รถไฟแม่เหล็ก (Magnetic River) เป็น ระบบ การลอยตัวด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (maglev) ที่ออกแบบโดยFredrick EasthamและEric Laithwaiteในปี 1974 ประกอบด้วยแผ่นตัวนำบางๆ บนมอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้นกระแสสลับ (AC linear induction motor ) เนื่องจากฟลักซ์ตามขวางและรูปทรงเรขาคณิต ทำให้เกิดแรงยก ความเสถียร และแรงขับเคลื่อน ชื่อนี้หมายถึงการทำงานที่ให้ความเสถียรตามแนวแกนยาว ซึ่งทำงานคล้ายกับการไหลของน้ำในแม่น้ำ

มอเตอร์เหนี่ยวนำเชิงเส้น (LIM) โดยพื้นฐานแล้วคือมอเตอร์เหนี่ยวนำ แบบธรรมดา ที่มีขดลวดปฐมภูมิ "คลายออก" และวางราบ โรเตอร์ซึ่งโดยปกติประกอบด้วยตัวนำหลายชุดที่พันอยู่บนรูปทรงบางชนิด จะถูกแทนที่ด้วยแผ่นโลหะที่ไวต่อสนามแม่เหล็ก เนื่องจากมีอัตราส่วนการนำไฟฟ้าต่อน้ำหนักที่ดี อะลูมิเนียมจึงมักถูกใช้สำหรับ " แผ่น สเตเตอร์ " นี้ เมื่อขดลวดปฐมภูมิได้รับกระแสไฟฟ้า พวกมันจะเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในแผ่นสเตเตอร์ ซึ่งสร้างแรงออกจากแผ่นและไปตามแผ่น^{[ 1 ]}

วิธีที่ง่ายที่สุดในการใช้แรงเหล่านี้เพื่อสร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นคือการจัดเรียงมอเตอร์ดังกล่าวสองตัวไว้ที่ด้านใดด้านหนึ่งของแผ่นสเตเตอร์แผ่นเดียว ด้วยวิธีนี้ แรงยกจากมอเตอร์ตัวหนึ่งจะตรงข้ามกับอีกตัวหนึ่ง และการหนีบมอเตอร์ทั้งสองเข้าด้วยกันจะทำให้ไม่มีแรงด้านข้างสุทธิ (แรงนั้นถูกจำกัดอยู่ในความเค้นของการหนีบ) โดยปกติจะจัดเรียงในอุปกรณ์รูปตัว C ซึ่งแขวนอยู่เหนือแผ่นสเตเตอร์แนวตั้ง การจัดเรียงแบบนี้สามารถพบเห็นได้ทั่วไปในระบบขนส่งมวลชนรุ่นบุกเบิกหลายแห่งตั้งแต่ทศวรรษ 1960 โดยปกติจะวิ่งผ่านช่องตรงกลางพื้นรถ^{[ 1 ]}

ในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ข้อบกพร่องร้ายแรงในโครงสร้าง "มอเตอร์แบบแซนด์วิช" นี้ได้ถูกค้นพบ แผ่นสเตเตอร์ไม่สามารถหล่อขึ้นรูปเป็นชิ้นเดียวได้ เนื่องจากมีความยาวหลายกิโลเมตร แต่กลับทำจากแผ่นเล็กๆ หลายแผ่นที่เชื่อมต่อกัน ความแข็งแรงของรอยเชื่อมเหล่านี้น้อยกว่าแผ่นมาก และมีแนวโน้มที่จะแตกหักในสภาพอากาศหนาวเย็น เมื่อรถวิ่งผ่าน การเยื้องศูนย์ระหว่างมอเตอร์และสเตเตอร์จะทำให้เกิดแรงมหาศาล ผลักแผ่นกลับเข้าที่ศูนย์กลางของมอเตอร์ แรงเหล่านี้อาจมากพอที่จะทำให้รอยเชื่อมระหว่างแผ่นแตก หรือทำให้แผ่นเสียรูป ในกรณีนี้ มอเตอร์ของรถที่วิ่งตามมาอาจชนกับแผ่น ทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรงได้^{[ 2 ]}

เพื่อแก้ไขปัญหาที่พบในมอเตอร์แบบแซนด์วิช ตั้งแต่ปี 1967 เอริค ไลท์เวทและทีมงานของเขาที่อิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนได้เริ่มทดลองกับโครงสร้าง LIM ด้านเดียว ในโครงสร้างนี้ไม่มีชุดสนามแม่เหล็กที่สอดคล้องกันบน "ด้านไกล" ของสเตเตอร์ ซึ่งต้องใช้ระบบอื่นเพื่อสร้างเส้นทางฟลักซ์ที่สมบูรณ์^{[ 3 ]}

