Транспорт на магнитном подвесе

Балтийский государственный технический  университет «Военмех»

им. Д.Ф.Устинова.

 

Кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности.

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по экологии на тему:

 

“Транспорт на магнитном подвесе”

 

 

 

             

                                                               

 

 

 

                                                                                Выполнил:

                                                                                                       студент гр.

                                                                                         

 

                                                                                                       Проверил:

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013 г

 

Содержание.

Введение………………………………………………………………………………………………….2

Общие сведения о поездах на магнитном  подвесе……………………………………………….5

Реализация………………………………………………………………………………………………11

Технологические особенности………………………………………………………………………..13

Достоинства и недостатки……………………………………………………………………………..14

Заключение………………………………………………………………………………………………15

Список используемой литературы…………………………………………………………………...16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Магнитоплан или Маглев (от англ. magnetic levitation ) — это поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления.Скорость, достижимая маглев, сравнима со скоростью самолета и позволяет составить конкуренцию воздушным сообщениям на малых (для авиации) расстояниях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере: для публичного использования технология воплощалась всего несколько раз. В настоящее время, Маглев не может использовать существующую транспортную инфраструктуру, хотя есть проекты с расположением элементов магнитной дороги между рельсов обычной железной дороги или под полотном автотрассы.

Рис.1 Поезд на магнитной подушке

В 60-х годах 20-го века господствовала точка зрения, согласно которой железнодорожные  экипажи на обычном рельсовом  пути не смогут развивать скорость выше 300-350 км/ч, поскольку будут терять сцепление с рельсом. Эта гипотеза была основана на результатах исследований скоростных локомотивов постройки 40-х - 50-х годов, динамика которых была недостаточно совершенна. Поэтому в конце 50-х - начале 60-х годов в ряде стран мира прошел настоящий бум проектов поездов на воздушной подушке. Предполагалось, что такие поезда совершат переворот в наземном транспорте и возьмут реванш над авиацией на линиях протяженностью в несколько сотен километров. Во Франции были построены “Аэротрейн” и “Орлеан”, в США - “Rohr - Пригородный”, в Японии - “Ховертрейн”... Экипажи действительно подтвердили возможность освоения скоростей до 500 км/ч, но вместе с тем выявились такие серьезные недостатки, как сильный шум и большой расход энергии. В итоге уже в начале 70-х годах 20-го века инвесторы свертывают финансирование программ поездов на воздушной подушке.

В настоящее время, единственную реальную альтернативу “колесу и рельсу”  составляют поезда на магнитном подвесе  — маглев (магнитная левитация). На данный момент существует три основных технологии магнитного подвеса для ВСНТ: на управляемых электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS системы Transrapid, Германия) – система электромагнитной левитации; на сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS система JR-Maglev, Япония) – система электродинамической левитации; на постоянных магнитах – система подвески на постоянных магнитах (Россия).

Магнитная скоростная дорога Transrapid (Германия) является первой транспортной системой, которая поддерживается, направляется и приводится без колес и бесконтактно. Электромагнитная система этой дороги зависит от притягивающих сил отдельно отрегулированных электромагнитов, которые в качестве реактивной части ленточно установлены на обеих сторонах транспортного средства и от смонтированных на внутренней стороне пути пакетов активной стали статора. Магниты притягивают транспортное средство снизу к пути до зазора в 15 мм, направляющие магниты удерживают его сбоку в колее. Высоконадежная электронная система регулирования обеспечивает при этом стабильное «парящее» состояние. Бесконтактный привод осуществляется от синхронного линейного электродвигателя с длинным статором, который служит также и в качестве тормоза для служебного торможения.

