Сравнительный анализ вариантов сборок магнитных полюсов на основе массива Хальбаха

Полный текст

Введение

Одной из главных и наиболее значимых на сегодняшний день задач [2, 8] при создании современного магнитолевитационного транспорта является снижение как массогабаритных показателей транспортных единиц, так и снижение потребления энергии, затрачиваемой на обеспечение левитации, боковой стабилизации и движения [4, 5, 6]. Обозначенная задача может быть решена путем использования в основных системах левитации магнитолевитационного транспорта постоянных магнитов [14, 15]. Используемые в настоящее время постоянные магниты NdFeB обладают всеми необходимыми качествами для использования их при решении данной задачи. В данной статье описаны три варианта сборок магнитных полюсов на основании массива Хальбаха [11, 13, 16] с применением постоянных магнитов NdFeB класса N45 [12]. Подтверждены результаты экспериментальных исследований сборок полюсов из элементарных магнитов по схеме, обеспечивающих практически удвоение значения магнитной индукции в рабочей зоне и весьма малых магнитных полей рассеяния.

Описание сборок магнитных полюсов

Все рассматриваемые сборки магнитных полюсов строились по классической схеме массива Хальбаха (рис.1). Применение такой схемы позволяет получить максимальное значение магнитного поля в рабочем зазоре и минимальные значения полей рассеяния [1].

 

Рис. 1. Схематическое изображение простейшей сборки из постоянных магнитов:1 - простейшая сборка из постоянных магнитов; 2 – магнитное поле рассеяния; 3 – магнитное поле в рабочем зазоре

 

На рис. 2 - 4 приведены схемы рассматриваемых сборок и распределение магнитных силовых линий, полученных посредством визуализатора магнитного поля [9].

 

Рис. 2. Упрощенная сборка Хальбаха а) - схема сборки магнитов; б) - магнитные силовые линии рабочей стороны магнитного полюса; в) - магнитные силовые линии обратной стороны магнитного полюса

 

Рис. 3. Сборка №1 на основе массива Хальбаха а) - схема сборки магнитов; б) - магнитные силовые линии рабочей стороны магнитного полюса; в) - магнитные силовые линии обратной стороны магнитного полюса

 

Рис. 4. Сборка №2 на основе массива Хальбаха а) - схема сборки магнитов; б) - магнитные силовые линии рабочей стороны магнитного полюса; в) - магнитные силовые линии обратной стороны магнитного полюса

Описание экспериментального стенда

Существуют различные средства и методы измерений магнитных параметров материалов [3].

Описанные исследования проводились на магнитолевитационном экспериментальном стенде, общий вид которого приведен на рис. 5.

 

Рис. 5. Общий вид экспериментального стенда, установленного в НИЛ «Магнитоэлектрические транспортные системы»

 

Стенд состоит из вращающегося диска диаметром 3 м, на котором крепится трековый модуль, изготовленный из сплошного листа алюминия толщиной 10 мм. Вращение обеспечивается двигателем, установленным под диском, мощностью 3,5 кВт.

Исследуемый образец сборки магнитного полюса располагается непосредственно над трековым модулем. Регулирование скорости вращения диска осуществляется с помощью преобразователя частоты. В состав приборного оснащения экспериментальной установки входят датчики усилия, с помощью которых фиксируются силы, действующие на исследуемую сборку магнитного полюса вследствие возникновения динамической левитации.

Экспериментальные исследования упрощенной сборки Хальбаха

Экспериментальные исследования проводились по схемам, показанным на рис. 6. Целью данных исследований являлось получение сравнительных характеристик по показателям подъемная сила, сила торможения и сила поперечного сдвига.

 

Рис. 6. Схемы экспериментальных исследований 1 – исследуемая сборка магнитного полюса; 2 – трековый левитационный модуль

 

В ходе проведения исследований получены следующие результаты по упрощенной сборке Хальбаха:

1. При левитационном зазоре от 6 до 13 мм величина силы торможения не позволяет асинхронному двигателю мощностью 3 кВт, оборудованным редуктором с передаточным числом 7,5 к 1 создать скорость движения выше 6 - 9 м/с (рис. 7). При достижении данных скоростей система безопасности и управления двигателя производит аварийное отключение из-за превышения допустимых нагрузок;
2. При зазоре между трековым модулем и магнитным полюсом от 16 мм и выше наблюдается снижение сил сопротивления при достижении скорости движения 12 м/с;
3. При достижении скорости 12-13 м/с наблюдается существенное снижение сил сопротивления движению;
4. При скорости движения свыше 13 м/с, характеристика снижения сил торможения приобретает более стабильный и пологий вид, продолжая при этом снижаться;
5. Процесс левитации при зазоре между путевым треком и сборкой магнитного полюса в 16 мм начинается при скорости 7 ... 7,5 м/с (рис. 8);
6. При малых скоростях движения сила торможения создает "обратный" эффект и жестко закрепленный образец сборки магнитного полюса притягивает вслед за движущимся треком.

