กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 3 นาที

ระบบกันสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิก

การแขวนลอยด้วยไฟฟ้าไดนามิก ( EDS ) เป็นรูปแบบหนึ่งของ การลอยตัวด้วยแม่เหล็ก โดยใช้ตัวนำที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิด กระแสไหลวน ในตัวนำ...

ระบบกันสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิก

ห่วงกระโดดจะยกตัวขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าสลับไหลผ่านขดลวด และแรงทางไฟฟ้าสถิตจะผลักห่วงขึ้นไปด้านบนต้านแรงโน้มถ่วง

การแขวนลอยด้วยไฟฟ้าไดนามิก ( EDS ) เป็นรูปแบบหนึ่งของการลอยตัวด้วยแม่เหล็กโดยใช้ตัวนำที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไหลวนในตัวนำ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ผลักกัน ซึ่งยึดวัตถุทั้งสองให้อยู่ห่างกัน

สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาเหล่านี้อาจเกิดจากการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างวัตถุสองชิ้น ในหลายกรณี สนามแม่เหล็กหนึ่งเป็นสนามแม่เหล็กถาวร เช่นแม่เหล็กถาวรหรือแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดและสนามแม่เหล็กอีกสนามหนึ่งเกิดจากการเหนี่ยวนำจากความเปลี่ยนแปลงของสนามที่เกิดขึ้นเมื่อแม่เหล็กเคลื่อนที่สัมพัทธ์กับตัวนำในวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง

ระบบกันสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิกยังสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อแม่เหล็กไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ในบางกรณีมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นจะสร้างสนามแม่เหล็ก ดังกล่าว

EDS ถูกนำมาใช้ในรถไฟแม่เหล็กเช่น รถไฟSCMaglev ของญี่ปุ่น นอกจากนี้ยังใช้ในตลับลูกปืนแม่เหล็กบางประเภทด้วย

ประเภท

มีการใช้ตัวอย่างในลักษณะนี้มามากมายตลอดหลายปีที่ผ่านมา

เครื่องยกเบดฟอร์ด

ในการกำหนดค่าเบื้องต้นนี้โดย Bedford, Peer และ Tonks ตั้งแต่ปี 1939 แผ่นอลูมิเนียมถูกวางบนขดลวดทรงกระบอกสองอันที่อยู่ร่วมศูนย์กลาง และขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าสลับ เมื่อพารามิเตอร์ถูกต้อง แผ่นจะแสดงการลอยตัวที่เสถียร 6 แกน[ 1 ]

การลอยตัวละลาย

ในช่วงทศวรรษ 1950 ได้มีการพัฒนาเทคนิคที่ทำให้โลหะปริมาณเล็กน้อยลอยตัวและหลอมละลายด้วยสนามแม่เหล็กที่มีความถี่ไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์ ขดลวดเป็นท่อโลหะที่ช่วยให้สารหล่อเย็นไหลเวียนผ่านได้ รูปทรงโดยรวมโดยทั่วไปจะเป็นทรงกรวยที่มีส่วนบนแบนราบ ซึ่งทำให้สามารถใช้บรรยากาศเฉื่อยได้และประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์[ 1 ]

มอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้น

สนามแม่เหล็กจากมอเตอร์เชิงเส้นสร้างกระแสไฟฟ้าในแผ่นอะลูมิเนียมหรือทองแดง ซึ่งก่อให้เกิดแรงยกและแรงขับเคลื่อน

เอริค ไลท์เวทและเพื่อนร่วมงานได้นำเครื่องยกวัตถุแบบเบดฟอร์ดมาพัฒนาและปรับปรุงทีละขั้นตอน

ขั้นแรก พวกเขาทำให้ตัวลอยตัวยาวขึ้นตามแนวแกนหนึ่ง และสามารถสร้างตัวลอยตัวที่มีเสถียรภาพแบบเป็นกลางตามแนวแกนหนึ่ง และมีเสถียรภาพตามแนวแกนอื่นๆ ทั้งหมดได้

การพัฒนาเพิ่มเติมได้แก่ การแทนที่กระแสไฟฟ้าเฟสเดียวด้วยมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นซึ่งรวมคุณสมบัติการลอยตัวและการขับเคลื่อนเข้าด้วยกัน

