Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей транспортных систем с ЭДП

Подсистемы ЭДП классифицируются по конструкции элементов путевого полотна и характеру магнитного потока магнитов экипажа. По первому признаку они подразделяются на подсистемы с дискретной и непрерывной структурами пути, а по второму — на подсистемы с нормальным и нулевым магнитным потоками. В общем случае сущность явлений, наблюдаемых в них, может быть пояснена с помощью схемы на рис. 1.5 и диаграмм взаимодействия сил, приведенных на рис. 1.6. Заключается она в возникновении силы отталкивания между источником магнитного поля и проводником при взаимном движении (см. рис. 1.5). В общем случае при движении источника магнитного поля 1 относительно проводящей пластины 2 в последней возникают вихревые токи. По закону Ленца магнитное поле этих токов направлено противоположно внешнему магнитному полю, вследствие чего силовые линии источника вытесняются из проводника и в результате возникает сила отталкивания.

Энергия, необходимая для движения, затрачивается на преодоление сопротивления среды и тормозящей силы, возникающей из-за диссипации энергии в проводнике. Эта часть энергии выделяется в виде джоулевого тепла. При достаточно большой скорости движения максимальная сила отталкивания равна силе взаимодействия двух магнитов с одинаковыми полюсами и намагниченностью, равной намагниченности движущегося источника магнитного поля. При этом зеркальное изображение второго магнита 3 находится под проводящей пластиной на том же расстоянии, что и движущийся магнит.

Рнс. 1.5. Схема работы ЭДП

Рис, 1.6, Векторные диаграммы взаимодействия сил ЭДП: а — с нормальным и б — с нулевым потоком

Рис. 1.7. Схемы различных вариантов ЭДП:

1, 2 ~ простые нормально-поточные с горизонтальным источником магнигяого поля (ИМП) и путевым элементом соответственно из полосы и с катушками; 3, 4 — то же с вертикальным ИМП; 5-7-двойные нормально-поточные с горизонтальным ИМП и путевым элементом из полосы и с катушками; 8 — то же со спаренными катушками в пути и с параллельно-вертикальным ИМП; 9 — нуль-поточный со СПЭМ 10 и путевым элементом 11

В ЭДП с нормальным потоком (рис. 1.6, а) сверхпроводящие электромагниты 1 устанавливаются на экипаже и движутся над реактивной шиной 2 (или короткозамкнутыми контурами) неподвижного пути с высотой левитации (воздушным зазором) 6^25 см. В результате взаимодействия сверхпроводящего электромагнита с реактивной шиной (или контурами) в последних наводятся вихревые токи, создающие силы отталкивания /•’от сверхпроводящего электромагнита от одноименного полюса шины (или контуров), а также силы его притяжения Гпр к ее разноименному полюсу. Геометрическое сложение этих сил дает результирующую силу Гр, а ее разложение — подъемную Гп и тормозную Гт силы.

Характер сил, действующих в простых магнитных системах нормального потока (рис. 1.7), позволяет использовать их как для собственно левитации, так и для стабилизации движения (направление движения). При этом тип путевой структуры (проводник, над которым происходит движение) не влияет на возможности данного класса. В то же время для них характерны относительно высокие значения тормозной силы Гт, в 2-2,5 раза превышающие значения Гт, возникающие в ЭМП. Устранение этого недостатка достигается применением ЭДП с нулевым (компенсированным) магнитным потоком (рис. 1.6, б и 1.7, вариант 5). Согласно варианту 9 верхняя и нижняя части неподвижного контура 11, укладываемого в путь, соединяются встречно-последовательно. В результате чего при нахождении сверхпроводимых электромагнитов 10 экипажа на равном расстоянии от каждой части контура • суммарный магнитный поток Ф=0. При движении экипажа в этих условиях проявляется равенство Гот=Гпр, т. е. сил отталкивания сверхпроводяи^их электромагнитов 10 от нижней части контура и притяжения его к верхней части контура пути. Под их действием создается результирующая сила Кр, которая обусловливает подъемную Кп и тормозную /ч силы. Незначительное вертикальное отклонение сверхпроводящих электромагнитов 10 вниз или вверх от оси симметрии вызывает появление вертикальной, соответственно вверх или вниз направленной силы, равной массе экипажа, что обеспечивает достаточно эффективную вертикальную устойчивость ЭДП. Аналогично осуществляется и поперечная стабилизация. Токи в контурах 11 составляют примерно 1% токов в контурах 10. В рассматриваемой системе Рт может быть уменьшена в 3-4 раза сравнительно с /ч ЭДП с нормальным потоком.

