9.2.5 Поезд на магнитной подушке (подвеске)
Аппараты на магнитной подвескеоказываются более перспективными. Принцип магнитной подвески состоит в следующем. Если на путь уложить магниты с полюсами, направленными вверх, а на вагоне установить магниты той же полярности, направленные вниз, то под действием сил отталкивания вагон зависнет над путем с зазором в 10–15 мм. Конструктивно магнитная подвеска может выполняться не только способом электродинамического отталкивания, но и приближения. Под тягой от воздушных винтов или от линейного электродвигателя такой вагон получает поступательное движение, преодолевая только сопротивление воздушной среды. Отсутствие механического контакта вагона с путем обеспечивает почти идеальную плавность хода при самых высоких скоростях. Во многих странах уже 15–20 лет ведутся соответствующие исследования и конструкторские работы.
Сравнение транспортных средств на воздушной подушке и магнитной подвеске показало бесспорное преимущество последних. Главное достоинство магнитной подвески заключается в меньшей затрате энергии на создание зазора между путем и подвижным составом.
В лучших образцах магнитопоездов на тонну массы вагона необходима мощность 1 кВт, тогда как на создание воздушной подушки требуется мощность 30–40 кВт. Второе преимущество поездов на магнитной подвеске заключается в отсутствии сильного шума, присущего аппаратам на воздушной подушке.
В области разработки магнитопоездов наибольшие результаты получены в Германии и Японии. В 1988 году модель, представляющая вагон на 196 мест длиной 54 м и массой 120 т, развила скорость 412 км/ч (Германия).
Первой осуществленной городской линией длиной 600 м с магнитной подвеской считается двухпутная линия, связывающая железнодорожный вокзал с аэропортом в Бирмингеме (Англия). Поезд состоит из 2 легких вагонов из стеклопластика вместимостью 40 пассажиров и следует с зазором 15 мм над путем со скоростью 40 км/ч. Поступательное движение осуществляется линейным электродвигателем. Поезд управляется ЭВМ без машиниста.
Перспективы развития магнитного транспорта связывают с возможностью использования сверхпроводящих магнитов, позволяющих резко снизить энергозатраты. Но и теперь при перевозках на расстояние 1–2 тыс. км магнитопоезда могут оказаться более эффективными, чем самолеты.
Поезд на магнитной подушке должен решать такие же проблемы, как и поезд на воздушной подушке: как эффективнее создать противодействие полю тяготения Земли, отказавшись от колеса, которое ограничивало увеличение скорости движения, и каким должен быть тяговый двигатель. Способ подвески и тип двигателя являются определяющими при разработке, проектировании и практическом воплощении скоростных бесколесных поездов вообще и поездов на магнитной подушке, в частности.
Главное достоинство поездов на магнитной подушке заключается в от-
сутствии вредного воздействия на окружающую среду: они не шумят, не загрязняют атмосферу, и было бы нелогичным в таких поездах в качестве тяговых использовать реактивные двигатели или двигатели с толкающим либо тянущим винтом. Поэтому для поездов на магнитной подушке (рисунок 9.10) разрабатываются двигатели, в которых механическое тяговое усилие возникает в результате взаимодействия магнитных и электрических полей. Созданное таким образом усилие может быть использовано и для подвешивания поезда над рельсовым полотном.
Рисунок 9.10 – Поезд с магнитным подвешиванием для высокоскоростных магистралей
Реализация этого взаимодействия на практике осуществляется в электрических двигателях постоянного и переменного тока. Принцип действия электрической машины постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции, открытом М. Фарадеем в 1841 г. Если замкнутый проводник вращать в постоянном магнитном поле, то в нем возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС).
Работа электрического двигателя постоянного тока основана на законе Ампера, по которому магнитное поле с определенной силой действует на проводник с током. Следовательно, если внутри постоянного магнита поместить замкнутый проводник и пропустить через него электрический ток, то возникнет сила, которая заставит этот проводник вращаться. Первый двигатель постоянного тока, который мог быть использован для практических целей, был построен русским физиком и электротехником Б. С. Якоби в 1842 г. Вначале в двигателях использовались постоянные магниты, затем – электромагниты.
