Комбинированная система тяги и боковой стабилизации для магнитнолевитационного транспорта

Полный текст

Введение

Развитие транспорта в Российской Федерации, обладающей огромной территорией и выгодным географическим положением, является важной стратегической задачей. Реализация новых транспортных направлений, соединяющих запад с востоком и север с югом нашей страны, а также создание транспортных коридоров на территории России, соединяющих страны Европы с азиатскими государствами, для перемещения грузов и пассажиров позволит решить многие геополитические и экономические задачи. Для достижения этих целей необходимо не только совершенствовать имеющиеся, но и создавать принципиально новые виды высокоскоростного транспорта. Современные высокоскоростные виды транспорта уже не в состоянии решить поставленные задачи на новом уровне.

Свою нишу в создании современной и перспективной транспортной инфраструктуры России и других стран сможет занять высокоскоростной магнитнолевитационный транспорт. Проблемами создания и исследования магнитнолевитационного транспорта в последние 10 лет активно занимаются российские научные работники и инженеры в транспортных вузах, в академических и отраслевых научно-исследовательских организациях. Вопросам развития высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта уделяют значительное внимание в ОАО «РЖД», поддерживают исследования в данной области в том числе экономически – путем выделения грантов на поисковые и опытные работы. Результатам выполненных исследований и перспективам проведения дальнейших работ в данной области посвящено множество серьезных публикаций [1–8]. Наибольших результатов в разработке и исследованиях магнитнолевитационного транспорта в России достигла научная школа Петербургского государственного университета путей сообщения [1–7].

Для практической реализации высокоскоростных магнитнолевитационных транспортных систем необходимо решить ряд научных и технических проблем, одна из которых – безопасность движения. Безопасность движения высокоскоростных поездов на магнитном подвесе – важная проблема, включающая в себя много аспектов. Один из них – улучшение динамических качеств магнитнолевитационного транспорта путем обеспечения его поперечной стабилизации относительно путевой структуры. В Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) разработан новый тип тяговой машины для магнитнолевитационного транспорта – линейный асинхронный двигатель (ЛАД) с продольно-поперечным магнитным потоком. Такой ЛАД способен развивать помимо тяговых усилия поперечной стабилизации [9]. Усилия поперечной стабилизации автоматически возникают сами при боковом смещении транспортного экипажа, подвешенного в магнитном поле, без дополнительных устройств и датчиков положения. ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком работает на принципе встречно бегущих магнитных полей. Ряд научных результатов по исследованию линейных асинхронных двигателей с продольно-поперечным магнитным потоком в РГУПС опубликован в [10–11]. Вопросы движения и поперечной динамики магнитнолевитационного транспорта весьма актуальны, о чем свидетельствуют научные исследования в Московском государственном университете путей сообщения [12].

Конструктивные схемы и особенности работы комбинированных систем тяги и боковой стабилизации

Одна из конструкций, обеспечивающих создание тягового и бокового стабилизирующего усилий и предназначенных для магнитнолевитационного транспорта, описана в [13]. Увеличение тягового усилия комбинированной системы тяги и боковой стабилизации обеспечивает ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком [14].

ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком [14] имеет в направлении движения беззубцовые (гладкие) активные зоны, что повышает синусоидальность распределения магнитного потока в воздушном зазоре и значение тягового усилия данного двигателя.

Для улучшения распределения магнитного поля в поперечном движению направлении разработан линейный асинхронный двигатель [15], содержащий индуктор (рис. 1), магнитная система которого образована поперечно расположенными сердечниками 1, несущими катушки обмотки 2. Поперечно шихтованные сердечники соединены продольно шихтованными сердечниками 3. Сердечники, шихтованные в продольном направлении, образованы двумя наклонными стержнями, концы которых входят в пазы поперечных сердечников. На продольных сердечниках расположены катушки обмотки 4. Многофазная обмотка разделена на две части, одна из которых расположена на поперечных, а другая - на продольных сердечниках. Вторичный элемент выполняется композиционным. Электропроводящая часть 5 вторичного элемента уложена поверх обратного магнитопровода 6. Беззубцовое строение индуктора данного ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком обеспечивает синусоидальность распределения магнитного потока в воздушном зазоре в поперечном направлении, что позволяет увеличить боковые стабилизирующие усилия при использовании машины на магнитнолевитационном транспорте.

Принцип действия линейных асинхронных двигателей, принципиальные конструктивные схемы которых представлены на рис. 1, 2, одинаковы, и в них использовано явление встречно бегущих магнитных полей.

