電動サスペンション

電気力学的サスペンション( EDS ) は、時間とともに変化する磁場にさらされる導体がある磁気浮上の一種です。これにより導体に渦電流が誘導され、反発磁場が生成されて 2 つの物体が離れます。

これらの時間的に変化する磁場は、2 つの物体間の相対的な動きによって発生することがあります。多くの場合、一方の磁場は永久磁石や超伝導磁石などの永久磁場であり、もう一方の磁場は磁石がもう一方の物体の導体に対して動くときに発生する磁場の変化から誘導されます。

電気力学的サスペンションは、AC 電源によって駆動される電磁石が変化する磁場を生成するときにも発生する可能性があり、場合によっては、リニア誘導モーターが磁場を生成します。

EDS は、日本のSCMaglevなどの磁気浮上式鉄道に使用されています。また、一部のクラスの磁気浮上軸受にも使用されています。

長年にわたって、この例が数多く使用されてきました。

1939年にベッドフォード、ピア、トンクスが考案したこの初期の構成では、アルミニウム板を2つの同心円筒コイルの上に置き、交流電流で駆動します。パラメータが正しい場合、板は6軸の安定した浮上を示します。^[1]

1950年代には、数十kHzの磁場によって少量の金属を浮上させて溶かす技術が開発されました。コイルは金属パイプで、冷却剤を循環させることができました。全体の形状は一般的に円錐形で、上部は平らでした。これにより不活性雰囲気を使用することができ、商業的に成功しました。^[1]

エリック・レイスウェイト氏とその同僚はベッドフォード浮上装置を採用し、段階的に開発と改良を行いました。

まず、彼らは浮上装置を 1 つの軸に沿って長くし、1 つの軸に沿って中立的に安定し、他のすべての軸に沿って安定した浮上装置を作ることができました。

さらなる開発には、単相励磁電流を浮上と推力を組み合わせた リニア誘導モーターに置き換えることが含まれていました。

後にインペリアル・カレッジ研究所で開発された「トラバース・フラックス」システム、例えばマグネティック・リバーは、非常に長いポールを持つ場合に長くて厚い鉄のバッキングプレートが必要になるという問題のほとんどを、2つの反対側の長いポールを並べて配置することで横方向に磁束経路を閉じることで回避した。また、浮上機の一次側を便利なセクションに分割して、構築と輸送を容易にすることができた。^[2]

ヌルフラックスシステムは、磁場にさらされるコイルが 8 の字型や同様の構成で巻かれているため、磁石とコイルの間に相対的な動きがあっても、中心にある場合は電位が相殺されるため電流は流れません。中心からずれると、電流が流れ、コイルによって強力な磁場が生成され、間隔が回復する傾向があります。

これらの方式は 1960 年代にパウエルとダンビーによって提案され、超伝導磁石を使用して必要な高磁気圧力を生成できることを示唆しました。

インダクトラックは、受動的でフェイルセーフな 磁気浮上システムであり、磁気浮上を実現するために、トラック内の無電力のワイヤループと車両上の永久磁石（ハルバッハ配列に配置）のみを使用します。トラックは、「ラダートラック」と「ラミネートトラック」の 2 つの構成のいずれかになります。ラダートラックは、無電力のリッツ線ケーブルで作られ、ラミネートトラックは、積み重ねられた銅またはアルミニウムシートで作られています。

設計には、高速動作に最適化された Inductrack I と、低速でより効率的な Inductrack II の 2 つがあります。

電磁軸受 (EDB) は、受動磁気技術を採用した新しいタイプの軸受です。EDB の動作には制御電子機器は必要ありません。EDB は、動きによって生成される電流によって復元力が生じ、それを利用して動作します。

EDS 磁気浮上式列車では、レールと列車の両方が磁場を及ぼし、これらの磁場間の反発力によって列車が浮上します。列車内の磁場は、超伝導磁石 ( SCMaglevの場合) または永久磁石の配列 ( Inductrackの場合) によって生成されます。線路内の反発力は、線路内のワイヤまたはその他の導電ストリップの誘導磁場によって生成されます。反発式磁気浮上システムの主な利点は、自然に安定していることです。線路と磁石の距離がわずかに狭まると、磁石を元の位置に戻す強い力が生じ、距離がわずかに広がると力が大幅に減少し、車両は再び適切な間隔に戻ります。^[2]フィードバック制御は必ずしも必要ではありません。

