МАГНИТНЫЙ ПОДВЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПУТЕПРОВОДА Российский патент 2016 года по МПК B60L13/04 B61B13/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к транспортным системам, в которых применяются электромагнитные устройства в виде электромагнитного подвеса, и, в частности, к устройству магнитного подвеса левитационных транспортных средств.

Уровень техники

Для перевозки людей или грузов с применением магнитной левитации предложено сравнительно много способов передвижения, при которых транспортное средство без механического контакта с путепроводом (путевой структурой) удерживается над ним или под ним с помощью пондеромоторных сил, генерируемых электромагнитами или постоянными магнитами (магнитная подушка). Тяговый двигатель может разгонять транспортное средство на магнитном подвесе до скоростей, существенно превышающих скорости движения обычного транспорта.

Например, в патенте US 7533616 предусматривается наличие в путепроводе специальной ферромагнитной направляющей (феррорельса) с поперечным профилем различной формы. На транспортном средстве имеется магнитный подвес, который притягивается к феррорельсу снизу, - такое устройство обычно называется электромагнитным подвесом (ЭМП). Управляя напряженностью магнитного поля или расстоянием от рельса до источника магнитного поля, входящего в подвес (в указанном патенте это электромагниты, однако могут использоваться и постоянные магниты), добиваются фиксации положения транспортного средства относительно феррорельса. Тяговый двигатель транспортного средства разгоняет его до заданной скорости, преодолевая только сопротивление воздуха и силу электродинамического торможения.

В качестве ферромагнитного материала обычно применяется железо в виде чугуна или стали. Железо представляет собой проводник. При движении транспортного средства магнитное поле создает вихревые токи в ферромагнитной направляющей - феррорельсе, выполненном с использованием железа или другого материала, обладающего проводимостью, типичной для проводников. Вихревые токи, в свою очередь, создают свое магнитное поле, которое отталкивает источники магнитного поля в магнитном подвесе. Вследствие этого притяжение источников магнитного поля подвеса к феррорельсу падает, что может привести к падению поезда или механическому контакту подвеса и поезда, имеющих высокую скорость, с феррорельсом.

Раскрытие изобретения

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое устройство, заключается в устранении упомянутых выше недостатков. Сущность предлагаемой системы состоит в применении комбинированного путепровода с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью для использования как левитации с притяжением (ЭМП), так и левитации с отталкиванием (ЭДП, электродинамический подвес). Кроме того, может предусматриваться попеременное использование магнитов подвеса для взаимодействия с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью.

Таким образом, для решения задачи настоящего изобретения предназначен путепровод для перемещения транспортного средства с использованием магнитной левитации притягивающего и отталкивающего типов, содержащий ферромагнитную направляющую и проводящую поверхность. Ферромагнитная направляющая должна быть расположена над проводящей поверхностью с обеспечением возможности размещения магнитного подвеса транспортного средства между ними. Проводящая поверхность может быть выполнена с использованием немагнитного материала.

В некоторых вариантах ферромагнитная направляющая может быть установлена в местах остановок транспортного средства, проводящая поверхность может быть установлена в местах перемещения транспорта, а на части путепровода установлены как ферромагнитный рельс, так и проводящая поверхность. В предпочтительном варианте ферромагнитная направляющая и проводящая поверхность установлены на всем протяжении путепровода, доступного для перемещения транспортного средства.

Решение задачи настоящего изобретения возможно с помощью магнитного подвеса транспортного средства для комбинированного путепровода с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью. Подвес содержит магнитное устройство, выполненное и/или установленное так, чтобы формировать магнитное поле, имеющее возможность последовательного взаимодействия с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью.

Магнитное устройство в некоторых вариантах может перемещаться между ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью. В предпочтительной реализации магнитное устройство формирует несимметричное магнитное поле. Тогда магнитное устройство может разворачиваться или изменять ориентацию асимметрии магнитного поля (или поворачивать или разворачивать магнитное поле).

В частности, в некоторых вариантах магнитное устройство может содержать множество постоянных магнитов, собранных в сборку Халбаха, а изменение ориентации асимметрии магнитного поля может обеспечиваться разворотом, по меньшей мере, части магнитов, входящих в состав сборки Халбаха.

В других вариантах магнитное устройство может содержать множество электрических обмоток. Векторное произведение магнитных моментов соседних обмоток в таком устройстве должно быть направлено в одну и ту же сторону от плоскости, задаваемой магнитными моментами какой-либо пары соседних обмоток, а изменение ориентации асимметрии магнитного поля может обеспечиваться изменением тока, по меньшей мере, в части обмоток.

В подвесе может быть предусмотрено множество магнитных устройств, которые могут менять объект взаимодействия магнитного поля с ферромагнитной направляющей на проводящую поверхность и/или наоборот в разные моменты времени.

Кроме того, задачу настоящего изобретения также решает транспортное средство, предназначенное для перемещения по путепроводу с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью, имеющее магнитный подвес по любому из вышеописанных вариантов.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение стабильной и безопасной магнитной левитации транспортного средства над транспортным путем как в неподвижном состоянии и на малых скоростях, так и на высоких скоростях движения транспортного средства. Кроме того, обеспечена эффективность использования магнитного подвеса, который применяется как для левитации с притяжением к ферромагнитной направляющей, так и для левитации над проводящей немагнитной поверхностью. Благодаря этому устраняется необходимость в дополнительных источниках магнитного поля, снижается вес магнитного подвеса и расход материалов, а также повышается грузоподъемность транспортного средства.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема магнитного подвеса с перемещаемыми магнитными устройствами, установленными для взаимодействия с ферромагнитной направляющей.