Активными элементами электрического двигателя постоянного тока, применяемого в настоящее время, являются обмотки статора и ротора (якоря), магнитные сердечники и коллектор. Магнитный сердечник статора имеет главный и дополнительные полюса. На главных полюсах есть обмотка возбуждения, которая и создает основное магнитное поле. Коллектор и щетки усложняют конструкцию и понижают надежность ее работы, их обслуживание требует больших затрат. Коллекторно-щеточный узел ограничивает скорость вращения двигателей постоянного тока значениями 50–52 м/с. Однако двигатели постоянного тока позволяют в широких пределах плавно и экономично регулировать угловую скорость. Поэтому они получили большое распространение на рельсовом и безрельсовом электрифицированном транспорте.
Использование такого двигателя в качестве тягового в высокоскоростных поездах на магнитной подушке возможно, если он будет выполнен в виде линейного двигателя, вытянутого вдоль рельсового полотна. Однако применение линейного двигателя постоянного тока с коллектором и механическим коммутатором в бесколесных поездах связано с большими материальными затратами на изготовление и обслуживание коллектора и ограничением скорости значениями 110–140 м/с из-за условий коммутации.
Возможности линейного двигателя постоянного тока могут быть существенно расширены, если переключение секций обмотки якоря осуществлять автоматически в зависимости от расположения полюсов индуктора. Такой двигатель называют автосинхронным.
В настоящее время и у нас в стране, и за рубежом много внимания уделяется разработке электродинамического принципа создания тягового усилия. Известны асинхронные и синхронные электрические двигатели, использующие этот принцип. В асинхронных электрических двигателях осуществляется взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который генерируется в обмотках ротора.
Этот принцип стал использоваться в асинхронных электрических машинах после того, как в 1888 г. итальянский физик Г. Феррарис и сербский инженер Н. Тесла независимо друг от друга открыли явление вращающегося магнитного поля, которое создается при наложении двух или более переменных магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых в пространстве по фазе.
Если по обмотке статора пустить трехфазный переменный ток, то возникает вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с током, индуцируемым в обмотках ротора полем статора, создает механическое усилие, которое заставляет ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля. При этом скорость вращения ротора меньше скорости вращения поля статора, т. е. ротор по отношению к полю статора вращается асинхронно. Скорость вращения ротора зависит от скорости вращения магнитного поля статора и определяется частотой питающего тока и числом пар полюсов.
В зависимости от способа выполнения обмотки ротора различают асинхронные электродвигатели с контактными кольцами и короткозамкнутые. При пуске асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором возникает пусковой ток, величина которого в 4–7 раз превышает номинальный. Чтобы снизить пусковой ток, его включают на пониженное напряжение, а после запуска обмотку ротора асинхронного двигателя замыкают накоротко. Воздушный зазор у асинхронного двигателя должен быть возможно меньшим.
Принцип асинхронной электрической машины можно использовать для создания тягового усилия в бесколесных поездах. В этом случае статор двигателя, к которому подводится переменный трехфазный электрический ток, размещается в вагоне, а ротор – вдоль рельсового пути. Возникнет тяговое усилие, и плоский статор, а вместе с ним и поезд двинется вдоль плоского ротора. Такой двигатель получил название линейного асинхронного. Линейный асинхронный двигатель имеет большие преимущества при использовании в скоростных бесколесных поездах. У него нет ограничения по скорости, так как он не имеет вращающихся частей, которые при высоких скоростях могут быть разорваны центробежными силами, а, следовательно, не возникает и вибраций. Кроме того, сами вращающиеся части подвержены быстрому износу. Поезд с линейным асинхронным двигателем имеет хорошие динамические характеристики: так как масса его невелика, он быстро набирает скорость и легко тормозится, при этом рекуперируемая энергия возвращается в электрическую сеть.
Существует много вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Один из них состоит в следующем: статор развертывается вдоль полотна (активный путь), а ротор, выполненный в виде алюминиевой шины, – в вагоне. Поезд становится легче, так как он не несет тяжелого статора, масса которого составляет 1/4 массы поезда; кроме того, отпадает необходимость передавать электроэнергию на экипаж, движущийся с высокой скоростью. Однако стоимость активного пути так высока, что приходится от этого варианта отказаться.
