СИСТЕМА ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ВЕСА ВАГОНА ПОЕЗДА МЕТРО НА СВЕРХПРОВОДНИКЕ И СПОСОБ ЕЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК B61B13/00 B60L13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области технической физики. Изобретение относится к аналогам, использующим нескомпенсированную силу, действующую на сверхпроводник со стороны магнитного поля, возникающую вследствие применения магнитного экрана, прикрепленного к сверхпроводящей пластине с одной ее плоской стороны.

Уровень техники

Аналоги не обнаружены.

Раскрытие изобретения

Цель настоящего изобретения - повысить скоростные качества поездов метров за счет частичной или полной компенсации веса вагона поезда метро.

Разработана система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике, в основе которой лежит прикрепленное к основанию вагона поезда метро с внешней стороны устройство, фрагмент которого состоит из сверхпроводящей при комнатной температуре пластины размером порядка нескольких сантиметров в ширину и длиной в длину вагона поезда метро, горизонтально расположенной, с прикрепленным к ней вплотную с одной плоской ее стороны сверху магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, причем отдельные фрагменты параллельны между собой в каждом ряду с последовательным чередованием сверхпроводящих пластин и ферромагнитных листов и отстоят друг от друга на расстоянии, в несколько раз или на порядок превышающем толщину магнитного экрана; система содержит также прикрепленное к основанию тоннеля метро с внутренней стороны устройство, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала в форме буквы «О» с прорезью (с зазором), вертикально расположенной, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами, при этом образуют горизонтальные ряды желобов для движения рядов пластин из сверхпроводника с магнитным экраном вдоль оси симметрии желоба в прорезях (в зазорах) буквы «О». Сверхпроводящие пластины с магнитным экраном крепятся к основанию вагона поезда метро с внешней стороны крепежом из слабомагнитного материала, чтобы не искажать магнитный поток в желобе. В качестве магнитного экрана может быть использован также лист из намагниченного вдоль плоскости листа материала постоянного магнита [1], причем оси намагничивания отдельных фрагментов параллельны между собой и направлены в одну сторону, в направлении магнитного поля желоба. Между сверхпроводящей пластиной и магнитным экраном в одном фрагменте может быть выдержано минимальное расстояние, меньше или порядка толщины листа магнитного экрана. Горизонтальные желобы могут быть образованы прикрепленным к внутренней поверхности тоннеля метро устройством, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала в форме полосы, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами, а ряды отстоят друг от друга с промежутком для движения пластин из сверхпроводника с магнитным экраном, причем в каждом промежутке магнитные полюса соседних рядов противоположны. Вместо электромагнита может быть использован постоянный магнит. Также в системе со стороны магнитного экрана параллельно ему на расстоянии, в несколько раз или на порядок меньшем, чем расстояние между сверхпроводящими пластинами, может быть расположен второй дополнительный магнитный экран аналогичный первому, так как двойной магнитный экран намного эффективнее одинарного [2]. Вся система объединяется крепежом из слабомагнитного материала, чтобы не нарушать магнитный поток в межполюсном пространстве магнитов.

Разработан способ компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике, состоящий в том, что система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и параллельно к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба, поэтому за счет взаимодействия пластин из сверхпроводника с магнитным полем желоба возникает со стороны плоской поверхности сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, нескомпенсированная сила действия на сверхпроводник со стороны неоднородного магнитного поля, проникающего на незначительную глубину в толщу сверхпроводника [3], и направленная от незащищенной магнитным экраном плоской поверхности сверхпроводника в сторону ослабления магнитного пуля, то есть в сторону магнитного экрана, то есть вертикально вверх, которая частично или полностью компенсирует вес вагона поезда метро с грузом, причем внутреннее магнитное поле магнитного экрана из материала постоянного магнита ориентируется в одном направлении с магнитным полем в желобе. Причем сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, регулируется электрической схемой [4], включающей в себя измеритель веса вагона поезда метро, которая увеличивает электрический ток через обмотку электромагнитов, если сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, меньше заданной величины, и уменьшает электрический ток через обмотку электромагнитов, если сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, больше заданной величины.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показана пластина из сверхпроводника, обозначенная как 1, и прикрепленный к ней с одной ее плоской поверхности магнитный экран, обозначенный как 2.

На фиг.2 показано, как ориентируется в изображенных тонкими линиями силовых линиях магнитного поля электромагнита с сердечником в форме буквы «О» с прорезью (зазором) пластина из сверхпроводника 1 с магнитным экраном 2 для обеспечения нескомпенсированной силы , действующей на свободную от магнитного экрана плоскую поверхность сверхпроводника в направлении магнитного экрана.