ต่อมา ระบบ "traverse-flux" ที่ ห้องปฏิบัติการ Imperial College ของเขา เช่นMagnetic riverหลีกเลี่ยงปัญหาส่วนใหญ่ที่ต้องใช้แผ่นเหล็กหนาและยาวเมื่อมีขั้วยาวมาก โดยการปิดเส้นทางฟลักซ์ด้านข้างด้วยการจัดเรียงขั้วยาวสองขั้วตรงข้ามไว้เคียงข้างกัน นอกจากนี้ พวกเขายังสามารถแบ่งขดลวดปฐมภูมิของเลวิเทเตอร์ออกเป็นส่วนๆ ที่สะดวก ทำให้สร้างและขนส่งได้ง่ายขึ้น[ 2 ]

ฟลักซ์เป็นศูนย์

ระบบฟลักซ์ศูนย์ทำงานโดยใช้ขดลวดที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็ก แต่พันเป็นรูปเลข 8 หรือรูปทรงคล้ายกัน เพื่อให้เมื่อมีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างแม่เหล็กและขดลวด แต่ยังคงอยู่ตรงกลาง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเนื่องจากศักย์ไฟฟ้าหักล้างกัน เมื่อขดลวดเคลื่อนที่ออกจากจุดศูนย์กลาง กระแสไฟฟ้าจะไหล และขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แรง ซึ่งจะพยายามดึงระยะห่างกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม

แนวคิดเหล่านี้ถูกเสนอโดยพาวเวลล์และแดนบีในทศวรรษ 1960 โดยพวกเขาระบุว่าสามารถใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในการสร้างแรงดันแม่เหล็กสูงที่จำเป็นได้

อินดักแทร็ก

Inductrack เป็น ระบบ ลอยตัวด้วยแม่เหล็กแบบพาส ซีฟ และปลอดภัยใน กรณีที่เกิดความผิดพลาด โดยใช้เพียงลวดตัวนำที่ไม่ใช้พลังงานในรางและแม่เหล็กถาวร (จัดเรียงเป็นแบบHalbach array ) บนตัวรถเพื่อให้เกิดการลอยตัวด้วยแม่เหล็กรางสามารถมีได้สองแบบ คือ "รางแบบบันได" และ "รางแบบลามิเนต" รางแบบบันไดทำจาก ลวด Litz ที่ไม่ใช้พลังงาน และรางแบบลามิเนตทำจากแผ่นทองแดงหรืออลูมิเนียมซ้อนกัน

มีสองแบบคือ Indutrack I ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อการทำงานที่ความเร็วสูง และ Indutrack II ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าที่ความเร็วต่ำกว่า

แบริ่งไฟฟ้าไดนามิก

ภาพสามมิติของแม่เหล็กวงแหวนที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็กตามแนวแกน ล้อมรอบด้วยทรงกระบอกทองแดง วงแหวนโลหะรอบนอกจะหมุน และกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อมันเบี่ยงเบนจากจุดศูนย์กลางของแม่เหล็กจะผลักมันกลับเข้าสู่แนวเดียวกัน

แบริ่งไฟฟ้าไดนามิก (EDB) เป็นแบริ่งชนิดใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีแม่เหล็กแบบพาสซีฟ EDB ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมในการทำงาน โดยทำงานโดยอาศัยกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากการเคลื่อนที่ ทำให้เกิดแรงดึงกลับ

การใช้งาน

รถไฟแม่เหล็ก

รถไฟ JR Central SCMaglev ใช้ระบบการลอยตัวด้วยไฟฟ้าโดยใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดแบบไม่มีฟลักซ์

