Historia.
Historia silnika liniowego sięga, co najmniej początku 1840, do prac Charlesa Wheatstone'a w
Wielkiej Brytanii. W 1889 roku Amerykanin Schuyler S. Wheeler i Charles S. Bradley złożyli wniosek o patent na synchroniczne i asynchroniczne silniki liniowe do zasilania systemów kolejowych. Wczesne amerykańskie patenty dla napędzanych silnikiem liniowym pociągów przyznano niemieckiemu wynalazcy Alfreda Zehden w 1902 i 1907. Seria niemieckich patentów dla magnetycznych pociągów napędzanych przez silniki liniowe zostały wydane
Hermann Kemper między 1935 i 1941. W późnych latach 1940, Profesor Eric Laithwaite z Imperial College w Londynie opracował pierwszy pełnowymiarowy działający model.
Powody, dla których stosuje się silniki liniowe w systemach transportu.
Świeżym impulsem dla badań na całym świecie liniowych silników napędzających systemy transportu wyszło z systemów dużej szybkości maglev, z uwagi na potrzebę opracowania nie tylko systemu bezdotykowej lewitacja, ale również bezdotykowego układu napędowego. Silniki liniowe mają zdolność do wytwarzania bezpośredniego ciągu, bez konwersji rotacyjnej energii na energie przełożenia. Jest to główną zaletą systemów transportowych, ponieważ ciąg jest
niezależny od czynnika przyczepności koła do szyny. Z drugiej strony, silniki liniowe pobudzają normalne (prostopadle) siły (Fy i Fz), które mogą być wykorzystywane do wspierania
pojazdu. Tak, więc główne obszary zastosowań systemów Highspeed Maglev z wysokim przyspieszeniem i siłą hamowania znajdują się głównie w sektorze transportu masowego.
Typy silników liniowych w systemach transportu.
Jako typowe dla maszyn wirujących, rozróżnienie między DC i wielofazowych AC. Trójfazowe AC dzielą się na indukcyjne i maszyny synchroniczne.
A. Maszyny o długim i krótkim stojanie.
Długość stojana (aktywna część) w stosunku do biernej części określa rozróżnienie na silniki liniowe o długim i krótkim stojanie. W układzie napędowym liniowym o krótkim stojanie, stojan i przetwornica częstotliwości są zainstalowane na pokładzie pojazdu a część bierna zamontowane wzdłuż toru. W ten sposób, ciężar pojazdu zwiększa się wraz z prędkością, przy czym nakłady na bierne części maszyny pozostają stałe. Ponadto, układ przesyłania energii do zasilania pojazdu przez trakcję jest niezbędny. W układzie napędowym liniowym o długim stojanie wielofazowe uzwojenia pól wędrujących są zainstalowane wzdłuż toru. To uzwojenie zasila poszczególne sekcje poprzez stacjonarny przetwornik mocy. Tak więc, pojazd jest pasywną częścią silnika i nie jest niezbędny to transmitowania energii do pojazdu. Jest to główna przewaga silników o długim stojanie pozwalająca na osiąganie dużych prędkości (do ponad 500 km/h).
B. Maszyny liniowe prądu stałego.
Silniki liniowe DC nie są przystosowane do systemów transportu kolejowego. Ze względu na przemian polaryzacji w części aktywnej, szczotki pomiędzy częścią czynną i bierną powodują iskrzenie. Wypalanie się kolektora skutkuje bardzo dużą potrzebą konserwacji i małą niezawodnością.
C. Liniowe silniki synchroniczne
Liniowe silniki synchroniczne (LSMs) można podzielić na heteropolarne i homopolarne. Pomimo, że zasada działania jest taka sama dla obu obrotowych i liniowych silników synchronicznych, są pewne różnice. Ze względów ekonomicznych, tylko dwie topologie są realizowane w praktyce:
- aktywny-jezdny LSM, z konwencjonalnymi magnesami lub z nadprzewodzącymi uzwojeniami na pokładzie ruchomej części (w pojeździe)
- pasywny-jezdny LSM
Pasywny-jezdny LSM jest z krótkim stojanem. Uzwojenie wielofazowe oraz uzwojenia magnesującesą zintegrowane w jednej jednostce. Całkowite koszty inwestycji są niższe niż w przypadku aktywnego-jezdnego LSM. Pasywna część składa się z biegunów naprzemiennych. (?)
