Устройство магнитной системы левитации для устойчивого высокоскоростного перемещения грузов
DEVICE OF MAGNETIC LEVITATION SYSTEM FOR STABLE HIGH-SPEED MOVEMENT OF CARGOES

Область техники.
Изобретение относится к транспорту на основе индукционной магнитной левитации на постоянных магнитах, конкретно - к магнитным подвесам.
Уровень техники.
Магнитная левитация транспорта интересна в первую очередь как возможность перемещать грузы или людей с высокой скоростью. При этом желательно использовать системы, которые надежны, просты в эксплуатации и строительстве. Этим требованиям отвечает система Inductrack на постоянных магнитах из сплава неодим-железо-бор. В этой системе массивы из постоянных магнитов устанавливаются на магнитных подвесах, которые крепятся к грузовой платформе. Магнитное поле этих массивов, собранных по схеме Халбаха [1], при движении индуцирует токи в путевых дорожках, приводящих к появлению подъемной силы. В качестве путевых дорожек используются алюминиевые или медные листы. В последних конструкциях системы Inductrack устойчивость поддерживается за счет двухскатной конфигурации путевой дорожки и расположения части магнитов под плоскостью дорожки [2]. В настоящее время в Китае, США, Японии ведутся работы по созданию транспорта на магнитной подушке способного двигаться со скоростью 600 км/ч и более. При высоких скоростях и с учетом возможных траекторий движения вопрос устойчивости транспорта становится одним из важнейших из-за рельефа местности и аэродинамических нагрузок. Раскрытие изобретения.
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является создание на постоянных магнитах устройства магнитной левитации транспортной платформы и повышение устойчивости ее движения на высоких скоростях.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство состоит из прикрепленных посредством опор к грузовой платформе подвесов, содержащих замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала, магнитных подвесов с постоянными магнитами и путевых дорожек, над которыми при движении грузовой платформы перемещаются магнитные подвесы с образованием индукционных токов, причем магнитные подвесы имеют форму пустотелого цилиндра или многогранной пустотелой призмы с продольным разрезом, поверхности подвесов покрыты постоянными магнитами, собранными по схеме Халбаха, путевыми дорожками служат параллельные трубы из электропроводного немагнитного материала, причем внешняя поверхность трубы каждой путевой дорожки в сечении повторяет контур сечения внутренней поверхности магнитного подвеса, на грузовой платформе, вне путевых дорожек установлен, по меньшей мере, один подвес содержащий замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала, имеющий форму многогранной призмы или цилиндра.
Есть вариант, когда трубы путевых дорожек имеют продольный разрез для крепления к дорожным опорам. Есть вариант, когда трубы путевых дорожек полностью или частично заполнены не электропроводным и немагнитным материалом.
В отличие от существующих решений, за счет размещения магнитных подвесов с постоянными магнитами, собранными по схеме Халбаха, над путевыми дорожками предлагаемой формы, создаются большие силы демпфирования перемещения грузовой платформы во всех направлениях перпендикулярных движению, что повышает ее устойчивость. Конструкция путевой дорожки делает простой ее сборку, а также позволяет выдержать большие нагрузки во всех направлениях. Влияние погодных условий (снег, град) на движение грузовой платформы можно устранить, установив навес из композиционного немагнитного материала над путевыми дорожками и зоной перемещения грузовой платформы.
Известно [3], что подвесы, покрытые магнитами по схеме Халбаха, отвечают за подъемную силу, возникающую при их движении над электропроводящей поверхностью.
Подвесы, содержащие замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала и установленные под грузовой платформой между путевых дорожек (вне путевые подвесы), предназначены для создания тяговой силы платформы. Для этого вдоль движения вне путевых подвесов размещаются электромагниты, которые представляют собой индукционные катушки. При пропускании тока через электромагниты в замкнутых электропроводных контурах вне путевых подвесов наводятся индукционные токи, взаимодействие которых с электромагнитами приводит к появлению тяговых сил, действующих вдоль направления движения грузовой платформы. Торможение осуществляется за счет токов Фуко в путевых дорожках и изменения направления тока в электромагнитах.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показан прототип устройства магнитной системы левитации на постоянных магнитах, собранных по схеме Халбаха, состоящий из двухъярусного подвеса с магнитами и двухскатной путевой дорожки.
