Тангенциальная магнитная подвеска (варианты)

 

Группа изобретений относится к транспортным механизмам, обеспечивающим неконтактный подвес линейно перемещаемого объекта. Подвеска включает установленный на объекте источник постоянного поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент. По первому варианту источник поля состоит из двух разнесенных по горизонтали согласно ориентированных плоских постоянных магнитов и ферромагнитной вставки между ними. Неподвижный ферромагнитный элемент представляет собой трубу круглого профиля с продольной прорезью снизу, в которую частично входит источник поля. Труба снабжена установленными по горизонтальному диаметру распорками. По второму варианту профиль ферромагнитного элемента состоит из среднего горизонтального участка и двух выступов треугольной формы по краям, а полюса источника поля обращены друг к другу и расположены с обеих сторон неподвижного профилированного ферромагнитного элемента. Изобретения позволяют снизить боковую неустойчивость подвески при одновременном повышении ее нагрузочной способности. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к транспортным механизмам, а именно к классу устройств, обеспечивающих неконтактный подвес линейно перемещаемого объекта за счет сил магнитного взаимодействия, и может быть использовано при создании систем высокоскоростного транспорта.

Важнейшим преимуществом тангенциальной магнитной подвески является гарантированная устойчивость подвижного объекта (экипажа), тогда как при использовании других технических решений вполне возможна аварийная ситуация - отказ подвески на полной скорости. Так, у системы "ТРАНСРАПИД" (Германия) существует риск отключения сети переменного тока, а у системы "МАГЛЕВ" (Япония) возможен выход из строя сверхпроводящего источника поля. Указанный риск объясняет многолетнюю задержку в массовом использовании, о чем создатели обеих конкурирующих систем тщательно умалчивают.

Известна магнитная подвеска транспортного средства, содержащая установленный вертикально на полотне дороги направляющий рельс и закрепленные с двух сторон от него на экипаже источники магнитного поля, выполненные в виде горизонтально расположенных постоянных магнитов, полярность которых чередуется по вертикали. На боковых поверхностях направляющего рельса установлены дополнительные источники магнитного поля с шагом, равным шагу расположения источников магнитного поля экипажа, причем полюса рабочих поверхностей последних и обращенных к ним рабочих поверхностей дополнительных источников разноименны (см. а.с. СССР 807557, МПК В 61 В 13/08, бюл. 43, 1987 г.).

Общий принцип действия тангенциальной магнитной подвески (ТМП) можно рассмотреть на примере устройства по а.с. 807557. Здесь имеются подвижная часть (бегунок или слайдер от англ. slide - "скользить") и неподвижная часть ("полотно" или статор). На подвижной и неподвижной частях закреплены источники поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции. Подъемная сила возникает за счет "деформации", искажения магнитного потока при малом вертикальном смещении слайдера относительно статора. Таким образом, подъемная сила действует по касательной (лат. Tangens) к поверхности магнитных полюсов - в отличие от более распространенных устройств, у которых подъемная сила развивается перпендикулярно поверхности полюсов. Отсюда и предлагаемое автором настоящего изобретения специальное название - "тангенциальная магнитная подвеска".

Главный недостаток прототипа очевиден - это наличие магнитов на неподвижной части, что экономически нерационально.

Следующий шаг - выполнение неподвижной части подвески (статора) в виде сплошной профилированной ферромагнитной полосы, что делает ТМП экономически выгодной по сравнению с другими известными техническими решениями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому (для обоих вариантов) является техническое решение под названием "Магнитная силовая система для транспортировки грузов с малыми потерями на трение" (см. патент РФ 2069156, МПК В 61 В 13/08, бюл. 32, 1996 г.). Тангенциальная магнитная подвеска линейно перемещаемого объекта, например скоростного транспортного средства, включает установленный на объекте источник постоянного поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент. В прототипе принцип ТМП реализуется за счет взаимодействия источника поля (постоянного магнита) с ферромагнитным профилем П-образной формы, внутрь которого снизу частично входит источник поля. Имеется также описание системы с несколькими магнитами (фиг.3), но форма несущего профиля является основополагающей и отражена в формуле изобретения.

Итак, в патенте 2069156 вполне ясно описан профиль "с двумя параллельными вертикальными продольными стенками", причем "поверхности полюсов магнита размещены в плоскостях, параллельных указанным стенкам". Главный недостаток прототипа становится понятным, если применить известную формулу магнитного взаимодействия: где Ф - магнитный поток сквозь параллельные полюса, S - площадь полюсов.

