ГИБРИДНЫЙ МАГНИТ БЕЗ ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ МАГЛЕВ
HYBRID MAGNET WITHOUT SCATTERING FIELDS FOR THE MAGLEV SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к магнитным устройствам, в том числе к устройству магнитного подвеса левитационных транспортных средств.
Уровень техники
Для перевозки людей или грузов с применением магнитной левитации предложено несколько типов подвесов, при которых транспортное средство без механического контакта с путепроводом (путевой структурой) удерживается с помощью пондеромоторных сил («магнитная подушка»), генерируемых электромагнитами или постоянными магнитами. Тяговый линейный двигатель может разгонять транспортное средство на магнитном подвесе до скоростей, существенно превышающих скорости движения обычного транспорта.
Рассматривается тип магнитного подвеса для магнитолевитационного транспортного средства (ТС), классифицируемый как электромагнитный подвес (ЭМП). Принцип работы ЭМП основан на притягивании электромагнита (ЭМ) или постоянного магнита (ПМ) к ферромагнетикам. В ЭМП транспортного средства ЭМ и ПМ притягиваются к ферромагнитной направляющей, расположенной на путевой структуре. При этом между ферромагнитной направляющей и магнитами ЭМП удерживается левитационный зазор. При левитации вес ТС уравновешен магнитной силой ЭМП, величина которой определяется соответствующим значением рабочего тока в ЭМ при выбранной величине левитационного (воздушного) зазора. Такое равновесие принципиально неустойчиво и для его сохранения требуется постоянный контроль величины левитационного зазора, стабилизация которого обеспечивается с помощью активной вариации величины рабочего тока ЭМ относительно его среднего значения по специальному алгоритму.
Прохождение рабочего тока по проводнику электромагнита сопровождается выделением тепла, т.е. требует энергозатрат и охлаждения. Эти затраты растут с увеличением рабочего тока ЭМ, т.е. с увеличением подъёмной силы ЭМП. Для снижения энергопотребления (повышения энергоэффективности) обычного ЭМП (только ЭМ) применяют комбинированный электромагнитный подвес (КЭМП), в котором дополнительно к ЭМ устанавливают ПМ. При сохранении веса ТС на исходном уровне сила притяжения ПМ к ферромагнитной направляющей путепровода позволяет на соответствующую величину уменьшить силу притяжения генерируемую ЭМ (т.е. снизить величину рабочего тока ЭМ), уменьшив тем самым энергопотребление ЭМ. В случае сохранения силы притяжения ЭМ (сохраняя прежним ток в ЭМ) применение ПМ позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить вес ТС. Изменение веса ТС при сохранении величины левитационного зазора можно компенсировать изменением величины силы притяжения ПМ к ферромагнитной направляющей, как например, в патенте комбинированного ЭМП RU2611858. Для стабилизации левитационного зазора в патенте RU2611858 используется пара ЭМ, располагаемых снизу и сверху ферромагнитной направляющей.
ЭМП в обычном (только ЭМ) и комбинированном (ЭМ и ПМ) исполнении обеспечивает выполнение двух функций: (1) собственно подвешивание, т.е. создание магнитной силы притяжения к ферромагнитной направляющей, уравновешивающей при заданном воздушном зазоре вес ТС (путём задания определённой величины рабочего тока в ЭМ), и (2) активная стабилизация величины зазора. Обе функции выполняются с помощью управления величиной рабочего тока в ЭМ по специальному алгоритму. Управление ведётся таким образом, что среднее значение управляющего тока при выбранном рабочем зазоре обеспечивает величину подвешивающей силы ЭМП равной весу ТС, а соответствующие малые аддитивные вариации управляющего тока (относительно среднего значения) обеспечивают стабильность величины зазора.
Величина среднего значения тока в обычном ЭМП значительно больше (на 1-2 порядка величины) средней амплитуды вариации тока. Именно величина среднего значения тока и определяет высокое энергопотребление обычного ЭМП. В комбинированном ЭМП (например, в RU2611858), левитация может быть осуществлена при среднем значении тока сопоставимом по величине со средней амплитудой вариации тока, т.е. при значительно меньшем энергопотреблении.
