Главная | Обратная связь

Электромагнитный подвес

 

Силу, с которой электромагнит притягивает ферромагнит­ное тело, приближенно (без учета выпучивания и рассеяния магнитного потока! можно определить по Формуле Максвелла

 

где B_g — индукция магнитного поля в зазоре между электро­магнитом и притягиваемым телом; S_g — площадь полюса элек­тромагнита; F_B — МДС катушки электромагнита; g — вели­чина левитационного зазора.

Из формулы (1.1) видно, что электромагнитная сила притя­жения обратно пропорциональна квадрату левитационного за­зора, поэтому небольшое его изменение приводит к резкому возрастанию или уменьшению силы притяжения. Для поддер­жания постоянного зазора необходимо регулировать ток элек­тромагнита с помощью обратных связей по величине и ско­рости изменения зазора. При этом система регулирования тока должна работать без заметных запаздываний и с возрастанием скорости движения ее быстродействие* должно увеличиваться. Выполнение данного требования увеличивает мощность и массу,а следовательно, и потери в регулирующем устройстве [194]. Для повышения быстродействия системы управления электро­магнитами необходимо уменьшить индуктивность в цепи регули­руемого тока. С этой целью электромагниты выполняются с двумя катушками, одна из которых является нерегулируемой (рис. 1.8,а,б). Основную часть силы подъема, достаточную для удержания экипажа на заданной высоте, создает нерегулиру­емая МДС, а ее регулируемая часть лишь поддерживает изме­нение левитационного зазора в заданных пределах. В качестве источника нерегулируемой части МДС можно использовать ред­коземельные постоянные магниты типа SmCos (рис. 1.8,в). Применение постоянных магнитов улучшает массогабаритные и энергетические показатели ЭМП. Расход потребляемой энер­гии может быть снижен до 0,5 кВт на 1 т силы подъема (табл. 1.1) [127, 159, 192].

Значение магнитной индукции в зазоре ограничивается на­сыщением сердечника электромагнита и ЛШ и выбирается в пределах 0,6—1,0 Тл [19, 191]. Чтобы потребляемая мощность на единицу длины электромагнита не превышала 1—3 кВт/кг, левитационный зазор должен быть 10—20 мм [194]. В элек­тромагните, обеспечивающем зазор 10 мм, можно использо­вать алюминиевый провод с естественным охлаждением. При плотности тока 2—3 А/мм² подъемное качество электромагнита (отношение силы подъема к массе электромагнита) составляет 100 кН/т. При увеличении зазора до 15 мм подъемное каче­ство снижается до 60 кН/т, и вместе с тем для сохранения преж­него подъемного качества необходимо увеличить плотность тока до 4 А/мм² и применить принудительное охлаждение электро­магнита.

При движении электромагнита вдоль ЛШ в последней ин­дуцируются вихревые токи, которые возрастают пропорцио­нально скорости движения. Обратное воздействие вихревых

 

токов приводит к уменьшению полезного магнитного потока элек­тромагнита и возникновению сил торможения и отталкивания. Из-за продольного краевого эффекта вихревые токи в основ­ном сконцентрированы напротив переднего и заднего концов электромагнита. Поэтому левитационное качество (отношение силы подъема к силе торможения) возрастает с увеличением длины электромагнита. При длине электромагнита более 4 м его левитационное качество может превысить 100 уже при скоростях 100 км/ч и более [194]. Использование длинных электромагнитов требует высокой прямолинейности пути, по­этому рекомендуется применять непрерывные электромагнитные модули, составленные из механически не связанных электро­магнитов длиной не более 1 м [75].

Радикальной мерой борьбы с вихревыми токами является шихтовка ЛШ и сердечников электромагнитов. Однако выпол­нение ЛШ в виде набора стальных листов снижает ее проч­ность и повышает стоимость путевой структуры. Компромис­сным решением является шихтовка ЛШ небольшим числом от­носительно толстых (до 6 мм) листов [179, 194]. Совместно с шихтованной ЛШ целесообразно использовать электромагниты с замыканием магнитного потока в направлении движения (см. рис. 1.3,б,в) [150, 161]. ЭМП с продольным потоком позволяет уменьшить ширину ЛШ.

Для электромагнитов подвеса и направления движения можно использовать общую ЛШ. Магнитные цепи обоих элек­тромагнитов могут быть независимыми (рис. 1.9,а,б) или со­держать общие участки. В последнем случае система подвеса и направления движения получается более компактной (рис.

1.9,в), но из-за взаимного влияния затрудняется управление электромагнитами.

