CC BY
69
Современные технологии - транспорту
55
УДК 537
А. Д. Корчагин
Центр инновационного развития ОАО РХД, Москва, Россия А. А. Зайцев, Ю. Ф. Антонов
Петербургский государственный университет путей сообщения, Санкт-Петербург, Россия
ПУТИ СНИЖЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОЙ ЛЕВИТАЦИИ
Обоснованы технические решения по снижению начальной скорости возникновения магнитодинамической левитации. Рассмотрены плоские путевые треки левитации с одинарными и сдвоенными «массивами Хальбаха». Расчетные данные эффективности предлагаемой системы левитации сопоставлены с экспериментально установленными величинами. Показана техническая возможность достижения магнитодинамической левитации при скорости транспортного средства около 1 м/с.
общественный транспорт, левитация, «массив Хальбаха».
Введение
Магнитолевитационный общественный (наземный и подземный) транспорт характеризуется умеренными скоростями движения. При максимальной скорости 150 км/ч средняя скорость транспортного средства между остановочными пунктами может составлять менее 100 км/ч [1]. В связи с этим возникает задача обеспечения магнитодинамической левитации в городских условиях эксплуатации при весьма малых скоростях движения на участках разгона и торможения. Из-за небольших расстояний между остановочными пунктами участки разгона и торможения занимают 25-50 % всего пути следования. В статье дается физическое обоснование возможности значительного снижения начальной скорости перехода транспортного средства в режим левитации за счет использования плоских перфорированных и выполненных из литцы путевых треков левитации.
В [1] показано, что полная сила левитации YFy, отнесенная к площади А= wh трековой катушки левитации (эффективной зоны левитации) (рис. 1), определяется как
Щ = B0 Г ю
A ^0 Pc
где w и h - ширина и высота трековой катушки левитации (путевого трека); Pc - периметр катушки левитации.
Анализ выражения (1) важен для поиска путей повышения силы магнитодинамической левитации. Так, если отношение площади трековой катушки левитации к ее периметру A/Pc = 1/3, то сила левитации Fy увеличивается в два раза по сравнению с ее расчетным значением, полученным через тензор напряжений, связанный с максимальной амплитудой магнитной индукции В0 поля «массива Хальбаха» на расстоянии у1 от центроида верхнего проводника трековой катушки. Данный эффект связан с плотной
-2kyx
(1)
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
56
Современные технологии - транспорту
упаковкой витков трековой катушки левитации, в результате чего практически удваивается потокосцепление с катушкой. Однако, с учетом пространственного распределения поля, требуется усреднение магнитного потока по площади витка трековой катушки левитации. Поэтому вместо четырехкратного имеет место двукратное увеличение силы левитации F
В том случае, когда в системе левитации применяются трековые катушки левитации из широких петель, правую часть выражения (1) необходимо умножить на 0,5. Трековые катушки левитации должны устанавливаться таким образом, чтобы исключить их индуктивную связь с путевой обмоткой тягового линейного синхронного двигателя. Переменное магнитное поле путевой обмотки линейного синхронного двигателя не должно оказывать влияния на систему левитации.
Задавая желаемое значение рабочего зазора у можно найти оптимальную длину волны «массива Хальбаха», воспользовавшись выражением
^ opt = 4т- (2)
И, наоборот, зная X , с помощью (2) находится значение рабочего зазора у Опти-
мальная толщина магнита в «массиве Хальбаха» dpt = 0,2 X. Для магнита квадратного сечения d = 0,25 X, что близко к оптимуму.
Приняв у1 = 30 мм, при оптимальных длине волны и толщине магнита dp, полу-
чим отношение веса левитируемого объекта к весу магнитов 50 : 1. На практике это отношение меньше, так как имеется индуктивная связь между трековыми катушками левитации.
Трековые катушки левитации прямоугольной формы 4 (рис. 1) аналогичны кольцевой граммовской обмотке вращающейся электрической машины. Поскольку причиной возникновения ЭДС индукции является действие силы Лоренца на заряды в движущемся проводнике, ЭДС наводится только в активных частях кольцевой обмотки, которые расположены со стороны индуктора. Для более эффективного использования материала обмотки необходимо увеличить длину ее активной части. Это возможно, если пассивные части обмотки разместить, как и ее активные части, со стороны индуктора. В результате вместо кольцевой обмотки получим в два раза более эффективную - барабанную.