На фиг. 2 приведена схема магнитного подвеса с перемещаемыми магнитными устройствами в переходном режиме, в котором часть магнитных устройств установлена для взаимодействия с ферромагнитной направляющей, а часть магнитных устройств установлена для взаимодействия с проводящей поверхностью.

На фиг. 3 приведена схема магнитного подвеса с перемещаемыми магнитными устройствами, установленными для взаимодействия с проводящей поверхностью.

На фиг. 4 показана схема магнитного подвеса с магнитными устройствами, формирующими несимметричные магнитные поля.

На фиг. 5 показана схема магнитного подвеса с магнитным устройством в виде сборки Халбаха.

На фиг. 6 показана схема магнитного подвеса с магнитным устройством из обмоток, формирующих несимметричное магнитное поле с возможностью электрического (электронного) изменения ориентации магнитного поля.

На фиг. 7 показан вид в разрезе возможного варианта электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением над проводящей поверхностью.

На фиг. 8 показан вид сверху возможного варианта электромагнитного устройства в соответствии с настоящим изобретением, представленного на фиг.7, над проводящей поверхностью.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к транспортному средству, предназначенному для перемещения по комбинированному путепроводу с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью. Ферромагнитная направляющая (феррорельс) и проводящая поверхность расположены преимущественно в горизонтальных плоскостях, причем феррорельс предпочтительно установлен над проводящей поверхностью. В некоторых вариантах осуществления феррорельс может быть установлен только в местах остановок транспортного средства и на тех участках, где оно перемещается на малых скоростях, а проводящая поверхность может быть установлена в местах перемещения транспорта, в частности на высоких скоростях. В таких случаях на части путепровода должны быть установлены как феррорельс, так и проводящая поверхность для того, чтобы обеспечить переход с левитации путем притяжения к феррорельсу и левитации путем отталкивания от проводящей поверхности. Такая конфигурация путепровода снижает расход материалов на изготовление путепровода.

Однако в предпочтительном варианте выполнения ферромагнитная направляющая и проводящая поверхность установлены на всем протяжении путепровода, доступного для перемещения транспортного средства, что обеспечивает возможность безопасной остановки транспортного средства на любом участке, а конструкция путепровода приобретает однородность и универсальность, что упрощает конструирование путепровода и эксплуатацию на таком путепроводе транспортного средства с магнитной левитацией.

Ферромагнитная направляющая (феррорельс) может иметь любую форму, но в одном из предпочтительных вариантов может представлять собой плоскую балку, горизонтально расположенную вдоль путепровода. Выполнение рельса из ферромагнитного материала, например стали, железа, чугуна или других, обеспечивает снижение себестоимости ввиду широкой распространенности железа и низкой себестоимости производства и изготовления из него изделий в больших масштабах, например в таких, которые требуются для изготовления феррорельса для комбинированных путепроводов, имеющих протяженности в сотни и тысячи километров. Преимуществом применения ферромагнитных материалов является то, что взаимодействие магнитов с феррорельсом может осуществляться как в движении, так и без движения транспортного средства вдоль феррорельса, например на остановках.

Проводящая поверхность может иметь любую форму, но в одном из предпочтительных вариантов может представлять собой плоский широкий лист металла, горизонтально расположенный вдоль путепровода.

Проводящая поверхность может иметь любую форму, например лист металла, но в одном из предпочтительных вариантов может представлять собой плоскую широкую балку, горизонтально расположенную вдоль путепровода. Выполнение такой поверхности из немагнитного металла, например меди, алюминия, латуни или других, обеспечивает снижение себестоимости ввиду широкой распространенности некоторых видов немагнитных металлов и низкой себестоимости производства и изготовления из них изделий в больших масштабах, например в таких, которые требуются для изготовления проводящей поверхности для комбинированных путепроводов, имеющих протяженности в сотни и тысячи километров. Преимуществом применения электропроводящих материалов является то, что при взаимодействии магнитов с проводящей поверхностью, которое происходит в движении, магниты не притягиваются, как это происходит в случае ферромагнитной направляющей, а отталкиваются от проводящей поверхности.

Транспортное средство преимущественно представляет собой поезд, состоящий из одного или более тягового вагона (локомотива) и нескольких вагонов, не имеющих тяговых двигателей, однако в одном из вариантов может состоять из одного вагона с тяговым двигателем. Для повышения характеристик транспортное средство имеет магнитный подвес (подвеску), подробно описываемый ниже. В преимущественном варианте транспортное средство имеет обычные колеса, обеспечивающие возможность перемещения без магнитной левитации, например, на станциях, при маневровых работах или при регулировке магнитного подвеса.

На фиг. 1, 2 и 3 показана схема магнитного подвеса 1 для комбинированного путепровода, расположенного, например, в нижней части вагона. Вагон перемещается вдоль комбинированного путепровода, имеющего в своем составе ферромагнитную направляющую 2 и проводящую поверхность 3 (например, широкую балку, выполненную из немагнитного металла). В преимущественном варианте расположения ферромагнитная направляющая 2 находится над проводящей поверхностью 3, а между ними устанавливается магнитный подвес 1 вагона, который должен иметь высоту, допускающую такую установку (т.е. предпочтительно высота подвеса 1, по крайней мере, в той части, которая располагается между рельсом 2 и поверхностью 3, меньше вертикального расстояния между рельсом 2 и поверхностью 3).

