Расчет систем магнитного подвеса на их основе
Создание дешевых постоянных магнитов из феррита бария с достаточно высокой остаточной магнитной индукцией при большой коэрцитивной силе сделало возможным применение их в системах магнитного подвеса транспортных средств, где они могут длительно работать практически без размагничивания. Наряду с отсутствием затрат электроэнергии на возбуждение существенным достоинством постоянных магнитов является возможность использования для сил подвеса сил отталкивания, возникающих между одноименными полюсами магнитов. При этом в вертикальном направлении система подвеса обладает естественной устойчивостью. Однако в горизонтальном направлении она не устойчива и требует дополнительных устройств боковой стабилизации. Наиболее простым устройством боковой стабилизации являются ролики, смонтированные по боковым сторонам транспортного средства и опирающиеся на боковые направляющие на пути. Такая боковая стабилизация применима при малых скоростях движения. Боковая стабилизация может быть осуществлена бесконтактным способом с помощью боковых направляющих электромагнитов. Существуют и другие бесконтактные способы боковой стабилизации.
При использовании сил отталкивания постоянного магнита номинальная высота подвеса составляет примерно 10 мм [15, 32]. Работы по применению постоянных магнитов для подвеса транспортных средств многочисленны. В Германии подвес на постоянных магнитах применяется во внутризаводском транспорте, поскольку при этом открывается возможность рационализации последнего с сравнительно малыми затратами и может заметно улучшить условия работы, снижается расход электроэнергии, удешевляется строительство и эксплуатация, уменьшается уровень шума в цеху, улучшается экология. Отмечается, что при использовании подвеса на постоянном магните возможно упразднение тягового электропривода (ТЭП), так как незначительные силы сопротивления движению дают возможность перемещать транспортные средства вручную. Ликвидация ТЭП снижает потребление электроэнергии и способствует размещению элементов пути над, на или в полу, а также экономит сталь. Благодаря простоте такие транспортные устройства можно изготовить на предприятии и они быстро окупятся.
Боковое положение тележки стабилизируете^ с помощью роликов, хорошо работающих при малых скоростях движения внутризаводского транспорта. Возникающие потери на трение во много раз меньше, чем в обычном колесном транспорте, и не превышают потерь на преодоление воздушного сопротивления; удельная сила сопротивления равна 2,0-2,5 Н/кН. Уже при уклоне около 2° сила скатывания тележки и груза превышает силу сопротивления движению. Несущая способность зависит от числа взаимодействующих полос магнитов и для определенной высоты левитации — от длины тележки. Отмечается, что 1 м2 рабочей поверхности постоянного магнита удерживает массу 1200 кг при высоте левитации 5 мм. В отличие от точечной передачи усилия в обычной системе «колесо — рельс» при подвесе на постоянных магнитах создается распределенная по площади передача несущего усилия, что обусловливает малую собственную массу тележки и малый расход материалов. Отношение полезной массы к собственной массе тележки, зависящее от вида груза, составляет 5/1, у современных грузовых вагонов железных дорог ГДР оно равно примерно 3,5/1.
Из-за малого сопротивления движению привод может быть как ручным, с односторонней передачей на транспортную систе му движущих сил гидравлическим, пневматическим или механическим способом, так и с помощью канатной или цепной передачи. Особенно подходит для автоматизированных предприятий привод с ЛТЭД.
Вследствие многообразных конструктивных возможностей изготовления несущей системы, тележки и ее привода становится возможным транспортную линию на постоянных магнитах включать практически в любой технологический конвейер и оптимально согласовывать ее с местными условиями. Для постоянных магнитов используют магнитотвердый ферритовый материал Маниперм-860, изготавливаемый в ГДР. Магнитные плитки длиной около 50 мм, массой около 250 г наклеивают в ряды и отделяют друг от друга неферромагнитными упорами из дерева или пластика.
Анализ показал, что подвес на постоянных магнитах возможен при следующих ремонтных работах; обработке колесных пар; ремонте осевых опор, электродвигателей, генераторов, несущих опор, поворотного остова рамы, буферов, аккумуляторных батарей, буксовых направляющих. С помощью транспортных устройств на магнитном подвесе можно рационализировать транспортные процессы в центральных складах и при обслуживании пассажиров на пассажирских вокзалах (транспортирование багажа). Например, тележка с ПМ для перемещения колесных пар служит одновременно запасным рабочим накопителем. Предусмотрен слабый уклон пути, обеспечивающий ее движение силой скатывания; только на рабочем месте предусмотрено движение с помощью ЛТЭД. Особенность этого устройства состоит в том, что тележка может двигаться на различных рабочих уровнях и в различных направлениях с поворотом на 90°. Предусмотрено осуществлять повороты на базе подвеса на постоянных магнитах. Указанная система получила применение на ремонтном заводе в Магдебурге. Вторую систему постоянных магнитов для перемещения колесных пар построили на ремонтном заводе в г. Лейпциге. Длина пути составляет 10 м, магнитный подвес создают 12 магнитных полос из феррита бария марки Маниперм-860 в пути и столько же на перемещающейся платформе. В боковом направлении стабилизация осуществляется шестью роликами, при этом допустимое боковое отклонение составляет ±2 мм.
