Достоинствами линейных асинхронных двигателей, используемых в качестве двигателя транспортных средств, являются:
отсутствие скользящих электрических контактов, вращающихся деталей и зубчатых колес; из-за отсутствия в приводе зубчатой передачи эксплуатационные расходы могут быть снижены на 25%;
отсутствие ограничений, обусловливаемых сцеплением колес с рельсами;
уменьшение массы двигателя, установленного на вагоне, связанное с тем, что элемент, играющий роль вторичного элемента, установлен на полотне дороги, однако в отличие от двигателей с вращающимися частями скорость ротора относительно статора не может быть повышена путем применения зубчатых колес. Это способствует увеличению веса линейного двигателя с продольным потоком по сравнению с эквивалентным двигателем с вращающимися частями, установленным на обычном вагоне. Следует сказать, что в связи с изобретением линейного двигателя с поперечным потоком этот недостаток несколько смягчается·;
улучшение тепловых характеристик, объясняемое тем, что работающий двигатель удаляется от нагреваемой им части реактивной шины;
отсутствие ограничений, накладываемых предельно допустимой окружной скоростью вращающихся деталей;
при экстренном торможении не возникает проблем. Чтобы затормозить вагон, надо поменять направление бегущего магнитного поля переключением двух фаз или питать обмотки линейного двигателя постоянным током, а также можно использовать рекуперативное торможение. Для этого необходимо снижать частоту питания, чтобы синхронная скорость была меньше скорости вагона. В этом случае линейный двигатель будет работать в режиме генератора [113];
двигатель бесшумный, не загрязняет воздух [122].
Линейному двигателю присущи следующие недостатки:
применение линейного двигателя связано с недостаточным использованием габарита подвижного состава;
увеличение стоимости из-за необходимости выполнения реактивной шины из цветного металла;
относительно низкий к.п.д. и коэффициент мощности; необходимость выполнения поперечной направляющей системы; трудность обеспечения прохождения кривых участков пути и стрелочных переводов;
необходимость обеспечения питания трехфазным током при переменных напряжениях и частоте [113, 154];
необходимо поддерживать малый зазор между неподвижным и подвижным элементами двигателя [122].
Есть еще одна проблема, которая присуща всем высокоскоростным видам электрического транспорта, — это проблема токосъема при высоких скоростях. Этим вопросом занимаются во многих странах мира [196, 197].
Все указанные недостатки являются недостатками конструкций и могут быть устранены по мере дальнейших разработок, а к.п.д. и cosφ зависят от особенностей линейного асинхронного двигателя.
Магнитные поля в тяговых линейных двигателях отличаются от магнитных полей реактивных асинхронных двигателей в силу ряда обстоятельств. Одни из них связаны с различием в параметрах (например, в десятки раз больший зазор в магнитной системе линейного двигателя) и отражаются на количественной стороне явлений, другие связаны с особенностями конструкции линейного двигателя и вызывают новые физические явления в машине.
Отметим важнейшие из них.
Индуктор тягового линейного двигателя имеет конечную длину в направлении бегущего магнитного поля, которое как бы возникает на одном и исчезает на другом конце сердечника индуктора. Эту особенность характеризуют как "разомкнутость" магнитной системы линейного двигателя. Она, в частности, вызывает несимметрию токов в обмотках индуктора и пульсирующую составляющую магнитного поля индуктора [21, 168]. Пульсацию магнитного поля можно уменьшить при помощи компенсирующих катушек или полностью устранить при помощи новой конструкции магнитной системы линейного двигателя [21, 126, 154]. Это явление называется первичным продольным краевым эффектом.
Отдельные участки реактивной шины последовательно входят в магнитное поле движущегося индуктора и затем выходят из этого поля. Процессы "входа-выхода" вызывают ряд новых, характерных и неустранимых явлений, совокупность которых называют вторичным продольным эффектом. Токи, наводимые в участках реактивной шины, определяются изменением магнитных потоков, сцепленных с контурами токов на этих участках. Изменение в потокосцеплениях вызывается как перемещением поля (скольжением) индуктора относительно шины со скоростью V=SV, так и процессами "входа" участков реактивной шины в магнитное поле индуктора и последующим их "выходом" из этого поля. Соответственно с этим токи в шине могут быть подразделены на токи скольжения, создающие тяговые усилия линейного двигателя, и вихревые токи, связанные с установлением и исчезновением магнитного поля в участках шины при их проходе через зазор индуктора.
