Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ѕоезд на магнитной подушке (подвеске)




 

јппараты на магнитной подвеске оказываютс€ более перспективными. ѕринцип магнитной подвески состоит в следующем. ≈сли на путь уложить магниты с полюсами, направленными вверх, а на вагоне установить магниты той же пол€рности, направленные вниз, то под действием сил отталкивани€ вагон зависнет над путем с зазором в 10Ц15 мм.  онструктивно магнитна€ подвеска может выполн€тьс€ не только способом электродинамического отталкивани€, но и приближени€. ѕод т€гой от воздушных винтов или от линейного электродвигател€ такой вагон получает поступательное движение, преодолева€ только сопротивление воздушной среды. ќтсутствие механического контакта вагона с путем обеспечивает почти идеальную плавность хода при самых высоких скорост€х. ¬о многих странах уже 15Ц20 лет ведутс€ соответствующие исследовани€ и конструкторские работы.

—равнение транспортных средств на воздушной подушке и магнитной подвеске показало бесспорное преимущество последних. √лавное достоинство магнитной подвески заключаетс€ в меньшей затрате энергии на создание зазора между путем и подвижным составом.

¬ лучших образцах магнитопоездов на тонну массы вагона необходима мощность 1 к¬т, тогда как на создание воздушной подушки требуетс€ мощность 30Ц40 к¬т. ¬торое преимущество поездов на магнитной подвеске заключаетс€ в отсутствии сильного шума, присущего аппаратам на воздушной подушке.

¬ области разработки магнитопоездов наибольшие результаты получены в √ермании и японии. ¬ 1988 году модель, представл€юща€ вагон на 196 мест длиной 54 м и массой 120 т, развила скорость 412 км/ч (√ермани€).

ѕервой осуществленной городской линией длиной 600 м с магнитной подвеской считаетс€ двухпутна€ лини€, св€зывающа€ железнодорожный вокзал с аэропортом в Ѕирмингеме (јнгли€). ѕоезд состоит из 2 легких вагонов из стеклопластика вместимостью 40 пассажиров и следует с зазором 15 мм над путем со скоростью 40 км/ч. ѕоступательное движение осуществл€етс€ линейным электродвигателем. ѕоезд управл€етс€ Ё¬ћ без машиниста.

ѕерспективы развити€ магнитного транспорта св€зывают с возможностью использовани€ сверхпровод€щих магнитов, позвол€ющих резко снизить энергозатраты. Ќо и теперь при перевозках на рассто€ние 1Ц2 тыс. км магнитопоезда могут оказатьс€ более эффективными, чем самолеты.

ѕоезд на магнитной подушке должен решать такие же проблемы, как и поезд на воздушной подушке: как эффективнее создать противодействие полю т€готени€ «емли, отказавшись от колеса, которое ограничивало увеличение скорости движени€, и каким должен быть т€говый двигатель. —пособ подвески и тип двигател€ €вл€ютс€ определ€ющими при разработке, проектировании и практическом воплощении скоростных бесколесных поездов вообще и поездов на магнитной подушке, в частности.

√лавное достоинство поездов на магнитной подушке заключаетс€ в от-

сутствии вредного воздействи€ на окружающую среду: они не шум€т, не загр€зн€ют атмосферу, и было бы нелогичным в таких поездах в качестве т€говых использовать реактивные двигатели или двигатели с толкающим либо т€нущим винтом. ѕоэтому дл€ поездов на магнитной подушке (рисунок 9.10) разрабатываютс€ двигатели, в которых механическое т€говое усилие возникает в результате взаимодействи€ магнитных и электрических полей. —озданное таким образом усилие может быть использовано и дл€ подвешивани€ поезда над рельсовым полотном.