Более 20 лет назад были предложены схемы электромагнитов, в магнитную цепь которых разными способами вставлялись ПМ. Такие магниты получили название гибридных электромагнитов (ГЭМ) или гибридных магнитов, а соответствующие подвесы – гибридных ЭМП (ГЭМП). В применении ГЭМП для транспортных средств можно ожидать получение ряда существенных потребительских преимуществ перед КЭМП, таких как компактность (лучшие весогабаритные характеристики), более низкое энергопотребление и др. Кроме этого, в сравнение с традиционными электромагнитными подвесами, гибридные электромагнитные подвесы оказались меньше и легче.
Неплохими потребительскими свойствами обладает конструкция гибридного магнита с компоновкой магнитопровода, ЭМ и ПМ, описанная в публикации Safaei, Suratgar, Afshar, and Mirsalim, 2015. F. Safaei, A.A. Suratgar, A. Afshar, and M. Mirsalim. Characteristics Optimization of the Maglev Train Hybrid Suspension System Using Genetic Algorithm. Energy Conversion, IEEE Transactions on, PP(99), 1_8, 2015, и представляющая собой двухполюсный ГЭМ.
Авторы данной конструкции предложили физически обоснованное решение конфигурации ЭМ и ПМ, встроенных в общую магнитную цепь для получения максимальной силы при минимальном расходе магнитного материала и с возможностью эффективного управления величиной силы. По итогам выполненной нами оптимизации такой конструкции, получена типовая конфигурация с ПМ, толщина которого сопоставима с величиной воздушного зазора, а площадь поверхности значительно превышает площадь полюса.
К недостаткам конфигурации, описанной в указанной статье, следует отнести:
- Значительный уровень магнитной индукции вне рабочей области (область воздушного зазора, образованного поверхностью ферромагнитных полюсов ГЭМ и ферро-магнитной направляющей). Это представляет серьёзную угрозу с точки зрения возможности налипания посторонних магнитных предметов и усложняет техническое обслуживание;
- Большие поля рассеяния в окружающем пространстве в отсутствие ферро-магнитной направляющей, что выдвигает специальные требования при их хранении;
- Низкую эффективность использования материала постоянных магнитов для генерирования силы притяжения к ферромагнитной направляющей (низкие удельные характеристики, такие, например, как отношение силы притяжения к весу ПМ или всего ГЭМ).
Раскрытие изобретения
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в устранении упомянутых выше недостатков.
Задача изобретения решается с помощью гибридного магнита, включающего в себя постоянные магниты, электромагнитную катушку и магнитопровод, имеющий три полюса. Два постоянных магнита примыкают с двух сторон к среднему полюсу магнитопровода под углом от 1° до 45° относительно направления среднего полюса. Их векторы намагниченности ориентированы встречно. Электромагнитная катушка охватывает средний полюс магнитопровода с постоянными магнитами и располагается в пазах между средним и крайними полюсами. Крайние полюса соединены перемычкой, отделенной от сходящихся концов постоянных магнитов зазором.
По меньшей мере, один полюс магнитопровода может содержать дополнительный постоянный магнит, направление вектора намагниченности которого согласовано с направлением постоянных магнитов, примыкающих к среднему полюсу магнитопровода. Гибридный магнит может содержать дополнительные электромагнитные катушки на крайних полюсах и охватывающие их. Магнитопровод может быть симметричным относительно среднего полюса. Высота полюсов магнитопровода больше высоты постоянных магнитов и электромагнитной катушки. Постоянные магниты установлены встречно под углом относительно направления среднего полюса магнитопровода. В частных вариантах постоянные магниты могут быть установлены под углом от 1° до 45° или от 1° до 40° или от 1° до 30° относительно направления среднего полюса магнитопровода. Постоянные магниты преимущественно установлены встречно с двух сторон от среднего полюса магнитопровода под углом друг к другу от 2° до 90° от 5° до 80° или от 10° до 60°.
Задача изобретения также решается с помощью транспортного средства, предназначенного для перемещения по путепроводу с ферромагнитной направляющей, имеющего магнитный подвес с использованием гибридного магнита по любому из вышеописанных вариантов.
Техническим результатом настоящего изобретение является создание эффективного гибридного электромагнита для ЭМП, обеспечивающего левитацию с «нулевым энергопотреблением», который в сравнении с обычным ЭМ является более компактным и легким (т.е. с меньшими габаритами/весом) при обеспечении той же величины магнитного поля (подъемной силы) в левитационном зазоре, либо может создавать магнитное поле большей величины при сохранении тех же габаритов/веса, что является другим вариантом проявления того же самого технического результата. Определяя указанный технический результат другими словами, можно сказать, что он заключается в повышении удельной силы гибридного электромагнита, т.е. отношению подъемной силы к весу гибридного электромагнита при фиксированном зазоре.