На фиг.3 показано, как ориентируется в изображенных тонкими линиями силовых линиях магнитного поля электромагнита с сердечником в форме полосы пластина из сверхпроводника 1 с магнитным экраном 2 для обеспечения нескомпенсированной силы , действующей на свободную от магнитного экрана плоскую поверхность сверхпроводника в направлении магнитного экрана.

На фиг.4 показано, как регулируется вес в системе для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике электрической схемой, где 3 - измеритель силы, компенсирующей вес; 4 - шунт, он же датчик обратной связи; 5 - электронный усилитель; 6 - элемент сравнения; 7 - обмотка электромагнита; 8 - значение силы, компенсирующей вес.

На обмотку электромагнита подается с элемента сравнения разность напряжений Δu между заданным напряжением u_зад и напряжением с электронного усилителя u_эу.

Оценка возможности предлагаемого устройства и способа компенсации веса вагона поезда метро состоит в оценке силы , действующей на сверхпроводник, помещенный в магнитное поле.

Сила, действующая на вещество, помещенное в магнитное поле, определяется следующим образом [5] в CGSM:

где f_x - величина силы, действующей на вещество в направлении x;

χ - величина объемной магнитной восприимчивости вещества;

ν - объем вещества;

Н - величина магнитного поля;

x - направление.

Поскольку магнитное поле выталкивается из сверхпроводника и поскольку глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник составляет 10^-5÷10^-6 см [3], следовательно, на этой глубине возникает сравнительно высокий градиент магнитного поля ∂Н/∂х со стороны сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, обеспечивающий сравнительно высокую силу f_x, действующую на поверхность сверхпроводника, свободную от магнитного экрана. При этом сверхпроводник как идеальный диамагнетик выталкивается из области более сильного магнитного поля в сторону ослабления магнитного поля.

Параметры вагона поезда метро с системой компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике определяются из (1) следующим естественным образом в CGSM по формуле для определения массы вагона поезда метро, вес которой полностью компенсируется, приходящейся на единицу площади основания вагона поезда метро:

где М - масса вагона поезда метро с грузом;

g - ускорение свободного падения на планете Земля;

χ - величина объемной магнитной восприимчивости сверхпроводника;

Н - величина магнитного поля в желобе;

S' - площадь сверхпроводящей пластины;

S - площадь основания вагона поезда метро;

N - число сверхпроводящих пластин.

Поскольку величина магнитного поля в желобе из электромагнитов может быть разная [6], выберем приемлемый вариант H=3·10³ Э с расположением сверхпроводящих пластин размером S'=5 см · 5 см рядами по три в каждом ряду с двумя рядами N=6, 5=3·10⁵ см² и так как χ=-1 CGSM, g=10³ см·с^-2, в результате имеем величину, равносильную грузоподъемности вагона поезда метро:

M/S≤10³ г·см^-2 ~10⁴ кг·м^-2.

В действительности масса вагона поезда метро, вес которой полностью компенсируется, приходящаяся на единицу площади основания вагона поезда метро, будет в несколько раз меньше расчетной, так как в области проникновения магнитного поля в сверхпроводник абсолютная величина магнитной восприимчивости сверхпроводника уменьшается и величина магнитного поля уменьшается, и это обстоятельство вносит свои коррективы в оценочную формулу (2). Но путем регулирования величины магнитного поля Н в желобе из электромагнитов или путем увеличения количества N рядов желобов с рядами сверхпроводящих пластин можно добиться приемлемого значения параметра M/S.

Поскольку расстояние между электромагнитами, образующими желоб для движения сверхпроводящих пластин с магнитным экраном, минимально, следовательно, движение сверхпроводящих пластин с магнитным экраном происходит в практически однородном, практически безградиентном, магнитном поле, что соответствует замыслу изобретения.

Краткое описание чертежей.

Фиг.1 - один из фрагментов системы компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике.

Фиг.2 - способ компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике в магнитном поле электромагнитов с сердечником в форме буквы «О» с прорезью (с зазором).

Фиг.3 - способ компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике в магнитном поле электромагнитов с сердечником в форме полосы.

Фиг.4 - способ регулирования веса системы для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике с помощью электрической схемы.

Осуществление изобретения

Средство, реализующее данное устройство и способ, еще не создано, но из приведенных в описании изобретения расчетов следует возможность его осуществления.

Литература

1. Под редакцией Дж.Киршвинка, Д.Джонса, Б.Мак-Фаддена. Биогенный магнетит и магниторецепция. Москва, «Мир», 1989 г., т.1, с.271.

