ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО, ПУТЕПРОВОД И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, СНАБЖЕННЫЕ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
ELECTROMAGNETIC DEVICE, OVERPASS AND VEHICLE EQUIPPED SAID SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электрофизики, электротехники, в частности, к электромагнитным устройствам и в некоторых аспектах к транспортным системам, в которых применяются электромагнитные устройства в виде электромагнитного подвеса.
Уровень техники
В патенте CN202847462 представлен магнитный подвес транспортного средства, в котором применяются электромагниты. Указанные электромагниты, как показано на фиг. 1 и 2b в патенте CN202847462, представляют собой катушки (обмотки) с U-образными сердечниками, расположенными в них вдоль линии, параллельной путепроводу, к которому притягивается магнитный подвес (это направление в указанном патенте в изображенной конструкции является горизонтальным; оно совпадает с направлением линий и/или магнитного момента электромагнита). U-образные сердечники загнуты вверх, по направлению к ферромагнитной направляющей (рельсу, балке), входящей в состав путепровода. Указанная ферромагнитная направляющая также имеет выступы (полюсы), направленные к полюсам магнитного подвеса, образованные загнутыми концами сердечников электромагнитов. Полюсы рельса и магнитного подвеса расположены таким образом, чтобы между ними был воздушный промежуток, через который замыкается поток магнитного поля, обеспечивающий притяжение магнитного подвеса к путепроводу. Величина зазора между полюсами регулируется электромагнитной силой, которая зависит от величины электрического тока, протекающего в обмотке электромагнита.
Для обеспечения левитации транспортного средства, весящего несколько тонн или десятков тонн, требуется весьма сильное магнитное поле. Его концентрация у полюсов при движении будет создавать сильные вихревые токи, которые будут разогревать полюсы ферромагнитной направляющей и сердечников электромагнитов до значительных температур. Это приводит к ухудшению свойств магнитной системы, более быстрому износу оборудования, снижению сроков эксплуатации и повышенному энергопотреблению. Уровень магнитного поля в зазоре ограничен степенью насыщения стали сердечника U-образного магнита.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков уровня техники, в частности, на более эффективное распределение магнитного поля, уменьшение полей рассеяния вне рабочей зоны и уменьшение его взаимодействия на грузы и пассажиров.
Далее будем использовать известные определения.
x
y
z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
z
y
y
z
x
x
z
z
x
y
y
x
1) Выражение [a×b] обозначает векторное произведение двух векторов а=(a, a, a) и b=(b, b, b). Здесь и далее вектора выделяются полужирным шрифтом. Векторное произведение [a×b] есть вектор с=(c, c, c) компоненты которого равны c=ab-ab, c=ab-ab, c=ab-ab. Вектор с перпендикулярен плоскости, в которой лежат а и b.
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mi>V</mi></munder><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>j</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mrow></mstyle><mi>d</mi><mi>V</mi></mrow>
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mn>2</mn></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∮</mo><mrow><mo stretchy="false">[</mo><mi>r</mi><mo>×</mo><mi>d</mi><mi>l</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
2) Магнитный момент токонесущей катушки электромагнита произвольной формы, m, в общем случае объемных проводников равен
, где V - объем проводника, dV - элемент объема, характеризуемого радиус-вектором r, j - вектор плотности электрического тока. Если намотку электромагнита представлять в виде тонкого замкнутого контура, то
, где l - полный ток, dl - элемент контура. Для плоских контуров последнее выражение дает m=ISn, где S - площадь, n - единичный вектор нормали к плоскости контура, направленный в соответствии с правилом буравчика (если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика). Магнитный момент является характеристикой электромагнита (обмотки, катушки) в выбранной системе координат (И.Е. Тамм "Основы теории электричества", M: Наука, 1989).
0
<mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msup><mi>L</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∮</mo><mrow><mi>r</mi><mi>d</mi><mi>l</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
3) Центр электромагнита, r, определяется как
, где L - полная длина контура намотки (в т.ч. для случая многовитковой и/или многослойной намотки), dl - элемент контура. В случае, если контур симметричен, данное определение совпадает с центром симметрии.
4) Поперечная плоскость электромагнита в общем случае - плоскость, проходящая через его центр перпендикулярно вектору магнитного момента. Если электромагнит состоит из одного плоского витка, поперечная плоскость совпадает с плоскостью витка. Если катушка плоская, поперечная плоскость совпадает с плоскостью среднего витка.
5) Направление максимальной асимметрии магнитного поля - это направление, вдоль которого должна быть обеспечена максимальная разница значений модуля магнитного поля в точках наблюдения, расположенных симметрично по разные стороны электромагнитного устройства. Поскольку для транспортных средств на магнитном подвесе это направление обычно определяется силой тяжести и совпадает с вертикальной осью транспортного средства, здесь и далее это направление для краткости называется вертикальным.
6) Горизонтальная плоскость - плоскость, перпендикулярная вертикальному направлению.
7) Электромагнитное устройство состоит из двух, трех, четырех или более электромагнитов, центры которых смещены друг относительно друга в некотором направлении (далее для краткости называемом продольным направлением). Продольное направление можно вычислить как прямую линию в горизонтальной плоскости, наименее уклоняющуюся от центров электромагнитов, например, методом наименьших квадратов (Линник Ю.В., Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М., 1962). Электромагниты в продольном направлении образуют последовательность, позволяющую определить понятие «соседний электромагнит». У крайних электромагнитов один сосед, у остальных - по два.
8) Для определенности далее используется следующая система координат. Выберем произвольным образом начало координат О. Из него проведем в продольном направлении ось X, а в вертикальном направлении - ось Z. Ось Y направим перпендикулярно вертикальной плоскости XOZ. Эти обозначения используются на нескольких чертежах, прилагаемых к настоящему описанию. В том случае, если устройство или его компоненты ориентировано по-другому, оно может быть приведено к принятым обозначениям осей и плоскостей путем поворота (действительного или воображаемого) или же могут быть переориентированы оси и плоскости. В последнем случае характеризующие названия осей и плоскостей, если они использованы, могут быть изменены (например вертикальная плоскость может оказаться горизонтальной, если устройство повернуто на 90° вокруг продольной оси).
Задача изобретения решается с помощью электромагнитного устройства, содержащее (две или более) электрические обмотки, ориентированные друг относительно друга таким образом, что магнитные моменты соседних электрических обмоток не коллинеарны.
В предпочтительном варианте устройство содержит, по меньшей мере, три обмотки, которые преимущественно установлены, например, в продольном направлении со взаимным смещением друг относительно друга. Векторные произведения магнитных моментов двух соседних обмоток в соответствии с изобретением направлены в одну и ту же сторону от вертикальной плоскости (вертикальная плоскость может задаваться, например, магнитными моментами какой-либо пары соседних обмоток).
