Введение к работе
Актуальность работы. В последнее время в различных областях техники проблеме магнитного подвешивания тел уделяется все большее внимание, особенно это, касается новейших видов транспортных систем (ТС), которые при скоростях движения 250-500 км/ч и приемлемых технико-экономических показателей могут обеспечить высокую производительность, безопасность, экологическую чистоту, комфортность и независимость от атмосферных явлений. Наиболее эффективным направлением является создание магистральных ТС с линейным тяговым электроприводом и автоматизированным управлением.
Конструктивное исполнение и область применения указанных ТС определяются способами обеспечения магнитного подвешивания и движения экипажа, среди которых перспективным является электродинамический подвес (ЭДП) и линейный синхронный двигатель (СЛСД) с использованием сверхпроводящих систем возбуждения (СПОВ).
Предварительные технико-экономические оценки эффективности ТС показывают, что при пассажиропотоках 15-20 млн.пасс. в год срок окупаемости не превысит 7-8 лет.
Данные ТС рассматриваются на современном этапе как дополнение к усовершенствованным колесно-рельсовым системам (например, Intercity). Предполагается, что они заменят авиатранспорт на расстояниях до 2000 км, что позволит авиации успешно справиться с возрастающим объемом перевозок на большие расстояния.
Следует также отметить ТС специального назначения с использованием СПОВ, предназначающихся для ускорения тел массой ~ 1000 кг до скорости 1000 м/с, а также системы, осуществляющие автоматическое причаливание и стыковку космических аппаратов.
Имеются перспективы в использовании магнитного подвеса в крупном сверхггроводниковом электромашиностроении.
Применение сверхпроводников позволяет получить практически сколь угодно большую мощность возбуждения и при этом устранить потери на возбуждение. Использование этих возможностей по сравнению с «теплыми» про водниками обеспечивает получение следующих преимуществ: лучшие весога-баритные показатели, больший к.п.д., увеличенную единичную мощность.
При создании ТС с ЭДП и СЛСД возникает ряд вопросов, требующих разрешения, таких как: 1) ЭДП не способен создать необходимую подъемную силу при нулевой и малой скорости движения, 2) путевые структуры ЭДП характеризуются большой металлоемкостью, 3) СПОВ имеет шесть степеней свободы относительно путевых структур, 4) СПОВ подвергается воздействщо внешних переменных магнитных полей, обусловленных спецификой работы ТС.
' 'J Целью работы является разработка и исследование научно обоснованные технических решений в области создания: 1) ТС с СЛСД н магнитным подвесом экипажа на всех участках движения, 2) системы автоматического причапиваїшя и стыковки космических аппаратов, 3) устройства импульсного электродинамического ускорения электропроводящих снарядов, 4) мощных сверхпроводниковых синхронных машин (ССМ) со статорной обмоткой, выполненной по схеме «нулевого» потока.
Для реализации поставленной цели основными задачами диссертационной работы являются:
в разработка и исследование методов магнитного взаимодействия с использованием СПОВ и основанных на принципах электромагнитной инерции и кондукционного взаимодействия,
и с помощью разработанных методик расчета силовых характеристик системы ЭДП (со сплошной и дискретной катушечной путевыми структурами) исследование влияния геометрических размеров и параметров системы ЭДП на их силовые характеристики,
разработка математических моделей электромагнитных процессов в СЛСД при движении экипажа с крейсерской скоростью, исследование зависимостей
характеристик двигателя от его электромагнитных параметров для выработки
характеристик двигателя от его электромагнитных параметров для выработки
рекомендаций по выбору последних, исследование устойчивости СЛСД по
отношению к малым продольным (по движению экипажа) возмущениям цен
тра инерции экипажа, ">>*
и определение эффективности удержания экипажа (ротора) в СЛСД (ССМ) со статорной обмоткой, соединенной по схеме «нулевого» потока,
определение распределения потерь по объему СПОВ и сравнение режимов
принудительной запитки (ПЗ) и «замороженного» магнитного потока (ЗП) на
основе исследований диссипативных процессов, обусловленных внешними -
пульсирующими низкочастотными полями,
Я определение эффективности защиты СПОВ от бегущих магнитных полей с помощью электромагнитных экранов, определение оптимального места расположения последних,
создание методики расчета температурного поля СПОВ в режимах ввода и
вывода энергии го СПОВ,
и разработка импульсного электродинамического ускорителя электропрово
дящих снарядов с использованием СПОВ и уменьшенной индуктивностью
разрядного контура. ,
Методика исследований. При решении указанных задач использовались методы решения краевых задач электродинамики, теория динамики твердого тела, теория синхронных машин, методы расчета устойчивости линейных динамических систем, техника экспериментов на установках СЛСД, ССМ и магнитного подвеса со СПОВ, аналитико-численные методы с использованием ЭВМ и специально разработанных программ. ьч