Рис. 1. Линейный асинхронный двигатель с продольно-поперечным магнитным потоком: 1 - поперечно шихтованный сердечник; 2, 4 - обмотка; 3 - продольно шихтованный сердечник; 5 - электропроводящая шина; 6 - ферромагнитное основание

Рис. 2. Линейный асинхронный двигатель с продольно-поперечным магнитным потоком: 1 - поперечно шихтованный сердечник; 2, 4 - обмотка; 3 - продольно шихтованный сердечник; 5 - электропроводящая полоса; 6 - ферромагнитное основание

Новая конструкция ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком [16] для комбинированных систем тяги и боковой стабилизации позволяет увеличить усилия боковой стабилизации за счет того, что при поперечном смешении магнитнолевитационного транспортного экипажа часть индуктора располагается над короткозамкнутой обмоткой, размещенной по обе части основной путевой структуры. В этом случае поперечно бегущие магнитные поля взаимодействуют с токами стержней, а не с вихревыми токами в электропроводящей шине. В итоге усилия поперечной стабилизации возрастают, улучшается поперечная динамика магнитнолевитационного транспорта.

Линейные асинхронные двигатели с продольно-поперечным магнитным потоком позволяют реализовать высокие линейные скорости даже при промышленной частоте электропитания, поэтому одной из наиболее перспективных областей применения этих двигателей является высокоскоростной магнитнолевитационный транспорт, который перемещается со скоростью 350–500 км/ч. Линейные асинхронные двигатели с продольно-поперечным магнитным потоком просты по конструкции, технологичны в изготовлении и обладают высокой надежностью. В связи с этим разработка основ их теории и методики расчета является актуальной задачей.

Математическое моделирование распределения магнитодвижущей силы ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком

Для электромагнитного расчета ЛАД и определения его интегральных характеристик необходимо разработать математические модели машины, учитывающие распределение магнитодвижущей силы (МДС) в воздушном зазоре и в электропроводящей части вторичного элемента. Линейные асинхронные двигатели с продольно-поперечным замыканием магнитного потока имеют разомкнутую магнитную систему, при их работе проявляются продольный и поперечный концевые эффекты, которые оказывают большое влияние на тяговые свойства ЛАД, поэтому при расчете необходимо учитывать влияние концевых эффектов. Для учета влияния продольного и поперечного концевых эффектов линейный асинхронный двигатель представляется в виде двух расчетных моделей, на которых изображается распределение магнитодвижущих сил в двух взаимноперпендикулярных направлениях. Такой метод анализа МДС для ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком был использован в РГУПС. Используем такой подход для определения магнитодвижущей силы в ЛАД, конструкции которых предназначены для использования на перспективном высокоскоростном магнитнолевитационном транспорте.

Расчетная модель ЛАД в продольном направлении представлена на рис. 3 в виде чередующихся через определенные промежутки индукторов линейных электродвигателей. Промежутки между индукторами являются зонами продольного концевого эффекта, которая может быть принята $L_{к\max }\cong 2\tau .$ Из рис. 3 видно, что в продольном направлении МДС изменяется синусоидально с периодом l. Полагаем, что в зонах продольного краевого эффекта магнитодвижущая сила равна нулю.

Рис. 3. Расчетная модель и распределение МДС линейного двигателя в продольном направлении: а) основные зоны машины: 1 - индуктор; 2 - воздушный зазор; 3 - электропроводящая часть вторичного элемента; 4 – обратный магнитопровод; б) распределение МДС в направлении движения

Рассмотрим расчетную модель линейного асинхронного двигателя в поперечном направлении (рис. 4). Картина распределения магнитодвижущей силы линейного асинхронного двигателя в поперечном направлении показывает, что машина образована шестью одинаковыми линейными двигателями, действующими согласно, поэтому достаточно рассчитать один линейный асинхронный двигатель, а результаты умножить на шесть.

Рис. 4. Расчетная модель и распределение МДС линейного асинхронного двигателя с продольно-поперечным магнитным потоком в поперечном направлении: а) поперечное сечение ЛАД; б) распределение МДС

Рассмотрим линейный асинхронный двигатель с продольно-поперечным магнитным потоком, имеющий конструкцию, представленную на рис. 1.

ЛАД разбит для анализа распределения МДС на зоны 1–24. Воспользуемся рядом допущений, позволяющих получить аналитическое решение задачи. Полагаем, что:

• магнитная проницаемость магнитопровода равна бесконечности;
• электрическая проводимость магнитопровода равна нулю;
• ток индуктора сосредоточен в бесконечно тонком слое на поверхности зубцов, обращенных ко вторичному элементу;
• ток индуктора создает в направлении оси x синусоидально бегущую волну МДС;
• составляющие плотности тока по оси y в индукторе и вторичном элементе равны нулю.

В выбранном варианте конструкции ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком в соответствии с расчетными моделями (рис. 3, 4) и с учетом принятых допущений значения магнитодвижущих сил получены для всех рассматриваемых зон в поперечном направлении.