Достижение технического результата происходит за счет лучшей концентрации в левитационном зазоре магнитного потока, генерируемого ПМ в ГЭМ с такой (Ш-образной) конфигурацией. При этом значительно снижается уровень полей рассеяния и уменьшается вдвое количество и, соответственно, вес электромагнитных катушек.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид компактного гибридного электромагнита в соответствии с настоящим изобретением в разрезе.
На фиг. 2 показано взаиморасположение постоянных магнитов и среднего полюса.
Осуществление изобретения
Далее изобретение описывается со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых изображен предпочтительный вариант реализации изобретения. Последующее описание и рисунки не предназначены для ограничения объема охраны, который определяется формулой изобретения, а даны с целью упрощения понимания сущности изобретения и возможных вариантов его осуществления, которые не исчерпываются представленными на фигурах и в описании. Изобретение далее описано по отношению к компактному гибридному магниту для системы маглев, то есть для транспортного средства, предназначенного для перемещения по путепроводу с ферромагнитными направляющими и имеющего магнитный подвес с использованием гибридного магнита, но не ограничивается этим назначением и может быть использовано по отношению к любым применениям магнитных устройств.
Описание изобретения дано для гибридного магнита в ориентации, показанной на фигурах, в соответствии с которой основания полюсов магнитопровода (прилегающие на фиг. 1 к ярмам) расположены снизу, а рабочие поверхности полюсов сверху. Однако такое расположение не ограничивает объем охраны изобретения и дано лишь в целях упрощения пояснения. В общем случае, определяемом формулой изобретения, ориентация компактного магнита не является однозначно заданной и может меняться. В соответствии с изменением ориентации магнита изменяется и расположение его частей в пространстве.
На фиг. 1 в разрезе показан гибридный магнит (гибридный электромагнит), содержащий сборный магнитопровод. Магнитопровод содержит следующие элементы: средний полюс 1, ярма 2 и два крайних полюса 3. Кроме магнитопровода гибридный электромагнит содержит постоянные магниты 4 и 5 и электромагнитную катушку 6. Показанный гибридный электромагнит предназначен преимущественно для применения в ЭМП транспортной системе МАГЛЕВ, для чего он располагается под ферромагнитной направляющей (рельсом) 10. Рабочие плоскости полюсов (верхние свободные концы) обращены к ферромагнитной направляющей, а их основания (то есть нижние концы) соединены с ярмом. При левитации между плоскостями полюсов и ферромагнитной направляющей обеспечивается равновесный зазор, при котором вес транспортного средства уравновешивается только пондеромоторными силами ПМ. При этом рабочий ток электромагнита активно варьируется вблизи нулевого значения, обеспечивая стабилизацию величины равновесного зазора.
Данная схема может быть представлена как объединение двух двухполюсных ГЭМ в трёхполюсную схему с тем же зазором, что и в прототипе. Отметим два новых положительных свойства, проявляющиеся у такого трёхполюсного ГЭМ: (1) увеличение средней плотности магнитного потока в зазоре среднего полюса нового ГЭМ по сравнению с двумя исходными ГЭМ, приводящее к увеличению силы притяжения к направляющей более чем в 2 раза при том, что масса трехполюсной ГЭМ меньше массы двух двухполюсных ГЭМ (число катушек не удваивается при объединении двух двухполюсных ГЭМ в трехполюсную схему, т.к. остается по-прежнему одна катушка, но расположенная не вертикально, а горизонтально, а кроме того, масса магнитопровода несколько меньше за счет более оптимального расположения полюсов); (2) встречное включение векторов намагниченности двух ПМ в ГЭМ приводит к более быстрому спаду полей рассеяния при удалении от ГЭМ, существенно улучшая тем самым электромагнитную совместимость.
