ES2827898A1 - Sistema matricial de suspension electromagnetica para vehiculos de transporte - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema matricial de suspensión electromagnética acoplable a vehículos de transporte, que comprende una pluralidad de módulos de suspensión electromagnética, donde cada uno de los módulos comprende: una armadura; una bobina enrollada en la armadura; una fuente de alimentación regulable conectada a la bobina, configurada para controlar la intensidad de un primer campo magnético; y dos imanes permanentes dispuestos en contacto con la armadura, mediante polos opuestos entre sí, que generan un segundo campo magnético; donde la pluralidad de módulos está dispuesta en una matriz que cumple que los polos adyacentes de los imanes permanentes de módulos adyacentes son de la misma polaridad.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA MATRICIAL DE SUSPENSIÓN ELECTROMAGNÉTICA PARA VEHÍCULOS DE TRANSPORTE
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de los sistemas de transporte de alta velocidad y más concretamente a los sistemas de transporte con sistemas de sustentación electromagnética embarcados.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La suspensión magnética es un fenómeno que ha sido estudiado desde hace más de 50 años y que, gracias al desarrollo de los trenes de alta velocidad, en los últimos años ha experimentado un mayor crecimiento en cuanto a investigación, validación y aplicación. Los diferentes tipos de suspensión, o levitación, magnética pueden agruparse en función de su tecnología como: suspensión electromagnética (EMS); suspensión electrodinámica (EDS) o suspensión electromagnética híbrida (HEMS).
En términos generales, la EMS permite la suspensión estática con el inconveniente de que requiere una compleja componente de control para regular la distancia y elevados consumos energéticos para cargas medias y altas. En contraste, la EDS presenta una menor complejidad de control y un reducido consumo inherente al sistema de levitación, pero en cambio requiere una velocidad relativa entre el sistema y la superficie de sustentación, además de que requiere de un guiado. La tercera alternativa, la HEMS supone una solución intermedia en la que se requiere el control complejo, pero presenta un consumo menor gracias al empleo de imanes permanentes que proporcionan una campo intenso a corriente cero.
Por otro lado, dentro de los sistemas basados en HEMS puede hacerse una distinción entre dos configuraciones, las que integran el guiado y la suspensión y las que los mantienen separados. La integración en la tecnología HEMS lleva asociado un menor consumo energético pero tiene asociadas otras complicaciones derivadas de las interferencias por el aumento de velocidad, así como una mayor dificultad constructiva y el incremento de controladores necesarios.
Sin embargo, los medios de transporte más vanguardistas, especialmente los relacionados con el concepto de Hyperloop, están planteando entornos de baja presión en un tubo de transporte que requieren una revisión de estas tecnologías para aprovechar su infraestructura como superficie de integración de levitación y guiado.
El estado del arte, se encuentra en un continuo desarrollo de sistemas de levitación aplicables a los medios de transporte de alta velocidad anteriormente citados. En él se conocen algunas propuestas de sistemas controlables que aumentan, en la medida de lo posible, la relación fuerza/consumo, frente a otras que sacrifican minimizar la superficie frente a la mejora de respuesta del control o que buscan una mejora de eficiencia reduciendo las pérdidas en los bobinados. Así, en general, estas propuestas recurren a sistemas de contacto imán-electroimán, lo que implica un problema térmico en sistemas de baja presión como el mencionado Hyperloop, o se limitan a un único imán permanente, lo que reduce la eficiencia frente al volumen y consumo para alcanzar fuerzas elevadas.
En general, uno de los grandes problemas añadidos a los sistemas conocidos aparece cuando es necesario escalarlos para las cargas asociadas a un sistema de transporte de pasajeros o mercancías, donde el aumento de fuerza asociado al incremento del tamaño de los imanes o los bobinados conlleva un incremento de tamaño, peso y consumo en mayor proporción y, por tanto, una reducción importante de la eficiencia del sistema final debido al aumento de pérdidas.
Hasta ahora, una de las pocas soluciones conocidas consiste en emplear una combinación de imanes permanentes, conocida como agrupación de Halbach, que permite reforzar el campo magnético a un lado de la agrupación mientras que elimina el campo magnético en el lado opuesto, o en lugar de imanes permanentes sustituir o combinar éstos por equivalentes de electroimanes que pueden servirse de un alto consumo para generar fuerzas todavía mayores. No obstante, estas soluciones plantean algunos inconvenientes, principalmente en el escalado del sistema, que no mantiene la relación entre consumo tamaño y fuerza, o la complejidad de montaje, ya que los imanes se disponen geométricamente de una forma no natural, por tanto ejercen fuerzas significativas para variar su posición.
