Главная | Обратная связь

Классификация систем подвеса и левитации

 

Любое свободно парящее тело имеет шесть степеней сво­боды: возможность поступательного перемещения в трех изме­рениях и вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. Магнитно-подвешенное транспортное средство должно иметь только одну степень свободы в направлении движения, а остальные пять степеней свободы ограничиваются системами подвеса, направления и стабилизации движения.

Электромагнитная сила, необходимая для создания подъ­емных, направляющих и стабилизирующих усилий, возникает вследствие лоренцева взаимодействия магнитного поля с то­ком F=BxI. Магнитное поле в первичной части системы соз­дается каким-либо сторонним источником: током, постоянным магнитом, обычным или сверхпроводящим электромагнитом. Ток во вторичной части может быть сторонним, индуцирован­ным, элементарным в постоянном магните.

В зависимости от направления силы, действующей между первичной и вторичной частями системы, можно выделить сис­темы подвеса (работающие на притяжение) и левитации (ра­ботающие на отталкивание, рис. 1.1) [21, 22, 27, 91]. В свою очередь, в зависимости от способа создания тока во вторичной части можно выделить:

— систему с постоянными магнитами (ПМП);

— систему электромагнитного типа (ЭМП);

— индукционную систему электродинамического типа (ЭДЛ);

— кондукционную систему электродинамического типа;

— систему диамагнитного типа;

— комбинированные системы (в том числе с использова­нием элементов тягового привода).

В подвешенном равновесном состоянии на экипаж дейст­вует постоянная сила подъема, а суммарные силы направления и стабилизации равны нулю. Последние действуют на экипаж только при его отклонениях от равновесного положения. Не­смотря на упомянутое различие сил подъема, направления и стабилизации движения, они создаются однотипными техниче­скими средствами. Поэтому при детальном рассмотрении от­дельных устройств основное внимание будет уделяться систе­мам левитации и подвеса, поскольку они подходят также для осуществления направления и стабилизации движения.

Подвес с постоянными магнитами. Электромагнитные уси­лия создаются за счет отталкивания одноименных или притя­гивания разноименных полюсов постоянных магнитов (рис. 1.2) [2, 19, 27, 70, 88, 89, 139, 169, 173, 191]. Согласно теореме Ирншоу, ПМП неустойчив, поэтому для создания направляю­щих и стабилизирующих усилий необходима дополнительная система иного типа [1].

Магниты, применяемые в ПМП, должны иметь жесткую ха­рактеристику, высокую температурную стабильность, большую магнитную энергию, достаточную механическую прочность, ма-

 

лую электрическую проводимость, препятствующую развитию вихревых токов в путевых магнитах при больших скоростях, и низкую стоимость.

Перечисленным требованиям в значительной степени удов­летворяют керамические магниты из феррита-бария. Они об­ладают высокой стабильностью свойств во времени и низкой плотностью (4,8—5,1 т/м³), однако являются хрупкими и имеют большой отрицательный температурный коэффициент остаточ­ной индукции — при повышении температуры на 1°С его маг­нитный поток уменьшается на 0,2%. Выполненный из феррито- / бариевых магнитов подвес создает магнитное давление до 3-10⁴ Н/м² [72]. Значительно эффективнее постоянные магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами или платиной. Так, ПМП с магнитами из сплава SmCos создает давление в 6 раз большее, чем с ферритовыми магнитами, но его стоимость примерно в 60 раз выше [74, 168].

С помощью ПМП можно обеспечить левитационный зазор до 25 мм, однако при этом накладываются жесткие условия относительно взаимной ориентации магнитов [169].

Подвес электромагнитного типа. Сила подъема создается за счет притяжения электромагнита к ферромагнитной левитаци- онной шине (ЛШ) [51, 70, 126, 138, 139, 172, 174, 182, 191]. В зависимости от направления магнитного потока электромаг­нита вдоль ЛШ или поперек ее ЭМП можно подразделить на подвес с поперечным (рис 1.3,а) и подвес с продольным (рис. 1.3,б,в) потоками. По форме различают электромагниты с Ш- и П-образными магнитопроводами и многополюсные с обмот­ками возбуждения на стержнях или на ярме. В стационарных режимах у Ш- и П-образных электромагнитов примерно рав­ные энергетические и массогабаритные показатели [75].

