МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
MAGNETIC VEHICLE SUSPENSION

Изобретение относится к транспортным системам, в которых применяются постоянные магниты в виде магнитного подвеса левитационных транспортных систем.
Для перевозки людей или грузов с применением магнитной левитации предложено сравнительно много способов передвижения, при которых транспортное средство без механического контакта с путепроводом (путевой структурой) удерживается над ним или под ним с помощью пондеромоторных сил, генерируемых электромагнитами или постоянными магнитами (магнитная подушка). Тяговый двигатель может разгонять транспортное средство на магнитном подвесе до скоростей, существенно превышающих скорости движения обычного транспорта.
Известна направляющая магнитная система [Патент US №7533616, МПК B60L 13/08, опубл. 19.05.2009], в которой предусматривается наличие в путепроводе специальной ферромагнитной направляющей (феррорельса) с поперечным профилем различной формы. На транспортном средстве имеется магнитный подвес, который притягивается к феррорельсу снизу, - такое устройство обычно называется электромагнитным подвесом (ЭМИ). Управляя напряженностью магнитного поля или расстоянием от рельса до источника магнитного поля, входящего в подвес, добиваются фиксации положения транспортного средства относительно феррорельса. Тяговый двигатель транспортного средства разгоняет его до заданной скорости, преодолевая только сопротивление воздуха и силу электродинамического торможения.
В качестве ферромагнитного материала применяется железо в виде чугуна или стали. Железо представляет собой проводник. При движении транспортного средства магнитное поле создает вихревые токи в ферромагнитной направляющей - феррорельсе, выполненном с использованием железа или другого материала, обладающего проводимостью, типичной для проводников. Вихревые токи, в свою очередь, создают свое магнитное поле, которое отталкивает источники магнитного поля в магнитном подвесе. Вследствие этого притяжение источников магнитного поля подвеса к феррорельсу падает, что может привести к падению поезда или механическому контакту подвеса и поезда, имеющих высокую скорость, с феррорельсом.
Известен магнитный подвес транспортного средства для комбинированного путепровода [Патент RU №2573135, МПК B60L 13/04, В61В 13/08, опубл. 20.01.2016], содержащий магнитное устройство, выполненное и/или установленное с обеспечением формирования магнитного поля, имеющего возможность последовательного взаимодействия с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью.
Недостатком является высокая стоимость проводящей поверхности (медь), силы отталкивания слишком слабы, чтобы держать тяжелый магнитный подвес в воздухе во время движения, а во время остановки даже легкий подвес ляжет на проводящую поверхность (медь). Над медью добиться нужной левитации невозможно, поэтому в этом изобретении ввели усиление - притягивание к ферромагнитной направляющей расположенной сверху подвеса. Симбиоз проводящей поверхности и ферромагнитной направляющей не дает уверенной и стабильной левитации, поэтому в изобретении описывается возможность управление в ручном режиме силы электромагнитов, естественно в жизни это планируется сенсоры, следящие за клиренсом, и электроника, подающая команды на увеличение или уменьшение силы магнитного поля. Что также в разы усложняет и удорожает такой способ левитации.
Задачей изобретения является наличие постоянного присутствия зазора между подвесом и поездом, включая наличие зазора как во время движения, так во время полной остановки поезда и как следствие отсутствие трения между деталями поезда и магнитного подвеса, а также автономности поезда.
Технический результат заключается в повышении КПД двигателя транспортного средства, повышение продолжительности использования транспортного средства и магнитного подвеса, повышение безопасности использования подвеса.
Ресурс двигателя при достижении наличия постоянного зазора между транспортным средством и магнитным подвесом направлен полностью на движение транспортного средства, исключая затраты ресурса двигателя на преодоление трения с несущей поверхностью (рельсом). При этом, при отсутствии необходимости использования внешних источников энергии, левитация достигается посредством магнитного поля магнита, а срок эксплуатации равен сроку службы постоянного магнита.
