Функциональные и конструктивные схемы и особенности бесконтактного электроподвижного состава с ЭМП
Для наземного транспорта, осуществляющего бесконтактное движение, характерно применение для тяги и торможения линейного тягового электропривода (ЛТЭГ1), а для подъема над путем и левитации в процессе движения экипажа бесконтактного электроподвижного состава (БЭПС) — магнитного подвеса. Характерны также сильная взаимозависимость системы ЛТЭП и магнитного подвеса от активной части путевой структуры и показанные на рис. 1.1 функциональные связи /-21.
Задаваемые основные показатели любой транспортной системы главным образом обусловливают массу и габаритные размеры подвижного состава. Например, связь 1 характеризует технико-экономическую эффективность БЭПС, определяемую вместимостью экипажа и удельным использованием его массы (кг/пасс.), а также влиянием скорости на время и условия пребывания пассажиров в пути. Связи 14-18 показывают зависимость системы электроснабжения от типа линейного тягового электродвигателя (ЛТЭД), а также подчиненность этой зависимости техническим решениям по устройствам передачи электроэнергии БЭПС и активной части путевой структуры. В свою очередь, связи 19-21 характеризуют определяющее влияние магнитного подвеса, посадочных устройств, фрикционных тормозов, а также массы, габаритных размеров и скорости движения БЭПС не только на конструктивные особенности и параметры активной и несущей частей путевой структуры, но и на ее технико-экономические показатели.
Связи 2-13 определяют конструктивные исполнения сочленения кузова и тележки (связи 2 и 3), размещения ЛТЭД (связь 5), электромагнитов подвеса (ЭМП) й направления (связь 6), посадочных устройств экипажа (связь 7), вторичного подвешивания (связи 4 и 6), а также исполнения, влияющие на механическое, аэродинамическое и электромагнитное сопротивления движению (связи 8-13). Данные рис. 1.1 свидетельствуют также о том, что доминирующее место в структуре такого транспорта занимает электротехническое оборудование.
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема систем наземного транспорта с магнитным подвесом:
І-21 — функциональные СВЯЗИ;
БЭПС — бесконтактный электроподвижиоЙ состав (экипаж); АСД — аэродинамическое сопротизление движению; ТЭХ — технико-экономические характеристики; БИП — бортовые источники питания; ВП — вторичное подвешивание; К — кузов; ЛТЭД — линейный тяговый электродвигатель; МП — магниты подвеса; МСД — магнитное сопротивление движению; Г — тележки; ФТ и ПУ-фрикционный тормоз и посадочные устройства; Эи ТУ — система электроснабжения и токосъемные устройства; ПС — путевая структура; АПЧ-активная путевая часть; НЧП — несущая часть пути; УКТ — устройства криогенной техники
Системы магнитного подвеса могут иметь много вариантов, число которых определяется количеством сочетаний источников магнитного поля, располагаемых на экипаже (БЭПС) и в пути в виде постоянных магнитов, электромагнитов, сверхпроводящих электромагнитов, а также условиями, при которых магнитное поле создается в проводниках или оно проникает в проводящую немагнитную или ферромагнитную полосу.
Все системы магнитного подвеса можно классифицировать по следующим принципам:
по источнику магнитного поля — с постоянными магнитами (ППМ); с обычными электромагнитами (ЭМП); со сверхпроводящими электромагнитами, а также в виде комбинаций всех этих систем;
по направлению действия сил магнитного подвеса — электродинамические с использованием усилий отталкивания; то же, но на основе притягивающих усилий (ЭМП); комбинированного проявления действия сил — комбинированный магнитный подвес;
по характеру возникновения и реализации действующих усилий- магнитостатические, когда усилия опирания образуются от взаимодействия статических пар: постоянный магнит (электромагнит) и постоянный магнит (электромагнит) или постоянный магнит (электромагнит) и феррорельс; магнитодинамические, в которых используются усилия отталкивания, возникающие только при перемещении электромагнитов (постоянных магнитов) относительно контуров проводящей немагнитной полосы;
Рис. 1.2. Структурная схема электротехнических систем наземного транспорта с магнитным подвесом
по месту нахождения источника магнитного ноля для магнитодинамических систем, а также для комбинации магниты — феррорельс — системы магнитного подвеса с активным путем или в большинстве случаев с активным бесконтактным элект-роподвижным составом.