Подвес 1 в показанном на фиг. 1-3 варианте имеет несколько направляющих 4, на которых с возможностью вертикального перемещения между ферромагнитной направляющей 2 и проводящей поверхностью 3 установлены магнитные устройства 5-9 (например, магниты, формирующие симметричное магнитное поле, направленное вверх и вниз). В показанном на фиг. 1-3 варианте они одинаковые, но могут и различаться. В некоторых случаях магнитным устройством может называться конструкция, содержащая несколько магнитов. Например, магнитным устройством на фиг. 1-3 могла бы называться совокупность магнитов 5-9, установленных на направляющих 4.

В первоначальном положении, показанном на фиг. 1, магнитные устройства 5-9 находятся в верхней части подвеса 1. В этом положении формируемое устройствами 5-9 магнитное поле взаимодействует с ферромагнитной направляющей 2. Поскольку магниты притягиваются к ферромагнитным материалам, то при соответствующем подборе величины магнитного поля и/или количества магнитов может быть обеспечена подъемная сила, достаточная для левитации всего транспортного средства, имеющего такой магнитный подвес.

Особенностью магнитной левитации с использованием ферромагнитной направляющей (ЭМП) является то, что транспортное средство может левитировать как стоя на месте (то есть при нулевой скорости движения), так и в движении с малыми и средними скоростями. В то же время при движении такого транспортного средства с высокими скоростями в ферромагнитной направляющей, выполненной, например, с использованием железа, наводятся вихревые токи, которые тормозят и отталкивают магниты от феррорельса. Как следствие, сила притяжения падает, и магнитная левитация с использованием феррорельса на высоких скоростях либо требует более сильных магнитов, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей, либо просто невозможна.

В связи с этим при достижении достаточно высоких скоростей в магнитном подвесе 1 в соответствии с настоящим изобретением осуществляется переход от магнитной левитации с использованием ферромагнитной направляющей (феррорельса) 2 к магнитной левитации над проводящей поверхностью 3. Как показано на фиг. 2, для этого сначала опускаются вниз, ближе к проводящей поверхности 3, магнитные устройства 6 и 8, в то время как устройства 5, 7 и 9 продолжают поддерживать левитацию с использованием феррорельса 2. Поскольку часть магнитов во время перемещения от феррорельса к проводящей поверхности не взаимодействует создаваемым магнитным полем ни с феррорельсом, ни с проводящей поверхностью, той части магнитов, которые продолжают взаимодействовать с феррорельсом, необходимо обеспечивать усиленное притяжение (в пересчете на каждый магнит), что может осуществляться либо увеличением величины магнитного поля, либо приближением магнита к феррорельсу, либо другими способами или их комбинациями.

После того как магниты 6 и 8 начали взаимодействовать своими магнитными полями с проводящей поверхностью 3, в проводящей поверхности стали наводиться вихревые токи, которые создают, в свою очередь, магнитные поля, отталкивающие магниты 6 и 8 от поверхности 3. Сила отталкивания зависит от величины магнитного поля, создаваемого магнитными устройствами 6 и 8, от расстояния от проводящей поверхности 3 до магнитов 6 и 8, проводимости материала, из которого выполнена проводящая поверхность, и скорости движения. При достаточно большой силе отталкивания и обеспечении возможности левитации с использованием проводящей поверхности, магнитные устройства 5, 7 и 9 также могут быть опущены (одновременно или по очереди) от ферромагнитной направляющей 2 вниз к проводящей поверхности 3, и тогда взаимодействовать с проводящей поверхностью станут все магнитные устройства 5-9.

Таким образом обеспечивается переход от левитации с использованием притяжения к ферромагнитной направляющей (феррорельсу) к левитации с использованием отталкивания от проводящей поверхности, при котором магнитные устройства последовательно взаимодействуют с феррорельсом и проводящей поверхностью. При снижении скорости и/или при необходимости перехода от левитации с использованием отталкивания от проводящей поверхности к левитации с использованием притяжения к феррорельсу описанный процесс осуществляется в обратной последовательности, а магнитные устройства также последовательно взаимодействуют с проводящей поверхностью и феррорельсом.

Использование левитации с притяжением к ферромагнитной направляющей (феррорельсу) при стоянке и малых скоростях, а левитации с отталкиванием от проводящей поверхности на высоких скоростях позволяет взаимно скомпенсировать недостатки схем (способов) левитации, отмеченных ранее. Кроме того, благодаря тому, что схема левитации с отталкиванием от проводящей поверхности является саморегулируемой и устойчивой, то есть в ней зазор между магнитами и проводящей поверхностью в движении регулируется автоматически (при опускании магнита вырастает сила отталкивания и опускание магнита прекращается, а при поднятии магнита сила отталкивания ослабевает и поднятие магнита также прекращается), то снижаются требования к системе регулирования положения магнитов, магнитного подвеса и вагона по высоте, а это приводит к снижению энергопотребления в регулирующей магнитной системе, в которой обычно применяются электромагниты. При использовании левитации с притяжением к феррорельсу левитация оказывается неустойчивой и требуется постоянное корректирование положения по высоте с помощью регулирующей магнитной системы.