Следовательно, один из возможных путей повышения эффективности левитации - замена трековых катушек левитации
Рис. 1. Схематическое изображение магнитолевитационной дороги на основе «массивов Хальбаха»:
1 - «массив Хальбаха»; 2 - магнитное поле рассеяния; 3 - магнитное поле в рабочем зазоре; 4 - трековые (короткозамкнутые) катушки левитации
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
57
прямоугольной формы на плоские треки из литцы или ламината (рис. 2) [2].
Трек из литцы представляет собой сборку из отрезков многожильного провода (литцы), которые соединены между собой в торцевой части. Преимущество такого трека вытекает из (1). В этом случае отношение ширины витка к его периметру w/Pc ~ 1, т. е. близко к теоретическому максимуму.
из литцы. Как показали эксперименты, наименьшая начальная скорость, приводящая к возникновению левитации, vL =1 м/с, получена при использовании трека из ламината.
Графики на рис. 4 построены по результатам исследований на экспериментальной установке со следующими параметрами. Магнитная зона из «массивов Хальбаха» имеет площадь 3,6 м2. Рабочий зазор - 25 мм.
а)
б)
Рис. 2. Основные типы трековых путевых обмоток левитации: а - трек из литцы; б - трек из перфорированного ламината
Технологию промышленного производства трековых модулей из литцы иллюстрирует фото на рис. 3. Процесс изготовления трековых модулей, в отличие от модулей обмоток вращающихся электрических машин, может быть полностью автоматизирован.
Наиболее просты в изготовлении плоские треки из ламината. Они состоят из тонких медных или алюминиевых листов, в которых сделаны поперечные прорези. Тонкие перфорированные электропроводящие листы можно изготовить гальваническим способом или напылением, покрывая пластиковые листы с перфорацией слоем меди или алюминия. Сложенные в пакет тонкие электропроводящие листы с поперечной перфорацией позволяют уменьшить нежелательные вихревые токи, которые снижают коэффициент эффективности левитации.
Зависимость силы левитации FL от формы трека показывают графики на рис. 4 и экспериментальные данные в табл. 1. С точки зрения левитации трек из ламината почти в два раза более эффективен, чем трек
Ширина трека w = 0,5 м. Трек на рис. 2, а выполнен из отрезков кабеля на базе лит-цы с квадратным поперечным сечением 20*20 мм2; коэффициент заполнения кабеля проводником - 0,7; расстояние между осями соседних кабелей - 25 мм. Концы отрезков кабеля помещены в обоймы из нержавеющей стали толщиной 2 мм, которая замыкает отрезки кабеля. Трек на рис. 2, б выполнен из отрезков ламината толщиной 20 мм. Каждый отрезок ламината состоит из набора медных полос толщиной 1 мм и шириной 2 мм, припаянных к толстым медным наконечникам.
Эффективность левитации можно улучшить за счет: а) применения в «массиве Хальбаха» постоянных магнитов с высокими энергетическими характеристиками и б) усовершенствования конструкции трека, в частности путем его удвоения. Для этого, прежде всего, необходимо преобразовать магнитную систему левитации по схеме с двойным «массивом Хальбаха» (рис. 5). В электромагнитном отношении схема должна удовлетворять
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
58
Современные технологии - транспорту
Рис. 3. Автоматическая линия производства трека из литцы (General Atomics, США)
а)
б)
F,
Fl
Рис. 4. Зависимость силы левитации FL от скорости v транспортного средства. а - трек из литцы; б - трек из ламината
ТАБЛИЦА 1. Путевые треки из литцы (многожильного провода) и ламината (тонких слоев пластин)
Показатели Трек из литцы шириной 0,5 м Трек из ламината шириной 0,5 м Трек из ламината шириной 0,3 м
Левитируемый вес, кг 600 1000 1800
Эффективность левитации Кш при v = 20 м/с 6,0 12,5 15,0
Начальная скорость левитации VL, м/с 6,4 2,8 2,8
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
59
Рис. 5. Схема левитации с двойным «массивом Хальбаха» и двумя плоскими треками (штриховые линии); направление движения транспортного средства слева направо и наоборот
двум условиям: быть несимметричной, например 5^3 (вверху 5 магнитов, внизу - 3), и обеспечивать в области расположения двух плоских треков из литцы или ламината близкое к нулевому значение вертикальной составляющей магнитной индукции суммарного поля.