В нашей стране работы по созданию опытных экипажей с левитацией на постоянных магнитах с использованием сил отталкивания проводятся в ряде исследовательских и учебных институтов железнодорожного транспорта. Создан опытный экипаж с подвесом на постоянных магнитах массой 9 т. Система подвеса выполнена из феррит-бариевых магнитов марки 16 БА 190, расположенных в шахматном порядке. Система имеет 10 полос с одного борта экипажа, с которым взаимодействуют 11 полос на пути. Ширина полос экипажа составляет 64 мм, высота 38 мм, расстояние между полосами 25 мм. Номинальная высота подвеса равна 10 мм. Наряду с использованием сил отталкивания между полосами постоянных магнитов для подвеса транспортных средств могут быть использованы и силы притяжения между постоянными магнитами и ферромагнитными рельсами. Причем постоянные магниты могут быть как неуправляемыми, так и управляемыми с помощью специальных обмоток.
В 1978 г. в Брауншвейге в испытательном центре Технического университета был испытан пассажирский вагон для городского и пригородного сообщения М-Бан с комбинированной системой подвеса и тяги на постоянных магнитах из самарий-кобальтовых сплавов. Вертикально подвес стабилизировался с помощью колес, причем постоянные магниты осуществляли разгрузку опор качения.
Вагон М70/2 с подвесом на управляемых постоянных магнитах (УПМ) для скоростей сообщения до 100 км/ч также прошел успешные испытания в Брауншвейге. В Западном Берлине с 1987 г. начаты пассажирские перевозки на транспортной системе М-Бан протяженностью 1,6 км. Ожидается, что по сравнению с обычным электротранспортом новая система позволит уменьшить шум на 50% и расход электроэнергии на 20%.
Сравнение систем ЭМП и подвеса на УПМ показало, что при одинаковой их массе система с УПМ потребляет почти вдвое меньше электроэнергии, чем система ЭМП, и, кроме того, постоянная времени обмотки УПМ в несколько раз меньше постоянной времени обмотки ЭМП, что приводит к существенному улучшению динамических качеств системы подвеса.
Использование сил притяжения между полосами постоянных магнитов для подвеса транспортного устройства применено на Московском заводе «Радиоприбор» для перевозки грузов. Особенностью устройства является применение системы подвешивания вертикального типа (рис. 2.36). Рабочие полюсные грани магнитов в системе подвешивания вертикального типа расположены в вертикальных плоскостях, и при их сдвиге в вертикальном направлении, в определенном диапазоне смещений, возникает подъемная сила Т7 а, равная сумме сил и Т7^, препятствующих сдвигу магнитов. В поперечном, горизонтальном направлении на систему стабилизации транспортного устройства, которая поддерживает зазор б постоянным с. точностью Д, действует боковая сила Рх, равная разности сил притяжения Рх и Рх2 правой и левой частей подвеса. Зависимости подъемной и боковой сил вертикального смещения у показаны на рис. 2.37. В отличие от систем с использованием сил отталкивания в описанной системе воздушный зазор 6 между полюсами магнитов остается практически постоянным при вертикальных колебаниях транспортного устройства, что позволяет использовать значи тельно меньший зазор, чем в системе подвеса, использующей силы отталкивания. Меньший зазор соответствует лучшему использованию материала постоянных магнитов.
С появлением возможности применения постоянных магнитов, работающих в системе магнитного подвеса на принципе отталкивания, возникла задача расчета сил взаимодействия постоянных магнитов, для чего понадобилась расчетная модель, достаточно точно отражающая физические свойства магнитов. Возможно применение для расчета различных моделей постоянных магнитов.
Американские ученые магниты заменяли системой объемных и поверхностных токов. Ими создан метод расчета и проведены оптимизационные расчеты систем подвеса с постоянными магнитами со знакочередующейся полярностью соседних магнитных полос, установленных на ферромагнитном ярме. Были исследованы внутренние свойства магнитов из ферритбария, сплавов на основе редкоземельных элементов, проведены экспериментальные исследования по определению сил взаимодействия между постоянными магнитами из различных материалов.
Учеными других стран получены теоретические зависимости сил, создаваемых постоянными магнитами, заменой магнита рядами тонких магнитов, каждый из которых состоит из двух заряженных слоев; разработан и опробирован метод с использо-
Рие. 2.36. Транспортное устройство с магнитной системой подвешивания вертикального типа: N3 и 5У — полюса магнитов
Рис. 2.37. Зависимости подъемной Рг и боковой Р* сил от вертикального смещения у магнитов экипажа и пути для устройства по рис. 2.36:
1 — Рх^) = ІРХ, — рх,)г, 2-Рх, О»
3~Рх,0У- +
ванием ЭЦВМ, согласно которому намагниченность постоянного магнита во всем его объеме предполагается постоянной и не зависящей от приложенного поля; полюсные поверхности разбиваются на малые прямоугольники; созданы методы расчета сил в системах подвеса с параллельной или знакочередующейся вертикальной намагниченностью магнитов пути и транспортного устройства на базе введения фиктивных магнитных зарядов, сконцентрированных на полюсных поверхностях магнитов.