Другой вариант предусматривает, например, размещение в вагоне двух статоров, между которыми с зазорами 30–40 мм располагается алюминиевая шина, устанавливаемая на полотне. Это двусторонний линейный асинхронный двигатель с вертикальным расположением алюминиевой шины и статоров. Такая конструкция тягового двигателя очень усложняет устройство "стрелочных" переводов. Эта проблема легко решается применением одностороннего линейного асинхронного двигателя. В этом случае в вагоне в горизонтальном положении размещается один статор, а алюминиевая шина располагается на полотне. Для увеличения магнитной проводимости под нее можно положить стальной сердечник. Эта конструкция получила название "сандвич". Однако тяговое усилие одностороннего линейного асинхронного двигателя при прочих равных условиях вдвое меньше, чем двустороннего.
При использовании линейного асинхронного двигателя полотно дороги не подвержено температурным нагрузкам, так как при быстром движении поезда участки дороги, на которых происходит взаимодействие магнитного поля статора с электрическим током ротора, не успевают нагреваться. А статор нагревается теплом, которое выделяется протекающим в проводниках током. Нагревание статора – одна из самых серьезных проблем. Основное направление ее решения – использование сверхпроводников.
Явление сверхпроводимости, открытое в начале XX в. и получившее теоретическое обоснование 25 лет спустя, характеризуется полным отсутствием сопротивления току и, следовательно, тепловых потерь. Возникает оно в проводниках, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю (0 К= –273 °С).
Введенный в сверхпроводящую обмотку электромагнита электрический ток, практически не встречая сопротивления, будет циркулировать в ней продолжительное время. Например, через сверхпроводящие магниты, изготовленные в виде катушек размером 1,2х0,6 м, погруженных в жидкий гелий, пропускали ток силой 106А. Он убывал в сутки на 1 %.
Очень важно найти сплавы, обладающие свойством сверхпроводимости при более высоких температурах. Удалось создать сверхпроводник из ниобия и германия с критической температурой (температурой, при которой сплав приобретает свойства сверхпроводника), равной 22,3 К. Такую температуру можно получить уже с помощью жидкого водорода, а не жидкого гелия, а это значительно проще и гораздо дешевле. Создание материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, что теоретически не исключается, привело бы к настоящей революции в науке и технике, в частности на транспорте.
Наряду с бесспорными достоинствами линейный асинхронный двигатель обладает и существенными недостатками. Дорого стоит его неподвижная часть, вытянутая вдоль пути. Увеличивается расход энергии, правда, снижаются расходы на ремонт и эксплуатацию дороги. КПД этих двигателей ниже, чем, например, КПД обычного тягового электродвигателя постоянного тока, у которого он равен 0,92: КПД линейного асинхронного двигателя с алюминиевым ротором составляет 0,88, со стальным ротором – 0,7.
Однако самые существенные недостатки линейных асинхронных двигателей – малый зазор между движущимися и неподвижными частями, который не обеспечивает безопасности движения поездов при высоких скоростях, и трудности, связанные с подводом тока к движущемуся поезду.
Эти недостатки заставляют обратиться к линейному синхронному двигателю.
В линейномсинхронном двигателеобмотка статора подключается к сети переменного тока, а обмотка ротора питается постоянным током. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к возникновению крутящего момента, под действием которого ротор вращается синхронно с вектором напряженности магнитного поля статора.
Для пуска синхронных электродвигателей используют: вспомогательный двигатель малой мощности, который разгоняет синхронный электродвигатель с отключенною нагрузкой; плавное увеличение частоты напряжения в статорной обмотке; вращающийся электромагнитный момент, который возникает в результате взаимодействия магнитных полей статора с полем тока, наведенного в пусковой обмотке или теле ротора. Последний способ, представляющий собой асинхронный способ пуска, получил наибольшее распространение.
В линейном синхронном двигателе неподвижная часть – статор – состоит из системы прямоугольных контуров, уложенных вдоль всего пути и питающихся от трехфазной сети. Подвижная часть двигателя – ротор – состоит из ряда одинаковых прямоугольных контуров, по которым протекают постоянные токи одинаковой силы и чередующегося направления.
