Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей ЛТЭД

В успешном освоении НТМП важная роль принадлежит ЛТЭД (рис. 1.15) с разнообразно выполненными функциональными и конструктивными схемами, поскольку они обеспечивают: несравнимо высокие скорости бесконтактного движения; отсутствие центробежных сил и связанных с ними ограничений;

разнообразие конструктивных решений по расположению их на объектах движения (см. рис. 1.4 и 1.8); повышение надежности и долговечности, а также простоту конструкции и ее обслуживания; наличие (наряду с силой тяги) нормальной и тормозной сил; улучшение условий охлаждения их элементов и, как следствие этого, повышение электромагнитных нагрузок. Как и в обычных тяговых электродвигателях, у ЛТЭД есть подвижные и неподвижные звенья, разделенные воздушным зазором с сосредоточенным в нем магнитным потоком. Отсутствие непосредственной механической связи между активными элементами существенно содействовало разработке и созданию значительного ряда конструктивных вариантов ЛТЭД, часть которых показана на рис. 1.15. Все ЛТЭД могут быть классифицированы по топологическим признакам.

Наиболее распространенные и разработанные по техническим решениям ЛАТЭД (см. 1 и 4 на рис. 1.15) достаточно полно характеризуются четырьмя основными признаками [15, 47]: 1) схемой магнитной цепи; 2) расположением и соотношением элементов; 3) формой активных элементов; 4) конструктивным исполнением вторичного элемента. Вспомогательные признаки: 5) тип, 6) число фаз обмотки, 7) способ компенсации краевых эффектов, 8) способ компенсации реактивной мощности.

Конструктивное решение ЛАТЭД главным образом определяется первым признаком, согласно которому они могут быть выполнены с замыканием магнитного потока как в плоскости, параллельной направлению движения (продольный поток), так и в перпендикулярной плоскости (поперечный лоток), а также в обоих направлениях (продольно-поперечный поток).

В зависимости от второго признака ЛАТЭД может быть реализован в прямом (с коротким движущимся индуктором и неподвижным развернутым вторичным элементом) или обращенном (неподвижный протяженный или дискретно-расположенные индукторы, уложенные в путь, и короткий вторичный элемент, движущийся на экипаже) исполнениях.

Третий признак определяет ОЛАТЭД, ДЛАТЭД, и-образ-ное, С-образное и коаксиальное конструктивные исполнения. Сутью четвертого признака является зависимость конструкции ЛТЭД от способа замыкания магнитного потока и формы их активных элементов, включая вторичный: массивный (немагнитный и ферромагнитный); комбинированный (с массивным или шихтованным обратным магнитопроводом); с короткозамкнутой клеткой (с массивным или шихтованным магнитопроводом); с фазной обмоткой и с массивным или шихтованным магнитопроводом. Перечисленные варианты вторичного элемента могут быть реализованы лишь в ЛАТЭД. Применение различных обмоток на вторичном элементе в ЛАТЭД с поперечным магнит-

Конструктивные н принципиальные схемы ЛТЭД и схемы его электроснабжения

Рис. 1.15. Конструктивные н принципиальные схемы ЛТЭД и схемы его электроснабжения:

1, 2, 3, 7, 9 - конструктивные схемы соответственно ОЛАТЭД, ОЛИГЭД, ОЛСТЭДФ, ОЛСТЭД со СЛОВ и кССТН с ЛСТЭД; 4, 5, 6, 8, 10 - принципиальные схемы соответственно те\ же ТЭД; И-схема электроснабжения ОЛАТЭД и ОЛИТЭД; 12 - схема электроснабжения ОЛСТЭДФ, ОЛСТЭД и КССТН

ным потоком хотя принципиально и не исключается, но пока что не встречалось.

Целесообразное решение о форме активных элементов должно приниматься на основе получения наиболее предпочтительных характеристик, а о шихтовке вторичного магнитопро-вода - в значительной мере в зависимости от соотношения стоимостных и тягово-энергетических показателей всего ЛТЭД. Вспомогательные признаки пятый - восьмой носят более частный характер и, как правило, задаются основным техническим решением. Так, согласно пятому и шестому признаку для ЛАТЭД целесообразно применение трехфазной сосредоточенной катушечной обмотки индуктора, характеризующейся наиболее высокими тягово-энергетическими показателями и регулировочными свойствами в тяговых и тормозных режимах. Выделение седьмого и восьмого признаков продиктовано целесообразностью включения компенсационных: обмотки в индуктор для подавления краевых эффектов и устройств, включаемых в обмотки индуктора, и вторичного элемента для компенсации реактивной мощности и повышения показателей таких линейных двигателей.

Основная особенность ЛАТЭД обусловлена ограниченностью длины их магнитопровода и обмотки и характеризуется проявлением действия краевых эффектов: продольных (первичного и вторичного), а также поперечного (бортового). Причиной первого из них являются конечные размеры индуктора по длине, что приводит к возникновению, помимо бегущей компоненты магнитного поля, пульсирующих во времени и неподвижных в пространстве составляющих, способствующих насыщению магнитной системы и создающих асимметрию токов по фазам, в результате чего ухудшаются тягово-энергетические показатели.

Второй краевой эффект обусловлен последовательным входом его в зону бегущего магнитного поля (или выходом из него), в результате чего поле деформируется в виде его ослабления в набегающей зоне и усиления в сбегающей, имеют место вынос за сбегающий край магнитного шлейфа, дополнительные потери во вторичном элементе, а также усилия синхронной скорости движения вторичного элемента.