Подвес и направление движения можно осуществить одними и теми же электромагнитами. В простейшем случае ЛШ выпол­няется с П-образным профилем и используются подъемные электромагниты также с П-образным сердечником и попереч­ным замыканием магнитного потока (рис. 1.10,а,б). Сила на­правления движения создается за счет сил бокового тяжения, при смещении осей электромагнитов относительно оси ЛШ [166]. Такая система ЭМП обладает малой жесткостью демп­фирования поперечных колебаний и не имеет возможности раз­дельного регулирования сил подвеса и направления движения. Эти недостатки можно устранить, если электромагниты под­веса установить со смещением относительно оси ЛШ пооче­редно влево и вправо (рис. 1.10,в) [178, 179]. В данном слу­чае силу направления движения можно изменять за счет раз­дельного регулирования токов в смещенных влево и вправо электромагнитах. Такой способ направления движения приме­ним для электромагнитов как с поперечным, так и с продоль­ным замыканием магнитного потока. Его недостатком является то, что требуется дополнительная перегрузочная способность электромагнитов.

Совмещенную систему подвеса и направления движения можно осуществить также путем наклона ЭМП относительно поверхности пути (рис. 1.10,г), однако крутизна нарастания силы направления получается небольшой [152].

 

1.4. Системы электродинамической левитации

со сверхпроводящими катушками возбуждения

Система ЭДЛ по принципу работы соответствует ЛАД с той разницей, что бегущее поле статора двигателя заменено по­лем тока движущейся катушки. В случае неподвижной катушки ее магнитное поле симметрично и присутствие немагнитной ЛШ практически не влияет на картину поля (рис. 1.11,а). При движении катушки в ЛШ наводятся вихревые токи, под влия­нием которых симметричность картины поля нарушается и по­является электродинамическая сила F_a (рис. 1.11,6). Силу F₃ можно разложить на взаимно перпендикулярные составляю­щие силы — левитапии Ft, и тппможрния

 

 

Пока скорость мала, сила F_s направлена под небольшим уг­лом относительно ЛШ (т. е. имеются большая сила торможе­ния и малая сила левитации). По мере повышения скорости растут вихревые токи и результирующая сила F_a увеличивается. В то же время вихревые токи начинают вытеснять поле воз­буждения из ЛШ в тонкий поверхностный слой. Это приводит к постепенному восстановлению симметрии картины поля, за­медлению роста вектора F₃ и его повороту в сторону нормали к ЛШ. В предельном случае бесконечно большой скорости или электрической проводимости ЛШ (сверхпроводящая шина) ре­зультирующее электромагнитное поле становится идентичным полю двух одинаковых катушек возбуждения, зеркально рас­положенных относительно поверхности ЛШ (рис. 1.11,в). При этом сила взаимодействия между ЛШ и катушкой возбужде­ния имеет максимально возможное значение F_aшах и направ­лена нормально к поверхности ЛШ. Сила торможения отсутст­вует и F.tj = F_a max [27, 67, 70]. Таким образом, систему ЭДЛ целесообразно применять при больших скоростях движения экипажа и использовать ЛШ с низким электрическим сопро­тивлением. Однако возможности повышения электрической про­водимости ЛШ путем увеличения ее толщины ограничены глу­биной проникновения поля возбуждения и дальнейшее увели­чение толщины ЛШ уже не влияет на развиваемые системой ЭДЛ силы.

Использование сверхпроводимости позволяет получить МДС катушки возбуждения порядка 0,5—1,0 МА без омических по­терь. Предельно развиваемое системой ЭДЛ магнитное давле­ние (отношение F_{g max} к площади катушки) для бесконечно широкой массивной ЛШ при индукции 6=1 Тл составляет 4-10⁵ Н/м² и обеспечивает левитационный зазор не менее 30 мм [14, 70, 87, 108].

Магнитное поле в системе ЭДЛ является объемным, по­этому имеют место три составляющие силы: левитации (F_n), торможения (F_T) и поперечная (F_n), которая может быть либо направляющей (F„), либо дестабилизирующей. По величине поперечная сила может оказаться сравнимой с силой торможе­ния [55, 90].

Для сил Fт, F_л и F_n можно написать

 

где М — взаимная индуктивность между катушкой возбужде­ния и ЛШ (путевыми контурами); М₂, — зависящие от соответствующей координаты составляющие взаимной индук­тивности, определяемые через составляющие потокосцепления Vu 4*2, Ч'з.