Рисунки 6 и 7 дают представление о конструкции и взаимном расположении узлов
путевого полотна и магнитолевитационного транспортного средства с системой левитации, выполненной по схеме рис. 5.
На рис. 8 представлена часть тележки транспортного средства и путевой структуры. Установленная на тележке транспортного средства бортовая часть системы левитации выполнена по двойной схеме «массивов Хальбаха» 5*3. Верхний блок
Рис. 6. Модуль путепровода с треком из литцы:
1 - путевая трехфазная обмотка линейного синхронного двигателя;
2 - шихтованный ферромагнитный сердечник; 3 - путевая полоса («беговая дорожка») для вспомогательных колес; 4 - трек из литцы;
5 - скобы для крепления трека из литцы; 6 - продольные части корпуса путепровода; 7 - поперечные части корпуса путепровода
ISSN 181 5-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
60
Современные технологии - транспорту
Рис. 7. Путепровод и транспортное средство с системой левитации из двойных «массивов Хальбаха» и удвоенным треком из ламината:
1 - путевая трехфазная обмотка линейного синхронного двигателя;
2 - шихтованный ферромагнитный сердечник; 3 - путевая полоса для вспомогательных колес; 4 - трек из литцы; 5 - два «массива Хальбаха» системы левитации; 6 - «массив Хальбаха» системы возбуждения линейного синхронного двигателя; 7 - основание путепровода;
8 - несущая конструкция тележки транспортного средства
Рис. 8. Часть тележки транспортного средства на путевой структуре
состоит из пяти магнитов NdFeB размерами 50^50x50 мм3. Нижний блок состоит из трех аналогичных магнитов, отличающихся от первых только высотой - 40 мм. Нижний блок имеет одинаковую с верхним блоком длину в направлении движения транспортного средства (рис. 5). Продольные составляющие магнитных блоков разделены зазором 4 мм. Оба блока помещены в трубы из нержавеющей стали.
Бортовая система возбуждения тягового линейного синхронного двигателя 6 (рис. 7) выполнена также по схеме «массива Хальбаха». В ней, как и в системе левитации, в качестве основной выбрана конфигурация блока с числом магнитов в продольном направлении, равным М = 8. Такая конфигурация обеспечивает более высокую амплитуду магнитной индукции и близкое к синусоидальному распределение магнитного поля
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
61
в рабочем зазоре. В блоке такой конфигурации полярность промежуточных магнитов изменяется на угол п/4. Конфигурация с числом магнитов в «массиве Хальбаха» M = 4 (см. рис. 1) отличается от предыдущей (М = 8) тем, что полярность промежуточных магнитов изменяется на угол п/2 вместо п/4. За счет двойной экономии числа промежуточных магнитов такие блоки дешевле, но проигрывают в электромагнитном отношении.
Несмотря на то что магнитные поля рассеяния системы левитации практически не оказывают воздействия на бортовую систему возбуждения тягового линейного синхронного двигателя, тем не менее сила взаимодействия бортовой системы возбуждения с ферромагнитными элементами путевого полотна (стальной беговой дорожкой) зависит от величины h рабочего зазора (рис. 9). С его ростом увеличивается сила взаимодействия.
Различные комбинации зависимостей таких величин, как зазор h, скорость транспортного средства v, сила притяжения магнитов линейного синхронного двигателя к стальной беговой дорожке, левитационная нагрузка (сила тяжести поднимаемого объекта), позволяют построить важные для анализа работы систем левитации и тяги графические зависимости. Для трека левитации из литцы шириной 0,5 м, сдвоенных левитационных «массивов Хальбаха» конфигурации 5*3 и (одинарного) «массива Хальбаха» системы тяги с М = 8 расчетным путем получены нижеследующие графики (рис. 10-12).
На рис. 10 для наименьшей в расчетах левитационной нагрузки, равной 180 кН, теоретически может наступить неустойчивость левитации. При более высоких значениях весовой нагрузки система левитации обладает достаточной жесткостью и не требует внешнего регулирования. Под «жесткостью» fL [кН/мм] в данном контексте понимается влияние изменения левитацион-ной нагрузки (веса транспортного средства) на изменение рабочего зазора (рис. 11).