Из формулы следует, что для получения максимальной подъемной силы необходимо концентрировать магнитный поток. В прототипе же происходит нечто обратное - поток распределяется на площадь, большую площади полюсов магнита (это происходит из-за расхождения силовых линий по краям). При малом вертикальном смещении магнита относительно профиля поток в зазорах все равно имеет преимущественно горизонтальную направленность, а вертикальная компонента поля существует только вблизи краев профиля. Соответственно силовое взаимодействие развивается преимущественно по горизонтали и большая часть потока "не работает", не создает вертикальной подъемной силы. Далее, наличие "холостого" магнитного потока значительно усиливает боковую неустойчивость. Следует подчеркнуть - сама по себе ТМП неустойчива по горизонтали, магнит стремится к одной из стенок профиля. Для практики же важна "степень" неустойчивости, выражаемая отношением горизонтальной и вертикальной сил при равном отклонении.

Однако у прототипа при смещении магнита от центрального положения усилие в сокращающемся зазоре нарастает весьма круто, поскольку параллельные поверхности обладают высокой "магнитной проводимостью" где Z - величина воздушного зазора при Z-->0, G-->∞.

Указанный крайне нежелательный эффект называют "залипанием". При дисбалансе магнитной цепи у прототипа возникает горизонтальная сила, превосходящая вертикальную подъемную силу. В результате боковые ограничители могут испытывать давление, сравнимое с весом подвижного объекта, и никакого "легкого скольжения" не получится. Наконец, сильно выраженная боковая неустойчивость исключает возможность применения дополнительных электромагнитов с автоматическим регулированием. Если же свести боковую неустойчивость ТМП к минимуму, то "полная" магнитная подвеска будет работать практически с нулевым потреблением мощности в цепи боковых стабилизирующих электромагнитов.

Задачей создания изобретения является разработка конструкции, позволяющей предельно снизить боковую неустойчивость при одновременном повышении нагрузочной способности ТМП.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения (для 1-го варианта) и общих с прототипом, таких как тангенциальная магнитная подвеска линейно перемещаемого объекта, включающая установленный на объекте источник поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент, и отличительных, существенных признаков, таких как источник поля, состоящий из двух разнесенных по горизонтали согласно ориентированных плоских постоянных магнитов и ферромагнитной вставки между ними, а неподвижный ферромагнитный элемент представляет собой трубу с продольной прорезью снизу, в которую частично входит источник поля, при этом труба снабжена периодически расположенными по горизонтальному диаметру распорками.

Это позволяет обеспечить концентрацию магнитного потока под краями профиля и увеличить подъемную силу ТМП при одновременном снижении боковой неустойчивости.

Конструкция источника поля объясняется необходимостью разнесения полюсов при минимальном расходе дорогостоящего магнитного сплава. Работа ТМП возможна только при ширине источника поля, многократно превосходящей суммарную величину рабочих зазоров. В противном случае большая часть магнитного потока пойдет мимо профиля и подъемная сила резко уменьшится.

В пункте 2 формулы изобретения дан диапазон для главного параметра, а именно - продольной прорези в трубе соответствует центральный угол круглого профиля 100-140^o. Легко заметить, что центральный угол равен удвоенному "краевому" углу между касательной к окружности на краю прорези и горизонталью. Соответственно оптимальная величина "краевого" угла находится в пределах 50-70^o. При меньших углах снижается подъемная сила, а при больших повышается боковая неустойчивость. Из соображений удобства можно выбрать угол 60^o, хотя расчетное значение составляет 62-63^o.

Пункт 3 формулы изобретения отражает возможность оптимизации, а именно - верхняя часть профиля имеет горизонтальный участок по хорде окружности. Это позволяет несколько снизить массу погонного метра профиля, выполняемого из достаточно дорогого материала с максимальной индукцией насыщения. Механические нагрузки должны передаваться на дополнительный каркас или объемную конструкцию.

Пункт 4 формулы изобретения отражает возможность модификации, а именно - горизонтальный участок профиля выполнен из материала с меньшей индукцией насыщения и соответственно большей толщины. Это позволяет удешевить профиль, но за счет его утяжеления.

По 5-му пункту формулы изобретения поставленная задача решается с помощью признаков, общих с прототипом, таких как тангенциальная магнитная подвеска линейно перемещаемого объекта, включающая установленный на объекте источник поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент, и отличительных, существенных признаков, таких как форма профиля, состоящего из среднего горизонтального участка и двух выступов треугольной формы по краям, а полюса источника поля обращены друг к другу и расположены с обеих сторон неподвижного профилированного ферромагнитного элемента.

