자기 부상
Magnetic levitation자기부상(magnetic livation, 자기장) 또는 자기 현탁은 자기장 이외의 지지 없이 물체를 매달아 놓는 방식이다.자력은 중력과 다른 힘의 영향을 상쇄하기 위해 사용된다.
자기 부상과 관련된 두 가지 주요 문제는 인양력입니다. 즉, 중력에 대항하기에 충분한 상승력을 제공하는 것과 안정성이라는 것입니다. 즉, 시스템이 자발적으로 미끄러지거나 리프트가 중화되는 구성으로 넘어지지 않도록 하는 것입니다.
자기부상은 자기부상열차, 비접촉 용해, 자기 베어링 및 제품 디스플레이에 사용됩니다.
들어 올리다
자성 재료와 시스템은 서로 끌어당기거나 밀어낼 수 있으며, 자기장과 자석의 면적에 따라 달라지는 힘으로 서로 밀어낼 수 있습니다.예를 들어, 리프트의 가장 간단한 예는 다른 쌍극자 자석의 자기장에 위치한 단순한 쌍극자 자석으로, 같은 극이 서로 마주보고 있어 자석 사이의 힘이 두 [1]자석을 밀어냅니다.
기본적으로 영구 자석, 전자석, 강자성, 반자성, 초전도 자석 및 도체의 유도 전류에 의한 자기 등 모든 유형의 자석이 자기 부상 시 양력을 발생시키는 데 사용되어 왔습니다.
리프트의 양을 계산하기 위해 자기 압력을 정의할 수 있습니다.
예를 들어, 초전도체의 자기장 압력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
서 Pmag {\는 파스칼 단위 단위 면적당 B(\B)는 테슬라 단위 초전도체 바로 위의 , \0}) = 4µ×10−7 N·A는−2 [2]진공의 투과율이다.
안정성.
언쇼의 정리는 강자성 철과 같은 상사성 물질만을 사용하여 정적 시스템이 중력에 [3]대해 안정적으로 떠다니는 것은 불가능하다는 것을 증명한다.
예를 들어, 두 개의 단순한 쌍극자 자석이 반발하는 리프트의 가장 간단한 예는 매우 불안정합니다. 왜냐하면 상단 자석은 옆으로 미끄러지거나 뒤집힐 수 있고 자석의 어떤 구성도 안정성을 가져올 수 없기 때문입니다.
그러나 서보기계, 반자성 재료의 사용, 초전도 또는 와전류를 포함하는 시스템은 안정성을 달성할 수 있습니다.
경우에 따라서는 자기 부상에 의해 리프팅 힘이 제공되지만, 안정성은 거의 하중을 지지하지 않는 기계적 지지대에 의해 제공됩니다.이를 의사부상이라고 합니다.
정적 안정성
정적 안정성은 안정된 평형에서 벗어난 작은 변위가 순력을 일으켜 평형점으로 밀어내는 것을 의미합니다.
언쇼의 정리는 정적인 거시적 상사성장만을 이용해 안정적으로 떠다니는 것이 불가능하다는 것을 결론적으로 증명했다.중력장, 정전장, 정자기장의 조합에서 어떤 상사성 물체에 작용하는 힘은 기껏해야 물체의 위치를 적어도 하나의 축을 따라 불안정하게 만들 것이며, 모든 축을 따라 불안정한 평형을 유지할 수 있습니다.단, 예를 들어 전자 안정화 또는 반자성 재료(상대적인 자기투과율이 1 미만이기[4] 때문에)의 사용을 가능하게 하는 몇 가지 가능성이 존재한다.반자성 재료는 적어도 1개의 축을 따라 안정적이며 모든 축을 따라 안정될 수 있음을 나타낼 수 있다.도체는 1 미만의 교류 자기장에 대한 상대적인 투과성을 가질 수 있으므로 간단한 AC 구동 전자석을 사용하는 일부 구성은 자체 안정적입니다.
동적 안정성
동적 안정성은 부상 시스템이 발생할 수 있는 진동과 같은 움직임을 감쇠시킬 수 있을 때 발생합니다.