Использование одних и тех же магнитов для попеременного взаимодействия с феррорельсом и проводящей поверхностью позволяет снизить массу магнитов и/или энергозатраты на формированием магнитных полей, а также упрощает регулирование положения магнитного подвеса по высоте, так как одновременное взаимодействие магнитов как с проводящей поверхностью, так и с феррорельсом усложняет устройства и алгоритмы для формирования корректирующих магнитных полей.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения открываются в том случае, когда магнитное устройство формирует несимметричное магнитное поле. Магнитное устройство устанавливается таким образом, чтобы магнитное поле линией, в которой наблюдается асимметрия (или наибольшая асимметрия) магнитного поля, проходила преимущественно в направлении от ферромагнитного рельса к проводящей поверхности. В этом случае магнитное устройство в один и тот же момент времени будет преимущественно взаимодействовать с одним из элементов путепровода - ферромагнитной направляющей (феррорельсу) или проводящей поверхностью - даже в том случае, если оно установлено не на краю или той половине магнитного подвеса, который/которая ближе к феррорельсу или проводящей поверхности, но и когда магнитное устройство установлено посередине между феррорельсом и проводящей поверхностью или даже ближе к элементу, противоположному тому, с которым осуществляется взаимодействие (в зависимости от степени асимметрии магнитного поля). Это позволяет менять элемент путепровода, с которым осуществляется взаимодействие, путем поворота магнитного устройства или его отдельных частей и/или путем поворота магнитного поля (изменения направления асимметрии) вокруг магнитного устройства.

Одним из дополнительных преимуществ использования магнитных устройств с асимметрией формируемого магнитного поля, помимо концентрации магнитного поля и, следовательно, повышения эффективности магнитного устройства, является снижение габаритов магнитного подвеса, транспортного средства и путепровода (в частности, по высоте). Это происходит потому, что поскольку при использовании магнитных устройств с симметричным магнитным полем их необходимо либо перемещать между ферромагнитной направляющей (феррорельсом) и проводящей поверхностью, либо они должны располагаться с обеих сторон магнитного подвеса, как у феррорельса, так и у проводящей поверхности, так как магнитные поля, требующиеся для взаимодействия с феррорельсом и проводящей поверхностью, различаются, а одно магнитное устройство с симметричным магнитным полем формирует одинаковое магнитное поле и сверху, и снизу по определению.

На фиг. 4 показан магнитный подвес 10, расположенный между ферромагнитной направляющей 2 и проводящей поверхностью 3. Подвес 10 на фиг. 4 имеет несколько магнитных устройств, каждое из которых состоит из электромагнитной обмотки 11, внутри которой горизонтально проходит сердечник 12, имеющий выступы (полюсы) 13. Сердечник 12 с полюсами 13 выполнены из ферромагнитного материала для обеспечения беспрепятственной передачи магнитного поля, формируемого в обмотке 11, к ферромагнитной направляющей или проводящей поверхности. В зависимости от того, куда направлены полюсы 13, будет направляться магнитное поле, которое формируется только с одной стороны магнитного устройства - той, на которую выходят полюсы. В некоторых вариантах обмотки могут быть выполнены на сердечниках, установленных на месте полюсов 13, а вместо сердечника может использоваться магнитопровод, предназначенный для передачи соединения по магнитному полю этих сердечников.

На фиг. 4 показано, что все магнитные устройства установлены так, что полюсы направлены вверх, к ферромагнитной направляющей, для обеспечения левитации способом притяжения. В другие моменты времени магнитные устройства целиком или их части (сердечники с полюсами или только полюсы) могут быть развернуты к проводящей поверхности для обеспечения левитации способом отталкивания. Эти режимы левитации аналогичны описанным по отношению к фиг. 1-3, а переориентация магнитных устройств или их частей может проводиться одновременно или, в преимущественном варианте, по очереди, аналогично процессу смены элемента путепровода, с которым взаимодействуют магнитные устройства, описанному по отношению к фиг. 1-3.

Разворот магнитного устройства может осуществляться вокруг оси, находящейся в горизонтальной плоскости, например вдоль оси обмотки или поперек ей. Сердечник с полюсами может разворачиваться, соответственно, вдоль своей оси, совпадающей с осью обмотки, при этом обмотка может оставаться на месте. В том случае, если предусматривается разворот одних лишь полюсов, то они могут разворачиваться вокруг оси сердечника или вокруг оси, поперечной оси сердечника (например, это может быть шарнирное соединение). В любом из этих вариантов происходит перенос полюсов от одного элемента путепровода к другому (от ферромагнитной направляющей к проводящей поверхности или наоборот).

Несмотря на то, что величина перемещений и перемещаемая масса в подвесе на фиг. 4 снижены по сравнению с подвесом на фиг. 1-3, для изменения элемента путепровода, с которым взаимодействует магнитным полем магнитное устройство, по-прежнему требуется механическое перемещение магнитного устройства или его частей. В более предпочтительных вариантах осуществления магнитного подвеса предусматривается магнитное устройство, которое формирует несимметричное магнитное поле (т.е. магнитное поле, обладающее асимметрией) и при этом может изменять ориентацию асимметрии магнитного поля (это также может быть названо как разворот магнитного поля, хотя это может не всегда выглядеть как разворот или поворот, это также может быть переключением или изменением конфигурации магнитного поля или ориентации).