В пункте 6 формулы изобретения дан диапазон для главного параметра, а именно - краевой угол при основании выступа треугольной формы составляет 50-70^o. Выше уже указывалось, что данный краевой угол есть результат оптимизации по максимуму подъемной силы и минимуму боковой неустойчивости.

Пункт 7 формулы изобретения отражает возможность модификации профиля, а именно - горизонтальная часть неподвижного профилированного ферромагнитного элемента выполнена из материала с меньшей индукцией насыщения и соответственно большей толщины.

Фактически максимальной индукцией насыщения должны обладать только внешние наклонные участки профиля. Следовательно, вполне возможно сделать профиль составным, заменив всю центральную часть более дешевым материалом. Однако подобная модификация приводит к заметному утяжелению профиля.

В пункте 8 формулы изобретения отражена возможность дальнейшего совершенствования ТМП с целью сокращения массы подвижной части (слайдера), а именно - источник поля представляет собой два отдельных плоских магнита, внешние полюса которых снабжены магнитопроводами в виде идущих вниз вертикальных пластин постепенно уменьшающейся толщины, a верхние части магнитопроводов имеют форму продольных полуцилиндрических поверхностей выпуклостями наружу от неподвижного профилированного ферромагнитного элемента.

Согласно пункту 8 магнитный поток в верхней и нижней частях устройства замыкается через немагнитную среду (воздух, бетон).

Пункт 9 формулы изобретения отражает требование к пластинам, а именно - высота пластин равна ширине неподвижного ферромагнитного элемента или превосходит ее.

Требование пункта 9 означает, что магнитная проводимость нижнего дополнительного зазора превосходит магнитную проводимость двух последовательных верхних зазоров. В этом случае влиянием нижнего зазора можно пренебречь, если коэрцитивная сила магнитов велика. Пластины-магнитопроводы выполняют роль экранов, значительно снижающих величину поля в салонах экипажа (слева и справа).

Поскольку магнитный поток через пластины сверху вниз непрерывно уменьшается, для облегчения они имеют клиновидное сечение. Полуцилиндрическое профилирование верхней части магнитопроводов необходимо для снижения паразитного "потока рассеяния".

Указанные отличительные признаки (для обоих вариантов) - каждый в отдельности и все совместно - направлены на решение поставленной задачи и являются существенными. Использование перечисленных существенных отличительных признаков на известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, не является очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения (для обоих вариантов) критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Объединение двух технических решений в одну заявку вызвано тем, что оба заявленных устройства решают одну и ту же задачу создания тангенциальной магнитной подвески (ТМП) с минимальной боковой неустойчивостью при максимальной нагрузочной способности. Поставленная задача решается за счет оригинальной формы профиля ферромагнитного элемента и за счет оригинальной конструкции источника поля, которые являются равноценными для решения поставленной задачи.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА Изобретение иллюстрируется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 дан поперечный разрез ТМП по 1-му варианту в соответствии с п.1 формулы изобретения, на фиг.2 представлена конструкция источника поля по 1-му варианту, на фиг.3 дан поперечный разрез ТМП по 2-му варианту в соответствии с п.5 формулы изобретения, на фиг.4 дан поперечный разрез ТМП в соответствии с п.8 формулы изобретения, а на фиг.5 отдельно показан профиль неподвижного ферромагнитного элемента. Фиг.6 и 7 поясняют принцип действия заявленного устройства.

Тангенциальная магнитная подвеска по 1-му варианту (п.1 формулы изобретения) содержит следующие элементы: 1 - источник поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции и разнесенными полюсами, 2 - неподвижный ферромагнитный элемент в форме трубы с продольной прорезью, 3 и 4 - входящие в состав источника поля плоские постоянные магниты, 5 - ферромагнитная вставка, 6 - диаметральные распорки. Позицией 7 (штриховая линия) обозначен "укороченный" профиль, в котором верхняя часть окружности заменена хордой, например, из другого материала.

Тангенциальная магнитная подвеска по 2-му варианту (п.5 формулы изобретения) содержит следующие элементы: 8 - источник поля, "охватывающий" неподвижный ферромагнитный элемент, 9 - горизонтальная часть профиля, 10 и 11 - выступы треугольной формы, 12 и 13 - обращенные друг к другу плоскопараллельные полюса источника поля, 14 - несущая бетонная конструкция (ферма, балка). Горизонтальная часть профиля 9 может быть выполнена из дешевого материала большей толщины.