Технический результат достигается за счет того, что магнитный подвес включает по меньшей мере один магнит, с расположенным под каждым магнитом ферромагнитным экраном и ферромагнитную направляющую, расположенную под ферромагнитным экраном и выполненную с возможностью намагничивания одноименными полюсами с ферромагнитным экраном и разноименными с магнитом. По боковым сторонам магнита с ферромагнитным экраном и ферромагнитной направляющей могут быть расположены ограничивающие шторки стабилизации левитации либо магниты с ферромагнитными экранами и ферромагнитными направляющими расположены под углом, обеспечивающим уверенную стабилизацию левитации магнитного подвеса между и над наклонными направляющими, либо магниты с ферромагнитными экранами и ферромагнитными направляющими расположены в один ряд одноименными полюсами друг к другу. Шторки по боковым сторонам образуются, когда сцепка постоянного магнита с ферромагнитным экраном по высоте располагается чуть выше края бортов кузова, чтобы нижние края кузова несколько выступали ниже ферромагнитного экрана, образую так называемые шторки.
Ферромагнитная направляющая и ферромагнитный экран сделаны из простого (не намагниченного) железа. И только попадая в магнитное поле магнита намагничиваются этим магнитом. А так как в ферромагнитной направляющей и экране магнитные моменты в одну сторону, то они получаются намагничены одноименными полюсами по отношению друг к другу, при этом разноименными полюсами - по отношению к магниту. Вследствие чего, ферромагнитный экран притягивается к магниту, а направляющая отталкивается от экрана.
Так как ферромагнитный экран является неотделимой частью подвеса (вагона, транспортного средства) и во все время срока службы транспортного средства находится в магнитном поле подвеса, то во время всего срока службы не теряет свою намагниченность.
А ферромагнитная направляющая приобретает намагниченность, только попадая в магнитное поле подвеса, и то не вся, а лишь та часть, которая находится под магнитным подвесом. Магнитный подвес, двигаясь по ферромагнитной направляющей (рельсу) намагничивает тот участок направляющей, на которую наезжает. Участки ферромагнитной направляющей (рельса), с которых съезжает магнитный подвес транспортного средства, быстро теряют наведенную намагниченность и возвращаются к своему стандартному, не намагниченному состоянию.
На Фиг. 1 представлена схема магнитного подвеса с вариантом выполнения с ограничивающими шторками стабилизации левитации.
На Фиг. 2 представлена схема магнитного подвеса с вариантом выполнения магнита в дугообразной форме и с ограничивающими шторками стабилизации левитации.
На Фиг. 3 представлена схема магнитного подвеса с вариантом расположения магнитов (две штуки) с ферромагнитными экранами и ферромагнитными направляющими под углом.
На Фиг. 4 представлена схема магнитного подвеса с вариантом расположения магнитов с ферромагнитными экранами и ферромагнитными направляющими в один ряд одноименными полюсами друг к другу.
Магнитный подвес включает по меньшей мере один магнит 1. Под каждым магнитом 1 расположен ферромагнитный экран 2, а под ним ферромагнитная направляющая 3. Сколько магнитов 1 столько и ферромагнитных экранов 2 и ферромагнитных направляющих 3. Ферромагнитная направляющая 3 выполнена с возможностью намагничивания одноименными полюсами с ферромагнитным экраном, но разноименными с магнитом. По одному из вариантов выполнения по боковым сторонам магнита 1 с ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3 расположены ограничивающие шторки 4 стабилизации левитации.
По второму варианту ограничивающих шторок 4 стабилизации левитации нет, а два магнита 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитными направляющими 3 располагаются под углом и параллельно к ферромагнитым направляющим 3. Два постоянных магнита 1, одинаковых по силе магнитного поля, установлены разнонаправленно. Угол выполнен относительно горизонта, подбирается в соответствии с шириной и весом магнитного подвеса, но с показателями, обеспечивающими уверенную стабилизацию левитации магнитного подвеса между и над наклонными направляющими.
По третьему варианту ограничивающих шторок 4 стабилизации левитации нет, а магниты 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитными направляющими 3 расположены в один ряд одноименными полюсами друг к другу. Все постоянные магниты 1 одинаковые по силе магнитного поля устанавливаются разнонаправлено. Такое расположение позволяет транспортному средству стабилизировать положение, каждый ферромагнитый экран 2 отталкивается от ферромагнитной направляющей 3 расположенной под ним, при этом каждый ферромагнитный экран 2 притягивается к соседним ферромагнитным направляющим 3.
Магнит 1 с ферромагнитным экраном 2 перемещается над ферромагнитной направляющей 3.
