Suspensión electromagnética

Suspensión electromagnética (EMS) es la levitación magnética de un objeto que se logra alterando constantemente la fuerza de un campo magnético producido por electroimanes utilizando un bucle de retroalimentación. En la mayoría de los casos, el efecto de levitación se debe principalmente a los imanes permanentes, ya que no tienen disipación de energía, y los electroimanes solo se utilizan para estabilizar el efecto.

Según el teorema de Earnshaw, un cuerpo paramagnético no puede descansar en equilibrio estable cuando se lo coloca en cualquier combinación de campos gravitacionales y magnetostáticos. En este tipo de campos existe una condición de equilibrio inestable. Aunque los campos estáticos no pueden brindar estabilidad, el EMS funciona alterando continuamente la corriente enviada a los electroimanes para cambiar la fuerza del campo magnético y permitir que se produzca una levitación estable. En EMS, se utiliza un circuito de retroalimentación que ajusta continuamente uno o más electroimanes para corregir el movimiento del objeto para cancelar la inestabilidad.

Muchos sistemas utilizan la atracción magnética tirando hacia arriba contra la gravedad para este tipo de sistemas, ya que esto proporciona cierta estabilidad lateral inherente, pero algunos usan una combinación de atracción magnética y repulsión magnética para empujar hacia arriba.

La tecnología de levitación magnética es importante porque reduce el consumo de energía, en gran medida reduce la fricción. También evita el desgaste y tiene requisitos de mantenimiento muy bajos. La aplicación de la levitación magnética es más comúnmente conocida por su papel en los trenes maglev.

Historia

Samuel Earnshaw fue quien descubrió en 1839 que “un cuerpo cargado colocado en un campo electrostático no puede levitar en equilibrio estable bajo la influencia de fuerzas eléctricas únicamente”. Asimismo, debido a limitaciones de permitividad, no se puede lograr una suspensión o levitación estable en un campo magnético estático con un sistema de imanes permanentes o electroimanes de corriente fija. La extensión de Braunbeck (1939) establece que un sistema de imanes permanentes también debe contener material diamagnético o un superconductor para obtener una levitación o suspensión magnética estática y estable.

Emile Bachelet aplicó el teorema de Earnshaw y la extensión de Braunbeck y estabilizó la fuerza magnética controlando la intensidad de la corriente y encendiendo y apagando la energía de los electroimanes a las frecuencias deseadas. En marzo de 1912 se le concedió una patente por su “aparato transmisor levitante” (patente nº 1.020.942). Inicialmente se pretendía aplicar su invento a sistemas de transporte de correo más pequeños, pero la aplicación potencial a vehículos más grandes parecidos a trenes es ciertamente evidente.

En 1934, Hermann Kemper aplicó el concepto de Bachelet a gran escala, llamándolo “vehículo monorraíl sin ruedas”. Obtuvo la patente del Reich número 643316 por su invento y muchos también lo consideran el inventor del maglev.

En 1979, el tren Transrapid suspendido electromagnéticamente transportó pasajeros durante algunos meses como demostración en una vía de 908 m en Hamburgo para la primera Exposición Internacional de Transporte (IVA 79).

El primer tren Maglev comercial para servicio de rutina se inauguró en Birmingham, Inglaterra, en 1984, utilizando suspensión electromagnética y un motor de inducción lineal para la propulsión.

Fondo

Electroimanes

Cuando una corriente pasa a través de un cable, se genera un campo magnético alrededor de ese cable. La fuerza del campo magnético generado es proporcional a la corriente que pasa por el cable. Cuando se enrolla un cable, este campo magnético generado se concentra en el centro de la bobina. La intensidad de este campo se puede aumentar considerablemente colocando un material ferromagnético en el centro de la bobina. Este campo se manipula fácilmente pasando una corriente variable por el cable. Por lo tanto, una combinación de imanes permanentes con electroimanes es una disposición óptima para fines de levitación. Para reducir los requisitos de energía promedio, a menudo la suspensión electromagnética se usa solo para estabilizar la levitación, y la sustentación estática contra la gravedad es proporcionada por un sistema de imán permanente secundario, a menudo atraído hacia un material ferromagnético blando relativamente económico, como el hierro o el acero.

Comentarios

La posición del objeto suspendido se puede detectar óptica o magnéticamente; a veces se pueden utilizar otros esquemas.

El circuito de retroalimentación controla el electroimán para intentar mantener el objeto suspendido en la posición correcta.

Sin embargo, el simple hecho de controlar la posición suele provocar inestabilidad, debido a los pequeños retrasos en la inductancia de la bobina y en la detección de la posición. Entonces, en la práctica, el circuito de retroalimentación debe utilizar el cambio de posición a lo largo del tiempo para determinar y amortiguar la velocidad.

Suspensión electromagnética híbrida (H-EMS)

En el siglo XXI ha habido varias propuestas para utilizar la suspensión electromagnética híbrida (también conocida como H-EMS) como una actualización de la configuración EMS clásica agregando imanes permanentes a los electroimanes formando lo que se llama una matriz. de imanes electropermanentes. Se ha demostrado que esta configuración aumenta el espacio de aire y reduce el consumo de energía y está siendo utilizada tanto por expertos en maglev como en hyperloop.

Aplicaciones

Maglev

Maglev (levitación magnética) es un sistema de transporte en el que un vehículo está suspendido sobre un riel guía según el principio de suspensión electromagnética. Maglev tiene la ventaja de ser más silencioso y suave que el transporte sobre ruedas debido a que elimina gran parte del contacto físico entre las ruedas y la vía. Dado que un maglev requiere un riel guía, se usa principalmente en sistemas de transporte sobre rieles como los trenes.

Desde que se inauguró el primer tren maglev comercial en Birmingham, Inglaterra, en 1984, otros sistemas comerciales de trenes maglev EMS, como el M-Bahn y el Transrapid, también se han puesto en uso limitado. (También se han desarrollado e implementado trenes Maglev basados en tecnología de suspensión electrodinámica). Con la posible excepción del Tren Maglev de Shanghai de 30,5 km, no se han construido rutas maglev EMS importantes de larga distancia.

Cojinete magnético activo

Un cojinete magnético activo (AMB) funciona según el principio de suspensión electromagnética y consta de un conjunto de electroimán, un conjunto de amplificadores de potencia que suministran corriente a los electroimanes, un controlador y sensores de espacio con componentes electrónicos asociados para proporcionar la retroalimentación necesaria. para controlar la posición del rotor dentro del espacio. Estos elementos se muestran en el diagrama. Los amplificadores de potencia suministran una corriente de polarización igual a dos pares de electroimanes en lados opuestos de un rotor. Este tira y afloja constante está mediado por el controlador que compensa la corriente de polarización mediante perturbaciones de corriente iguales pero opuestas a medida que el rotor se desvía una pequeña cantidad de su posición central.

Los sensores de separación suelen ser de naturaleza inductiva y detectan en modo diferencial. Los amplificadores de potencia en una aplicación comercial moderna son dispositivos de estado sólido que funcionan en una configuración de modulación de ancho de pulso (PWM). El controlador suele ser un microprocesador o DSP.

Ayuda para el lanzamiento de naves espaciales

La NASA ha estado desarrollando una ayuda de lanzamiento que utiliza un sistema de levitación magnética para impulsar una nave espacial. Los defensores de la ayuda al lanzamiento maglev afirman que ahorra costos de diseño y lanzamiento, al tiempo que proporciona un método de lanzamiento más seguro.