Радиус кривизны внутренних витков одной или множества обмоток в преимущественном варианте выполнения составляет не менее 10%, 20%, 30%, 40% или 50% от характерного размера замкнутой кривой, описывающей внутренние витки обмотки. По меньшей мере, часть обмоток в предпочтительном варианте могут иметь вытянутую форму в проекции на горизонтальную плоскость. Обмотки устройства в некоторых вариантах осуществления могут быть механически соединены друг с другом на участках, имеющих одинаковые направления электрического тока.
Задача изобретения также решается с помощью путепровода для транспортного средства, которое перемещается с использованием магнитной левитации. Такой путепровод может содержать, по меньшей мере, одно электромагнитное устройство по любому из вышеописанных вариантов.
Задача изобретения также решается с помощью транспортного средства, предназначенного для перемещения по путепроводу с использованием магнитной левитации. Транспортное средство должно иметь в своем составе магнитный подвес, содержащий, по меньшей мере, одно электромагнитное устройство по любому из вышеописанных вариантов. Кроме того, путепровод может содержать ферромагнитную направляющую и/или проводящую поверхность для транспортных средств с электромагнитным подвесом (ЭМП) или электродинамическим подвесом (ЭДП), соответственно.
Благодаря настоящему изобретению достигаются такие технические результаты, как формирование магнитного поля по заданной площади с обеспечением того, что электромагнитное устройство формирует магнитное поле преимущественно по одну сторону от устройства, а значит, все магнитное поле используется более эффективно и уменьшаются поля рассеяния в других областях вне рабочей зоны. Кроме того, снижен вес устройства. Кроме того, устройством в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность создания сильных магнитных полей, распределенных по площади, причем само устройство может иметь компактные размеры в виде плоской структуры из минимального количества обмоток, то есть без излишних коммуникаций, подводящих сильные токи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан возможный вариант устройства из двух электромагнитов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показано распределение магнитного поля вдоль двух прямых, параллельных оси ОХ и симметрично расположенных выше и ниже пары электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 3 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже множества электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 4 показан возможный вариант электромагнитного устройства из трех электромагнитов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 5 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже сборки из трех электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 6 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже пары расположенных рядом сборок из трех электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 7 показан схематичный вид сбоку другого возможного варианта электромагнитного устройства из 5 обмоток в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 8 показан схематичный вид сбоку еще одного возможного варианта электромагнитного устройства из девяти обмоток в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 9 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже электромагнитного устройства из шести электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 10 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже электромагнитного устройства из двенадцати электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 11 показан схематичный вид сбоку возможной реализации электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 12 показано распределение магнитного поля вдоль двух параллельных прямых, симметрично расположенных выше и ниже другого электромагнитного устройства из двенадцати электромагнитов относительно линии их центров.
На фиг. 13 схематично показан преимущественный вариант электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 14 показан вид в разрезе возможного варианта электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением над проводящей поверхностью.
На фиг. 15 показан вид сверху возможного варианта электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением, представленного на фиг.14, над проводящей поверхностью.
Осуществление изобретения
Распределение поля магнитного подвеса с конструкцией, изображенной в патенте CN202847462, может быть обеспечено, в частности, путем увеличения площади поперечного сечения полюсов. Однако это приводит к повышению расхода материала на изготовление полюсов ферромагнитной направляющей и сердечника электромагнита, что также сказывается на увеличении веса магнитного подвеса и транспортного средства в целом, что снижает эффективность системы.
Для уменьшения расхода материала на полюсы сердечника и ферромагнитной направляющей можно установить дополнительную катушку (обмотку) электромагнита так, чтобы магнитный момент или силовые линии электромагнита были, по существу, перпендикулярны ферромагнитной направляющей. В таком случае обеспечивается, с одной стороны, распределение магнитного поля по площади, не меньшей чем площадь внутри обмотки электромагнита, а, с другой стороны, вес электромагнита не только не увеличивается, но и снижается. Кроме того, сердечник в некоторых вариантах осуществления может быть исключен из электромагнита, поскольку обычно катушки электромагнитов располагаются достаточно близко к ферромагнитной направляющей, чтобы уменьшить рассеяние магнитного поля. Также необходимо отметить, что при указанном в патенте CN202847462 расположении электромагнита с U-образным сердечником появляется возможность использования такого подвеса не только в схеме ЭМП (с притяжением к ферромагнитной направляющей), но и в схеме ЭДП (с отталкиванием от проводящей поверхности, выполненной из немагнитного электропроводящего материала, например меди, алюминия и т.п.), путем переустановки полюсов U-образного сердечника вниз. Однако, переключение между схемами с ЭМП и ЭДП в ходе движения невозможно.
Недостатком конфигурации по патенту CN202847462 является то, что магнитное поле по одну сторону от электромагнита не участвует во взаимодействии с ферромагнитной направляющей (или проводящей поверхностью), что приводит к недостаточно эффективному использованию энергии электромагнитного поля в рабочей зоне и появлению значительных полей рассеяния в других областях вне рабочей зоны. Это приводит к необходимости применения увеличенного количества электромагнитов или электромагнитов увеличенного размера и массы для формирования магнитного поля требуемой величины, что также приводит к снижению полезной нагрузки, перевозимой транспортным средством, для создания левитации в которых применяется электромагнит с подобной ориентацией.
Для более эффективного использования энергии магнитного поля в рабочей зоне и уменьшения паразитных полей рассеяния в других областях вне рабочей зоны возможно использовать электромагнитное устройство (сборку электромагнитов с «поворачивающимся» вектором магнитного момента) в соответствии с настоящим изобретением.
Электромагнитным устройством согласно настоящему изобретению является сборка трех или более электромагнитов, в которой выполнены условия:
(1) Векторы магнитных моментов какой-либо пары соседних электромагнитов не коллинеарны, то есть не параллельны (иначе, их векторное произведение не равно нулю);
(2) проекции векторов магнитных моментов на вертикальную плоскость XOZ последовательности электромагнитов монотонно поворачивается при перемещении точки наблюдения от центра одного магнита к центру другого в одном направлении (по или против часовой стрелки). Причем углы поворота меньше 180°. Другими словами, все векторные произведения магнитных моментов двух последовательных электромагнитов находятся в одном полупространстве относительно вертикальной плоскости XOZ (либо в полупространстве Y>0, либо Y<0).
11
12
В простейшем варианте, показанном на фиг. 1, электромагнитное устройство содержит две электрические обмотки 11 и 12, расположенные под углом друг к другу (на фиг.1 плоскости обмоток перпендикулярны друг другу). Магнитные моменты m и m обмоток 11 и 12, соответственно, в случае плоских обмоток направленные перпендикулярно плоскостям обмоток, также будут перпендикулярны друг другу, то есть не коллинеарны. Магнитное поле, формируемое таким электромагнитным устройством, будет несимметрично в вертикальной плоскости относительно продольной линии, проходящей через обмотки (в показанной на фиг. 1 ориентации устройства она будет параллельна оси ОХ).
Обмотка в предельном случае может состоять из одного витка, однако в предпочтительном варианте исполнения каждая обмотка, входящая в состав электромагнитного устройства согласно настоящему изобретению, обычно содержит несколько витков, поскольку это обеспечивает оптимальную величину тока питания.
