Коротко и по существу — сравнение EMS и EDS по принципу действия, расчёту подъёмных/управляющих сил, требованию к питанию и охлаждению, а также практическим преимуществам и ограничениям.
1) Принцип действия и расчёт подъёмной силы
- EMS (Electro-Magnetic Suspension, притяжение к феромагнитной направляющей):
- Подъёмная сила — сила притяжения между обмоткой на борту и стальным рельсом; для простого зазора $g$ и площади полюсной поверхности $A$ можно приближённо использовать магнитное давление
$$p=\frac{B^2}{2{\mu }_0},B\approx \frac{{\mu }_{0}NI}{g},$$ откуда приближённо
$$F\approx \frac{{\mu }_0{N}^2{I}^{2}A}{2g^2}.$$ - Нелинейность по току и по зазору: $F\propto I^2$ и $F\propto 1/g^2$ (в приближённой модели). Для мелких отклонений удобна линеаризация
$$\Delta F=K_I\Delta I+K_z\Delta z,$$ где $K_I=\partial F/\partial I,K_z=\partial F/\partial z$.
- EMS по своей природе статически неустойчива (при уменьшении $g$ сила возрастает), поэтому требуется активное управление зазором.
- EDS (Electro-Dynamic Suspension, отталкивание за счёт наведённых токов):
- Подъёмная сила возникает из сил Лоренца на наведённые токи в проводящем рельсе (или в ответных обмотках) при движении магнитного поля относительно проводника. В общем виде
$$\mathbf{F}={\int }_V(\mathbf{J}\times \mathbf{B})dV,$$ где $\mathbf{J}=\sigma (\mathbf{E}+\mathbf{v}\times \mathbf{B})$ — наведённая плотность тока.
- В практических приближениях подъём и сопротивление зависят от поля, проводимости $\sigma$, геометрии и скорости $v$. Для многих конфигураций подъёмная сила растёт с $v$ (т.к. индуцируемые токи растут), а при $v\to 0$ подъём стремится к нулю (для обычных проводников). Упрощённое скалирование:
$$F_L\sim C(\text{geom},\sigma )B^{2}Af(v),$$ где $f(v)$ — функция скорости (обычно растёт с $v$ до некоторой секции), а сопутствующее аэродинамическое/электромагн. сопротивление создаёт эжекторный тормоз $F_D$ (потери мощности $P=F_{D}v$).
- EDS часто даёт статическую или динамическую устойчивость (отталкивающая сила создаёт возвратный момент), поэтому требование к высокочастотному активному управлению слабее.
2) Управление (как рассчитываются управляющие силы)
- В EMS основная задача — поддерживать зазор $g$ с высокой точностью. Модель движения по вертикали:
$$m\ddot{z}=F_{mag}(I,z)-mg+d(t),$$ линеаризуем и проектируем регулятор (PID, state‑feedback, H_\infty и т.д.) по сигналам датчиков положения/ускорения. Необходима высокая полоса управления (чтобы компенсировать нестабильность и шероховатость пути) и резервирование каналов управления/питания.
- В EDS управление проще по вертикали (пассивная стабильность), но нужно управлять поперечной устойчивостью и продольным позиционированием (например, для стыковки, низких скоростей). Для управления силы можно модулировать токи в активных обмотках либо менять режимы работы ПМ/суперпроводящих магнитов.
3) Питание и охлаждение
- EMS:
- Электромагниты на борту требуют непрерывного электрического питания: электрические потери $P_{loss}=I^{2}R$ (включая потери обмоток, преобразователей и электроники).
- Тепло от потерь удаляется системами охлаждения (воздушное/жидкостное) в соответствии с плотностью потерь; требования к охлаждению зависят от сопротивления обмоток и ожидаемой нагрузки.
- Источники питания обычно на борту (батареи/генераторы/контакт/ретрансляторы) и/или средства распределённого питания от путевой сети для тяги.
- EDS:
- Вариирует по типу:
- С постоянными магнитами (или вспомогательными активными катушками) на борту — подъём сам по себе не требует постоянной электрической мощности, но индуцированные токи в рельсе вызывают потери в рейке (тепло), и нужна мощность на тягу/регулирование.
- С superconducting magnets (SCM) на борту — низкие токовые потери в магнитах, но требуется сложная криосистема. Отвод тепла от тока в сверхпроводнике минимален, но требуется удалять тепловые потоки (тепловые утечки, нагрев от обмоток и трение), что требует мощных холодильных установок. Эффективность холодильников низкая: для очень низких температур электрическая мощность холодильника на удаление 1 Вт тепла может быть на порядки больше (десятки–сотни ватт/Вт при 20–4 К — зависит от температуры и технологии).
- На путевой части EDS (индуцируемые токи) выделяется заметная мощность, особенно при торможении/высокой частоте поля — нужен расчёт распределения тепла в рельсе и возможное охлаждение/вентиляция.
4) Преимущества и ограничения при проектировании коммерческого маглева
- EMS: преимущества
- Малые зазоры, компактная конструкция магнитных подвесок; хорошо подходит для низко-, среднескоростных применений и лёгких линий.
- Отсутствие необходимости в массивных проводящих рельсах — рельс стальной обычной конструкции.
- EMS: ограничения
- Высокие требования к надёжности и отказоустойчивости управления (высокочастотный контроль).
- Постоянное энергопотребление на удержание; большие эксплуатационные требования к электронике и охлаждению обмоток при высоких токах.
- Стоимость бортовой электроники и резервирование повышают цену.
- EDS: преимущества
- При рабочих высоких скоростях даёт низкие потери подвески и хорошую устойчивость; позволяет работать на больших зазорах (меньше требований к точности пути).
- Возможность использования постоянных или сверхпроводящих магнитов снижает постоянные электрические потери на борту (при ПМ — нет постоянного тока; при SCM — сверхнизкое сопротивление).
- Менее чувствителен к неравностям пути, лучше для очень высоких скоростей (над 300–400 км/ч).
- EDS: ограничения
- Для обычных проводников подъём мал или нулев при низких скоростях — нужно докачивание (колёса) или сложные схемы для стоянки/стыковки.
- Если используются SCM — дорогие криосистемы, риск квенча, высокая сложность технического обслуживания.
- Путевая часть (индуцируемые токи) нагревает конструкцию, требует расчёта теплового режима; путевые расходы на материалы (массивные проводящие слои, катушки) и изоляцию высоки.
- Общие коммерческие факторы:
- Капитальные затраты на путевую инфраструктуру (специальные направляющие, ровность, электропитание) часто доминируют; экономичность требует высокой плотности пассажиропотока и высокой скорости/дальности.
- Энергетическая эффективность зависит от режима: на больших скоростях EDS/Superconducting чаще выгоднее; для пригородных/городских трасс EMS или гибридные решения лучше.
- Эксплуатационная надёжность, стандарты безопасности, электромагнитная совместимость и сертификация существенно уменьшают риск внедрения.
- Ремонтопригодность и износ путевой части (коррозия, механика) — ключевые расходы.
Краткое резюме: EMS даёт простоту путевой части и компактность, но требует постоянного активного удержания и мощной, надёжной системы управления и питания. EDS обеспечивает лучшую устойчивость и эффективность на высоких скоростях и позволяет большие зазоры, но требует либо скоростей для индукции подъёма, либо дорогостоящих сверхпроводящих/постоянных магнитов и соответствующих крио‑/материальных решений; оба подхода предъявляют существенные требования к путевой инфраструктуре и экономики при коммерческом развёртывании.