Содержание материала

За последние 10-15 лет проявляется значительный интерес к линейным двигателям как средству тяги по рельсовому пути или другим видам пути с направляющими устройствами; были опубликованы печатные труды, содержащие подробный теоретический анализ свойств линейного двигателя.
Перемещение, осуществляемое линейным асинхронным двигателем, вызывается взаимодействием бегущего магнитного поля и электрическими токами, индуктируемыми во вторичном элементе этим полем.

Разрез экипажа на магнитной подушке
Рис. 2. Разрез экипажа на магнитной подушке фирмы INR

Рис. 3. Преобразование обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в индукционный поступательный двигатель
Реальная скорость перемещения Vp будет определяться скольжением S:

откуда

где F — реальная скорость относительного перемещения индуктора и вторичного элемента;
Vl - скорость бегущего поля относительно индуктора.
Линейный асинхронный двигатель можно преобразовать из обычной вращающейся асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, разрезав по оси статор и ротор и развернув их в линейные элементы (рис.  3).
Возможности применения линейной поступательной машины, изготовленной при помощи развертывания обычного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, очень ограничены; движение вторичного элемента (развернутого ротора) в то же время означает выход в холостой режим большого участка машины, так как, двигаясь в какую-то сторону, ротор обнажает позади себя обмотки первичного элемента (статора). Если требуется, чтобы движение происходило на значительном протяжении и не вызывало большой затраты мощности, то, очевидно, придется увеличить длину либо первичного, либо вторичного элемента (рис.  4). Следовательно, можно поступательные асинхронные машины разделить на два больших класса: машины с коротким вторичным элементом и машины с коротким первичным элементом (рис.  5).

Рис. 4. В простейшем поступательном двигателе по мере движения сокращается рабочий участок



Рис.  5. Основные разновидности индукционных поступательных двигателей

До настоящего времени машины с коротким первичным элементом, как правило, оказываются дешевле в изготовлении и эксплуатации.
Форму вторичного элемента можно упростить до того, что он примет вид просто листа или полосы из проводящего материала, причем вся система будет возбуждаться током только на небольшом участке длины.
В определенных случаях возможен и промежуточный вариант в виде длинного секционирования первичного элемента, в котором возбуждаются лишь секции, находящиеся в данный момент в работе.
В описанных выше устройствах и первичный, и вторичный элементы предполагаются в том виде, какой они обычно имеют во вращательной машине, т. е. в виде шихтованного стального сердечника с пазами, в которые уложены проводники с током. Однако в такой структуре наряду с требуемой тангенциальной электромагнитной тягой присутствует и чисто магнитное притяжение противоположно намагниченных поверхностей.
Указанные причины привели к созданию двусторонних плоских машин, в которых обмотка вторичного элемента уже не уложена в пазы, а находится в воздушном зазоре, магнитная цепь с помощью шихтованного сердечника замыкается только на участке, где возбуждается ток. Как правило, бывает целесообразно поместить на этом шихтованном сердечнике еще одну первичную обмотку, которая включается согласно со второй обмоткой и позволит создать более сильный магнитный поток, общий для обоих сердечников. Процесс создания двустороннего двигателя поясняется на рис.  6.
В конечном итоге вторичный элемент превращается в сплошной лист из проводящего материала.
В последнее время нашли применение односторонние поступательные двигатели. 

Рис. 6. Пример получения линейною асинхронною двигателя с листовым вторичным элементом


Рис. 7. Примеры односторонних двигателей.

Вторичный элемент таких двигателей не обязательно должен состоять из ферромагнитного материала (рис.  7). В этом случае к  вторичному элементу приложено не только продольное, но и перпендикулярное ему отталкивающее усилие (направленное противоположно магнитному притяжению). Под действием этой силы вторичный элемент может даже свободно и устойчиво висеть в воздухе [151]. Вопрос о силах, направленных перпендикулярно поверхности полюса, в целом довольно сложен. По нему имеется ряд работ [134, 166]. Применительно к двусторонней машине с одной первичной обмоткой и с вторичным элементом, не содержащим обмотки и имеющим вид проводящего листа, скрепленного с шихтованным сердечником (рис.  7, а), нельзя так просто решить, будут ли элементы взаимно притягиваться или отталкиваться в поперечном направлении. Примечательно и то, что листовой вторичный элемент, помещенный между двумя индукторами, совместно создающими магнитный поток через лист, в поперечном направлении неустойчив и притягивается к тому из первичных элементов, к которому он случайно оказался ближе. В этом смысле вторичный элемент ведет себя подобно ферромагнитной пластинке, хотя такое сравнение носит лишь качественный характер, поскольку поперечное электромагнитное усилие сравнительно мало.