 

Рис.7. Зависимость силы торможения при изменении левитационного зазора и скорости движения магнитного полюса

 

Рис. 8. Зависимость подъемной силы от скорости движения полюса при левитационном зазоре 16 мм

 

С увеличением скорости проявляется выраженный эффект демпфирования (рис. 9), который не является стабилизирующей силой, так как не возвращает конструкцию в исходную точку.

 

Рис. 9. Зависимость изменения силы поперечного сдвига от скорости движения магнитного полюса (силовые линии вдоль вектора движения)

 

Рис. 10. Зависимость изменения силы поперечного сдвига от скорости движения магнитного полюса (силовые линии поперек вектора движения)

 

При увеличении скорости до 6 м/с наблюдается рост силы поперечного принудительного сдвига (рис.10). По достижении скорости 7,7 м/с и выше характеристика зависимости силы поперечного сдвига от скорости движения принимает пологий вид.

В ходе эксперимента доказано, что математическое моделирование не позволяет в полной мере описать возникающие явления. Как видно из рис.11 [10], при малых скоростях подъемная сила нулевая, однако при эмпирических исследованиях, подъемная сила отрицательная в том же диапазоне скоростей, вследствие «притягивания» полюса под действием возникающих сил торможения.

 

Рис. 11. Зависимость подъемной силы и мощности потерь от скорости движения

 

Экспериментальные исследования сборок магнитных полюсов №1 и №2

При расположении магнитного полюса №1 над треком таким образом, чтобы магнитные силовые линии располагались по диагонали к осевой линии трека (при этом трубки с магнитами расположены вдоль осевой линии трека), подъемная сила возникает при скорости движения от 9 м/с, но она недостаточна применительно к магнитолевитационному транспорту.

В зависимости от воздушного зазора между полюсом и треком показатели изменяются не существенно.

При расположении магнитного полюса над треком таким образом, чтобы магнитные силовые линии располагались параллельно осевой линии трека, незначительная подъемная сила возникает при скорости движения от 6,7 м/с. Полагается, что такие значения сил левитации малы, чтобы рассматривать их в качестве основной подъемной силы магнитолевитационного транспорта. Силы стабилизации и силы торможения минимальны.

С увеличением воздушного зазора между магнитным полюсом и трековым модулем показатели силы левитации уменьшаются, показатели силы стабилизации и торможения также ухудшаются.

При расположении магнитного полюса над треком таким образом, чтобы магнитные силовые линии располагались перпендикулярно осевой линии, подъемная сила в ходе всего эксперимента не достигла положительных значений. Силы торможения пропорционально увеличивается с ростом скорости движения, при скорости движения свыше 8 м/с происходит аварийное отключение двигателя. С увеличением воздушного зазора между полюсом и треком показатели силы левитации и стабилизации не изменяются.

При расположении магнитного полюса над треком таким образом, чтобы магнитные силовые линии располагались параллельно осевой линии трека, подъемная сила в ходе всего эксперимента не наблюдалась.

Полученные данные этой серии испытаний говорят о том, что при вышеописанной схеме сборки магнитного полюса и трека работа не возможна ввиду неудовлетворительных значений сил левитации и стабилизации.

Проведя полную серию испытаний со сборкой магнитного полюса №2, все результаты можно назвать отрицательными.

Заключение

В результате проведенных исследований получены данные о целесообразности использования различных вариантов сборок магнитных полюсов. При использовании в качестве путевого трека гладкой алюминиевой полосы рекомендуется использование магнитного полюса собранного на основе классического массива Хальбаха. Применение сборок магнитных полюсов №1 и №2, при использовании такого трекового модуля нецелесообразно, однако данные варианты сборок могут показать положительные результаты при использовании других конструкций путевых треков.

Об авторах

Сергей Александрович Казначеев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Автор, ответственный за переписку.
Email: kaznacheeff.serezha@yandex.ru

инженер НИЛ «Магнитоэлектрические транспортные системы»

Россия

Татьяна Сергеевна Зименкова

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: tatyana.zimenkova@gmail.com

аспирант, инженер НИЛ «Магнитоэлектрические транспортные системы»

Россия

Антон Сергеевич Краснов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Email: anton.s.krasnov@gmail.com

преподаватель кафедры «Теплотехника»

Россия

Список литературы

Дополнительные файлы