2. Под редакцией Дж.Киршвинка, Д.Джонса, Б.Мак-Фаддена. Биогенный магнетит и магниторецепция. Москва, «Мир», 1989 г., т.1, с.264.

3. Малая Советская Энциклопедия. Государственное научное издательство «Советская энциклопедия», издание третье, т.8, с.254-255.

4. А.С.Клюев. Автоматическое регулирование. Москва, «Энергия», 1973 г., с.6-11.

5. П.Селвуд. Магнетохимия. Изд. ИЛ, Москва, 1958 г., с.13.

6. С.В.Вонсовский. Магнетизм. Изд. «Наука», Москва, 1971, с.419.

Изобретение относится к движителям транспортных средств. Устройство содержит сверхпроводящую при комнатной температуре пластину с прикрепленным к ней вплотную или на минимальном расстоянии с одной плоской ее стороны впереди или позади по ходу движения поезда метро магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала, выполненный в форме буквы «О» с вертикально расположенной прорезью или выполненный в форме полосы. Способ заключается в том, что плоский сверхпроводник с магнитным экраном с одной его стороны, помещенный в межполюсной зазор - желоб электромагнита или постоянного магнита, ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и нормально к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике, фрагментом которой является прикрепленное к основанию вагона поезда метро с внешней стороны устройство, состоящее из горизонтально расположенной сверхпроводящей при комнатной температуре пластины, с прикрепленным к ней вплотную или на минимальном расстоянии с одной плоской ее стороны сверху магнитным экраном, представляющим собой лист из ферромагнитного материала, причем отдельные фрагменты отстоят друг от друга на расстоянии, превышающем на порядок толщину магнитного экрана, при этом система содержит прикрепленное к основанию тоннеля метро с внутренней стороны устройство, фрагментом которого является электромагнит с сердечником из ферромагнитного или антиферромагнитного материала, выполненный в форме буквы О с вертикально расположенной прорезью, при этом отдельные фрагменты образуют горизонтальные ряды желобов в форме буквы О с прорезями для движения рядов пластин из сверхпроводника с магнитным экраном вдоль оси симметрии желоба, или выполненный в форме полосы, при этом ряды отстоят друг от друга с промежутком для движения пластин из сверхпроводника с магнитным экраном, причем в каждом промежутке магнитные полюса соседних рядов противоположны, при этом отдельные фрагменты в форме полосы или в форме буквы О отстоят друг от друга на расстоянии, меньшем или порядка толщины сердечника электромагнита, и параллельны между собой в ряду с одинаковыми соседними магнитными полюсами.

2. Система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что в качестве магнитного экрана используется лист из намагниченного вдоль плоскости листа материала постоянного магнита, причем оси намагничивания отдельных фрагментов параллельны между собой и одинаково направлены в направлении магнитного поля желоба.

3. Система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что со стороны магнитного экрана на расстоянии, на порядок меньшем чем расстояние между сверхпроводящими пластинами, расположен дополнительный магнитный экран.

4. Система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между сверхпроводящей пластиной и магнитным экраном в одном фрагменте меньше или порядка толщины листа магнитного экрана.

5. Способ компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике, состоящий в том, что система для компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике, включающая в себя в качестве фрагмента плоский сверхпроводник с магнитным экраном с одной его стороны, помещенный в межполюсной зазор-желоб электромагнита или постоянного магнита, ориентируется своими сверхпроводящими пластинами параллельно магнитному полю в желобе и нормально к оси симметрии желоба для движения пластин из сверхпроводника вдоль оси симметрии желоба, поэтому за счет взаимодействия пластин из сверхпроводника с магнитным полем желоба возникает со стороны плоской поверхности сверхпроводника, не защищенной магнитным экраном, нескомпенсированная сила действия на сверхпроводник со стороны неоднородного магнитного поля, проникающего на незначительную глубину в толщу сверхпроводника, и направленная от незащищенной магнитным экраном плоской поверхности сверхпроводника в сторону ослабления магнитного поля, то есть в сторону магнитного экрана, то есть вертикально вверх, которая частично или полностью компенсирует вес вагона поезда метро с грузом.

6. Способ компенсации веса вагона поезда метро на сверхпроводнике по п.4, отличающийся тем, что сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, регулируется электрической схемой, включающей в себя измеритель веса вагона поезда метро, которая увеличивает электрический ток через обмотку электромагнитов, если сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, меньше заданной величины, и уменьшает электрический ток через обмотку электромагнитов, если сила, компенсирующая вес вагона поезда метро, больше заданной величины.