Сборный магнитопровод настоящего гибридного электромагнита содержит средний клиновидный полюс 1 и крайние полюса 3, соединенные ярмами 2 с клиновидными вставками 7, причем между вставками 7 и средним полюсом 1 размещены постоянные магниты 4 и 5. Постоянные магниты 4 и 5 вместе с клиновидными вставками 7 и средним полюсом 1 формируют центральную часть «Ш-образного» (E-shaped) магнитопровода, если применить такую аналогию с классическим определением Ш-образного магнитопровода. Постоянные магниты 4 и 5 установлены по намагниченности встречно с обеих сторон среднего клиновидного полюса 1 магнитопровода под углом от 1° до 45° к среднему полюсу (соответственно, от 2° до 90° относительно друг друга). Такое взаимное расположение постоянных магнитов 4 и 5, ярм 2 с клиновидными вставками 7 и среднего полюса 1 обеспечивает максимальную концентрацию магнитного потока, генерируемого постоянными магнитами 4 и 5, в полюсах Ш-образного магнита и, как следствие, в левитационном зазоре. Это позволяет увеличить эффективность (удельную силу) гибридного магнита, то есть создать более высокий уровень магнитного поля в воздушном зазоре при меньших размерах и весе по сравнению с прототипом.
Величина магнитного момента  постоянных магнитов (произведение удельной намагниченности на объем магнита) определяет усилие, создаваемое гибридным магнитом, при желаемой величине воздушного зазора. В общем случае вектор магнитного момента есть сумма трех компонент , где ось X направлена в продольном направлении (по направлению движения, перпендикулярно к плоскости фигур), ось Y – в поперечном к направлению движения (горизонтальное направление на фигурах) и ось Z – в вертикальном. Здесь и далее направления указаны на примере реализации гибридного магнита, изображенного на фиг. 1. Компонента в направлении движения  в предпочтительном варианте отсутствует. Встречная установка постоянных магнитов 4 и 5 означает, что поперечные к движению (горизонтальные на фигурах) компоненты их векторов магнитного момента противоположно направлены.
В соответствии с фиг. 2, угол наклона  магнита 4 или угол наклона  магнита 5 определяется как угол наклона средней плоскости (или обращенной к другому магниту грани, или плоскости, перпендикулярной вектору магнитного момента  или ), отсчитываемый от оси или плоскости, проходящей через средний полюс 1. Например, это может быть вертикальная ось или плоскость. Угол  между магнитами 4 и 5 равен сумме углов наклона +. Благодаря такому наклонному положению магнитов 4 и 5, их нижние концы сходятся, а верхние концы отклонены от среднего полюса (т.е. от вертикального направления на фигурах) на углы от 1° до 45°.
Средний полюс 1, размещенный между магнитами 4 и 5, имеет форму, по крайней мере, частично, треугольной призмы. Такое взаимное расположение обеспечивает эффективный сбор магнитного потока от постоянных магнитов в среднем полюсе магнитопровода и, как следствие, - в воздушном зазоре с ферромагнитной направляющей, что позволяет повысить эффективность (удельную силу) гибридного магнита, то есть создать более сильное магнитное поле в воздушном зазоре при уменьшенных размерах и весе.
В некоторых вариантах сборный («Ш-образный») магнитопровод может не содержать ярм, которые оказываются полностью замещенными постоянными магнитами, непосредственно соединяющими соответствующие концы крайних полюсов с концом среднего полюса. Кроме того, магнитопровод может содержать дополнительные ярма, соединяющие постоянные магниты со средним полюсом. Магнитопровод предпочтительно является симметричным относительно среднего полюса, а полюсы магнитопровода предпочтительно расположены параллельно друг другу. Кроме того, рабочие поверхности полюсов магнитопровода преимущественно лежат в одной плоскости.
Для обеспечения механической целостности конструкции Ш-образного гибридного магнита его ярма 2 соединены перемычкой 9 из того же материала, что и магнитопровод. Для устранения рассеяния магнитного потока, генерируемого постоянными магнитами 4 и 5 на перемычке 9 около их сходящихся концов, и максимальной концентрации магнитного потока в полюса, предусмотрена полость 8, заполненная немагнитным материалом или воздухом.
Магнитопровод в рассматриваемой конфигурации объединяет магнитные потоки, создаваемых постоянными магнитами и электромагнитной катушкой, и концентрирует его в зазорах между полюсами 1, 3 магнитопровода гибридного магнита и ферромагнитной направляющей 10. При этом объединение магнитных потоков имеет векторный характер – потоки могут складываться или вычитаться в зависимости от знака тока в катушке.
