miércoles, 6 de mayo de 2015
Trenes de levitación magnética 1
Transrapid -
MAGLEV
El término ‘maglev’ procede de abreviar la expresión ‘magnetic levitation’ y designa a un tipo de transporte que levita en un campo de sustentación magnético, que sirve también para propulsar el vehículo. También es usado el término Transrapid para lo mismo aunque en un principio se reservaba para la tecnología desarrollada en Alemania por el consorcio el consorcio Siemens - ThyssenKrupp.
La levitación magnética tiene numerosas y claras ventajas, particularmente en donde la fricción debe ser reducida o eliminada. En países como Alemania, China y Japón, los trenes de levitación magnética están siendo abordados, probados y construidos.
Actualmente existen ya algunos de
estos trenes en funcionamiento y están previstos nuevos proyectos. Uno de los
más impresionantes será la línea comercial entre las ciudades japonesas de
Tokio y Nagoya, que se espera que circule a 500 kilómetros por hora.
http://www.slate.com/blogs/future_tense/2012/11/30/japan_s_300_mph_maglev_train_why_can_t_the_us_build_high_speed_rail.html
Trenes de levitación magnética 2
Orígenes
La levitación magnética es un fenómeno descubierto aproximadamente en el año 1933 por los científicos Walter Meissner y Robert Ochsenfeld, pero a pesar de los 82 años que cumple, no es aún un tipo de tecnología masiva en el transporte, debido al alto costo que involucra su implementación y mantenimiento.
Tras más de diez años de estudios, Hermann Kemper recibió la primera patente sobre el concepto de un vehículo levitante en 1934. Se tratan pues de los pioneros del concepto “maglev”.
Figura 2: Hermann Kemper y su patente de 1934
http://www.n24.de/n24/Mediathek/Bilderserien/d/200944/transrapid.html
http://www.n24.de/n24/Mediathek/Bilderserien/d/200944/transrapid.html
Trenes de levitación magnética 3
Tecnologías
de levitación
Hoy en día, se conocen unos cuantos mecanismos físicos que permiten mantener un objeto flotando sin contacto mecánico alguno con el suelo. No obstante, cuando se pretende aprovechar este fenómeno para sistemas de interés tecnológico, aparecen serias dificultades. Las aplicaciones basadas en efectos dinámicos (un colchón de aire, por ejemplo) requieren un ingente aporte de energía, y las que tratan de evitar este problema mediante la estática (como las basadas en imanes que se repelen) son altamente inestables. Una mínima perturbación sobre el objeto levitante lo expulsa irreversiblemente de su posición de equilibrio. Sin embrago, las propiedades de atracción-repulsion entre imanes y los materiales superconductores han hecho posibles grandes avances en este campo. El consumo de energía se ha reducido de modo considerable.
La tecnología de levitación magnética, aplicada al ferrocarril, se caracteriza por prescindir del contacto físico entre el tren y la vía por la que circula. La fricción sólo se produce por lo tanto con el aire, por lo que se minimiza el rozamiento al máximo, una ventaja que se trata aún de mejorar dotando a los vehículos de la forma más aerodinámica posible. La suspensión en el aire se alcanza mediante la creación de un conjunto de fuerzas magnéticas.
Actualmente hay dos tecnologías distintas de suspensión o levitación aplicadas a los trenes “maglev”, la EMS (electromagnetic suspension o suspensión electromagnética) o la EDS (electrodynamic suspension o suspensión electrodinámica).
La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas y materiales superconducores. Un sistema utiliza fuerzas atractivas y el otro fuerzas repulsivas.
Trenes de levitación megnética 3.1
Tecnología
EMS
La teoría Electromagnética consigió aunar el campo magnético con el campo eléctrico. Al insertar una tensión o voltaje a un electroimán este crea un campo magnético que puede llegar a ser muy potente. Este concepto de Electromagnetismo de utilización de electroimanes lo usan los trenes “maglev” con la suspensión electromagnética.
Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción, y ya que el carril-guía no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en esa dirección elevando con ellos el tren. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanes encargados de la guía lateral del vehículo están colocados en los laterales del tren (parte superior de la C) de manera que quede garantizado su centrado en la vía (ver apartado 4).
Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremoto podría destruir completamente todo un sistema de líneas “maglev”.
La principal ventaja de las suspensiones EMS es que funcionan a todas las velocidades frente a los sistemas EDS que tienen una velocidad mínima de funcionamiento de 30 Km/h, no requiriéndose por lo tanto de una suspensión independiente para las bajas velocidades.