Особенности электромагнита переменного тока и его элек­трической цепи могут быть использованы для самоцентрирова­ния магнитно-подвешенного ферромагнитного тела (рис. 1.4) [27, 61, 138, 139]. Действительно, если последовательно с ка­тушкой включить емкость, то подбором ее значения электриче­скую цепь можно настроить в резонанс так, чтобы при задан­ном зазоре между подвешенным телом и электромагнитом ра-

 

 

бота происходила на крутой части нисходящей резонансной кривой. Тогда изменения зазора вызывают достаточные изме­нения тока для возвращения подвешенного тела в равновесное положение. Магниторезонансный подвес требует шихтовки ЛШ, имеет низкий коэффициент мощности и большую постоянную времени, что затрудняет его применение.

Индукционная система левитации электродинамического типа. В этой системе используются силы, действующие на элек­тропроводящие тела в переменном магнитном поле. Такое поле может быть создано катушками, питаемыми переменным током, или движущимися относительно проводящих тел катушками, питаемыми постоянным током. Последняя система нашла ши­рокое признание с 1965 г., когда появилась возможность полу­чать сильные магнитные поля с помощью сверхпроводников.

При этом катушки возбуждения, как правило, устанавливаются на экипаже и не имеют стального магнитопровода.

По конструкции элементов вторичной части ЭДЛ можно подразделить на системы с массивной ЛШ, системы с коротко- замкнутыми катушками противодействия и системы с ЛШ в виде многозвенной цепи типа веревочной лестницы (рис. 1.5). В зависимости от взаимного расположения первичной и вто­ричной частей и способа использования возбуждающего маг­нитного потока ЭДЛ можно подразделить на системы с нор­мальным потоком, с использованием потока рассеяния трехмер­ного поля возбуждения, с нулевым потоком и с нулевым током [22, 85, 138, 139, 182].

Питаемые переменным током катушки возбуждения обычно выполняются с П- или Ш-образными сердечниками из листов электротехнической стали и устанавливаются на пути, образуя так называемую магнитную реку и аналогичные ей конструк­ции (рис. 1.6) [52, 124, 130, 138, 139].

 

Кондукционная система левитации. Электромагнитные уси­лия создаются за счет сил отталкивания проводников с проти­воположно направленными токами, или за счет сил притяже­ния проводников с токами одного направления, или за счет сил, действующих на проводник с током, помещенный в маг­нитное поле [27, 61, 138, 139]. Эти системы левитации отлича­ются высокой нагрузочной способностью и хорошей регулиру­емостью, но требуют подвода тока как на движущийся экипаж, так и на левитационные проводники или катушки, расположен­ные на путевом полотне.

Система левитации диамагнитного типа с использованием сверхпроводников. Браунбек в 1939 г. показал, что возможно устойчивое парение тел с магнитной проницаемостью меньше единицы в статическом магнитном поле. Ему удалось взвесить частицы висмута (до 8 мг) и графита (до 75 мг) между полю­сами электромагнита специальной формы [126, 138, 139]. От­крытое в 1933 г. Мейсенером и Оксенфельдом явление абсо­лютного диамагнетизма сверхпроводников позволило В. К. Ар­кадьеву в 1945 г. создать сверхпроводящий подвес диамагнит­ного типа, получивший шуточное название «гроб Магомета» (рис. 1,7,а,б). Грузоподъемность таких опор ограничивает кри­тическое магнитное поле массивной сверхпроводящей чашки.

Жесткие сверхпроводники второго рода позволили создать магнитную опору, работающую на эффекте сохранения минимума энергии двух магнитно-взаимодействующих контуров (коротко- замкнутых катушек) (рис. 1.7,в) Г10]. Давление, развиваемоена единицу поверхности контура в такой опоре, может достичь 1,35-10⁶ Н/м², что соответствует давлению в подшипниках сколь­жения.

Комбинированные системы левитации и подвеса. В совме­щенных кондукционно-индукционных системах ЭДЛ электроди­намические силы создают как индуцированные (вихревые), так и сторонние токи [61, 138, 139]. Системы ЭДЛ данного типа появились в результате совмещения элементов левитации и тя­гового привода.

Для успешного функционирования на транспорте системы подвеса, направления и стабилизации движения должны удов­летворять следующим требованиям:

— иметь высокую надежность и обеспечивать безопасность движения;

— иметь небольшое потребление энергии и низкие эксплуа­тационные расходы;

— обеспечивать высокий комфорт пассажирам;

— минимально воздействовать на окружающую среду.

Перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют

системы ЭМП и ЭДЛ со сверхпроводящими катушками воз­буждения на экипаже. Рассмотрим более подробно эти системы.