На фиг. 2 показан вариант магнитного подвеса в виде треугольной призмы с продольным разрезом, поверхность которого покрыта постоянными магнитами по схеме Халбаха, расположенного над путевой дорожкой, сечение трубы которой повторяет форму сечения поверхности треугольной призмы магнитного подвеса.
На фиг. 3 показаны по направлению движения платформы вне путевой подвес в виде прямоугольной призмы и электромагниты, расположенные между путевыми дорожками.
На фиг. 4 показан вид сбоку на вне путевой подвес в виде прямоугольной призмы, содержащий замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала.
На фиг. 5 показан вид сверху варианта расположения магнитных подвесов на платформе с локализаций их над путевыми дорожками и расположенного между путевыми дорожками вне путевого подвеса вместе с группой электромагнитов, соединенных электрическими кабелями. Осуществление изобретения.
Для иллюстрации предыдущих разработок на фиг. 1 показано устройство прототипа, состоящее из подвеса, имеющего боковые плоскости (4) над и под путевой дорожкой и саму путевую дорожку (5). На плоскостях подвесов установлены постоянные магниты, собранные по схеме Халбаха (3). Подвесы крепятся к грузовой платформе (1) с помощью опоры (2). Путевая дорожка представляет собой плоскую поверхность (5), поддерживаемую консольной конструкцией (6). Плоскость подвеса с магнитами под путевой дорожкой отвечает за силы демпфирующие перемещения в направлениях перпендикулярных движению. Из-за консольности поддерживающей конструкции демпфирующие силы значительно меньше подъемной силы даже в вертикальном направлении. Увеличение боковой демпфирующей силы за счет роста угла наклона путевой дорожки ведет к уменьшению подъемной силы.
Вариант устройства магнитного подвеса в виде пустотелой треугольной призмы с разрезом, протяженной вдоль направления движения, представлен на фиг. 2. Подвес (4) с установленными на его поверхности постоянными магнитами (3), собранными по схеме Халбаха, находится над путевой дорожкой (5), имеющей в данном примере форму треугольной призмы с разрезом. Призма поддерживается путевой опорой (6) из не электропроводного и не магнитного материала, который в данном примере полностью заполняет призму путевой дорожки.
Магнитный подвес с помощью опоры (2) крепится к грузовой платформе (1). Путевая дорожка выполнена из электропроводного немагнитного металла, например алюминия. Верхняя и боковые грани призмы путевой дорожки -могут быть собраны из отдельных листов алюминия. Установка верхней грани путевой дорожки под небольшим углом к горизонту позволяет уменьшить вероятность задержки посторонних предметов на поверхности путевой дорожки.
При движении подвеса с магнитами, собранными по схеме Халбаха, в верхней части путевой дорожки возникают индукционные токи, приводящие к появлению подъемной силы. Индукционные токи, возникающие в боковых гранях путевой дорожки, препятствуют отклонению платформы вверх и в бок, тем самым повышая ее устойчивость при движении. На фиг. 3 приведен вне путевой подвес в виде прямоугольной призмы, содержащий замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала и электромагниты, соединенные электрическим кабелем. Показан вид вдоль направления движения платформы (1). Для устранения возможности попадания посторонних тел на поверхность путевой дорожки установлен навес (7). В данном примере к платформе между путевыми дорожками с помощью опоры (8) прикреплен, по меньшей мере, один вне путевой подвес (9), имеющий форму прямоугольной призмы, содержащий замкнутые контуры из электропроводного немагнитного материала. Вне ' путевой подвес находится между электромагнитами (10). С помощью кабеля (11) электромагниты последовательно подсоединены к линии трехфазной сети. Во время нахождения подвеса между электромагнитами каждая линия трехфазной сети (остальные две линии на чертеже не показаны) подключается через коммутатор к источнику питания (на чертеже не показаны) и отключается во время выхода подвеса из пространства электромагнитов. Когда через электромагниты проходит ток, в замкнутых контурах из электропроводного немагнитного материала вне путевого подвеса возникают индукционные токи, взаимодействие которых с электромагнитами приводит к появлению тяговой силы, действующей на эти подвесы вдоль направления движения. Вне путевые подвесы являются ротором, а электромагниты статором линейного двигателя.
