磁気浮上

6軸すべて(自由度; 3並進および3回転)の浮上と制御を成功させるために、永久磁石と電磁石または反磁性または超伝導体の組み合わせ、および引力と反発場に使える。アーンショーの定理から、システムが正常に浮揚するには、少なくとも1つの安定軸が存在する必要がありますが、他の軸は強磁性を使用して安定化できます。

マグレブトレインで使用される主な軸は、サーボ安定化電磁サスペンションです。 (EMS)、電気力学的サスペンション(EDS)。

機械的サポートを備えた磁気疑似浮上の例(木製ロッド)安定性を提供します。

機械的拘束(疑似浮上)編集

安定性のための少量の機械的拘束で、疑似浮揚は比較的簡単なプロセスです。

たとえば、2つの磁石が単一の軸に沿って機械的に拘束され、互いに強く反発するように配置されている場合、これは一方の磁石を他方の上に浮揚させるように機能します。

別のジオメトリは、磁石が引き付けられる場所ですが、ストリングやケーブルなどの引張り部材が接触するのを防ぎます。

別の例としては、シリンダーが魅力的な磁石の下に吊り下げられ、下からニードルベアリングによって安定化されるジッペ式遠心分離機があります。

別の構成は、強磁性のU字型に取り付けられた永久磁石の配列で構成されます。プロファイルと強磁性レールとの結合。磁束は、最初の軸を横切る方向にレールを横切り、U字型のプロファイルに閉ループを作成します。この構成は、最初の軸に沿って安定した平衡を生成し、磁束交差点(最小磁気抵抗)を中心にレールを維持し、磁気的に負荷に耐えることを可能にします。もう一方の軸では、システムはホイールなどの機械的手段によって拘束され、中央に配置されます。

ServomechanismsEdit

トランスラピッドシステムは、サーボ機構を使用して列車を線路の下から引き上げ、高速走行中に一定のギャップを維持します

主な記事:電磁サスペンション

フローティンググローブ。フィードバックループによる磁気浮上。

固定強度の磁石からの引力は、距離が長くなると減少し、距離が近づくと増加します。これは不安定です。安定したシステムの場合、逆のことが必要です。安定した位置からの変動により、システムは目標位置に押し戻されます。

安定した磁気浮上は、浮上する物体の位置と速度を測定することで実現できます。 1つまたは複数の電磁石を継続的に調整してオブジェクトの動きを修正するフィードバックループを使用して、サーボメカニズムを形成します。

これらの種類のシステムでは、多くのシステムが磁気吸引力を使用して重力に逆らって上向きに引っ張っています。横方向の安定性がありますが、磁気吸引と磁気反発の組み合わせを使用して上方に押し上げるものもあります。

どちらのシステムも電磁石サスペンション(EMS)の例を表しています。非常に単純な例として、一部の卓上浮上デモンストレーションではこの原理を使用しています。物体が光線をカットするか、ホール効果センサー方式を使用して物体の位置を測定します。電磁石は浮上している物体の上にあります。電磁石は常にオフになっています。オブジェクトが近づきすぎて、遠くに落ちると再びオンになります。このような単純なシステムはそれほど堅牢ではありません。はるかに効果的な制御システムが存在しますが、これは基本的な考え方を示しています。

EMS磁気浮上列車は、この種の浮上に基づいています。列車は線路を包み込み、下から上に引き上げられます。サーボコントロールは、トラックから一定の距離に安全に保ちます。

誘導電流編集

主な記事:電気力学的サスペンション

これらのスキームは、次の理由による反発により機能します。レンツの法則。導体に時間変化する磁場が発生すると、導体に電流が発生し、反発効果を引き起こす磁場が生成されます。

これらの種類のシステムは通常、固有の安定性。ただし、追加の減衰が必要になる場合もあります。

導体と磁石の間の相対運動編集

銅、アルミニウム、銀などの非常に優れた導電体でできたベースを閉じる場合磁石に対しては、(渦)電流が導体に誘導され、磁場の変化に対抗し、反対の磁場を生成して磁石をはじきます(レンツの法則)。十分に高い移動速度では、吊り下げられた磁石が金属上に浮揚します。または、吊り下げられた金属ではその逆になります。金属から見た周波数の表皮深さより細いワイヤーで作られたリッツ線は、固体導体よりもはるかに効率的に機能します。図8のコイルは、何かを整列させるために使用できます。

特に技術的に興味深いケースは、単極永久磁石の代わりにハルバッハ配列を使用する場合です。これにより、電界強度がほぼ2倍になります。回転すると、渦電流の強度がほぼ2倍になります。正味の効果は、揚力を3倍以上にすることです。 2つの対向するハルバッハ配列を使用すると、磁場がさらに増加します。

ハルバッハ配列は、磁気浮上や、ジャイロスコープ、電気モーター、発電機のスピンドルの安定化にも適しています。

振動する電磁界編集

誘導コンロに誘導された渦電流のおかげで誘導クックトップの上に浮かぶアルミニウム箔。

導体は、交流電流が流れる電磁石の上に浮上させることができます(またはその逆)。これにより、導体に渦電流が発生するため、通常の導体は反磁性体のように動作します。渦電流は磁場に対抗する独自の磁場を生成するため、導電性の物体は電磁石からはじかれ、磁場の磁力線のほとんどは導電性の物体を貫通しなくなります。