Tylko część pola może być używana do wytwarzania siły ciągu, ze względu na modulację amplitudy pola DC spowodowanego przez reakcję pól generowanych przez uzwojenia. Ten typ maszyny jest bardzo ciężki, dlatego LSM z krótkim stojanem nie jest stosowane w systemach transportowych.
Aktywny-jezdny LSM jest maszyną heteropolarną i może mieć rdzeń żelany lub powietrzny. Typ z rdzeniem żelaznym może mieć magnesy stałe lub elektromagnesy. Normalna siła przyciągania występuje między aktywnymi i pasywnymi częściami maszyny z rdzeniem żelaznym.
D. Podwójnie zasilany silnik liniowy z transferem energii.
Pole podstawowe silnika liniowego jest zainstalowane w torze, podczas gdy drugie pole jest zamontowane w pojeździe. Jeśli zasilanie jest dostarczane do uzwojenia pierwotnego i wtórnego niezależnie sugerując niezależne dostosowanie obecnych wektorów, pojazd może być operowany w trybie asynchronicznym.
Ten tryb pozwala na względny ruch pomiędzy kilkoma pojazdami działającymi na tej samej sekcji długiego stojana. Do tego transfer energii do pojazdu jest niezbędny.
E. LIM
Zasada działania liniowego silnika indukcyjnego (LIM) jest identyczna jak w obrotowym silniku indukcyjnym. Zasada konstrukcja jest taka sama, jak w przypadku klatki wirnika silnika, a tym samym bardzo prosta. Pasywna część składa się z przewodzącego arkusza umieszczonego na żelazie. Wielofazowe uzwojenie czynnej strony powoduje powstanie wędrujących pól elektromagnetycznych. To pole indukuje prądy w pasywnej części, co z kolei rozwija w skutku oddziaływanie pól wędrujących i indukowanych prądów. W silniku liniowym indukcyjnym z krótkim stojanem, energia musi być przesyłana do pojazdu i wydajność jest niższa ze względu na dużą szczelinę powietrza spowodowaną przez tolerancji dla dynamiki jazdy. Z drugiej strony, urządzenie jezdne jest bardzo proste i niedrogie.
W systemach transportu, silniki liniowe indukcyjne z krótkim stojanem są zwykle wykorzystywane do systemów o niskiej prędkości (rys. 6).
F. Zalety i wady.
Zalety mechanicznych liniowych systemów transportowych ponad obrotowe napędzane silnikami wirującymi to:
1) łatwość kontrolowania sił działających na pojazd, zwłaszcza dla systemów z lewitacją magnetyczną.
2) zdolność do wytwarzania ukierunkowanego momentu, bez konwersji energii obrotowej na energię przyłożoną (?), niezależnie od współczynnika przyczepności między kołem a szyną. Pozwala to na elastyczne dopasowanie pomiędzy wyższymi spadkami i niższymi stratami, co definiuje przyspieszenie i stąd wysoka dokładność zatrzymania.
3) Niskie zapotrzebowanie na utrzymanie zestawów kołowych i szyn z powodu braku kontaktu przy otrzymywaniu siły napędowej.
Dodatkowe zalety maszyn synchronicznych o długim stojanie:
4) Instalacja systemu zasilania napędu na torze, a nie na pokładzie pojazdów. Zmniejsza to ciężar pojazdu i umożliwia dopasowanie zasilania do poszczególnych odcinków toru. Więcej mocy jest niezbędne dla odcinków o dużym spadku lub wymagających wysokiego przyspieszenia i mniejszego manewrowania na odcinkach, gdzie prędkość jest stała.
Wady maszyn liniowych zawierają:
1) Szczeliny powietrzne od 10 mm i więcej wymagane są dla pojazdów ze względu na dynamike jazdy i względy bezpieczeństwa. W maszynach wirujących, szczelina powietrzna między stojanem a wirnikiem jest stała i może wynosić nawet 1 mm. Oznacza to, że rezystancja magnetyczna jest większa (mniejsza przepustowość) i sprawność jest mniejsza.