Форма витка или обмотки в целом в поперечной плоскости может быть любой. Однако, в преимущественном варианте витки и обмотки выполнены в форме гладких линий не содержащих изгибов, поскольку в случае протекания в обмотках токов большой величины, необходимых для создания сильных магнитных полей, на изгибах будут создаваться предпосылки для выхода обмоток из строя. В показанном на фиг. 1 варианте обмотки выполнены в виде круглых колец. В преимущественном варианте радиусы кривизны (закруглений) изгибов обмоток и витков в соответствии с настоящим изобретением имеют величину не менее 10%, 20%, 30% или 40% от внутреннего поперечного размера обмотки, а предпочтительно не менее 50%.
В устройстве на фиг. 1, также как и на других фигурах, не показаны подводящие провода или проводники в целях удобства иллюстрирования изобретения. В то же время необходимо учитывать, что электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением может осуществлять свои функции при пропускании электрического тока через обмотки (или при наличии в них электрического тока), который и создает необходимое магнитное поле. В связи с этим при осуществлении устройства на практике оно будет иметь соединительные провода или проводники, подводящие электрический ток. Ток может подводиться к каждой обмотке по отдельности, и в этом случае обеспечивается возможность изменения силы и/или направления тока в обмотках по отдельности, что дает гибкость в коммутации обмоток и возможность создания разнообразных конфигураций магнитного поля около устройства в зависимости от токов в обмотках.
В других вариантах обмотки могут быть соединены между собой - некоторые или все. Это уменьшает количество проводов, подводящих ток, и упрощает управление конфигурацией магнитного поля, создаваемого устройством. В то же время это снижает гибкость в обеспечении различных конфигураций магнитного поля. Например, если все обмотки соединены между собой, то есть через все обмотки протекает один и тот же ток, то конфигурация магнитного поля будет предпочтительно оставаться одной и той же независимо от изменений тока, а будет меняться лишь напряженность магнитного поля и/или его направление. В компромиссном варианте обмотки могут быть разделены на комплексы обмоток и соединяться между собой в комплексах (то есть в одной группе обмоток течет один и тот же ток), а путем изменения токов в различных комплексах обмоток возможно изменять конфигурацию магнитного поля. Группы обмоток, описываемые далее, могут иметь соединения обмоток внутри групп или между группами, или же в указанных группах каждая обмотка может коммутироваться отдельно - таким образом, комплексы обмоток и группы обмоток в целом различающиеся понятия, хотя в некоторых случаях они могут и совпадать.
Электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено для формирования магнитного поля, взаимодействующего с внешним по отношению к электромагнитному устройству объектом. Это значит, что объект, с которым взаимодействует электромагнитное устройство, не охватывается устройством. Иными словами, объект, для магнитного взаимодействия с которым предназначено электромагнитное устройство, находится вне объема, ограничиваемого любыми прямолинейно соединенными крайними точками, линиями или поверхностями.
Кроме того, электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением создает магнитное поле, преимущественно формируемое лишь с одной из сторон. Это позволяет усилить магнитное взаимодействие при той же массе и/или токах. Соответственно, объект, для взаимодействия с которым предназначено электромагнитное устройство, преимущественно находится с той стороны, где формируется магнитное поле (предпочтительно максимальное по величине).
Результаты математического моделирования магнитного поля такого устройства показаны на фиг. 2. На всех графиках в качестве величины магнитного поля используется абсолютное значение (модуль) вектора магнитной индукции В, а над графиками, в которых приведено распределение абсолютной величины магнитного поля вдоль оси ОХ, показано расположение обмоток, соответствующее показанному распределению. В частности, на фиг. 2 над графиком показаны обмотки 11 и 12. Из графика видно, что линия 21 расположена над линией 22 на всем протяжении графика. Это означает, что поле около описанного устройства сверху всегда будет больше по абсолютной величине, чем снизу.
В том случае, если несколько сборок обмоток, показанных на фиг. 1, будут размещены рядом со смещением в продольном направлении (совпадающем на фигурах с осью ОХ) как это показано в верхней части фиг. 3 (вид сборки сбоку), то величина магнитного поля будет распределена вдоль этого продольного направления так, как это показано на графике, представленном на фиг. 3 под условным изображением сборки, для которой производился расчет (сборка и график показаны в соответствующем масштабе и положении). Соотношение кривой 31, отображающей величину магнитного поля сверху от сборки, и кривой 32, отображающей величину магнитного поля снижу от сборки, показывает, что асимметрия магнитного поля будет наблюдаться на краях сборки, а в средней части в среднем асимметрии магнитного поля нет, так как на некоторых участках сборки, величина поля сверху больше величины поля снизу, а на некоторых наоборот.
Таким образом, каждое электромагнитное устройство (пара электромагнитов с разной ориентацией), представленных на фиг. 2, по отдельности обеспечивают асимметрию магнитного поля. Но, установленные рядом со смещением в продольном направлении, - не обеспечивают. В связи с этим в тех приложениях, где требуется асимметрия магнитного поля, таким устройства могут использоваться при установке на таком расстоянии друг от друга, при котором магнитные поля соседних сборок не будут оказывать существенного влияния и около самих сборок будет наблюдаться асимметрия магнитного поля. Расстояния, на которых магнитное поле спадает до несущественных величин, может составлять одно или несколько (2, 3, 4, 5, 7, 10) линейных размеров обмоток, входящих в устройство (например их поперечных размер).
Однако, в тех приложениях, где требуется обеспечить сильное магнитного поле с асимметрией в вертикальном направлении на значительном протяжении в продольном направлении (площади), устройство, схематично представленное на фиг. 3 над графиком, не может быть применено. Поэтому, ввиду необходимости разнесения устройств, представленных на фиг. 1, по расстоянию между ними, эффективность устройства может оказаться недостаточной. Решить подобную задачу возможно путем использования другого электромагнитного устройства. В этом устройстве обмотки располагаются так, чтобы обеспечить несимметричное магнитное поле на большой протяженности в продольном направлении или площади, в том числе путем расположения рядом нескольких дополнительно предлагаемых устройств.
Один из таких возможных вариантов электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг. 4. Сборка содержит, по меньшей мере, три обмотки 41, 42 и 43. Поперечные плоскости соседних обмоток - это такие пары обмоток, как 41 и 42, а также 42 и 43 - расположены под углом друг к другу (то есть не находятся в одной плоскости, не коллинеарны, иными словами, углы между поперечными плоскостями обмоток составляют величины больше 0° и меньше 180°, например от 1° до 179°). Те обмотки, которые не являются соседними, то есть их разделяет (например, при развороте одной из обмоток на место другой), по меньшей мере, одна промежуточная обмотка, могут лежать в одной плоскости, то есть углы между поперечными плоскостями таких обмоток могут иметь значение 0° или 180°, хотя это и не обязательно. Например, обмотки 41 и 43 на фиг. 4 не являются соседними, т.к. их разделяет обмотка 42. Переход от обмотки 41 к обмотке 42 осуществляется поворотом обмотки 41 (ее поперечной плоскости, в которой лежат витки) на угол 90°; аналогично совершается переход от обмотки 42 к обмотке 43. В то же время обмотки 41 и 43 могут находиться в одной плоскости (на фиг. 4 она параллельна горизонтальной (продольной) плоскости XOY). Все обмотки 41-43 (их поперечные плоскости, в которых располагаются витки обмоток) на фиг. 4 расположены перпендикулярно вертикальной плоскости XOZ.