この効果強磁性体は電磁石にも強く引き付けられ(高周波では磁場を放出することができますが)、抵抗率が高く渦電流が低くなる傾向があるため、非磁性であるが導電性の高いアルミニウムや銅の材料が必要です。繰り返しになりますが、リッツ線が最良の結果をもたらします。

この効果は、電話帳の中にアルミニウム板を隠すことで電話帳を浮揚させるなどのスタントに使用できます。

高周波(数個)数十キロヘルツ程度)およびキロワットの電力で、るつぼによって金属が汚染されるリスクなしに、浮上溶融を使用して少量の金属を浮上させて溶融することができます。

使用される振動磁場の1つのソースは次のとおりです。リニアインダクションモーター。これは、浮揚と推進力の提供に使用できます。

反磁性的に安定した浮揚編集

指先間で安定して浮上する永久磁石

アーンショーの定理は反磁性体には適用されません。これらは、μr

1(つまり負の磁気感受性)。反磁性浮揚は本質的に安定している可能性があります。

永久磁石は、強力な永久磁石と強力な反磁性体のさまざまな構成によって安定して吊り下げることができます。超伝導磁石を使用する場合、永久磁石の浮揚は、人間の指の水の小さな反磁性によっても安定させることができます。

反磁性浮揚編集

熱分解炭素の反磁性浮揚

反磁性は、それを引き起こす物体の特性です外部から加えられた磁場とは反対の磁場を生成し、それによって材料が磁場によって反発されるようにします。反磁性材料は、磁束線を材料から離れる方向に湾曲させます。具体的には、外部磁場によって核の周りの電子の軌道速度が変化し、磁気双極子モーメントが変化します。

レンツの法則によれば、これは外部磁場に対抗します。ダイアマグネットは磁気透過性のある材料です。 μ0未満(相対透過率1未満)したがって、ダイアマグネティズムは、外部から印加された磁場の存在下で物質によってのみ示される磁性の形態であり、超伝導体ではありますが、ほとんどの材料では一般に非常に弱い効果です。強い効果を発揮します。

直接磁気双極子浮上編集

生きているカエルが内部を浮上します約16テスラの磁場におけるビターソレノイドの直径32mmの垂直ボア

磁気双極子である物質は磁場をはじきます。すべての材料は磁気双極子特性を持っていますが、効果は非常に弱く、通常はオブジェクトの常磁性またはフェロマによって克服されます反対の方法で作用するgneticプロパティ。反磁性成分がより強い材料は、磁石によってはじかれます。

反磁性浮上を使用して、適度に強い永久磁石の上に非常に軽い熱分解グラファイトまたはビスマスを浮上させることができます。水は主に反磁性であるため、この手法は水滴やバッタ、カエル、マウスなどの生きている動物を浮揚させるために使用されてきました。ただし、これに必要な磁場は非常に高く、通常は16テスラの範囲であるため、強磁性体が近くにあると重大な問題が発生します。カエルの浮揚実験で使用されたこの電磁石の操作には、4 MW(4000000ワット)の電力が必要でした。 :5

反磁性浮揚の最小基準はBd B dz =μ0ρgχ{\ displaystyle B {\ frac {dB} {dz}} = \ mu _ {0} \、\ rho \、{\ frac {g} {\ chi}}}、ここで:

ソレノイド磁石のz方向に沿った理想的な条件を想定:

超伝導体編集

主な記事:超反磁性

超伝導体は完全な反磁性体と見なされ、超伝導が最初に形成されるときにマイスナー効果により磁場を完全に放出します。したがって、超伝導浮揚は反磁性浮揚の特定の例と見なすことができます。第二種超伝導体では、超伝導体内の磁束ピン止めにより、磁石の浮揚がさらに安定します。これにより、浮上システムが反転している場合でも、超伝導体が磁場に対して動くのを防ぐ傾向があります。

これらの原理は、EDS(Electrodynamic Suspension)、超伝導ベアリング、フライホイールなどで活用されています。

列車を浮揚させるには、非常に強い磁場が必要です。 JR-マグレブ列車には超伝導磁気コイルがありますが、JR-マグレブ浮上はマイスナー効果によるものではありません。

回転安定化編集

メディアの再生

Levitronブランドのトップは、スピン安定化磁気浮上の例です

主な記事:スピン安定磁気浮上

トロイダル磁場を備えた磁石または適切に組み立てられた磁石のアレイは、ジャイロスコープで1秒で回転させることにより、重力に対して安定して浮上できます。磁石のベースリングによって作成されたトロイダル磁場。ただし、これは歳差運動の速度が上限と下限の両方の臨界しきい値の間にある場合にのみ機能します。安定領域は空間的にも必要な歳差運動の速度でも非常に狭いです。

この現象の最初の発見は1983年にそれに基づいて浮揚装置の特許を取得したバーモント州の発明家であるロイ・M・ハリガンによる。この特許を引用して、回転安定化を使用するいくつかのデバイス(人気のあるLevitronブランドの空中浮揚コマおもちゃなど)が開発されました。非商用デバイスは、大学の研究所向けに作成されており、一般に、安全な公共の相互作用には強力すぎる磁石を使用しています。

強収束編集

主な記事:強収束

アーンショーの理論は厳密には静磁場にのみ適用されます。交互の磁場は、純粋に交互の引力場であっても、安定性を誘導し、磁場を通る軌道を制限して浮上効果を与えることができます。

これは粒子で使用されます帯電した粒子を閉じ込めて持ち上げるための加速器であり、maglevトレインにも提案されています。

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