자기장은 보수적인 힘이기 때문에 원칙적으로 댐핑이 내장되어 있지 않으며, 실제로 많은 공중부양 방식이 언더댐핑되어 있고 경우에 따라서는 마이너스 [5]댐핑되어 있습니다.이렇게 하면 진동 모드가 존재하여 물체가 안정적인 영역을 이탈할 수 있습니다.
움직임의 감쇠는 다음과 같은 여러 가지 방법으로 이루어집니다.
방법들
6개의 모든 축(자유도, 3회전, 3회전)을 성공적으로 부상 및 제어하기 위해 영구 자석, 전자석, 반자석 또는 초전도체, 유인장 및 반발장을 조합하여 사용할 수 있습니다.언쇼의 정리에 따르면 시스템이 성공적으로 부상하기 위해서는 적어도 하나의 안정축이 존재해야 하지만, 다른 축은 강자성을 이용하여 안정시킬 수 있다.
자기부상열차에서 주로 사용되는 것은 서보 안정화 전자 서스펜션(EMS), 전기 다이내믹 서스펜션(EDS)입니다.
기계적 구속조건(의사부상)
안정성을 위해 약간의 기계적 제약을 가하면 의사 부상 달성은 비교적 간단한 프로세스입니다.
예를 들어 두 개의 자석이 단일 축을 따라 기계적으로 구속되고 서로를 강하게 밀어내도록 배열되면 자석 중 하나가 다른 자석 위로 부상하게 됩니다.
또 다른 기하학적 구조는 자석을 끌어당기지만 끈이나 케이블과 같은 인장 부재에 의해 접촉하는 것을 막는 것입니다.
또 다른 예로는 흡인 자석 아래에 실린더를 매달아 아래에서 니들 베어링으로 안정시키는 지페식 원심분리기가 있다.
또 다른 구성은 강자성 U자형 프로필에 설치되어 강자성 레일과 결합된 영구 자석 배열로 구성됩니다.자속은 첫 번째 축을 횡단하는 방향으로 레일을 가로지르며 U자형 프로필에 폐쇄 루프를 생성합니다.이 구성은 레일이 플럭스 교차점(최소 자기 저항)을 중심으로 유지되고 자기적으로 하중을 견딜 수 있도록 하는 첫 번째 축을 따라 안정적인 평형을 생성합니다.다른 축에서는 시스템이 구속되고 [6]휠과 같은 기계적 수단에 의해 중심화됩니다.
서보 기구
고정 강도 자석의 인력은 거리가 커질수록 감소하고 거리가 가까워질수록 증가합니다.이거 불안정해.안정적인 시스템을 위해서는 그 반대인 안정된 위치에서 변형된 시스템이 목표 위치로 다시 밀어내야 합니다.
부상하는 물체의 위치 및 속도를 측정하고 1개 이상의 전자석을 연속적으로 조정하여 물체의 움직임을 보정하는 피드백 루프를 사용하여 서보메카니즘을 형성함으로써 안정된 자기부상을 실현할 수 있다.
많은 시스템이 이러한 종류의 시스템에 대해 중력에 대해 위쪽으로 당기는 자기적 인력을 사용합니다. 이는 어느 정도 횡방향 안정성을 제공하기 때문입니다. 그러나 어떤 시스템은 자기적 인력과 자기적 반발력을 조합하여 위쪽으로 당기는 방식을 사용합니다.
두 시스템 모두 전자기 서스펜션(EMS)의 예를 나타냅니다.매우 간단한 예로, 일부 테이블 상판 부상 시연에서는 이 원리를 사용하며, 물체는 광선을 차단하거나 홀 효과 센서 방법을 사용하여 물체의 위치를 측정합니다.전자석은 부상하는 물체 위에 있으며, 물체가 너무 가까이 올 때마다 전자석이 꺼지고 더 멀리 떨어지면 다시 켜집니다.이러한 단순한 시스템은 그다지 견고하지 않다. 훨씬 더 효과적인 제어 시스템이 존재하지만, 이것은 기본적인 아이디어를 보여준다.