К форме кривой магнитного поля, создаваемого одинарными или сдвоенными «массивами Хальбаха» системы левитации,
Fl, кН
Рис. 9. Сила взаимодействия бортовых магнитов тягового линейного синхронного двигателя и стальной беговой дорожки в зависимости от высоты h зазора между левитационными магнитами, установленными по схеме 5*3, и верхними сторонами катушек трека (сплошная линия - результаты расчета; точки - результаты эксперимента)
45 40 35 30 25 20 15 0
0 5 10 15 v, м/сек
Рис. 10. Зависимость высоты зазора h от скорости v транспортного средства при различной левитационной нагрузке (сверху вниз: 180 кН; 200 кН;
220 кН и 240 кН)
Рис. 11. Зависимость жесткости fL левитационной системы от высоты h рабочего зазора; скорость транспортного средства v = 15 м/с (54 км/ч)
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
62
Современные технологии - транспорту
B, Тл
z7
Рис. 12. Форма кривой магнитной индукции Bz поля бортовой магнитной системы возбуждения тягового линейного синхронного двигателя, выполненной на базе «массива Хальбаха» с M = 4 и X = 0,432 м, в рабочем зазоре на высоте h = 25 мм
B, Тл
z7
Рис. 13. Изменение по высоте зазора h магнитной индукции пятой гармоники поля бортовой магнитной системы возбуждения тягового линейного синхронного двигателя, выполненной на базе «массива Хальбаха» с M = 4 и X = 0,432 м (сплошная линия - результаты расчета; точки - результаты эксперимента)
Рис. 14. Эскиз активной путевой структуры и транспортного средства.
1 - путевая трехфазная обмотка линейного синхронного двигателя;
2 - шихтованный ферромагнитный сердечник; 3 - путевая полоса («беговая дорожка») для вспомогательных колес; 4 - два «массива Хальбаха» системы левитации; 5 - «массив Хальбаха» системы возбуждения линейного синхронного двигателя; 6 - несущая конструкция тележки транспортного средства
2012/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
63
особых требований не предъявляется. Однако, как в традиционных электрических машинах, бортовая магнитная система возбуждения тягового линейного синхронного двигателя, выполненная на базе «массива Хальбаха», должна создавать в рабочем зазоре магнитное поле, изменяющееся по синусоидальному закону. Удлиненные «массивы Хальбаха» с М = 8 практически обеспечивают требуемую волну. Укороченный, более экономичный вариант «массива Хальбаха» с М = 4 эту задачу не выполняет (рис. 12). Поэтому волна магнитной индукции в рабочем зазоре содержит нечетные гармонические составляющие. Однако их амплитудные значения быстро уменьшаются с ростом рабочего зазора h (рис. 13).
На рис. 14 показано взаимное расположение узлов системы левитации и линейной тяги.
Заключение
Применение в системе магнитодинамической левитации «массивов Хальбаха» и
путевых плоских треков из литцы или ламината обеспечивает существенное снижение начальной скорости перехода транспортного средства в режим левитации. Это позволяет обеспечить перемещение транспортного средства в состоянии левитации в зоне остановочного пункта, двигаясь со скоростью пешехода. Такое техническое решение является особенно привлекательным для городского общественного транспорта, который характеризуется большим количеством остановок по маршруту следования.
Библиографический список
1. Особенности магнитолевитационной технологии для общественного транспорта / А. А. Зайцев, Ю. Ф. Антонов // Известия ПГУПС. - Вып. 3. - 2012. - С. 11-18.
2. General Atomics Low Speed Maglev Technology Development Program (Supplemental #3). Final Report. FTA-CA-26-7025.2005. May 2005.
УДК 51-74
Ю. М. Меркурьев
Военно-морская академия им. адмирала флота Советского Союза Н. П Кузнецова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАСЧЁТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЁЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА СУДОВ
Рассказывается о применении метода структурных схем для определения показателей надёжности разрабатываемой техники, условиях использования метода при расчёте безотказности систем электрохимической регенерации воздуха судов, теоретических и практических предпосылках допущений о правомочности использования экспоненциального закона распределения времени отказов применительно к системам электрохимической регенерации воздуха судов.
моделирование, надёжность, система электрохимической регенерации воздуха судов.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/4
