ES2958361T3 - Sistema de tren de levitación magnética con distribución asimétrica de la energía - Google Patents
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Abstract
Un sistema de tren de levitación magnética con una distribución de potencia asimétrica, que comprende un tren que se desplaza a través de una vía que está al menos parcialmente ubicada dentro de un tubo sin aire, teniendo la vía al menos dos estaciones, comprendiendo cada tramo de la vía entre dos estaciones correlativas la siguientes zonas: - una zona de aceleración situada al inicio del tramo, que comprende una pluralidad de segmentos de devanado consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a una fuente de corriente, - una zona de desaceleración, que comprende una pluralidad de segmentos de devanado consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro de corriente, y una zona de crucero en la que el tren se mueve a una velocidad de crucero, ubicada entre la zona de aceleración y la zona de desaceleración, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado conectados eléctricamente a un suministro de corriente, y que comprende una pluralidad de espacios vacíos entre algunos de los segmentos sinuosos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de tren de levitación magnética con distribución asimétrica de la energía
Antecedentes de la invención
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a un sistema de tren de levitación magnética, específicamente al uso de distribución de energía asimétrica para mejorar la eficiencia en toda la vía.
Estado de la técnica
Los trenes, un tipo de transporte que consiste en una serie de vehículos conectados que generalmente se desplaza a lo largo de una vía férrea para transportar carga o pasajeros, se han utilizado durante mucho tiempo como un medio de transporte adecuado para recorrer todo tipo de distancias por tierra.
La fuerza motriz de un tren convencional la proporciona una locomotora independiente o motores individuales en una unidad múltiple autopropulsada. Aunque históricamente dominó la propulsión a vapor, los tipos de locomotoras más comunes en la actualidad son las diésel y las eléctricas, estas últimas alimentadas por cables aéreos o raíles adicionales.
Uno de los problemas de un sistema de tren convencional es el consumo ineficiente de la energía, ya que la mayor parte de dicha energía se desperdicia para contrarrestar la resistencia del aire y la fricción de arrastre.
Para solucionar este problema se concibió el sistema de tren de levitación magnética, en el que se aplican fuerzas magnéticas de repulsión para suspender los trenes sobre las vías. Dichas fuerzas son producidas por imanes colocados en el tren que interactúan con una vía conductora pasiva para suspender el tren. Al utilizar la levitación magnética pasiva, es posible reducir al mínimo la fricción de arrastre, lo que se traduce en un menor consumo de energía.
De manera adicional, el sistema maglev (tren de levitación magnética) utiliza otro conjunto de imanes para hacer avanzar el tren a gran velocidad aprovechando la falta de fricción.
Algunos sistemas maglev proponen el uso de tubos al vacío (sin aire), que eliminan la resistencia del aire. Esto tiene el potencial de aumentar la velocidad y la eficiencia en gran medida, ya que la mayor parte de la energía de los sistemas de levitación magnética convencionales se pierde debido a la resistencia aerodinámica.
La distribución de energía de un sistema maglev tradicional comprende que la energía se proporciona a la totalidad de la vía, por lo tanto, deben instalarse costosos segmentos de bobinado a lo largo de la vía completa y todos ellos deben estar eléctricamente conectados a un suministro eléctrico constante.
El documento US4840125A presenta un sistema de tren de levitación magnética en el que la vía se divide en subregiones y la energía se suministra solo a la subregión donde se encuentra el tren, lo cual es económicamente ventajoso ya que el sistema no suministra energía a toda la vía de manera constante.
El principal problema con el sistema del documento US4840125A es que cada una de las subregiones debe recibir la misma energía independientemente de la velocidad y el consumo de energía esperado del sistema maglev y la vía completa debe comprender segmentos de bobinado, lo cual es ineficiente porque el sistema maglev necesita más energía cuando debe acelerar o desacelerar que cuando el tren viaja a una velocidad máxima constante.
Por todas las razones explicadas anteriormente, se puede decir que las distribuciones de energía en los sistemas maglev se suelen diseñar independientemente del perfil de velocidad (aceleración, crucero/estado estable y desaceleración), lo cual no es eficiente ni rentable, especialmente para vías ferroviarias largas.
Se pueden encontrar más ejemplos de la técnica anterior relacionada al menos en los siguientes documentos:
- El documento WO92/20137A1 dirigido a un motor lineal sincrónico a paso polar variable;
- El documento US5717261A dirigido a un motor lineal sincrónico con rotor de imán permanente blindado con polos extensibles; y
- El documento WO2012/101535A2 dirigido a un vehículo de suspensión o levitación magnética.
Objeto de la invención
Un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un sistema de tren de levitación magnética con una distribución de energía asimétrica que aumente la eficiencia y reduzca la inversión necesaria en la instalación y mantenimiento de la distribución de energía.