EMS 자기부상열차는 다음과 같은 부상에 기초하고 있습니다.열차가 선로를 감싸고 아래에서 위로 당겨집니다.서보 컨트롤은 트랙으로부터 일정한 거리를 안전하게 유지합니다.
유도 전류
이 계획들은 렌즈의 법칙에 의한 거부감 때문에 효과가 있다.도체에 시변성 자기장이 제시되면 도체 내에 반발효과를 일으키는 자기장을 생성하는 전류가 설정됩니다.
이러한 종류의 시스템은 일반적으로 고유의 안정성을 나타내지만 때로는 추가 댐핑이 요구되기도 합니다.
도체와 자석 사이의 상대 운동
구리, 알루미늄 또는 은과 같은 매우 우수한 전기 도체로 만들어진 베이스를 자석 근처로 이동하면 도체에 (에디) 전류가 유도되어 필드의 변화에 반대하여 자석을 밀어내는 반대쪽 필드가 생성됩니다(렌즈의 법칙).충분히 높은 이동 속도에서 현탁 자석은 금속에 떠다니거나 현탁 자석에 의해 그 반대입니다.금속이 볼 수 있는 주파수보다 피부 깊이보다 얇은 와이어로 만들어진 리츠 와이어는 고체 도체보다 훨씬 효율적으로 작동합니다.그림 8 코일은 정렬 [7]상태를 유지하기 위해 사용할 수 있습니다.
특히 기술적으로 흥미로운 사례는 단극 영구 자석 대신 할바흐 어레이를 사용하는 경우입니다. 이는 전계 강도를 거의 두 배로 증가시키고, 이는 다시 와전류의 강도를 거의 두 배로 증가시키기 때문입니다.순효과는 양력력을 3배 이상 증가시키는 것이다.2개의 마주보는 Halbach 어레이를 사용하면 필드가 더욱 [8]커집니다.
또한 Halbach 어레이는 자이로스코프, 전기 모터 및 발전기 스핀들의 자기 부상 및 안정화에 적합합니다.
진동 전자장
도체는 전자석을 통해 교류 전류가 흐르는 상태에서 전자석 위로 부상할 수 있습니다(또는 그 반대).이는 [9][10]도체에서 발생하는 와전류 때문에 모든 일반 도체가 반자망처럼 행동하게 합니다.와전류가 자기장과 반대되는 자기장을 생성하기 때문에 도전성 물체는 전자석으로부터 반발하고 자기장의 대부분의 자기장 선은 더 이상 도전성 물체를 통과하지 않습니다.
이 효과에는 알루미늄이나 구리와 같은 비강자성 재료는 전자석에 강하게 끌리고(높은 주파수에서는 여전히 방출될 수 있음) 더 높은 저항률을 가지기 때문에 와전류가 낮아지기 때문에 알루미늄이나 구리 같은 전도성이 높은 재료가 필요합니다.리츠 와이어가 최고의 결과를 가져옵니다.
이 효과는 전화번호부에 알루미늄 플레이트를 숨겨 공중 부양하는 것과 같은 스턴트에 사용할 수 있습니다.
고주파(수십 킬로헤르츠 정도) 및 킬로와트 전력에서는 금속이 [11]도가니에 오염될 위험 없이 부상 용융을 사용하여 소량의 금속을 부상 및 용해할 수 있습니다.
사용되는 진동 자기장의 한 가지 원인은 선형 유도 모터입니다.이것은 공중 부양과 추진에 사용될 수 있다.
반자성 안정화 부상
언쇼의 정리는 반자석에는 적용되지 않는다.이들은 μ < 1의 상대적인r 투과성(즉, 음의 자기 감수성) 때문에 일반 자석과 반대되는 방식으로 작용한다.반자성 부상은 본질적으로 안정적일 수 있다.