Так, например, как показано на фиг. 5, магнитный подвес 14 может содержать магнитное устройство, содержащее множество постоянных магнитов 15-19, собранных в сборку Халбаха. Постоянные магниты 15-19, например, в виде брусков имеют поперечную (не продольную) ориентацию векторов намагниченности, причем векторное произведение векторов намагниченности соседних постоянных магнитов направлено в одну и ту же сторону вдоль длины брусков (направление также может быть определяться по отношению к плоскости, задаваемой вектором намагниченности какой-либо пары соседних магнитов). Как видно на фиг. 5, векторы намагниченности как бы «поворачиваются» при переходе от одного магнита к соседнему. При переходе слева направо все повороты совершаются против часовой стрелки, а при переходе в обратном направлении - по часовой стрелке.

Особенностью магнитного поля, формируемого магнитным устройством на фиг.5, является то, что оно практически полностью направлено в одну сторону (в данном случае вверх, к феррорельсу 2, а к проводящей поверхности 3 поле практически отсутствует), то есть наблюдается высокая степень асимметрии в направлении, поперечном направлению, в котором устанавливаются соседние магниты. Для изменения направления магнитного поля, то есть изменения ориентации асимметрии (разворота магнитного поля), достаточно повернуть на 180° магниты 16 и 18, а магниты 15, 17 и 19 могут оставаться без изменений (или наоборот). Для обеспечения возможности поворота магнитов между магнитами могут быть предусмотрены промежутки или магниты 16 и 18 могут иметь круглую (цилиндрическую) форму. Благодаря этому устраняется необходимость перемещения магнитного устройства или его частей, поскольку в данном случае для изменения ориентации магнитного поля (или его асимметрии) достаточно изменить ориентацию части магнитов, входящих в магнитное устройство. В то же время изменение ориентации асимметрии может меняться ориентация всех магнитов, входящих в состав магнитного устройства, или изменяться ориентация всего магнитного устройства путем его поворота.

В показанном на фиг.6 варианте настоящего изобретения магнитное устройство подвеса 20 содержит множество электрических обмоток 21-25. Обмотки, например, в рейстрековой форме установлены таким образом и электрический ток пропускается через них таким образом, что векторное произведение магнитных моментов соседних обмоток направлено в одну и ту же сторону от плоскости, задаваемой магнитными моментами какой-либо пары соседних обмоток. В таком магнитном устройстве также обеспечивается несимметричное магнитное поле, то есть устройство может взаимодействовать с феррорельсом 2 или проводящей поверхностью 3.

Далее будем использовать известные определения.

1) Выражение [a×b] обозначает векторное произведение двух векторов a=(a_x, a_y, a_z) и b=(b_x, b_y, b_z). Здесь и далее вектора выделяются полужирным шрифтом. Векторное произведение [a×b] есть вектор c=(c_x, c_y, c_z), компоненты которого равны c_x=a_yb_z-a_zb_y, c_y=a_zb_x-a_xb_z, c_z=a_xb_y-a_yb_x. Вектор с перпендикулярен плоскости, в которой лежат a и b (И.Ε. Тамм. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989).

2) Магнитный момент токонесущей катушки электромагнита произвольной формы, m, в общем случае объемных проводников равен $$m=\frac{1}{2}{\displaystyle \underset{V}{\int }\left[r\times j\right]}dV$$ , объем проводника, dV - элемент объема, характеризуемого радиус-вектором r, j - вектор плотности электрического тока. Если намотку электромагнита представлять в виде тонкого замкнутого контура, то $$m=\frac{I}{2}{\displaystyle \underset{}{\oint }\left[r\times dl\right]}$$ , где I - полный ток, dl - элемент контура. Для плоских контуров последнее выражение дает m=ISn, где S - площадь, n - единичный вектор нормали к плоскости контура, направленный в соответствии с правилом буравчика (если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика). Магнитный момент является характеристикой электромагнита (обмотки, катушки) в выбранной системе координат (И.Е. Тамм. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989).

3) Центр электромагнита, r₀, определяется как $$r_0=L^{-1}{\displaystyle \oint rdl}$$ , где L - полная длина контура намотки (в т.ч. для случая многовитковой и/или многослойной намотки), dl - элемент контура. В случае если контур симметричен, данное определение совпадает с центром симметрии.

4) Поперечная плоскость электромагнита в общем случае - плоскость, проходящая через его центр перпендикулярно вектору магнитного момента. Если электромагнит состоит из одного плоского витка, поперечная плоскость совпадает с плоскостью витка. Если катушка плоская, поперечная плоскость совпадает с плоскостью среднего витка.

5) Направление максимальной асимметрии магнитного поля - это направление, вдоль которого должна быть обеспечена максимальная разница значений модуля магнитного поля в точках наблюдения, расположенных симметрично по разные стороны электромагнитного устройства. Поскольку для транспортных средств на магнитном подвесе это направление обычно определяется силой тяжести и совпадает с вертикальной осью транспортного средства, здесь и далее это направление для краткости называется вертикальным.

6) Горизонтальная плоскость - плоскость, перпендикулярная вертикальному направлению.

7) Электромагнитное устройство состоит из двух, трех, четырех или более электромагнитов, центры которых смещены друг относительно друга в некотором направлении (далее для краткости называемом продольным направлением). Продольное направление можно вычислить как прямую линию в горизонтальной плоскости, наименее уклоняющуюся от центров электромагнитов, например, методом наименьших квадратов (Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М., 1962). Электромагниты в продольном направлении образуют последовательность, позволяющую определить понятие «соседний электромагнит». У крайних электромагнитов один сосед, у остальных - по два.