反発システムにも大きな欠点がある。低速では、時間に対する磁束の緩やかな変化によってこれらのコイルに誘導される電流は、列車の重量を支えるのに十分な反発電磁力を生成するには十分ではない。さらに、低速での EDS のエネルギー効率は低い。^[3]このため、列車は、浮上を維持できる速度に達するまで、車輪または他の形式の着陸装置を備えていなければならない。列車は、たとえば機器の問題により、任意の場所で停止する可能性があるため、線路全体が低速と高速の両方の運転をサポートできなければならない。もう 1 つの欠点は、反発システムにより、リフト磁石の前後の線路に自然に磁場が生成され、磁石に逆らって一種の抗力が生じることである。これは通常、低速でのみ問題となる。高速では、効果が最大限に発揮される時間がなく、他の形式の抗力が支配的になる。^[2]

しかし、抗力は電気力学システムの利点として利用することができます。なぜなら、抗力はレールに変化する力を生み出し、ほとんどのリニアモーターシステムのように別個の反動プレートを必要とせずに、列車を駆動するための反動システムとして使用できるからです。

あるいは、ガイドウェイ上の推進コイルを使用して列車内の磁石に力を加え、列車を前進させます。列車に力を加える推進コイルは実質的にリニア モーターです。コイルを流れる交流電流によって、線路に沿って前進する連続的に変化する磁場が生成されます。交流電流の周波数は、列車の速度に合わせて同期されます。列車の磁石によって発生する磁場と適用される磁場のオフセットによって、列車を前進させる力が生まれます。

導電性ループが変化する磁場に遭遇すると、レンツの法則とファラデーの法則により、変化する磁場によって回路の周囲に起電力(EMF) が生成されます。正弦波励起の場合、この EMF は磁場より 90 度位相が進んでおり、変化が最も急速な場所でピークに達します (変化が最も強いときではなく)。

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

ここで、Nはワイヤの巻き数 (単純なループの場合は 1)、Φ _{B は}単一のループを通るウェーバーの磁束です。

磁場と電位の位相がずれているため、引力と反発力の両方が発生し、純揚力は生成されないと予想されるかもしれません。ただし、EMF は印加磁場に対して 90 度ですが、ループには必然的にインダクタンスがあります。この誘導インピーダンスは、周波数に依存する位相角でピーク電流を遅らせる傾向があります (ループの 誘導インピーダンスは周波数とともに増加するため)。

${\displaystyle K=R+i\omega L\,}$

ここで、K はコイルのインピーダンス、L はインダクタンス、R は抵抗であり、実際の位相進みは積 ωL/R の逆正接として導出でき、つまり、単一ループ RL 回路における標準的な位相進みの証拠となります。

しかし：

${\displaystyle {\mathcal {E}}=IK}$

ここで、I は電流です。

したがって、低周波数では位相はほぼ直交し、電流は低下し、大きな揚力は発生しません。しかし、十分に高い周波数では、誘導インピーダンスが優位となり、電流と印加磁場は実質的に一直線になり、この電流は印加磁場と反対の磁場を生成し、これにより浮上が可能になります。

しかし、誘導インピーダンスは周波数に比例して増加するため、EMF も増加するため、抵抗が誘導インピーダンスに比べて小さい場合、電流は制限される傾向があります。これにより、揚力も制限されます。したがって、浮上に使用される電力は、周波数に対してほぼ一定です。ただし、コイルに使用される導体のサイズが限られているため、渦電流も発生し、これは周波数とともに増加し続けます。

エアギャップに蓄えられたエネルギーは HB/2 (または μ ₀ H ² /2) × エアギャップ容積で計算できるため、荷重に垂直な方向にエアギャップ全体に適用される力 (つまり、重力に直接対抗する力) は、そのエネルギーの空間微分 (=勾配) で表されます。エアギャップ容積は断面積 × エアギャップ幅に等しいため、幅は相殺され、μ ₀ H ² /2 × エアギャップ断面積の懸垂力が残ります。つまり、最大耐荷重は永久磁石またはその他の磁石の磁場密度の 2 乗に比例して変化し、断面積に比例して変化します。

単純な永久磁石の構成とは異なり、電気力学的浮上は安定させることができます。金属導体による電気力学的浮上は反磁性の形を示し、約 0.7 の比透磁率を達成できます (周波数と導体の構成によって異なります)。適用可能なヒステリシス ループの詳細を考慮すると、使用される可能性のある磁性材料では、周波数に依存する動作の変動性は最小限の重要性しかありません。

この形式の磁気浮上装置では、浮上した物体が抗力による振動を受ける可能性があり、この振動は常に十分に高い速度で発生します。これらの振動は非常に深刻で、サスペンションの故障を引き起こす可能性があります。

しかし、システムレベルの減衰特性により、特に大規模システムでは、このような現象を回避できることが多い。^[5]

あるいは、軽量の同調質量ダンパーを追加することで、振動が問題になるのを防ぐことができます。^[6]

電子安定化装置も採用される。^[7]

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