Для того, чтобы электромагнитное устройство создавало магнитное поле преимущественно с одной стороны, обмотки устройства должны быть расположены так, и быть запитаны токами так, чтобы результаты векторных произведений магнитных моментов соседних обмоток были направлены в одну и ту же сторону от плоскости, составленной какой-либо (или, в некоторых случаях, любой) парой магнитных моментов обмоток, входящих в состав электромагнитного устройства. Другими словами, результаты векторных произведений магнитных моментов соседних обмоток находятся в одном и том же полупространстве, получаемом делением пространства плоскостью, составленной какой-либо парой магнитных моментов обмоток, входящих в состав электромагнитного устройства.
Необходимо учитывать тот факт, что для настоящего изобретения имеет значение направление векторного произведения, а не его длина. В связи с этим в упрощенном способе определения направления векторного произведения может оказаться достаточным построение вектора, создающего правую тройку векторов с магнитными моментами соседних обмоток - в соответствии с настоящим изобретением, два таких построенных векторных произведения для двух или более пар магнитных моментов соседних обмоток должны быть направлены (расположены) с одной стороны плоскости, построенной по одной паре магнитных моментов соседних обмоток (или с одной стороны нескольких таких плоскостей, построенных по парам магнитных моментов соседних обмоток).
41
42
43
41
42
42
43
Кроме того, возможен вариант определения необходимых направлений магнитных моментов обмоток и без определения векторного произведения и построения какого либо дополнительного вектора. Для этого по двум магнитным моментам создается плоскость и далее при наблюдении электромагнитного устройства с одной и той же стороны этой плоскости (из одного и того же полупространства, на которые плоскость делит пространства) кратчайший поворот магнитных моментов обмоток, входящих в устройство, совершается либо всегда против часовой стрелки, либо всегда по часовой стрелке. Например, на фиг.1 магнитными моментами m, m и m обмоток 41-43 образуется вертикальная на фиг.1 плоскость XOZ. При наблюдении обмоток 41-43 с ближайшей стороны от плоскости XOZ (по оси OY от точки О по направлению вдоль стрелки Y, то есть с той стороны, с которой мы смотрим на фигуру) кратчайший поворот магнитного момента m к моменту m осуществляется против часовой стрелки, также как и кратчайший поворот магнитного момента m к моменту m - это означает, что обмотки 41-43 (сборка этих обмоток) образуют электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением.
Соседство обмоток определяется по их расположению в сборке обмоток, составляющей устройство. Для некоторой заданной обмотки соседней обмоткой будет считаться та обмотка, которая находится ближе всего к заданной обмотке с той или другой стороны от поперечной плоскости, перпендикулярной магнитному моменту обмотки. Таким образом, у заданной обмотки может быть не более двух соседних обмоток. Например, соседними обмотками считаются обмотки 41 и 42, а также 42 и 43 на фиг. 4. На фиг. 7 соседними обмотками являются обмотки 71 и 72, 72 и 73, 73 и 74, 74 и 75. Переход между соседними обмотками (между их поперечными плоскостями) преимущественно происходит поворотом на угол предпочтительно не более 135° и сдвигом вдоль направления магнитного момента. В том случае, если ближайшая обмотка находится в направлении, поперечном направлению магнитного момента, такая обмотка преимущественно не может считаться соседней. Например, на фиг. 4 не являются соседними обмотки 41 и 43 (поскольку они лежат в одной плоскости, то векторное произведение их параллельных (коллинеарных) магнитных моментов равно нулю, а направление нулевого вектора неопределяемо), а на фиг. 7 обмотки 71, 73 и 75, а также обмотки 72 и 74, обмотки 72 и 75 и обмотки 71 и 74.
Также может быть предложен другой способ определения соседства обмоток. Поскольку электромагнитное устройство по настоящему изобретению предназначено для формирования магнитного поля, взаимодействующего с объектом вне устройства, то для электромагнитного устройства (оно еще может называться как сборка обмоток, катушек или электромагнитов) может быть задано продольное направление, преимущественно пролегающее вдоль объекта, с которым предполагается взаимодействие устройства. На фигурах такое продольное направление задано осью ОХ (где она показана). В соответствии с этим обмотки устройства будут расположены со взаимным смещением вдоль продольного направления.
Смещение катушек может определяться с использованием различных точек. В предпочтительном варианте смещение определяется по положению, например, геометрических центров обмоток (электромагнитов, катушек). Геометрическими центрами могут считаться, в частности, точки симметрии, если обмотки выполнены в виде симметричных изделий, или точки, равноудаленные или в среднем равноудаленные от крайних точек и/или поверхностей обмоток. В то же время смещение в продольном направлении не означает, что эти электромагниты не могут быть установлены со смещением в других направлениях. Продольным направлением также может считаться то направление, в отношении которого обмотки смещены и углы между магнитными моментами обмоток, определенные относительно продольного направления, соответствуют настоящему изобретению.
Соседними обмотками в таком случае будет считаться пара таких обмоток, которые смещены относительно продольного направления на наименьшее расстояние в одну или другую сторону вдоль продольного направления относительно заданной обмотки. Например, в том случае, если положение обмотки определяется по ее геометрическому центру, то между проекциями геометрических точек соседних обмоток на продольное направление не находятся проекции геометрических точек других обмоток.
Обмотки сборки могут быть сгруппированы в две группы обмоток. Первая группа обмоток располагается в плоскости, преимущественно параллельной объекту, для взаимодействия с которым создается магнитное поле (например ферромагнитная направляющая или проводящая поверхность). На фиг. 4 это обмотки 41 и 43, на фиг. 7 это обмотки 71, 73, 75, на фиг. 8 обмотки 81, 83, 85, 87, 89, на фиг. 11 обмотки 111, 113, 115, на фиг. 13 обмотки 131, 133, 135, на фиг. 14 и 15 это обмотки 141, 143, 145, 147 (на фиг. 14 и 15 также показана проводящая поверхность 140). Обмотки первой группы, расположенные рядом (но не являющиеся соседними в вышеуказанном смысле, поскольку соседними обмотками могут являться только обмотки разных групп обмоток), имеют преимущественно противоположно направленные магнитные моменты (на фиг. 6 обмотки в центре имеют одинаково направленные моменты, но эти обмотки относятся к разным устройствам, расположенным последовательно). То есть, магнитное поле, формируемое одной обмоткой первой группы, направлено в сторону, противоположную направлению, в котором направлено магнитное поле, формируемое обмоткой первой группы, входящей в то же самое устройство и расположенной рядом.
