Maglev – svävtågen nästa kvantsprång för persontransport

Jörgen Städje
6 år sedan

– Välkomna ombord på detta X4000-tåg som ska ta oss till Göteborg. Resan beräknas ta 45 minuter. Håll i hatten. I bistrovagnen finner ni… Här slumrar du till och sätter dig tillrätta i fåtöljen, medan du hör magnetiseringsströmmen i spåret morra till och vagnen lyfter ett par centimeter. Accelerationen när tåget ljudlöst skjuter ut från Stockholms Central är fenomenal och mindre än tio minuter senare susar Södertälje förbi som i en dimma.

Yamanashi Maglev Test Line, Japan

Så skulle det kunna låta den dag maglevtågen blir vanliga, eller åtminstone vanligare än de är idag. De nya supersnabba tågen behövs för att kunna konkurrera med flyget tidsmässigt. De är dessutom ”grönare” eftersom de är eldrivna. Ännu så länge finns bara några få kommersiella banor i drift men flera järnvägsbolag har provbanor.

I Japan är snabbtåget Shinkansen fyllt till bristningsgränsen och behöver utökas med flera, snabbare linjer. Snabbtåg på räls bullrar, medan turbulensen i luften är det enda som väsnas om svävtåg, och då bara när de kommer uppåt 300 km/t. För att kontra detta har man gjort dem extremt, surrealistiskt aerodynamiska.

Det kommer att gå fort. Acceleration från 160 till 500 km/t på 30 sekunder utan minsta skakning har demonstrerats på den japanska prototypen till Tokyo-Osaka-banan.

Maglev (magnetic levitation) är ett tåg som flyger på, och drivs framåt av, ett magnetfält. Det finns två flygprinciper: antingen stöts magneter i tåget bort av ett uppåtriktat, repulserande magnetfält ovanpå spåret (repulsionsprincipen), eller också hänger magneter i tåget i ett attraherande magnetfält under spåret (attraktionsprincipen). Båda fungerar och som vi ska se, används båda. Repulserande system använder sig av supraledare som motmagneter i vagnen och det är dyrt med supraledare och heliumkylsystem varför man hittills bara byggt attraherande system, men de nya japanska tågen har supraledande motmagneter i vagnarna och hänger i ett magnetfält från sidorna.

Metoden för beröringsfri framdrift är att tåget kastas och dras framåt av ett magnetfält som rör sig längs spåret. Motmagneter eller virvelströmsfenomen i tåget kontrar magnetfältet och i idealfallet kommer vagnen att röra sig framåt lika fort som magnetfältet, lämpligen ett trefasfält, förflyttas. För att öka och minska farten ökas och minskas frekvensen på trefasfältet. I det japanska fallet används 0 till 50 Hertz för farter mellan 0 och 500 km/t, och i det tyska fallet 0-270 Hertz, helt enkelt för att det tyska tåget har fler poler.

En vanlig rund asynkron trefasmotor har flera uppsättningar poler, kallade R, S och T runt insidan. När R-fasen ligger på topp är R-polen mest magnetisk. När strömmen växlar så att S-fasen ligger på topp är S-polen mest magnetisk osv. Så länge växelströmmen är på, snurrar fältet runt inuti motorn och rotorn hänger med. Tänk nu att du tar trefasmotorn och skär upp den axiellt, viker ut den och gör den platt. Då kommer fältet att röra sig längs plattan. Lägg nu exempelvis 325 utplattade motorer efter varandra och du har ett tågspår med ett fält som rör sig längs spåret. Lägg en aluminiumbit på spåret och den kommer att fara iväg ikapp med magnetfältet. Ökas frekvensen går det fortare.

Vad händer om strömmen till lyftmagneterna skulle ta slut? I det japanska fallet faller tåget ett par centimeter och landar på hjul. I det tyska fallet släpper man ström från batterier ombord genom en spole i tågets botten som orsakar virvelströmmar i stålet i banan, som bromsar tåget till 10 km/t varefter det faller ned på glidskenor. En sorts omvänd maglev-funktion. Inbromsningen blir sannolikt inte den bekvämaste.

Tyska Transrapid var pionjären

Transrapid är ett tyskkonstruerat höghastighetståg som utvecklades omkring 1987 av ett konsortium under ledning av företagen Siemens AG och ThyssenKrupp AG och provbanan på 31,5 km i Landkreis Emsland stod klar för experimentdrift 1991.