El sistema de tren de levitación magnética con distribución asimétrica de energía de la invención comprende un tren y una vía por la que se desplaza el tren, la vía está al menos parcialmente ubicada dentro de un tubo sin aire, la vía tiene al menos dos estaciones en las que se detiene el tren, por ejemplo para permitir que la gente suba o baje del tren. Cada tramo de vía situado entre dos estaciones correlativas comprende las siguientes zonas:
- una zona de aceleración en la que el tren comienza a moverse hasta alcanzar una velocidad de crucero, situada al comienzo del tramo de vía entre dos estaciones correlativas y que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado consecutivos a lo largo de este tramo de vía, los segmentos de bobinado están conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico,
- una zona de desaceleración en la que el tren frena desde la velocidad de crucero hasta detenerse, situada al final del tramo de la vía entre dos estaciones correlativas y que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico, y
- una zona de crucero en la que el tren se mueve a la velocidad de crucero, situada entre la zona de aceleración y la zona de desaceleración, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado conectados eléctricamente a un suministro eléctrico, y que comprende una pluralidad de espacios vacíos entre algunos de los segmentos de bobinado.
En la zona de velocidad de crucero, debido a que no hay resistencia al aire o fricción de arrastre y no hay variación de la velocidad, no es necesario proporcionar energía constantemente al sistema de tren de levitación magnética. Por esta misma razón, los segmentos de bobinado no se instalan consecutivamente, los segmentos de bobinado se colocan dejando espacios vacíos entre ellos, de tal forma que se asegure que la velocidad de crucero del sistema maglev en la zona de crucero no baje del 1 % al 3 % de la velocidad máxima.
En la zona de aceleración son necesarios segmentos de bobinado consecutivos para que el tren pueda alcanzar la velocidad de crucero. Preferentemente, los segmentos de bobinado en esta zona aumentan su longitud junto con la dirección de desplazamiento del tren. Al comienzo del recorrido, la longitud de los segmentos de bobinado sería mínima para priorizar la potencia sobre la velocidad, lo permite que la energía se utilice para acelerar en lugar de disiparse en el bobinado. Una vez que la velocidad aumenta, la prioridad cambia a un mayor enfoque gradual sobre la velocidad, por lo que los segmentos de bobinado aumentan en longitud para permitir una mejor aplicación de las fuerzas magnéticas.
En la zona de desaceleración, se consigue el frenado del tren. En esta zona, se alteran las conexiones de los motores del tren para convertirlos en generadores eléctricos, de forma que la velocidad del tren, durante el frenado, se transforma en energía y se devuelve al suministro eléctrico. Los segmentos de bobinado consecutivos en la zona de desaceleración disminuyen su longitud a lo largo de la dirección de desplazamiento del tren, para absorber mejor la energía transformada en el suministro eléctrico. Una vez que se reduce la velocidad del tren, la longitud de los segmentos de bobinado disminuye para absorber la energía transformada de una manera más eficiente.
Preferentemente, la zona de crucero comprende segmentos de bobinado de bajo coste dispuestos en los espacios vacíos creados entre los segmentos de bobinado. Los citados segmentos de bobinado de bajo coste permiten que el tren llegue a la estación más cercana en la vía a una velocidad inferior a la de crucero cuando se ha producido un fallo y el tren se ha detenido en la zona de crucero.
Preferentemente, el tren también comprende un bogie con un motor alimentado por baterías a bordo y ruedas de apoyo que permiten el desplazamiento del tren a través de la vía por contacto. Por tanto, cuando se ha producido un fallo en la zona de crucero, el motor ayuda al tren a llegar a la estación más cercana a una velocidad inferior a la de crucero.
Preferentemente, la zona de crucero comprende segmentos de bobinado de aceleración, que son más largos que los segmentos de bobinado de la zona de crucero y su longitud permite que el tren alcance la velocidad de crucero.
Descripción de las figuras
La Figura 1 muestra un gráfico que muestra el perfil de velocidad junto con las tres zonas (aceleración, crucero y desaceleración).
La Figura 2 muestra un gráfico que muestra la diferencia en términos de velocidad entre una disposición discontinua de segmentos de bobinado y una disposición continua de segmentos de bobinado.
La Figura 3 muestra el incremento de longitud de los segmentos de bobinado en la zona de aceleración.
La Figura 4 muestra elementos que comprende la invención para llevar la cápsula a una estación en la vía cuando la cápsula está detenida en la zona de crucero.
La Figura 5 muestra las conexiones óptimas para un motor lineal de propulsión típico de cuatro segmentos.
