МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ЛЕВИТАЦИОННОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ПАССИВНОЙ ПУТЕВОЙ СТРУКТУРЫ

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрен магнитный подвес левитационного транспортного средства для комбинированной пассивной путевой структуры. Рассматривается схема, одновременно содержащей как ферромагнитную направляющую (схема электромагнитного подвеса), так и пассивную проводящую структуру (схема электродинамического подвеса), также уложенную вдоль пути. Рассматриваемый подход позволяет применить комбинированную схему и обеспечить функционироваание электромагнитного и электродинамического вариантов подвеса в процессе движения в оптимальных режимах, перманентную левитацию на начальном этапе (электромагнитный подвес) и наиболее энергетически выгодный режим движения электродинамиского подвеса с высокими скоростями.

ABSTRACT

The paper considers the magnetic suspension of a levitation vehicle for a combined passive track structure. A scheme is considered that simultaneously contains both a ferromagnetic guide (electromagnetic suspension scheme) and a passive conductive structure (electrodynamic suspension scheme), also laid along the path. The considered approach makes it possible to apply a combined scheme and ensure the functioning of electromagnetic and electrodynamic suspension options during movement in optimal modes, permanent levitation at the initial stage (electromagnetic suspension) and the most energetically advantageous mode of movement of an electrodynamic suspension with high speeds.

Ключевые слова: магнитная левитация, транспортное средство, электродинамический подвес, электромагнитный подвес, магнитное поле, постоянные магниты

Keywords: magnetic levitation, vehicle, electrodynamic suspension, electromagnetic suspension, magnetic field, permanent magnets.

Введение

Магнитолевитационный принцип движения является бесконтактным ‑ транспортное средство (ТС) без какого-либо механического контакта с путепроводом (путевой структурой) удерживается над ним в поле гравитационных сил только с помощью пондеромоторных сил электромагнитного поля («магнитная подушка»). Обычно выделяют два типа подвесов – электродинамические и электромагнитные [1-4].

В электромагнитном подвесе (ЭМП) используется принцип активной магнитной опоры [5], суть которого заключается в установке на транспортном средстве магнитов, которые притягиваются к ферромагнитным направляющим (рельсам). Поскольку данная схема неустойчива, для стабилизации подвеса используется активная система управления, которая регулирует величину магнитной индукции в левитационном зазоре, и, следовательно, силу притяжения магнитов. Этот тип подвеса обеспечивает устойчивую левитацию транспортного средства при умеренных скоростях движения, включая левитацию в состоянии покоя.

В электродинамическом подвесе (ЭДП) левитация ТС обеспечивается электромагнитными силами, обусловленными взаимодействием токонесущих обмоток или постоянных магнитов движущегося вместе с экипажем бортового источника поля с магнитным полем вихревых токов, наводимых в пассивных проводящих путевых структурах (ПППС) этим подвижным источником. Конструктивно путевая структура может быть выполнена в виде проводящих полос или в виде короткозамкнутых катушек, уложенных в направлении движения транспортного средства. Этот вид левитации теоретически позволяет достичь весьма высоких скоростей движения и наиболее эффективен именно при высоких скоростях.

Авторы разработали и верифицировали детальные пространственные вычислительные модели систем ЭДП и ЭМП [6-12]. Используются подходы, которые получены в результате адаптации методик, алгоритмов и программного обеспечения, созданных в ходе многолетних разработок термоядерных установок с магнитным удержанием плазмы, в частности, Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР) [13-14]. Предложенные модели обеспечивают анализ, масштабирование и синтез магнитных систем ЭМП и ЭДП с требуемыми техническими параметрами.

Комбинированный путепровод

Оба вида магнитных подвесов обладают как достоинствами, так и недостатками.

В ЭМП при изготовлении ферромагнитной направляющей применяется сталь, обладающая магнитными свойствами.  В тоже время сталь представляет собой проводник. Именно поэтому движущийся источник магнитного поля создаёт переменный магнитный поток в стальной проводящей среде, что, согласно правилу Ленца, приводит к появлению вихревых токов в ферромагнитной направляющей. Вихревые токи, в свою очередь, создают магнитное поле, которое взаимодействует с источниками на экипаже. Для умеренных скоростей движения и величины сопротивления стали деградация левитационной силы сравнительно невелика, однако с ростом скорости ТС сила притяжения источников магнитного поля подвеса к феррорельсу падает, что ограничивает достижение высоких скоростей.

В ЭДП есть сложности с началом движения и движением при небольших скоростях, поскольку вихревые токи, вызывающие левитацию ТС, малы. Для достижения минимальной скорости левитации (скорости отрыва), а также на конечном участке торможения и стоянке приходится предусматривать в конструкции ТС использование колёс.