Структурная схема, показанная на рис. 1.1, отражает существо БЭПС с электромагнитным подвесом. Обобщенная структурная схема электротехнических систем наземного транспорта с магнитным подвесом для бесконтактного движения показана на рис. 1.2. К принципиально новым конструктивным элементам прежде всего относятся системы магнитного подвеса линейного тягового электропривода и крупномасштабная криогенная техника (УКТ) [32].
Общим для функционирования всех систем магнитного подвеса является использование пондеромоторных сил взаимодействия магнитных полей [80, 42]. В системах ЭМП (рис. 1.3, а, б) установленные на БЭПС электромагниты 1 с регулируемой магнитодвижущей силой (МДС) взаимодействуют с уложенным по всей длине пути феррорельсом 2 так, что электромагнит все время (в покое и в движении) притягивается к феррорельсу силой Рпр, называемой подъемной, обратно пропорциональной квадрату воздушного зазора6 между ними (рис. 1.3,а). При движении БЭПС проявляется также действие силы отталкивания /•’от электромагнита от феррорельса, возникающей за счет вихревых токов, индуктируемых в ФР. Совместное действие сил /7 пр и У7«,, обусловливает результирующую силу Кр, которая проявляется в виде подъемной Рп и тормозной Рт сил так, что с ростом скорости V БЭПС сила Кт увеличивается, а сила Рп уменьшается до критического уровня.
При увеличении зрзора б существенно повышается плотность тока в обмотке электромагнита и необходимо принимать специальные меры для его регулирования и обеспечения важного для движения условия 6 = сопз1. С этой целью в БЭПС с ЭМП и электромагнитным направлением (ЭМН) применяют управляемые электромагниты (рис. 1.3, б). Компенсация отталкивающей силы Т7от осуществляется автоматически системой управления 3 путем соответствующего увеличения силы тока в обмотке возбуждения электромагнитов 1 по сигналам датчиков 4, контролирующих зазор б между электромагнитом и феррорельсом, равный примерно 15 мм, а компенсация тормозной си лы /ч — соответствующим увеличением тягового усилия линейного тягового электродвигателя.
Диаграмма взаимодействия сил в системе ЭМП неподвижного БЭПС (экипажа) показана на рис. 1.3, в, а для движущегося- на рис. 1.3, г. Сила притяжения должна уровнове-шивать все нагрузки Ръ, действующие на экипаж, включая и его вес.
Для удержания экипажа над путевой структурой в общем случае необходимы две стабилизирующие системы (рис. 1.4, а) в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и наиболее просто это достигается применением двух независимых систем ЭМП. Одна из них 3 осуществляет магнитное подвешивание экипажа в вертикальной плоскости, а другая 2 является направляющей. Движение такого БЭПС происходит с помощью одностороннего линейного асинхронного тягового электродвигателя (ОЛАТЭД)
1. Однако поиск возможностей повышения массогабаритных и энергетических показателей БЭПС может проводиться в направлении совмещения различных его функций в одних и тех же элементах на основе одновременного взаимодействия одного экипажного источника магнитного поля с двумя или более функционально различными элементами пути или, наоборот, одного элемента пути с двумя или более функционально различными источниками магнитного поля экипажа. Наиболее характерные совмещенные подсистемы: магнитного подвеса и направления движения (рис. 1.4, б); подвеса и движения (рис. 1.4, г); подвеса, направления и движения [32, 92].