Otra ventaja de las suspensiones EMS es que usan electroimanes en vez de los complicados imanes superconductores que exige la suspensión EDS. Por no necesitar este sistema de imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración.
La teoría Electromagnética consigió aunar el campo magnético con el campo eléctrico. Al insertar una tensión o voltaje a un electroimán este crea un campo magnético que puede llegar a ser muy potente. Este concepto de Electromagnetismo de utilización de electroimanes lo usan los trenes “maglev” con la suspensión electromagnética.
En el caso del EMS, la parte
inferior del tren queda por debajo de una guía de electroimanes que se llaman railes de reación ferromagnéticos (en verde en la figura 3). Los electroimanes,
solidarios con el chasis del tren, se orientan hacia las guía desde abajo mediante fuerzas atractivas, el tren levita entonces. El
sistema suele tener unos brazos en forma de "C", con la parte superior del brazo
solidario al vagón y la parte inferior conteniendo los elctroimanes. El rail queda
situado dentro de la "C", entre la parte superior y la inferior.
Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción, y ya que el carril-guía no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en esa dirección elevando con ellos el tren. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Unos electroimanes encargados de la guía lateral del vehículo están colocados en los laterales del tren (parte superior de la C) de manera que quede garantizado su centrado en la vía (ver apartado 4).
http://www.odec.ca/projects/2004/leun4m0/public_html/Howitworks.html
Todos los electroimanes son controlados electrónicamente, de una forma muy precisa, para asegurar que se mantega la distancia con los carriles guías incluso cuando esté parado. El sistema de levitación está alimentado por unas baterías que son recargadas por un generador cuando el tren se mueve. El generador consiste en arrolamientos sinuosos de cable integrados en los electroimanes de levitación, la corriente inducida en los mismos se utiliza para recargar las baterías que son capaces de funcionar durante una hora sin ser recargadas.
Los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece. La fuerza de atracción magnética varía con el cubo de la distancia por lo que cambios pequeños entre la separación de los imanes y el raíl provocan fuerzas variables grandes, y aunque la corriente eléctrica circulante en los electroimanes pueda y deba ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o peor aún de que el tren toque las guías. Se requieren por lo tanto sofisticados sistemas de retroalimentación para mantener constante la amplitud del hueco entre vehículo y guía (aproximadamente 10 mm). No puede ampliarse esa distancia porque el costo añadido a los mayores campos magnéticos requeridos haría al sistema prohibitivo.
Los trenes de suspensión EMS sufren ciertas limitaciones, la principal es su inestabilidad. Cuando la distancia entre la guía y los electroimanes disminuye, la fuerza de atracción crece. La fuerza de atracción magnética varía con el cubo de la distancia por lo que cambios pequeños entre la separación de los imanes y el raíl provocan fuerzas variables grandes, y aunque la corriente eléctrica circulante en los electroimanes pueda y deba ser regulada inmediatamente, existe el peligro de que aparezcan vibraciones o peor aún de que el tren toque las guías. Se requieren por lo tanto sofisticados sistemas de retroalimentación para mantener constante la amplitud del hueco entre vehículo y guía (aproximadamente 10 mm). No puede ampliarse esa distancia porque el costo añadido a los mayores campos magnéticos requeridos haría al sistema prohibitivo.
Otra de las limitaciones de este diseño es la enorme precisión necesaria en su construcción. Una pequeña desviación de unos pocos milímetros a lo largo de la estructura del tren puede provocar un desastre. Además, con unas tolerancias tan pequeñas un simple terremoto podría destruir completamente todo un sistema de líneas “maglev”.
La principal ventaja de las suspensiones EMS es que funcionan a todas las velocidades frente a los sistemas EDS que tienen una velocidad mínima de funcionamiento de 30 Km/h, no requiriéndose por lo tanto de una suspensión independiente para las bajas velocidades.
Otra ventaja de las suspensiones EMS es que usan electroimanes en vez de los complicados imanes superconductores que exige la suspensión EDS. Por no necesitar este sistema de imanes superconductores, no son necesarios complicados y costosos sistemas de refrigeración.
Trenes de levitación magnética 3.2
Tecnología EDS
El tren pasa a unos centímetros de
un conjunto de bobinas situadas sobre los carriles guías. Al moverse el vehículo a
lo largo del carril se inducirá una corriente en las bobinas de este, las
cuales actuarán entonces como electroimanes. Al interactuar con los
superconductores montados en el tren, se producirá la levitación.