Если катушка возбуждения расположена параллельно плос­кости xz, то

Af₂ = M = M₁ + M₃. (1.4)

В случае бесконечной массивной ЛШ поперечная сила воз­никает только за счет несимметрии формы или положения ка­тушки относительно системы направления движения. При бо­ковых смещениях катушки возбуждения относительно оси ЛШ конечной ширины взаимная индуктивность и энергия системы катушка возбуждения—ЛШ изменяются: появляется попереч­ная сила и уменьшается сила левитации. Чтобы уменьшение

F_л было минимальным, ЛШ должна быть шире катушки воз­буждения по крайней мере на величину левитационного зазора с каждой стороны. При этом сила левитации уменьшается ме­нее чем на 10% по сравнению с ЛШ бесконечной ширины. Если не принимались специальные меры по увеличению элек­трической проводимости крайних зон ЛШ, любое боковое сме­щение катушки уменьшает энергию системы, поэтому возника­ющая при нарушении симметрии поперечная сила совпадает с направлением первоначального перемещения и сдвигает ка­тушку с ЛШ. При ширине ЛШ, меньшей ширины катушки воз­буждения, и левитационном зазоре, меньшем ширины катушки, поперечная сила направлена встречно первоначальному пере­мещению. С увеличением левитационного зазора эта сила по­степенно исчезает.

Из выражений (1.3) следует, что силы F_T, F_л и F_a зависят от трех величин: тока возбуждения /_в, индуцированного тока 1_И и градиента изменения взаимной индуктивности в направле­нии соответствующей координаты. Поскольку все три силы соз­даются одинаковыми токами /„ и i„, то соотношения между силами Fт, F_л, F_n определяются только отношениями градиен­тов взаимных индуктивностей в различных направлениях. Так, левитационное качество определяется выражением

 

откуда следует два пути его повышения. Во-первых, необхо­димо увеличивать составляющую дМ₃/ду по сравнению с dMJdy. Это достигается путем значительного увеличения длины ка­тушки возбуждения (в направлении движения) по сравнению с ее шириной. Во-вторых, можно уменьшить зону, в пределах которой взаимная индуктивность изменяется от нуля до мак­симальной величины. Эта идея технически реализована в сис­темах ЭДЛ с нулевым током и с нулевым потоком, конкрет­ные конструкции которых будут рассмотрены ниже.

Индуцированный в массивной ЛШ ток является функцией произведения скорости движения v, удельной электрической проводимости у и толщины h_a ЛШ; i_n=f(vyh_n), если h_n меньше глубины проникновения поля. В случае ЛШ в виде системы короткозамкнутых контуров имеем i_a=f(v/R), где R — элект­рическое сопротивление контура. По этой причине зависимости сил F_T, F_л и F_n от v, у, /i_n имеют одинаковый характер. С уве­личением произведения vyh_n сила левитации плавно возрастает, асимптотически приближаясь к F_amax■ Зависимость силы тор­можения ЭДЛ от скорости движения экипажа аналогична за­висимости силы тяги асинхронного двигателя от скольжения [1911.

При малых скоростях F_T резко возрастает до максимальной величины, и с дальнейшим повышением v монотонно убывает. Поперечная сила качественно проявляется также как сила тор­можения, имея максимум в области низких скоростей и моно­тонно убывая с ростом v [55, 90].

Максимум силы торможения может в несколько раз превы­сить ее величину при номинальной скорости и сильно затруд­нить разгон экипажа. Поскольку максимум F_T лежит в области низких скоростей, где левитация еще не проявляется, силу тор­можения можно устранить, убрав ЛШ на участке разгона. Если это невозможно (например, в совмещенных системах ЭДЛ с тяговым приводом), можно увеличить левитационный зазор с помощью колесного подвеса или временно уменьшить ток возбуждения ЭДЛ, если не применяется замороженный ток в сверхпроводящих катушках.

Удельные тормозные потери в системах ЭДЛ с нормальным потоком не удается снизить менее 20—35 кВт на тонну подве­шиваемой массы, а левитационное качество даже при скорости 500 км/ч ограничено величиной 15, которое уменьшается до 10 за счет сил торможения направляющей системы [14, 70, 87, 190, 191].

Применение ЛШ с левитационными элементами в виде ко- роткозамкнутых контуров или многозвенной цепи (см. рис. 1.5,б,в) позволяет уменьшить металлоемкость путевой струк­туры, но при этом уменьшается постоянная времени Т ЛШ. Уменьшение T—L/R путевых контуров обусловливает менее рез­кое изменение F_x(v/R) и F_T(v/R), и в результате при одинако­вой скорости движения левитационное качество ЛШ с путе­выми контурами оказывается несколько ниже, чем в случае ЛШ в виде массивной полосы [14].