Определенной степенью асимметрии магнитного поля будет обладать любое магнитное устройство, состоящее из обмоток, магнитные моменты которых не коллинеарны (не параллельны или не антипараллельны). Однако в предпочтительном варианте с целью повышения эффективности электромагнитного устройства, которая в одном из вариантов может быть определена как отношение величины магнитного поля к массе (объему) магнитного устройства, обмотки устройства должны быть расположены так и быть запитаны токами так, чтобы результаты векторных произведений магнитных моментов соседних обмоток были направлены в одну и ту же сторону от плоскости, составленной какой-либо (или, в некоторых случаях, любой) парой магнитных моментов обмоток, входящих в состав электромагнитного устройства. Другими словами, результаты векторных произведений магнитных моментов соседних обмоток находятся в одном и том же полупространстве, получаемом делением пространства плоскостью, составленной какой-либо парой магнитных моментов обмоток, входящих в состав электромагнитного устройства. В этом варианте магнитные моменты соседних обмоток также не коллинеарны, поскольку векторное произведение коллинеарных векторов по определению равно нулю, а для нулевого вектора направление неопределенно.

Необходимо учитывать тот факт, что для настоящего изобретения имеет значение направление векторного произведения, а не его длина. В связи с этим в упрощенном способе определения направления векторного произведения может оказаться достаточным построение вектора, создающего правую тройку векторов с магнитными моментами соседних обмоток - в соответствии с настоящим изобретением, два таких построенных векторных произведения для двух или более пар магнитных моментов соседних обмоток должны быть направлены (расположены) с одной стороны плоскости, построенной по одной паре магнитных моментов соседних обмоток (или с одной стороны нескольких таких плоскостей, построенных по парам магнитных моментов соседних обмоток).

Кроме того, возможен вариант определения необходимых направлений магнитных моментов обмоток и без определения векторного произведения и построения какого-либо дополнительного вектора. Для этого по двум магнитным моментам создается плоскость и далее при наблюдении электромагнитного устройства с одной и той же стороны этой плоскости (из одного и того же полупространства, на которые плоскость делит пространства) кратчайший поворот магнитных моментов обмоток, входящих в устройство, совершается либо всегда против часовой стрелки, либо всегда по часовой стрелке.

Соседство обмоток определяется по их расположению в сборке обмоток, составляющей устройство. Для некоторой заданной обмотки соседней обмоткой будет считаться та обмотка, которая находится ближе всего к заданной обмотке с той или другой стороны от поперечной плоскости, перпендикулярной магнитному моменту обмотки. Таким образом, у заданной обмотки может быть не более двух соседних обмоток.

Также может быть предложен другой способ определения соседства обмоток. Поскольку электромагнитное устройство по настоящему изобретению предназначено для формирования магнитного поля, взаимодействующего с объектом вне устройства, то для электромагнитного устройства (оно еще может называться как сборка обмоток, катушек или электромагнитов) может быть задано продольное направление, преимущественно пролегающее вдоль объекта, с которым предполагается взаимодействие устройства. Продольное направление электромагнитного устройства преимущественно совпадает с продольным направлением транспортного средства и/или путепровода, а также с направлением движения транспортного средства вдоль путепровода, хотя могут быть предусмотрены различные варианты расположения электромагнитных устройств в подвесе такого транспортного средства. В соответствии с этим обмотки устройства будут расположены со взаимным смещением вдоль продольного направления, то есть преимущественно вдоль направления движения транспортного средства.

Смещение может определяться по различным точкам, однако в предпочтительном варианте смещение определяется по положению, например, геометрических центров обмоток (электромагнитов, катушек) или по определенному в соответствии с вышеприведенными формулами точек, из которых исходят магнитные моменты обмоток. Геометрическими центрами могут считаться, в частности, точки симметрии, если обмотки выполнены в виде симметричных изделий, или точки, равноудаленные или в среднем равноудаленные от крайних точек и/или поверхностей обмоток. В то же время смещение по продольному направлению не означает, что эти электромагниты не могут быть смещены в других направлениях. Продольным направлением также может считаться то направление, в отношении которого обмотки смещены и углы между магнитными моментами обмоток, определенные относительно продольного направления, соответствуют настоящему изобретению.

Соседними обмотками в таком случае будет считаться пара таких обмоток, которые смещены относительно продольного направления на наименьшее расстояние в одну или другую сторону вдоль продольного направления относительно заданной обмотки. Например, в том случае, если положение обмотки определяется по ее геометрическому центру, то между проекциями геометрических точек соседних обмоток на продольное направление не находятся проекции геометрических точек других обмоток.

В каждой точке магнитные поля разных обмоток складываются векторно. Поскольку магнитное поле формируется всеми обмотками, то результирующее магнитное поле будет складываться как из полей, формируемых обмотками, расположенными в плоскости или под незначительным углом к плоскости, параллельной объекту, для взаимодействия с котором предназначено электромагнитное устройство, так и из полей, формируемых обмотками, расположенными перпендикулярно или с некоторым отклонением от перпендикулярного направления к указанной плоскости обмотками, а значит, вклад в формирование магнитного поля вносят все элементы (обмотки), входящие в состав электромагнитного устройства. Кроме того, при таком расположении обмоток в сборке суммарное магнитное поле будет направлено преимущественно в одну сторону от электромагнитного устройства, к объекту, с которым обеспечивается магнитное взаимодействие (на фигурах это направление вниз). Таким образом достигается высокая эффективность устройства в соответствии с настоящим изобретением, которая может быть определена как отношение величины формируемого магнитного поля по отношению к массе устройства.