 

–исунок 9.10 Ц ѕоезд с магнитным подвешиванием дл€ высокоскоростных магистралей

–еализаци€ этого взаимодействи€ на практике осуществл€етс€ в электрических двигател€х посто€нного и переменного тока. ѕринцип действи€ электрической машины посто€нного тока основан на €влении электромагнитной индукции, открытом ћ. ‘арадеем в 1841 г. ≈сли замкнутый проводник вращать в посто€нном магнитном поле, то в нем возникает переменна€ электродвижуща€ сила (Ёƒ—).

–абота электрического двигател€ посто€нного тока основана на законе јмпера, по которому магнитное поле с определенной силой действует на проводник с током. —ледовательно, если внутри посто€нного магнита поместить замкнутый проводник и пропустить через него электрический ток, то возникнет сила, котора€ заставит этот проводник вращатьс€. ѕервый двигатель посто€нного тока, который мог быть использован дл€ практических целей, был построен русским физиком и электротехником Ѕ. —. якоби в 1842 г. ¬начале в двигател€х использовались посто€нные магниты, затем Ц электромагниты.

јктивными элементами электрического двигател€ посто€нного тока, примен€емого в насто€щее врем€, €вл€ютс€ обмотки статора и ротора (€кор€), магнитные сердечники и коллектор. ћагнитный сердечник статора имеет главный и дополнительные полюса. Ќа главных полюсах есть обмотка возбуждени€, котора€ и создает основное магнитное поле.  оллектор и щетки усложн€ют конструкцию и понижают надежность ее работы, их обслуживание требует больших затрат.  оллекторно-щеточный узел ограничивает скорость вращени€ двигателей посто€нного тока значени€ми 50Ц52 м/с. ќднако двигатели посто€нного тока позвол€ют в широких пределах плавно и экономично регулировать угловую скорость. ѕоэтому они получили большое распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте.

»спользование такого двигател€ в качестве т€гового в высокоскоростных поездах на магнитной подушке возможно, если он будет выполнен в виде линейного двигател€, выт€нутого вдоль рельсового полотна. ќднако применение линейного двигател€ посто€нного тока с коллектором и механическим коммутатором в бесколесных поездах св€зано с большими материальными затратами на изготовление и обслуживание коллектора и ограничением скорости значени€ми 110Ц140 м/с из-за условий коммутации.

¬озможности линейного двигател€ посто€нного тока могут быть существенно расширены, если переключение секций обмотки €кор€ осуществл€ть автоматически в зависимости от расположени€ полюсов индуктора. “акой двигатель называют автосинхронным.

¬ насто€щее врем€ и у нас в стране, и за рубежом много внимани€ удел€етс€ разработке электродинамического принципа создани€ т€гового усили€. »звестны асинхронные и синхронные электрические двигатели, использующие этот принцип. ¬ асинхронных электрических двигател€х осуществл€етс€ взаимодействие магнитного пол€, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который генерируетс€ в обмотках ротора.

Ётот принцип стал использоватьс€ в асинхронных электрических машинах после того, как в 1888 г. италь€нский физик √. ‘еррарис и сербский инженер Ќ. “есла независимо друг от друга открыли €вление вращающегос€ магнитного пол€, которое создаетс€ при наложении двух или более переменных магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых в пространстве по фазе.

≈сли по обмотке статора пустить трехфазный переменный ток, то возникает вращающеес€ магнитное поле, которое, взаимодейству€ с током, индуцируемым в обмотках ротора полем статора, создает механическое усилие, которое заставл€ет ротор вращатьс€ в направлении вращени€ магнитного пол€. ѕри этом скорость вращени€ ротора меньше скорости вращени€ пол€ статора, т. е. ротор по отношению к полю статора вращаетс€ асинхронно. —корость вращени€ ротора зависит от скорости вращени€ магнитного пол€ статора и определ€етс€ частотой питающего тока и числом пар полюсов.