2) Znacznie wyższe straty niż w maszynach wirujących. LIM ma niższą wydajność ze względu na jego działanie końcowe. Niższa sprawność LSM z długim stojanem wynika ze względu na fakt, że pojazd (pasywna część) jest krótszy od aktywnej części silnika.
Główne charakterystyki silników liniowych stosowanych do systemów transportu.
Szczelina powietrzna jest odpowiednia wartość dla siły ciągu pojazdu i sprawności silnika. Ze względu na dynamikę jazdy i niezbędną tolerancję, np. zużycia koła w systemach kolejowych, szczelina jest większa niż w obrotowych maszynach.
Typowe wielkości dla systemów transportu:
LIM z krótkim stojanem i kołami >=12mm
Maglev:
LIM z krótkim stojanem i lewitacją =12 mm
LSM z długim stojanem, żelaznym rdzeniem i lewitujący = 8-12 mm
LSM z długim stojanem, rdzeniem powietrznym i EDS (?) = 10-25 mm
Systemy EMS z wyższymi szczelinami powietrzna sięgającymi od 20 do 25 mm i realną sprawnością mogą być realizowane przez stałe wzbudzenie magnetyczne lub nadprzewodzące wzbudzanie (?).
Aktualny stan silników liniowych w systemach transportu oraz technologia MAGLEV.
A. System transportu.
Liniowe systemy napędzane silnikiem kolejowe są zazwyczaj przyjmowane do systemów masowego tranzytu dla linii metra, zwykle o małej przepustowości, w uzgodnieniu z wysokimi spadkami w istniejącej infrastrukturze w centrach dużych miast. LIM o krótkim stojanie są więc wykorzystywane (rys. 7). Przykładem takiego systemu jest miejskie metro Yokohama. (rys. 8).
B. System MAGLEV.
Istnieją cztery różne linie rozwojowe systemów Maglev (rys. 9):
- Systemy lewitacja elektrodynamiczne z rdzeniem powietrznym z wykorzystaniem LSM z długim stojanem.
- Systemy elektromagnetyczne lewitacja z wykorzystaniem LIM o krótkim stojanie.
- Systemy elektromagnetyczne lewitacja z rdzeniem żelaznym z wykorzystaniem LSM o długim stojanie.
- (Kontrolowane) stały system magnetyczny lewitacja z żelaznym rdzeniem z wykorzystaniem LSM o długim stojanie.
W 1960 w Wielka Brytania przewodziła w badaniach nad systemami Maglev. Eric R. Laithwaite, profesor ciężkiej inżynierii elektrycznej w Imperial College w Londynie, prowadził badania w zakresie liniowego silnika indukcyjnego i opracował praktyczny działający model pojazdu MAGLEV.
W 1969 roku, twórcy z USA James Powell i Gordon Danby, naukowcy z Brookhaven National Laboratory, otrzymali patent na koncepcje Maglev przy użyciu statycznych magnesów do indukowania siły lewitacji elektrodynamicznej.
Na początku 1970 roku, Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonia koncentruje swoje badania i prace rozwojowe na elektromagnetyzmie, używając magnesów nadprzewodzących. Stany Zjednoczone zaczęły projekt Magplane i opracowali, pod przewodnictwem Henryego Kolma i Richarda Thorntona, pierwszy nadprzewodzący magnetycznie lewitujący dużej prędkości prototyp transportu naziemnego, zaprojektowany i zbudowany w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
W Japonii, JR Railway Technical Research Institute (RTRI) opracował nadprzewodnikowy system elektrodynamiczny. Rozwój lewitacji magnetycznej systemu U-shape (MLU) rozpoczął się w 1969 roku i był testowany na torze testowym Miyazaki. W 1979 r. światowy rekord 517 kilometrów na godzinę został osiągnięty.
Równolegle w tym samym czasie, Chubu HSST Development Corporation opracował w 1974 roku High-Speed Surface Transportation HSST01, który lewitował poprzez elektromagnesy, napędzany silnikiem liniowym indukcyjnym o krótkim stojanie.
W Niemczech, AEG-Telefunken, Brown Boveri Cie AG (BBC) und Siemens preferował zasady lewitacji elektrodynamicznej, a w 1972 roku, opracowany wspólnie z Maschinen- und Anlagenfabrik Nu¨rnberg (MAN) the „Erlangen Test Track” and the „EET 01” pojazd, który lewitował przez magnesy nadprzewodzące i był napędzany silnikiem liniowym indukcyjnym o krótkim stojanie.
