Тангенциальная магнитная подвеска

Тангенциальная магнитная подвеска

Реферат

Область техники

Изобретение относится к области устройств, обеспечивающих неконтактный подвес движущегося объекта, и может найти применение при разработке новых систем скоростного общественного транспорта.

Уровень техники

В мировой патентной литературе можно найти большое количество примеров использования постоянных магнитов для магнитной подвески вращающихся и или линейно перемещаемых объектов. Здесь необходимо подчеркнуть, что полное устранение механического контакта («касания») при использовании только ферромагнетиков невозможно. Однако для практики важен не сам факт контакта («касания») тел, а конкретные условия взаимодействия этих тел друг с другом. Так, при снижении трения (и степени износа) в 10-100 раз задачу практически можно считать решенной, хотя с теоретической точки зрения никакой «левитации» нет.

Главное преимущество системы магнитной подвески с применением постоянных магнитов - абсолютная надежность.

Тем не менее, конструкторы высокоскоростных поездов «Трансрапид» (Германия) и «Маглев» (Япония) выбрали иные способы решения задачи. Их выбор в значительной степени определился временем создания проектов, а также концепцией транспортного средства, для которого магнитная подвеска считается лишь дополнительной функцией.

Основным же, по мнению авторов указанных проектов, является линейный электродвигатель (ЛЭД). Однако с учетом длительного исторического опыта это направление развития нельзя признать удачным. Поскольку зазор между основными частями линейного двигателя примерно на порядок больше, чем у вращательного, рабочие характеристики оказываются существенно худшими. Уменьшить зазор между статором и подвижным элементом или «слайдером» невозможно по соображениям безопасности, поэтому авторам вынужденно приходится идти на снижение кпд привода. Для системы «Трансрапид» характерна повышенная частота питающей сети, при которой параметры ЛЭД несколько улучшаются.

«Маглев» имеет статор в виде множества катушек-рамок, питаемых только в момент прохождения поезда, снабженного набором источников магнитного поля (электродинамический принцип). Но для работы подобной системы необходимы весьма сильные токи и магнитные поля большого объема, которые можно создать лишь с помощью сверхпроводников.

Именно криогенные установки являются «слабым местом» проекта. Видимо, его авторы излишне понадеялись на обещания физиков получить к 2000 г. сверхпроводники, не требующие столь глубокого охлаждения...

В результате почти 10 лет «Маглев» находится на стадии пуска в эксплуатацию.

«Трансрапид» реально перевозит пассажиров, однако бурного энтузиазма почему-то не вызывает.

Поскольку проект «Трансрапид» имеет начало в 70-х годах XX века, а проект «Маглев» - в 80-х годах XX века, их авторы наверняка относились к постоянным магнитам с некоторой иронией, свойственной «силовым» электротехникам. Действительно, до начала 90-х годов широко использовались только два типа магнитных материалов: металлические сплавы типа АЛЬНИКО и керамика на основе окислов железа и бария. Первые имеют максимальную для всех известных материалов остаточную индукцию, но способны реализовать ее только в очень узких зазорах (недостаточна коэрцитивная сила). Вторые имеют большую коэрцитивную силу, однако остаточная индукция у них примерно в 5 раз меньше.

Таким образом, до определенного времени рассуждать о подвеске транспортного средства на постоянных магнитах можно было сугубо теоретически. Однако в конце 80-х годов XX века были получены новые магнитные материалы, а в частности - керамика на основе соединений железа, бора и редкоземельного элемента неодима. Магниты из указанного материала выгодно сочетают большую коэрцитивную силу и высокую остаточную индукцию (до 1 Тл).

Наиболее удачной системой подвески с использованием постоянных магнитов следует считать конструкцию, описанную в пат. США №4324185 (МПК В61 В 13/08) и одновременно в пат. РФ №2069156. Можно также отметить более поздние пат. США №5625472 и 5825105, в которых весьма подробно описаны подобные подвески.

Здесь реализуется принцип, несколько напоминающий «Маглев» - на транспортном средстве установлены источники поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а подъемная сила во всех вариантах возникает как результат взаимодействия постоянных магнитов с ферромагнитными элементами ходового пути.

