УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE MAGNETIC LEVITATION DEVICE

Изобретение относится к области магнитолевитационной транспортной технологии, а именно к конструкции узла (системы) магнитной левитации для достижения магнитодинамической левитации на стоянке, участках разгона и торможения транспортного средства.
Известно устройство «Electromagnetic Inductive Suspension and Stabilization System for a Ground Vehicle» - «Электромагнитная индуктивная подвеска и система стабилизации для наземных транспортных средств» (US №3,470,828; В61В 13/08; H01F 7/00; H02K 41/00, 07.10.1969). Электромагнитная индуктивная подвеска и система стабилизации для наземных транспортных средств содержит четыре сверхпроводниковых катушки, попарно расположенные на правом и левом бортах транспортного средства и создающие в направлении движения транспортного средства магнитное поле переменной полярности. На активной путевой структуре имеются горизонтальные и вертикальные короткозамкнутые электропроводящие контуры, установленные в два ряда с обеих сторон транспортного средства по направлению его движения. Горизонтальные и вертикальные короткозамкнутые электропроводящие контуры соответственно обеспечивают левитацию и боковую стабилизацию транспортного средства. В данном техническом решении при движении транспортного средства электромагнитное взаимодействие бортовых сверхпроводниковых катушек с горизонтальными короткозамкнутыми электропроводящими контурами создает подъемную силу, а с вертикальными короткозамкнутыми электропроводящими контурами - силу в горизонтальном боковом направлении тогда, когда вертикальные короткозамкнутые электропроводящие контуры смещаются влево или вправо от плоскости симметрии бортовых сверхпроводниковых катушек.
Однако установленные на активной путевой структуре горизонтальные и вертикальные короткозамкнутые контуры создают подъемную силу и боковую стабилизацию только при движении транспортного средства, причем переход транспортного средства в режим левитации происходит при высокой начальной скорости, вследствие чего транспортное средство для стоянки и передвижения на участках разгона и торможения нуждается в дополнительной установке вертикальных колес.
Известно устройство магнитодинамической левитации по технологии «Inductrack» (General Atomics Low Speed Maglev Technology Development Program (Supplemental #3). - Final Report. - FTA-CA-26-7025.2005. - May, 2005). Устройство магнитодинамической левитации «Inductrack» содержит установленные на несущей тележке транспортного средства бортовые постоянные магниты левитации и боковой стабилизации, собранные по схеме «массива Хальбаха», а на активной путевой структуре выполненные из электропроводящего материала плоские треки. Плоский трек из литцы представляет собой сборку из отрезков многожильного провода (литцы), которые накоротко соединены между собой в торцевой части. Плоский трек из ламината представляет собой пакет тонких электропроводящих листов с поперечной перфорацией. Сборка постоянных магнитов по схеме «массива Хальбаха» позволяет практически вдвое увеличить магнитную индукцию поля в левитационном зазоре, а горизонтально расположенные треки из литцы или ламината уменьшить потери на вихревые токи, что в совокупности повышает эффективность системы левитации и боковой стабилизации, позволяя снизить начальную скорость перехода транспортного средства в режим левитации.
Недостатками известного устройства являются невозможность обеспечения левитации транспортного средства на стоянке и, соответственно, потребность в дополнительной установке вертиткальных колес.
Известен аналог - электромагнитная система левитации транспортного средства (Deutsches Reichspatent DE643316 (С) - Schwebebahn mit raederlosen Fahrzeugen, die an eisemen Fahrschienen mittels magnetischer Felder schwebend entlang gefuehrt werden / Hermann Kemper. B60L 13/10. Дата уведомления о выдаче патента 11.07.1934 г., патент выдан 05.04.1937 г.), которое лежит в основе технологии «Transrapid» (Technology Comparison: High Speed Ground Transportation Transrapid Superspeed Maglev and Bombardier JetTrain / December 2002. - Sources for This Paper Federal Railroad Administration Transrapid Intemational-USA, Inc. Bombardier Transportation. - 17 с.), содержащее установленные в боковых камерах несущей тележки бортовые электромагниты левитации и боковой стабилизации с ферромагнитным сердечником, а на активной путевой структуре - набранный из листовой электротехнической стали ферромагнитный рельс. За счет притяжения снизу бортовых электромагнитов к ферромагнитному рельсу между транспортным средством и активной путевой структурой поддерживается левитационный зазор на стоянке, участках разгона, торможения и в пути. Электронная система регулирования тока бортовых электромагнитов левитации и боковой стабилизации, снабженная датчиками измерения зазора и обратной связью, обеспечивает левитацию на стоянке и при движении транспортного средства во всех скоростных режимах, не требуя дополнительной установки вертикальных колес.
Недостатками аналога являются сложность его конструкции и низкая эксплуатационная надежность, обусловленные необходимостью использования на борту транспортного средства силового источника питания электромагнитов и датчиков с электронной системой определения левитационного зазора, работающей с операционной скоростью 100 000 измерений в секунду.
