LEVITAZIONE
MAGNETICA
Le prestazioni dei cuscinetti magneti convenzionali possono essere migliorate attraverso l’uso di tecnologie superconduttive, soprattutto per quanto riguarda la stabilità ed il rendimento.
Stabilità:
Un corpo ferromagnetico sospeso per mezzo del campo magnetico prodotto da una
bobina si trova in una condizione di equilibrio instabile in quanto la forza,
sempre attrattiva, che si sviluppa tra i due corpi cresce al diminuire della
distanza reciproca. La stabilità del sistema si consegue solo attraverso un
controllo attivo della corrente che circola nella bobina. Se si considera invece
la levitazione di un magnete permanente ad opera di una pastiglia di YBCO (Yttrium
Barium Copper Oxide), si ottiene un sistema intrinsecamente stabile. Infatti, la
presenza delle linee di campo prodotte dal magnete permanente induce
all’interno del corpo superconduttivo la circolazione di correnti la cui
evoluzione nel tempo è tale da assicurare l’invarianza del campo magnetico
intrappolato. Si possono verificare le due seguenti condizioni:
1-
caso “zero field cooling”, dapprima la pastiglia di materiale SC è
raffreddata in assenza di magnete permanente e successivamente i due corpi sono
posti in vicinanza. Le supercorrenti indotte nella pastiglia in questo caso sono
tali da prevenire la penetrazione del campo magnetico e tra i due corpi si
sviluppa una forza repulsiva che cresce al diminuire della distanza e da luogo
ad una levitazione verticale stabile del magnete sul superconduttore senza
bisogno di nessun sistema di controllo attivo.
2-
caso “field cooling”, la pastiglia di materiale SC è dapprima posta in
vicinanza del magnete permanente e successivamente raffreddata. In questo caso
le supercorrenti indotte nella pastiglia tendono a mantenere costante il valore
del campo magnetico intrappolato al suo interno, dando luogo ad una forza che può
essere attrattiva o repulsiva a seconda che la distanza iniziale tra i due corpi
aumenti o diminuisca rispettivamente. Tale comportamento assicura di nuovo una
levitazione verticale stabile senza l’ausilio di nessun sistema di controllo
attivo.
Tra
le principali applicazioni dei cuscinetti magnetici superconduttivi figurano i
volani per l’accumulo dell’energia e la levitazione di veicoli ferroviari.
Nel primo caso le pastiglie di YBCO vengono posizionate nella parte statorica
del sistema mentre alcuni magneti permanenti vengono posti all’interno del
rotore. Nel secondo caso invece, una bobina SC è posta all’interno del
veicolo ed interagisce con le bobine, realizzate con conduttore normale, poste
sulla rotaia fissa dando luogo alla levitazione. Entrambi questi sistemi sono
oggetto di studio presso il Laboratorio di Superconduttività Applicata
dell’Università di Bologna.
La stabilità verticale di un magnete permanente sospeso al di sopra di una pastiglia di YBCO è stata studiata attraverso un modello agli elementi finiti sviluppato dallo staff del laboratorio. I risultati numerici sono stati confrontati con quelli sperimentali ottenuti presso i laboratori del CESI di Milano |
Forza di Levitazione in funzione della distanza nel
caso di pastiglia raffreddata in assenza di campo |
Un sistema di bobine guida a “forma di otto” senza
connessioni incrociate per la sospensione elettrodinamica (EDS) di un veicolo
è stato proposto e analizzato. Le bobine guida sono poste sotto il veicolo in
posizione orizzontale. Sul veicolo sono presenti due bobine SC che
interagiscono con ognuna delle bobine a “forma di otto”. Le prestazione del sistema sono state studiate
attraverso la teoria dei circuiti dinamici. Le correnti delle bobine
superconduttive sono assunte costanti durante il loro movimento a velocità
costante. |
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Riferimenti
Bibliografici:
1. P.L. Ribani, A. Cristofolini, M. Fabbri,
P. La Cascia, F. Negrini, “Modelling of high-temperature superconducting
bearings”, Il Nuovo Cimento, Vol. 19D, n. 8-9, pp.1483-1488, August-September
1997.
2. F.
Negrini, P.L. Ribani, E. Varesi, S. Zannella, “Numerical Modelling of High Temperature
Superconducting Bearings”, Inst. Phys. Conf. Ser. n. 158, Vol. 2, pp.
1671-1674, (Paper presented at Applied Superconductivity, The Netherlands, 30
June-3 July, 1997).
3. P.L.
Ribani, N. Urbano, “Study on Figure-Eight-Shaped Coil Electrodynamic Suspension
Magnetic Levitation Systems Without Cross-Connection”, IEEE Transactions on
Magnetics, Vol. 36, n. 1, pp.358-365, January 2000.