영구자석은 강한 영구자석과 강한 반자석의 다양한 구성으로 안정적으로 매달 수 있다.초전도 자석을 사용할 때, 영구 자석의 부상은 심지어 사람의 [12]손가락에 있는 물의 작은 반자성에 의해 안정될 수 있다.
반자성 부상
반자성은 외부에서 가해지는 자기장과 반대로 자기장을 만들어 물질이 자기장에 의해 물리치게 하는 물체의 특성입니다.반자성 재료는 자속 선이 재료로부터 멀어지는 원인이 됩니다.구체적으로는 외부 자기장이 원자핵 주위의 전자의 궤도 속도를 변화시켜 자기 쌍극자 모멘트를 변화시킨다.
렌츠의 법칙에 따르면, 이것은 외부 분야에 반하는 것이다.반자석은 자기투과율이 μ 미만0(상대투과율 1 미만)인 물질이다.따라서 반자성은 물질에 의해 외부적으로 인가되는 자기장의 존재 하에서만 나타나는 자성의 한 형태이다.초전도체는 강한 효과를 나타내지만, 대부분의 물질에서는 일반적으로 상당히 약한 효과입니다.
직접 반자 부상
반자성 물질은 자기장을 물리친다.모든 물질은 반자성 특성을 가지고 있지만, 효과는 매우 약하며, 대개 반대되는 방식으로 작용하는 물체의 상사성 또는 강자성 특성에 의해 극복됩니다.반자성 성분이 강한 물질은 자석에 의해 거부됩니다.
반자성 부상은 열분해 흑연 또는 비스무트의 매우 가벼운 조각을 중간 정도의 강한 영구 자석 위에 부상시키는 데 사용될 수 있습니다.물은 주로 반자성을 띠기 때문에, 이 기술은 물방울과 심지어 메뚜기, 개구리, [13]쥐와 같은 살아있는 동물들까지 띄우는데 사용되어 왔다.그러나 이 작업에 필요한 자기장은 매우 높아 일반적으로 16테슬라 범위이므로 강자성 물질이 근처에 있으면 심각한 문제가 발생합니다.개구리 부상 실험에 사용된 이 전자석의 작동에는 4MW(40000W)의 전력이 필요했습니다.[13]: 5
반자성 부상 최소 기준은 B 0 µ µ { B { \ {} { } = \ _ { } , \ 、 { \ { } { \ chi
- \chi는 자기 감수성입니다.
- \rho는 소재의 입니다.
- { g는 국소 중력 가속도(지구상에서는 9.8m/s2)입니다.
- 0은 여유 공간의 투과성입니다.
- B는 자기장입니다.
- B z(\는 수직축을 따른 자기장의 변화율입니다.
솔레노이드 자석의 z-방향에 따른 이상적인 조건 가정:
- 은 B B z 2 / { B { \ {} { } \ \ 1400 \ \ { { / m} water 。
- 흑연은 z T /. { B { \ { } { } \ 3 \ { { } / } 。
초전도체
초전도체는 완벽한 반자성으로 간주될 수 있으며, 초전도체가 처음 형성될 때 마이스너 효과로 인해 자기장이 완전히 방출된다. 따라서 초전도 부상은 반자성 부상의 특정 사례로 간주될 수 있다.제2종 초전도체는 초전도체 내의 플럭스 핀 접속에 의해 자석의 부상이 더욱 안정되어 부상계가 반전되어도 자기장에 대한 초전도체의 움직임을 정지시키는 경향이 있다.
이러한 원리는 EDS(Electrodynamic Suspension), 초전도 베어링, 플라이휠 등에 의해 활용된다.
열차를 띄우려면 매우 강한 자기장이 필요하다.JR-Maglev 열차에는 초전도 자기 코일이 있지만, JR-Maglev 부상에는 마이스너 효과가 없습니다.
회전 안정화
자석의 베이스링에 의해 생성되는 트로이덜 장에서 자석 또는 적절히 조립된 자석 어레이를 회전시킴으로써 자이로 안정되었을 때 안정적으로 중력에 대해 부상시킬 수 있다.그러나 이는 세차 속도가 임계 임계값 상한과 하한 사이에 있을 때만 작동한다. 즉, 안정 영역은 공간적으로나 필요한 세차 속도 모두에서 상당히 좁다.