Преимуществом данного варианта выполнения магнитного устройства является то, что для изменения ориентации асимметрии (разворота магнитного поля) не требуется механически перемещать или переориентировать магнитное устройство или какие-либо его части (хотя и такие способы возможны), а достаточно изменить направление токов, а значит, и направления магнитных моментов в обмотках 22 и 24 или во всех обмотках 21-25. Дополнительным преимуществом является то, что смена ориентации асимметрии магнитного поля может происходить практически мгновенно и не требуется применение сложных способов постепенного перехода от взаимодействия магнитных устройств с ферромагнитной направляющей к проводящей поверхности и наоборот. В то же время возможна постепенная (последовательная) смена ориентации асимметрии магнитного поля, если таких магнитных устройств несколько.

Форма витка или обмотки в целом в поперечной плоскости может быть любой. Однако в преимущественном варианте витки и обмотки выполнены в форме гладких линий, не содержащих изгибов, поскольку в случае протекания в обмотках больших токов, необходимых для создания сильных магнитных полей, на изгибах будут создаваться предпосылки для выхода обмоток из строя. В показанном на фиг. 1 варианте обмотки выполнены в виде круглых колец. В преимущественном варианте радиусы кривизны (закруглений) изгибов обмоток и витков в соответствии с настоящим изобретением имеют величину не менее 10%, 20%, 30% или 40% от внутреннего поперечного размера обмотки, а предпочтительно не менее 50% - чем больше радиус кривизны, тем более гладкой является кривая и меньше риск выхода обмотки из строя.

Поскольку электромагнитное устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено для формирования магнитного поля, взаимодействующего с внешним по отношению к электромагнитному устройству объектом - ферромагнитной направляющей или проводящей поверхностью, то это значит, что объект, с которым взаимодействует электромагнитное устройство, не охватывается устройством. Иными словами, объект, для магнитного взаимодействия с которым предназначено электромагнитное устройство, находится вне объема, ограничиваемого любыми прямолинейно соединенными крайними точками, линиями или поверхностями.

Помимо того, что магнитное поле распределено, по меньшей мере, по площади внутри обмотки (при этом сердечник может и отсутствовать, что снижает массу и удешевляет сборку в целом в связи с отсутствием расхода на материал сердечника, например железа или стали), оно также распределено и в продольном направлении за счет нескольких обмоток, располагающихся вдоль этого направления. Для того чтобы поле было распределено и в направлении, поперечном продольному и пролегающему в плоскости, параллельной ферромагнитной направляющей и/или проводящей поверхности, возможно располагать рядом несколько рядов подобных сборок обмоток. Однако такая конфигурация может создавать дополнительные сложности с коммутацией подводящих проводов/кабелей. Кроме того, в случае круглых электромагнитов (обмоток) будет наблюдаться неплотная упаковка, а применение квадратных, прямоугольных, ромбических электромагнитов (обмоток) или других видов форм со значительными изгибами ограничивает величину магнитных полей, которые могут формировать эти электромагниты (обмотки), поскольку изгибы проволоки, из которой формируются обмотки, на углах квадратных электромагнитов подвержены эффекту расплющивания сечения, что может привести к разрушению или повышенному электрическому сопротивлению обмотки.

Для устранения необходимости применения множеств параллельных сборок обмоток в соответствии с изобретением и избегания проблем с коммутацией и разводкой коммуникацией, подводящих токи, а также для обеспечения возможности создания сильных магнитных полей, по меньшей мере, часть обмоток устройства может иметь в поперечном направлении вытянутую форму. Например, показанная на фиг. 8 форма обмоток обычно называется рейстрековой. При этом на краях подобных вытянутых электромагнитов обмотки могут иметь закругленную форму, вследствие чего в обмотках подобных электромагнитов отсутствуют изломы и обеспечена возможность беспрепятственного пропускания больших токов, которые могут формировать сильные магнитные поля, распределенные в сборке по площади.

На фиг. 7 показан разрез устройства, причем на обмотках 141-147 показаны направления течения тока: точка означает ток, направленный на наблюдателя, а крестик означает, что ток направлен от наблюдателя. На фиг. 8 показан вид сверху того же устройства, где также отображены направления токов с помощью стрелок. Направления магнитных моментов m₁₄₁-m₁₄₇ на фиг. 7 определены по правилу буравчика. Электромагнитная система на фиг. 7 располагается на высоте h над проводящей поверхностью 140. На фиг. 8 видно, что благодаря удлиненной форме обмоток 141-147 устройство закрывает большую часть площади проводящей поверхности 140.

