Транспортные системы

Всё об автомобильном, ЖД и авиатранспорте в России

Новые виды транспорта

 

Явление сверхпроводимости, открытое в начале XX в. и получившее теоретическое обоснование 25 лет спустя, характеризуется полным отсутствием сопротивления току и, следовательно, тепловых потерь. Возникает оно в проводниках, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю (0 К= –273 °С).

Введенный в сверхпроводящую обмотку электромагнита электрический ток, практически не встречая сопротивления, будет циркулировать в ней продолжительное время. Например, через сверхпроводящие магниты, изготовленные в виде катушек размером 1,2х0,6 м, погруженных в жидкий гелий, пропускали ток силой 106 А. Он убывал в сутки на 1 %.

Очень важно найти сплавы, обладающие свойством сверхпроводимости при более высоких температурах. Удалось создать сверхпроводник из ниобия и германия с критической температурой (температурой, при которой сплав приобретает свойства сверхпроводника), равной 22,3 К. Такую температуру можно получить уже с помощью жидкого водорода, а не жидкого гелия, а это значительно проще и гораздо дешевле. Создание материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре, что теоретически не исключается, привело бы к настоящей революции в науке и технике, в частности на транспорте.

Наряду с бесспорными достоинствами линейный асинхронный двигатель обладает и существенными недостатками. Дорого стоит его неподвижная часть, вытянутая вдоль пути. Увеличивается расход энергии, правда, снижаются расходы на ремонт и эксплуатацию дороги. КПД этих двигателей ниже, чем, например, КПД обычного тягового электродвигателя постоянного тока, у которого он равен 0,92: КПД линейного асинхронного двигателя с алюминиевым ротором составляет 0,88, со стальным ротором – 0,7.

Однако самые существенные недостатки линейных асинхронных двигателей – малый зазор между движущимися и неподвижными частями, который не обеспечивает безопасности движения поездов при высоких скоростях, и трудности, связанные с подводом тока к движущемуся поезду.

Эти недостатки заставляют обратиться к линейному синхронному двигателю.

В линейном синхронном двигателе обмотка статора подключается к сети переменного тока, а обмотка ротора питается постоянным током. Взаимодействие магнитных полей статора и ротора приводит к возникновению крутящего момента, под действием которого ротор вращается синхронно с вектором напряженности магнитного поля статора.

Для пуска синхронных электродвигателей используют: вспомогательный двигатель малой мощности, который разгоняет синхронный электродвигатель с отключенною нагрузкой; плавное увеличение частоты напряжения в статорной обмотке; вращающийся электромагнитный момент, который возникает в результате взаимодействия магнитных полей статора с полем тока, наведенного в пусковой обмотке или теле ротора. Последний способ, представляющий собой асинхронный способ пуска, получил наибольшее распространение.

В линейном синхронном двигателе неподвижная часть – статор – состоит из системы прямоугольных контуров, уложенных вдоль всего пути и питающихся от трехфазной сети. Подвижная часть двигателя – ротор – состоит из ряда одинаковых прямоугольных контуров, по которым протекают постоянные токи одинаковой силы и чередующегося направления.

Токи в статоре, сдвинутые друг относительно друга во времени и пространстве на 1/3 периода, создают магнитное поле, перемещающееся вдоль пути. Взаимодействуя с токами ротора, оно создает тяговое усилие, которое перемещает ротор вдоль рельсового полотна.

Линейный синхронный двигатель становится весьма эффективным в том случае, если обмотка ротора представляет собой сверхпроводящие электромагниты, которые способны создавать огромную намагничивающую силу при малых затратах электроэнергии. В этом случае расстояние между ротором и статором в линейном синхронном двигателе составляет десятые доли метра, что вполне достаточно для безопасного движения поезда при высоких скоростях. Следует отметить, что большое расстояние между подвижной и неподвижной частями линейного синхронного двигателя приводит к тому, что с обмотками ротора сцепляется сравнительно небольшая часть магнитного поля, создаваемого статором. Именно поэтому и требуются сильные токи, необходимые для создания достаточного тягового усилия. Так как сильные токи приводят к очень большим тепловым потерям в проводниках, то без решения проблемы сверхпроводимости линейный синхронный двигатель становится нереальным. Вследствие этого в разрабатываемых поездах с линейным синхронным двигателем предполагается, что обмотка его ротора будет выполнена из сверхпроводящих материалов.

Конструктивно линейные синхронные двигатели сложнее, чем асинхронные. При использовании в поездах синхронных двигателей острее стоит проблема защиты пассажиров от воздействия сильного магнитного поля.

При относительно малых скоростях движения (до 200 – 250 км/ч) благодаря простоте конструкции, возможности легкого пуска, останова и плавного изменения скорости предпочтение обычно отдается линейному асинхронному двигателю. При больших скоростях преимущества на стороне линейного синхронного двигателя. Линейные двигатели – основные двигатели поездов на магнитной подушке.

Для создания магнитной подушки используются те же принципы, которые легли в основу разработки тяговых линейных двигателей. Самый простой способ – использование силы отталкивания одноименных или притягивания разноименных полюсов магнита. Еще в 50-х годах XX в. постоянные магниты были слабы и для создания в поездах магнитного подвешивания не пригодны. В последние годы благодаря появлению улучшенных магнитных материалов, например бариевых ферритов, в ряде стран начались разработки конструкций поездов, использующих для создания магнитной подушки постоянные магниты. Существуют проекты, в которых магнитная левитация достигается силой притяжения постоянных магнитов, размещенных в вагоне, к стальному рельсу; в других проектах магнитная подушка создается за счет отталкивания одноименных полюсов постоянных магнитов поезда и рельса.

Например, в Англии разрабатывается проект, по которому магнитная подушка создается керамическими магнитами, содержащими 90 % окиси железа, а также других окислов. Подъемная сила таких магнитов в 50 раз больше, чем стальных. Сила отталкивания керамических магнитов, уложенных на полотне дороги и размещенных в нижней части вагона, способна поднять вагон массой 5 т на высоту 25 мм.

Постоянные магниты можно заменить электромагнитами. В 1910 г. бельгийский монтер Э. Башле построил первую модель вагона на магнитной подвеске, использовав для этой цели электромагнит. Модель массой 50 кг не только парила в воздухе, но и развивала фантастическую по тем временам скорость 500 км/ч. Через четверть века немецкий инженер Кемпер построил другую модель вагона на магнитной подушке и, будучи более практичным, взял патент на изобретение. И в этой модели для создания магнитной подушки были использованы электромагниты. Однако электромагниты требуют системы стабилизации, которая, воздействуя на величину тока в их обмотке, поддерживает постоянный зазор между электромагнитом и поверхностью пути.

Наиболее эффективный способ создания магнитной левитации состоит в применении электродинамической магнитной подвески. Такие подвески работают в соответствии с уже знакомыми нам принципами действия асинхронной и синхронной электрических машин. В электродинамической магнитной подвеске, осуществляемой по принципу асинхронной электрической машины, происходит взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который индуцируется в обмотках ротора. Так же как и в линейном асинхронном двигателе, экономичность этого способа существенно повышается, если электрический ток циркулирует в сверхпроводящей магнитной катушке.