이 현상의 첫 번째 발견은 1983년 그것을 [14]바탕으로 공중부양장치에 특허를 낸 버몬트주의 발명가 로이 M. 해리건에 의해 발견되었다.회전 안정화를 사용하는 장치(인기 있는 Levitron 브랜드의 공중 부양 완구 등)가 이 특허를 인용하여 개발되었습니다.비상업용 장치는 대학 연구소를 위해 개발되었으며, 일반적으로 안전한 대중적 상호작용을 하기에는 너무 강력한 자석을 사용합니다.
집중력이 강하다
언쇼의 이론은 정적 영역에만 적용됩니다.순수하게 교류하는 [15]유인계라도 교류하는 자기장은 안정성을 유도하고 자기장을 통해 궤적을 제한하여 부상 효과를 줄 수 있다.
이것은 입자가속기에서 하전 입자를 제한하고 들어올리기 위해 사용되며 자기부상열차에도 [15]제안되었습니다.
사용하다
자기부상에는 자기부상열차, 비접촉 용해, 자기 베어링 및 제품 디스플레이 용도로 사용되는 것으로 알려져 있습니다.게다가 최근에는 마이크로로보틱스 분야에서도 자기부상이 진행되고 있다.
자기부상 수송
자기부상(Magnetic Levation) 또는 자기부상(Magnetic Levation)은 리프트와 추진에 매우 많은 자석의 자기부상(Magnetic Levation)을 사용하여 차량을 매달고, 유도하고, 추진시키는 운송 시스템입니다.이 방법은 바퀴가 달린 대중 교통 시스템보다 더 빠르고 조용하며 부드러울 수 있습니다.이 기술은 대피 [16]터널에 배치될 경우 6,400km/h(4,000mi/h)를 초과할 가능성이 있습니다.진공 튜브에 전개되지 않은 경우, 공중 부양에 필요한 동력은 일반적으로 특별히 크지 않으며, 필요한 동력의 대부분은 다른 고속 열차와 마찬가지로 공기 저항을 극복하는 데 사용됩니다.일부 자기부상 하이퍼루프 프로토타입 차량은 2015-2016년 하이퍼루프 포드 경쟁의 일환으로 개발 중이며,[17] 2016년 후반에 진공 튜브에서 초기 테스트를 실시할 예정이다.
자기부상열차의 최고 속도는 2015년 4월 21일 일본에서 달성된 시속 603km(374.69mph)로 기존의 TGV 속도 기록보다 28.2km/h 빠르다.자기부상열차는 전 세계에 존재하고 계획되어 있다.아시아에서 주목할 만한 프로젝트로는 센트럴 재팬 철도의 초전도 자기부상열차와 상하이의 자기부상열차가 있는데, 이 자기부상열차는 아직 운행되고 있는 가장 오래된 상업용 자기부상열차이다.그 밖에도 유럽 전역에서 다양한 프로젝트가 검토되어 JR 센트럴의 SCMaglev 기술로 북미 북동부 코리더를 정비하는 것이 목표입니다.
자기 베어링
부상 용해
1923년 [18]Muck에 의해 특허를 받은 전자부상(EML)은 용기 없는 [19]실험에 사용된 가장 오래된 공중부상 기술 중 하나입니다.이 기술은 전자석을 사용하여 물체를 공중 부양할 수 있게 합니다.일반적인 EML 코일은 무선주파수 전원장치에 의해 통전된 상부 및 하부부의 역감기를 가지고 있습니다.
