de inmediato. [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 los EE. UU. Teniendo en cuenta el problema, Frederick Eastham consideró dividir la vía en múltiples secciones, cada una con sus propios bucles de sustentación. Esto condujo 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 sustentación. Finalmente, al conectar las U a una fuente de alimentación trifásica, se creó empuje. Este fue 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.
La fila de imanes del motor lineal tiene dos polos cada uno, con los polos dispuestos transversalmente al "río" con núcleos en forma de U y excitados con una corriente alterna.
Al activarse, los imanes generan un campo transversal oscilante que corta la placa, que genera dos corrientes parásitas, una sobre cada polo.
Sin embargo, el borde reduce el tamaño de la corriente de Foucault en cada lado, ya que interfiere con la corriente circular. Al mover la placa lateralmente, aumenta la corriente en un lado, ya que el borde interfiere menos, y esto empuja ese lado hacia arriba. La placa también es empujada lateralmente hacia el centro por las corrientes, lo que estabiliza el movimiento lateral.
Esta estabilización sólo funciona si la placa no es demasiado ancha ni demasiado estrecha y también depende en cierta medida de la altura de levitación: la placa debe ser más ancha para elevaciones más altas.