Общие сведения о левитирующих транспортных системах на основе постоянных магнитов

Сравнение магнитных подвесов различных исполнений

Необходимые для магнитного подвеса источники сильного магнитного поля больших размеров могут быть получены с помощью постоянных магнитов. Например, высокими удельной энергией (?#)тах и МДС обладают самарий-кобальтовые магниты из сплавов БтСоб, достигающие соответственно 80 кДж1 м3 и 20 кА. Кроме того, они не размагничиваются при значительных воздушных зазорах и их малой длине в направлении легкого намагничивания, т. е. могут выполняться в виде тонкого слоя 20-30 мм с большой площадью полюса и отдачей максимальной энергии (ВН)тах в окружающее пространство (при 6=10-4-15 мм ? = 0,25-4-0,15 Тл). Существенным достоинством постоянного магнита из сплава БглСоб являются допускаемые ими довольно тяжелые условия эксплуатации при температуре ±190°С, виброускорении 40^, одиночных и многократных ударах, соответственно равных 200 и 100?. Характерные схемы систем магнитного подвеса с применением постоянных магнитов приведены на рис. 1.13 (вариант 2 ЭМП с автоматическим управлением воздушным зазором приведен для сравнения).

Из рис. 1.13, б видно расположение постоянных магнитов 10 и 11 на экипаже и в пути одноименными полюсами в сторону воздушного зазора.

Рис. 1.13. Схемы магнитного подвеса с применением постоянного магнита:

%-* одой магнитной опоры; б — экипажа; /-4 -варианты на основе сил притяже-иия; 5-6 то же на основе сил отталкивания; 7 — экипаж; 8 — электромагнит направления движения; 9 — ферромагнитная путевая направляющая; 10- постоянный магнит экипажа; 11 — то же путевой структуры

Основной характеристикой данного способа подвеса является зависимость силы взаимного отталкивания магнитов пути и экипажа (подъемной силы) от величины рабочего зазора (без учета взаимодействия соседних полос магнитов):

где Ь — общая длина магнитных полос экипажа; I — намагниченность магнитов пути и экипажа; а, к- ширина и высота сечения магнитной полосы; б -рабочий зазор.

Если, например, для экипажа массой в пределах 40 т удельные подъемные силы Еп.5 и Еп.м, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения полюса постоянного магнита и единицу его массы, соответственно должны быть Еп.®>100 кН/м2 и Еп.м>Ю0 Н/кг, то для обеспечения силы (1.7) для его подвеса необходим выбор постоянного магнита как по размерам и их числу, так и по качественным характеристикам [32]. Менее пригодными для этого являются постоянные магниты из ферритов ЗБ А, а перспективными -КС-37 и КС-37А на основе БтСо5 с магнитной индукцией 1 Тл и более, подъемной силой Еп.м^Ш кН/м2 при 6 = 10 мм и массе постоянного магнита в пределах (0,05-0,1)/у,. Применение магнитного подвеса на постоянном магните в чистом варианте менее целесообразно, чем ЭМП и ЭДП.

Более целесообразны постоянные магниты для создания комбинированных магнитных подвесов. Принципиальная конструктивная схема и диаграмма взаимодействия сил одной из разновидностей комбинированных магнитных подвесов показаны на рис. 1.14 (путь состоит из ФР1 и ПМЗ).

Из рассмотрения диаграммы на рис. 1.14 следует, что как результирующая сила КМП Рр, так и его силы Еп и Рот создаются под действием силы Епр.эмп притяжения ЭМ2 к неподвижному феррорельсу 1 пути и силы Еот.п.м отталкивания ЭМ2 от ФР1 в результате возникновения вихревых токов. В итоге комбинированный магнитный подвес обеспечивает меньший расход энергии и саморегулирование.