Transrapid är det företag som byggt och sålt flest maglevjärnvägar (nämligen: en). Förutom på provbanan körs tåg i kommersiell drift i Shanghai i Kina. Sedan emslandbanan öppnades har flera generationer tåg provats. Så har exempelvis Transrapid 07 har körts mer än 550.000 kilometer och transporterat fler än 220.000 passagerare. 1993 uppnådde tåget världsrekordet för maglevtåg i passagerartrafik med 450 km/t. Det har sedan dess ersatts av Transrapid 08 som erhållit typgodkännande för kommersiell drift. Det är konstruerat för 550 km/t och är dessutom lättare och tystare än sin föregångare. Transrapid 09 från 2007 konstruerades för maxfarten 500 km/h och gav acceleration och retardation på cirka 1 m/s².

Attraktionsprincipen

Transrapids tåg grenslar spåret och har en stödmagnet (röd, attraherade magnet) som hänger i en stator (grön) från spårets undersida. Tåget hålls på plats i sidled av en styrmagnet på var sida (guidance magnet) som helt enkelt suger åt sig tåget om det skulle komma för långt åt sidan. Magnetfältens styrka måste styras med servoelektronik så att tåget alltid hänger cirka 10 millimeter ovanför spåret.

Spåret byggs av betong i form av balkar med 50 meters längd som stöds av stolpar var 25:e meter. För att tåget ska gå någorlunda rakt fram trots att marken varierar i höjd (sidkrafterna kan bli våldsamma i 500 km/t) kan stolparna vara mellan 2,2 och 20 meter höga. Spåret kan inte gå på marken eftersom det skulle kunna bli mycket farligt med djur på spåret.

Tåget klareras från en fjärrklareringscentral som vilken automatisk bana som helst. Bilden ovan visar Transrapids central i Tyskland. Kommandon från klareringen går ut på en optisk fiber som ligger längs banan, och förarens order (hastighet, inbromsning mm) går tillbaka till klareringen samma väg. Själva överföringen är naturligtvis en radiolänk. Eftersom tåget inte har några egentliga motorer måste förarens order om hastighet och inbromsning skickas till centralen som i sin tur styr om växelriktarna för att mata ut lämplig trefasfrekvens.

Fjärrklareringscentralen säkrar, precis som hos Trafikverket, att inte två tåg kommer för nära varandra och blockerar banan för ett tåg om det framförvarande inte skulle ha hunnit iväg (trodde man). Tågens position på banan erhålls från digitala baliser på spåret som tolkas av en mottagare i tåget och sänds till centralen.

Här är metoden lite mera rakt på sak än för spårtrafik med luftledning. Banan är segmenterad. Eftersom man inte har kraften på, på segment som för tillfället inte har ett tåg, främst för att spara effekt och på sätt öka verkningsgraden, kan man förhindra två tåg att komma för nära varandra genom att helt enkelt inte släppa på strömmen.

Man kan också sätta en maxhastighet för det bakomliggande tåget genom att inte tillåta en drivfrekvens högre än ett värde som gör att det kan bromsas i tid innan det når fram till segmentets slut.

Tåget nödbromsas genom att man aktiverar magneter under vagnen med likström från batterier ombord. Dessa orsakar virvelströmmar i stålkärnan i spåret vilket ger motverkade magnetfält som drar tåget bakåt. När faten är tillräckligt låg (10 km/t) kan tåget landsättas på sina glidskenor.

Olyckan

År 2006 inträffade en tragedi på Transrapids testbana, vid staden Lethen. Ett servicefordon stod uppe på banan när ett tåg kom körande i full fart. Kollisionen blev våldsam och några av tågvagnarna demolerades helt. Det pekar inte på att maglevtågen skulle vara osäkrare än vanlig spårjärnväg, bara på att tågen blir betydligt plattare i 300 än i 150 km/t (men det inget mot vad flygplan blir). Det är uppenbart att det behövs bättre koordinering mellan fjärrklareringen och underhållsorganisationen.

Orsaken visade sig vara den mänskliga faktorn. Ett system som skulle ha förhindrat kraschen, var urkopplat. En domstol kom 2008 fram till att olyckan orsakades av den mänskliga faktorn, däribland det faktum att man inte aktiverat ett bromssystem som skulle ha stoppat tåget när underhållsarbetet utfördes. Två anställda befanns skyldiga till 23 fall av dråp och 11 fall av försumlighet.