마이크로로보틱스
마이크로로보틱스 분야에서는 자기부상을 이용한 전략이 연구되고 있다.특히, 그러한 기술을 통해 정의된 작업 공간 내에서 여러 마이크로스케일 에이전트의 [20]제어를 달성할 수 있는 것으로 입증되었다.여러 연구 결과에 따르면 마이크로로봇을 적절하게 제어하기 위해 다양한 사용자 지정 설정이 실현되었습니다.함부르크의 Philips 연구실에서는 영구 자석과 전자석을 모두 통합한 맞춤형 임상 스케일 시스템을 사용하여 단일 자성 [21]물체의 자기 부상과 3D 항법을 수행했습니다.또 다른 연구 그룹은 자기부상을 통해 여러 물체에 [22]대한 3D 독립 제어를 달성하기 위해 더 많은 수의 전자석을 통합했습니다.
역사적 신념
자기부상 전설은 고대와 중세 시대에 흔했고, 로마에서 중동으로, 나중에 인도로 전파된 것은 고전학자 던스턴 로에 [23][24]의해 기록되었다.가장 먼저 알려진 출처는 알렉산드리아의 한 신전 금고에 자석에 매달릴 철제 조각상의 건축 계획을 기술한 대 플리니이다.많은 후속 보고서들은 공중 부양하는 조각상, 유물 또는 다른 상징적 중요 물품에 대해 기술했으며, 이 전설의 버전은 기독교, 이슬람, 불교, 힌두교를 포함한 다양한 종교적 전통에 나타났다.어떤 경우에는 신의 기적으로 해석되기도 하고, 어떤 경우에는 기적으로 잘못 알려진 자연 현상으로 묘사되기도 했다; 후자의 한 예는 성 아우구스티누스에서 나왔는데, 성 아우구스티누스는 그의 책 "신의 도시" (410년경)에서 자기적으로 매달린 조각상을 언급하고 있다.Lowe에 따르면, 이러한 전설의 또 다른 공통적인 특징은 종종 불신자들에 의해 파괴되는 이 물체의 실종에 대한 설명입니다.비록 그 현상 자체는 현재 물리적으로 불가능한 것으로 이해되고 있지만, 1842년 사무엘 언쇼에 의해 처음 인식된 것처럼, 자기 부상 이야기는 현대에까지 지속되어 왔으며, 한 가지 두드러진 예가 동인도 코나크 선 사원에 있는 매달린 기념물에 대한 전설이다.
역사
- 1839년 언쇼의 정리는 정전 부상이 안정적일 수 없다는 것을 보여주었다; 후에 정리는 다른 사람들에 의해 정전 부상으로 확장되었다.
- 1913년 에밀 바첼렛은 1912년 3월 그의 전자 서스펜션 시스템에 대한 "부상 전송 장치"(특허 번호 1,020,942)에 대한 특허를 수여했다.
- 1933년 초자성 발터 마이스너와 로버트 오흐센펠트(마이스너 효과)
- 1934년 헤르만 켐퍼 "바퀴가 부착되지 않은 모노레일 차량"제국특허번호 643316
- 1939년 브라운벡의 연장은 반자성 물질로 자기부상이 가능하다는 것을 보여주었다.
- 1939 Bedford, Peer 및 Tonks 알루미늄 판은 2개의 동심원통형 코일에 배치되어 6축의 안정적인 [25]부상 상태를 보여줍니다.
- 1961년 제임스 R. Powell과 BNL의 동료 Gordon Danby는 초전도 자석과 "Null flux" 그림[7] 8 코일을 사용한 전기 동적 부상
- 1970년대 스핀 안정화 자기 부상 로이 M. 해리건
- 1974년 자성강 에릭 라이트웨이트 외
- 1979년 고속열차는 승객을 태웠다
- 1981년 최초로 공개 전시된 싱글테더 자기부상시스템(Tom Shannon, 사랑의 나침반, 컬렉션 Muse d'Art Moderne de la Ville de Paris)
- 1984년 버밍엄 에릭 레이트웨이트 및 기타 저속 자기부상선
- 1997년 반자성 공중부양 개구리 안드레 젬[13]
- 1999년 인덕트랙 영구 자석 전기역학 부상(일반 아토믹스)
- 2000년 HTS 자기부상시험차량 센추리가 [26]중국에서 성공적으로 개발됐다.
- 2005년 호모폴라 전기 다이내믹 베어링[27]
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
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외부 링크
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