Рис. 1.3. Векторные диаграммы взаимодействия сил и конструктивная схема ЭМП
Рис. 1.4. Конструктивные схемы БЭПС с раздельными и совмещенными подсистемами электромагнитных подвеса, направления и движения
В конструктивной схеме по рис. 1.4, б совмещение функций ЭМП и ЭМН БЭПС достигается путем применения для ферро-рельса 4 профиля П-образного сечения и смещения электромагнитов на экипаже примерно на половину ширины полюсного наконечника от осевой линии в обе стороны в шахматном порядке (рис. 1.4, в). При таком смещении электромагнита 3 относительно феррорельса возникает самостабилизирующая горизонтальная сила Т7!-, равная около 30% подъемной силы что может оказаться достаточным для прямолинейных участков пути. Некоторое увеличение массы электромагнита 3 подвеса, связанное с необходимостью обеспечить сохранение подъемной силы при смещенном положении относительно феррорельса 4, компенсируется отсутствием ЭМ направления, соответствующей системы управления и упрощением конструкции путевой структуры.
На БЭПС по рис. 1.4, г, имеющем совмещенную подсистему магнитного подвеса и движения для создания подъемной силы и возбуждения односторонних линейных синхронных тяговых электродвигателей (ОЛСТЭД) 5, используют одни и те же электромагниты 3.
Развиваемая электромагнитная сила без учета выпучивания и рассеяния магнитного потока определяется геометрической конфигурацией сердечника электромагнита и магнитной индукцией в зазоре, значение которой ограничивается насыщением ферромагнитного материала сердечника и феррорельса и вы бирается обычно в пределах 0,8-1 Тл. Сила может быть определена по формуле
где Вб -индукция в рабочем зазоре; 5 — площадь полюсов; ро — магнитная постоянная.
Выражения для более строгого определения вертикальной (подъемной) силы боковой (горизонтальной) Вг и тормозной Вт, обозначенных соответственно осям координат г, у их через Рг, Ву и В*, имеют следующий вид [80]:
где 6(С?) -вектор плотности тока в обмотке; ст((2) -плотность фиктивных магнитных зарядов, распределенных по поверхности 5Ф; <2- точка интегрирования; Ук — область, занятая катушкой электромагнита; Вг(<2)- магнитная индукция поля вихревых токов феррорельса; 5ф — поверхность сердечника электромагнита.
При движении БЭПС электромагниты подвеса и электромагниты направления должны иметь более высокие значения сил, чем это требуется для обеспечения необходимого зазора б в неподвижном состоянии. Например, расчетная подъемная сила в длительном и кратковременном режимах работы при бн должна быть равной соответственно 1,35?МЭ и (1,8-ь2,0)^Мэ, в кратковременном режиме при 2бн в процессе подъема экипажей БЭПС из состояния покоя в состояние левитации-
(^ — ускорение свободного падения, м/с2; Мэ — масса экипажа, кг).
В отличие от электромагнита подвеса в каждый момент времени работает одновременно только половина электромагнита направления. Поэтому тяговое усилие должно быть равным 0,25?Мэ и 0,5^Мэ — соответственно в длительном и кратковременных режимах работы при б„.
В системе ЭМП потребление мощности на подвес и общая масса электромагнита в значительной мере зависят от величи ны воздушного зазора между электромагнитом и феррорельсом, поэтому естественно стремление принимать зазор 5 минимальным. Однако при этом повышаются требования к точности изготовления путевой структуры, труднее обеспечить вписывание экипажа и заданный уровень комфорта. Следовательно, зазор 6 следует выбирать оптимизационным расчетом с учетом всех взаимосвязанных факторов. Для поддержания номинального значения воздушного зазора силы притяжения электромагнита должны быть регулируемыми, причем система регулирования должна не только обеспечить устойчивость левитации, но и исключить неприятные ощущения пассажиров, не вызывать упругих деформаций экипажа и т. д. Достигнуть этого целесообразнее комбинированной системой регулирования рабочих зазоров, обеспечив минимум избыточных связей в схеме механической части экипажа. В ней, наряду с контурами регулирования токов отдельных электромагнитов, должен содержаться регулятор высшего порядка.