Тангенциальная магнитная подвеска в соответствии с п.8 формулы изобретения содержит следующие элементы: 9-10-11 - неподвижный ферромагнитный профиль с горизонтальным средним участком и двумя выступами (аналогично п.5), 14 - несущая бетонная конструкция (аналогично п.5), 15 и 16 - плоские постоянные магниты, 17 и 18 - магнитопроводы постепенно уменьшающейся книзу толщины, 19 и 20 - полуцилиндрические выступы в верхней части магнитопроводов 17 и 18. Позицией 21 обозначен каркас или корпус экипажа, на котором закреплены все элементы 15-20.

Устройство работает следующим образом.

Благодаря заявленным геометрическим формам элементов вдоль краев (точнее, под краями) профилей 2 и 9-10-11 создаются зоны максимальной плотности энергии магнитного поля, пропорциональной квадрату величины магнитной индукции. При выполнении условия b>>2Z индукция поля В на поверхности профиля в зоне концентрации потока приближается к значению _нас (для АРМКО-железа - 2,15 Тл, для сплава железа с кобальтом "пермендюр" - 2,4 Тл).

Соответственно на единицу поверхности профиля в зоне концентрации потока действует сила

где δS - элемент поверхности.

В частности, при В= 2 Тл и толщине профиля 7-10 мм на 1 погонный метр края профиля приходится примерно 1,2-1,5 тонн-силы. Разумеется, подобных результатов можно достичь только при использовании мощных магнитов (например, из сплава Fe-B-Nd).

В нейтральном, среднем положении источника поля противоположно направленные силы взаимно уравновешиваются, но магнитная энергия системы больше минимально возможной. При смещении источника поля по горизонтали возникает нарастающая сила, направленная в сторону уменьшающегося зазора. Крайнее положение источника поля и есть конфигурация с минимальной энергией. Чтобы понизить степень боковой неустойчивости, требуется предельно уменьшить разницу энергий между нейтральным (средним) и крайним положениями источника поля.

В заявленном устройстве результат достигается прежде всего за счет насыщения ферромагнитного материала профиля. Заметим, что для железа

где μ - относительная магнитная проницаемость.

В области линейного намагничения μ ≳ 1000, поэтому "железной" компонентой энергии поля обычно пренебрегают. Однако с приближением к насыщению μ быстро падает до сотен и даже десятков единиц. Соответственно "железная" компонента энергии поля становится сравнимой с "воздушной" компонентой за счет большего пути магнитного потока в железе. Таким образом, при дисбалансе магнитной цепи заявленного устройства материал со стороны меньшего зазора входит в насыщение и рост "железной" компоненты частично компенсирует уменьшение "воздушной" компоненты. Главное условие здесь - значительная коэрцитивная сила постоянных магнитов источника поля.

Совершенно иная картина наблюдается при смещении источника поля вниз. Если выполняется условие b>>2Z, то у магнитного потока нет другого пути, кроме ферромагнитного элемента (2 или 9-10-11). Зоны высокой плотности магнитной энергии "деформируются", поле искажается и возникает подъемная сила

Таким образом, ТМП по вертикали в целом ведет себя аналогично упругому элементу.

При использовании достаточно мощных магнитов вертикальная жесткость ТМП может достигать 500.000 Н/м в расчете на 1 погонный метр профиля.

Фиг.6 и 7 отражают "эволюцию" ферромагнитного профиля.

На фиг.6/а и 6/б показаны конфигурации с углом α=0, а на фиг.7/а и 7/б - конфигурации с углом α=90^o. Легко заметить, что фиг.7/б совпадает с основным вариантом магнитной цепи прототипа. Выше уже указывалось, что у прототипа отсутствует концентрация потока и сильно проявляется "залипание". При α=0 концентрация потока хорошо заметна, но "эпюра жесткости" симметрична относительно горизонтальной плоскости. Это нерационально, поскольку нагрузка ТМП носит односторонний характер - вес экипажа. Чтобы увеличить подъемную силу по одному направлению, необходимо отогнуть края ферромагнитного листа под определенным углом. В случае 6/б логично возникает замкнутая криволинейная поверхность (труба). В случае 6/а-7/а возникает профиль не П-образной, а трапециевидной формы. Его недостаток - значительный паразитный "поток рассеяния", идущий с приподнятой горизонтальной поверхности и создающий противодействующую подъемной силу. Для устранения "потока рассеяния" горизонтальную часть профиля следует опустить обратно на линию симметрии магнитных полюсов, в результате чего на краях образуются два выступа, желательно треугольной формы (фиг.5).