Messerschmidt-Bo ¨ lkow-Blohm preferował zasadę elektromagnetyczną i w 1971 roku, stworzył Transrapid 01, na podstawie elektromagnesów do lewitacji. W roku 1975, Technical University of Brunswick opracował system M-Bahn wraz z Go ¨ tz Heidelbergu. M-Bahn był to elektromagnetyczny system oparty na magnesach trwałych z otwartą pętlą mechanicznego systemu sterowania. Silniki o długim stojanie użyto do napędu.
W 1977 roku Niemcy postanowili skupić się na silnikach o długim stojanie z żelaznym rdzeniem do systemów lewitacji elektromagnetycznej (Transrapid).
Pierwszym na świecie komercyjnym zautomatyzowanym systemem był Maglev niskiej prędkości, który jeździł od terminala lotniska w Birmingham International Airport do pobliskiego międzynarodowego dworca kolejowego w Birmingham między 1984 i 1995. Elementy tego systemu można zobaczyć w Narodowym Muzeum Kolejnictwa w York, UK.
W latach 1990, Japonia i Niemcy byli bardzo aktywni w rozwoju systemów Maglev, idąc po śladach Stanów Zjednoczonych, Korei Południowej i Chin.
System HSST był testowany na linii testowej Chubu w Nagoya. Pierwsza komercyjna linia systemu HSST zwana Linimo, rozpoczęła obsługę na linii Kyuryo Tobu na przedmieściach Nagoya w Japonii w marcu 2005 r. (ryc. 10 i 11). Ta linia ma 9,0 km długości i składa się z dziewięciu stacji. Jego pojemność wynosi 3500 pasażerów na godzinę. Czas podróży od początku do końca wynosi 15 min, z 6-minutowymi odstępami w szczytowym okresie i 10-minutowych odstępów w okresie poza szczytem. Jego prędkość maksymalna wynosi około 100 kilometrów na godzinę.
W 1997 roku, rozbudowany tor testowy w Yamanashi został otwarty. W tym roku, Japończycy osiągają 550 kilometrów na godzinę (bezzałogowy) i 531 kilometrów na godzinę (załogowych). Prędkość maksymalna do tej pory to 581,7 kilometrów na godzinę (2003) (ryc. 12).
W Niemczech, tor testowy Transrapid został zmodernizowany i Transrapid 08 wraz z ulepszonym systemem napędu i kontroli pracy został przetestowany.
W Stanach Zjednoczonych, Federalna Administracja Transportu prowadzi rozwoj systemu miejskiego MagneMotion Maglev. The MagneMotion Urban Maglev wykorzystuje magnesy stałe w połączeniu z cewkami do kontroli lewitacji elektromagnetycznej. Pozwala to szczelinę magnetyczną nawet do 20 mm [13], co jest zaletą dla dynamiki jazdy. Pojazd jest napędzany silnikiem synchronicznym z długim stojanem. Konstrukcja ta została wykazana w prototypie, a wkrótce będzie działania w Old Dominion University w Norfolk, VA.
General Atomics rozwija systemu Urban Maglev używając zasady lewitacji elektrodynamicznej. Stałe magnesy są zamontowane w pojeździe w oparciu o zasady Halbacha, LSM o długim stojanie jest używany, jako układ napędowy. System elektrodynamiczny jest samo-stabilizujący i pozwala na szczeliny magnetyczne nawet do 25 mm.
Do tej pory, w sektorze transportu masowego, zwykle stosuje się liniowe maszyny indukcyjne o krótkim stojanie, ponieważ są tanie i łatwe do zainstalowania. W sektorze transportu międzymiastowego, gdzie duża prędkość jest zazwyczaj wymagana, liniowe maszyny synchroniczne o długim stojanie są używane, aby uniknąć transferu energii trakcji do pojazdu.
Podsumowanie i perspektywa przyszłości
Poniższa mapa (rys. 14) pokazuje, że systemy transportu napędzane silnikiem liniowym są rozwijane na całym świecie.