Shanghai

Konstruktionen av det första kommersiella Transrapid-systemet påbörjades i Shanghai 2001 och systemet var igång 2004. Linjen är 30 kilometer och går mellan flygplatsen Pudong och affärsdistriktet Shanghai Lujiazui. Det tar 8 minuter att åka de 3 milen (Sergels torg – Södertälje centrum tar idag drygt en timme). 2003 satte tåget världsrekord med 501 km/t medan ett tåg passerade i motsatt riktning i 430 km/t, men normalt håller man sig till 430 km/t. Denna linje är en av de snabbaste järnvägsförbindelser som finns.

Next stop Munich

Transrapids hemland funderade på att bygga en kommersiell bana. Den 24 september 2007 togs ett beslut (mellan Freistaat Bayern, Deutsche Bahn och Transrapidkonsortiet) att bygga en transrapidlinje från München Hauptbahnhof till flygplatsen München-Franz Josef Strauss, som skulle vara klar 2010. Där fanns redan en järnvägslinje, men den var överbelastad, liksom motorvägarna. De 38 kilometrarna skulle överbryggas på bara 10 minuter i 350 km/t.

Projektets pris uppskattades vid tidpunkten till 1,85 miljarder Euro för den 37 km långa tåglinjen.

Samtidigt påpekade Günther Beckstein, som var Bayerns ministerpresident vid den tiden, att fristaten skulle avsluta samarbetet om kostnaderna för Bayern skulle stiga. I mars 2008 publicerades en ny uppskattning där utgifterna hade ökat till minst 3 miljarder Euro. Under ett krismöte med alla inblandade togs beslutet att inte fortsätta projektet.

Slutet

Det gick inget vidare för Transrapid. Äventyret slutade med att man kom fram till att inköpskostnaderna blev för höga, även om driftkostnaderna för en färdig bana borde vara betydligt lägre än för skentåg, tack vare att tåget aldrig vidrör banan.

Transrapidtåg kan komma att kosta mer än dubbelt så mycket som vanliga snabbtåg, men är mer än dubbelt så effektiva tack vare att de accelererar och framförs snabbare. Så löd åtminstone de ursprungliga beräkningarna år 2005 för den påtänkta nya brittiska snabbtågsbanan UK Ultraspeed. I förstudien kom man fram till att man bara behövde 44% så många maglevtåg som skentåg för att transportera samma antal passagerare på en given tid.

Beklagligtvis inträffade den tragiska olyckan på elmslandbanan strax efter att detta kom på tal i England, samt de allvarliga säkerhetsproblem ådagalades, varvid hela idén föll. Det engelska utvecklingsarbetet avbröts år 2007 och företaget bakom projektet släppte hela arbetet år 2013.

I slutet av 2011 tog drifttillståndet för spåret i Elsmslad slut och det stängdes och banan och fabriken revs under år 2012 och marken återanvändes till annat.

Företaget Transrapid finns idag inte längre kvar på Internet.

Miyazaki Maglev Test Center

Japanerna började som alla andra med att bygga experimentella maglevbanor för olika utställningar och har på detta sätt transporterat fler än 2 miljoner passagerare. Två banor i experimentdrift utvärderas för närvarande i Japan.

Japanerna har lagt ned miljarder dollar i utveckling av tåg enligt både attraktions- och repulsionsprincipen. Till slut fastnade det nyligen privatiserade Japan Rail (JR) och dess forskningsavdelning Railway Technical Research Institute (RTRI) för den repulserande principen med supraledande magneter i tågen. Man valde ett så högt flygavstånd som 10 centimeter, för att undgå att överföra vibrationer från de talrika japanska jordskalven till vagnarna.

1977 öppnades en första kort provlinje på 7 kilometer i Miyazaki län. Den användes för utprovning av metoder och vagnar för nästa projekt. Hastigheter på 352 och 400 km/t uppnåddes och det supraledande systemet färdigställdes.

Man provade också luftbromsar för nödbromsning.

1979 slog man hastighetsrekordet för höghastighetståg, med 518 km/t. Avsikten med dessa mycket höga hastigheter är att konkurrera både med Shinkansen och flyget. Dagens hastighetsrekord (2015) med L0-seriens maglev ligger på 603 km/t.

Yamanashi Maglev Test Line

En provbana på 42,8 kilometer mellan städerna Sakaigawa och Akiyama öppnades 1996. Banan finns i Yamanashi län och kallas därför för Yamanashi Maglev Test Line.