Токи в статоре, сдвинутые друг относительно друга во времени и пространстве на 1/3 периода, создают магнитное поле, перемещающееся вдоль пути. Взаимодействуя с токами ротора, оно создает тяговое усилие, которое перемещает ротор вдоль рельсового полотна.
Линейный синхронный двигатель становится весьма эффективным в том случае, если обмотка ротора представляет собой сверхпроводящие электромагниты, которые способны создавать огромную намагничивающую силу при малых затратах электроэнергии. В этом случае расстояние между ротором и статором в линейном синхронном двигателе составляет десятые доли метра, что вполне достаточно для безопасного движения поезда при высоких скоростях. Следует отметить, что большое расстояние между подвижной и неподвижной частями линейного синхронного двигателя приводит к тому, что с обмотками ротора сцепляется сравнительно небольшая часть магнитного поля, создаваемого статором. Именно поэтому и требуются сильные токи, необходимые для создания достаточного тягового усилия. Так как сильные токи приводят к очень большим тепловым потерям в проводниках, то без решения проблемы сверхпроводимости линейный синхронный двигатель становится нереальным. Вследствие этого в разрабатываемых поездах с линейным синхронным двигателем предполагается, что обмотка его ротора будет выполнена из сверхпроводящих материалов.
Конструктивно линейные синхронные двигатели сложнее, чем асинхронные. При использовании в поездах синхронных двигателей острее стоит проблема защиты пассажиров от воздействия сильного магнитного поля.
При относительно малых скоростях движения (до 200 – 250 км/ч) благодаря простоте конструкции, возможности легкого пуска, останова и плавного изменения скорости предпочтение обычно отдается линейному асинхронному двигателю. При больших скоростях преимущества на стороне линейного синхронного двигателя. Линейные двигатели – основные двигатели поездов на магнитной подушке.
Для создания магнитной подушкииспользуются те же принципы, которые легли в основу разработки тяговых линейных двигателей. Самый простой способ – использование силы отталкивания одноименных или притягивания разноименных полюсов магнита. Еще в 50-х годах XX в. постоянные магниты были слабы и для создания в поездах магнитного подвешивания не пригодны. В последние годы благодаря появлению улучшенных магнитных материалов, например бариевых ферритов, в ряде стран начались разработки конструкций поездов, использующих для создания магнитной подушки постоянные магниты. Существуют проекты, в которых магнитная левитация достигается силой притяжения постоянных магнитов, размещенных в вагоне, к стальному рельсу; в других проектах магнитная подушка создается за счет отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов поезда и рельса.
Например, в Англии разрабатывается проект, по которому магнитная подушка создается керамическими магнитами, содержащими 90 % окиси железа, а также других окислов. Подъемная сила таких магнитов в 50 раз больше, чем стальных. Сила отталкивания керамических магнитов, уложенных на полотне дороги и размещенных в нижней части вагона, способна поднять вагон массой 5 т на высоту 25 мм.
Постоянные магниты можно заменить электромагнитами. В 1910 г. бельгийский монтер Э. Башле построил первую модель вагона на магнитной подвеске, использовав для этой цели электромагнит. Модель массой 50 кг не только парила в воздухе, но и развивала фантастическую по тем временам скорость 500 км/ч. Через четверть века немецкий инженер Кемпер построил другую модель вагона на магнитной подушке и, будучи более практичным, взял патент на изобретение. И в этой модели для создания магнитной подушки были использованы электромагниты. Однако электромагниты требуют системы стабилизации, которая, воздействуя на величину тока в их обмотке, поддерживает постоянный зазор между электромагнитом и поверхностью пути.
Наиболее эффективный способ создания магнитной левитации состоит в применении электродинамической магнитной подвески. Такие подвески работают в соответствии с уже знакомыми нам принципами действия асинхронной и синхронной электрических машин. В электродинамической магнитной подвеске, осуществляемой по принципу асинхронной электрической машины, происходит взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который индуцируется в обмотках ротора. Так же как и в линейном асинхронном двигателе, экономичность этого способа существенно повышается, если электрический ток циркулирует в сверхпроводящей магнитной катушке.