Помимо краевого угла α и "разнесения" полюсов b другие параметры также оказывают сильное влияние на свойства ТМП. В частности, достаточно критичен параметр h_пр (высота треугольного выступа).

Для привода высокоскоростных экипажей на магнитной подвеске обычно применяют различные варианты линейного электродвигателя (ЛЭД). Но главная проблемa любого ЛЭД - высокая стоимость неподвижной части (статора). Кроме того, чересчур тяжелой оказывается подвижная часть, или слайдер - примерно 1 т массы на 1 т-с тяги. Современный автомобиль массового типа разгоняется с ускорением 3 м/с², т.е. сила тяги достигает 30% от веса автомобиля. Если добиваться такого же ускорения за счет ЛЭД, то масса слайдера составит до 30% от массы экипажа. При меньших ускорениях разгонный участок пути оказывается слишком протяженным. Так, при ускорении 1 м/с² скорости 100 м/с можно достичь на пути более 5 км. Однако самым важным является режим торможения. Даже если экипаж движется по эстакаде и опасность столкновения с другими транспортными средствами ему не угрожает, слишком длинный тормозной путь создает значительные неудобства.

ЛЭД любой системы просто не в состоянии обеспечить эффективного торможения и поэтому скоростной экипаж должен сохранять сцепление с "полотном". Но при наличии магнитной подвески сцепление может быть регулируемым. Максимальное сцепление необходимо кратковременно - при разгоне и особенно при торможении. Равномерное движение экипажа требует лишь сравнительно небольших затрат энергии на преодоление сопротивления воздуха. У обычных транспортных средств главной причиной трения является отнюдь не воздух, а пара "колесо-дорога" (рельсовый поезд - тяга 5% веса, автомобиль - до 15% от его веса).

Формула изобретения

1. Тангенциальная магнитная подвеска линейно перемещаемого объекта, например высокоскоростного транспортного средства, включающая установленный на объекте источник постоянного поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент, отличающаяся тем, что источник поля состоит из двух разнесенных по горизонтали согласно ориентированных плоских постоянных магнитов и ферромагнитной вставки между ними, а неподвижный ферромагнитный элемент представляет собой трубу круглого профиля с продольной прорезью снизу, в которую частично входит источник поля, при этом труба снабжена периодически установленными по горизонтальному диаметру распорками.

2. Подвеска по п.1, отличающаяся тем, что продольной прорези в трубе соответствует центральный угол круглого профиля 100-140^o.

3. Подвеска по п.1 или 2, отличающаяся тем, что верхняя часть профиля имеет горизонтальный участок по хорде окружности.

4. Подвеска по п.3, отличающаяся тем, что горизонтальный участок профиля выполнен из материала с меньшей индукцией насыщения и соответственно большей толщины.

5. Тангенциальная магнитная подвеска линейно перемещаемого объекта, например высокоскоростного транспортного средства, включающая установленный на объекте источник постоянного поля с горизонтальной ориентацией вектора магнитной индукции, а также неподвижный профилированный ферромагнитный элемент, отличающаяся тем, что профиль ферромагнитного элемента состоит из среднего горизонтального участка и двух выступов треугольной формы по краям, а полюса источника поля обращены друг к другу и расположены с обеих сторон неподвижного профилированного ферромагнитного элемента.

6. Подвеска по п.5, отличающаяся тем, что краевой угол при основании выступа треугольной формы составляет 50-70^o.

7. Подвеска по п.5 или 6, отличающаяся тем, что горизонтальная часть неподвижного профилированного ферромагнитного элемента выполнена из материала с меньшей индукцией насыщения и соответственно большей толщины.

8. Подвеска по любому из пп.5-7, отличающаяся тем, что источник поля представляет собой два отдельных плоских магнита, внешние полюса которых снабжены магнитопроводами в виде идущих вниз вертикальных пластин постепенно уменьшающейся толщины, а верхние части магнитопроводов имеют форму продольных полуцилиндрических поверхностей выпуклостями наружу от неподвижного профилированного ферромагнитного элемента.

9. Подвеска по п.8, отличающаяся тем, что высота пластин равна ширине неподвижного профилированного ферромагнитного элемента или превосходит ее.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7