Хотя магнитный поток в целом имеет горизонтальную направленность, под краями ферромагнитных элементов поле «деформируется» и возникает вертикальная компонента силы взаимодействия. В поперечном направлении подвеска неустойчива, поэтому подвижный объект обязательно должен быть снабжен боковыми стабилизирующими роликами. Японский «Маглев» тоже имеет по бокам ролики аналогичного назначения, исключительно за счет которых обеспечивается экстренное торможение поезда (примерный разрез вагона можно увидеть в описании пат. США №5189961 МПК B60L 13/10).

За счет боковых роликов вполне может осуществляться и первоначальный разгон транспортного средства, а также обеспечиваться его «крейсерское» движение.

Если все виды механического сопротивления сведены к минимуму, то движение транспортного средства с магнитной подвеской напоминает чисто инерционное движение спутника по орбите. Следовательно, ЛЭД (линейный электродвигатель) фактически не нужен.

ПРОТОТИП. В патенте РФ №2207265 (МПК В61В 13/08) описана довольно подробная проработка идеи.

Главной особенностью прототипа следует считать расположение внешних частей ферромагнитных элементов под углом. Это позволяет добиться максимальной подъемной силы при одновременной минимизации боковой неустойчивости. Наибольший интерес представляет конструкция согласно п.5 формулы изобретения (см. также фиг.3).

На ходовом пути устанавливается тонкая горизонтальная ферромагнитная полоса, имеющая с боков продольные выступы треугольного профиля. Источник магнитного поля содержит два плоских продольных магнита, расположенных по обеим сторонам пластины, а также охватывающий пластину сверху магнитопровод. Таким образом, магнитный поток вынужденно концентрируется под краями ферромагнитной пластины, где обеспечивается максимальная удельная энергия поля.

При смещении источника поля вниз зоны максимальной плотности энергии «деформируются» и возникает сила, стремящаяся вернуть источник магнитного поля к исходному положению. Поскольку указанная сила действует по касательной к поверхности магнитных полюсов, автор предложил специальное название - «Тангенциальная магнитная подвеска».

Детальные исследования выявили недостатки простейшей конструкции. Наблюдается преимущественное «насыщение» нижних краев ферромагнитного элемента, тогда как материал прилегающих областей остается в области докритического намагничивания.

По-видимому, заметную роль играют паразитные «потоки рассеяния», возникающие между верхним магнитопроводом и выступами ферромагнитной полосы при отклонении подвижной части от среднего положения. Следует особо подчеркнуть, что кажущаяся простота конструкции обманчива, а имеющие место физические процессы весьма сложны для анализа. При этом механические свойства магнитной подвески весьма значительно зависят от конкретных условий взаимодействия магнитов и ферромагнитных элементов. Хотя идея «тангенциальной» подвески присутствует в патентной литературе уже 30 лет, окончательного решения пока не найдено.

Поскольку «насыщение» является полезным эффектом, желательно обеспечить критическое поле для всего объема материала, находящегося в рабочей зоне. Проще всего снабдить ферромагнитный элемент «приливами» (краевыми утолщениями), но такое решение заметно усложняет массовое производство.

Далее, степень неустойчивости оказалась хотя и меньшей по сравнению с аналогами (пат. США, РФ), но все же достаточно большой по сравнению с базовой конструкцией согласно п.1 формулы прототипа, у которой неподвижный ферромагнитный элемент охватывает поверху подвижный источник поля. Именно у такой модельной конструкции удалось получить предельные параметры - при равной величине отклонения вертикальная возвращающая сила оказалось почти на два порядка большей, чем горизонтальные «дестабилизирующие» силы.

Сущность изобретения

Итак, задачей настоящего изобретения является доработка исходной конструкции «тангенциальной» магнитной подвески. Технический результат изобретения - система, обладающая предельно достижимыми характеристиками, полностью готовая для использования на практике.

Поставленная задача достигается за счет признаков, общих с прототипом, таких, как тангенциальная магнитная подвеска транспортного средства, включающая неподвижный профилированный ферромагнитный элемент в виде горизонтальной полосы с двумя продольными выступами треугольного профиля по краям и установленный на транспортном средстве источник поля в составе двух согласно ориентированных постоянных магнитов, расположенных по обе стороны неподвижного ферромагнитного элемента, а также магнитопровода, охватывающего поверху неподвижный профилированный элемент, и отличительных, существенных признаков, а именно магнитопровод разделен на две зеркально-симметричные половины, в промежутке между которыми установлен третий дополнительный магнит, ориентированный согласно исходному направлению магнитного потока, при этом края неподвижного профилированного элемента ходового пути имеют бортики, направленные внутрь профиля.