ในรถไฟแม่เหล็กไฟฟ้า EDS ทั้งรางและตัวรถไฟจะสร้างสนามแม่เหล็ก และรถไฟจะลอยตัวได้ด้วยแรงผลักระหว่างสนามแม่เหล็กเหล่านี้ สนามแม่เหล็กในรถไฟเกิดจากแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (เช่นในSCMaglev ) หรือจากชุดแม่เหล็กถาวร (เช่นในInductrack ) แรงผลักในรางเกิดจากสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำในสายไฟหรือแถบตัวนำอื่นๆ ในราง ข้อดีที่สำคัญของระบบแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแรงผลักคือมีความเสถียรโดยธรรมชาติการลดระยะห่างระหว่างรางและแม่เหล็กเพียงเล็กน้อยจะสร้างแรงผลักแม่เหล็กกลับไปยังตำแหน่งเดิม ในขณะที่การเพิ่มระยะห่างเพียงเล็กน้อยจะลดแรงผลักลงอย่างมากและทำให้รถไฟกลับมาอยู่ในระยะห่างที่ถูกต้องอีกครั้ง[ 2 ]ไม่จำเป็นต้องมีการควบคุมแบบป้อนกลับ

ระบบแรงผลักก็มีข้อเสียที่สำคัญเช่นกัน ที่ความเร็วต่ำ กระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในขดลวดเหล่านี้จากการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างช้าๆ เมื่อเทียบกับเวลาไม่มากพอที่จะสร้างแรงผลักทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เพียงพอที่จะรองรับน้ำหนักของรถไฟได้ ยิ่งไปกว่านั้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสำหรับ EDS ที่ความเร็วต่ำก็ต่ำ[ 3 ]ด้วยเหตุนี้ รถไฟจึงต้องมีล้อหรืออุปกรณ์ลงจอดรูปแบบอื่นเพื่อรองรับรถไฟจนกว่าจะถึงความเร็วที่สามารถรักษาการลอยตัวได้ เนื่องจากรถไฟอาจหยุดที่ใดก็ได้เนื่องจากปัญหาอุปกรณ์เป็นต้น ดังนั้นรางทั้งหมดจึงต้องสามารถรองรับการทำงานทั้งที่ความเร็วต่ำและความเร็วสูงได้ ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือ ระบบแรงผลักจะสร้างสนามในรางด้านหน้าและด้านหลังของแม่เหล็กยก ซึ่งจะต้านกับแม่เหล็กและสร้างแรงต้านขึ้น โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้จะเป็นปัญหาเฉพาะที่ความเร็วต่ำเท่านั้น ที่ความเร็วสูงขึ้น ผลกระทบจะไม่มีเวลาเกิดขึ้นจนถึงศักยภาพสูงสุดและแรงต้านรูปแบบอื่นจะเด่นกว่า[ 2 ]

อย่างไรก็ตาม แรงต้านสามารถนำมาใช้ให้เป็นประโยชน์ต่อระบบไฟฟ้าพลศาสตร์ได้ เนื่องจากมันสร้างแรงที่เปลี่ยนแปลงไปในราง ซึ่งสามารถใช้เป็นระบบปฏิกิริยาเพื่อขับเคลื่อนรถไฟได้ โดยไม่จำเป็นต้องมีแผ่นปฏิกิริยาแยกต่างหาก เหมือนในระบบมอเตอร์เชิงเส้นส่วนใหญ่

อีกทางเลือกหนึ่งคือ การใช้ขดลวดขับเคลื่อนบนรางนำทางเพื่อออกแรงกระทำต่อแม่เหล็กในขบวนรถไฟและทำให้รถไฟเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ขดลวดขับเคลื่อนที่ออกแรงกระทำต่อรถไฟนั้นเปรียบเสมือนมอเตอร์เชิงเส้นกล่าวคือ กระแสสลับที่ไหลผ่านขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องซึ่งเคลื่อนที่ไปข้างหน้าตามราง ความถี่ของกระแสสลับจะถูกปรับให้ตรงกับความเร็วของรถไฟ ความแตกต่างระหว่างสนามแม่เหล็กที่แม่เหล็กกระทำต่อรถไฟและสนามแม่เหล็กที่ใช้จะสร้างแรงผลักดันให้รถไฟเคลื่อนที่ไปข้างหน้า

หลักการ

กราฟแสดงแรงลอยตัวและแรงผลักของมอเตอร์เชิงเส้น

เมื่อวงจรนำไฟฟ้าสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง ตามกฎของเลนซ์และกฎของฟาราเดย์สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) รอบวงจร สำหรับการกระตุ้นแบบไซน์ แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้จะมีเฟสล่วงหน้าสนาม 90 องศา โดยจะมีค่าสูงสุด ณ จุดที่การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเร็วที่สุด (ไม่ใช่ ณ จุดที่แรงที่สุด)