Descripción detallada de la invención
El sistema de tren de levitación magnética con distribución asimétrica de la energía de la invención comprende un tren1para el transporte de pasajeros y/o carga, formado al menos por una cápsula o una locomotora, que se desplaza a través de una vía2que está total o parcialmente ubicada dentro de un tubo sin aire (al vacío). Cuando el tren1se mueve dentro del tubo sin aire, el tren1viaja casi sin de resistencia del aire o fricción, lo que permite que el tren 1 alcance una alta velocidad de manera muy eficiente.
La vía2del sistema tiene al menos dos estaciones3en las cuales el tren1se detiene, por ejemplo para permitir que la gente suba o baje del tren. Como se muestra en la Figura 1, cada sección de la vía2ubicada entre dos estaciones3correlativas comprende las siguientes zonas:
- una zona de aceleración4en la que el tren1comienza a moverse hasta que alcanza una velocidad de crucero, es decir, un intervalo del 97 % al 100 % de la velocidad máxima a la que puede moverse el tren. Esta zona de aceleración4se encuentra al principio del tramo de la vía2entre dos estaciones3correlativas, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado7consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico9, para permitir que el tren1alcance la velocidad de crucero. El objetivo principal de esta zona es aplicar la máxima energía posible al tren1para acelerarlo hasta que alcance la velocidad de crucero.
- una zona de desaceleración5en la que el tren1frena desde la velocidad de crucero hasta que se detiene. La zona de desaceleración5se encuentra al final del tramo de la vía2entre dos estaciones3correlativas, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado7consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico9. La finalidad de esta zona es permitir el frenado del tren1y transformar de nuevo la velocidad del tren1en energía, energía que se devuelve al suministro eléctrico9.
- una zona de crucero6en la que el tren1se mueve a la velocidad de crucero, situada entre la zona de aceleración4y la zona de desaceleración5, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado7conectados eléctricamente a un suministro eléctrico9y que comprende una pluralidad de espacios vacíos8entre algunos de los segmentos de bobinado7.
Hipotéticamente, si el tren1se mueve sin fricción de ningún tipo contra él, una vez alcanzada la velocidad de crucero, el tren1se movería a una velocidad constante sin aplicarle ninguna energía. En vista de que en el tubo sin aire la fricción de arrastre y la resistencia del aire son muy pequeñas, la zona de crucero6requiere menos cantidad de energía para mover el tren1a una velocidad constante.
Debido a que se necesita menos cantidad de energía, los segmentos de bobinado7en la zona de crucero6se puede espaciar, permitiendo la existencia de espacios vacíos8entre algunos de los segmentos de bobinado7, diseñados de manera que la caída de velocidad sea pequeña. Utilizando este enfoque, se utilizan menos segmentos de bobinado7en la zona de crucero6, que es la sección más larga de la vía2entre dos estaciones3correlativas y eso conduce a una solución más económica ya que el coste del cobre y el coste de administración del sistema de energía disminuirán.
La Figura2muestra un gráfico donde se hace una comparación entre la variación de velocidad de una solución conocida13, en la que en la zona de crucero se colocan segmentos de bobinado consecutivos y la variación de la velocidad de la invención14, en la cual los espacios vacíos8de la zona de crucero6se encuentran entre algunos de los segmentos de bobinado7. Como se puede observar, la variación de velocidad es casi imperceptible.
Como se muestra en la Figura3, en la zona de aceleración4, los segmentos de bobinado7tienen su longitud mínima al comienzo de la zona y la longitud de los segmentos de bobinado7aumenta a lo largo de la dirección de desplazamiento. La razón de esto es que la longitud de los segmentos de bobinado7tiene un impacto directo sobre la eficiencia del sistema eléctrico y el factor de energía. Debido a que al comienzo del viaje la velocidad del tren1es baja, la longitud de los segmentos de bobinado7puede ser más corta, de tal manera que llegue más energía al tren1.
En la zona de desaceleración5la longitud de los segmentos de bobinado7varía en relación con la velocidad esperada del tren1. Cuando la velocidad es la velocidad de crucero, la longitud de los segmentos de bobinado7es también la máxima, mientras que cuanto menor sea la velocidad esperada, menor será la longitud de los segmentos de bobinado7. Durante el frenado del tren1, las conexiones del motor del tren1se alteran para convertirlo en un generador eléctrico, de forma que la velocidad del tren1se transforma de nuevo en energía, que luego se envía de nuevo al suministro eléctrico9a través de los segmentos de bobinado7.
Los segmentos de bobinado7se pueden conectar en serie, en paralelo o en una configuración mixta (serie-paralelo), en función de la velocidad y la energía necesaria en cada tramo de la vía2.
Como se muestra en la Figura 4, el sistema de tren de levitación magnética comprende unos sistemas que evitan que cuando el tren1se detiene o se reduce su velocidad en la zona de crucero6por un error o un fallo en el tren1y/o en la vía2, el tren1permanece detenido en la posición en la que se produjo el fallo, para que el tren1se pueda mover a la siguiente estación3de la vía2.
