лекции по ЭПЛ / 6 раздел / Лекция

6. Перспективы применения линейных тяговых двигателей на локомотивах

Опыт многих стран указывает на то, что традиционные транспортные системы (в том числе и железнодорожная) уже к 2000-му году не смогут успешно обеспечивать перевозки грузов и пассажиров даже при совершенствовании и количественном росте подвижного состава. Поэтому очевидна необходимость создания высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) с магнитным подвешиванием экипажа и линейными ТЭД.

6.1. Магнитное подвешивание (МП) как альтернатива колеса в системах ВСНТ

(Альтернатива­—необходимость выбора одного из двух (или нескольких) возможных решений).

Магнитное подвешивание (МП) может быть 4^х типов:

1. Электромагнитное (ЭМП);

2. Электродинамическое (ЭДП);

3. С помощью постоянных магнитов (ППМ);

4. Комбинированное (КМП)

Общим для них является использование механических сил в магнитных полях для осуществления бесконтактного подвешивания (левитации) экипажей.

Наибольшее развитие получило ЭМП.

Левитация и направление экипажа относительно неподвижной ферромагнитной путевой направляющей 1 (ФР) осуществляются с помощью сил притяжения его электромагнитов 2, обмотки возбуждения, которые питаются током от быстродействующей систем управления (СУ) по сигналам датчиков 4, контролирующих зазор “δ” между ЭМ и ФР, равный примерно 15 мм.

Рис. 6.1 Принципиальная схема ЭМП

В ЭДП используется явление сверхпроводимости (СП).

Рис 6.2 Упрощенная схема ЭДП

V – скорость движения экипажа;

Iв – ток в путевом контуре

Iс – ток в сверхпроводящих электромагнитах.

Сверхпроводящие электромагниты (СПЭМ) являются источниками сильного магнитного поля (В ≈ 3Т), которое при его движении вдоль проводящей полосы или замкнутых контуров наводит в последних токи индукции. Взаимодействие первичного и индуцированного магнитных полей обеспечивает подъемную силу F_z и левитацию экипажа. В то же время возникает тормозящая сила (-F_x) препятствующая движению. Зазор δ при 400-500 км/ч достигает 150-200 мм, т.е. на порядок выше, чем при других способах МП.

Система подвешивания ППМ основана на силах взаимного отталкивания постоянных магнитов (ПМ), размещаемых в виде полос на пути и экипаже. При соответствующих размерах магнитных полос и их числе можно обеспечить подвес экипажа заданной массы с рабочим зазором 10-15 мм. Экипаж с ППМ неустойчив в горизонтальной плоскости.

6.2. Линейный тяговый электропривод

Успешное решение ВСНТ связано с созданием эффективных в эксплуатации линейных двигателей (ЛД).

ЛД – это тяговая электрическая машина с прямолинейным “статором” и “ротором”. Как и в обычных ТЭД вращательного типа у линейных машин есть подвижные и неподвижные звенья, разделенные воздушным зазором и сосредоточенным в нем магнитным потоком.

По роду питающего тока ЛД могут быть:

• асинхронными (ЛАД);

• синхронными (ЛСД);

• постоянного тока (ЛДПТ).

Благодаря своей конструкции ЛД обладают следующими преимуществами:

1. их тяговое усилие не зависит от _к, следовательно, скорости экипажей практически неограниченны;

2. нет вращающихся частей, центробежных сил и связанных с ними ограничений;

3. разнообразие конструктивных решений по расположению их на транспортном средстве;

4. повышение надежности и долговечности, простота обслуживания;

5. улучшенные условия охлаждения элементов двигателя и возможность повышения электромагнитных нагрузок.

Обычный и линейный ТЭД – ровесники.

Но, несмотря на указанные преимущества, практическое применение ЛД сдерживалось из-за:

• повышенного потребления мощности, вследствие низких электрических показателей (к.п.д., мощность)

• трудности управления тягой и скоростью (до появления полупроводниковой преобразовательной техники), а также ограниченных возможностей при питании от нерегулируемой сети промышленной частоты;

• преимущества поддержания в обычных ТЭД значительно меньшего δ и передачи вращающего момента через редуктор;

• кажущегося удобства в совмещении колесом и рельсом функций подвеса, направления и тяги подвижного состава.

Разработки по ЛАД, ЛСД, ЛДПТ оживились в 60^х годах в связи с началом создания систем ВСНТ.

В зависимости от конструкции ЛД могут быть выполнены односторонними и двухсторонними, с длинным и коротким статором.

В зависимости от пути замыкания магнитного потока по отношению к направлению движения ЛД могут быть с продольным и поперечным потоком, а также гибридного типа с предельно поперечным потоком.

ЛД характеризуются особенностями физических процессов и новыми явлениями, поэтому, создавая эти двигатели, специалисты уточняют, дополняют и разрабатывают новые методы их расчета, проектирования и конструирования.

В последние годы в нашей стране и за рубежом выполнен ряд научно- исследовательских и проектно-конструкторских работ по созданию тягового привода ВСНТ с линейными тяговыми двигателями, главным образом асинхронными.

Рис. 6.3 Принципиальная схема двухстороннего ЛАД

В ЛАД первичная часть (статор, индуктор), получающая электрическую энергию из сети, возбуждает в зазоре бегущее магнитное поле, образуемое многофазными токами ее обмоток. От его взаимодействия с полем токов, наведенных во вторичной части (сплошная токопроводящая полоса, реактивная шина) получается механическая сила (тяговое усилие), обеспечивающая относительное перемещение статора и реактивной шины.

Рассмотренный ЛАД имеет продольно – замкнутый магнитный поток.

Существует конструкция ЛАД с поперечно – замкнутым магнитным потоком (ЛАД ПП), отличающаяся тем, что бегущее поле, перемещающееся в направлении движения, замыкается в перпендикулярной плоскости.

Достоинство ЛАД ПП – развивает значительную подъемную силу, по массогабаритным показателям примерно в 2 раза уступает 6.3.

Рис. 6.4 Принципиальная схема ЛАД ПП

Таблица 6.1

Основные параметры и показатели линейных ЛТД

Параметр двигателя	Двусторонний асинхронный, США	Односторонний асинхронный	Односторонний асинхронный (проект)	Односторонний индукторный (проект)
1. Мощность, кВт	1860	800	2000	2000
2. Ток статора, А	2000	678	1050	446
3. Фазное напряжение, В	600	1730	2540	1730
4. Тяговое усилие, кН	16,7	7,2	20	20
5.Скорость движения, м/с	111,0	111,0	103,0	103,0
6.Механический зазор, м	0,0381	0,035	0,035	0,0324
7. КПД	0,85	0,76	0,87	0,92
8. Полная масса, кг	2950	1475	4000	2700