Наиболее близким по технической сущности и получаемому положительному техническому результату к заявляемому «Устройству магнитной левитации транспортного средства» является «Maglev Planar Transportation Vehicle» - «Магнитолевитационное плоское транспортное средство» (J.-H. Park, Y.S. Baek. Design and Analysis of a Maglev Planar Transportation Vehicle / IEEE Transaction on Magnetics. - 2008. - V.44. - №7. - P. 1830-1836), в котором устройство левитации содержит вертикально установленные на борту транспортного средства электродвигатели с торцевыми магнитными колесами на валу, а в активной путевой структуре - электропроводящие элементы в виде шины.
В данном техническом решении электромагнитное взаимодействие вращающихся магнитных колес с электропроводящими шинами обеспечивает левитацию транспортного средства - на стоянке, при разгоне, торможении и в пути.
Однако установленные на борту транспортного средства электродвигатели с магнитными колесами имеют большую массу и габариты, ухудшая массогабаритные показатели транспортного средства, и требуют для своей работы мощные бортовые источники питания.
Задачей заявляемого изобретения является создание нового устройства магнитной левитации транспортного средства с малыми удельными массогабаритными показателями элемента устройства магнитной левитации транспортного средства, устанавливаемого на борту транспортного средства, и отсутствием энергетических затрат бортовых источников питания на левитацию.
Технический результат достигается тем, что в устройстве магнитной левитации транспортного средства, включающем вертикально установленные электродвигатели с торцевыми магнитными колесами на валу и электропроводящим элементом, электродвигатели с торцевыми магнитными колесами на валу установлены в активной путевой структуре, а электропроводящий элемент - на несущей тележке транспортного средства, причем магнитные колеса выполнены в виде торцевых дисков с сегментами из постоянных магнитов, верхняя плоскость которых совпадает с верхней плоскостью основания активной путевой структуры, а электропроводящий элемент выполнен в виде развернутой «беличьей клетки», установленной в пазах ферромагнитного сердечника в днище несущей тележки транспортного средства.
За счет применения в активной путевой структуре вертикально расположенных двигателей с закрепленными на валах торцевыми дисками с постоянными магнитами наиболее громоздкий и обладающий большой массой элемент устройства магнитной левитации транспортного средства устанавливается вне транспортного средства, улучшая его массогабаритные показатели, и исключается необходимость в бортовых источниках питания для обеспечения левитации.
За счет применения в устройстве магнитной левитации транспортного средства развернутых обмоток типа «беличьей клетки», установленных горизонтально в днище несущей тележки транспортного средства, упрощается конструкция и улучшаются левитационные качества устройства магнитной левитации транспортного средства.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурами 1, 2, 3, где:
на фиг.1 приведен чертеж (вид сверху) общего вида активной путевой структуры с вертикально установленными в ней электродвигателями с закрепленными на валах торцевыми дисками с постоянными магнитами в виде сегментов;
на фиг.2 приведен чертеж (продольный разрез) активной путевой структуры с вертикально установленными в ней электродвигателями и закрепленными на их валах торцевыми дисками;
на фиг.3 приведен чертеж (продольный разрез) развернутой обмотки типа «беличьей клетки» устройства магнитной левитации транспортного средства.
Сущность заявляемого технического решения состоит в следующем.
Устройство магнитной левитации транспортного средства устанавливается по его бортам. Оно содержит две линии электродвигателей 7, которые могут быть однотипными, с жестко посаженными на их валах торцевыми дисками 2, снабженными сегментами из постоянных магнитов 3 (фиг.1, 2). Электродвигатели 1 установлены в вертикальном положении в основании активной путевой структуры 4. Верхняя плоскость торцевых дисков 2 с сегментами из постоянных магнитов 3 совпадает с верхней плоскостью основания активной путевой структуры 4. Развернутую обмотку типа «беличьей клетки» из медных или алюминиевых стержней 5, замкнутых накоротко с торцов двумя электропроводящими шинами 6, вставляют в пазы ферромагнитного сердечника 7 без изоляции и устанавливают горизонтально вдоль обоих бортов в днище несущей тележки 8 транспортного средства (фиг.3). Медные или алюминиевые стержни 5 изготовляют путем заливки расплавленной меди или алюминия в пазы ферромагнитного сердечника 7. Вместе со стержнями 5 отливают и соединяющие их торцовые электропроводящие шины 6.
Устройство магнитной левитации транспортного средства работает следующим образом.
При пуске электродвигателей 1 магнитное поле, создаваемое вращающимися вместе с торцевыми дисками 2 сегментами из постоянных магнитов 3, наводит ток в короткозамкнутых стержнях 5 электропроводящими шинами 6. Взаимодействие наведенного тока с вращающимся магнитным полем создает подъемную силу, которая передается через ферромагнитный сердечник 7 на днище несущей тележки 8 транспортного средства, в результате чего транспортное средство, оставаясь неподвижным, начинает левитировать. Для улучшения эффективности работы устройства магнитной левитации транспортного средства вращение рядом расположенных электродвигателей 1 производят в противоположных направлениях (например, один электродвигатель - по часовой стрелке, другой - против часовой стрелки) с одинаковой частотой и так, чтобы одинаково намагниченные сегменты из постоянных магнитов 3 совпадали по фазе вращения. Таким образом, на стоянке, участках разгона и торможения обеспечивается магнитная левитация транспортного средства.