Para resolver este problema, la invención comprende segmentos de bobinado de bajo coste10que se disponen en los espacios vacíos8entre los segmentos de bobinado7. Los citados segmentos de bobinado de bajo coste10permiten que el tren1llegue a la siguiente estación3en la vía2a una velocidad inferior a la de crucero, donde el trenIpodría ser reparado en caso de que el tren1se detenga debido a un problema.
Además, el bogie del tren1comprende un motor11alimentado por baterías a bordo y ruedas de apoyo que podrían disponerse en contacto con la vía2y permitir el desplazamiento del tren1a través de la vía2. Por lo tanto, en el caso de que el tren1se detuviera en la zona de crucero6, el citado motor11mueve el tren1a una velocidad inferior a la de crucero mediante sus ruedas de apoyo hasta alcanzar la próxima estación3en la vía2.
Preferentemente, la zona de crucero6comprende también algunos segmentos de bobinado de aceleración12, que son más largos que el resto de los segmentos de bobinado7en la zona de crucero6, y tienen una longitud que permita al tren1volver a alcanzar la velocidad de crucero en caso de que no haya condiciones de fallo en el sistema. El motorI Ien el tren1y los segmentos de bobinado de bajo coste10ayudan al tren1a alcanzar estos segmentos de bobinado de aceleración12a una velocidad inferior a la de crucero.
La Figura 5 muestra las conexiones óptimas para un motor lineal de propulsión típico de cuatro segmentos. En este ejemplo, en cada módulo de un motor lineal de propulsión de cuatro segmentos, los segmentos están conectados con una configuración en serie, en serie-paralela y paralela según la velocidad del maglev. En función de la energía y las fuerzas requeridas, se puede variar el número de segmentos y módulos.
Además, en función de la velocidad y la aceleración requeridas, se pueden definir las distancias en las que debe cambiar la conexión entre segmentos. Y en base a las distancias antes mencionadas y el límite de tensión, se puede definir el número de módulos de serie.
Claims (6)
1. Un sistema de tren de levitación magnética con una distribución asimétrica de energía, que comprende un tren (1) y una vía (2) a través de la cual se desplaza el tren (1), la vía (2) está al menos parcialmente situada dentro de un tubo sin aire, la vía (2) tiene al menos dos estaciones (3), y cada tramo de vía (2) entre dos estaciones (3) correlativas comprende las siguientes zonas:
- una zona de aceleración (4) en la que el tren (1) se pone en marcha hasta alcanzar una velocidad de crucero, situada al inicio del tramo de vía (2) entre dos estaciones (3) correlativas, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado (7) consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico (9), - una zona de desaceleración (5) en la que el tren (1) frena desde la velocidad de crucero hasta detenerse, situada al final del tramo de vía (2) entre dos estaciones (3) correlativas, que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado (7) consecutivos conectados eléctricamente entre sí y a un suministro eléctrico (9), y
- una zona de crucero (6) en la que el tren (1) se desplaza a la velocidad de crucero, situada entre la zona de aceleración (4) y la zona de desaceleración (5), que comprende una pluralidad de segmentos de bobinado (7) conectados eléctricamente a un suministro eléctrico (9), y que comprende una pluralidad de espacios vacíos (8) entre algunos de los segmentos de bobinado (7).
2. El sistema de tren de levitación magnética con una distribución de energía asimétrica de la reivindicación 1, en donde los segmentos de bobinado (7) en la zona de aceleración (4) aumentan su longitud a lo largo de la dirección de desplazamiento del tren (1).
3. El sistema de tren de levitación magnética con una distribución asimétrica de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en donde los segmentos de bobinado (7) en la zona de desaceleración (5) disminuyen su longitud a lo largo de la dirección de desplazamiento del tren (1).
4. El sistema de tren de levitación magnética con una distribución asimétrica de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde la zona de crucero (6) comprende segmentos de bobinado de bajo coste (10) dispuestos en los espacios vacíos (8) entre los segmentos de bobinado (7).
5. El sistema de tren de levitación magnética con una distribución asimétrica de energía de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el tren (1) comprende un bogie con motor (11) alimentado por baterías a bordo y ruedas de apoyo que permiten el desplazamiento del tren (1) a través de la vía (2) por contacto.
6. El sistema de tren de levitación magnética con una distribución de energía asimétrica de la reivindicación 4, en donde la zona de crucero (6) comprende segmentos de bobinado de aceleración (12), que son más largos que los segmentos de bobinado (7) en la zona de crucero (6) y su longitud permite que el tren (1) alcance la velocidad de crucero cuando el tren (1) está parado.
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