¬ зависимости от способа выполнени€ обмотки ротора различают асинхронные электродвигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. ѕри пуске асинхронного электродвигател€ с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, величина которого в 4Ц7 раз превышает номинальный. „тобы снизить пусковой ток, его включают на пониженное напр€жение, а после запуска обмотку ротора асинхронного двигател€ замыкают накоротко. ¬оздушный зазор у асинхронного двигател€ должен быть возможно меньшим.

ѕринцип асинхронной электрической машины можно использовать дл€ создани€ т€гового усили€ в бесколесных поездах. ¬ этом случае статор двигател€, к которому подводитс€ переменный трехфазный электрический ток, размещаетс€ в вагоне, а ротор Ц вдоль рельсового пути. ¬озникнет т€говое усилие, и плоский статор, а вместе с ним и поезд двинетс€ вдоль плоского ротора. “акой двигатель получил название линейного асинхронного. Ћинейный асинхронный двигатель имеет большие преимущества при использовании в скоростных бесколесных поездах. ” него нет ограничени€ по скорости, так как он не имеет вращающихс€ частей, которые при высоких скорост€х могут быть разорваны центробежными силами, а, следовательно, не возникает и вибраций.  роме того, сами вращающиес€ части подвержены быстрому износу. ѕоезд с линейным асинхронным двигателем имеет хорошие динамические характеристики: так как масса его невелика, он быстро набирает скорость и легко тормозитс€, при этом рекуперируема€ энерги€ возвращаетс€ в электрическую сеть.

—уществует много вариантов конструкций линейного асинхронного двигател€. ќдин из них состоит в следующем: статор развертываетс€ вдоль полотна (активный путь), а ротор, выполненный в виде алюминиевой шины, Ц в вагоне. ѕоезд становитс€ легче, так как он не несет т€желого статора, масса которого составл€ет 1/4 массы поезда; кроме того, отпадает необходимость передавать электроэнергию на экипаж, движущийс€ с высокой скоростью. ќднако стоимость активного пути так высока, что приходитс€ от этого варианта отказатьс€.

ƒругой вариант предусматривает, например, размещение в вагоне двух статоров, между которыми с зазорами 30Ц40 мм располагаетс€ алюминиева€ шина, устанавливаема€ на полотне. Ёто двусторонний линейный асинхронный двигатель с вертикальным расположением алюминиевой шины и статоров. “ака€ конструкци€ т€гового двигател€ очень усложн€ет устройство "стрелочных" переводов. Ёта проблема легко решаетс€ применением одностороннего линейного асинхронного двигател€. ¬ этом случае в вагоне в горизонтальном положении размещаетс€ один статор, а алюминиева€ шина располагаетс€ на полотне. ƒл€ увеличени€ магнитной проводимости под нее можно положить стальной сердечник. Ёта конструкци€ получила название "сандвич". ќднако т€говое усилие одностороннего линейного асинхронного двигател€ при прочих равных услови€х вдвое меньше, чем двустороннего.

ѕри использовании линейного асинхронного двигател€ полотно дороги не подвержено температурным нагрузкам, так как при быстром движении поезда участки дороги, на которых происходит взаимодействие магнитного пол€ статора с электрическим током ротора, не успевают нагреватьс€. ј статор нагреваетс€ теплом, которое выдел€етс€ протекающим в проводниках током. Ќагревание статора Ц одна из самых серьезных проблем. ќсновное направление ее решени€ Ц использование сверхпроводников.

явление сверхпроводимости, открытое в начале XX в. и получившее теоретическое обоснование 25 лет спуст€, характеризуетс€ полным отсутствием сопротивлени€ току и, следовательно, тепловых потерь. ¬озникает оно в проводниках, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю (0  = Ц273 ∞—).

¬веденный в сверхпровод€щую обмотку электромагнита электрический ток, практически не встреча€ сопротивлени€, будет циркулировать в ней продолжительное врем€. Ќапример, через сверхпровод€щие магниты, изготовленные в виде катушек размером 1,2х0,6 м, погруженных в жидкий гелий, пропускали ток силой 106 ј. ќн убывал в сутки на 1 %.