В патенте РФ [15] был предложен комбинированный путепровод, содержащий ферромагнитную направляющую и проводящую поверхность для использования как левитации с притяжением (ЭМП), так и левитации с отталкиванием (ЭДП). Кроме того, благодаря особой сборке электромагнитов (рис. 1), предусматривается попеременное использование магнитов подвеса для взаимодействия с ферромагнитной направляющей и ПППС. Эти сборки электромагнитов для системы маглев описаны в патентах [15-16] и адекватны классическим сборкам Халбаха постоянных магнитов [17].

Рисунок 1. Сборка электромагнитов в подвесе для комбинированного путепровода

Направления токов в сборках электромагнитов для комбинированного путепровода показаны на рис. 2.

Рисунок 2. Направления токов (два вида a и b) в сборке электромагнитов для комбинированного путепровода. Стрелки на (b) показывают направления магнитных моментов каждой катушки

На рис. 3 приведены кривые распределения поля с двух сторон («сверху» и «снизу» на рис. 1) от сборки на равном расстоянии для разных сборок. Видно, что магнитное поле резко несимметрично, поскольку поле с одной стороны электромагнитов (кривые под номером 1) заметно превосходит поле на другой стороне (кривые под номером 2).

Рисунок 3. Модуль магнитного поля |B| с двух сторон (кривые 1 и 2) от сборки электромагнитов из трех, шести и двенадцати электромагнитов. Магнитные моменты электромагнитов условно показаны стрелками над рисунками

Поскольку при переключении тока в катушках структура поля может существенно изменяться этот эффект можно использовать в схеме комбинированного путепровода, (см, например, рис. 4).

Рисунок 4. Схема комбинированного подвеса. Цифрами обозначены: подвес с закрепленной в нем сборкой электромагнитов (1), ферромагнитная направляющая (2), пассивная проводящая путевая структура (3)

На стоянке и при относительно небольших скоростях движения токи электромагнитов направлены так, чтобы несимметричное магнитное поле по типу рис. 3 формировалось в основном над электромагнитами. Электромагниты будут в основном притягиваться к ферромагнитной направляющей (2), а влияние вихревых токов в ПППС (3) мало. Поэтому ТС будет левитировать в режиме ЭМП.

Когда ТС разгонится до скоростей, где более предпочтителен режим ЭДП, ток во всех катушках должен сменить направление. Тогда магнитное поле будет в основном формироваться ниже сборок, а влияние ферромагнитной направляющей путепровода станет незначительным. Поле электромагнитов начнет возбуждать вихревые токи в ПППС (3), вызывающие подъемную силу, как и в стандартном режиме ЭДП.

Разумеется, что формы катушек и законы переключения токов в них могут существенно отличаться от упрощённой схемы, приведённой выше. Следует подчеркнуть, что вычислительный эксперимент на основе разработанных комплексов вычислительных программ [6-12] обеспечивает детальный расчёт распределения поля, выбор эффективных форм источников поля и разработку оптимальных сценариев переключения катушек. 

Заключение

В работе рассмотрен комбинированный путепровод, способный работать как в режиме ЭДП, так и ЭМП. Также рассмотрен подвес транспортного средства для комбинированного путепровода на основе разработанных сборок электромагнитов для работы в обоих режимах (ЭДС и ЭМП).

Данные путепровод и подвес обеспечивают стабильную и безопасную магнитную левитацию ТС над транспортным путем как в неподвижном состоянии и на малых скоростях, так и на высоких скоростях движения. Кроме того, обеспечена эффективность использования магнитного подвеса, который применяется как для левитации с притяжением к ферромагнитной направляющей, так и для левитации над пассивной проводящей путевой структурой. Благодаря этому устраняется необходимость в дополнительных источниках магнитного поля, снижается вес магнитного подвеса и расход материалов, а также повышается грузоподъемность ТС.

Список литературы:

1. Зайцев А.А., Талашкин Г.Н., Соколова Я.В. Транспорт на магнитном подвесе.  СПб.: ПГУПС, 2010. 160 с.
2. Транспорт с магнитным подвесом. / Под ред. В.И. Бочарова, В.Д. Нагорского. М.: Машиностроение, 1991. 320 с.
3. Дзензерский В.А., Омельяненко В.И., Васильев С.В., Матин В.И., Сергеев С.А. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией. Киев: Наукова думка, 2001. 480 с.
4. Ким К.К. Системы электродвижения с использованием магнитного подвеса и сверхпроводимости. Монография. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 360 с.
5. Журавлёв Ю.Н. Активные магнитные подшипники. Теория, расчёт, применение. СПб.: Политехника, 2003. 206 с.
6. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М., Белов А.В., Беляков В.А., Белякова Т.Ф., Васильев В.Н., Гапионок Е.И. , Зайцев А.А. , Капаркова М.В., Кухтин В.П., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максименкова Н.А., Михайлов В.М., Неженцев А.Н., Овсянников Д.А., Овсянников А.Д., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. // Вестник Санкт-Петербургского университета. СПб: СПбГУ, 2014. Сер. 10. Вып. 4. С. 5-15.
7. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М., Белов А.В., Беляков В.А., Белякова Т.Ф., Васильев В.Н., Гапионок Е.И., Зайцев А.А. , Капаркова М.В., Кухтин В.П., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максименкова Н.А., Михайлов В.М., Неженцев А.Н., Овсянников Д.А., Овсянников А.Д., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. // Вестник Санкт-Петербургского университета. СПб: СПбГУ, 2015. Сер. 10. Вып. 2. С. 18-32.
8. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М., Белов А.В., Беляков В.А., Белякова Т.Ф., Васильев В.Н., Гапионок Е.И., Зайцев А.А., Капаркова М.В., Кухтин В.П., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максименкова Н.А., Михайлов В.М., Неженцев А.Н., Овсянников Д.А., Овсянников А.Д., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. // Вестник Санкт-Петербургского университета. СПб: СПбГУ, 2015. Сер. 10. Вып. 3. С.4-21.
9. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М., Белов А.В., Беляков В.А., Белякова Т.Ф., Васильев В.Н., Гапионок Е.И., Зайцев А.А., Зенкевич М.Ю., Капаркова М.В., Кухтин В.П., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максименкова Н.А., Михайлов В.М., Неженцев А.Н., Овсянников Д.А., Овсянников А.Д., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Шатиль Н.А. // Вестник Санкт-Петербургского университета. СПб: СПбГУ, 2016. Сер. 11. Вып. 3. С. 4-17.
10. Amoskov V.M., Arslanova D.N., Bazarov A.M., Belov A.V., Belyakov V.A., Firsov A.A., Gapionok E.I., Kaparkova M.V., Kukhtin V.P., Lamzin E.A., Larionov M.S., Mizintzev A.V., Mikhailov V.M., Nezhentzev A.N., Ovsyannikov D.A., Ovsyannikov A.D., Rodin I.Yu., Shatil N.A., Sytchevsky S.E., Vasiliev V.N., Zenkevich M.Yu. Simulations of maglev EDS performance with detailed numerical models, Simulations of maglev EDS performance with detailed numerical models, Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2018, vol.14, iss.4, pp. 286–301. https://doi.org/10.21638/11702/spbu10.2018.402
11. V.Amoskov, D.Arslanova, G.Baranov, A.Bazarov, V.Belyakov, A.Firsov, M.Kaparkova, A.Kavin, M.Khokhlov, V.Kukhtin, V.Kuzmenkov, A.Labusov, E.Lamzin, A.Lantzetov, M.Larionov, A.Nezhentzev, D.Ovsyannikov, A.Ovsyannikov, I.Rodin, N.Shatil, S.Sytchevsky, V.Vasiliev, E.Zapretilina, Margarita Zenkevich, Modeling EMS maglev systems to develop control algorithms, Cybernetics and physics, v.2, No.1, 2012, p.3
12. Е.Н. Андреев, Д.Н. Арсланова, Е.В. Ахметзянова, А.М. Базаров, В.Н. Васильев, О.С. Васильева, М.С. Верхотуров, Е.И. Гапионок, А.А. Дёмина, С.В. Завадский, М.Ю. Зенкевич, М.В. Капаркова, В.Д. Кузьменков, А.Н. Лабусов, М.С. Ларионов, М.В. Манзук, А.В. Мизинцев, А.Н. Неженцев, Д.А. Овсянников, А.Д. Овсянников, М.В. Хохлов. Комбинированные электромагнитные подвесы с пониженным энергопотреблением для левитационного транспорта //ЖТФ, 2019
13. Глухих В.А., Беляков В.А., Минеев А.Б. Физико-технические основы термоядерного синтеза. CПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 348с.
14. Амосков В.М., Арсланова Д.Н., Базаров А.М., Баранов Г.А., Белов А.В., Беляков В.А., Белякова Т.Ф., Васильев В.Н., Гапионок Е.И., Зайцев А.А., Капаркова М.В., Кухтин В.П., Лабусов А.Н., Ламзин Е.А., Ларионов М.С., Максименкова Н.А., Михайлов В.М., Неженцев А.Н., Родин И.Ю., Сычевский С.Е., Фирсов А.А., Хохлов М.В., Шатиль Н.А. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2014. Т.37. Вып.4. С. 84 – 95.
15. Патент РФ 2573135 «Магнитный подвес транспортного средства для комбинированного путепровода»
16. Патент РФ 2566507 «Сверхпроводящее электромагнитное устройство, магнитный подвес и транспортное средство, снабженные таким устройством»
17. K. Halbach “Applications of permanent magnets in accelerators and electron storage rings”. Journal of Applied Physics, vol. 57, p. 3605, 1985