В другой двойной магнитной системе (тормозного потока) магнитное поле, имеющее согласное направление, фактически удваивает магнитный поток (или то же самое — взаимоиндукцию). Ток в проводнике таким образом увеличивается, как и диссипация энергии, что проявляется в возрастании силы сопротивления движению. Сила подвеса равна практически нулю, так как нормальная к плоскости путевой структуры составляющая поля создает силу торможения Кт.

Оба нуль-поточных ЭДП с использованием магнитной системы двойного типа представляются наиболее перспективными, прежде всего в комбинации с другими подсистемами магнитного подвеса. Их применение осуществимо при путевых структурах как в виде сплошного проводящего полотна, так и дискретного типа в виде жестко закрепленных на полотне коротко-замкнутых катушек из немагнитного токопроводящего материала, а также в виде системы многозвенных контуров.

Результаты рассмотрения различных вариантов выполнения источников магнитного поля и путевых структур, комбинация систем друг с другом позволяют получить целый ряд конструкций БЭПС с совмещением функционального действия их подсистем (рис. 1.8).

Любая из систем БЭПС с ЭДП и со сверхпроводящими электромагнитами может быть конструктивно разработана на основе структурных схем (рис. 1.1 и 1.2) с учетом необходимых изменений и дополнений, обусловленных особенностями каждого конкретного варианта БЭПС. Качественное сравнение любого варианта БЭПС должно производиться, прежде всего, по их левитационному качеству, определяемому отношением

. (1.2)

Наиболее высокий показатель (1.2), достигающий 120-150, имеет подсистема ЭДП с нулевым потоком. Точное определение сил магнитного взаимодействия является довольно сложной задачей, подлежащей решению при разработке выбранного БЭПС.

Рис. 1.8. Схемы подсистем движения и зависимости сил от скорости:

1 — экипаж; 2 — устройства криогенной техники; 3 — контуры поперечной стабилизации и якорной обмотки ЛСТЭД; 4- контуры вертикальной стабилизации с компенсированным магнитным потоком: 5, 13- обмотки возбуждения ЛСТЭД; б- управляемые поездные СГТЭМ; 7 — ЛСТЭД, 8 — стальные путевые элементы; 9 — реактивная шина; 10 — контуры подвеса; //- путевая структура; 12 — обмоткн подсистемы подвеса; 14 — обмотка якоря ЛСТЭД; 15 — проводящие полосы подвеса; сплошная кри-вая штриховая -^,/РТ0=01>(о)

Сложность эта обусловлена как конфигурацией СПЭМ экипажа, так и формой полотна. Однако для качественной оценки могут быть вычислены силы взаимодействия магнитного поля, движущегося вдоль пути сверхпроводящего электромагнита с вторичными магнитными полями вихревых токов без учета электрического сопротивления материала пути [80, 72]:

сила, обеспечивающая левитацию экипажа (подъемная сила ? п),

сила, действующая вдоль направления, движения и обеспечивающая ускооение или замедление экипажа.

где /о — сила тока в сверхпроводящем электромагните; Ьв— индуктивность замкнутого путевого контура; М — ззаимная индуктивность электромагнита и замкнутого путевого контура; Ьс — индуктивность.

Анализ формул (1.3) — (1.5) показывает, что взаимная индуктивность уменьшается с увеличением расстояния между путевым полотном и сверхпроводящим электромагнитом, т. е.

-^-отрицательно. Значение М положительно при любом г. Та-дг кая система устойчива по Ляпунову, Рг направлена вверх и компенсирует массу экипажа. Сила зависит от структуры пути. При дискретной структуре она изменяется по периодическому закону. При приближении СПЭМ к рассматриваемому замкнутому контуру пути (х<0) значение М увеличивается. Про-дм г, изводная — положительная, и сила гх направлена против дх

движения, вызывая его замедление. Когда СПЭМ проходит замкнутый контур пути (х>0), взаимная индуктивность М дМ „ „

уменьшается, знак — становится отрицательным. Сила Рх

дх совпадает с направлением. движения экипажа и ускоряет его. Таким образом, на экипаж действует периодически изменяющаяся сила, период и величина которой зависят от скорости движения экипажа и размеров замкнутых контуров пути. В системах с непрерывной путевой структурой сила К* всегда равна нулю. Следовательно, с точки зрения реализации тягового усилия система с непрерывной структурой пути предпочтительнее.