Вследствие неоднородности ЛШ ее взаимная индуктивность с движущейся катушкой периодически изменяется и производ­ная по координате в направлении движения дМ/дх (см. выра­жение (1.3)) оказывается знакопеременной. По мере прибли­жения катушки возбуждения к путевому контуру создается сила торможения F_x, а при ее удалении от контура сила F_x становится разгоняющей. Пульсации потокосцепления вызы­вают также периодические изменения силы левитации. Период и амплитуда колебания сил, действующих на катушку возбуж­дения, определяются скоростью движения и размерами путевых контуров. Пульсации можно уменьшить, если полюсное деле­ние катушек возбуждения выбрать кратным шагу путевых кон­туров [94, 108]. ЛШ с дискретными коротзамкнутыми конту­рами имеет более высокую силу торможения и создает пульсации на 40% большие, чем многозвенная конструкция [135].

ЛШ с путевыми контурами имеет преимущество в направ­лении движения, поскольку поперечная сила в данной системе ЭДЛ является направляющей также при ширине ЛШ, превы­шающей ширину катушек возбуждения. Направляющее усилие можно увеличить, сместив катушки возбуждения поочередно влево и вправо относительно оси ЛШ подобно тому, как это делается в ЭМП [101]. Таким приемом можно обеспечить на­правляющее усилие даже в случае массивных ЛШ, выполнен­ных шире катушек возбуждения.

Более надежные направление и стабилизацию движения можно получить, применив ЛШ со взаимно перпендикулярными плоскостями для левитации и направления движения (рис. 1.12,а—в). Вихревые токи в вертикальных плоскостях ЛШ ин­дуцируются отдельными катушками возбуждения или боковым полем рассеяния катушек левитатора. В последнем случае при одинаковой ширине горизонтальной и вертикальной полок ЛШ направляющее усилие достигает половины силы левитации [8]. Под влиянием вихревых токов в направляющей полке ЛШ сила левитации несколько уменьшается. Электрическое размы­кание горизонтальной и вертикальной частей ЛШ уменьшает поперечную силу и жесткость системы направления движения при совмещенной системе возбуждения, а в случае раздель-

 

 

ных, симметрично расположенных катушек левитации и на­правления движения практически не влияет на работу системы ЭДЛ и направления движения [8].

Использование вертикальных частей ЛШ для направления и стабилизации движения увеличивает общую силу торможе­ния и снижает левитационное качество, поскольку в этих час­тях ЛШ индуцируются вихревые токи даже при отсутствии бо­кового смещения. С целью устранения данного недостатка пред­ложено боковые части ЛШ загнуть дугообразно вверх, выби­рая радиус загиба и ширину ЛШ в зависимости от номиналь­ного левитационного зазора таким, чтобы при отсутствии попе­речного смещения экипажа с оси дороги боковые поверхности ЛШ совпадали с силовыми линиями магнитного поля катушек возбуждения ЭДЛ (рис. 1.12,г) [149]. При смещении катушек относительно ЛШ магнитное поле пронизывает загнутые края ЛШ и индуцированные вихревые токи обеспечивают необходи­мые силы направления движения.

Система ЭДЛ с нулевым потоком разработана с целью уменьшения силы торможения и снижения потерь в ЛШ [161, 170]. Одновременно данная разновидность ЭДЛ имеет повы­шенную жесткость и не требует дополнительной системы демп­фирования колебаний.

Система ЭДЛ с нулевым потоком содержит две одинаковые сверхпроводящие катушки возбуждения, расположенные в па­раллельных плоскостях одна над другой (рис. 1.13,а). Катушки

возбуждаются противоположно направленными токами и соз­дают встречные потоки [189,190]. В средней части между катушками суммарный магнитный поток направлен в основном параллельно плоскостям катушек и вертикальная составляю­щая потока Ф_н близка к нулю. Эту зону, с низким значением Ф_н и большим градиентом его изменения, принято называть зо­ной нулевого потока [14,87]. В ней находится ЛШ. Вихревые токи в путевых левитационных элементах индуцируются только при отклонениях ЛШ от плоскости симметрии между катуш­ками, и их значения относительно малы. С точки зрения экс­плуатационной надежности ЭДЛ постоянное отклонение ЛШ от плоскости симметрии (hi<g_it рис 1.13,6) нежелательно, и его можно избежать, увеличивая ток возбуждения в верхней катушке I\>h (рис. 1.13,в). При этом плоскость раздела между потоками верхней и нижней катушек смещается ниже плос­кости геометрической симметрии системы возбуждения. Отноше­ние между токами верхней и нижней катушек выбирается та­ким, чтобы необходимая для левитации экипажа сила развива­лась в положении, когда левитационные элементы находятся в плоскости геометрической симметрии.

