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.

Rendimento: nei cuscinetti magnetici convenzionali le correnti che circolano all’interno delle bobine per generare il necessario campo magnetico producono anche la dissipazione di una certa quantità di potenza per effetto Joule. Nei cuscinetti magnetici superconduttivi non vi è invece dissipazione di potenza per effetto Joule. In realtà una certa dissipazione di potenza avviene comunque, a causa del meccanismo delle prdite AC, ma in misura molto minore rispetto a quella che si verifica nei cuscinetti convenzionali.

 

 

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.

 

 

 

 

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.