Благодаря перечисленным существенным признакам тангенциальная магнитная подвеска обладает минимальной степенью боковой (поперечной) неустойчивости при весьма значительной полезной нагрузке.

Описание чертежей

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором показан поперечный разрез устройства. Необходимо отметить, что в целях большей наглядности пропорции деталей изменены.

Пример осуществления

Позициями обозначены: 1 - неподвижный ферромагнитный элемент, закрепленный на ходовом пути, 2 и 3 - постоянные магниты с горизонтальной намагниченностью, установленные на транспортном средстве, 4 и 5 - половины магнитопровода, 6 - дополнительный постоянный магнит, 7 - направленные внутрь профиля бортики элемента 1.

Под краями ферромагнитного элемента 1 создаются зоны локальной концентрации магнитного поля, в которых плотность его энергии достигает максимума. Поскольку энергия магнитного поля связана с его величиной (индукцией) через соотношение

W_магн˜B²,

весьма выгодно увеличивать концентрацию поля до предела.

При отклонении магнитов 2, 3 от линии равновесия зоны максимальной плотности энергии «деформируются», т.е. поле искажается и возникает возвращающая сила

F_магн=-δW_магн/δh,

где δh - смещение подвижной части по вертикали.

Одновременно увеличивается и степень поперечной неустойчивости, что является единственным принципиально неустранимым недостатком тангенциальной магнитной подвески.

Введение третьего магнита 6 удорожает подвижную часть, однако значительно улучшает ее параметры. В первую очередь третий магнит позволяет сократить длину магнитопровода (4, 5) и тем самым облегчить конструкцию. Кроме того, устранение потоков рассеяния (Ф_расс, см. чертеж) позволяет существенно снизить степень боковой неустойчивости подвески.

Бортики 7 позволяют устранить чрезмерное «насыщение» нижних краев ферромагнитного элемента 1, заметно ухудшающее параметры подвески. Благодаря бортикам 7 удается расширить диапазон допустимых нагрузок.

О материале неподвижного элемента 1.

Поскольку индукция магнитного поля в зазорах ограничивается величиной индукции насыщения материала, дальнейшее совершенствование подвески сводится к поиску материала с предельно высокой индукцией насыщения. Так, сплав железа и кобальта («пермендюр») имеет индукцию насыщения на уровне 2,4-2,5 Тл, что обеспечивает повышение «подъемной силы» примерно в 1,5 раза. Небольшая добавка редкоземельного металла гадолиния позволяет довести индукцию насыщения до 2,7-2,8 Тл, однако здесь на первый план выходят экономические соображения.

Следует располагать магниты 2 и 3 вдоль транспортного средства с некоторыми промежутками, примерно равными длине самих магнитов (порядка 0,5 м). В этом случае магнитный поток под действием внутренних «поперечных» сил автоматически будет распределяться по длине элемента 1, а величина поля на центральной линии окажется заметно меньшей, чем на краях.

Таким образом, из дорогого материала можно выполнить только внешние наклонные плоскости элемента 1, а весь остальной его «массив» выполнить из обычного конструкционного железа или из специального АРМКО-железа. Возможно сочетание трех материалов, что окажется еще более эффективным.

Тангенциальная магнитная подвеска транспортного средства, включающая неподвижный профилированный ферромагнитный элемент в виде горизонтальной полосы с двумя продольными выступами треугольного профиля по краям и установленный на транспортном средстве источник поля в составе двух согласно ориентированных постоянных магнитов, расположенных по обе стороны неподвижного ферромагнитного элемента, а также магнитопровода, охватывающего поверху неподвижный профилированный элемент, отличающаяся тем, что магнитопровод разделен на две зеркально-симметричных половины, в промежутке между которыми установлен третий дополнительный магнит, ориентированный согласно исходному направлению магнитного потока, при этом края неподвижного профилированного элемента ходового пути имеют бортики, направленные внутрь профиля.