ќчень важно найти сплавы, обладающие свойством сверхпроводимости при более высоких температурах. ”далось создать сверхпроводник из ниоби€ и германи€ с критической температурой (температурой, при которой сплав приобретает свойства сверхпроводника), равной 22,3  . “акую температуру можно получить уже с помощью жидкого водорода, а не жидкого гели€, а это значительно проще и гораздо дешевле. —оздание материалов, обладающих сверхпровод€щими свойствами при комнатной температуре, что теоретически не исключаетс€, привело бы к насто€щей революции в науке и технике, в частности на транспорте.

Ќар€ду с бесспорными достоинствами линейный асинхронный двигатель обладает и существенными недостатками. ƒорого стоит его неподвижна€ часть, выт€нута€ вдоль пути. ”величиваетс€ расход энергии, правда, снижаютс€ расходы на ремонт и эксплуатацию дороги.  ѕƒ этих двигателей ниже, чем, например,  ѕƒ обычного т€гового электродвигател€ посто€нного тока, у которого он равен 0,92:  ѕƒ линейного асинхронного двигател€ с алюминиевым ротором составл€ет 0,88, со стальным ротором Ц 0,7.

ќднако самые существенные недостатки линейных асинхронных двигателей Ц малый зазор между движущимис€ и неподвижными част€ми, который не обеспечивает безопасности движени€ поездов при высоких скорост€х, и трудности, св€занные с подводом тока к движущемус€ поезду.

Ёти недостатки заставл€ют обратитьс€ к линейному синхронному двигателю.

¬ линейном синхронном двигателе обмотка статора подключаетс€ к сети переменного тока, а обмотка ротора питаетс€ посто€нным током. ¬заимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к возникновению крут€щего момента, под действием которого ротор вращаетс€ синхронно с вектором напр€женности магнитного пол€ статора.

ƒл€ пуска синхронных электродвигателей используют: вспомогательный двигатель малой мощности, который разгон€ет синхронный электродвигатель с отключенною нагрузкой; плавное увеличение частоты напр€жени€ в статорной обмотке; вращающийс€ электромагнитный момент, который возникает в результате взаимодействи€ магнитных полей статора с полем тока, наведенного в пусковой обмотке или теле ротора. ѕоследний способ, представл€ющий собой асинхронный способ пуска, получил наибольшее распространение.

¬ линейном синхронном двигателе неподвижна€ часть Ц статор Ц состоит из системы пр€моугольных контуров, уложенных вдоль всего пути и питающихс€ от трехфазной сети. ѕодвижна€ часть двигател€ Ц ротор Ц состоит из р€да одинаковых пр€моугольных контуров, по которым протекают посто€нные токи одинаковой силы и чередующегос€ направлени€.

“оки в статоре, сдвинутые друг относительно друга во времени и пространстве на 1/3 периода, создают магнитное поле, перемещающеес€ вдоль пути. ¬заимодейству€ с токами ротора, оно создает т€говое усилие, которое перемещает ротор вдоль рельсового полотна.

Ћинейный синхронный двигатель становитс€ весьма эффективным в том случае, если обмотка ротора представл€ет собой сверхпровод€щие электромагниты, которые способны создавать огромную намагничивающую силу при малых затратах электроэнергии. ¬ этом случае рассто€ние между ротором и статором в линейном синхронном двигателе составл€ет дес€тые доли метра, что вполне достаточно дл€ безопасного движени€ поезда при высоких скорост€х. —ледует отметить, что большое рассто€ние между подвижной и неподвижной част€ми линейного синхронного двигател€ приводит к тому, что с обмотками ротора сцепл€етс€ сравнительно небольша€ часть магнитного пол€, создаваемого статором. »менно поэтому и требуютс€ сильные токи, необходимые дл€ создани€ достаточного т€гового усили€. “ак как сильные токи привод€т к очень большим тепловым потер€м в проводниках, то без решени€ проблемы сверхпроводимости линейный синхронный двигатель становитс€ нереальным. ¬следствие этого в разрабатываемых поездах с линейным синхронным двигателем предполагаетс€, что обмотка его ротора будет выполнена из сверхпровод€щих материалов.