Ферромагнитная направляющая 3 или ферромагнитные направляющие 3 установлены на всем протяжении путепровода, доступного для перемещения транспортного средства, что обеспечивает возможность безопасной остановки транспортного средства на любом участке, а конструкция путепровода приобретает однородность и универсальность, что упрощает конструирование путепровода и эксплуатацию на таком путепроводе транспортного средства с магнитной левитацией.
Ферромагнитная направляющая 3 (феррорельс) может иметь любую форму - плоскую балку, горизонтально или под углом расположенную вдоль путепровода. Выполнение ферромагнитной направляющей 3 из ферромагнитного материала, например стали, железа, чугуна или других, обеспечивает снижение себестоимости ввиду широкой распространенности железа и низкой себестоимости производства и изготовления из него изделий в больших масштабах, например в таких, которые требуются для изготовления феррорельса для путепроводов, имеющих протяженности в сотни и тысячи километров. Преимуществом применения ферромагнитных материалов является то, что взаимодействие магнитов с феррорельсом может осуществляться как в движении, так и без движения транспортного средства вдоль феррорельса, например, на остановках.
Транспортное средство преимущественно представляет собой поезд, состоящий из одного или более тягового вагона (локомотива) и нескольких вагонов, не имеющих тяговых двигателей, однако в одном из вариантов может состоять из одного вагона с тяговым двигателем.
Рассмотрим пример реализации магнитного подвеса.
Для реализации на транспортное средство устанавливается часть магнитного подвеса постоянный магнит 1 с ферромагнитным экраном 2.
После того как магнит 1, на Фиг. 1 и 2, начал взаимодействовать своими магнитными полями с ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3, ферромагнитный экран 2 и ферромагнитная направляющая 3 под воздействием магнитного поля постоянного магнита 1 становятся магнитами противоположными по значению к постоянному магниту 1, но одинаковыми по значению по отношению друг к другу. Таким образом, обеспечивается притяжение между постоянным магнитом 1 и ферромагнитным экраном 2 имеющими разнонаправленные магнитные поля, одновременно обеспечивается отталкивание между ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3.
Пример при выполнении по боковым сторонам магнита 1 с ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3 ограничивающих шторок 4 стабилизации левитации (Фиг. 1).
В нижней части кузова транспортного средства устанавливается без зазоров постоянный магнит 1, к нему снизу подносится ферромагнитный экран 2 такого же размера по длине и ширине как магнит 1. Крепления для ферромагнитного экрана 2 не требуется. Сцепка постоянного магнита 1 с ферромагнитным экраном 2 по высоте должны располагаться чуть выше края бортов кузова, чтобы нижние края кузова несколько выступали ниже ферромагнитного экрана 2, образую так называемые шторки 4. Кузов с установленным в нем постоянным магнитом 1 ставится на ферромагнитную направляющую 3 (рельс). По ширине ферромагнитная направляющая 3 должен быть на несколько миллиметров быть меньше постоянного магнита 1 с ферромагнитным экраном 2, чтобы между ферромагнитной направляющей 3 (рельсом) и шторками 4 был зазор. Кузов с установленным в нем частью магнитного подвеса, состоящей из постоянного магнита 1 и ферромагнитного экрана 2, начнет притягиваться к ферромагнитной направляющей 3 попавшей в магнитное поле постоянного магнита 1, но не дойдя до полного контакта начнет левитировать, так как на определенном расстоянии магнитные поля ферромагнитного экрана 2 и ферромагнитной направляющей 3 (рельса) начнут взаимодействовать, а так как магнитные поля ферромагнитного экрана 2 и ферромагнитной направляющей 3 однонаправленные они будут отталкиваться друг от друга. В результате наблюдается два положительных эффекта, кузов с частью магнитного подвеса уверенно притягивается к ферромагнитной направляющей 3 и одновременно с этим на определенном расстоянии отталкивается от ферромагнитной направляющей 3. От бокового соскальзывания постоянного магнита 1 и ферромагнитного экрана 2 с ферромагнитной направляющей 3 его уберегают боковые шторки 4.
