Электромагнитные и кинематические схемы систем ЭМП

Системы ЭМП транспортных экипажей с электромагнитами постоянного тока основаны на использовании сил притяжения электромагнитов к феррорельсам, размещенным на путевой структуре (рис. 2.1). Аналогичным путем, но с помощью дополнительных электромагнитов создается система направляющих сил, препятствующих смещению экипажа в боковом направлении относительно продольной оси путевой структуры. Направляющие силы могут быть получены без дополнительной системы электромагнитов с использованием сил бокового смещения полюсов электромагнитов подвеса относительно полюсов феррорельса.

Существенное значение имеет ферромагнитный материал магнитопровода и феррорельса. Желательно, чтобы магнитное насыщение наступало при большой индукции с тем, чтобы МДС обмотки электромагнита и соответственно масса обмотки были как можно меньше. С этой целью для магнитопровода целесообразно применение холоднокатаной стали или магнитомягкого сплава КФ 49.

При использовании системы ЭМП в скоростном транспорте движение электромагнита относительно неподвижного феррорельса вызывает в последнем вихревые токи, которые приводят к появлению сил сопротивления движению и потери энергии. Так как это нежелательное явление возникает у набегающего и сбегающего краев электромагнита, то в целях снижения вихревых токов желательно иметь как можно более длинные электромагниты. Однако по конструктивным соображениям, а также из условий работы системы автоматического регулирования воздушного зазора между полюсами электромагнита и феррорельса длина магнитопровода ограничена до 1-3 м. Эффект длинного, непрерывного в магнитном отношении электромагнита можно получить-путем расположения отдельных электромагнитов по длине экипажа так, чтобы расстояние между полюсами соседних электромагнитов не превышало примерно 10 мм. Как видно на рис. 2.2, такое расположение электромагнита до стигается при П-образных магнитопроводах и определенной форме полюсов [81].

Для уменьшения вредного влияния вихревых токов целесообразно применение для феррорельса стали с большим удельным сопротивлением, а также шихтованных феррорельсов. При магнитном подвесе достигается максимально возможное заполнение длины экипажа магнитами, что благоприятно сказывается на уменьшении удельной механической нагрузки на путевую структуру.

Магнитная цепь электромагнита подвеса содержит два воздушных зазора, величина которых в основном определяет МДС и массу обмотки, а также массу электромагнита. С этой точки зрения желательно уменьшение воздушного зазора б. Однако с его уменьшением возникает необходимость в повышении точности монтажа феррорельса на путевой структуре. Кроме того, уменьшение б связано с необходимостью увеличения точности и быстродействия системы автоматической стабилизации зазора, т. е. повышения предельной частоты регулирования, что в свою очередь, связано с форсированием напряжения, которое подводится к обмотке электромагнита и, следовательно, увеличения мощности и массы источников электроснабжения для питания системы ЭМП.

Существенное влияние на массу электромагнита подвеса оказывает форма поперечного сечения магнитопровода. Оптимизационные расчеты электромагнита подвеса с различными формами поперечных сечений магнитопроводов проводили по критерию минимальной массы электромагнита. Расчеты дали возможность получить зависимости удельных значений массы и мощности электромагнита от подъемной силы, выраженной в кН/м, для трех вариантов: П-образная форма магнитопровода с об-

Рис. 2.1. Схема расположения электромагнитов подвеса и направления на тележке:

/—эстакада; 2 — электромагнит; 3 — направляющий электромагнит; 4 — кузов; 5 — пневморессора; 6 — феррорельс; 7 — тележка; 8 — рессорное н демпфирующее устройство

Рис. 2.2. Конструктивная схема электромагнита подвеса:

1 — магннтопровод; 2 — катушка

моткой, расположенной на полюсах, П-образный магнитопровод с обмоткой на ярме и Ш-образный магнитопровод с обмоткой на центральном стержне [8]. Согласно расчетам при воздушном зазоре 15 мм в пределах изменения удельной силы электромагнита от 10 до 30 кН/м его масса изменяется от 7 до 4,5% подъемной силы. При этом потребляемая удельная мощность колеблется от 0,7 до 0,33 кВт/кН. С увеличением удельной силы масса и потребляемая мощность уменьшаются. Наименьшая масса электромагнита получается при Ш-образной форме поперечного сечения магнитопровода, наибольшая — при П-образ-ной форме магнитопровода с расположением обмотки на ярме. Разница в массе между двумя указанными электромагнитами составляет примерно 20%. Потребляемая мощность не зависит от формы магнитопровода и расположения обмоток, но существенное влияние на нее оказывает материал провода обмотки. Так, при воздушном зазоре между полюсами и рельсами 15 мм, по данным работы [32], удельная мощность составляет 0,3- 0,6 кВт/кН, в зависимости от удельной подъемной силы электромагнита.

Для получения электромагнита относительно небольшой массы обмотку выполняют из алюминиевого провода с изоляцией класса «Н»; успешно применяют также ленточный проводник из алюминиевой анодированной фольги, при котором коэффициент заполнения обмотки достигает 0,9-0,95. Целесообразно использовать гиперпроводник. В качестве гиперпроводника весьма перспективным является использование бериллия, охлаждаемого жидким азотом.