Магнитные поля индуктора подразделяются на главное поле и на боковые и торцевые поля рассеяния. Последние являются пульсирующими полями. Явление вторичного краевого эффекта заключается в том, что в проводящем вторичном элементе не может сразу, мгновенно возникнуть магнитный поток. Во вторичном элементе возникает мгновенно электрическое поле, и токи, создаваемые этим полем, стремятся создать противопоток, в результате чего на входе резко падает индукция.
Аналогичная картина на выходе, только там токи во вторичном элементе стараются препятствовать уменьшению потока, и магнитное поле выносится за конец индуктора. Это явление тем ярче выражается, чем выше синхронная скорость.
Описанные краевые эффекты более или менее подробно анализированы в литературе [1, 6, 7, 21, 26, 31-33, 75, 76, 83, 97, 101, 120, 125, 129, 130, 141, 146, 159, 170-173]. Одновременно и в Японии [141], и в СССР, в Ленинградском политехническом институте и в ВЭлНИИ, были получены результаты, которые не объясняются ранее разработанной теорией вторичного продольного эффекта [204—206].
Лабораторный макет тягового линейного двигателя был разработан ВЭлНИИ и изготовлен на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Все физические процессы в нем протекали, как в реактивном линейном двигателе, и было обеспечено удобство исследований. Он состоит из индуктора с двойным сердечником 1 (рис. 14), несущим обмотку 2 и установленным на раму 3 так, что зазор между сердечниками может регулироваться в пределах 20-50 мм. Функции реактивной шины в макете выполняет реактивный диск 4 из дюралюминия, насаженный на вал нагрузочной машины постоянного тока. Первый вариант сердечников имел среднюю длину 860 мм при ширине 120 мм. На сердечнике уложена шестиполюсная трехфазная обмотка.
Особенностью данного исполнения макета тягового линейного двигателя, отличающей его от аналогичных установок, является дугообразная форма сердечников индуктора. Этим обеспечивается соответствие траекторий бегущего магнитного поля индуктора и перемещений в нем элементов вращающегося реактивного диска, следствием чего является соответствие процессов макета линейного тягового двигателя данного исполнения таковым в реальном тяговом двигателе с поступательным движением элементов. Установка питается от машинного агрегата, чем обеспечивается синусоидальная форма кривых тока в обмотках линейного двигателя и снимаются побочные явления, связанные с, высшими гармоническими тока.
Рис. 14. Макет линейного двигателя.
По механическим параметрам макет тягового линейного двигателя может работать при линейных скоростях до 350 км/ч, но и по условиям питания эта скорость была ограничена 100 км/ч. Линейная скорость диска относится к середине ширины пакетов стали индуктора [204, 207].
При малых синхронных скоростях вторичного элемента вместо тормозных усилий появляются тяговые, при постепенном увеличении синхронной скорости тяговые усилия уменьшаются и переходят в тормозные (рис. 15) [205, 141].
Существуют также краевые поперечные эффекты, которые проявляются в поперечном направлении двигателя, так как ширина сердечника ограничена. Краевые поперечные эффекты существуют и во вращающихся машинах, но они менее значительны. Во-первых, во вращающемся двигателе ток проходит по проводникам, расположенным в роторе (за некоторым исключением), а не в общей массе ротора. В роторе асинхронного двигателя активный ток проходит по токопроводящим стержням, а обратный - по короткозамкнутым кольцам. Сплошной ротор линейного двигателя не позволяет отделить активные токи от обратных. Во-вторых, ширина ротора и статора во вращающемся двигателе одинакова. В линейном двигателе ротор может быть шире, чем статор, иметь ту же либо меньшую ширину, чем статор.
Обратные токи протекают и в тех зонах ротора, которые расположены за статором, если статор уже, чем ротор.
Если же в силу конструктивных причин статор шире, чем ротор, то обратные токи, естественно, проходят в частях ротора, находящихся в активной зоне статора. Поток возбуждения плохо используется, и это явление приводит к кажущемуся увеличению вторичного сопротивления. Этот эффект стремится увеличить пусковое усилие, но номинальный режим работы двигателя становится менее эффективным [175].
Рис. 15. Зависимость результирующей электромагнитной силы, вызванной процессами "входа-выхода", от индукции для различных синхронных скоростей движения
Явление описано и в зарубежной, и в отечественной литературе [8, 10, 11, 15, 68, 69, 71, 115].