МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Советский патент 1995 года по МПК B61B13/08 

Изобретение относится к транспортным устройствам на магнитной подвеске и может быть использовано в высокоскоростных наземных транспортных системах и в промышленном транспорте (внутризаводском, внутрицеховом, карьерном и т.п. ).

Известно транспортное устройство, в котором бесконтактная подвеска обеспечивается постоянными магнитами, укладываемыми в виде полос на подвижном составе и в путевом полотне, работающими "на отталкивание" вследствие взаимодействия этих магнитных полос одноименными полюсами.

В этом транспортном средстве не обеспечивается достаточная грузоподъемность.

Ближайшей по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является магнитная подвеска транспортного средства, содержащая расположенные на путевом полотне и экипаже и образующие в поперечном сечении переменно полюсную систему постоянные магниты, сформированные в параллельные продольные пары рядов, смещенные одна относительно другой по вертикали.

Эта магнитная подвеска, в сравнении с другими аналогичными устройствами, обладает наибольшей грузоподъемностью благодаря рациональному ступенчатому размещению рядов постоянных магнитов. Однако и в этой подвеске грузоподъемные качества постоянных магнитов используются неполностью, вследствие чего расход магнитного материала, необходимого для подвешивания с заданным зазором подвижного состава определенной массы, оказывается завышенным.

Цель изобретения увеличение грузоподъемности.

Цель достигается тем, что в магнитной подвеске транспортного средства, содержащей расположенные на путевом полотне и экипаже и образующие в поперечном сечении переменно-полюсную систему постоянные магниты, сформированные в параллельные продольные пары рядов, смещенные одна относительно другой по вертикали, полюсные грани каждого ряда разделены на две разнополярные одинаковые по ширине зоны намагниченности, расположенные симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения ряда.

На фиг. 1 схематично представлен 1-й вариант конструкции подвески; на фиг.2 2-й вариант конструкции подвески; на фиг.3 схема, иллюстрирующая силовое взаимодействие постоянных магнитов с одинаковой полярностью зон магнитов; на фиг.4 схема, иллюстрирующая силовое взаимодействие постоянных магнитов с противоположной полярностью зон магнитов; на фиг.5 схема направления магнитных силовых линий разнополюсных зон пары постоянных магнитов транспортного средства и путевого полотна при примыкании этих зон вплотную одна к другой; на фиг.6 то же, при разделении их ненамагниченным участком.

Магнитная подвеска содержит направляющее путевое полотно 1 и левитирующую опорную платформу 2 транспортного средства, удерживаемую от поперечных смещений стабилизаторами 3, например, направляющими роликами. Путевое полотно 1 и платформа 2 выполнены с желобами, например -образными, в которых размещаются ряды постоянных магнитов 4, например феррит-бариевых, прямоугольного поперечного сечения.

Взаимное расположение желобов таково, что обеспечивается ступенчатое размещение полюсных граней магнитов транспортного средства и путевого полотна 1. Каждая из этих полюсных граней имеет две зоны намагниченности, различающиеся знаком полярности. Формирование таких зон производится в процессе намагничивания магнитов действием сконцентрированных в этих зонах противоположно направленных сильных внешних магнитных полей, создаваемых электромагнитами специальных намагничивающих установок. Разнополюсные зоны одной грани каждого из магнитных рядов располагаются вплотную одна к другой (фиг. 1), либо могут быть разделены ненамагниченным участком (участок шириной d' на фиг. 2). Ширина зон намагниченности (а') и ненамагниченного участка (d') выбираются для каждого транспортного устройства индивидуально, в зависимости от его грузоподъемности, требуемого рабочего зазора, марки магнитного материала, геометрических параметров и взаимного расположения магнитных полос.

Физический смысл получаемого эффекта становится ясным из рассмотрения схем силового взаимодействия магнитов левитирующей платформы и путевого полотна.

Подъемная сила, обеспечивающая левитацию транспортного средства, образуется в результате сложения элементарных сил взаимодействия магнитного потока каждой из зон намагниченности магнитных рядов подвижного состава с суммарным магнитным полем, создаваемым магнитами путевого полотна. Поэтому для выявления эффекта, достигаемого при использовании изобретения, сопоставим подъемные силы, приходящиеся на одну из зон намагниченности, расположенную на магните транспортного средства в подвесках, согласно изобретению и прототипу.

Вначале рассмотрим произвольно выбранную зону А (фиг.3 и 4), расположенную на выступающем магните ступенчато скомпанованный опорной платформы подвижного состава. Подъемные силы, действующие на такую зону, в подвеске по изобретению (F₁) и в подвеске по прототипу (F₁') определим суммированием вертикальных составляющих сил взаимодействия этой зоны с каждой из зон магнитов, уложенных в путевом полотне. Упрощая задачу условимся считать зоны каждого из магнитных рядов расположенными вплотную одна к другой и ограничимся рассмотрением лишь трех, ближайших к зоне А, магнитов путевого полотна. Такое упрощение может исказить картину силового взаимодействия только в сторону занижения подъемной силы магнитов (не более чем на 3-6%), что можно считать допустимым при ориентировочных расчетах.

Производя суммирование с учетом направления действия элементарных сил, получим:
(1) где F_Aj; F_Aj' F_Aj силы взаимодействия рассматриваемой зоны А с каждой (j-той) из зон, расположенных в путевом полотне для подвесок, согласно изобретению и прототипу соответственно (зоны магнитных рядов, уложенных в путевом полотне, обозначены j А, Б-З (фиг.3 и фиг. 4). Знак "+" соответствует отталкиванию зон, указанных в индексах, знак "-" притяжению.