Por todo lo expuesto anteriormente, se echa en falta en el estado del arte una solución de sistemas de sustentación magnética eficientes y estables, que puedan escalarse fácilmente sin perder eficiencia y acoplarse a medios de transporte de altas velocidades.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe, en un primer aspecto, un sistema matricial de suspensión electromagnética acoplable a vehículos de transporte que comprende una pluralidad de módulos de suspensión electromagnética, donde cada uno de los módulos comprende:
- una armadura;
- una bobina enrollada en la armadura;
- una fuente de alimentación regulable conectada a la bobina, configurada para controlar la intensidad de un primer campo magnético (el cual puede favorecer u oponerse al segundo campo magnético); y
- dos imanes permanentes dispuestos en contacto con la armadura, mediante polos opuestos entre sí, que generan un segundo campo magnético;
donde la pluralidad de módulos está dispuesta en una matriz que cumple que los polos adyacentes de los imanes permanentes de módulos adyacentes son de la misma polaridad. Así, ventajosamente resulta una matriz escalable en direcciones definidas que proporciona una fuerza total superior a la suma de las fuerzas de los módulos individuales e independientes, debido a la reducción de las pérdidas por dispersión.
El sistema de la presente invención, en una de sus realizaciones, comprende: una estructura de guiado de material ferromagnético; al menos un vehículo de transporte, dispuesto en acoplamiento con la pluralidad de módulos, configurado para desplazarse bajo la estructura de guiado; y donde la fuente de alimentación regulable está configurada para proporcionar un valor del primer campo magnético que, en combinación con el segundo campo magnético, proporciona una fuerza de atracción magnética del vehículo hacia la estructura de guiado que compensa el peso del vehículo. Así, ventajosamente, la fuerzas magnéticas se oponen a las fuerzas gravitatorias para sustentar y guiar el vehículo y permitir su desplazamiento a altas velocidades sin contacto mecánico con la estructura de guiado.
En una de las realizaciones de la invención, la estructura de guiado es una estructura tubular configurada para permitir el desplazamiento del vehículo por el interior de dicha estructura tubular. Particularmente, se contempla que la estructura tubular comprenda en su interior una atmósfera controlada de baja presión. Así ventajosamente, la presente invención puede adaptarse a infraestructuras de transporte de tipo Hyperloop.
Adicionalmente, en una de las realizaciones de la invención se contempla añadir un circuito de refrigeración, configurado para reducir la temperatura entre la bobina y los imanes de los módulos. Así ventajosamente, se aumenta el rango de operación y previene la pérdida de vida útil del sistema debido al alto calentamiento que pueden provocar las corrientes necesarias para maniobrar imanes muy potentes.
Por todo lo anterior, el sistema de suspensión magnética de la presente invención no solo mejora su eficiencia al escalar, sino que mantiene la proporción de fuerza, tamaño, peso y consumo. El campo magnético que proporciona se adapta al funcionamiento requerido gracias a que la fuerza de los imanes permanentes puede incrementarse o reducirse, con un consumo mínimo, actuando sobre la bobina. Sin embargo, al contrario que en otras soluciones del estado del arte, los imanes permanentes se encuentran separados mecánicamente de la bobina.
La agrupación ordenada de los módulos unitarios de la presente invención permite crear ventajosamente una matriz escalable en direcciones definidas, en la que la fuerza total es superior a la suma de las fuerzas de los módulos individuales e independientes debido a la reducción de las pérdidas por dispersión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:
- La figura 1 representa un módulo unitario de levitación, de acuerdo a una de las realizaciones de la invención.
- La figura 2 representa dos módulos unitarios y las líneas de campo magnético que se generan.
- La figura 3 representa la ventajosa asociación de dos módulos unitarios en proximidad y las líneas de campo magnético que resultan.
- La figura 4 representa una matriz de módulos unitarios de levitación magnética, según unas de las realizaciones de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención divulga un sistema de suspensión electromagnética para vehículos de transporte de alta velocidad que levitan sobre una estructura de guiado. Comprende un sistema inteligente de regulación en el que, por medio de electroimanes, controla el flujo magnético generado por una disposición particular de imanes permanentes embebidos en un circuito magnético, donde la disposición de imanes permanentes aprovecha las cualidades intrínsecas de dichos imanes para proporcionar una fuente de campo magnético como fuerza sin coste energético para hacer levitar una determinada masa (el vehículo de transporte) en las inmediaciones de un material ferromagnético.