Конфигурация гибридного магнита, состоящего из ярм 2 с клиновидными вставками 7, полюсов 1, 3, постоянных магнитов 4, 5 и электромагнитной катушки 6, обеспечивает более эффективное направление магнитного потока в зазоре, и, как следствие, увеличение силы притяжения при общем снижении веса по сравнению с прототипами.
Благодаря лучшему потокосцеплению среднего полюса с ферромагнитной направляющей подъемная сила, при том же объеме постоянных магнитов и той же суммарной площади полюсов, будет выше, чем в прототипе. При этом толщина ферромагнитной направляющей по сравнению с прототипом уменьшается вдвое, в то время как её ширина увеличивается на 20-30%, что приводит к существенному удешевлению путепровода.
Постоянные магниты 4 и 5 предпочтительно имеют одинаковые размеры, одинаково отклонены от среднего полюса, т.е. создают преимущественно одинаковые магнитные поля. Однако векторы намагниченностей у этих магнитов ориентированы встречно, что отражено в том, что постоянные магниты на фигурах имеют разные номера позиций 4 и 5.
Высота полюсов 1, 3 магнитопровода должна быть больше высоты постоянных магнитов и электромагнитной катушки. При таких соотношениях размеров рабочие плоскости полюсов магнитопровода будут выступать над постоянными магнитами и электромагнитной катушкой, а постоянные магниты и электромагнитная катушка будут отделены от ферромагнитной направляющей зазором большей величины, чем левитационный зазор.
В некоторых вариантах реализации в одном или нескольких полюсах и/или в основании (ярмах, перемычке) магнитопровода могут быть установлены дополнительные постоянные магниты, ориентация которого согласовано с ориентацией постоянных магнитов около среднего полюса магнитопровода (с учетом геометрической формы магнитопровода, изменяющей направление магнитного поля). Ориентация дополнительных магнитов определяется по отношению к направлению магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 4 и 5 в среднем полюсе 1 магнитопровода. Применение дополнительных постоянных магнитов позволяет дополнительно увеличить удельную мощность гибридного магнита, так как при замене части магнитопровода постоянными магнитами масса не изменится, а сила формируемого в зазоре между магнитопроводом и путепроводом магнитного поля увеличивается. Дополнительные постоянные магниты предпочтительно устанавливаются симметрично относительно среднего полюса для реализации максимального увеличения полезного (т.е. направляемого в зазор) магнитного поля.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации гибридный магнит может содержать дополнительные электромагнитные катушки, охватывающие крайние полюсы магнитопровода. Это дополнительно увеличивает переменную составляющую магнитного поля без увеличения высоты гибридного магнита.
Транспортное средство, в подвесах которого установлены гибридные электромагниты, левитирует над путевой структурой при равновесном зазоре только за счёт силы генерируемой постоянными магнитами, обеспечивая тем самым левитацию без энергозатрат.
Постоянные магниты 4 и 5 установлены с двух сторон от среднего полюса 1 магнитопровода таким образом, что их векторы намагниченности направлены встречно. На фиг. 1 показано, что магниты 4 и 5 повернуты друг к другу северными полюсами N, но могут быть обращены и южными полюсами. Магнитные потоки от обоих магнитов объединяются в среднем полюсе 1 и, пройдя через воздушный зазор среднего полюса в ферромагнитную направляющую 10 путевой структуры, вновь разделяется на два потока, каждый из которых замыкается через соответствующий воздушный зазор и крайний полюс магнитопровода с южным полюсом S соответствующего постоянного магнита.
Благодаря встречной по намагниченности установке постоянных магнитов обеспечивается уменьшение полей рассеяния. Благодаря эффективному расположению электромагнитной катушки снижен вес гибридного электромагнита.
Гибридные электромагнитные подвесы (ГЭМП) позволяют левитировать транспортному средству практически без потребления энергии.
Воздушный зазор, при котором левитационная сила, создаваемая электромагнитным подвесом транспортного средства, равна весу транспортного средства определяется как равновесный левитационный зазор, а соответствующее положение подвеса – как равновесное положение.
Величина управляющего тока в ГЭМП при левитации транспортного средства находится вблизи нуля с малой амплитудой вариаций, определяемой степенью отклонения от равновесного положения. Существенно отличные от нуля импульсы тока, в соответствии с алгоритмом управления, будут кратковременно подаваться в катушку ГЭМП только при «взлёте» и «посадке» транспортного средства (ТС), а также в случаях либо быстрого изменения веса ТС (погрузка или разгрузка), либо резкого изменения (скачка) величины зазора (например, в местах стыка направляющих), вследствие чего величина зазора изменится и примет новое равновесное значение.