Фиг. 2. Технология расположения постоянного магнита 1 с ферромагнитной шторкой 4 в кузове транспортного средства и над ферромагнитной направляющей 3 (рельсом) идентична, как и в Фиг. 1. Разница заключена в том, что в Фиг. 1 применен прямоугольный постоянный магнит 1, а в Фиг. 2 подковообразный магнит 1. Эффект левитации с одновременным притяжением магнитного подвеса по отношению к ферромагнитной направляющей 3, в обоих случаях будет одинаковым, разница в том, что в Фиг. 2 постоянный магнит 1 используется по силе меньше чем магнит 1 прямой формы.
Пример при выполнении магнитов 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитными направляющими 3 расположены под углом, обеспечивающим уверенную стабилизацию левитации магнитного подвеса между и над наклонными направляющими 3 (Фиг. 3).
В нижней части, по бокам кузова транспортного средства устанавливаются два магнита 1 под углом по отношению к горизонту. К постоянным магнитам 1 снизу подносятся два ферромагнитных экрана 2 такого же размера по длине и ширине как магниты 1. Крепления для ферромагнитных экранов 2 не требуются. Кузов с установленными в нем постоянными магнитами 1 ставится на ферромагнитные направляющие 3 (рельсы), по ширине рельсы 3 могут быть слегка больше или слегка меньше ширины постоянного магнита 1 с ферромагнитным экраном 2. Угол установки постоянных магнитов 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитных направляющих 3 подбираются в соответствии с шириной и весом магнитного подвеса, но с показателями обеспечивающими уверенную стабилизацию левитации магнитного подвеса между и над наклонными направляющими 3. Кузов с установленной в нем частью магнитного подвеса, состоящей из двух постоянных магнитов 1 и двух ферромагнитных экранов 2, начнет притягиваться к двум ферромагнитным направляющим 3, попавшим в магнитное поле постоянного магнита 1, но, не дойдя до полного контакта, начнут левитировать, так как на определенном расстоянии магнитные поля ферромагнитных экранов 2 и ферромагнитных направляющих 3 (рельсов) начнут взаимодействовать, а так как магнитные поля ферромагнитных экранов 2 и ферромагнитных направляющих 3 в каждой сцепке однонаправленные они будут отталкиваться друг от друга. В результате наблюдается два положительных эффекта, кузов с двумя постоянными магнитами 1 и ферромагнитными экранами 2 уверенно притягивается к двум ферромагнитным направляющим 3 и одновременно с этим на определенном расстоянии отталкивается от ферромагнитных направляющих 3. Благодаря тому, что кузов транспортного средства располагается между и над наклонными ферромагнитными направляющими 3, стабилизация эффекта левитации происходит за счет веса транспортного средства и никаких других приспособлений для стабилизации левитации не требуется.
Пример при выполнении магнитов 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитными направляющими 3 расположенных в один ряд одноименными полюсами друг к другу (Фиг. 4).
Используют одинаковые по количеству постоянные магниты 1, ферромагнитные экраны 2 и ферромагнитные направляющие 3. В нижней части кузова транспортного средства на всю ширину устанавливаются несколько постоянных магнитов 1 на расстоянии друг от друга, устанавливаются последовательно разнополярно. К каждому магниту 1 присоединяются по средством магнитных полей ферромагнитные экраны 2, такие же по длине и ширине, как и длина и ширина постоянных магнитов 1. Крепления для ферромагнитных экранов 2 не требуются. Кузов транспортного средства с установленными на нем постоянными магнитами 1 с ферромагнитными экранами 2 ставится на ферромагнитные направляющие 3 (рельсы).
Стабилизация левитации в данном варианте достигается посредством использования нескольких постоянных магнитов установленных последовательно разнополярно.
За счет расположения постоянных магнитов 1 с ферромагнитными экранами 2 и ферромагнитными направляющими 3 по представленным вариантам достигается наличие постоянного присутствия зазора между частью магнитного подвеса, включающей в себя закрепленные на кузове, постоянный магнит 1 с ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3, включая наличие зазора как во время движения, так во время полной остановки поезда. За счет воздушного зазора между транспортным средством с постоянным магнитом 1 с ферромагнитным экраном 2 и ферромагнитной направляющей 3 исключается трение между деталями транспортного средства и магнитного подвеса, а также автономности транспортного средства и всем этим повышается КПД двигателя поезда, продолжительность использования транспортного средства и магнитного подвеса, повышение безопасности использования транспортного средства.