ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОДВЕСА

Подвес на основе электродинамической левитации представляет собой, пожалуй, наиболее яркую иллюстрацию принципа электро­магнитной инерции Ленца. Если источник постоянного магнитного поля переместить относительно либо сплошной пластины, либо короткозамкнутых контуров, выполненных из токопроводящего немагнитного материала, то в них индуцируются токи, которые во взаимодействии с магнитным полем перемещающегося источника порож­дают силы, стремящиеся устранить причину возникновения наведенных токов. Одна из них, стремящаяся «вытолкнуть» магнитное поле источника из области расположения токопроводящих контуров, обеспечивает подвес источника магнитного поля и обозначается F_L (от английского термина levitation force), вторая, стремящаяся воспрепятствовать перемещению магнитного поля, воспринимается как сила электродинамического торможения и обозначается F_D (drag force).

Принцип электродинамической левитации впервые предложили реализовать для высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе Дж. Р_. Пауэлл и Г. Т. Дэнби. Суть их предложения сводилась к тому, чтобы в качестве источника постоянного магнитного поля ис­пользовать сверхпроводящие магниты (СПМ), установленные на движущемся поезде, и с их помощью наводить отталкивающие токи в коротко замкнутых контурах из алюминия, расположенных на путе­вом полотне [1].

На рисунке 1 [1] приведено первое изображение двухвагонного поезда, оборудованного электродинамической системой подвеса и бокового направления. Поступательное движение такому поезду 1 в данном варианте сообщает турбовинтовой двигатель 2. В состоянии покоя или на небольших скоростях, пока не работает элек­тродинамический подвес, поезд опирается на полотно с помощью колес 3. На каждой стороне поезда в криостатах 4 размещаются сверх­проводящие магниты 5. При движении поезда со скоростью более 70 км/ч магнитное поле СПМ индуцирует в короткозамкнутых кон­турах 6, размешенных на путевом полотне 7, вихревые токи, которые при взаимодействии с токами СПМ создают «подвешивающую» силу, удерживающую поезд в фиксированном равновесном положении от­носительно путевого полотна. Сверхпроводящие магниты изготавли­вают из сверхпроводника II рода (NbTi, NbSn), охлаждают до температуры 4.5...18 К гелием от рефрижератора 8 по трубопроводам 9, Магнитодвижущая сила (МДС) таких магнитов на уровне 300…700 кА генерирует магнитное поле, достаточное для подвеса 30-тонного по­езда на высоте около 0,3 м.

Рисунок 1 – Первое изображение двухвагонного поезда на магнитном

подвесе

Однако, подобное расположение короткозамкнутых контуров из токопроводящего немагнитного материала (Al, Cu) не является исключительным. Примеров расположения сверхпроводниковых проводящих магнитов и короткозамкнутых контуров, которые также могут быть представлены в виде сплошных листов металла, достаточно много. Тем не менее принцип работы таких систем однотипен, и это достаточно хорошо иллюстрируют рисунки 2 и 3.

На поезде 1 слева и справа установлены двумя парами сверхпро­водящие магниты 2 (по рисунку 3). Для увеличения индуктив­ной связи между поездными и путевыми контурами смежные сверх­проводящие магниты имеют противоположную полярность, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Направление магнитных потоков от поездных магнитов

На рисунке 3 дан первый вариант концептуального решения системы подвеса и бокового направления поезда. На поезде 1 слева и справа установлены двумя нарами сверхпро­водящие магниты (поездные контура) 2. Для увеличения индуктив­ной связи между поездными и путевыми контурами смежные сверх­проводящие магниты имеют противоположную полярность. При движении поезда в направлении V, как показано на рисунке 3, сверхпроводящие магниты индуцируют токи в короткозамкнутых контурах 3, которые установлены горизонтально в два ряда вдоль путевого полотна с обеих сторон по­езда. Продольный размер путевых контуров меньше продольного размера поездного контура, а поперечные размеры их одинаковы. Путевые контуры располагаются близко друг к другу для увеличения индуктивного взаимодействия между путевыми и поездными конту­рами. Наведенный в путевых контурах ток генерирует магнитное по­ле, которое, взаимодействуя с током поездных контуров, создает си­лу, обеспечивающую подвес поезда. Ток в путевых контурах подвеса наведен только в тот период времени, когда поезд проходит над эти­ми контурами. Впереди и позади поезда ток в путевых контурах от­сутствует. Сила подвеса зависит от трех основных факторов: МДС сверхпроводящих магнитов; наведенного тока в путевых контурах; расстояния между поездными и путевыми контурами.

Электродинамическая связь между поездными и путевыми кон­турами обусловливает подвес, который устойчив в вертикальной плоскости относительно положения равновесия, когда вес поезда уравновешивается силой электродинамического подвеса. Если поезд будет опускаться из положения равновесия по направлению к путе­вому полотну, магнитная связь между поездными и путевыми конту­рами будет усиливаться, а путевой ток, таким образом, увеличивать­ся. Эти оба фактора приводят к увеличению силы подвеса, и поезд возвращается в положение равновесия. Аналогичными рассуждения­ми можно показать, что при случайном увеличении зазора сила под­веса уменьшится и поезд вернется в положение равновесия после подъема на более высокую траекторию. Такая система электродина­мического подвеса называется нормально-поточной.

Рисунок 3 – Изначальный вариант концепции системы подвеса и

бокового направления

Горизонтальная устойчивость поезда обеспечивается взаимодей­ствием сверхпроводящих магнитов с двумя рядами вертикально ори­ентированных контуров 4, установленных вдоль путевого полотна. Путевые контуры боковой стабилизации имеют такую же длину, как и путевые контуры подвеса, и располагаются вдоль середины последних.