Обмотки электромагнита системы подвеса имеют большую индуктивность и соответственно большую постоянную времени. В связи с этим для сокращения длительности переходных процессов прибегают к форсированию напряжения в процессе регулирования воздушного зазора. Практикой установлено, что при падении напряжения в обмотке из алюминиевого провода величиной в 50-100 В номинальное напряжение источника (с учетом необходимой форсировки) для питания обмотки должно составлять примерно 500 В.

В обычном колесном транспорте усилия от колес к тележкам и далее к кузову вагона передаются через систему рессор, пружин и демпферов, образующих систему механической подвески. Последняя имеет большое значение как в обеспечении условий комфорта, так и условий работоспособности подвижного состава в целом. Аналогичные задачи возникают и при использовании систем магнитного подвеса БЭПС, Разработаны следующие механические связи, передающие усилия от электромагнита к кузову:

непосредственное, жесткое крепление электромагнита к тележкам, которые через рессоры и демпферы передают усилия к кузову; система, работающая по принципу «магнитного колеса», когда каждый электромагнит передает усилие к тележке через рессору и демпфер и совершает в процессе движения экипажа вертикальные колебания, не зависящие от колебаний соседних электромагнитов и от колебаний кузова; система, в которой соседние «магнитные колеса» имеют шарнирные или гибкие связи, образующие в продольном направлении цепь из электромагнитов.

Система с жестким креплением электромагнитов к тележкам отличается простотой конструкции и обслуживания механической части, высокой надежностью. Однако в этой системе более сложно решается задача обеспечения устойчивости ЭМП и требуется несколько больший воздушный зазор между полюсами электромагнита и феррорельса, чем в двух других системах. Такая конструкция использована в системе «Maglew» железных дорог Великобритании, которая получила применение на сравнительно тихоходном пассажирском транспорте с ЭМП, введенном в эксплуатацию в 1984 г. в Бирмингемском аэропорту [15]. Ликвидация колес, осей, механической подвески, демпферов и тормозов позволила выполнить БЭПС этого типа легким и компактным. Каждый из вагонов может вмещать 32 пассажира и их багаж максимальной массой 3 т при массе тары вагона 5 т.

Система «Мад1еу» действует автоматически в непрерывном челночном режиме, либо в режиме «по требованию», как обычный лифт, либо путем отправки с центрального управляющего устройства. Максимальная скорость не превышает 42. км/ч, а ускорение и замедление производятся в пределах, определяемых безопасностью и комфортом пассажиров. В случае перерыва подачи электроэнергии вагон опускается на тормозные колодки и происходит безопасная остановка.

Вагоны в системе «Мад1еу» движутся по эстакаде с Т-образным поперечным сечением длиной 620 м, которая поддерживается на высоте 5 м от земли опорами, расположенными на расстоянии 15 м друг от друга. Трасса линии имеет два поворота с радиусом закругления 50 м и уклоном 15%0, Подвес вагона осуществляется восемью ЭМ с аксиальным магнитным потоком и сердечником Ш-об-разной формы (рис. 2.3). Средний воздушный зазор между полюсами электромагнита и феррорельса составляет 15 мм. Электромагнит крепят к шасси парами (рис. 2.4) на каждом конце вагона. Электромагниты каждой

Рнс. 2.3. Электромагнит с аксиальным магнитным потоком:

1 — воздушный зазор; 2 — феррорельс; 3-левнтациоиная сила; 4 — электромагнит; 5 — сила тяжести

Рис. 2.4. Схема крепления электромагнита к шасси экипажа;

1 — ЛАТЭД; 2 — электромагнит: 3 — феррорельс пары смещены вбок от оси феррорельса на 10 мм с тем, чтобы обеспечить боковую стабилизацию вагона. Магнитная индукция в воздушном зазоре составляет 0,8 Тл. Линии магнитной индукции совпадают с направлением движения вагона, чем достигается экономия стали феррорельса, поперечное сечение которого имеет прямоугольную форму шириной 50 мм. Для уменьшения потерь в рельсе от вихревых токов, а также ослабления эффекта уменьшения подъемной силы на высоких скоростях рельс выполнен шихтованным из вертикальных стальных листов. Электромагнит имеет сердечник из магнитной стали и обмотку из анодированной алюминиевой фольги, в которую вмонтирован ряд температурных датчиков для определения перегрева обмотки. Плотность тока в обмотке составляет 1 А/мм2. Потребляемая мощность при удержании экипажа на высоте 15 мм равна 3 кВт на 1 т массы. Отношение подъемной силы к весу электромагнита равно 11,7. В длительном режиме электромагнит потребляет ток силой 25 А. В рабочую поверхность полюса электромагнита встроена измерительная катушка, сигнал от которой после интегрирования используется как сигнал о магнитной индукции в системе управления зазором.