När Central Japan Railway Company började planera för en bana från Tokyo till Osaka 1997 (som skulle innefatta banan i Yamanashi) hade man bedömt att hastigheter på 274 km/t var nödvändiga för att kunna konkurrera med flyget. De första tågen var konstruerade för 500 km/t men man avsåg att senare gå upp till 800 km/t. Förmodligen behövs 10 cm flyghöjd vid dessa hastigheter för att minimera risken att tåget berör banan, helt bortsett från jordskalven.

Här fortsätter experimenten med tågtyperna MLX01-aerowedge,

MLX01 Double Cusp

och MLX01 superstrykjärn.

Repulsionsprincipen

De japanska spåren utförs som u-formade gravar i betong med magneterna monterade i sidorna. Ytterst ligger framdrivningsspolarna (blå) som åstadkommer det framrusande magnetfältet med hjälp av en trefasström. Innanför dessa ligger lyftspolarna (röda) som både lyfter och håller tåget kvar i mitten. Båda spolsystemen samverkar med de supraledande enheterna ombord på tåget. Botten av betongspåret är passiv och har bara två upphöjningar för tågets hjul, om det skulle behöva nödlanda (eller landa vid en station).

En knivighet: växeln

Växlar blir av nödvändighet väldigt klumpiga. Man måste förskjuta ett spår (traversing) och skjuta in ett annat med hydraulik. Det kan ju låta enkelt, men om spåret väger ett par tiotals ton, är 30-40 meter långt och felet inte får bli mer än ett par millimeter är det inte så enkelt.

El-reflektioner

Man använder sig av tre switchaggregat (frekvensomriktare) för att skapa trefasströmmen. Den norrgående Yamanashi-linjen drar 38 MVA medan den södergående får nöja sig med 20 MVA. Tågets fart regleras som sagt med drivfrekvensen och för den norrgående linjen använder man sig av 0-56 Hertz för att åstadkomma hastigheter på mellan 0 och 550 km/t och den på södergående 0-46 Hertz för 0-450 km/t. Det är uppenbart att skillnaden mellan 450 och 550 km/t kräver mycket effekt. Driftsystemet beräknar också hastighetskurvor som styr frekvensomriktarna för att accelerera och bromsa tåget korrekt.

Räkna på verkningsgraden

Här får vi nu en chans att räkna på verkningsgraden. Ett fullsatt pendeltåg (eller Pågatåg) som drar på för fullt, drar 1 MVA per tågsätt. Fem tågsätt ihop blir 5 MVA. De kommer sällan upp i över 120 km/t så luftmotståndet i den farten är inte så betydelsefullt.

Luftmotståndet ökar emellertid med hastigheten i kvadrat, så effektbehovet ökar med hastigheten i kubik. Jämför man hastigheterna: (550/120)^3= 96,28, dvs luftmotståndet för det japanska tåget är 96 ggr viktigare än för pendeltåget. Även om man har supraledande magneter så drar kylsystemet en icke försumbar effekt. Det är svårt och dyrt med supraledande magneter och de tenderar att hamna på museum.

Det är det man får böta för att få susa fram i 550 kilometer i timmen, lugnt njutande av ett glas gott vin, medan landskapet rusar förbi utanför rutan och korna sprutar åt höger och vänster.

Maglev kontra Hyperloop

Världen har vänt sina blickar mot SpaceX Hyperloop.

Man kan börja med att konstatera att maglev redan finns och fungerar, medan Elon Musks Hyperloop fortfarande är en fantasi. Hyperloop är avsett att nå 1200 km/t, men till priset av en väldigt dyrbar anläggning. Bland annat krävs att fordonen färdas i rör med nästan-vakuum. Det blir inte billigt.

Ursprungligen avsåg Musk att Hyperloop-tåget skulle dra sig fram med en stor fläkt som sög in luften framtill och blåste ut den baktill, alltså reaktionsdrift. En del av lufttrycket skulle användas till en luftkudde som tåget skulle sväva på. Numera verkar man ha övergått till maglev-principen, om än med statiska neodym-magneter i experimentfasen.

Hyperloop är för närvarande väldigt mycket hype, stora tankar, visioner och förstudier och kartor med långa, fina tågbanor inritade. Men i övrigt handlar det mest om att samla ihop sponsorpengar för att få en testbana körbar.