На фиг. 4 показан вид сбоку на вне путевой подвес в виде прямоугольной призмы (9), содержащий замкнутые контуры (12) из электропроводного немагнитного материала. В качестве такого материала можно использовать алюминий, медь. Конструкция аналогична короткозамкнутому ротору асинхронного двигателя. Индукционный ток, вызванный электромагнитами, приводит к нагреву замкнутых контуров. Охлаждение происходит воздушным потоком во время движения вне путевого подвеса.
На фиг. 5 показан вид сверху на платформу (1) с одним из вариантов расположения на ней магнитных подвесов (4) с магнитами, собранными по схеме Халбаха (3), находящихся над путевыми дорожками (5) и по меньшей мере, один вне путевой подвес (9) вместе с электромагнитами (10). Путевые дорожки опираются на путевые опоры (6), которые сделаны из не электропроводного и немагнитного материала и заполняют полностью или частично трубы путевых дорожек. Над двумя трубами путевых дорожек (5) друг за другом находятся магнитные подвесы, покрытые магнитами по схеме Халбаха (3).Такое расположение магнитных подвесов, позволяет равномерно распределить силы поддерживающие платформу. Электромагниты подключены кабелями (11) к трехфазной сети питания через коммутаторы (12), стоящие на каждой фазе. Во время нахождения подвеса напротив электромагнитов коммутаторы включают и поддерживают включенными каждую группу электромагнитов к своей фазе и отключают фазу после выхода подвеса из области расположения этой группы электромагнитов. Размеры подвесов с поверхностями покрытыми магнитами по схеме Халбаха, а также размеры зазоров между его поверхностями и путевой дорожкой, определяют исходя из веса груза, мощности требуемой для преодоления сил электродинамического торможения и необходимых демпфирующих усилий при движении. На основании теоретической работы [4] сделана оценка некоторых размеров магнитных подвесов грузовой платформы, зазоров между подвесами и путевой дорожкой, а также возможных демпфирующих сил. Для простоты расчета рассмотрен вариант магнитных подвесов в виде треугольной призмы с углом 45° между верхней и боковыми гранями. Магниты сделаны из сплава неодим-железо-бор. Подвесы находятся над двумя параллельными путевыми дорожками. Над каждой путевой дорожкой расположены два подвеса, поверхность которых покрыта магнитами по схеме Халбаха. Все четыре магнитных подвеса крепятся к грузовой платформе. Ширина разреза путевой дорожки принята равной 80 мм. Как вариант рассмотрена конструкция подвесов для подъемной силы в 40 кН. Расчеты показывают, что подъемная сила в 40 кН четырех подвесов с магнитами, собранными по схеме Халбаха, достигается при скорости ~3 м/с, длине каждого подвеса 0,85 м, ширине верхней грани 0,25 м, ширине каждой боковой грани 0,17 м и зазорах между плоскостями подвесов и путевой дорожкой равных 10 мм для верхних граней и по 42 мм для боковых граней. При скорости платформы 50 м/с, зазор между плоскостями подвесов и путевыми дорожками становится равным 20 мм для верхних граней и 35 мм для боковых граней. При таких зазорах сила, действующая на верхние грани и направленная вверх, составляет 66 кН, а сила, действующая на боковые грани и направленная вниз, составляет 26 кН. С дальнейшим ростом скорости эти силы и зазоры практически не меняются. Демпфирующая сила, препятствующая отклонению платформы в направлении перпендикулярном направлению движения, при смещении подвесов из этого положения на 25 мм вверх, составит 60 кН, а при смещении в боковом направлении на это же расстояние составит 30 кН. При скорости 167 м/с (600 км/час) сила электродинамического торможения составляет 9 кН. Для преодоления этой силы мощность тягового двигателя должна быть не менее 1.5 Мвт.
Ссылки:
1. Halbach К. Applications of permanent magnets in accelerators and electron rings. Journal of Applied Physics. 1985, vol.57, p. 3605.
2. Патент US 8578860, заявлен 07.03.2013, опубликован 12.11.2013, заявитель Richard F. Post. Inductrack 3 configuration a maglev system for high loads.
3. Патент US 5722326, заявлен 01.08.1998, опубликован 03.03.1998, заявитель Richard F. Post. Magnetic levitation system for moving objects.
4. Амосков B.M., Арсланова Д.Н., Базаров A.M. и др. Численное моделирование электродинамических подвесов левитационных транспортных систем с непрерывной путевой структурой. Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 10. Прикладная математика. 2015. Вып.3. С. 4-20.