Соотношение размеров индуктора и вторичного элемента по ширине предопределяют третий краевой эффект, следствием которого является увеличение сопротивления вторичного элемента с уменьшением КПД и тягового усилия в зоне рабочих скольжений. Еще одной особенностью ЛАТЭД является наличие значительных нормальных усилий, притягивающий или отталкивающий характер которых определяется электромагнитным или электродинамическим взаимодействием. Первое из них, пропорциональное квадрату нормальной составляющей индукции магнитного поля, создает усилие притяжения между индукторами

ДДАТЭД или индуктором и обратным магнитопроводом ОЛАТЭД. Электродинамическое взаимодействие первичного и вторичного токов создает отталкивающее усилие левитации. Соотношение между этими двумя взаимодействиями определяет характер и величину интегрального нормального усилия.

При скольжении, несколько большем критического Як, соответствующего силе Дт шах, интегральное нормальное усилие имеет нулевое значение, однако при этом под влиянием вторичного продольного краевого эффекта набегающий край индуктора скоростных ЛАТЭД отталкивается (левитирует), а сбегающий - притягивается. В.силу этого эффекта порождаются моменты галопирования, дополнительно нагружающие либо систему магнитного подвеса, либо устройства крепления линейного двигателя.

Функциональные возможности использования ЛАТЭД мо-гуть быть расширены освоением их исполнений с поперечным потоком и гибридного, т. е. с продольно-поперечным потоком.

Классификация ЛСТЭД содержит пять основных признаков и один дополнительный.

1. Конструкция магнитной системы, характеризующаяся двумя исполнениями: с магнитопроводом (см. схемы 3 и 6 на рис. 1.15) и без него (см. схемы 7 и 8 на рис. 1.15).

2. Способ замыкания магнитного потока; с продольным, поперечным или продольно-поперечным потоком.

3. Система возбуждения в виде- сверхпроводящих электромагнитов, возбуждение от постоянного магнита, с магнитопроводом и обмоткой возбуждения, комбинированное (постоянный магнит и обмотка возбуждения).

4. Расположение электромагнитов: с неподвижным протяженным статором и возбуждением на транспортном средстве; с движущимся статором и системой возбуждения при пассивной путевой структуре.

5. Форма и исполнение элементов, вписывающиеся в варианты: ОЛСТЭД, ДЛСТЭД с вертикальным расположением якорной обмотки и и-образного, а также в виде комбинированных систем тяги, подвеса и направления (КСТПН) как нормально-поточных, так и нуль-поточных систем (см. 9 и 10 на рис. 1.15).

6. Тип и число фаз обмотки якоря определяют суть дополнительного признака.

Из анализа классификации следует, что определяющим признаком ЛСТЭД является конструктивное решение магнитной системы. При ее исполнении без магнитопровода практически задаются способ замыкания магнитного потока (продольный), система возбуждения (сверхпроводящие электромагниты) и расположение элементов (обращенный вариант с неподвижным протяженным статором в пути и возбуждением на транспорт ном средстве). Независимо от формы и исполнения элементов ЛСТЭД со сверхпроводящими обмотками возбуждения состоит из секционированной трехфазной якорной обмотки, уложенной на пути, и системы возбуждения в виде сверхпроводящих электромагнитов, расположенных в криостатах на экипаже.

При наличии стального магнитопровода ЛСТЭДФ может быть реализован как с продольным, так и с поперечным или с продольно-поперечным потоком при наиболее частом расположении обмотки возбуждения на стальном магнитопроводе. Применимы также постоянные магниты и комбинированное возбуждение (постоянные магниты и обмотки возбуждения). Совмещение на магнитопроводе обмоток якоря и возбуждения при массивной вторичной путевой структуре реализовано в разновидности ЛСТЭД - линейном индукторном двигателе (ЛИТЭД). Известны также содержательные разработки по ЛТЭД постоянного тока (ЛТЭДПТ), особенно в Японии [32, 63].

Рассмотренная разновидность линейных двигателей является основой в освоении бесконтактного движения для наземных транспортных целей, так как каждая из них может расцениваться как определяющее звено линейного тягового электропривода (ЛТЭГ1) при электроснабжении их на основе схем 11 и 12 по рис. 1.15.

Из изложенного следует, что полная практическая реализация преимуществ НТМП различных систем неодинакова. Наибольшие возможности по научно-технической отработке проблемы и "производственным условиям пока что имеет система с ЭМП. В то же время создание для нее высоко эффективных технических средств все же связано с решением многих сложных задач. Транспорт с ЭДП, несмотря на его предпочтительность относительно ЭМП, сложнее последнего и по отношению к нему стоит во второй очереди готовности. Бесспорно, что открытые в 1986 г. возможности получения сверхпроводимости при температуре жидкого азота приблизят рубеж реального освоения НТМП с ЭДП и ЛСТЭД на базе сверхпроводящих электромагнитов. Комбинированные системы занимают промежуточное положение между ЭМП и ЭДП, чем и определяются возможности их освоения для практических транспортных целей.

Общие сведения о левитирующих транспортных системах на основе постоянных магнитов | Транспорт с магнитным подвесом | Влияние линейного тягового электропривода и магнитного подвеса на сферы применения и эффективность левитирующего наземного транспорта