В нашей стране методы расчета сил отталкивания в системах подвеса на постоянных магнитах были выполнены в ряде работ, в том числе в работах Е. М. Фришмана и В. Г. Горелова. Работы Е. М. Фришмана основаны на рассмотрении скалярного потенциала, создаваемого магнитом с постоянной по всему объему намагниченностью и ориентацией векторов намагниченности пути и транспортного средства навстречу друг другу.
В. Г. Гореловым разработана методика расчета сил взаимодействия двух магнитов для общего случая, когда угол |3 между векторами намагниченности двух магнитов (рис. 2.38) может быть любым. Расчетные формулы получены в предположении, что намагниченность магнита одинакова по всему объему, а длина его намного больше других размеров, что позволяет свести задачу к двумерной. Для составляющих силы взаимодействия двух магнитных полос получены формулы
где 51 = Ь1^1 — площадь полюса нижнего магнита; Ь — ширина нижнего магнита; Ьх — длина магнита; Л, /2-намагниченности магнитов; -магнитная постоянная; /*(|3, е), /^((3, в) -приведенные силы взаимодействия двух-магнитов, зависящие от их геометрии и взаимного расположения; (3 — угол между векторами намагниченности; е=е/Ь — безразмерная величина смещения магнитов.
На рис. 2.39 представлены зависимости приведенных сил взаимодействия двух магнитных полос с одинаковыми квадратными сечениями с безразмерным зазором б = 6/&1 = 0,1 от безразмерной величины бокового смешения.
Подъемные и боковые силы вычислены здесь при |3 = я (намагниченности направлены встречно друг другу) и р = Зя/2 (намагниченности перпендикулярны). При р = я наибольшая подъемная сила создается при отсутствии бокового смешения магнитных полос.
При боковом смещении магнитов относительно друг друга на расстояние, составляющее 0,75 ширины магнита, сила отталкивания превращается в силу притяжения. Поэтому в многополюсных знакопостоянных системах подвеса все взаимодействия магнитных полос, находящихся в одном горизонтальном ряду, ослабляют подъемную силу между расположенными друг над другом полосами. Уменьшить это отрицательное влияние можно только увеличением шага расположения полос, что ограничивается шириной экипажа. В системах подвеса со знакопеременной вертикальной ориентацией векторов намагниченности отрицательное влияние соседних полос превращается в положительное: подъемная сила значительно возрастает.
При намагниченности полос экипажа перпендикулярно направлению намагниченности полос пути (р=Зя/2) подъемная сила достигает максимума при сдвиге, составляющем примерно 0,5 ширины магнита. Каждая полоса экипажа, взаимодействуя с ближайшими полосами пути, дает подъемную силу 2(Зл/2, е). При этом взаимодействие с остальными полосами пути будет очень слабым.
Оценка показывает, что схема подвеса с перпендикулярными намагниченностями магнитов пути и экипажа может иметь преимущество перед схемами с вертикальными намагниченностями магнитов.
На основании формул взаимодействия двух магнитов полос В. Г. Гореловым получены также общие формулы для приведенных сил взаимодействия магнитов пути и экипажа многополосных систем:
для системы со знакопостоянной ориентацией векторов намагниченности (рис. 2.40, а)
Рис. 2.40. Зависимость приведенных сил от смещения экипажа относительно пути для систем:
а — знакопостоянной; б — знакопеременной; в — шахматной
где п — число полос в пути или экипаже, причем в формулах (2.74) и (2.75) число полос в пути (экипаже) равно п, на экипаже (пути) п + 1. Такое соотношение полос в пути и экипаже делается для того, чтобы не было боковой силы в положении равновесия системы подвеса; 5=Б/Ь1 — относительное смещение магнитов экипажа из положения равновесия; Х=Я/&1 — относительный шаг расположения полос;
/“(*)=/,(0, е)=-/,(я, е);
/а(ё)=Д(0, е)=-Д(я, е).
Для определения абсолютных значений сил необходимо приведенные силы умножить на коэффициент:
д, НоЛ/2^ где 5 = 6,1.
2л
На рис. 2.40 показаны зависимости приведенных боковых и вертикальных сил от относительного смещения, вычисленные для вариантов п=10 (рис. 2.40, а, б) и для варианта пэ-9 и ип=10 (рис. 2.40, в).
Для всех вариантов относительный шаг расположения полос принят К-2, сечения магнитных полос пути_и экипажа — квадратные и одинаковые, относительный зазор 6=6/&1 = 0,1.
Сравнение графиков показывает, что наибольшую подъемную силу создает подвес со знакопеременной ориентацией векторов намагниченности, наибольший градиент силы по боковому смещению имеет вариант с шахматным расположением магнитов.
Глава 3
⇐Переходные процессы в ЭДП и меры по обеспечению комфорта в БЭПС | Транспорт с магнитным подвесом | Особенности использования ЛТЭД⇒