Un Sistema de Levitación Convencional

Un Sistema de Levitación Convencional

En este aparte se presentarán los subsistemas que constituyen cualquier sistema de levitación magnética. Luego de ello se hará una generalización de los dos sistemas más avanzados en el mundo en cuanto a levitación magnética aplicada al transporte, como son el caso alemán y japonés, respectivamente.

La idea básica de un dispositivo de transporte que utilice la levitación magnética es aumentar la eficiencia del sistema. Para ello se elimina la fricción, por lo que no es necesaria energía adicional para hacer que el vehículo se siga moviendo luego del impulso inicial. Únicamente se necesita alimentar las pérdidas por la fricción entre el vehículo y el aire. A la vez que se mejora la eficiencia se incrementa la velocidad límite del vehículo, la cual se encuentra determinada por su aerodinámica y por la capacidad de las piezas mecánicas, en el caso convencional, así mismo se reduce el gasto por mantenimiento debido a que no existen piezas móviles.

Los componentes fundamentales de un sistema de transporte que utilice levitación magnética son: la propulsión, encargada de que el vehículo se mueva; la levitación, diferencia fundamental con el sistema tradicional; finalmente la estabilización, la cual impide que el vehículo se salga de la vía.

• Propulsión

La energía que se gasta en este subsistema se utiliza para dar el impulso inicial al vehículo, mantener la velocidad nominal y frenarlo una vez que se completa el recorrido, en caso de emergencia o cuando se requiera.

La idea básica es hacer que dos campos magnéticos se vean atraídos; uno de ellos está presente en la pista y el otro en el vehículo, de manera que el del vehículo sigua al de la pista. Este principio no es nuevo, pues ya existe en los motores. En ellos un campo en el rotor de la máquina sigue al campo presente en su estator, creándose así el movimiento.

Es como estar jugando con dos imanes; uno bajo la mesa y otro sobre ella. Si se mueve el inferior se verá como se desplaza el superior sin aparente intervención humana. En cuanto a la propulsión, la diferencia entre los sistemas MagLev comerciales radica en la forma en que se genera cada uno de estos dos campos, como se verá adelante.

Del ingles “Magnetic Levitation”

• Levitación

Se constituye en la diferencia fundamental con respecto a los sistemas de transporte terrestre convencionales y en la razón de ser del proyecto en cuestión. La energía que se suministra a este subsistema se encarga de sustentar el vehículo a una distancia deseada conocida como entrehierro.

La dificultad que presenta este sistema se ve resumida en el teorema de Earnshaw. Este muestra como el sistema es por naturaleza inestable, razón por la cual se requieren configuraciones especiales de campos que se repelen, o de controladores actuando sobre la magnitud de la fuerza magnética cuando se utilizan campos que se atraen.

Para que el sistema fuera estable debería existir una región alrededor del punto de equilibrio en la cual todas las fuerzas que se generaran apunten hacia él. Cuando se trata de sustentar un objeto con campos magnéticos en contra del campo gravitacional se encuentra que esta región no existe, debido a que los dos campos son no divergentes. Este resultado se demuestra con el teorema de la divergencia, en la ecuación 2 - 1 , teniendo en cuenta que divF=0.

ecuación 2 - 1

F es la fuerza que actúa en un punto en el espacio. Sin embargo, existen excepciones a esta ley que vale la pena mencionar:

Efecto cuántico: a escala atómica no hay contacto real entre dos objetos

Realimentación: consiste en tomar una referencia de la posición del objeto para controlar la fuerza magnética, como se mencionó antes

Diamagnetismo: gracias a que los materiales superconductores no permiten ser atravesados por campos magnéticos se pueden generar fuerzas que permitan la levitación

Campos oscilatorios: utilizando una señal de corriente alterna; un ejemplo de ello es el anillo de Thompson

Rotación: un ejemplo puede estar en el caso denominado como diamagnetismo. En el medio académico se conoce por el prototipo comercial llamado Levitron.

• Estabilización

Esta componente evita que el vehículo se desvíe de la pista o guía. Las razones por las que el vehículo se puede salir de línea son variadas; entre ellas está la fuerza centrifuga que se produce cuando hay curvas; aunque estas tengan radios muy grandes tienen una influencia amplia debido a las velocidades de trabajo, que son altas. Otra razón puede ser el desequilibrio que ocasiona la interacción entre el subsistema de propulsión y de levitación generando fuerzas que desequilibran el sistema en su conjunto, o el mismo viento.

El trabajo del subsistema de estabilización es muy parecido al que realiza el subsistema de levitación, pero actuando en un grado de libertad diferente. En este caso se evita el desplazamiento en el sentido de las “Y”, como muestra la Figura 2 - 1 . De la misma manera el movimiento en el sentido de las “X” será comandado por la propulsión y el eje “Z” por la levitación .

Figura 2 - 1 . Sistema cordenado en un sistema MagLev

Los sistemas que se han desarrollado con mayor éxito son dos: el alemán y el japonés. Cada uno de ellos produce y utiliza el campo de manera diferente. En la primera sección se dará una explicación del funcionamiento de los subsistemas del caso alemán y en la sección siguiente los del japonés. El caso alemán es de especial interés, debido a que fue la configuración seleccionada para desarrollar el prototipo final o banda transportadora en el actual proyecto.

No es el único sistema de referencia. Se puede hacer uso de coordenadas cilíndricas o referirse únicamente a ángulos de rotación a partir del centro de masa del vehículo. (En: P.K. Sinha. Electromagnetic Suspension Dynamics & Control. IEE. 1987)

• Caso Alemán

La propulsión se desarrolla utilizando un LSM (Linear Sincronous Motor), con la misma configuración que presentaría una máquina sincrónica rotacional una vez que se ha extendido el estator de la máquina. El estator se constituye en

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