Es conocido que el campo magnético generado por un solo imán se cierra en torno al propio imán entre las caras con distinta polaridad, lo que hace que parte del flujo que potencialmente podría generar el imán se pierda al cerrarse sobre él mismo en el denominado flujo de dispersión. En cambio, el sistema de la presente invención minimiza este flujo de dispersión utilizando una configuración basada en módulos unitarios 11 de dos imanes permanentes, una bobina y una armadura, donde el montaje de los imanes se realiza asegurando que los polos sobre la armadura son opuestos, de forma que el campo se canaliza entre ellos.
La figura 1 muestra esta configuración, donde se dispone un primer imán 1 y un segundo imán 2 orientados con polaridad inversa sobre una armadura 3, de manera que la cara sur 4 del primer imán 1 y la cara norte 6 del segundo imán 2 están en contacto directo con la superficie de la armadura 3. De manera equivalente, en otra realización no representada, los imanes se configuran a la inversa con idéntico resultado, es decir, la cara norte del primer imán 1 y la cara sur del segundo imán 2 en contacto directo con la superficie de la armadura 3.
El circuito magnético se completa con el electroimán 7, formado por un bobinado 8 en torno a la armadura 3, de forma que durante su actuación (mediante el paso de corriente por las espiras de la bobina 8) se induce un campo magnético en la dirección del flujo magnético 0 generado naturalmente por la disposición de los imanes (1, 2), siendo su orientación e intensidad regulables mediante el control de la cantidad de corriente eléctrica i(t) suministrada en el devanado desde una fuente de alimentación 13 v(t), con lo que es capaz de apoyar u oponerse a dicho flujo magnético 0 (15) generado por los imanes permanentes. La bobina enrollada en la armadura permite ejercer el control del flujo que es canalizado en la dirección de los imanes. Si la bobina es excitada en la dirección del flujo de los imanes, éste es favorecido, en caso contrario el flujo magnético se ve reducido.
El sistema de suspensión magnética de la presente invención se embarca preferentemente en el vehículo de transporte, de manera que su peso 12 puede compensarse por la suma de fuerzas magnéticas 9 generadas por los imanes 1, 2 y el electroimán 7, con lo que el vehículo se desplaza suspendido magnéticamente (sin contacto mecánico), de forma controlada, a una distancia 14 predeterminada de una estructura de guiado 10 de material ferromagnético. La estructura de guiado es de tipo raíl descubierto en una de las de las realizaciones, pero de acuerdo a otra de las realizaciones de la invención, la estructura de guiado está integrada en un tubo de transporte con condiciones de baja presión del tipo Hyperloop.
La configuración de la realización representada en la figura 1, consigue un sistema altamente eficiente que desacopla el electroimán 7 y los imanes permanentes 1, 2, pero que aprovecha completamente la fuerza pasiva de dichos imanes permanentes al dirigir y regular el flujo magnético con un consumo mínimo. Además, esta distribución minimiza los problemas de disipación térmica especialmente presentes en entornos de baja presión, por lo que resulta ventajoso en los sistemas de transporte tipo Hyperloop, desarrollados para desplazar vehículos de transporte en el interior de un tubo cerrado con condiciones de baja presión.
Esta disposición de los elementos descritos y representados en la figura 1, presenta varias ventajas, por un lado, la disposición abierta de imanes y armadura facilita el ensamblaje y permite disponer de una mayor superficie sobre la que realizar las sujeciones a la estructura del vehículo de transporte. Por otro lado, facilita el acceso a toda la geometría del electroimán 7, permitiendo además, en una de las realizaciones de la invención, la instalación de un sistema de refrigeración (no representado en las figuras) que reduce el incremento de temperatura por conducción entre bobina 8 e imán permanente 1, 2 respecto a las configuraciones conocidas en el estado del arte en las que el electroimán se encuentra en torno al imán permanente. Esto es especialmente relevante teniendo en cuenta que algunos de los imanes más potentes, como los de Neodimio de grado 52, tienen una temperatura máxima de trabajo baja (entre 60 y 150 °C) por lo que un exceso de temperatura resulta en un detrimento de la vida útil del material por pérdidas permanentes de fuerza.
