Inductrack

Inductrack on passiivinen magneettisen levitaation toteutus. Inductrack radassa on kapeita poikittaisia johdinsilmukoita. Levitoivassa vaunussa on kestomagneetteja Halbach-asetelmassa, jossa kestomagneettien magneettivuot pullistuvat rataa päin. Vaunun ollessa paikallaan lepotilassa magneettilevitaatio ei toimi vaan vaunu lepää laakeroitujen pyörien päällä. Kun vaunu kiihdytetään riittävän suureen vauhtiin, levitaatio alkaa toimia, ja vaunu nousee magneettikentän varaan. Magneettisen nosteen tuottamisesta aiheutuva liikettä vastustava voima on pieni. Nosteen ja kulkuvastuksen suhde 500 km/h nopeudessa on noin 200:1 joka on paljon suurempi kuin millään lentokoneella, mutta toisaalta pienempi kuin teräskiskoilla kulkevan teräspyöräisen junan, jonka nosteen ja kulkuvastuksen suhde on noin 1 000:1. Toiminta perustuu kestomagneettien aiheuttamaan itseinduktioon radan johdinsilmukoissa, ja vastakkaiset magneettivuot aiheuttavat hylkivän voiman, joka kannattelee vaunuja.
Inductrackin (tai Inductrakin) keksi Kaliforniassa sijaitsevan Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion tutkijaryhmä, jota johti fyysikko Richard F. Post, maglev-junissa käytettäväksi. Se perustuu teknologiaan, jota käytetään vauhtipyörän leijuttamiseen. Vakionopeudella tarvitaan virtaa vain junan työntämiseen eteenpäin ilmanvastuksen ja sähkömagneettisen vastuksen voittamiseksi. Vähimmäisnopeuden yläpuolella junan nopeuden kasvaessa leijuntaväli, nostovoima ja käytetty teho ovat suurelta osin vakioita. Järjestelmä voi nostaa 50 kertaa magneetin painon.
Kuvaus.
Nimi induktiorata tulee sanasta induktanssi tai induktori; sähkölaite, joka on valmistettu lankasilmukoista. Kun Halbachin magneettiryhmä kulkee lankasilmukoiden yli, kentän sinimuotoiset vaihtelut indusoivat jännitteen kiskon käämeihin. Pienillä nopeuksilla silmukat ovat suurelta osin resistiivinen impedanssi, joten indusoidut virrat ovat suurimmat siellä, missä kenttä muuttuu nopeimmin, eli kentän vähiten voimakkaiden osien ympärillä, jolloin syntyy vain vähän nostetta.
Nopeuden kasvaessa kelojen impedanssi kuitenkin kasvaa suhteessa nopeuteen ja hallitsee kelakokoonpanojen yhdistettyä impedanssia. Tämä viivästyttää virran huippuvaihetta, jolloin radan indusoima virta pyrkii paremmin osumaan yksiin magneettiryhmän kenttäpiikkien kanssa. Kisko luo näin oman magneettikenttänsä, joka on samassa linjassa kestomagneettien kanssa ja hylkii niitä, jolloin syntyy leijuva vaikutus. Kisko voidaan hyvin mallintaa RL-sarjapiirien sarjana.
Kun käytetään neodyymi-rauta-boori-kestomagneetteja, leijuminen saavutetaan alhaisilla nopeuksilla. Testimalli leijui yli 35 km/h (22 mph) nopeudella, mutta Richard Post uskoo, että todellisilla radoilla leijuminen voitaisiin saavuttaa "jo 1 - 2 mph (1,6 - 3,2 km/h) nopeudella." Siirtymisnopeuden alapuolella magneettinen vastus kasvaa ajoneuvon nopeuden myötä; siirtymisnopeuden yläpuolella magneettinen vastus pienenee nopeuden myötä. Esimerkiksi 500 km/h (310 mph) nopeudella nostovoiman ja vastuksen suhde on 200:1, mikä on paljon korkeampi kuin missään lentokoneessa, mutta paljon alhaisempi kuin klassisessa teräspyörän ja teräskiskon yhdistelmässä, jossa saavutetaan arvo 1000:1 (vierintävastus). Tämä johtuu siitä, että induktiivinen impedanssi kasvaa samassa suhteessa nopeuden kanssa, mikä kompensoi käämien havaitseman kentän nopeamman muutosnopeuden, jolloin virran virtaus ja leijunnan tehonkulutus pysyvät vakiona.
Inductrack II -muunnoksessa käytetään kahta Halbach-joukkoa, toinen radan yläpuolella ja toinen radan alapuolella, jolloin magneettikenttä kaksinkertaistuu ilman, että joukon paino tai pinta-ala kasvaa merkittävästi, ja samalla vähennetään vastusta alhaisilla nopeuksilla.
Useat maglev-rataa koskevat ehdotukset perustuvat Inductrack-tekniikkaan. Yhdysvaltain kansallinen ilmailu- ja avaruushallinto (NASA) harkitsee myös Inductrack-tekniikkaa avaruuslentokoneiden laukaisuun.
General Atomics kehittää Inductrack-teknologiaa yhteistyössä useiden tutkimuskumppaneiden kanssa.
InducTrackin kehitys.
Sovelluksesta riippuen nostovoiman ja vastuksen suhdetta suositaan alhaisella tai korkeammalla nopeudella. Inductrackin kolme variaatiota on suunniteltu eri tarkoituksiin. Inductrack I on suunniteltu suurnopeusjunia varten. Nostovastussuhde pienenee nopeuden kasvaessa. Inductrack II -mallissa on paremmat leijuntaominaisuudet suhteellisen alhaisella nopeudella käytettäväksi yksilöliikenteessä (PRT) tai kaupunkiliikenteessä, ja siinä käytetään konsolista kiskoa. InducTrack III on suunniteltu suurille kuormille ja rahdille, ja sen raide on vain osittain konsolista, jotta se kestää suuria kuormia.
Vaimennus.
Aktiivista vaimennusta ei ole, ja vaimennus johtuu ainoastaan raiteen geometriasta. Testit ovat osoittaneet, että matalataajuisia värähtelyjä (1 Hz) esiintyy, ja Yhdysvalloissa on myönnetty patentti (7478598), joka koskee itse raiteen mekaanista vaimennusta (Inductrack II:ssa). Kisko leikataan segmentteihin ja jokainen segmentti vaimennetaan mekaanisesti.
Sovellukset.
Hyperloop Transportation Technologies ilmoitti maaliskuussa 2016 käyttävänsä passiivisia Inductrack-järjestelmiä Hyperloop-järjestelmässään.