JR-Maglev — японская система скоростных  поездов на магнитной подвеске, разрабатываемая Japan Railway Technical Research Institute совместно с оператором Japan Railways) с 1970-х годов. В настоящее время в префектуре Яманаси построен испытательный участок, на котором 2 декабря 2003 года опытный состав из трёх вагонов модификации MLX01 установил абсолютный рекорд скорости для железнодорожного транспорта — 581 км/ч. JR-Maglev использует электродинамическую подвеску на  сверхпроводящих магнитах (EDS), установленных как на поезде, так и на трассе. В отличие от немецкой системы Transrapid (действующая линия от Шанхая до Шанхайского аэропорта в Китае), JR-Maglev не использует схему монорельса: поезда движутся в канале между магнитами. Такая схема позволяет развивать большие скорости, обеспечивает большую безопасность пассажиров в случае эвакуации и простоту в эксплуатации. Движение маглева осуществляется за счёт линейного двигателя. В отличие от электромагнитной подвески (EMS), поездам созданным по технологии EDS требуются дополнительные колёса при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении определённой скорости колёса отделяются от земли и поезд «летит» на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. В случае аварии колёса также позволяют осуществить более мягкую остановку поезда. Однако по стоимости строительства и эксплуатации EDS система реализованная JR-Maglev дороже EMS системы Transrapid. Для торможения в обычном режиме используются электродинамические тормоза. Для экстренных случаев поезд оборудован выдвигающимися аэродинамическими и дисковыми тормозами на тележках.В бывший СССР, еще четверть века назад вагоны, парящие на ферромагнитных рельсах, должны были стать привычными для жителей Алматы. Более того, такой вагон был даже построен и катался на опытной трассе. В 1977 году была выбрана трасса длямонорельса, который должен был стать первым в СССР поездом на магнитной подушке. В конце 70-ых годов на полигоне института ВНИИПИ транспрогресс в Раменском, в рамках проекта ВСНТ в г.Алматы, совместно с инженерами и рабочими завода “Газстроймаш” был построен и испытан на экспериментальной трассе опытный экземпляр вагона на магнитном подвесе. Вместимость вагона составляла 35 человек, длина вагона составляла 9 метров, а вес - 8 тонн, зазор подвешивания был принят 20 мм. К сожалению, в связи решением о строительстве метро, ВСНТ в Алматы так и не была построена.

В России учёные разработали систему  магнитной подвески с диамагнитной стабилизацией положения экипажа  с помощью высокотемпературных  сверхпроводников. В этой тележке  вместо синхронного привода установлен - асинхронный, а вместо электромагнитной подвески – магнитная подвеска с диамагнитной стабилизацией положения. Новая система позволит уменьшить массу электрооборудования подвески 48-тонного вагона с 5 тонн до 1,5 тонны. Она также даст возможность снизить затраты мощности на левитацию, то есть на удержание физического объекта в определённой точке пространства при помощи магнитного поля, со 100 кВт до 1,5 кВт. Российские ученные убеждены, что асинхронный привод будет экономить огромное количество энергии, у него безграничные перспективы. Кроме того они считают, что для городского транспорта, рассчитанного на скорость сообщения до 100 км/ч, могут быть использованы комбинированные системы с применением постоянных магнитов, осуществляющих разгрузку опорных колёс. Для пригородного транспорта со скоростями до 200 км/ч между городом и аэропортом целесообразно использовать электромагнитный подвес. Для междугородного сообщения со скоростями до 400 км/ч – электромагнитный или электродинамический, а для скорости 500 км/ч – электродинамический подвес. При этом скорость доставки пассажира на расстояние 1000 – 1200 км, по их ним расчётам, будет даже выше, чем на самом быстром сейчас воздушном транспорте.

 

Общие сведения о поездах  на магнитном подвесе.

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:

1. На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS). Сверхпроводящий магнит - соленоид  или электромагнит с обмоткой  из сверхпроводящего материала.  Обмотка в состоянии сверхпроводимости  обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута  накоротко, то наведённый в  ней электрический ток сохраняется  практически сколь угодно долго.

Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке сверхпроводящего магнита, исключительно стабильно  и лишено пульсаций, что важно  для ряда приложений в научных  исследованиях и технике. Обмотка  сверхпроводящего магнита теряет свойство сверхпроводимости при повышении  температуры выше критической температуры  Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток сверхпроводящих магнитов. применяют материалы с высокими значениями Тк, Iк и Нк.