До тех пор, пока центр соответствующих поездных контуров 2будет находиться в горизонтальном равновесии относительно плос­кости, в которой располагаются контуры боковой стабилизации (это наблюдается, когда продольные оси поезда и путевого полотна сов­падают), потокосцепление между ними будет равно нулю. Ток в кон­турах 4 не наводится, и, следовательно, боковая стабилизирующая электродинамическая сила отсутствует.

Если поезд сдвинется в любом направлении относительно путевого полотна в горизонтальной плоскости, то в каждом путевом контуре боковой стабилизации наведется ЭДС, появится ток и обусловленное им магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем поездных контуров, создает силу F_c (guidance force), возвращающую поезд к положению равновесия относительно оси путевого полотна, Таким образом, горизонтальная возвращающая сила будет удерживать поезд по центру путевого полотна и центрировать любые боковые смещения, которые во время движения совершает поезд вследствие воздействия ветра, инерции и т.п, В отличие от путевых контуров подвеса, в которых ток циркулирует непрерывно, пока рас­сматриваемый участок путевого полотна находится в зоне воздействия магнитного поля сверхпроводящих поездных контуров, горизонтально стабилизирующие контуры не обтекаются постоянно наве­денным током за исключением только тех моментов, когда поезд смещается относительно оси путевого полотна.

Иной вариант системы подвеса и боковой стабилизации приве­ден на рисунках 4 и 5. Это более детальные схемы подвеса и боковой стабилизации поезда, изображение которого приведено на рисунке 1. Здесь подвес обеспечивается взаимодействием сверхпроводящих по­ездных контуров 2, размещенных в горизонтальной плоскости на по­езде 1 с контурами 3, расположенными вертикально на путевом по­лотне.

Рисунок 4 – Схема подвеса с ортогональной ориентацией поездных и

путевых контуров

Процесс возникновения силы подвеса в такой системе ана­логичен процессу, описанному выше для варианта боковой стабилизации. Если сверхпроводящие поездные магниты располагаются на уровне центральной горизонтальной линии вертикальных путевых контуров, то через последние проходит нулевой поток и ток в них не наводится. Естественно, электродинамическая сила взаимодействия поездных и путевых контуров равна нулю. При смещении поездных контуров ниже центральной горизонтальной линии путевых контуров в них наводятся токи, которые, взаимодействуя с токами сверхпрово­дящих поездных контуров, обеспечивают подвес поезда.

Для боковой стабилизации поезда здесь принята пуль - поточная система. С каждой стороны поезда 1 над и под сверхпроводящими поездными контурами 2 размещаются цепочки путевых контуров ЗВ и ЗН,как показано на рисунке 5. Каждый контур выполнен в форме двух прямоугольных петель, соединенных в виде цифры «8». При расположении сверхпроводящих поездных контуров относительно путевых таким образом, что про­дольная ось симметрии поездных контуров проходит через одну вер­тикальную плоскость с осью симметрии путевых контуров, в обеих петлях, образующих путевой контур, наводится одинаковая, но про­тивоположная по направлению ЭДС. Таким образом, пока поперечное положение поезда остается симметричным относительно верти­кальной плоскости симметрии путевого полотна, ток в путевых кон­турах отсутствует.

Рисунок 5 – Нуль - поточная схема боковой стабилизации

Если поезд сместится в любом направлении в го­ризонтальной плоскости относительно путевого полотна, то одна по­ловина горизонтально стабилизирующего контура, в сторону которой произошло смещение, получит большую магнитную связь с поезд­ным контуром, чем вторая половина. Таким образом, в путевом кон­туре нарушится баланс ЭДС, что приведет к циркулированию в путе­вом контуре тока, магнитное поле которого будет взаимодействовать с магнитным полем поездного контура таким образом, чтобы вернуть поезд в равновесное положение.

На рисунке 6 показан иной вариант нуль - поточной системы, кото­рый можно использовать для подвеса поезда. Путевые контуры, раз­мещенные с каждой стороны поезда 1 вдоль путевого полотна в го­ризонтальной плоскости, состоят из двух половин — нижней и верх­ней ЗН и ЗВ, соединенных между собой так, как это показано на рисунке 6. В свободном пространстве между этими половинами пере­мещаются поездные сверхпроводящие контуры 2. Из принятой схемы соединения нижних петель контуров с верхними видно, что ток, на­веденный в верхней петле контура, противоположен по направлению току, наведенному в нижней половине. Таким образом, когда поезд­ной контур расположен в горизонтальной плоскости посредине меж­ду обеими половинами путевого контура, потокосцепление между ними равно нулю. Однако при отсутствии силы подвеса поезд под действием силы веса сместится вниз, что вызовет дисбаланс в маг­нитном потоке от поездного контура, связанного с нижней и верхней половинами путевых контуров. Это приведет к возникновению в пу­тевом контуре тока, взаимодействие которого с магнитным полем сверхпроводящих поездных контуров обеспечит подвес поезда в рав­новесном положении несколько ниже горизонтальной плоскости симметрии путевого контура. Когда сверхпроводящий поездной контур смещается выше гори­зонтальной средней плоскости, ток протекает в путевых контурах та­ким образом, что на поездной контур действует магнитная сила, тол­кающая поезд вниз. Таким образом, поездной контур всегда выталкивается к центру. Отметим, что ток обтекает верхнюю и нижнюю петли в противоположных направлениях, вследствие чего магнитные силы взаимодействия петель со сверхпроводящим контуром на поезде всегда складываются.

Рисунок 6 – Нуль - поточный вариант системы подвеса