Сильные постоянные магниты на основе редкоземельных элементов (NdFeB) используются для обеспечения левитации, а электромагниты - для стабилизации левитационного зазора. Сила, создаваемая ПМ, уравновешивает вес ТС при некоторой равновесной величине воздушного зазора, что обеспечивает левитацию ТС при минимальном электропотреблении. При изменении веса ТС, вследствие погрузки или разгрузки, воздушный зазор между полюсами гибридного магнита и ферромагнитной направляющей («рельсом») будет изменяться в сторону равенства его с равновесным зазором в данный момент. Поддержание и стабилизацию равновесного воздушного зазора обеспечивает активно управляемый ЭМ, в то время как уравновешивание веса по-прежнему обеспечивает сила, создаваемая ПМ.
Величина магнитного потока, который создаётся постоянными магнитами предлагаемого гибридного магнита в воздушном зазоре между полюсами магнита и ферромагнитной направляющей, определяет силу, с которой он притягивается к ферромагнитной направляющей. Сила притяжения при этом зависит от величины воздушного зазора.
Электромагнитная катушка необходима для стабилизации равновесного левитационного зазора между полюсами гибридного электромагнита и ферромагнитной направляющей при всех режимах движения транспортного средства, включая возможные внешние кратковременные воздействия на движущееся транспортное средство (например, неровности направляющей, порывы ветра, атмосферные осадки, перемещения груза или пассажиров).
Стабилизация равновесного зазора обеспечивается изменением управляющего тока в электромагнитной катушке по специальному алгоритму, изменяющему величину и направление тока. Поскольку система находится в положении неустойчивого равновесия, управляющий ток в электромагнитной катушке постоянно варьируется около нулевых значений, что обеспечивает минимальное энергопотребление (левитацию с так называемым «нулевым энергопотреблением»).
Электромагнитная катушка 6 расположена между крайними полюсами 3 магнитопровода, охватывая средний полюс 1 магнитопровода и постоянные магниты 4 и 5 с клиновидными вставками 7. При более точном описании расположения можно сказать, что электромагнитная катушка 6 расположена между крайними полюсами 3 и вставками 7 магнитопровода и охватывает вставки 7 магнитопровода и постоянные магниты 4 и 5 – это описание не противоречит описанию в предыдущем предложении, так как и средний полюс 1, и вставки 7 магнитопровода, и постоянные магниты 4 и 5 расположены внутри электромагнитной катушки.
Вследствие вышеописанного расположения электромагнитная катушка 6 формирует магнитное поле в среднем полюсе так, что вектор его намагниченности расположен вдоль среднего полюса и вдоль оси катушки (на фиг. 1 – вдоль вертикального направления).
Охват электромагнитной катушкой постоянных магнитов 4 и 5 обеспечивает уменьшение размеров гибридного магнита, так как постоянные магниты и катушка расположены в одной плоскости. Кроме того, расположение постоянных магнитов внутри электромагнитной катушки уменьшает поля рассеяния и позволяет без потерь направить магнитное поле от постоянных магнитов в зазор между средним полюсом и магнитопроводом, что повышает удельную силу гибридного магнита, которую можно определить как величину формируемого магнитного поля по отношению к его массе. Это позволяет применять в качестве элементов, создающих постоянное магнитное поле, мощные постоянные магниты, что обеспечивает повышенную грузоподъемность левитирующего транспортного средства с таким гибридным магнитом.
Катушка 6 может охватывать постоянные магниты полностью, как показано на фиг. 1 (то есть когда постоянные магниты находятся внутри внутреннего контура витков катушки), или частично, когда часть постоянных магнитов находится внутри наименьшего контура витков катушки, а часть постоянных магнитов выходит за контур витков – например, если ярма 2 выполнены в виде постоянных магнитов, соединенных с постоянными магнитами 4 и 5, соответственно (с учетом согласования направлений намагниченности), или если постоянные магниты имеют форму, включающую в себя и ярма 2, проходящие снизу катушки.