2. На электромагнитах (электромагнитная  подвеска, EMS).

3. На постоянных магнитах; это  новая и потенциально самая  экономичная система. Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых полюсов магнитов и, наоборот, притягивания разных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем. Линейный двигатель —электродвигатель, у которого один из элементов магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а другой выполнен в виде направляющей, обеспечивающей линейное перемещение подвижной части двигателя.

Сейчас разработано множество  проектов линейных двигателей, но всех их можно разделить на две категории - двигатели низкого ускорения  и двигатели высокого ускорения. Двигатели низкого ускорения  используются в общественном транспорте (маглев, монорельс, метрополитен). Двигатели высокого ускорения весьма небольшие по длине, и обычно применяются, чтобы разогнать объект до высокой скорости, а затем выпустить его. Они часто используются для исследований гиперскоростных столкновений, как оружие или пусковые установки космических кораблей. Линейные двигатели широко используются также в приводах подачи металлорежущих станков ,и в робототехнике. расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава

По теореме Ирншоу (S. Earnshaw, иногда пишут Эрншоу), статичные поля, создаваемые одними только электромагнитами и постоянными магнитами, нестабильны, в отличие от полей диамагнетиков. Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся навстречу направлению действующего на них внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не имеют магнитного момента. и сверхпроводящих магнитов. Существуют системы стабилизации: датчики постоянно замеряют расстояние от поезда до пути и соответственно ему меняется напряжение на электромагнитах. Наиболее активные разработки маглев ведут Германия и Япония.

 

Поезд на магнитном подвесе с  линейным асинхронным двигателем.

В предполагаемом техническом решении  для магнитного подвеса экипажа  применен линейный асинхронный двигатель, индуктор которого установлен на экипаже, а вторичный элемент — в  пути (рис. 1). 
При подключении индуктора магнитного подвеса к источнику двухфазного переменного тока пониженной частоты (1 Гц) по его двухфазной обмотке, расположенной между зубцами, будут протекать токи пониженной частоты. Они создадут бегущее магнитное поле, скорость которого Von пропорциональна частоте тока питания подвеса. 
Магнитное поле токов будет проходить через воздушные зазоры «б» между индикатором и блоками вторичного элемента, а также слой алюминия толщиной «∆» и зубцово-пазовые слои упомянутых блоков, ферромагнитные спинки. Обмотки вторичного элемента состоят из алюминиевых стержней, соединенных электрически со слоями алюминия, а их магнитопроводы — из магнитно- соединенных зубцов и спинок. 
Под действием бегущего магнитного поля индукцией В в алюминиевых стержнях и слоях толщиной «∆» обмоток блоков наводится ЭДС Е2, пропорциональная В0 и Von. По известным формулам получаем, что мощность потерь во вторичном элементе пропорциональна квадрату Е. и обратно пропорциональна сопротивлению слоев и стержней. Нn она же равна и произведению Von на подъёмную силу Fn. 
Тогда, в свою очередь, подъёмная сила предлагаемого электромагнитного подвеса для индуктора длиной 1 м пропорциональна квадрату индукции, удвоенной скорости магнитного поля, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению слоев и стержней. 
Отсюда очевидны методы увеличения подъёмной силы подвеса: снижение сопротивления обмоток вторичного элемента, увеличение индукции В в рабочем зазоре. Однако необходимо учитывать, что при заданном полосном делении обмотки увеличение В сопряжено с уменьшением зазора «б» или повышением токов индуктора, сечения его магнитных зубцов, а также усилением магнитолровода вторичного элемента. При увеличении тока возрастают потери мощности в индукторе. Увеличение индукции приводит к утяжелению магнитной системы вторичного элемента и уменьшению расхода алюминия на единицу длины пути. 
Для создания подъемной силы Fn, направленной вверх, необходимо, чтобы бегущее магнитное поле индуктора подвеса двигалось вниз, как это показано на рис. 2. Переключением питания фаз обмотки индуктора, возможно, изменить направление скорости Von поля и, соответственно, силы Fn. В этом случае сила Fn будет действовать в одном направлении с силой тяжести, прижимать основание индуктора к опоре скольжения, что позволит форсировать процесс торможения экипажа. Это свойство характерно только для данной подвески. 
В отличие от магнитной подвески, использующей силы притяжения электромагнитов к ферромагнитной полосе пути (варианты ФРГ и СССР), где были трудности в получении зазоров более 1 см, в данной подвеске возможно без применения регуляторов получать значительно большие зазоры — 3 — 5 см и более. Данные признаки упрощают конструкцию и эксплуатацию пути и подвижного состава.