На основе [32] из сравнения вариантов 2 и <3 следует, Что подсистемы с управляемыми постоянными магнитами уступают чистому ЭМП ПО подъемной силе, подъемному качеству /’’„.м, массе феррорельса, но значительно превосходят по быстродействию, так как постоянная времени их на порядок меньше. Повышение Еп.м до 100-110 Н/кг вполне возможно благодаря

применению постоянных магнитов, например, марки Хиковекс, серийно выпускаемых в Японии я имеющих остаточную индукцию Вг= 1,0ч-1,05 Тл и коэрцитивную силу #св = 720-^-800 кА1 м, и осваиваемых постоянных магнитов из сплава 5т2(СоРе)17, имеющих Вт — 1,1 -г 1,2 Тл и Нсв — 500 ч- 600 кА/м [84] и (5Я)тах на уровне 200 кДж/м3. Вместо углеродистой стали СтЗ целесообразно использовать электротехническую сталь типа «Армко», отожженную в водороде и имеющую индукцию насыщения В5=2,1 Тл, или сплав КФ49 (пермендюр) с В(, = 2,35Тл.

При боковом смещении экипажа проявляется его неустойчивость в горизонтальной плоскости. Зависимость боковой силы от смещения

Важной характеристикой магнитного подвеса на постоянном магните является отношение Ту/У определенное по (1.7) и (1.8) в зависимости от назначения разрабатываемого бесконтактного НТПМ. В частности, для экипажей, движущихся с г>=400-Ч-500 км/ч, можно принять ТУТг/^б, что соответствует технологической точности укладки элементов пути. Для БЭПС с магнитным подвесом на основе постоянных магнитов для его стабилизации в горизонтальной плоскости целесообразно применение подсистемы ЭМН (электромагнитного направления). Расход энергии и масса электромагнита сравнительно небольшие, так как боковая компенсируемая сила не превышает 1/6-1/8 массы экипажа при допускаемых боковых смещениях. Отличительной особенностью системы автоматического регулирования токов электромагнита в данном случае является большая по сравнению с ЭМП жесткость регулирования. Это обусловлено достаточно быстрым возрастанием боковых сил с увеличением бокового смещения экипажа.

Сравнение БЭГТС с различными подсистемами магнитного подвеса и направления целесообразно здесь пока что вести по сопоставлению достоинств и недостатков ЭМП, ЭДП, магнитного подвеса на постоянных магнитах и комбинированного.

К преимуществам ЭМП обычно относят: сравнительно (с ЭДП) небольшие затраты мощности для создания подъемного и бокового усилий; простоту конструкции и низкую стоимость путевой структуры; возможность реализации при разработке хорошо освоенных технических средств, а также достижений в области электроники для надежных подсистем регулирования сил притяжения (или воздушного зазора). К числу недостатков ЭМП прежде всего относятся неизбежность применения принудительного регулирования сил притяжения электромагнита к феррорельсу с помощью контуров обратной связи, обладающих инерционностью. Последнее затрудняет «вписывание» экипажа в кривые и огибание им неровностей пути. Кроме того, движение экипажа с большой скоростью сопровождается большими потерями мощности в системе регулирования. Малый рабочий зазор предъявляет жесткие требования к неровностям пути. При высоких скоростях движения проявляются такие недостатки, как обеспечение надежного токосъема при подаче электроэнергии на борт экипажа, а также увеличение дискомфорта поздки, введение для его снижения вторичного подвешивания и, следовательно, неизбежность утяжеления экипажа. Реализация мер по снижению тормозящих сил в виде увеличения длины электромагнита и шихтования феррорельса из отдельных листов приводит к дополнительным недостаткам, представляемым усложнением технологии изготовления электромагнита и значительным удорожанием пути.

Предпочтительность ЭДП определяется прежде всего тем, что ему присущи стабильность подвешивания экипажа на значительной высоте, соответствующей равновесию сил, и саморе-гулируемость по воздушному рабочему зазору. К недостаткам ЭДП с нормальным потоком относят необходимость применения дорогих криогенного оборудования и сверхпроводящих материалов, недостаточность подъемной силы при скоростях менее 60-80 км/ч и обусловленность этим применение колес для разгона и посадки, а также высокое значение тормозных сил, превышающее такие же силы в ЭМП в несколько раз. Последний недостаток устраняется применением ЭДП с нуль-поточной схемой (см. рис. 1.6, б и 1.7, варианты 9-11).

Главным преимуществом магнитного подвеса на основе постоянного магнита является его простота устройства, -а недостатками- предельно малый воздушный зазор и неизбежность наличия узла для обеспечения устойчивости подсистемы магнитного подвеса.