Dotychczas systemy kolejowe z indukcyjnym silnikiem liniowym o krótkim stojanie znalazły zastosowanie w Kanadzie i Japonii (system metra i linia Linimo) natomiast systemy z długim stojanem w Chinach (niemiecki Transrapid).
The Canadian Advanced Rapid Transit (ART) jest wykorzystywany w Vancouver, Toronto, Detroit, Nowym Jorku, Pekinie, Yongin i Kuala Lumpur. Pierwsza linia została otwarta na początku lat 80. Najnowsze wprowadzone systemy ART to Everline w Korei Południowej i lotnisko w Pekinie.
Japoński system metra LIM funkcjonował od wczesnych lat 90. Linia w Osace została wprowadzona do użytku w 1990 roku, zaś pierwszy odcinek linii w Tokio otwarto w 1991 roku. Czwartą linią metra z napędem silnika liniowego w Japonii była Nanakuma w Fukuoka - uruchomiona w 2005.
Tabela 1 pokazuje obecne działanie systemu Maglev na całym świecie.
Japoński system Linimo zaczęto obsługiwać w Nagoja w marcu 2005 r. i w ciągu pierwszych siedmiu miesięcy pracy, przewiózł około 20 mln pasażerów.
Niemiecki Transrapid w Szanghaju zaczął działać od 2004 r., a w międzyczasie przewiózł więcej niż 18 mln pasażerów z punktualnością do 99,95%.
W 2004 r. rząd niemiecki sfinansował program rozwoju systemu Maglev by zagwarantować najnowocześniejszą technologię i zoptymalizować system Transrapid w odniesieniu do całości inwestycji i kosztów funkcjonowania systemu.
Japoński system MLU został również dopracowany zwłaszcza z punktu widzenia inwestycji i kosztów działania. Podstawowe technologie, takie jak nadprzewodnictwo zostały zoptymalizowane.
Ponadto, wiele prac badawczo-rozwojowych R&D, których celem jest usprawnianie i doskonalenie techniki, wykorzystano na całym świecie, szczególnie w Stanach Zjednoczonych, Chinach i
Korei Południowej.
Obecnie, istnieje wiele pomysłów, na wykorzystanie silników liniowych o długim stojanie w prywatnym metrze lub zasilanie indukcyjne bezstykowe wzdłuż torów do pomocniczego zasilania pojazdów przez liniowe transformatory [20].
Organizacje środowiskowe ze względu na gwałtownie rozwijający się popyt na transportu wymagają od przyszłych szybkich kolei wysokiej wydajności i pro ekologii.
Technologia systemu MAGLEV może być pomyślnym rozwiązaniem dla nadchodzącego zapotrzebowania ruchu i wyzwań ekologicznych, ponieważ główne zalety wspomnianej technologii są oczywiste:
1) krótki czas podróży z powodu dużej prędkości i / lub wysokiego przyspieszenia;
2) bezpieczeństwo i wygoda dzięki systemowi naprowadzania i lewitacji magnetycznej;
3) niskie koszty eksploatacyjne ze względu na niskie koszty utrzymania torów (bezstykowe) i wysoką wydajność;
4) elastyczne osiowanie ze względu na wysokie spadki, ponieważ nie ma potrzeby przylegania kół i szyn;
5) elastyczne osiowanie, przyjazny dla środowiska dzięki wysokiej wydajności, systemowi wolnemu od emisji, jak również niskiemu poziomowi hałasu, i niezależność trybu energii.
W szczególności kraje o dużych terytoriach lub duże miasta są zainteresowane tą technologią.
We wrześniu 2006, na Międzynarodowej Konferencji na temat magnetycznych systemów lewitacji w Dreźnie, Chiny ogłosiły, że dobrze byłoby rozszerzyć istniejącą linię magnetyczną Transrapid z Szanghaju do lotniska krajowego w Honqiao i dalej do Hangzhou.
W kwietniu 2007 r., Japońska Kolej Centralna ogłosiła plan uruchomienia komercyjnej usługi Maglev między Tokio i Nagoi w 2025 roku.
Obecnie istnieje duża liczba oczekujących projektów na całym świecie, np. w Azji, Ameryce Północnej i Południowej. Najbliższe lata pokażą, czy kolej magnetyczna Maglev czy przynajmniej systemy transportu napędzane silnikiem liniowym ugruntują swoją pozycję na świecie.