Так как взаимная индуктивность уменьшается при любом боковом смещении экипажа относительно оси пути, боковая сила Ку всегда совпадает с направлением первоначального смещения и положение экипажа в боковом направлении устойчиво. Рассмотренное справедливо для нулевого электрического сопротивления путевого полотна. В действительности сопротивление путевого контура не равно нулю. Это приводит к диссипации энергии и возникновению сопротивления движению (тормозной силы). Сила торможения с ростом скорости увеЛшивается до некоторого максимального значения (примерно при v = = 60 км/ч), затем падает. Поэтому ЭДП выгоднее для скоростей 400-500 км/ч и выше, когда силами электромагнитного сопротивления движению можно пренебречь по сравнению с аэродинамическими. При низких скоростях движения сила Рг не обеспечивает левитацию экипажа. Необходимы дополнительные системы опоры, работающие во время разгона и торможения. Для этой цели могут быть использованы обычные колеса или применены обыкновенные регулируемые электромагниты, обеспечивающие левитацию экипажа на низкоскоростных участках пути.

В силу того, что во всех проектах ЭДП подразумевается использование сверхпроводящих электромагнитов на экипаже, целесообразно отметить еще следующие показатели: число магнитов пн, находящихся на экипаже, а также число проводящих полос Д^п в путевой структуре, так как это существенным образом определяет металлоемкость путевой структуры подвеса, а следовательно, ее стоимость, достигающую свыше 70% всех капитальных вложений на наземный транспорт с магнитным подвесом (НТМП). В принципе, возможно создание экипажа с одним левитационным магнитом для подвеса и направления движения. Варианты систем магнитного подвеса с л„=1, а Д/п= 1 и N„ — 2 наиболее просты в исполнении. Расчеты подтверждают возможную их осуществимость. Однако с точки зрения безопасности движения они вряд ли найдут применение.

На качественные показатели БЭПС важное влияние оказывает форма сверхпроводящей катушки (соленоида) для ЭДП

[20]. Оптимальная форма катушки для ЭДП должна обеспечивать высокую подъемную силу /%, большой ее градиент дРл/ди при малых скоростях движения V и небольшие потери в полотне при всех V, т. е. максимальное левитационное качество (1.2). Основные закономерности сил для рамок различной конфигурации показаны на рис. 1.9 (Л — фиктивная подъемая сила, равная силе взаимодействия данного магнита и его зеркального изображения относительно плоскости полотна).

На каждом экипаже, как правило, должно быть уста

Рис. 1.9. Зависимости отношения сил для рамок различной конфигурации: %(«) — штриховые линии; Рп1? »(о) — сплошные линии новлено несколько соленоидов сверхпроводящих электромагнитов. При этом следует учитывать возможность появления бокового смещения и улучшения левитационного качества при увеличении высоты их подвешивания. Исключительно важным является поиск оптимальной решетки расположения магнитов, поскольку в значительной мере он определяет качественные показатели подсистемы ЭДП в отношении высоты подвешивания, устойчивости движения, экономичности. При этом нужно учитывать следующее:

левитационное качество решетки магнитов почти такое, как и у одной катушки; эффективность решетки характеризуется коэффициентом усилия по подъемной силе

где /^п р; /ч,- подъемные силы решетки и одной катушки; АД-• число катушек в решетке;

тормозящая сила в решетке с однополярными катушками ниже, чем в системе чередующихся полюсов, т. е. отношение Рп/Рт выше;

периодичность поля решетки при любой ориентации токов в катушках в направлении, перпендикулярном движению, дает большее значение рп и Ра/Ру, чем периодичность в направлении движения;

конструкция линейной решетки из четырех катушек имеет предпочтительность по величине силы Рл, ее стабильности и подъемному качеству.

Основным элементом БЭПС с ЭДП, особенно высокоскоростного, является узел подвеса экипажа, состоящий из сверхпроводящего магнита, системы криостатирования и системы передачи усилий от магнита к экипажу. Узел подвеса должен выполняться в виде отдельного криоблока, который в дальнейшем будет именоваться транспортным криомодулем. Характерной особенностью транспортных криомодулей является сложность передачи сил левитации и электродинамического торможения от сверхпроводящих электромагнитов к внешнему корпусу криостата. Требование минимальных теплопритоков здесь вступает в противоречие с необходимостью минимизации массогабаритных показателей, а именно с необходимостью уменьшения длины силовых опор гелиевой полости криомодуля. Устройства криогенной техники (рис. 1.10) являются частью БЭПС. Потребное для охлаждения сверхпроводящих электромагнитов количество гелия и затраты мощности на эти цели относительно невелики и не столь важны, как размеры и масса системы охлаждения криостатов БЭПС (рис. 1.10, а). Особенно это касается рефрижератора, объем которого может быть уменьшен с 6 до 0,6 м3 [85]. Криостат должен быть легким и способным