При рассмотрении функциональных схем ЭМП и электромагнитного направления БЭГ1С следует отметить важность выбора конфигурации магнитопривода и поперечного сечения феррорельса. В первом случае она определяет массу электромагнита и потребляемую им мощность. Определение оптимальной конфигурации магнитопривода является сложной задачей, для решения которой требуются более точные формулы для расчета /’эм, чем формула (1.1), учитывающие поля выпучивания и рассеяния, а также влияние вихревых токов, наводимых в феррорельсе при движении вдоль него электромагнита. Для обеспечения ВЫСОКОГО отношения при Оглах К ^п При 0 = 0 (/’по/ДпО^ ^0,85) и более эффективных регулирования и резервирования электромагнита целесообразно их составлять из нескольких единичных электромагнитов каждый длиной около 1 м.
Наиболее радикальной мерой снижения вихревых потерь является выполнение феррорельса шихтованным из листов толщиной 3 и 5 мм или частично шихтованными. К примеру, в БЭПС с совмещенной подсистемой магнитного подвеса и движения (см. рис. 1.4, г) влияние вихревых токов практически отсутствует, так как в качестве феррорельса используется шихтованный статор одностороннего линейного синхронного тягового электродвигателя.
При заданном подъемном усилии минимальная масса электромагнита будет в случае, если сечение полюса приближается по форме к квадрату, а минимальная масса феррорельса — при минимальной ширине полюса. Эти два противоречивых требования необходимо учитывать в оптимизационном расчете электромагнита и феррорельса. Нужно также принимать во внимание, что суммарная длина электромагнита вдоль экипажа должна быть максимально возможной, так как это снижает удельную нагрузку на феррорельс, что благоприятно отражается на стоимости и надежности путевой структуры.
Для БЭПС с ЭМП можно применять феррорельсы, имеющие различные формы поперечного сечения: в виде букв П, Т, Ш, С, трапецеидальные, прямоугольные, уголковые, сложноуголковые и полосы. Как видно на рис. 1.4, форма поперечного сечения путевой структуры определяет форму поперечного сечения БЭПС. На рис. 1.4, а показан БЭПС охватываемого, а на рис. 1.4, б, г — охватывающего типов. Путевая структура (рис. 1.4, а), охватывающая экипаж, в сравнении с охватываемой характеризуется следующими достоинствами: экипаж имеет меньшие боковую поверхность, подвергаемую аэродинамическим воздействиям, и поперечное сечение; меньшую высоту центра тяжести относительно магнитного.подвеса, что улучшает его боковую устойчивость и уменьшает динамические добавки сил. Вместе с этим при такой структуре затрудняется доступ к оборудованию, значительно усложняется конструкция путевой структуры и экипажа из-за сложности расположения токопроводящих и токосъемных устройств, возрастает расход бетона и стали при равной жесткости продольного опорного строения пути, ухудшаются условия обеспечения заданной точности пути, создаются проблемы при создании ответвлений пути, плохо удовлетворяются условия использования эстакады для строительной и ремонтной техники и условия самоочнстки от атмосферных осадков и переносимых ветром загрязнений.
Характер аэродинамического воздействия БЭПС и пути в значительной мере определяется конструкцией¦ нижней части экипажа (ходовые части, подэкипажное пространство и пр.) и поверхностью пути. При охватываемой путевой структуре подъемная аэродинамическая сила, действующая на экипаж, примерно в 2 раза больше; сила лобового сопротивления движению экипажа выше на 20-30%; аэродинамическое качество (т. е. отношение подъемной силы, создаваемой воздушным потоком, к силе сопротивления движению экипажа) примерно в 2 раза больше. Для высокоскоростного БЭПС с ЭМП увеличение аэродинамического качества до определенных пределов, не вызывающих поднятия экипажа без магнитного подвеса, является желательным. Из изложенного следует, что наиболее целесообразной в отношении аэродинамики является охватываемая путевая структура [32].
⇐Предисловие | Транспорт с магнитным подвесом | Классификация и анализ функциональных и конструктивных схем и особенностей транспортных систем с ЭДП⇒