Debido a que nos basamos en el fenómeno de la inducción, la fuerza de levitación será cero cuando el vehículo se encuentre parado; se requiere por lo tanto unas ruedas neumáticas para cuando el tren circule a baja velocidad. Como la fuerza de levitación aumenta con la velocidad, cuando la velocidad alcanzada por el tren es la suficiente para que este se eleve, las ruedas quedan entonces “en el aire” y por lo tanto, inutilizadas. De la misma manera, cuando la velocidad empieza a disminuir, lo que hace que disminuya la fuerza repulsiva, el tren comienza a descender hasta que las ruedas quedan apoyadas, y así se detiene. Este sistema permite levitaciones de hasta 15 cm, lo cual supera por mucho al sistema EMS. Esto permite hacer guías menos precisas para este tipo de “maglevs” y los protege de los daños que pequeñas deformaciones en terremotos pudieran producir. Además, un tren con suspensión EDS se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera que ninguna perturbación es sentida dentro del vehículo.
Debido a que nos basamos en el fenómeno de la inducción, la fuerza de levitación será cero cuando el vehículo se encuentre parado; se requiere por lo tanto unas ruedas neumáticas para cuando el tren circule a baja velocidad. Como la fuerza de levitación aumenta con la velocidad, cuando la velocidad alcanzada por el tren es la suficiente para que este se eleve, las ruedas quedan entonces “en el aire” y por lo tanto, inutilizadas. De la misma manera, cuando la velocidad empieza a disminuir, lo que hace que disminuya la fuerza repulsiva, el tren comienza a descender hasta que las ruedas quedan apoyadas, y así se detiene. Este sistema permite levitaciones de hasta 15 cm, lo cual supera por mucho al sistema EMS. Esto permite hacer guías menos precisas para este tipo de “maglevs” y los protege de los daños que pequeñas deformaciones en terremotos pudieran producir. Además, un tren con suspensión EDS se amolda a las curvas compensando la aceleración lateral inclinándose, de manera que ninguna perturbación es sentida dentro del vehículo.
El efecto Meissner que se trata, en esencia, de la anulación del campo
magnético en el interior de un material superconductor. Las líneas de fuerza
magnéticas son expulsadas del interior del material cuando este está por debajo
de su temperatura crítica. El nitrógeno líquido es capaz de enfríar a los superconductores a una
temperatura de -183º C. En la foto observamos la levitación sobre un
material superconductor enfriado por debajo de su temperatura crítica de
superconducción.
http://education.mrsec.wisc.edu/238.htm
Una desventaja del sistema EDS son
los grandes costos de los materiales superconductores y de los potentes
sistemas de refrigeración necesarios para mantener a estos a una baja
temperatura, además la utilización directa de superconductores provoca grandes
campos magnéticos dentro del vehículo, o sea la zona donde se encuentran los
pasajeros, por lo que se deben utilizar complejos sistemas de aislamiento de la
radiación magnética (sobre los superconductores). Esto contrasta con el sistema
EMS, en el cual el campo magnético usado para la levitación, guía y propulsión
del tren, se concentra en la brecha entre el vehículo y el carril-guía. Fuera
de esta brecha, la intensidad del campo magnético disminuye de manera tal que
en la cabina donde viajan los pasajeros su intensidad es comparable con la del
campo magnético terrestre.
Aunque el consumo actual de energía del sistema EMS es inferior al del EDS, se espera que, con el avance de las investigaciones en superconductividad, los consumos de las suspensiones EDS bajen considerablemente
Trenes de levitación magnética 4
Guía lateral en los maglev
Los maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética, de un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir.
En la suspensión EMS, se instalan
unos imanes en los laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados
para permitir al tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se
desplace lateralmente, ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se
aleje de la vía, todo ello controlado electrónicamente a través de unos sensores.
En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por debajo del carril-guía formando un lazo, cuando el vehículo se desplaza lateralmente, una corriente eléctrica es inducida en el lazo, lo que da como resultado una fuerza repulsiva del lado más cercano a las bobinas de levitación, obligando al vehículo a centrarse. Si el tren por alguna causa se acercase al carril-guía este respondería con un aumento de la fuerza repulsiva, lo cual equilibraría este acercamiento.
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