При простановке знаков слагаемых правых частей уравнений (1) учтен известный эффект, вследствие которого поперечное смещение двух зон намагниченности одна относительно другой на величину, превышающую ширину этих зон, вызывает изменение направления вертикальной составляющей силы их взаимодействия на противоположное. Например, для зон одинаковой полярности отталкивание переходит при указанном поперечном смещении в притяжение.

Выделив общие части в уравнениях (1), получим:
(2) Выигрыш W₁ в подъемной силе при применении изобретения определим как разность сил F₁ и F₁':
W₁ F₁ F₁' 2 (F_АД F_АГ F_АЗ) (3)
Множитель, заключенный в скобки, всегда положителен, поскольку сила отталкивания зон А и Д, размещенных одна относительно другой с зазором δ (фиг. 3, 4) и небольшим поперечным смещением a/2, в 3-4 раза превышает притягивающую силу F_АГЗ -F_АГ F_АЗ от совместного действия на зону А зог Г и З, расположенных относительно зоны А с меньшим (в сравнении с зоной Д) зазором δ-Δ но с гораздо большим поперечным смещением a-d. Следовательно, эффект заключается в появлении дополнительной подъемной силы W₁. Проводя аналогичные выкладки для зоны И, размещающейся на утопленном магните опорной платформы подвижного состава, найдем:
(4)
W₂ F₂ F₂' 2 (F_БВ F_ББ F_БЕ) (5)
Из рассмотрения расчетных схем (фиг.3 и фиг.4) можно также установить, что выигрыш W₂, получаемый от взаимодействия магнитов путевого полотна с зоной И, расположенной на утопленном магните опорной платформы подвески, выполненной согласно изобретению, оказывается больше выигрыша W₁ от взаимодействия путевых магнитов с зоной А, размещающейся на выступающем магните той же платформы, поскольку положительные члены F_АД и F_БВ множителей, заключенных в скобки, в выражениях (3) и (5) равны по величине (вследствие расположения зон А, Д, И, В относительно друг друга с одинаковыми зазорами δ и поперечными смещениями a/2), а отрицательные члены F_ББ и F_БЕ в выражении (5) как минимум в 1,5-2 раза каждый, так как при одинаковых значениях поперечных смещений a+d зазор между зонами И и Б, И и Е, равный δ+Δ больше зазора между зонами А и Г, А и З, равного δ-Δ
В среднем, при применении изобретения, каждый магнитный ряд, размещенный на подвижном составе, обеспечивает повышение подъемной силы, в сравнении с подвеской согласно прототипу, на величине выигрыша W, равного
W W₁ + W₂.

Однако расположение зон намагниченности каждого отдельного магнитного ряда вплотную одна к другой не всегда приводит к достижению максимальной грузоподъемности магнитной подвески. Например, при использовании рядов постоянных магнитов, у которых ширина поперечного сечения более чем в 3 раза превышает его высоту, зоны намагниченности целесообразно разделять ненамагниченным участком шириной от 2 до 20 мм в зависимости от геометрических параметров магнитных рядов требуемой высоты левитации и грузоподъемности подвески. Как показывают проведенные опыты и расчеты, грузоподъемные качества подвески в таком случае повышаются несмотря на то, что часть магнитного материала, расположенного на ненамагниченном участке, исключается из работы.

Причина такого явления заключается в следующем.

В пределах каждой пары рядов постоянных магнитов, размещенных один над другим, зоны намагниченности, имеющие одинаковые знаки полярности, создают только эффект взаимного отталкивания, зоны же различной полярности создают магнитные потоки, взаимодействующие один с другим двояко. На фиг.5 видно, что в области, прилегающей к границе зон намагниченности, названные магнитные потоки направлены в одну сторону, т.е. создают эффект притяжения. В области, удаленной от названной границы, потоки оказываются направленными встречно и создают эффект отталкивания. Подъемная сила, обусловленная взаимодействием каждой пары разнополюсных зон, в этом случае возникает за счет разности сил притяжения и отталкивания, вторая из которых оказывается большей и дает добавку к грузоподъемности подвески. С увеличением ширины поперечного сечения магнитов (при постоянной высоте) эта добавка уменьшается и может исчезнуть вовсе.

С разнесением же зон намагниченности на некоторое расстояние одна от другой условия их взаимодействия становятся другими. Сила отталкивания зон одинаковой полярности незначительно уменьшается за счет уменьшения их ширины. Разнополюсные же зоны попадают в область, где направление их магнитных потоков оказывается встречным (фиг.6) и они работают только на отталкивание, компенсируя снижение сил взаимодействия однополюсных зон и повышая грузоподъемность подвески.

Технико-экономическая эффективность от применения предлагаемой конструкции заключается в уменьшении расхода магнитного материала (постоянных магнитов), необходимого для обеспечения левитации с заданным зазором подвижного состава определенной массы, при использовании же одного и того же количества постоянных магнитов система подвески обладает большей грузоподъемностью на заданном рабочем зазоре, либо способна выдерживать одинаковую с прототипным вариантом нагрузку с увеличенным зазором.

МАГНИТНАЯ ПОДВЕСКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащая расположенные на путевом полотне и экипаже и образующие в поперечном сечении переменно-полюсную систему постоянные магниты, сформированные в параллельные продольные пары рядов, смещенные одна относительно другой по вертикали, отличающаяся тем, что, с целью повышения грузоподъемности, полюсные грани каждого ряда разделены на две одинаковые по ширине зоны намагниченности, расположенные симметрично относительно вертикальной оси поперечного сечения ряда.