 онструктивно линейные синхронные двигатели сложнее, чем асинхронные. ѕри использовании в поездах синхронных двигателей острее стоит проблема защиты пассажиров от воздействи€ сильного магнитного пол€.

ѕри относительно малых скорост€х движени€ (до 200 Ц 250 км/ч) благодар€ простоте конструкции, возможности легкого пуска, останова и плавного изменени€ скорости предпочтение обычно отдаетс€ линейному асинхронному двигателю. ѕри больших скорост€х преимущества на стороне линейного синхронного двигател€. Ћинейные двигатели Ц основные двигатели поездов на магнитной подушке.

ƒл€ создани€ магнитной подушки используютс€ те же принципы, которые легли в основу разработки т€говых линейных двигателей. —амый простой способ Ц использование силы отталкивани€ одноименных или прит€гивани€ разноименных полюсов магнита. ≈ще в 50-х годах XX в. посто€нные магниты были слабы и дл€ создани€ в поездах магнитного подвешивани€ не пригодны. ¬ последние годы благодар€ по€влению улучшенных магнитных материалов, например бариевых ферритов, в р€де стран начались разработки конструкций поездов, использующих дл€ создани€ магнитной подушки посто€нные магниты. —уществуют проекты, в которых магнитна€ левитаци€ достигаетс€ силой прит€жени€ посто€нных магнитов, размещенных в вагоне, к стальному рельсу; в других проектах магнитна€ подушка создаетс€ за счет отталкивани€ одноименных полюсов посто€нных магнитов поезда и рельса.

Ќапример, в јнглии разрабатываетс€ проект, по которому магнитна€ подушка создаетс€ керамическими магнитами, содержащими 90 % окиси железа, а также других окислов. ѕодъемна€ сила таких магнитов в 50 раз больше, чем стальных. —ила отталкивани€ керамических магнитов, уложенных на полотне дороги и размещенных в нижней части вагона, способна подн€ть вагон массой 5 т на высоту 25 мм.

ѕосто€нные магниты можно заменить электромагнитами. ¬ 1910 г. бельгийский монтер Ё. Ѕашле построил первую модель вагона на магнитной подвеске, использовав дл€ этой цели электромагнит. ћодель массой 50 кг не только парила в воздухе, но и развивала фантастическую по тем временам скорость 500 км/ч. „ерез четверть века немецкий инженер  емпер построил другую модель вагона на магнитной подушке и, будучи более практичным, вз€л патент на изобретение. » в этой модели дл€ создани€ магнитной подушки были использованы электромагниты. ќднако электромагниты требуют системы стабилизации, котора€, воздейству€ на величину тока в их обмотке, поддерживает посто€нный зазор между электромагнитом и поверхностью пути.

Ќаиболее эффективный способ создани€ магнитной левитации состоит в применении электродинамической магнитной подвески. “акие подвески работают в соответствии с уже знакомыми нам принципами действи€ асинхронной и синхронной электрических машин. ¬ электродинамической магнитной подвеске, осуществл€емой по принципу асинхронной электрической машины, происходит взаимодействие магнитного пол€, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который индуцируетс€ в обмотках ротора. “ак же как и в линейном асинхронном двигателе, экономичность этого способа существенно повышаетс€, если электрический ток циркулирует в сверхпровод€щей магнитной катушке.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-01-29; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 2443 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

“ак просто быть добрым - нужно только представить себ€ на месте другого человека прежде, чем начать его судить. © ћарлен ƒитрих
==> читать все изречени€...

497 - | 395 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.018 с.