อี=เอ็นΦบีที{\displaystyle {\mathcal {E}}=-N{{d\Phi _{B}} \over dt}}[ 4 ]

โดยที่Nคือจำนวนรอบของลวด (สำหรับวงจรแบบง่ายจะมีจำนวนรอบเท่ากับ 1) และ Φ คือฟลักซ์แม่เหล็กในหน่วยเวเบอร์ที่ผ่านวงจรเดี่ยว

เนื่องจากสนามและศักย์ไฟฟ้ามีเฟสต่างกัน จึงเกิดทั้งแรงดึงดูดและแรงผลัก และอาจคาดได้ว่าไม่มีแรงยกสุทธิเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะทำมุม 90 องศา กับสนามแม่เหล็กที่ใช้ แต่ลูปก็ยังมีค่าความเหนี่ยวนำอยู่ดี ค่าความต้านทานเหนี่ยวนำนี้มีแนวโน้มที่จะทำให้กระแสสูงสุดล่าช้าออกไป โดยมีมุมเฟสขึ้นอยู่กับความถี่ (เนื่องจากค่าความต้านทานเหนี่ยวนำของลูปใดๆ จะเพิ่มขึ้นตามความถี่)

เค=อาร์+ฉันωแอล{\displaystyle K=R+i\omega L\,}

โดยที่ K คืออิมพีแดนซ์ของขดลวด L คือตัวเหนี่ยวนำ และ R คือความต้านทาน เฟสลีดที่แท้จริงสามารถหาได้จากค่าแทนเจนต์ผกผันของผลคูณ ωL/R ซึ่งก็คือค่าเฟสลีดมาตรฐานที่พบในวงจร RL แบบลูปเดียว

แต่:

อี=ฉันเค{\displaystyle {\คณิตศาสตร์ {E}}=IK}

โดยที่ I คือกระแสไฟฟ้า

ดังนั้นที่ความถี่ต่ำ เฟสส่วนใหญ่จะตั้งฉากกันและกระแสไฟฟ้าจะต่ำ และไม่เกิดแรงยกที่สำคัญ แต่ที่ความถี่สูงเพียงพอ อิมพีแดนซ์เหนี่ยวนำจะมีบทบาทสำคัญ และกระแสไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กที่ใช้จะอยู่ในแนวเดียวกัน และกระแสไฟฟ้านี้จะสร้างสนามแม่เหล็กที่ตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กที่ใช้ ซึ่งทำให้เกิดการลอยตัวได้

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอิมพีแดนซ์เหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความถี่ ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจึงเพิ่มขึ้นตามไปด้วย กระแสจึงมีแนวโน้มเข้าสู่ค่าจำกัดเมื่อความต้านทานมีค่าน้อยเมื่อเทียบกับอิมพีแดนซ์เหนี่ยวนำ ซึ่งสิ่งนี้ก็จำกัดแรงยกด้วยเช่นกัน กำลังที่ใช้ในการลอยตัวจึงค่อนข้างคงที่เมื่อเทียบกับความถี่ อย่างไรก็ตาม ยังมีกระแสไหลวนเกิดขึ้นเนื่องจากขนาดที่จำกัดของตัวนำที่ใช้ในขดลวด และกระแสเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามความถี่

เนื่องจากพลังงานที่เก็บไว้ในช่องว่างอากาศสามารถคำนวณได้จาก HB/2 (หรือ μ H 2 /2) คูณด้วยปริมาตรช่องว่างอากาศ แรงที่กระทำผ่านช่องว่างอากาศในทิศทางตั้งฉากกับน้ำหนักบรรทุก ( กล่าวคือแรงที่ต้านแรงโน้มถ่วงโดยตรง) จะได้จากอนุพันธ์เชิงพื้นที่ (= เกรเดียนต์ ) ของพลังงานนั้น ปริมาตรช่องว่างอากาศเท่ากับพื้นที่หน้าตัดคูณด้วยความกว้างของช่องว่างอากาศ ดังนั้นความกว้างจึงตัดกันไป เหลือเพียงแรงแขวนลอยเท่ากับ μ H 2 /2 คูณด้วยพื้นที่หน้าตัดของช่องว่างอากาศ ซึ่งหมายความว่าน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่รับได้จะแปรผันตามกำลังสองของความหนาแน่นสนามแม่เหล็กของแม่เหล็ก ไม่ว่าจะเป็นแม่เหล็กถาวรหรือไม่ก็ตาม และแปรผันโดยตรงกับพื้นที่หน้าตัด