Преимущества и недостатки комбинированного магнитного подвеса, соответствующего принципиальной схеме по рис. 1.15, те же, что и системы ЭМП. Дополнительные достоинства — это меньший расход электроэнергии и саморегулирование. Высокая стоимость постоянных магнитов, пригодных для систем НТМП, должна оцениваться как дополнительный недостаток. В более широком понимании комбинированные системы, как уже отмечалось, могут включать в себя три источника магнитного поля (электромагниты, сверхпроводящие электромагниты и постоянные магниты), быть способными создавать сильные магнитные поля больших.размеров и на их основе совмещать рабочие функции магнитного подвеса, направления движения и обеспечения тягового усилия, необходимого для движения экипажа с заданными скоростями. Как правило, комбинированные системы обладают улучшенными технико-экономическими показателями, достигнутыми не только одновременным взаимодействием одного экипажного источника магнитного поля с несколькими функционально различными элементами пути, но и объединением рабочих функций, приданием экипажным и путевым активным элементам соответствующих форм. Важным фактором эффективности комбинированных систем является участие в их комплектности ЛТЭД.

Перечисленные возможные технические направления воплощаются в разработке систем тяги, магнитного подвеса и направления для НТМП, характеризуемых следующими структурно-функциональными схемами:

1. ОЛАТЭД — УЭМП — УЭМН — как независимый по источнику магнитного поля комплекс одностороннего линейного асинхронного тягового электродвигателя с продольным замыканием магнитного потока, коротким индуктором с барабанной обмоткой, расположенным на экипаже, и комбинированной реактив-, ной шиной с шихтованным обратным магнитопроводом на путевой структуре, а также управляемых электромагнитов магнитного подвеса (УЭМП) и магнитного направления (УЭМН);

2. ОЛСТЭДФ + УЭМП- УЭМН — как комплекс интегрированных по источнику магнитного поля одностороннего линейного синхронного тягового электродвигателя с ферромагнитным магнитопроводом (ОЛСТЭДФ), активной путевой структурой и индуктором на экипаже и УЭМП, а также независимого УЭМП;

3. ОЛИТЭД + УЭМП- УЭМН-как комплекс интегриро ванных по источнику магнитного поля одностороннего линейного индукторного тягового электродвигателя (ОЛИТЭД) с пассивной ферромагнитной путевой структурой и УЭМП, а также независимого УЭМН;

4. ЭДП + ЭДН + ЛСТЭД со сверхпроводящей обмоткой возбуждения- комбинированная система тяги, подвеса и направления (КСТПН), интегрирования по источнику магнитного поля на базе линейного синхронного тягового электродвигателя со сверхпроводящими обмотками возбуждения и активной путевой структурой.

В варианте 1, данном для сравнения, ЭМП не связан с ОЛАТЭД продольно-осевого расположения и осуществляется,отдельными электромагнитами подвешивания. В варианте 2 часть магнитопровода с обмотками возбуждения совмещает функции элемента двигателя (тяги) и электромагнита подвеса. В варианте 3 активные части ОЛИТЭД расположены на экипаже и совмещают функции элементов двигателя и ЭМП. Поперечная стабилизация экипажа во всех трех рассмотренных вариантах осуществляется электромагнитами направления.

При реализации вариантов 1-8 (см. рис. 1.7) разброс по левитационному качеству т]?, числу источников магнитного поля «м и тормозной силе (или по мощности Рт, ей соответствующей) составляет 15^гц.^ 140; 4^пм^160 и 170 ^ Рт ^ 2400 кВт.

В случае сплошной путевой полосы и горизонтального расположения источников магнитного поля сила Дг в 3,3 раза больше, чем в случае дискретных катушек с практически постоянным коэффициентом т)? = 20. При вертикальном их расположении и при сплошной полосе эта сила уменьшается в 9 раз по сравнению с горизонтальным положением при практически неизменном коэффициенте Г),;..

Доминирующая доля многотонных экипажей с ЭДП является энергетически неэкономичной, так как для них ^1=^20, а потеря мощности (на экипаж грузоподъемностью 40 т) достигают 2400 кВт. В силу этого целесообразно повышение подъемной силы Рг путем совместного использования подсистем ЭДП + + ЭМП, например, с равным их участием в комбинированном магнитном подвесе.

Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей транспортных систем с ЭДП | Транспорт с магнитным подвесом | Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей ЛТЭД

Добавить комментарий