La suspensión electrodinámica ( EDS ) es una forma de levitación magnética en la que hay conductores que están 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 en 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 con respecto a un conductor en el otro objeto.
La suspensión electrodinámica también puede ocurrir cuando un electroimán impulsado por una fuente eléctrica de CA produce un campo magnético cambiante; en algunos casos, un motor de inducción lineal genera el campo.
EDS se utiliza para trenes maglev , como el SCMaglev japonés . También se utiliza para algunas clases de cojinetes de levitación magnética.
Se han utilizado muchos ejemplos de esto a lo largo de los años.
En esta configuración inicial 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 una levitación estable de 6 ejes. [1]
En la década de 1950, se desarrolló una técnica en la que pequeñas cantidades de metal se hacían levitar y fundir mediante un campo magnético de unas pocas decenas de kHz. La bobina era un tubo de metal que permitía que el refrigerante circulara a través de él. La forma general era generalmente cónica, con una parte superior plana. Esto permitió emplear una atmósfera inerte y tuvo éxito comercial. [1]
Eric Laithwaite y sus colegas tomaron el levitador Bedford y lo desarrollaron y mejoraron gradualmente.
Primero hicieron que el levitador fuera 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 mayor desarrollo incluyó la sustitución de la corriente energizante monofásica por un motor de inducción lineal que combinaba levitación y empuje.
Los sistemas posteriores de "flujo transversal" en su laboratorio del Imperial College , como el río Magnético, evitaron la mayoría de los problemas de necesitar placas de soporte de hierro largas y gruesas cuando se tenían polos muy largos, al cerrar la trayectoria del flujo lateralmente disponiendo las dos largas y opuestas. polos uno al lado del otro. También pudieron dividir el levitador primario en secciones convenientes que facilitaron su construcción y transporte. [2]
Los sistemas de flujo nulo funcionan al tener bobinas que están expuestas a un campo magnético, pero están enrolladas en figura de 8 y configuraciones similares de modo que cuando hay movimiento relativo entre el imán y las bobinas, pero centradas, no fluye corriente ya que el potencial se cancela. Cuando se desplazan fuera del centro, la corriente fluye y la bobina genera un fuerte campo que tiende a restaurar 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 vía puede tener dos configuraciones: una "vía en escalera" y una "vía laminada". El riel de la escalera está hecho de cables de alambre Litz sin alimentación y el riel laminado está hecho de láminas de cobre o aluminio apiladas.
Hay dos diseños: el Inductrack I, que está optimizado para funcionamiento a alta velocidad, y el Inductrack II, que es más eficiente a velocidades más bajas.
Los rodamientos electrodinámicos (EDB) son un tipo novedoso de rodamiento que es una tecnología magnética pasiva. Los EDB no requieren ningún sistema electrónico de control para funcionar. Funcionan mediante corrientes eléctricas generadas por el movimiento provocando una fuerza restauradora.
En los trenes EDS maglev, tanto el riel como el tren ejercen un campo magnético, y el tren levita 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 serie de imanes permanentes (como en Inductrack ). La fuerza repulsiva en la pista es creada por un campo magnético inducido en cables u otras tiras conductoras en la pista. Una ventaja importante de los sistemas repulsivos Maglev es que son naturalmente estables: un pequeño estrechamiento en la distancia entre la pista y los imanes crea fuertes fuerzas para repeler los imanes 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 es necesario necesariamente un control de retroalimentación.
Los sistemas repulsivos también tienen una desventaja importante. A bajas velocidades, la corriente inducida en estas bobinas por el lento cambio 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 EDS 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 operaciones tanto de baja como de alta velocidad. Otra desventaja es que el sistema repulsivo crea naturalmente un campo en la pista delante y detrás de los imanes de elevación, que actúan contra los imanes y crean una forma de resistencia. Por lo general, esto sólo es un problema a bajas velocidades; a velocidades más altas, el efecto no tiene tiempo de desarrollar todo su 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 motores lineales. sistemas.
Alternativamente, se utilizan bobinas de propulsión en la vía para ejercer una fuerza sobre los imanes del tren y hacer que el tren 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 se sincroniza para que coincida con la velocidad del tren. El desplazamiento entre el campo ejercido por los imanes en el tren y el campo aplicado crea una fuerza que mueve el tren hacia adelante.
Cuando un bucle conductor experimenta un campo magnético cambiante, según la ley de Lenz y la ley de Faraday , el campo magnético cambiante genera una fuerza electromotriz (EMF) alrededor del circuito. Para una excitación sinusoidal, este EMF tiene una fase de 90 grados por delante del campo, alcanzando su punto máximo donde los cambios son más rápidos (en lugar de cuando es más fuerte):
donde N es el número de vueltas de cable (para un bucle simple, esto es 1) y Φ B es el flujo magnético en webers a través de un solo bucle.
Como el campo y los potenciales están desfasados, se producen fuerzas de atracción y repulsión, y se podría esperar que no se generara sustentación neta. Sin embargo, aunque la FEM está a 90 grados con respecto al campo magnético aplicado, el bucle inevitablemente tiene inductancia. Esta impedancia inductiva tiende a retrasar la corriente máxima 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 paso de fase real derivable como la tangente inversa del producto ωL/R, a saber. , la evidencia del cable de fase estándar en un circuito RL de bucle único.
Pero:
donde yo es la corriente.
Así, a bajas frecuencias, las fases son en gran medida ortogonales y las corrientes más bajas, y no se genera ninguna elevación significativa. Pero a una frecuencia suficientemente alta, la impedancia inductiva domina y la corriente y el campo aplicado están prácticamente alineados, y esta corriente genera un campo magnético opuesto al aplicado, y esto permite la levitación.
Sin embargo, dado que la impedancia inductiva aumenta proporcionalmente con la frecuencia, también lo hace la FEM, 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 elevación. Por tanto, la potencia utilizada para la levitación es en gran medida constante con la frecuencia. Sin embargo, también existen corrientes parásitas debido al tamaño finito de los conductores utilizados en las bobinas, y éstas 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) viene 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 suspensiva de μ 0 H 2 /2 veces el área de la sección transversal del entrehierro, que significa que la carga máxima soportable varía como el cuadrado de la densidad del campo magnético del imán, permanente o no, y varía directamente como el área de la sección transversal.
A diferencia de las configuraciones de imanes permanentes simples, la levitación electrodinámica puede estabilizarse. La levitación electrodinámica con conductores metálicos presenta una forma de diamagnetismo y se pueden alcanzar 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 ser de mínima importancia para aquellos materiales magnéticos que probablemente se desplegarán.
Esta forma de maglev puede hacer que el objeto levitado esté sujeto a una oscilación inducida por arrastre, y esta oscilación siempre ocurre a una velocidad suficientemente alta. Estas oscilaciones pueden ser bastante graves y provocar que falle la suspensión.
Sin embargo, la amortiguación inherente a nivel del sistema frecuentemente puede evitar que esto ocurra, particularmente en sistemas a gran escala. [5]
Alternativamente, la adición de amortiguadores de masa sintonizados livianos puede evitar que las oscilaciones sean problemáticas. [6]
También se puede emplear estabilización electrónica. [7]