На фиг. 1 электромагнитная катушка 6 отображена двумя сечениями, в которых ток течёт в противоположных направлениях. На фиг. 1, к примеру, показано, что в левом сечении ток протекает от наблюдателя, а в правом - по направлению к наблюдателю. Направления токов могут быть и обратными. В зависимости от направления тока в катушке генерируемый ею магнитный поток либо складывается с магнитным потоком постоянных магнитов, либо вычитается. Соответственно увеличивается или уменьшается величина пондеромоторной силы, притягивающей полюса гибридного магнита к ферромагнитной направляющей. Величина и направление тока в катушке зависит от текущих условий и определяется алгоритмом управления.
Применение мощных высококоэрцитивных постоянных магнитов, создающих сильное постоянное магнитное поле, позволяет обеспечить повышенную грузоподъемность левитирующего транспортного средства с такими гибридными электромагнитами при минимальном энергопотреблении.
Благодаря горизонтальному расположению электромагнитной катушки в соответствии с изобретением, показанному на фиг. 1, требуется всего одна катушка для обеспечения левитации с «нулевым энергопотреблением», что снижает вес гибридного магнита по сравнению с вариантами с другим количеством электромагнитных катушек. Кроме того, расположение катушки между полюсами магнитопровода уменьшает поля рассеяния, поскольку все поле, создаваемое катушкой, захватывается полюсами 1, 3 магнитопровода, ярмами 2 и вставками 7 магнитопровода и путепроводом 10, которые вместе окружают катушку со всех сторон. Это снижает потери и увеличивает полезное магнитное поле, создаваемое током одной и той же величины. Благодаря этому дополнительно увеличивается удельная мощность гибридного магнита, в том числе и по отношению к переменной составляющей магнитного поля, необходимой для обеспечения левитации с «нулевым энергопотреблением».
В некоторых вариантах реализации в одном или нескольких полюсах и/или в ярме Ш-образного магнитопровода могут быть установлены дополнительные постоянные магниты, ориентация (направление векторов намагниченности) которых согласована с ориентацией (направлением) постоянных магнитов примыкающих к среднему полюсу магнитопровода (с учетом геометрии магнитопровода, изменяющей направление магнитного поля). Ориентация (т.е. направление вектора намагниченности) дополнительных магнитов определяется по отношению к направлению магнитного поля (т.е. направлению вектора намагниченности), создаваемого постоянными магнитами 4 и 5 у среднего полюса 1 магнитопровода. Применение дополнительных постоянных магнитов позволяет увеличить удельную силу гибридного электромагнита, так как при замене части магнитопровода постоянными магнитами масса не изменится, а сила магнитного поля, формируемого в зазоре между полюсами магнита и ферромагнитной направляющей, - увеличивается. Постоянные магниты предпочтительно устанавливаются симметрично относительно среднего полюса для реализации максимального увеличения магнитного поля в зазоре. Дополнительные постоянные магниты могут также устанавливаться несимметрично или иметь разную величину намагниченности для долговременной компенсации наклона (крена) гибридного электромагнита относительно ферромагнитной направляющей.
Кроме того, в некоторых вариантах реализации гибридный электромагнит может содержать дополнительные электромагнитные катушки, охватывающие крайние полюса магнитопровода. Это дополнительно увеличивает переменную составляющую магнитного поля без увеличения высоты гибридного электромагнита. В дополнительные катушки может подаваться различный ток для создания углового момента в целях компенсации наклона гибридного электромагнита относительно ферромагнитной направляющей.
Гибридный магнит может также называться компактным гибридным электромагнитом, гибридным электромагнитом или компактным гибридным магнитом, магнитным устройством или компактным магнитным устройством. Каждое из этих наименований может дополняться характеристикой «универсальный» или указывающей на определенное назначение. В основном гибридный электромагнит по настоящему изобретению предназначен для применения в транспортной системе маглев, то есть в транспортном средстве, например поезде, перемещающемся вдоль путепровода с ферромагнитными направляющими с применением магнитной левитации, обеспечиваемой гибридными электромагнитами. В то же время гибридный электромагнит по настоящему изобретению может применяться и в других системах, устройствах и изделиях, в том числе имеющих другие предназначения.
Все указанные в описании технические результаты, в том числе дополнительные, достигаются с помощью гибридного электромагнита в соответствии с настоящим изобретением одновременно и неразрывно друг от друга. Представленный на сопровождающих фигурах вариант осуществления, а также детально описанные дополнительные варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности изобретения и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны изобретения, определяемый последующей формулой изобретения. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия и достижение заявленных технических результатов. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.