В соответствии с принятыми допущениями и расчетными моделями (рис. 3, 4) и с преобразованиями для ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком установлено, что МДС данного линейного двигателя представляет собой периодическую функцию с периодом $T_x=l$ по оси x и с периодом $T_z=2L$ по оси z, которая задана следующим образом

 $F(x,z,t)=\left\{\begin{array}{l}{F}_m{e}^{j(\omega t-\frac{\text{π}}{\text{τ}})};\\ \text{при}-p\tau \le x\le p\tau ;-(a+b)\le z\le (a+b);\\ F_m\left[1-\sin \frac{\pi (z-a)}{2b}\right]e^{j(\omega t-\frac{\pi }{\tau }x)};\\ \text{при}-p\tau \le x\le p\tau ;a\le z\le (a+b);\\ F_m\left[1+\sin \frac{\pi (z+a)}{2b}\right]e^{j(\omega t-\frac{\pi }{\tau }x)};\\ \text{при}-p\tau \le x\le p\tau ;-(a+b)\le z\le -a,\end{array}\right.$

где  $F_m=\frac{2\sqrt{2}}{\pi }q\cdot m\cdot w_c\cdot I_{1\text{ф}}\cdot k_{o\delta 1};$

q - число пазов на полюс и фазу;

w_c - число витков в катушке обмотки;

m - число фаз;

I_ф - ток фазы индуктора;

$k_{o\delta 1}$ - обмоточный коэффициент для первой гармоники тока;

$\tau$ - полюсное деление индуктора;

a, b - поперечные размеры сердечника.

С учетом конструкции индуктора ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком его магнитодвижущую силу после ряда преобразований представим в виде двойного ряда Фурье:

$F(x,z,t)=\frac{8\tau F_m}{{\pi }^{2}l}\sum _n\sum _{\nu }{n}_{\text{л}}\cos (\pi n\frac{z}{L}){\nu }_{к}{e}^{j(\omega t+2\pi \nu \raisebox{1ex}{$x$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$l$}\right.)},$ 

где $n$  - целое положительное, нечетное число - порядок гармонической составляющей МДС по оси z, где период первой гармоники составляет 2L = 4(a + b);

n - любое целое число - порядок гармоники в направлении оси x;

$n_{\text{л}}$ - коэффициент, учитывающий распределение МДС в зоне лобовых частей обмотки.

Коэффициент, учитывающий распределение МДС в зоне лобовых частей тягового ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком, определяется соотношением

 $\begin{array}{c}{n}_{\text{л}}=\frac{1}{n\left[1-{\left(2n\frac{b}{l}\right)}^2\right]}\left[\sin \frac{\text{π}n(a+b)}{L}-2n\frac{b}{L}\cos \left(\text{π}n\frac{a}{L}\right)\right];\\ {\nu }_{к}=\frac{\sin pn(1+\nu \frac{2\tau }{l})}{1+\nu \frac{2\tau }{l}},\end{array}$

где  v_к - коэффициент, учитывающий число полюсов ЛАД.

Полученное представление магнитодвижущих сил ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком в виде двойных рядов Фурье справедливо для машин с любым числом полюсов. Предложенный подход к определению распределения магнитодвижущей силы позволяет свести реальные модели ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком со сложным строением магнитных систем индукторов к расчетным математическим, позволяющих рассчитывать магнитное поле ЛАД.

Заключение

Рассмотрен ряд конструкций линейных асинхронных двигателей с продольно-поперечным магнитным потоком с точки зрения целесообразности их применения для перспективного высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта в качестве комбинированных систем тяги и боковой стабилизации.

Предложена методика аналитического определения магнитодвижущей силы, позволяющая исследовать ее распределение в воздушном зазоре при любой конструкции индуктора тягового ЛАД с продольно-поперечным магнитным потоком для высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта.

Разработаны математические модели для новых конструкций индукторов тяговых линейных асинхронных двигателей с продольно-поперечным магнитным потоком, позволяющие находить распределение магнитодвижущей силы ЛАД в воздушном зазоре между индуктором и вторичным элементом и устанавливать взаимосвязи между параметрами и размерами линейной машины и величиной МДС, что повысит точность расчетов при проектировании данных двигателей для высокоскоростного магнитнолевитационного транспорта.

Об авторах

Андрей Владимирович Соломин

Автор, ответственный за переписку.
Email: vag@kaf.rgups.ru

к. т. н., доцент

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Линейный асинхронный двигатель с продольно-поперечным магнитным потоком: 1 - поперечно шихтованный сердечник; 2, 4 - обмотка; 3 - продольно шихтованный сердечник; 5 - электропроводящая шина; 6 - ферромагнитное основание

Скачать (298KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Линейный асинхронный двигатель с продольно-поперечным магнитным потоком: 1 - поперечно шихтованный сердечник; 2, 4 - обмотка; 3 - продольно шихтованный сердечник; 5 - электропроводящая полоса; 6 - ферромагнитное основание

Скачать (427KB)

Метаданные

4. Рис. 3. Расчетная модель и распределение МДС линейного двигателя в продольном направлении: а) основные зоны машины: 1 - индуктор; 2 - воздушный зазор; 3 - электропроводящая часть вторичного элемента; 4 – обратный магнитопровод; б) распределение МДС в направлении движения

Скачать (26KB)

Метаданные

5. Рис. 4. Расчетная модель и распределение МДС линейного асинхронного двигателя с продольно-поперечным магнитным потоком в поперечном направлении: а) поперечное сечение ЛАД; б) распределение МДС

Скачать (38KB)

Метаданные