В системе ЭДЛ с нулевым потоком минимум вихревых то­ков в левитационных элементах обусловлен отсутствием прони­зывающего ЛШ магнитного потока. Такой же эффект можно получить с двумя пронизывающими путевые элементы ЛШ магнитными потоками, если их воздействия взаимно компенси­руются. Эту разновидность ЭДЛ будем называть системой с нулевым током (иногда ее называют системой с разностным потоком). Путевые элементы ЛШ выполняются в виде коротко- замкнутых контуров, с двумя петлями, соединяющимися таким образом, чтобы индуцированные в них ЭДС были направлены встречно друг другу (рис. 1.14,а,б), токи в контурах ЛШ при этом равны нулю [42, 70, 171, 190]. Система работает анало­гично ЭДЛ с нулевым потоком. При смещениях катушки воз­буждения относительно плоскости симметрии левитационных контуров нарушается равенство магнитных потоков, пронизы­вающих обе петли короткозамкнутых контуров, и их разность индуцирует контурные токи. Данную систему ЭДЛ легко вы­полнить плоской (рис. 1.14Дв), поэтому ее удобно использо­вать для направления движения.

Системы ЭДЛ с нулевым потоком и нулевым током по срав­нению с системой с нормальным потоком требуют повышения МДС возбуждения до 1 МА (табл. 1.2) [167], больших кри- остатов с высокой механической прочностью, что приводит к увеличению теплопритока в холодную зону криостата и росту потерь мощности на охлаждение. Усложняется также путевая структура. В системе ЭДЛ с нулевым током расход проводя­щего материала на путевую структуру примерно в 3 раза больше, чем в системе с нормальным потоком. Сравнительный анализ различных конструкций ЭДЛ показал малую перспек­тивность систем с нулевым потоком и нулевым током для соз­дания электродинамических опор движущегося экипажа, по­этому в основном предполагается использовать их в системах направления движения.

Из-за принципиальной невозможности получения достаточ­ной силы левитации в системе ЭДЛ, возбуждаемой постоянным током при низких скоростях движения, возникает необходи­мость в дополнительном подвесе. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование, помимо дополнительного колесного подвеса, добавочной ферромагнитной ЛШ в системе ЭДЛ (рис. 1.15,а—в). В простейшем варианте на участках разгона и торможения системы ЭДЛ с нормальным потоком устанавливается ферромагнитная ЛШ, образующая совместно

 

 

с катушками возбуждения системы ЭДЛ электромагнитную сис­тему [39]. Недостатком данного решения является необходи­мость регулирования МДС возбуждения. При больших скорос­тях система регулирования может оказаться не в состоянии предупредить прилипание катушек возбуждения к ферромаг­нитной шине. Для уменьшения сил электромагнитного притя­жения при больших скоростях предложено над шихтованной ферромагнитной ЛШ установить электропроводящую шину. По мере приближения сверхпроводящей катушки возбуждения к ферромагнитной ЛШ последняя насыщается. Магнитное поле проникает в электропроводящую шину и индуцирует в ней вих­ревые токи, которые создают отталкивающие стабилизирую­щие силы (рис. 1.15,6) [131].

Наиболее эффективно совмещение систем ЭМП с системами ЭДЛ с нулевым потоком или с нулевым током (рис. 1.15,в) [121, 190]. Комбинированные системы можно использовать двояко. Можно часть силы подъема создавать системой ЭМП, а остальную часть — системой ЭДЛ или всю силу подъема создавать системой ЭМП и ЭДЛ использовать только для вер­тикальной стабилизации системы ЭМП. В таком варианте отпа­дает необходимость регулирования тока электромагнита в си­стеме ЭМП, причем число и сечение путевых элементов системы ЭДЛ могут быть значительно уменьшены. Однако при низких скоростях и на стоянках потребуется дополнительный колесный подвес.

Функции левитации и направления движения в системах ЭДЛ с нулевым потоком можно совместить, если использовать 1-образную ЛШ (рис. 1.16). В зависимости от ориентации и расположения ЛШ система левитации выполняется как с нор­мальным, так и с нулевым потоком, а система направления движения — по противоположному принципу. Можно совме­стить в одном устройстве системы левитации и направления движения, которые обе реализованы с нулевым потоком. С этой

 

 

целью ЛШ выполняется крестообразной формы, охватываемой с обеих сторон дугообразными вертикальными сверхпроводя­щими катушками возбуждения (рис. 1.16,г) [162, 190]. Эта система характеризуется повышенной сложностью.