ทีมงานพิจารณาแผ่นเหล็กอ่อนขนาดเล็กในเบื้องต้น เช่นเดียวกับที่ใช้ใน แกน หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดของการจัดเรียงฟลักซ์ และด้วยเหตุนี้ขนาดของแผ่นเหล็กที่ต้องการ จึงขึ้นอยู่กับความเร็วของยานพาหนะ ความถี่ของกำลังไฟฟ้า และขนาดของแม่เหล็ก ขนาดของแม่เหล็กขึ้นอยู่กับการกระจายพลังงานภายในแม่เหล็ก ดังนั้นจึงมีขนาดคงที่สำหรับยานพาหนะแต่ละประเภท แม่เหล็กขนาดใหญ่ขึ้นจำเป็นสำหรับระดับพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งใช้กับยานพาหนะที่มีความเร็วสูงกว่า ดังนั้นตัวแปรที่แท้จริงเพียงอย่างเดียวคือความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ ในขณะนั้น การแปลงความถี่กำลังสูงที่มีประสิทธิภาพมีราคาแพงและหนัก ดังนั้นการใช้ไฟเมนมาตรฐาน 50 Hz จึงเป็นระบบเดียวที่ใช้งานได้จริง เมื่อพิจารณาข้อมูลนำเข้าเหล่านี้ LIM ด้านเดียวต้องการ "แกน" ฟลักซ์ที่มีความลึกประมาณ 30 ซม. ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนของรางอย่างมหาศาล^{[ 4 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2512 ทีมของ Laithwaite ได้ค้นพบความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่ช่วยปรับปรุงการใช้งาน LIM ด้านเดียวสำหรับการใช้งานความเร็วสูง พวกเขาพบว่าการหมุนด้านโรเตอร์ที่ติดตั้งบนตัวรถของมอเตอร์ไป 90 องศา เพื่อให้วางตัว "ขวาง" รางแทนที่จะวางตามแนวราง ฟลักซ์จะสามารถกระจายไปทั่วแผ่นสเตเตอร์ทั้งหมดได้ จึงช่วยขจัดปัญหาเรื่องความลึกได้ อีกครั้งหนึ่ง แผ่นอลูมิเนียมบางๆ ก็สามารถใช้เป็นแผ่นสเตเตอร์ที่เหมาะสมได้ ดังที่ Laithwaite ตั้งข้อสังเกตในภายหลังว่า ไม่มีเหตุผลใดที่จะไม่พิจารณาการออกแบบนี้ตั้งแต่เริ่มต้น เพียงแต่ว่ามันไม่ได้ถูกกล่าวถึงในระหว่างการพัฒนา LIM จากมอเตอร์ไฟฟ้าแบบหมุน ซึ่งมีขดลวดปฐมภูมิวางตัว "ตามแนว" สเตเตอร์ในลักษณะเดียวกับ LIM รุ่นก่อนๆ^{[ 5 ]}การจัดเรียงแบบใหม่เหล่านี้เรียกว่า เครื่องจักร ^ฟลักซ์ขวางหรือTFM ^{[ 4} ]

ในระหว่างการพัฒนา TFM ยาน พาหนะระบบ แม่เหล็กยกตัว (maglev ) เป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญ โดยเฉพาะในเยอรมนีไลธ์เวทให้ความสนใจในดีไซน์เหล่านี้มาโดยตลอด และได้ทุ่มเทความพยายามในการพัฒนาระบบของตนเอง ระบบแม่เหล็กยกตัวส่วนใหญ่ใช้แม่เหล็กหลายชุดเพื่อสร้างแรงยก และใช้แม่เหล็กอีกชุดเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ไปตามราง ดีไซน์เหล่านี้ล้วนมีปัญหาเรื่องเสถียรภาพอย่างมาก และจำเป็นต้องใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อรักษาระดับการเคลื่อนที่ ไลธ์เวทวิพากษ์วิจารณ์อย่างรุนแรงต่อดีไซน์ใดๆ ที่ใช้แรงดึงดูดเพื่อสร้างแรงยก และรู้สึกว่าระบบแรงผลัก ซึ่งมีความเสถียรโดยธรรมชาติ จะเป็นดีไซน์ที่ดีกว่า

Laithwaite ได้พัฒนาระบบแม่เหล็กไฟฟ้าแบบผลักโดยใช้ตัวนำยาวสองตัวที่วางอยู่ด้านข้างของแผ่นฟลักซ์ ตัวนำวิ่งลงมาตามด้านบนของแผ่นจากปลายด้านหนึ่ง งอเป็นมุม 180 องศา แล้ววิ่งกลับไปตามด้านบนของแผ่น ทำให้เกิดรูปตัว U ยาว การปล่อยกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีแรงผลักเหนือขดลวด และแรงดึงดูดในบริเวณระหว่างขดลวด ซึ่งหมายความว่าหากมอเตอร์ไม่อยู่ตรงกลางเมื่อเทียบกับแผ่นสเตเตอร์ มันจะรู้สึกถึงแรงดึงกลับไปยังจุดศูนย์กลางโดยธรรมชาติ ข้อเสียเพียงอย่างเดียวของวิธีนี้คือ ยานพาหนะที่อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องจะรู้สึกทั้งแรงดึงดูดและแรงผลัก ซึ่งหมายความว่าต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อให้ได้แรงยกตามที่ต้องการ ระบบนี้ไม่ได้ให้แรงขับ แต่ให้เพียงแรงยก ดังนั้นทีมงานจึงเสนอให้วาง LIM บางๆ ระหว่างขดลวดแรงยกทั้งสอง^{[ 6 ]}