При таком расположении обмоток часть полей, формируемых в обе стороны, будут замыкаться друг на друга, а часть будет рассеиваться. Для того, чтобы устранить рассеяние и обеспечить формирование магнитного поля только с одной стороны, в сборке преимущественно применяются две (но, в зависимости от конфигурации, возможно, деление на три и более) группы обмоток (в наименьшем варианте, когда в сборке всего три обмотки, вторая группа обмоток может быть представлена одной обмоткой, например это обмотка 42 на фиг. 4). На фиг. 7 во вторую группу входят обмотки 72, 74, на фиг. 8 обмотки 82, 84, 86, 88, на фиг. 11 обмотки 112, 114, на фиг. 13 обмотки 132, 134, на фиг. 14 и 15 обмотки 142, 144, 146. Обмотки второй группы ориентируют преимущественно поперечно (или перпендикулярно) обмоткам первой группы, так, чтобы магнитный момент был преимущественно параллелен объекту, на который направляется магнитное поле (например, ферромагнитной направляющей или проводящей поверхности). Располагаются обмотки второй группы между обмотками первой группы или около них, преимущественно около ближних частей обмоток электромагнитов первой группы, так, чтобы магнитный момент обмоток второй группы был направлен от одной обмотки первой группы к другой (расположенной рядом) обмотке первой группы. Магнитные моменты расположенных рядом обмоток второй группы направлены в противоположных направлениях, то есть навстречу друг другу или друг от друга.
В каждой точке магнитные поля разных обмоток векторно складываются. Поскольку магнитное поле формируется всеми обмотками, то результирующее магнитное поле будет складываться как из полей, формируемых обмотками, расположенными в плоскости или под незначительным углом к плоскости, параллельной объекту, для взаимодействия с котором предназначено электромагнитное устройство, так и из полей, формируемых обмотками, расположенными перпендикулярно или с некоторым отклонением от перпендикулярного направления к указанной плоскости обмотками, а значит вклад в формирование магнитного поля вносят все элементы (обмотки), входящие в состав электромагнитного устройства. Кроме того, при таком расположении обмоток в сборке суммарное магнитное поле будет направлено преимущественно в одну сторону от электромагнитного устройства, к объекту, с которым обеспечивается магнитное взаимодействие (на фигурах это направление вниз). Таким образом достигается высокая эффективность устройства в соответствии с настоящим изобретением, которая может быть определена как отношение величины формируемого магнитного поля по отношению к массе устройства.
Суммарное магнитное поле может быть использовано, например, для создания левитации путем притяжения к ферромагнитной направляющей или отталкивания от проводящей поверхности. Благодаря наличию обмоток (электромагнитов) второй группы, разворачивающих поле обмоток (электромагнитов) первой группы с одной стороны и направляющих его в другую сторону, взаимодействовать с ферромагнитной направляющей или проводящей поверхностью будет практически все магнитное поле, создаваемое обмотками (электромагнитами) как первой группы, так и второй - то есть, всеми обмотками (электромагнитами) сборки. С другой стороны электромагнитного устройства (сборки электромагнитов или обмоток), противоположной расположению ферромагнитной направляющей или проводящей поверхности, магнитное поле отсутствует или имеет незначительную величину.
Для того, чтобы сборка обмоток, расположенных с взаимным смещением в продольном направлении, создавала магнитное поле, направленное только в одну сторону от обмоток, магнитные моменты обмоток должны быть такими, что в соседних парах обмоток они образуют углы, знаки которых одинаковы. Соседство обмоток определяется не по группам, а по переходу в сборке от обмотки к обмотке в продольном направлении. Знак угла (плюс или минус) определяется при сравнении с продольным направлением ОХ и/или вертикальной (при показанном на фиг.4 расположением) плоскостью XOZ. Если угол при переходе от первого вектора ко второму отсчитывается против часовой стрелки, это может быть принято как положительно значение угла, а если по часовой стрелке - как отрицательное значение угла (могут быть приняты и обратные определения, но определившись со способом определения знака угла, способ должен оставаться постоянным). При переходе в сборке от обмотки к обмотке в направлении, обратном продольному направлению, углы меняют свой знак. В случае сборки обмоток или электромагнитов по настоящему изобретению смена знаков углов происходит одинаково для всех пар векторов соседних обмоток (электромагнитов).
На фиг. 5 показан график распределения магнитного поля сверху (линия 51) и снизу (линия 52) от сборки обмоток (их соответствующее расположение схематично (как вид сбоку) показано над графиком). Видно, что на всем протяжении полученного таким образом электромагнитного устройства наблюдается асимметрия магнитного поля, то есть величина 51 поля сверху всегда больше величины 52 поля снизу, и в некоторых положениях их соотношение достигает величин более 6. На фиг. 6 показано распределение поля для случая, когда рядом с продольным смещением установлены два устройства (в зеркальном виде) сходные с теми, которые изображены на фиг. 4. Две обмотки в центре относятся к разным устройствам, то есть не входят в одно устройство. Очевидно, что асимметрия поля сохраняется на всем протяжении такого электромагнитного устройства, составленного из двух устройств.
71
75
81
89
При переходе точки наблюдения от обмотки к обмотке вдоль продольного направления, как это можно увидеть, например, на фиг. 7 или 8, наблюдается поворот (вращение) магнитного момента в вертикальной плоскости, которая включает в себя вектор, определяющий продольное направление. Этот поворот осуществляется в одном и том же направлении (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Например, на фиг. 7 при переходе от обмотки 71 к обмотке 75 последовательно через обмотки 72-74 магнитные моменты m-m как бы поворачиваются по часовой стрелке. Аналогично на фиг. 8 при последовательном переходе по обмоткам 81-89 магнитные моменты m-m как бы поворачиваются также по часовой стрелке. Величина угла, на который происходит поворот (то есть угла между векторами), может иметь различные значения, например от 45° до 135°, она может изменяться от одной пары обмоток к другой или оставаться постоянной. В предпочтительном варианте магнитные моменты соседних обмоток образуют угол 90° между собой для каждой соседней пары обмоток в сборке, как это показано на фиг. 4, 7, 8 и 13-15.
Взаимная ориентация магнитных моментов обмоток (электромагнитов) может быть определена, как отмечалось выше, и через векторное произведение. Результат векторного произведения магнитных моментов двух соседних обмоток (обмоток, одна из которых относится к первой группе, а другая ко второй), представляющего собой также вектор, для всех подобных пар сборки обмоток направлен в одну и ту же сторону относительно вертикальной плоскости XOZ на фиг. 4. Вертикальная плоскость, как уже отмечалось, содержит в себе продольное направление, а магнитные моменты принадлежат плоскости, параллельны ей или незначительно отклоняются от нее - в любом из этих вариантов магнитные моменты имеют ненулевые проекции на вертикальную плоскость. Таким образом, для сборки обмоток в соответствии с настоящим изобретением может быть определено множество вертикальных плоскостей. В предпочтительном варианте продольной плоскостью считается та плоскость, проекции магнитных моментов обмоток на которую имеют максимальное или в среднем максимальное значение. Как уже отмечалось, в качестве такой вертикальной на фиг. 4 плоскости XOZ может быть принята плоскость, образуемая парой магнитных моментов какой-либо пары соседних обмоток (электромагнитов), например обмоток 41 и 42 или 42 и 43.
