МАГНИТНОЕ ПРИЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО
MAGNETIC CLAMPING DEVICE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти широкое применение, в первую очередь, на узкоколейных железных дорогах.
Уровень техники
Как известно, главной проблемой «малых» железных дорог является недостаточное тяговое усилие локомотива. На «полноформатных» магистралях тяговое усилие повышают за счет увеличения нагрузки на ведущие оси, которая сегодня достигает 28-30 тонн. Однако конструкция узкоколейного ходового пути не позволяет добиться увеличения тяги столь простым способом, поскольку резко увеличивает стоимость всех элементов ходового пути.
Достаточно давно было предложено использовать для решения указанной задачи магнитное взаимодействие, однако на практике подобные системы пока не используются.
Все дело в том, что сила взаимодействия «магнитных полюсов» зависит от квадрата индукции и площади полюсов:
o
-6
где µ=1,26·10 Гн/м;
B - индукция поля в зазоре между полюсами, Тл;
2
S - площадь каждого из симметричных полюсов, м.
Приведенная формула выполняется с точностью 10% лишь при малом зазоре z<0,1b, где b - минимальный размер прямоугольных или диаметр круглых полюсов.
2
2
Взяв индукцию порядка 1 Тл, получаем примерно 4 кг c на 1 см поверхности полюсов. Практика показывает, что даже при минимальном рабочем зазоре (z) получить усилие свыше 10 кг с/см не удается. Если же зазор составляет около 1 см, то прижимное усилие падает до 1-2 кг с. Поскольку ширина рабочей поверхности рельса сравнительно мала, осуществить идею магнитного прижима весьма непросто.
Хотя простейший расчет показывает проблематичность реализации магнитных прижимных устройств, все же имеет смысл сделать некоторый обзор подобных систем. Их можно разделить на две большие группы в соответствии с основным направлением магнитного потока.
Типичным примером системы с поперечным магнитным потоком может служить вспомогательное (стабилизирующее) устройство, описанное в патенте США №3941062 (2 марта 1976 года, МПК B61D 1/00). Здесь полюса расположены рядом, над рабочей поверхностью рельса. Точно такую конструкцию имеют магнитные «догружатели», используемые в трамвайных вагонах Усть-Катавского завода.
Недостаток системы этого типа вполне очевиден - между близко расположенными полюсами возникает заметный «поток рассеяния». Проще говоря, большая часть магнитного потока не идет сквозь рельс, а замыкается внутри электромагнита.
Второй вариант предполагает расположение магнитных полюсов один за другим вдоль рельса. Характерным примером может служить система, описанная в патенте США №3958669 (МПК B60L 7/00; B61C 15/04; 25 мая 1976 г.). Хотя здесь речь идет о «магнитном тормозе», на самом деле имеется в виду тот же самый магнитный прижим (АНАЛОГ).
Существенный недостаток систем второго типа связан с наличием стыков, прерывающих магнитный поток. Однако имеется более важная причина, ограничивающая применение систем второго типа. Проблему создает сама форма рельса, имеющего узкое «ребро» - поперечное сечение не позволяет пропустить достаточный магнитный поток.
В патентной литературе можно найти и «экзотические» решения, предполагающие монтаж магнитов внутри ведущих колес локомотива. Здесь примером может служить а.с. СССР №1409498 (МПК B61C 15/04). Однако автор не дал себе труда выполнить приближенную оценку прижимного усилия. С учетом всего ранее сказанного решение трудно признать эффективным. В качестве возражения можно также упомянуть чувствительность магнитов к толчкам и ударам, неизбежным при качении стального колеса по стальному рельсу. Похожая идея фигурирует в патенте США №7233221; однако автор сконструировал свое «магнитное колесо» таким образом, что источник магнитного поля не контактирует с поверхностью качения напрямую и тем самым предохранен от ударов.
В патентной литературе можно обнаружить и примеры устройств «комбинированного» типа, в которых источник поля расположен снаружи колеса, однако колесо при этом является частью магнитной цепи (пат. США №3516364).
По всей видимости, единственный возможный вариант - сочетать в одной системе продольный и поперечный потоки.
Кроме того, весьма перспективными для использования в магнитных прижимных устройствах являются новые магниты из керамики на основе Fe-B-Nd, выгодно сочетающие большую коэрцитивную силу и большую остаточную индукцию (1 Тл). Конечно, указанные магниты довольно дороги в сравнении с обычными. Однако в данном, конкретном применении цена вопроса тоже является немалой - фактически здесь речь идет о возрождении незаслуженно забытого вида транспорта.
Узкоколейная железная дорога имеет массу достоинств и обладает преимуществами по сравнению с автомобильным транспортом. Сторонники тотальной автомобилизации обычно ссылаются на высокую стоимость рельсового пути, почему-то полагая асфальтовое покрытие «бесплатным». Экономические расчеты показывают двойной выигрыш от «узкоколейки» - как в части разовых затрат на строительство, так и в части всех прочих затрат, учитывая растущую стоимость горючего.