ทอม เฟลโลว์ส จาก ทีม Tracked Hovercraftได้ติดต่อ Laithwaite เพื่อสร้างแบบจำลองระบบ maglev สำหรับ งานแสดงสินค้า Transpo '72 ที่กำลังจะมาถึง โดยใช้การออกแบบแบบผลัก เขาพบว่าแบบจำลองนี้ต้องการมอเตอร์ที่กว้างมาก ประมาณ 25 ซม. สำหรับรางที่มีความยาวเพียง 9 เมตร ดังนั้น Laithwaite จึงเริ่มตรวจสอบวิธีการลดขนาดของระบบ การเปลี่ยนแปลงในช่วงแรกคือการย้ายตัวนำจากที่วางอยู่ด้านบนของมอเตอร์ไปไว้โดยให้ครึ่งหนึ่งของวงจรอยู่ใต้แผ่นฟลักซ์ พบว่าวิธีนี้ทำให้ระบบไม่เสถียร จนกระทั่งมีคนต่อตัวนำยก "ผิดทาง" โดยไม่ได้ตั้งใจ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวกันในสองวงจร ซึ่งทำให้ระบบเสถียรขึ้นทันที^{[ 6 ]}

เมื่อ Laithwaite จ้างบริษัทวิศวกรรมเพื่อสร้างแบบจำลอง พวกเขาสังเกตว่าแผ่นเหล็กที่เรียงซ้อนกันยาว 9 เมตรนั้นไม่น่าจะรอดพ้นจากการเดินทางไปยังสหรัฐอเมริกาได้อย่างสมบูรณ์ เมื่อพิจารณาปัญหานี้ Fredrick Eastham จึงคิดที่จะแบ่งรางออกเป็นหลายส่วน โดยแต่ละส่วนมีห่วงยกของตัวเอง ซึ่งนำไปสู่การออกแบบโดยใช้แกนเหล็กรูปตัว U หลายชุดที่มีลวดวนเป็นวงสร้างฟลักซ์อยู่ภายใน คล้ายกับแกนหม้อแปลงครึ่งหนึ่ง เมื่อทดลองใช้การจัดเรียงนี้ พบว่ามันให้แรงยกจากแขนทั้งสองข้างของตัว U ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ขดลวดยกสองแถว สุดท้าย ด้วยการเชื่อมต่อตัว U เข้ากับแหล่งจ่ายไฟ 3 เฟส จึงเกิดแรงผลักขึ้น นี่คือแม่น้ำแม่เหล็ก^{[ 6 ]}

ในเครื่องสร้างสนามแม่เหล็กแบบแม่น้ำ แผ่นตัวนำจะมีขนาดความกว้างที่สำคัญเมื่อเทียบกับแม่เหล็กที่อยู่ด้านล่าง

แม่เหล็กแต่ละแถวของมอเตอร์เชิงเส้นมีสองขั้ว โดยขั้วจะเรียงตัวขวางกับ "ลำแม่เหล็ก" ที่มีแกนรูปตัว U และถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าสลับ

เมื่อได้รับพลังงาน แม่เหล็กจะสร้างสนามแม่เหล็กตามขวางที่สั่นไหวตัดกับแผ่นโลหะ จากนั้นแผ่นโลหะจะสร้างกระแสไหลวนสองกระแส กระแสหนึ่งอยู่เหนือขั้วแม่เหล็กแต่ละขั้ว

อย่างไรก็ตาม ขอบจะลดขนาดของกระแสไหลวนที่แต่ละด้าน เนื่องจากมันไปรบกวนกระแสหมุนเวียน การเคลื่อนแผ่นโลหะไปด้านข้างจะเพิ่มกระแสที่ด้านใดด้านหนึ่ง เนื่องจากขอบรบกวนน้อยลง และนี่จะผลักด้านนั้นให้สูงขึ้น นอกจากนี้ กระแสยังดึงแผ่นโลหะกลับเข้าหาจุดศูนย์กลางในแนวด้านข้าง ทำให้การเคลื่อนที่ในแนวด้านข้างมีเสถียรภาพมากขึ้น

ระบบการรักษาเสถียรภาพนี้จะใช้ได้ผลก็ต่อเมื่อแผ่นโลหะไม่กว้างหรือแคบเกินไป และยังขึ้นอยู่กับความสูงในการลอยตัวด้วย โดยแผ่นโลหะจะต้องกว้างขึ้นเมื่อยกสูงขึ้น

• วิดีโอจากอิมพีเรียลคอลเลจแสดงปรากฏการณ์แม่น้ำแม่เหล็ก
• คำไว้อาลัยแด่ศาสตราจารย์ เอริค ไลท์เวท