Научная новизна работы заключается в следующем: сі; і
а разработаны метод магнитного подвеса при нулевой скорости экипажа в ус
ловиях переменной нагрузки и метод автоматического причаливания космиче
ских аппаратов, основанные на взаимодействии индуктивно-связанных сверх
проводящих соленоидов, работающих в режиме «замороженного» магнитного
потока, ' v.. "in
разработан метод кондукционного подвеса при движении экипажа с малыми
скоростями, основанный на взаимодействии экипажной СПОВ с активной токовой путевой шиной,
разработаны и подтверждены экспериментально методики расчета систем ЭДГТ (со сплошной или дискретной катушечной путевыми структурами), учитывающие краевые эффекты, магнитную связь между соленоидами возбуждения и взаимное расположение СПОВ и путевой структуры,
установлено влияние режимов работы СПОВ на характеристики системы ЭДП,
на основе математической модели стационарного режима СЛСД разработана расчетно-проектная методика, найден критерий устойчивой работы, определено предельно достижимое значение К.П.Д.,
в разработана теория СЛСД как системы с шестью степенями свободы, в рамках которой рассмотрена проблема устойчивой работы при возмущениях продольной координаты, установлено, что путем регулирования напряжения путевой структуры по производной угла между вектором напряжения и ЭДС возбуждения (угол нагрузки) можно добиться расширения области устойчивой работы,
предложен ряд новых конструктивных решений рассматриваемых ТС, обла
дающих повышенным левитационным качеством, улучшенными весогабарит
ными и стоимостными показателями, упрощенными требованиями к эксплуа
тации и повышенной надежностью, все решения защищены авторскими свиде
тельствамм и патентами,
в разработаны методика и алгоритм расчета диссипативных процессов в СПОВ, вызванных действием внешних пульсирующих низкочастотных магнитных полей,
определено оптимальное место расположения электромагнитного экрана, защищающего СПОВ от бегущих магнитных полей,
разработана методика расчета теплового поля СПОВ в режимах ввода и вывода транспортного тока,
в предложен и разработан метод получения радиальной стабилизирующей си-' лы в сверхпроводниковых синхронных машинах, основанный на выполнении 6
статорной обмотки по схеме «нулевого» потока, Jjf(
предложен способ уменьшения индуктивности импульсного сверхпроводни
кового электродинамического ускорителя, основанный на работе сверхпрово
дящих соленоидов в режиме ЗП.
Практическое значение. Результаты работы могут быть использованы:
при проектировании ТС с линейными синхронными тяговыми двигателями и магнитным подвесом экипажа,
при создании электроэнергетических установок специального назначения с низким уровнем вибраций и шума, повышенным ресурсом работы и высокими весогабаритными показателями,
при создании автоматических систем причаливания и стыковки космических аппаратов,
при разработке электродинамических пушек для поражения наземных и воздушных целей, в том числе и космических объектов.
Использование результатов работы. Отдельные результаты работы были использованы в АООТ Октябрьский электровагоноремонтный завод при расчетах магнитных полей и электродинамических сил в конструктивных элементах мощных электродвигателей.
Апробация работы. Материалы диссертации в целом обсуждались на научных семинарах кафедры ТОЭ ПГУПС, отдельные результаты докладывались на 8 Международной конференции по магнитной технологии (Гренобль, Франция, 1983), на 9 Международной конференции по магнитной технологии (Цюрих, Швейцария, 1985), на 34 Международном научном коллоквиуме (Ильменау, Германия, 1989), на семинаре «Проблемы создания высокоскоростного наземного транспорта на сверхпроводящих магнитах» (Ленинград, 1990), на 13 Международной конференции по инженерной сверхпроводимо-спнТїекин, КНР, 1990), на Всесоюзной н.-г, конференции «Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов» (Каунас, 1988), на Республиканской н.-т. конференции «Перспективы развития электромашиностроения на Украине» (Харьков, 1988), на 2 Дальневосточной конференции .
«Совершенствование электрооборудования и средств оптимизации технологи-
ческих процессов промышленных предприятий» (Комсомольск на Амуре, 1988), на 40 Ежегодной конференции по магнетизму и магнитным материалам (Филадельфия, США, 1995), на Международном симпозиуме по электромагнитным полям в электротехнике (Саусхэмптон, Великобритания, 1991), на Международной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические преобразователи энергии)) (Севастополь, 1995), на 2 Международной конференции «Нетрадиционные электромеханические и электротехнические преобразователи энергии» (Щецин, ПНР, 1996), на Всемирном конгрессе лидеров в промышленности и образовании (Лодзь, ПНР, 1996), на Международном симпозиуме по электромагнитным полям в электротехнике (Гданьск, ПНР, 1997).
, Публикации. По теме диссертации имеется 68 публикаций из них 15 авторских свидетельств на изобретения (ДСП), 1 патент и 3 свидетельства на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и приложения, содержит 268 страниц машинописного текста, 149 рисунков, список литературы из 195 наименований.