ความเสถียร

สถิต

แตกต่างจากการจัดเรียงแม่เหล็กถาวรแบบธรรมดา การลอยตัวด้วยไฟฟ้าสถิตสามารถทำให้มีเสถียรภาพได้ การลอยตัวด้วยไฟฟ้าสถิตโดยใช้ตัวนำโลหะแสดงคุณสมบัติแบบไดอะแมกเนติซึมและสามารถบรรลุค่าความซึมผ่านสัมพัทธ์ได้ประมาณ 0.7 (ขึ้นอยู่กับความถี่และการจัดเรียงตัวนำ) เมื่อพิจารณารายละเอียดของวงจรฮิสเทอรีซิสที่เกี่ยวข้องแล้ว ความแปรผันของพฤติกรรมที่ขึ้นอยู่กับความถี่ควรมีความสำคัญน้อยที่สุดสำหรับวัสดุแม่เหล็กที่น่าจะถูกนำไปใช้งาน

พลวัต

ระบบรถไฟแม่เหล็กแบบนี้อาจทำให้วัตถุที่ลอยอยู่เกิดการสั่นสะเทือนเนื่องจากแรงต้านอากาศ และการสั่นสะเทือนนี้มักเกิดขึ้นด้วยความเร็วสูงมาก การสั่นสะเทือนเหล่านี้อาจร้ายแรงและทำให้ระบบกันสะเทือนเสียหายได้

อย่างไรก็ตาม การลดการสั่นสะเทือนในระดับระบบโดยธรรมชาติสามารถป้องกันไม่ให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้บ่อยครั้ง โดยเฉพาะในระบบขนาดใหญ่[ 5 ]

อีกทางเลือกหนึ่ง การเพิ่มแดมเปอร์มวลปรับจูน น้ำหนักเบา สามารถป้องกันไม่ให้การสั่นสะเทือนกลายเป็นปัญหาได้[ 6 ]

สามารถใช้การรักษาเสถียรภาพทางอิเล็กทรอนิกส์ได้เช่นกัน[ 7 ]

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ระบบกันสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิก

การแขวนลอยด้วยไฟฟ้าไดนามิก ( EDS ) เป็นรูปแบบหนึ่งของ การลอยตัวด้วยแม่เหล็ก โดยใช้ตัวนำที่สัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ซึ่งจะเหนี่ยวนำให้เกิด กระแสไหลวน ในตัวนำ...

ประเภท

มีการใช้ตัวอย่างในลักษณะนี้มามากมายตลอดหลายปีที่ผ่านมา

เครื่องยกเบดฟอร์ด

ในการกำหนดค่าเบื้องต้นนี้โดย Bedford, Peer และ Tonks ตั้งแต่ปี 1939 แผ่นอลูมิเนียมถูกวางบนขดลวดทรงกระบอกสองอันที่อยู่ร่วมศูนย์กลาง และขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าสลับ เมื่อพารามิเตอร์ถูกต้อง แผ่นจะแสดงการลอยตัวที่เสถียร 6 แกน [ 1 ]

การลอยตัวละลาย

ในช่วงทศวรรษ 1950 ได้มีการพัฒนาเทคนิคที่ทำให้โลหะปริมาณเล็กน้อยลอยตัวและหลอมละลายด้วยสนามแม่เหล็กที่มีความถี่ไม่กี่สิบกิโลเฮิร์ตซ์ ขดลวดเป็นท่อโลหะที่ช่วยให้สารหล่อเย็นไหลเวียนผ่านได้ รูปทรงโดยรวมโดยทั่วไปจะเป็นทรงกรวยที่มีส่วนบนแบนราบ...