En cuanto al problema de la escalabilidad descrito anteriormente, que afecta a las soluciones conocidas del estado del arte aumentando el consumo y dimensiones de los componentes de manera poco eficiente, la presente invención lo resuelve combinando módulos unitarios como los descritos en la figura 1 para proporcionar un sistema de suspensión magnética completamente escalable.
En la figura 2 se representan dos módulos unitarios 11, configurados para ser uno la imagen especular del otro, y las líneas de campo magnético que generan. Uno de los principales efectos de la presente invención se produce al acercar los módulos 11 hasta reducir casi completamente el espacio entre ellos, tal y como puede observarse en la figura 3, la redirección del flujo magnético se optimiza y el flujo de dispersión es minimizado. De esta manera, el sistema de suspensión magnética así configurado alcanza una mayor eficiencia en el aprovechamiento de la fuerza magnética, lo que se traduce en un menor consumo. La disposición de los módulos garantiza que los polos adyacentes de los imanes permanentes, tienen la misma polaridad. Así, en la figura 3 los dos imanes permanentes que se encuentran en proximidad se disponen con el polo norte (N) contactando con las respectivas armaduras. Si se añadiese un módulo adicional, tanto por la izquierda como por la derecha de los dos módulos representados, el imán permanente dispuesto en proximidad a los ya representados, se configuraría con su polo sur (S) en contacto con su armadura. De esta manera la matriz puede escalarse indefinidamente en cualquier dirección.
La figura 4, representa una matriz de módulos unitarios 11 como los anteriores, dispuestos en varias direcciones, consiguiendo así que la fuerza del conjunto sea mayor que la suma de las fuerzas generadas por los elementos de forma independiente. Al escalarse, el sistema modular de suspensión electromagnética que resulta, se puede comparar a una distribución de imanes permanentes Halbach, pero en este caso la fuerza potenciada por la agrupación puede ser regulada, gracias a los electroimanes como en el caso de un módulo aislado. La capacidad de actuación sobre cada módulo unitario permite compensar defectos asociados a la fabricación o a la naturaleza de los materiales (como diferentes grados de imantación, resistencias de los bobinados o inductancias), siendo posible, por tanto, alcanzar puntos de funcionamiento cercanos al óptimo en cada uno de los módulos 11, con la única restricción de su unión mecánica. De esta forma los consumos para un punto de levitación cercano al óptimo del sistema tienden a 0.
La aplicación de esta configuración a un vehículo de levitación magnética permite disponer de distribuciones de fuerzas escaladas que pueden orientarse y compensarse aprovechando la estructura del vehículo y la infraestructura, permitiendo no solo la levitación de la masa del vehículo, sino también el control del mismo al tiempo que se absorben perturbaciones asociadas a los elementos internos del vehículo o a defectos de la infraestructura.
La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (5)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema matricial de suspensión electromagnética acoplable a vehículos de transporte que comprende una pluralidad de módulos (11) de suspensión electromagnética, donde cada uno de los módulos comprende:
- una armadura (3);
- al menos una bobina (8) enrollada en la armadura;
- una fuente de alimentación (13) regulable conectada a la bobina, configurada para controlar la intensidad de un primer campo magnético; y
- dos imanes permanentes (1, 2) dispuestos en contacto con la armadura, mediante polos opuestos entre sí, que generan un segundo campo magnético;
donde la pluralidad de módulos está dispuesta en una matriz que cumple que los polos adyacentes de los imanes permanentes de módulos adyacentes son de la misma polaridad.
2. Sistema de acuerdo a la reivindicación 1 que además comprende:
- una estructura de guiado (10) de material ferromagnético; y
- un vehículo de transporte, dispuesto en acoplamiento con la pluralidad de módulos, configurado para desplazarse bajo la estructura de guiado; y
donde la fuente de alimentación regulable está configurada para proporcionar un valor del primer campo magnético que, en combinación con el segundo campo magnético, proporciona una fuerza de atracción magnética (9) del vehículo hacia la estructura de guiado que compensa el peso (12) del vehículo.
3. Sistema de acuerdo a la reivindicación 2, donde la estructura de guiado (10) es una estructura tubular configurada para permitir el desplazamiento del vehículo por el interior de dicha estructura tubular.
4. Sistema de acuerdo a la reivindicación 3 donde la estructura tubular comprende en su interior una atmósfera controlada de baja presión.
5. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un circuito de refrigeración configurado para reducir la temperatura entre la bobina y los imanes de los módulos.
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