Рис. 2. Конструкция магнитного подвеса и электропривода экипажа на базе линейных асинхронных машин: 
1 — индуктор магнитного подвеса; 2 — вторичный элемент; 3 — крышка; 4,5 — зубцы и обмотка индуктора подвеса; 6,7 — токопроводящая клетка и магнитопровод вторичного элемента; 8 — основание; 9—платформа; 10 — кузов экипажа;11, 12 — пружины; 13 —демпфер; 14 — штанга; 15 — цилиндрический шарнир; 16 — опора скольжения; 17 — кронштейн;18 — упор;19 — штанга. Von — скорость магнитного поля: Fn — подъёмная сила подвеса: Вб — индукция рабочего зазора подвеса.

Рис.3. Конструкция тягового линейного асинхронного двигателя: 1 — индуктор тягового привода; 2 — вторичный элемент; 3 — магнитопровод индуктора привода; 4 — нажимные плиты индуктора привода; 5 — зубцы индуктора привода; 6 — катушки обмотки индуктора привода; 7 — основание.

С другой стороны, если не принять  мер, величина перемещения индуктора  вверх может быть столь большой, что он упрется в крышку вторичного элемента, а это недопустимо. Возможны варианты ограничения подъема индуктора. На рис. 2 показано приобретение такого свойства за счет уменьшения сечения стержней обмотки в верхней части вторичного элемента и их исключения вблизи крышки. Увеличение сопротивления обмотки в названном месте позволяет снизить величину подъёмной силы в случае подъёма индуктора до данного уровня, что исключает касание индуктором крышки вторичного элемента при порожнем вагоне. 
Подбором толщины «∆» токопроводящего слоя вторичного элемента возможно изменять величину тока в нем, наклон силовых линий магнитного поля В и величину стабилизирующей силы, перпендикулярную к вертикальной плоскости Х-У. Самоустановке индуктора по продольной оси вторичного элемента способствует возможность его основанию смещаться в горизонтальной плоскости благодаря штангам и цилиндрическим шарнирам. 
Расчётом ориентировочно определено энергопотребление подвеса на одну тонну подъемной силы. Для скорости поля 0,2 м/с оно составило 3 кВт: 2 кВт — во вторичном элементе и I кВт — в индукторе. Расход энергии подвесом на одного пассажира массой 100 кг при коэффициенте тары, равном 1, составит 0,6 кВт.ч за 1 ч движения. Ее стоимость равна 0,6 руб., что приемлемо. Оптимизация конструкции и режима электропитания подвеса позволит при необходимости снизить его энергопотребление. При расчётах не учтены потери в стали, индуктивность обмотки вторичного элемента, продольный краевой эффект, что оправдано ввиду малой частоты тока и скорости магнитного поля.

 

 

Рис. 4. Транспорт на магнитном подвесе (ограждения торцов и бортов в нижней части вагона сняты): 
1— кузов; 2 — платформа; 3 — вторичный элемент ЛАД подвеса и тяги; 4 — индуктор магнитного подвеса; 5 — опора скольжения; 6 — фигурная шпала; 7 — токосъёмник; 8, 9 — амортизаторы; 10 — штанга шарнирного подвеса; 11— кронштейн; 12 — основание: 13 — контактные рельсы токопровода.