Дополнительным преимуществом устройства в последнем варианте является то, что обеспечивается компактность устройства в целом, поскольку достигается распределение магнитного поля по площади при относительно малой толщине устройства в высоту в вертикальном направлении (перпендикулярном продольному и поперечному направлениям). Высота сборки будет зависеть от толщины обмоток первой группы, а также от высоты обмоток второй группы, которые располагаются преимущественно в вертикальном направлении. Высота обмоток второй группы может быть сделана соответствующей толщине обмоток первой группы, а значит, толщина всей сборки обмоток (устройства) будет соответствовать толщине обмоток первой группы. Таким образом, благодаря такой плоской структуре устройства может быть достигнута компактность при обеспечении сильного магнитного поля, распределенного по площади, причем указанное поле наблюдается только с одной стороны устройства. Одновременно с этим обеспечивается снижение расхода материала и снижение веса устройства благодаря устранению сердечников электромагнитов.

Ввиду того что для формирования сильных магнитных полей в обмотках необходимо пропускать сильные токи, между противоположными сторонами одной и той же обмотки и между прилегающими сторонами соседних и расположенных рядом обмоток могут действовать силы большой величины (по закону Ампера). Для того чтобы обмотки не деформировались, они могут быть механически скреплены в электромагните, в состав которого они могут входить, а электромагниты могут быть соединены между собой.

В некоторых вариантах выполнения часть или все обмотки такого устройства могут быть выполнены сверхпроводящими, для чего они могут быть, например, размещены в емкости с жидким азотом или гелием. Это обеспечит более сильные асимметричные магнитные поля, которые могут быть легко переориентированы.

Приведенные в описании примеры реализации даны лишь в пояснительных целях и могут изменяться, дополняться или исключаться любым образом в пределах объема охраны, определяемого формулой изобретения. Все признаки могут сочетаться в любых комбинациях и последовательностях, применяться вместе или по отдельности таким образом, чтобы обеспечить решение задачи настоящего изобретения и достижение технического результата, а также получение преимуществ, относящихся к отдельным признакам, которые также могут считаться соответствующими дополнительными техническими результатами.

Изобретение относится к транспортным системам, в которых применяются электромагнитные устройства в виде электромагнитного подвеса, а также к устройству магнитного подвеса левитационных транспортных систем. Магнитный подвес транспортного средства для комбинированного путепровода с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью содержит магнитное устройство, выполненное и/или установленное так, чтобы формировать магнитное поле, имеющее возможность последовательного взаимодействия с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью. Заявлено также транспортное средство, предназначенное для перемещения по путепроводу с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью, имеющее упомянутый магнитный подвес. Заявлен также путепровод для перемещения транспортного средства с использованием магнитной левитации притягивающего и отталкивающего типов, содержащий ферромагнитную направляющую и проводящую поверхность. В результате достигается стабильность и безопасность магнитной левитации транспортного средства над транспортным путем как в неподвижном состоянии и на малых скоростях, так и на высоких скоростях движения транспортного средства. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Магнитный подвес транспортного средства для путепровода с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью, содержащий магнитное устройство, выполненное и/или установленное с обеспечением формирования магнитного поля, имеющего возможность последовательного взаимодействия с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью.

2. Подвес по п.1, отличающийся тем, что магнитное устройство установлено с возможностью перемещения между ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью.

3. Подвес по п.1, отличающийся тем, что магнитное устройство выполнено с обеспечением формирования несимметричного магнитного поля.

4. Подвес по п.3, отличающийся тем, что магнитное устройство выполнено с возможностью механического разворота.

5. Подвес по п.3, отличающийся тем, что магнитное устройство выполнено с возможностью изменения ориентации асимметрии магнитного поля.

6. Подвес по п.5, отличающийся тем, что магнитное устройство содержит множество постоянных магнитов, собранных в сборку Халбаха, причем изменение ориентации асимметрии магнитного поля обеспечивается разворотом, по меньшей мере, части магнитов, входящих в состав сборки Халбаха.

7. Подвес по п.5, отличающийся тем, что магнитное устройство содержит множество электрических обмоток, причем векторное произведение магнитных моментов соседних обмоток направлено в одну и ту же сторону от плоскости, задаваемой магнитными моментами какой-либо пары соседних обмоток, причем изменение ориентации асимметрии магнитного поля обеспечивается изменением тока, по меньшей мере, в части обмоток.

8. Подвес по п.1, отличающийся тем, что подвес содержит множество магнитных устройств, причем магнитные устройства выполнены с возможностью смены объекта взаимодействия магнитного поля с ферромагнитной направляющей на проводящую поверхность и/или наоборот в разные моменты времени.

9. Транспортное средство, предназначенное для перемещения по путепроводу с ферромагнитной направляющей и проводящей поверхностью, имеющее магнитный подвес по любому из пп. 1-8.

10. Путепровод для перемещения транспортного средства с использованием магнитной левитации притягивающего и отталкивающего типов, содержащий ферромагнитную направляющую и проводящую поверхность.

11. Путепровод по п.10, отличающийся тем, что ферромагнитная направляющая расположена над проводящей поверхностью с обеспечением возможности размещения магнитного подвеса транспортного средства между ними.

12. Путепровод по п.10, отличающийся тем, что проводящая поверхность выполнена с использованием немагнитного материала.

13. Путепровод по п.10, отличающийся тем, что ферромагнитная направляющая установлена в местах остановок транспортного средства, проводящая поверхность установлена в местах перемещения транспорта, причем на части путепровода установлены как ферромагнитная направляющая, так и проводящая поверхность.

14. Путепровод по п.10, отличающийся тем, что ферромагнитная направляющая и проводящая поверхность установлены на всем протяжении путепровода, доступного для перемещения транспортного средства.