Сверхпроводящий магнитный подвес для сильно нагруженных механизмов поступательных перемещений

Предлагаемое техническое решение относится к области бесконтактных магнитных подвесов механизмов поступательных перемещений на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), в том числе для транспорта на магнитных подвесах.
Наиболее близким аналогом (прототипом) технического решения является сверхпроводящий магнитный подвес для транспорта (J.S. Wang; S.Y. Wang; С.Y. Deng; Y.W. Zeng; H.H. Song; Jun Zheng; Xinzhi Wang; H.Y. Huang; Fu Li Design consideration of a high temperature superconductor Maglev vehicle system. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Year: 2005, Volume: 15, Issue: 2, Pages: 2273 - 2276, DOI: 10.1109/TASC.2005.849629). Он содержит трубу, на внутренней поверхности которой по всей ее длине закреплены постоянные магниты. Труба охватывает собой перемещаемый объект, на нижней по направлению действия силы тяжести части которого расположены ВТСП элементы, выполненные из объемного высокотемпературного сверхпроводника и заключенные в устройство криостатирования с вакуумной тепловой изоляцией. Устойчивость системы достигается за счет силового взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с индуцируемыми токами в ВТСП элементах при их взаимном смещении в радиальном или азимутальном направлении.
Недостатком прототипа является низкая жесткость в плоскости, перпендикулярной оси трубы и при вращении вокруг оси трубы.
Указанные недостатки прототипа ограничивают применение в сильно нагруженных механизмах поступательного перемещения и в высокоскоростном транспорте.
Технической задачей является увеличение жесткости сверхпроводящего магнитного подвеса в плоскости, перпендикулярной направлению движения и при вращении вокруг оси.
Технический эффект, возникающий при реализации поставленной технической задачи, состоит в обеспечении возможности осуществлять перемещение сильно нагруженных объектов по более сложным траекториям с широким диапазоном линейных и угловых ускорений и достигается тем, что в известном сверхпроводящем магнитном подвесе для сильно нагруженных механизмов поступательных перемещений, содержащем трубу, постоянные магниты в форме двух параллельных рельсов, закрепленных на внутренней поверхности трубы, элементы из объемного высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП элементы) в форме двух полос, закрепленных на перемещаемом объекте и систему криостатирования с вакуумной теплоизоляцией, согласно полезной модели элементы из объемного высокотемпературного сверхпроводника выполнены в виде кольца, расположенного по внешнему периметру перемещаемого объекта, постоянные магниты закреплены по всему периметру внутренней поверхности трубы и образуют многополюсную систему в азимутальном направлении.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого сверхпроводящего магнитного подвеса для сильно нагруженных механизмов поступательных перемещений.
На фиг. 2 изображена расчетная зависимость радиальной силы от радиального смещения перемещаемого объекта с одним ВТСП кольцом.
На фиг. 3 изображена расчетная зависимость момента по оси движения от угла поворота.
Устройство содержит трубу 1, на внутренней поверхности которой закреплены постоянные магниты 2, образующие в азимутальном направлении многополюсную систему с числом пар полюсов, равную трем и более вдоль всей длины трубы 1. ВТСП элементы 3 помещены в устройство криостатирования с вакуумной теплоизоляцией (на рисунках не показано) и закреплены на перемещаемом объекте 4, который охвачен трубой 1. Постоянные магниты 2 и ВТСП элементы 3 могут быть выполнены как в виде одного или нескольких цельных колец, так и из отдельных сегментов.
При эксплуатации в искусственном или космическом вакууме теплоизоляция не устанавливается. При эксплуатации при температурах ниже возникновения сверхпроводимости в ВТСП элементах нет необходимости в устройстве криостатирования.
Порядок приведения устройства в рабочее состояние следующий. Объект 4 с ВТСП элементами 3 выдвигается из трубы 1 с постоянными магнитами 2, запускается устройство криостатирования для охлаждения ВТСП элементов 3 и перевода их в сверхпроводящее состояние в отсутствие магнитного поля. Затем объект 4 запасовывается в трубу 1, где он переходит в состояние устойчивой левитации по пяти степеням свободы, кроме движения вдоль оси трубы 1. Перемещение объекта 4 в трубе 1 осуществляется электромагнитными или иными движителями.
Преимуществами данного технического решения является то, что оно позволяет формировать необходимую для магнитного подвеса топографию магнитного поля в ВТСП элементах 3, создаваемого постоянными магнитами 2, обеспечивать устойчивую левитацию перемещаемого объекта 4 по пяти степеням свободы, кроме движения вдоль оси трубы 1, увеличить жесткость магнитного подвеса до значений, требуемых для сильно нагруженных механизмов поступательного перемещения и высокоскоростного транспорта.
x
y
Максимальная жесткость магнитного подвеса достигается за счет увеличения магнитной индукции и градиента ее модуля вблизи полюсов путем создания в постоянных магнитах структур Хальбаха, обеспечивающих минимальные нерабочие магнитные потоки рассеяния. Направление вектора намагниченности в постоянных магнитах в декартовых координатах (X, Y) поперечного сечения трубы определяется по формулам М=|M|⋅cos(p⋅ϕ), М=|M|⋅sin(p⋅ϕ), где p - число пар полюсов постоянных магнитов; ϕ - угол, указывающий положение элемента постоянного магнита (отсчитывается от оси Y).
В качестве числового примера на фиг. 2 и фиг. 3 приведены расчетные зависимости радиальной силы от радиального перемещения и момента по оси движения от угла поворота для варианта магнитной системы подвеса, выполненного согласно полезной модели с внутренним диаметром трубы 440 мм, толщиной слоя постоянных магнитов 15 мм, четырьмя парами полюсов, длиной кольца из ВТСП элементов 20 мм и немагнитным зазором между поверхностью ВТСП элементов и внутренней поверхностью постоянных магнитов 10 мм. Для достижения требуемой жесткости и грузоподъемности магнитного подвеса возможно увеличение длины ВТСП кольца, а также увеличение числа пар полюсов постоянных магнитов.