Южная Корея, строительство дороги в международном аэропорту Инчхон

Строящаяся дорога относится к типу городского маглева (urban (or low- and medium-speed) maglev transport). Она свяжет международный аэропорт Инчхон с базой отдыха Yongyoo-Mui. Количество станций — 6, длина — 6,1 км. Максимальная скорость движения составит 110 км/ч. Планируемое начало коммерческой эксплуатации 2013 г. Используются собственные технологии Кореи.

ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТНОГО ПОДВЕСА

На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов (рисунок 3):

1. На сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS – рисунок 3а).

2. На электромагнитах (электромагнитная подвеска, EMS – рисунок 3б).

3. На постоянных магнитах; это новая и потенциально самая экономичная система (рисунок 3в).

а б в

Рисунок 3 – 3 основных технологии магнитного подвеса:

а - на сверхпроводящих магнитах (электродинамическая подвеска, EDS), б - на электромагнитах ( электромагнитная подвеска, EMS), в - на постоянных магнитах

ЛИНЕЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Главное достоинство поездов на магнитной подушке заключается в отсутствии вредного воздействия на окружающую среду: они не шумят, не загрязняют атмосферу, и было бы нелогичным в таких поездах в качестве тяговых использовать, например, реактивные двигатели. Поэтому для поездов на магнитном подвесе разрабатываются двигатели, в которых механическое тяговое усилие возникает в результате взаимодействия магнитных и электрических полей. Созданное таким образом усилие может быть использовано и для подвешивания поезда над рельсовым полотном.

Реализация этого взаимодействия на практике осуществляется в электрических двигателях постоянного и переменного тока.

Использование двигателя постоянного тока в качестве тягового в высокоскоростных поездах на магнитной подушке возможно, если он будет выполнен в виде линейного двигателя, вытянутого вдоль рельсового полотна.

Однако применение линейного двигателя постоянного тока с коллектором и механическим коммутатором в бесколесных поездах связано с большими материальными затратами на изготовление и обслуживание коллектора и ограничением скорости значениями 110–140 м/с из-за условий коммутации.

Возможности линейного двигателя постоянного тока могут быть существенно расширены, если переключение секций обмотки якоря осуществлять автоматически в зависимости от расположения полюсов индуктора. Такой двигатель называют автосинхронным.

В асинхронных электрических двигателях осуществляется взаимодействие магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током в обмотках статора, с электрическим током, который генерируется в обмотках ротора.

Принцип асинхронной электрической машины можно использовать для создания тягового усилия в бесколесных поездах. В этом случае статор двигателя, к которому подводится переменный трехфазный электрический ток, размещается в вагоне, а ротор – вдоль рельсового пути.

Возникнет тяговое усилие, и плоский статор, а вместе с ним и поезд двинется вдоль плоского ротора. Такой двигатель получил название линейного асинхронного. Линейный асинхронный двигатель имеет большие преимущества:

• Нет ограничения по скорости, так как он не имеет вращающихся частей, которые при высоких скоростях могут быть разорваны центробежными силами, а, следовательно, не возникает и вибраций;

• Хорошие динамические характеристики/

Существует много вариантов конструкций линейного асинхронного двигателя. Один из них состоит в следующем: статор развертывается вдоль полотна (активный путь), а ротор, выполненный в виде алюминиевой шины, – в вагоне. Поезд становится легче, так как он не несет тяжелого статора; кроме того, отпадает необходимость передавать электроэнергию на экипаж, движущийся с высокой скоростью. Для увеличения магнитной проводимости под нее можно положить стальной сердечник. Эта конструкция получила название "сандвич".

Другой вариант предусматривает, например, размещение в вагоне двух статоров, между которыми с зазорами 30–40 мм располагается алюминиевая шина, устанавливаемая на полотне. Это двусторонний линейный асинхронный двигатель с вертикальным расположением алюминиевой шины и статоров. Такая конструкция тягового двигателя очень усложняет устройство "стрелочных" переводов. Однако тяговое усилие одностороннего линейного асинхронного двигателя при прочих равных условиях вдвое меньше, чем двустороннего.

При использовании линейного асинхронного двигателя полотно дороги не подвержено температурным нагрузкам, так как при быстром движении поезда участки дороги, на которых происходит взаимодействие магнитного поля статора с электрическим током ротора, не успевают нагреваться. А статор нагревается теплом, которое выделяется протекающим в проводниках током. Нагревание статора – одна из самых серьезных проблем. Основное направление ее решения – использование сверхпроводников.

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.

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. 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.

Так же можно сказать, что 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.

Рисунок 4 - Линейный двигатель.

На заднем плане статор - ряд индукционных катушек, на переднем плане - подвижный вторичный элемент, содержащий постоянный магнит.