Из-за асимметрии либо магнитной, либо электрической цепи могут возникнуть силы в направлении, перпендикулярном направлению обеих рассмотренных выше сил. Например, в машине с листовым вторичным элементом продольные токи, текущие под рабочей зоной, создают в нем поперечное усилие, поэтому любое отклонение от нейтрального положения приводит к появлению поперечных сил, стремящихся увеличить это отклонение, иными словами, вытолкнуть лист в направлении, перпендикулярном движению.
Если во вторичном элементе присутствует ферромагнитный материал, то при поперечном смещении он, наоборот, стремится втянуться обратно. Экспериментально удалось установить (хотя теоретически это для общего случая не доказано) одну особенность: если вторичный и первичный элементы взаимно отталкиваются, то в поперечном направлении вторичный элемент неустойчив и наоборот [155].
Один из вариантов классификации поступательных индукционных машин представлен на схеме. С помощью этой диаграммы, двигаясь от ее верхней части к нижней, можно определить любую разновидность машины. Три верхних звена диаграммы отражают всего-навсего разделение машин на два класса в зависимости от того, какой от ее элементов подвижен, какой из них короче, и от того, содержится ли во вторичном элементе ферромагнетик. Отдельные термины пояснены на рис.  8. Термин "магнитно двусторонняя", например, означает, что в первичной структуре по обе стороны от вторичной имеется ферромагнитный материал. Простейшая развертка, изображенная на рис. 15, относится к классу магнитно односторонних, что означает, что в этой машине движется вторичный элемент из стали и что поэтому она одновременно относится к классу двигателей с составным вторичным элементом. Чтобы превратить ту же структуру в двустороннюю, в нее надо добавить еще один сердечник из шихтованной стали (рис.  8, г). Стальная шихтованная прокладка во вторичном элементе служит не для создания осевого потока, а для уменьшения действующей ширины зазора.
Простейшей машиной с осевым потоком является трубчатый двигатель, который в работе не рассматривается.
Диаграмма, описанная Laithwaite E.R., Nasar S.A. [155], неполная. За время, которое прошло со времени опубликования статьи, появилось множество различных машин с поступательным движением как синхронных, так и асинхронных.
Синхронные машины отличаются от асинхронных более сложным исполнением вторичного элемента, и в данной работе мы не будем останавливаться на них, так как этот вопрос еще недостаточно исследован.
Из асинхронных машин следует отметить выдающееся изобретение линейного двигателя с магнитным потоком, замыкающимся в плоскости, перпендикулярной направлению движения [127, 154].
В ЛАД с поперечным магнитным потоком (рис.  9) картина потока в любом сечении одинакова (здесь направление движения перпендикулярно к плоскости рисунка).

Классификация индукционных поступательных двигателей по топологическому признаку
(ПЭ — первичный элемент, ВЭ — вторичный элемент)

 

Классификация индукционных поступательных двигателей

До разработки линейного асинхронного двигателя с поперечным потоком развитие двигателей для скоростей больше 240 км/ч шло по пути увеличения частоты питания, что позволяло сохранить объем стали индукторов на приемлемом уровне. 
Конструкция магнитной системы линейных асинхронных двигателей
Рис. 9. Конструкция магнитной системы линейных асинхронных двигателей с поперечным потоком:
а — двусторонняя с вертикальным воздушным зазором и П-образными сердечниками; б - то же, но с Ш-образными сердечниками; в — односторонняя с горизонтальным воздушным зазором и с П—образным сердечником; г — то же, но с Ш-образным сердечником

Рис.  8. Примеры топологической классификации.

