Studenckie koło naukowe Trakcji i Torów, zwane w skrócie KN TiT, jest zarejestrowane na wydziale elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Przeprowadzamy badania i symulacje dotyczące trakcji elektrycznej. W latach 2017 oraz 2018 zajmowaliśmy się dwoma głównymi tematami:
- projekt oraz wykonanie pasywnych hamulców na prądy wirowe do prototypu pojazdu hyperloop
- projekt synchronicznego silnika liniowego z magnesami trwałymi do zastosowania w transporcie kolei dużych prędkości (np. Maglev) lub miejskim (np. PRT)
Hamulce elektromagnetyczne
W roku 2017 studenci koła naukowego Trakcji i Torów byli członkami zespołu studenckiego Hyper Poland University Team, który zaprojektował pierwszy polski prototyp kapsuły hyperloop na zawody Hyperloop Pod Competition II organizowane przez SpaceX. Nasz zespół dostał się do finałów konkursu pokonując paręset innych ekip z całego świata. Zadaniem studentów KN TiT było zaprojektowanie pasywnych hamulców elektromagnetycznych, które miały wyhamować 200 kilogramowy pojazd z prędkości ponad 100 m/s.
Hamulce składały się przede wszystkim z wielu kostek bardzo mocnych magnesów trwałych NdFeB N52. Do pojazdu zamontowane były 4 zestawy magnesów neodymowych ułożonych w układzie Halbacha. Jest to specjalny układ magnesów, powodujący wzmocnienie pola magnetycznego po jednej stronie zestawu, a osłabiającej to pole po drugiej stronie (Rys.1). Zestawy hamowania były zamontowane w taki sposób, aby wzmocniona strona była zwrócona w kierunku aluminiowej szyny przymocowanej do toru. Poprzez ruch magnesów względem szyny następowało indukowanie się w niej prądów wirowych. Te tworzyły swoje własne pole magnetyczne, które osłabiało pole magnetyczne od magnesów trwałych. Efektem jest pojawienie się siły prostopadłej to powierzchni aluminium (siła stabilizująca pojazd), oraz siły równoległej (siła hamująca pojazd).
Rys. 1. Zestaw magnesów trwałych z narysowanymi kierunkami magnesowania. Magnesy są ułożone nad aluminiowy torem
W podstawowym układzie Halbacha kierunkek magnesowania kolejnych magnesów trwałych jest obrócony o 90o względem poprzednich. W naszym rozwiązaniu kierunek magnesowania był obracany co 45o, co pozwoliło otrzymać nam większą siłę hamowania. Jest to tzw. Układ radialny.
Proces projektowania opierał się w głównej mierze na setkach symulacji przeprowadzonych w programie Ansys Maxwell 3D. Model składał się z 96 magnesów ułożonych po dwóch stronach aluminiowej płyty (Rys2, Rys3).
Rys. 2. Zrzut ekranu z symulacji w Ansys Maxwell 3D
Rys. 3. Zrzut ekranu z symulacji w Ansys Maxwell 3D. Przekrój modelu
Symulacje przeprowadzaliśmy w trybie transient, ponieważ wymagany był ruch zesawów magnesów wzdłuż aluminiowej płyty. Dzięki programowi możliwym było zobaczenie rozkładu prądów wirowych oraz pola magnetycznego.
Po serii symulacji dobraliśmy wymagane wymiary, oraz położenie zestawów hamulcowych. Otrzymaliśmy poniższe charakterystyki ruchu:
Rys. 4. Zależność siły stabilizującej pojazd od prędkości ruchu
Rys. 5. Zależność siły hamującej od prędkości ruchu
Synchroniczny silnik liniowy z magnesami trwałymi
Kolejny nasz projekt rozpoczął się pod koniec 2017 roku. Studenci KN TiT, którzy byli zainteresowani kolejami magnetycznymi typu Maglev i PRT, zdecydowali o rozpoczęciu projektowania napędu to tego typu środków transportu. Jest to jednostronny silnik liniowy, który byłby w stanie wylewitować oraz napędzić pojazd, który przewoziłby ludzi.
Rys. 6. Zrzut ekranu z symulacji silnika liniowego do napędu kolei typu Maglev
Tomasz Kublin
Student wydziału elektrycznego Politechniki Warszawskiej. Prezes KN TiT oraz szef zespołu elektromagnetycznego w HyperPoland University Team. Prywatnie gra w Ultimate Frisbee w jednej z warszawskich drużyn.