Характерным примером применения «магнитного колеса» с несвязанными друг с другом электромагнитами является систе ма ЭМП, примененная на поезде ТК-06 [32]. Основой технического решения, принятого при создании поезда ТК-06, послужил комплекс, состоящий из ЭМП, ЭМН, ЛСТЭД с расположением статора на пути («длинный» статор) и бесконтактного бортового источника электропитания с линейным генератором. Поезд состоит из двух одинаковых секций, являющихся зеркальным отражением друг друга, которые механически соединены рамами. Каждая рама связана с четырьмя сочлененными тележками с подвесными устройствами. Общая длина поезда 54,2 м, общая масса 122 т, полезная масса при длительной скорости 350 км/ч — 20 т, кратковременная скорость — 400 км/ч. На рис. 2.5 приведена схема поперечного сечения поезда.

Несущая и направляющая системы ЭМП содержат автономные «магнитные колеса», независимые друг от друга. Каждое «магнитное колесо» состоит из электромагнита с устройствами для подрессоривания и направления, датчиками, регуляторами зазора, источником напряжения с устройствами контроля и отключения. Система управления позволяет выполнение взаимосвязанных требований по безопасности, функционированию, надежности и управлению.

Поезд содержит 120 магнитных колес, из которых 64 служат для подъема и 56 для направления. Допускается выход из строя одного из восьми магнитных колес без существенных ограничений в условиях эксплуатации. Для повышения надежности электроснабжения магнитные колеса каждой секции получают электроснабжение от четырех независимых сборных шин, соединен-

ных с аккумуляторной батареей на 440 В. Несущие электромагниты, осуществляющие также функцию возбуждения ЛСТЭД, выполнены с продольным замыканием магнитного потока (рис. 2.6), направляющие — с поперечным замыканием магнитного потока. Магнитный зазор между полюсами и рельсами (статором) равен 10 мм, механический зазор 8 мм. Длина электромагнита составляет 1,5 м. В главные полюса несущих электромагнитов встроена двухфазная обмотка линейного генератора. Несущие электромагниты могут перемещаться в вертикальном направлении относительно феррорельса, в других направлениях они жестко фиксируются относительно тележек, на которых установлена система подвеса. Собственная частота колебаний подрессоренных электромагнитов 7 Гц.

Помимо системы подрессоривания электромагнитов, поезд имеет вторичную систему подрессоривания с помощью пневморессор, которые связывают пассажирские салоны с тележками, и систему, учитывающую колебания салонов и перераспределение в них нагрузки. На каждую тележку опираются четыре пневморессоры. Вторичная система подрессоривания имеет собственную частоту колебаний 0,8 Гц при относительном коэффициенте демпфирования 0,3. Диапазон колебаний вторичной системы составляет +100 мм.

Основными достоинствами системы магнитного колеса по сравнению с системой с жестким креплением электромагнита на тележках являются следующие: сравнительно простая система автоматической стабилизации зазоров между полюсами электромагнита и феррорельса; сравнительно небольшая непод-рессоренная масса, которая в основном определяется только электромагнитом, вследствие чего представляется возможным уменьшить мощность источников для электроснабжения обмоток снижением реактивной -энергии, потребляемой при вертикальных колебаниях электромагнита; возможность уменьшения зазора до 10 мм против 15 мм в тихоходной системе с жестким креплением электромагнита, что также позволяет уменьшить мощность источников электроэнергии.

Наряду с преимуществом системы магнитного колеса, примененной на БЭПС ТЯ-0,6 следует отметить и существенный недостаток ее, заключающийся в возможности случайного притяжения какого-либо из 64 несущих электромагнитов к феррорельсу при нарушении нормальной работы системы управления силовыми тиристорами (или транзисторами), приводящем к большим «сквозным» токам через обмотку. Хотя длительность такого аварийного режима благодаря соответствующей защите может быть сведена к минимуму, однако вследствие высокой скорости движения поезда результаты аварийного режима приводят к значительным повреждениям пути и системы подвеса. Попытка применить покрытие поверхности рельса и полюсов

магнита, уменьшающее коэффициент трения, не решает проблему.

С целью устранения отмеченного недостатка, а также усовершенствования системы ЭМП. по другим показателям была предложена система с «магнитными колесами», имеющими механические связи (шарнирные или гибкие) в продольном направлении, вследствие чего образуется цепь из электромагнитов (рис. 2.7). Система осуществлена на опытном поезде ТК-07 [93]. Наличие механических связей между электромагнитами исключает притяжение одного электромагнита к феррорельсу, а одновременное притяжение к феррорельсу двух или более соседних электромагнитов является событием с весьма малой вероятностью.

Реализация цепного соединения соседних электромагнитов в сочетании с улучшением аэродинамических форм поезда, совершенствованием путевой структуры, обмоток электромагнитов и другими изменениями позволили существенно повысить основные показатели поезда ТЯ-07 по сравнению с поездом ТИ-Об [93]. Так, полезная нагрузка поезда Т1?.-07 при скорости 400 км/ч равна 20% полной массы поезда, в то время как у поезда Т1?-06 при такой же скорости она составляла 10%.

Влияние линейного тягового электропривода и магнитного подвеса на сферы применения и эффективность левитирующего наземного транспорта | Транспорт с магнитным подвесом | Выбор системы ЭМП и определение уточненных характеристик электромагнитов

Добавить комментарий