Bygg ditt eget maglevtåg, andra gör det

Författaren har byggt ett eget svävtåg och det var inte så svårt eller högteknologiskt som man kan tro. Det knepiga är att förse banan med trefasström av lämplig amplitud och frekvens.

Historik

Idén fick jag när jag såg en James Bond-film. Bond var på rundvandring i verkstaden med ”Q” när de kom fram mot en avlång apparat bestående av ett antal öppna halvmeterhöga transformatorkärnor bredvid varandra. ”Q” sa:

– Se till att få den där bardisken klar till ambassadörens party ikväll.

En tekniker i vit rock tog en stålbricka och ställde på toppen av ”bardisken”, magnetfältet morrade till och brickan for iväg och klippte av huvudet på en halmdocka som satt vid ena änden.

”Det där bör de ha gjort på riktigt. Det var inte en animeringseffekt (för sådant fanns inte då). Det kan jag också göra” tänkte jag.

Bygget

En natt med fräsmaskin i glada vänners lag gjorde susen.

Material

En kraftig planka, minst 1” × 2” att ha som bas. Gärna 1,5 – 2 meter lång.
Skaffa transformatorplåt, E-kärnor från någon lindningsverkstad, med längsta mått kanske 30-40 mm. Det går åt flera tusen, beroende på hur lång järnvägen ska vara. Jag köpte 2000 stycken och det var inte särskilt dyrt. Köp dessutom en handfull I-plåtar att ha som ifyllnad etc.
Ett par hundra meter 0,5 mm lackisolerad koppartråd.

1. Fräs ur två rektangulära spår längs hela plankan, så djupt att E-plåtens långände precis kan läggas ned i det, och polerna sticker upp. Bredden på spåret ska vara cirka 15 mm.

2. Ställ ned transformatorplåtarna omlott, enligt bilden och fyll upp hela spåret. Knacka ned de sista plåtarna så att det spänner åt tight och knacka hela plåtpaketet jämt med gummiklubba. Du har nu fått en lång järnkärna. Benämn polerna R-S-T-R-S-T-R… osv längs hela spåret.

3. Skydda polernas vassa kanter med ett lager isoleringsband, kaptontejp eller dylikt. Linda polerna fas för fas och se till att nord blir åt samma håll på alla. (Prova med likström och en kompass.) Börja exempelvis med R-polerna och linda på så mycket tråd att utrymmet mellan polerna är halvfyllt (så att nästa spole får plats), cirka 40 varv. Linda hårt. Linda därefter S- och slutligen T-fasen.

4. Polerna lindas i serie sex och sex och en trefasgrupp Y-kopplas. Grupper parallellkopplas med grov distributionsledning.

5. Säkra alla spolar med tvärgående trådar.

Ett polpar i närbild. Du ser tydligt hur transformatorplåtarna är staplade och hur spolarna är säkrade med isoleringsband och nedspända med de vita trådarna. Alltihop vibrerar ordentligt när effekten släpps på.

Spåret på lite avstånd. Den grova gula ledaren nederst är en av distributionsledningarna till de olika fasgrupperna. De korta vita, röda och gröna ledarna överst är bara visuella markeringar av R, S och T-faserna.

Den här bygganvisningen är för en rak bana, men det finns inget som hindrar att du bygger en rundbana, bara du doserar den korrekt.

Strömförsörjning

Här krävs det lite finurlighet. Jag körde med en trefas frekvensomriktare avsedd för tvättmaskinsmotorer, men anything goes.

Ungefärliga data för en bana på 1,5 meter

3 x 200 volt, 15 ampere
700 watts effekt
200 – 500 hertz

Vid 200 hertz rör sig fordonet knappast och vid 500 hertz flyger det av banans ände i en snygg båge.

Som du ser är verkningsgraden inget vidare. Det beror huvudsakligen på alla luftgap. Det är så det är med maglev, det mesta av magnetfältet går förlorat i luften.

Fordonet

Fordonet ska vara av aluminium, en 10×2 cm, 2 mm aluminiumplåt med svagt uppvikta kanter, lite som en båt.

Ställer du fordonet på magnetfältet kommer det att åka av direkt. Fältet fungerar som en hal kudde. Tejpa två till fyra I-plåtremsor inuti fordonets botten, längs dess längdaxel. Järnet kommer att dras mot magnetfältets mitt och hindra fordonet att åka av åt sidan. Experimentera med antalet I-plåtar.

Släpp på fältet och ställ ned fordonet och det skjuter iväg som en kanonkula.