Хотя настоящее изобретение относится в том числе и к устройству, представляющему собой сборку из двух или трех обмоток (электромагнитов, катушек), как это показано на фиг. 1 и 4, в предпочтительных вариантах осуществления используются сборки из четырех, пяти и более обмоток. Например, на фиг. 7, 11 и 13 показаны устройства с пятью обмотками, на фиг. 9 приведен график для 6 обмоток, на фиг. 14 и 15 показано устройство с семью обмотками, на фиг. 8 показано устройство с девятью обмотками, а на фиг. 10 и 12 приведены график для устройств из двенадцати обмоток. В таких сборках геометрический центр, по меньшей мере, одной обмотки первой группы расположен между геометрическими центрами обмоток второй группы вдоль продольного направления, а геометрический центр, по меньшей мере, одной обмотки второй группы сборки расположен между геометрическими центрами обмоток первой группы сборки вдоль продольного направления (в сборке из трех обмоток вторая группа обмоток состоит (заменена) из одной обмотки). В преимущественном варианте выполнения, по меньшей мере, одна обмотка первой группы расположена между обмотками второй группы вдоль продольного направления, а, по меньшей мере, одна обмотка второй группы расположена между обмотками первой группы вдоль продольного направления. В одном из применяемых вариантов выполнения устройство может содержать семь, восемь, девять, десять или более обмоток, распложенных в соответствии с настоящим изобретением вдоль продольного направления, параллельного длинномерному объекту, вдоль которого перемещается электромагнитное устройство (например, ферромагнитной направляющей или проводящей поверхности при обеспечении магнитной левитации).
73
72
74
71
75
На фиг. 7 видно, что магнитное поле, создаваемое обмоткой 73 (магнитный момент m направлен вверх) делится обмотками 72 и 74 (каждый из магнитных моментов m и m направлен от обмотки 73 и в разные стороны друг относительно друга) на две части, которые захватываются обмотками 71 и 75 (магнитные моменты m и m направлены вниз). Также можно сказать, что в обмотке 73 суммируется магнитное поле с двух сторон, то есть от обмоток 71, 72 и 74, 75. В любом случае в обмотке 73 магнитное поле будет сильнее, чем в обмотках 71 и 75. Это означает, что распределение магнитного поля устройства, показанного на фиг. 7 и содержащего пять обмоток, будет неравномерным.
81
82
83
84
85
83
84
85
86
87
85
86
87
88
89
Для устранения такой неравномерности поля устройство согласно настоящему изобретению может использовать большее количество обмоток (предпочтительно нечетное), например семь обмоток, как это показано на фиг. 7 и 8, девять обмоток, как это показано на фиг. 8 или больше. На фиг.8 магнитное поле обмотки 83 будет больше по абсолютной величине напряженности магнитного поля обмотки 81, поскольку в соответствии с магнитными моментами m, m, m, m и m магнитное поле обмотки 83 распределяется на два потока обмотками 82 и 84, далее поступающих в обмотки 81 и 85 (аналогично обмоткам 71, 72, 73 и 74 на фиг. 7). В то же время магнитное поле обмотки 85 будет равно по абсолютной величине напряженности магнитного поля обмотки 83 и обмотки 87, поскольку в соответствии с магнитными моментами m, m, m, m и m магнитное поле обмотки 85 распределяется на два потока обмотками 84 и 86, далее поступающих в обмотки 83 и 87. Магнитное поле обмотки 87 в соответствии с магнитными моментами m, m, m, m и m также распределяется на два потока обмотками 86 и 88, далее поступающих в обмотки 85 и 89, поэтому магнитные поля обмоток 83, 85 и 87 будут равны по напряженности. Так как поля обмоток 81 и 89 не распределяется на потоки, а целиком переходят через обмотки 82 и 88 в поля обмоток 83 и 87, соответственно, магнитные поля обмоток 81 и 89 будут отличаться от магнитных полей обмоток 83, 85 и 87 по напряженности, проявляется тем самым краевые эффекты. Таким образом, чем больше обмоток в одном электромагнитном устройстве (в одной сборке обмоток) в соответствии с настоящим изобретением, тем на большей длине устройства возможно получить равномерное магнитное поле.
На фиг. 9 и 10 показаны результаты вычислений магнитных полей для сборки из 6 обмоток и 12 обмоток, соответственно (они показаны над соответствующим графиком). Соседние обмотки для обоих графиков расположены под углом 90°, а векторные произведения магнитных моментов соседних обмоток направлены в одно и то же полупространство, получаемое делением общего пространства плоскостью, задаваемой магнитными моментами соседних обмоток. На фиг. 9 линия 91 и на фиг. 10 линия 101, характеризующие величины магнитного поля сверху устройств, всегда больше линии 92 и линии 102, соответственно, характеризующих величины магнитного поля снизу устройства, что говорит об устойчивой асимметрии магнитного поля на всем протяжении устройств.
Технический результат настоящего изобретения будет достигаться не только в случае, когда все магнитный моменты преимущественно лежат в вертикальной плоскости, но и в случае, когда они отклоняются от нее, но их проекции на плоскость не равны нулю. Поэтому, для удобства определения использования изобретения можно постулировать, что магнитные моменты электромагнитов образуют с вертикальной плоскостью, углы от 0° с отклонениями до +/- 45° или 180° с отклонениями до +/- 45° - то есть векторы могут составлять с плоскостью углы в абсолютном значении до 45°. В целом технический результат будет достигаться и при углах, больших по абсолютному значению, чем 45°, но сам результат будет иметь меньшую величину, то есть такое электромагнитное устройство будет менее эффективно выполнять свои функции. Здесь и в описании в целом геометрическое расположение направлений и плоскостей задается лишь для удобства соответствия с изображениями на чертежах и не преследует ограничительные цели - то есть на практике в зависимости от расположения сборки указанные плоскости и направления могут располагаться в других направлениях.
В частности, магнитные поля будут иметь заметные значения в обеих полуплоскостях, полученных делением вертикальной плоскости линией, проходящей через один из центров обмоток в продольном направлении (или горизонтальной плоскостью, в которой лежат обмотки первой группы и которая параллельна плоскости XOZ на фиг. 1 и 4, или плоскостью, формируемой осями ОХ и OY на фиг. 13), в то время как в предпочтительном варианте выполнения, когда магнитные моменты лежат в или параллельны вертикальной плоскости, магнитное поле будет сосредоточено в основном в одной из этих полуплоскостей (верхней или нижней), а в другой оно будет пренебрежимо мало. Однако, поскольку основным техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение несимметричности распределенного магнитного поля, в том случае, если углы магнитных моментов с продольной плоскостью будут иметь больше по абсолютной величине значения, чем 45°, но будет достигаться заметная и достаточная несимметричность магнитного поля (например, в 2 раза, в 1,5 раза и т.п.), то изобретение должно считаться использованным.