ПРОТОТИП. За прототип для настоящего изобретения взято устройство, описанное в патенте США №4719861 (1988 г., МПК B61C 7/04; B61C 15/04; B61C 15/10). Здесь опять имеется в виду «магнитный тормоз», причем авторы решили выполнить свои магнитные блоки наподобие многополюсных индукторов линейного электродвигателя (ЛЭД). К сожалению, ввиду значительного объемного сопротивления рельсовой стали мощность в цепи переменного тока будет тратиться скорее на нагрев рельсов, нежели на создание тормозного усилия. Но прижимное усилие магнитных блоков, безусловно, при этом сохранится.
В качестве прототипа система взята благодаря четко выраженной конструктивной концепции, согласно которой магнитные блоки чередуются с приводными колесами (осями) локомотива. Именно «распределенная» тяга в совокупности с распределенным прижимным усилием позволяет добиться наилучших характеристик.
Задачей создания настоящего изобретения является разработка магнитного прижимного устройства на постоянных магнитах, обеспечивающего предельно возможное для определенного типоразмера «узкоколейных» рельсов прижимное усилие в расчете на 1 погонный метр ходового пути.
Раскрытие изобретения
Поставленная выше задача достигается согласно пункту 1 формулы изобретения за счет общих с прототипом признаков, таких как магнитное прижимное устройство для локомотива узкоколейной железной дороги, имеющее источники поля, протяженные по направлению рельсов, а также отличительных, существенных признаков - источники поля представляют собой плоские постоянные магниты, например, выполненные из керамики на основе Fe-B-Nd и намагниченные в вертикальном направлении, причем магниты по одну сторону устройства ориентированы согласно между собой, но обратно относительно магнитов, расположенных по другую сторону устройства, при этом противолежащие относительно ходового пути магниты объединены посредством поперечных магнитопроводов.
Пункт 2 формулы уточняет материал, из которого изготовлены поперечные магнитопроводы, соединяющие пары магнитов с обеих сторон устройства. Указанные детали конструкции выполнены из материала с остаточной намагниченностью, например из стали с содержанием хрома и углерода.
Пункт 3 формулы отражает важное для подобных систем новшество - зазоры между плоскими поверхностями магнитов и рабочими поверхностями рельсов заполнены упругим пористым материалом с относительно малым коэффициентом трения по стали, что позволяет избежать втягивания в зазоры посторонних ферромагнитных предметов.
Пункт 4 формулы отражает вариант системы, в котором каждый из рельсов имеет с внешней относительно ходового пути стороны вертикально ориентированные накладки из магнитомягкого железа, форма которых соответствует форме рельса.
Описание изобретения
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 дан поперечный разрез устройства.
С целью большей наглядности на фиг.1 показана только одна половина зеркально-симметричной конструкции, а также изменены пропорции деталей. На фиг.2 показаны возможные пути магнитных потоков в системе.
Позициями обозначены: 1 - рельс; 2 - магнит Fe-B-Nd; 3 - поперечный магнитопровод с собственной остаточной намагниченностью; 4 - упругий материал, заполняющий зазор; 5 - дополнительная накладка, 6 - крепежная рама (желательно - из немагнитного металла).
В отличие от ранее рассмотренных систем магнитный поток здесь является весьма разветвленным. Присутствует поперечный поток - он проходит сквозь рельсы и замыкается через немагнитную среду под ходовым путем. Вблизи концов магнитов потоки имеют выраженный продольный характер, однако замыкаются они опять же в поперечном направлении - частично через ведущие (приводные) оси, а частично через воздух между рельсами.
Собственная намагниченность элемента 3 необходима для снижения «потоков рассеяния» вблизи магнитов 2.
Разумеется, эффективная работа устройства возможна лишь при некоторой оптимальной длине магнитов 2. Реально для рельсов узкоколейного типа длина магнитов составляет примерно 500 мм, а ширина - примерно 50 мм. Магнитный поток через рельс в данном случае может достигнуть 20 мВб (1 Вебер=1 Тесла·1 кв. метр). Особо следует подчеркнуть, что сечение рельса позволяет пропустить продольный поток не более 5-6 мВб. Таким образом, поперечная компонента составляет примерно 50% общего магнитного потока.
Накладки 5 играют роль магнитопроводов, «дублируя» тонкое ребро рельса. Учитывая сложную форму поперечного сечения, накладки могут представлять из себя пакет листов разной ширины. В результате суммарное усилие одного блока может достичь 1 т.c.
Именно рациональное распределение магнитного потока является главным отличием настоящего устройства от ранее предложенных.