Рис, 1 10. Устройства криогенной техники: а -схема системы охлаждения СПЭМ; б — СПЭМ ИМ: /-газообразный гелий; 2 — газгольдер; 3- гелий под средним давлением; 4 — фильтр; 5 -гелий при температуре 20 К; 6 — манометр; 7 — жидкий гелий; 5 — криостат; 0 — контейнер с жидким гелием; 10 — жидкий азот; /1 -рефрижератор; 12 — теплообменник; 13 — компрессор; 14- входной канал; 15- резервуар с жидким гелием; 16, /7 — внутренний и внешний сосуды; 18 — теплоизоляция; 19 — отражатель; 20 — подвеска обмотки; 21-эпоксидная заливка; 22 — обмотка передать большую подъемную силу Р„, действующую в высокотемпературном зазоре при минимальном теплоподводе.

Для НТМП с ЭДП характерна высокая стоимость путевой структуры. Требование к снижению расхода материала путевой структуры приводит к необходимости исследований влияния полотна на ЭДП, определяемое его толщиной и шириной, а также проводимостью применяемого материала. Вихревые токи ограничены глубиной проникновения, которая определяется как физическими характеристиками полотна, так и длиной волны, задаваемой геометрией соленоида сверхпроводящего электромагнита. Зависимость сил •Рп/Т’т, р/р и -Рт/^х от толщины полотна Ап представлена на рис. 1.11.

Рис. 1.П. Зависимости отношений Р„/Рт, Рп!Р, Тт/Л ОТ толщины полотна Дп и Р[РП от Л’:

/. 8 — при 400 км’ч; 2, 4 — при 240 км/ч; 3, 6, 7-нри 80 км/ч; Л — при 160 км/ч; 2 — при Л = =2,12 см; 10 -Н =2,86 см

Рис. 1.12. Возможные схемы демпфирования вертикальных колебаний:

а — пассивного; б — активного; в — иуль-поточной системы ЭДП; 1 -* несущий соленоид; 2 -• демпфирующая пластина; 5 -полотно; 4-• зеркальный соленоид; 5 — регулирующий соленоид; 6 — зеркальные катушки

При определении конечной ширины полотна задача вычисления вихревых токов не получила своего окончательного решения, поэтому ограничиваются приближенными решениями и сравнением результатов с экспериментальными данными (см. кривые 9 и Ю на рис. 1.11). С помощью расчета и эксперимента удается установить: существование силы бокового смещения Рг, направленной к краю полотна (см. рис. 1.11), меньшее значение подъемной силы Рп в пределе высоких скоростей; более быстрое спадание силы Р„ при низких скоростях движения; меньшее отношение Р„/Рг при всех скоростях.

Поскольку подсистемы ЭДП при конечной ширине полотна нуждаются в средствах предупреждения бокового смещения, то в связи с этим необходимо выбирать конфигурацию полотна, обеспечивающую одновременно подвес и направление. С учетом экономических соображений поперечная устойчивость экипажа может быть обеспечена с помощью дополнительных катушек, управляющих в вертикальной плоскости движением экипажа.

ЭДП вертикальная стабильность присуща только при низких скоростях, что следует из выражения где к — отношение я к полюсному делению т обмоток подвижного состава; Т„.К — постоянная времени путевых контуров; рм — постоянная, зависящая от взаимной индуктивности. Сростом скоростей третий член в скобках выражения (1.6) может обратиться в нуль или стать отрицательным, что соответствует отсутствию демпфирования вертикальных колебаний или даже ( их возрастанию.

Возможные схемы демпфирования вертикальных колебаний (рис. 1.12):

с помощью короткозамкнутых витков, включенных между сверхпроводящими электромагнитами и путевым контуром, индуцирование токов в которых приводит к диссипации энергии и гашению вертикальных колебаний;

регулированием силы тока;

за счет размещения между сверхпроводящим электромагнитом и путем обыкновенных катушек, ток в обмотках которых автоматически регулируется так, чтобы создаваемое ими магнитное поле препятствовало колебаниям экипажа.

(1.6)

Классификация левитирующих транспортных систем | Транспорт с магнитным подвесом | Общие сведения о левитирующих транспортных системах на основе постоянных магнитов

Добавить комментарий