111
113
115
112
113
Аналогичный подход должен использоваться и к определению угла с продольным направлением. В преимущественном варианте осуществления магнитные моменты первой группы обмоток устройства (сборки), как это показано на фиг. 4, 7, 8 и 13-15 образуют с продольным направлением углы 90° или -90°, то есть перпендикулярны ему (проекции векторов на направление равны нулю, точнее говоря представляют собой точки), а магнитные моменты второй группы обмоток устройства (сборки) образуют с продольным направлением углы 0° или 180°, то есть совпадают с ним, параллельны или антипараллельны ему (проекции векторов на направление имеют максимальные значения, совпадающие с самими векторами). Однако технический результат настоящего изобретения будет достигаться и в тех случаях, когда магнитные моменты обмоток не только перпендикулярны, параллельны или антипараллельны продольному направлению, но и образуют с продольным направлением углы, отличающиеся от указанных. Такой случай показан на фиг. 11. В таких случаях проекции магнитных моментов m, m и m первой группы обмоток 111, 113, 114 на продольное направление могут иметь относительно небольшую величину, а проекции магнитных моментов m и m второй группы обмоток 112 и 114 на продольное направление могут иметь величину, незначительно отличающуюся от длин самих векторов (на фиг. 11 они соответствуют для обмоток 112 и 114, которые установлены вертикально). Таким образом, для электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением может быть определено множество продольных направлений; в предпочтительном варианте продольным направлением считается то направление, проекции магнитных моментов обмоток первой группы на которое имеют минимальное или в среднем минимальное значение, а проекции магнитных моментов обмоток второй группы на которое имеют максимальное или в среднем максимальное значение.
На фиг. 12 показан результат моделирования магнитного поля для устройства, состоящего из двенадцати обмоток, четыре из которых расположены горизонтально, а остальные под углом +120° или -120° по отношению к продольному направлению (пример расположения показан над графиком). «Вращение» магнитного момента в устройстве происходит против часовой стрелки каждый раз на 120°. То есть угол между магнитными моментами соседних обмоток составляет 120° (или -120°, если отсчитывать в противоположном направлении). В результате векторные произведения магнитных моментов соседних обмоток будут направлены в одну и ту же сторону (полупространство) от плоскости, образуемой парой магнитных моментов соседних обмоток. Вычисления показывают, что магнитное поле такого устройства также обладает асимметрией, что видно по тому, что величина 121 поля сверху всегда больше величины 122 поля снизу на всем протяжении устройства.
Ввиду того, что технический результат настоящего изобретения будет достигаться и в том случае, когда магнитные моменты обмоток образуют с продольным направлением углы, отличающиеся от 90° или -90° и 0° или 180°, то для удобства определения использования изобретения можно определить, что магнитные моменты первой группы обмоток образуют с продольным направлением углы 90° с отклонениями до +/- 45° или -90° с отклонениями до +/-45°, а магнитные моменты второй группы обмоток образуют с продольным направлением углы 0° с отклонениями до +/-45° или 180° с отклонениями до +/-45°. То есть, магнитные моменты первой группы обмоток могут образовывать углы с направлениями, перпендикулярными продольному направлению, в абсолютном значении до 45°. В то же время магнитные моменты второй группы обмоток могут образовывать с продольным направлением углы в абсолютном значении до 45°. В целом технический результат будет достигаться и при углах больших по абсолютному значению, чем 45°, но сам результат будет иметь меньшую величину, то есть, такое электромагнитное устройство будет менее эффективно выполнять свои функции. В частности, магнитные поля могут иметь заметные значения в обеих полуплоскостях, полученных делением вертикальной плоскости линией, проходящей через один из центров электромагнитов в продольном направлении (или горизонтальной плоскостью XOY на фиг. 4, параллельно которой лежат обмотки первой группы), в то время как в предпочтительном варианте выполнения, когда магнитные моменты лежат в или параллельны продольной плоскости, магнитное поле будет сосредоточено в основном в одной из этих полуплоскостей, а в другой оно будет пренебрежимо мало. Также у магнитных полей в реализации устройства с отклонениями ориентации, большими, чем это указано, может быть неоднородная или изменяющаяся структура поля. Однако, поскольку основным техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение несимметричности распределенного магнитного поля, в том случае, если указанные углы будут иметь больше по абсолютной величине значения, чем 45°, но будет достигаться заметная и достаточная несимметричность магнитного поля (например, в 2 раза, в 1,5 раза и т.п.), то изобретение должно считаться использованным.
Описанные электромагнитные устройства, представляющие собой сборки обмоток (электромагнитов), позволяют создавать магнитное поле только с одной стороны устройства (или, другими словами, с асимметрией магнитного поля), обеспечивая при этом распределенное магнитное поле, величина которого может корректироваться изменением электрического тока, пропускаемого через обмотки. Путем изменения направления тока в обмотках одной из групп обмоток (электромагнитов) также возможно менять сторону, в которой создается магнитное поле без механических перемещений или поворотов.
Помимо того, что магнитное поле распределено, по меньшей мере, по площади внутри обмотки (при этом сердечник может и отсутствовать, что снижает массу и удешевляет сборку в целом в связи с отсутствием расхода на материал сердечника, например железа или стали, и снимает ограничение на уровень магнитного поля, накладываемое степенью насыщения стали или ферромагнитного материала сердечника), оно также распределено и в продольном направлении за счет нескольких обмоток первой группы, располагающихся вдоль этого направления. Для того, чтобы поле было распределено и в направлении, поперечном продольному и пролегающему в плоскости, в которой расположены электромагниты первой группы (на фиг. 4 параллельно горизонтальной плоскости XOY), возможно располагать рядом несколько рядов подобных сборок обмоток. Однако такая конфигурация может создавать дополнительные сложности с коммутацией подводящих проводов/кабелей. Кроме того, в случае круглых электромагнитов (обмоток), как показано на фиг. 1 и 4, будет наблюдаться неплотная упаковка, а применение квадратных, прямоугольных, ромбических электромагнитов (обмоток) или других видов форм со значительными изгибами ограничивает величину магнитных полей, которые могут формировать эти электромагниты (обмотки), поскольку изгибы проволоки, из которой формируются обмотки, на углах квадратных электромагнитов подвержены эффекту расплющивания сечения, что может привести к разрушению или повышенному электрическому сопротивлению обмотки.
Для устранения необходимости применения множеств параллельных сборок обмоток в соответствии с изобретением и избегания проблем с коммутацией и разводкой коммуникацией, подводящих токи, а также для обеспечения возможности создания сильных магнитных полей, по меньшей мере, часть обмоток устройства может иметь в поперечном направлении по оси OY, перпендикулярном вертикальной плоскости XOZ на фиг. 4, вытянутую форму. На фиг. 13 это направление соответствует оси OY, вдоль которой обмотки 131-135 вытянуты (показанная форма обмоток обычно называется рейстрековой). При этом на краях подобных вытянутых электромагнитов обмотки могут иметь закругленную форму, вследствие чего в обмотках подобных электромагнитов отсутствуют изломы и обеспечена возможность беспрепятственного пропускания больших токов, которые могут формировать сильные магнитные поля, распределенные в сборке по площади.