Такое направление обусловлено тем, что синхронную скорость ЛАД легче поднять за счет увеличения частоты, чем за счет увеличения полюсного деления. В таком случае при питании от сети постоянного или переменного тока промышленной частоты на борту подвижного вагона необходимо расположить преобразователь частоты, что значительно увеличивает массу, габариты и стоимость силового оборудования. С другой стороны, можно питать двигатель током повышенной частоты от контактной сети, но это приводит к большим потерям в линии передачи, увеличению ее реактивного сопротивления и т. д.
Отношение магнитных сопротивлений сердечника и зазора линейного двигателя с поперечным потоком пропорционально отношению ширины сердечника к длине зазора и не зависит от величины полюсного деления. Следовательно, при насыщенной магнитной цепи конструкция двигателя с продольным потоком дает неприемлемые значения намагничивающих токов при значительно меньших полюсных делениях, чем конструкции с поперечным потоком.
Таким образом, в линейном асинхронном двигателе с поперечным потоком проблема роста высоты сердечника при увеличении скорости движения решена.
Для того чтобы создать поперечный поток в такой машине и чтобы не иметь больших потерь в шихтованном сердечнике от вихревых токов, необходимо пазы под обмотку делать со скосом. Однако электромагнитная система такой обмотки со скосом создает силы, направленные перпендикулярно к пазам, и, следовательно, нежелательную составляющую силы, выталкивающую индуктор из рабочей зоны. Можно создать такие системы обмоток, в которых не только преодолевается эта трудность, но также обеспечивается возможность поперечной стабилизации подвижной части при всех скоростях движения. Они построены по принципу, изображенному на рис.  10, и состоят из двух блоков с противоположным направлением скоса, помещены рядом и создают в дополнение к продольно бегущим волнам поля, создающего тяговое усилие, волны поля, бегущего в поперечном направлении. Как показано на рис. 10, возможны два варианта такой системы. На рис. 10,а каждый полюс, охватывает оба блока по обе стороны центральной линии, а на рис. 10,б схема расположения полюсов по одну сторону центральной линии является зеркальным отражением схемы расположения полюсов по другую сторону. Последняя система образует машину с поперечным потоком, в котором отношение полюсного деления к ширине полюса довольно велико.
С таким отношением построить машину с продольным потоком, не увеличивая существенно высоту спинки сердечника, нельзя.
На рис.  11 показаны четыре возможные электромагнитные системы с различной ориентацией обмоток относительно листов шихтованного сердечника. Здесь поверхность полюсов расположена в плоскости рисунка; проводники, показанные сплошными линиями, уложены в пазы; проводники, обозначенные пунктирными линиями, расположены за сердечником. Системы, изображенные на рис. 11,а, в, предназначены для создания продольного потока. 

Рис. 10. Система расположения полюсов

На рис.  11, а показана лежащая на поверхности сердечника обмотка, которая, как считается, потребует значительных затрат, обусловленных увеличением высоты сердечника и увеличением лобовых частей при больших полюсных делениях.
Обмотка "треугольно-кольцевая" (рис.  11, в) создает сильные потоки рассеяния через сердечник, что вызывает необходимость увеличения его высоты. Обмотки для машины с поперечным потоком (рис.  11,б и г) имеют низкие обмоточные коэффициенты при больших полюсных делениях [126].
В лабораториях Кембриджского университета испытывался новый тип высокоскоростного линейного двигателя, который был установлен на небольшом ОПЫТНОМ вагоне типа RTV —41 компании Tracked Hovercraft Ltd (Великобритания). Как выяснилось, двигатель с поперечным магнитным потоком обеспечивает магнитную левитацию и стабилизацию в поперечном направлении. Обмотка линейного двигателя выполняется со скосом пазов типа "елочка". Поперечные магнитные силы, создаваемые обеими частями обмотки, направлены к центральной линии направляющего рельса и поэтому взаимно уравновешиваются. В результате подвижная часть линейного двигателя оказывается стабилизированной в поперечном направлении относительно линии движения, что позволяет отказаться от применения специальных сервосистем [194, 195].
Если разрезать нормальную трехфазную двухслойную обмотку, как это показано на рис.  12, то получим обмотки, представленные на рис. 13. Получаем 2р — полюсных делений, из которых только (2р—2) полностью намотаны. Лишь в так называемой средней области обмотки образуется бегущее поле, на концах этой области имеют место концевые эффекты. Поэтому стремятся получить по возможности большее число полюсных делений, чтобы ограничить влияние этих эффектов. Другим видом обмотки, который находит применение в линейных двигателях с большим полюсным делением, является граммовская кольцевая обмотка.

Рис.  11. Примеры исполнения обмоток типа "елочка": а — продольная шихтовка; б — поперечная шихтовка; в - продольная шихтовка; г — поперечная шихтовка


Рис.  12. Трехфазная двухслойная обмотка


Рис. 13. Видоизменённая трехфазная двухслойная обмотка.