131
135
Как показано на фиг. 6 в электромагнитном устройстве с такими вытянутыми обмотками 131-135 магнитные моменты m-m расположены так, чтобы образовывалось электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением вдоль продольного направления, задаваемого осью ОХ. По оси OY показанное устройство содержит одну обмотку, однако в некоторых случаях могут формироваться и двумерные устройства в соответствии с настоящим изобретением, когда обмотки устанавливаются так, чтобы магнитные моменты обмоток формировали требуемое распределение (расположение) по двум направлениям.
Устройство на фиг. 13 по количеству обмоток соответствует устройству на фиг. 7 и отличается лишь обратными направлениями магнитных моментов обмоток. В связи с этим устройству на фиг. 13, также как и устройству на фиг. 7, будет присуща проблема неравномерности магнитного поля. Для решения этой проблемы может использоваться большее количество обмоток, как это показано на фиг. 14 и 15.
141
147
На фиг. 14 показан разрез устройства, причем на обмотках 141-147 показано направления течения тока: точка означает ток, направленный на наблюдателя, а крестик означает, что ток направлен от наблюдателя. На фиг. 15 показан вид сверху того же устройства, где также отображены направления токов с помощью стрелок. Направления магнитных моментов m-m на фиг. 14 определены по правилу буравчика. Электромагнитная система на фиг. 14 располагается на высоте h над проводящей поверхностью 140. На фиг. 15 видно, что благодаря удлиненной форме обмоток 141-147 устройство закрывает большую часть площади проводящей поверхности 140.
Дополнительным преимуществом устройства в последнем варианте является то, что обеспечивается компактность устройства в целом, поскольку достигается распределение магнитного поля по площади при относительно малой толщине устройства в высоту в вертикальном направлении (перпендикулярном продольному и поперечному направлениям). Высота сборки будет зависеть от толщины обмоток первой группы, а также от высоты обмоток второй группы, которые располагаются преимущественно в вертикальном направлении. Высота обмоток второй группы может быть сделана соответствующей толщине обмоток первой группы, а значит, толщина всей сборки обмоток (устройства) будет соответствовать толщине обмоток первой группы. Таким образом, благодаря такой плоской структуре устройства может быть достигнута компактность при обеспечении сильного магнитного поля, распределенного по площади, причем указанное поле наблюдается только с одной стороны устройства. Одновременно с этим обеспечивается снижение расхода материала и снижение веса устройства благодаря устранению сердечников электромагнитов.
Ввиду того, что для формирования сильных магнитных полей в обмотках необходимо пропускать сильные токи, между противоположными сторонами одной и той же обмотки и между прилегающими сторонами соседних и расположенных рядом обмоток могут действовать силы большой величины (по закону Ампера). Для того, чтобы обмотки не деформировались, они могут быть механически скреплены в электромагните, в состав которого они могут входить, а электромагниты могут быть соединены между собой. В частности, могут быть соединены друг с другом электромагниты первой группы электромагнитов (обмоток) и/или же электромагниты второй группы электромагнитов (обмоток) могут быть соединены с электромагнитами первой группы электромагнитов (обмоток).
Обмотки второй группы могут располагаться различным образом в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой находятся обмотки первой группы. На фиг. 11 показан вариант, когда обмотки 112 и 114 второй группы могут находиться своими геометрическими центрами в плоскости обмоток первой группы (например в плоскости обмотки 113). В таких случаях между разными участками обмоток первой и второй групп в зависимости от направлений токов будут действовать разнонаправленные силы, которые могут иметь примерно одинаковые величины. В тех же вариантах, когда обмотки второй группы располагаются между обмотками первой группы так, что между обмоток первой группы находится обмотка второй группы, то при ориентации магнитным моментов в соответствии с настоящим изобретением токи в прилегающих участках обмоток первой и второй групп будут сонаправленными, и, значит, между ними будет в соответствии с законом Ампера действовать сила притяжения. Такой вариант показан на фиг. 14, где видно, что направления токов на прилегающих участках троек обмоток (141, 142, 143), (143, 144, 145) и (145, 146, 147) совпадают для каждой тройки. Благодаря этому в ряде случаев могут снижаться требования к крепежной арматуре, поскольку силы отталкивания будут значительно меньше ввиду удаленности участков обмоток с разнонаправленными токами.
В некоторых вариантах выполнения часть или все обмотки любого вышеописанного устройства могут быть выполнены сверхпроводящими. Для этого они могут быть охлаждены до появления эффекта сверхпроводимости, например, путем размещения в емкости с жидким азотом или гелием. Это обеспечит более сильные асимметричные магнитные поля, которые могут быть легко переориентированы.
Любые из описанных вариантов электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением могут применяться в различных областях техники. Одним из преимущественных применений таких сборок благодаря возможности формировать управляемые по величине и направлению магнитные поля являются транспортные системы с магнитной левитацией. В частности, сборки в соответствии с настоящим изобретением могут применяться в путепровод для транспортного средства, перемещающегося с использованием магнитной левитации. Устройства в таком путепроводе могут использоваться для того, чтобы создавать магнитное поле около путепровода, обеспечивающее подъемную силу для транспортного средства, позволяя тому левитировать над путепроводом. Для этого устройства могут располагаться таким образом, что продольная плоскость устройства, с которой магнитные моменты обмоток устройства образуют углы в пределах до +/- 45° или 180° с отклонениями до +/- 45°, составляет с направлением перемещения транспортного средства угол от -45° до 45° или 180° с отклонениями до +/-45°, а в предпочтительном варианте продольная (параллельная горизонтальной плоскости XOY на фиг. 4) плоскость сборки (устройства) параллельна направлению перемещения транспортного средства.
Устройства в соответствии с настоящим изобретением также могут устанавливаться и на транспортном средстве, предназначенном для перемещения по путепроводу с использованием магнитной левитации. Устройства могут использоваться в магнитном подвесе, входящем в состав транспортного средства. Устройства в магнитном подвесе применяются для того, чтобы создавать магнитное поле около транспортного средства, обеспечивающее подъемную силу для транспортного средства относительно путепровода, позволяя транспортному средству левитировать над ним. Для того, чтобы магнитное поле обеспечивало левитацию, устройства могут быть расположены таким образом, что продольная плоскость устройства, с которой магнитные моменты обмоток устройства образуют углы от -45° до 45° или 180° с отклонениями до +/- 45°, составляет с направлением перемещения транспортного средства вдоль путепровода угол от -45° до 45° или 180° с отклонениями до +/- 45°. В преимущественном варианте плоскость устройства параллельна направлению перемещения транспортного средства вдоль путепровода. При этом путепровод для обеспечения левитации должен иметь ферромагнитную направляющую и/или проводящую поверхность.