Проблемы создания магнитного транспорта

На первом этапе проводились теоретические и эксперименталь­ные исследования принципов электродинамической левитации, чис­ленное и физическое моделирование различных схем, систем и узлов в лабораторных условиях. Здесь основными были проблемы, связан­ные с нахождением математических моделей, которые адекватно от­ражали электрофизические процессы в исследуемых устройствах. За­тем был этап создания как отдельных полномасштабных узлов (рис. 1) и звеньев систем (прототипы вагонов и путевых структур), так и всех систем (предвестников коммерческих поездов целиком со всеми ин­фраструктурами). На этом этапе основные проблемы были связаны с нахождением приемлемых с точки зрения энергетических и массогабаритных показателей конструкций, обеспечивающих выполнение с высокой степенью надежности функций подвеса, бокового направле­ния и регулируемой тяги полномасштабных вагонов при их ходовых испытаниях с пассажирами.

рис. 1. Магнитный подвес                               рис. 2. Участок дороги для «Маглева»

И наконец, наступил этап, связанный с созданием участка буду­щей коммерческой линии Туо Синкансен и испытанием на ней про­тотипов пассажирских поездов (рис. 2). Цель этого этапа — оценка всех ха­рактеристик системы «Maglev», необходимая для подготовки инфра­структуры и подвижного состава к регулярной эксплуатации. В ходе этого этапа решались проблемы, связанные с переходом подвижного состава из режима движения с опиранием на колеса в режим маг­нитного подвеса, и наоборот, а также проблемы, обусловленные из­менением скорости движения подвижного состава и динамическими характеристиками таких процессов. Большое внимание уделялось процессу перехода поезда из зоны питания от одной тяговой под­станции в зону другой. Значительный интерес представляло опреде­ление характера поведения подвижного состава в экстремальных ус­ловиях (встреча двух поездов, движущихся с высокой скоростью, в том числе в тоннелях, переход от магнитного подвеса к опиранию на колеса при максимальной скорости и т.д. и т.п.).

Несмотря на то, что на каждом из этих этапов характер, число и сложность возникающих проблем существенно менялись, из всего их множества можно выделить три группы проблем, решение которых на любом из этапов определяло прогресс рассматриваемой транс­портной технологии.

К первой группе относятся проблемы, обусловленные расчетно- экспериментальным комплексом исследований, направленных на выбор рациональной схемы и параметров тягово-левитационного уз­ла рассматриваемого транспорта. Хотя этим проблемам с самого на­чала уделялось весьма пристальное внимание, считать их решенными на сегодняшний день нельзя. Это связано с тем, что от общей ком­поновочной схемы тягово-левитационной системы поезда и путевой структуры и до отдельных схем узлов систем подвеса, боковой стаби­лизации и тяги, даже такой исходный момент проектирования, как выбор главных размеров обмоток этих узлов, ведется в основном по­ка еще на интуитивном уровне. Ярким примером тому служит все еще продолжающийся поиск японскими исследователями при, каза­лось бы, уже определенной и построенной тягово-левитационной системе полигона Яманаши рациональной формы путевых контуров подвеса и боковой стабилизации. Так, в [2] рассматривается воз­можность улучшения левитационного качества за счет асимметриза­ции верхних и нижних петель контуров путевой обмотки. По-видимому, правы авторы, утверждающие: «Наиболее практичную схему подвеса можно найти только в результате длительного процесса раз­работки и исследований, которые можно сравнить с разработкой формы самолетного крыла» [2].

Вторая группа проблем связана с созданием транспортных магнитных систем. Сверхпроводящие магниты во многом определяют выбор схемы систем тяги, подвеса и боковой стабилизации, их эффективность и надежность. Транспортные магнитные системы в достаточно короткий промежуток времени про­шли путь от экзотических источников сильного магнитного поля для лабораторных физических установок до индукторов электромеханиче­ских преобразователей энергии не только генерирующих магнитные поля индукцией 3...5 Тл, но и конструктивных узлов, воспринимающих и передающих механические усилия в несколько десятков килоньютон. Это, по сути, первое коммерческое применение низкотемпературной сверхпроводимости в электромеханике. Фактически прогресс схем тягово-левитационных систем магнитного транспорта с электродинамиче­ской левитацией определялся ходом совершенствования конструкции транспортных сверхпроводящих магнитов.

Третья группа проблем связана с необходимостью физического моделирования в лабораторных условиях процессов, протекающих как в тягово-левитационных системах в целом, так и в отдельных уз­лах и устройствах этих систем. Указанные проблемы буквально про­низывают все этапы создания магнитолевитирующего транспорта, с нашей точки зрения, по двум причинам. Первая причина состоит в том, что создание и отработка, как отмечено выше, принципиально нового транспорта немыслимы без проведения экспериментов, свя­занных с физическим моделированием тех или иных процессов по­искового и поверочного характера. Вторая причина заключается в необходимости наработки и создания некоторого банка данных, включающих в себя испытательные стенды, средства диагностики, приемы и методы испытаний отдельных конструкций, узлов и дета­лей магнитного транспорта, которые можно использовать в условиях предстоящего коммерческого производства, эксплуатации и ремонта объектов этой новой транспортной технологии.

Теорема Ирншоу

Известные в настоящее время неконтактные подвесы можно разделить на три категории: электростатические, электромагнитные и криогенные. Эти типы подвесов как бы определяют три магистральных направления, по которым наука и техника штурмуют проблему левитации. Каждый из перечисленных подвесов имеет свои преимущества и недостатки, свою область применения.

Начнем с электростатического подвеса. Здесь одно из главных препятствий, возникающих перед разработчиками, заключается в природе электростатического поля, которая запрещает существование устойчивого равновесия электрических зарядов под действием одних только электрических сил. Этот факт носит в физике название теоремы Ирншоу, которая утверждает, что нельзя создать электрическое поле, в котором электрические заряды находятся в устойчивом равновесии и, следовательно, любые положения равновесия зарядов являются неустойчивыми. Физический смысл теоремы Ирншоу становится более ясным, если вспомнить, что разноименные заряды притягиваются со все возрастающей силой вплоть до взаимной нейтрализации или уничтожения, одноименные же отталкиваются вплоть до удаления в бесконечность.

Аналогичная ситуация имеет место и в гравитационном поле, где материальные тела притягиваются по закону всемирного тяготения. Устойчивость Солнечной системы обеспечивается лишь вечным движением планет.

Здесь следует оговориться, что в 1839 году, когда английский физик и математик Ирншоу (S. Earn- shaw) выступал с докладом "О природе молекулярных сил, определяющих физическое строение светоносного эфира", его не интересовала проблема левитации. Он пытался найти природу сил, которые делают материю устойчивой. Оказалось, что для сил, убывающих обратно квадрату расстояния между взаимодействующими точками, система не может находиться в устойчивом положении равновесия. Теорема Ирншоу сыграла большую роль в развитии теории атома, так как именно из этой теоремы следует, что атом не может быть "построен" из неподвижных зарядов, связанных между собой только электрическими силами, и должен представлять собой не статическую, а динамическую систему.

Максвелл включил результат Ирншоу в свой курс электродинамики, и в настоящее время после многочисленных "переписываний" из курса в курс разные авторы стали называть "теоремой Ирншоу" весьма разные утверждения. Справедливости ради следует заметить, что вопрос об устойчивости тела в электромагнитном поле весьма тонкий и требует большой аккуратности. В теории устойчивости строго доказана теорема Лагранжа-Дирихле, которая гласит: «Если потенциальная энергия материальной точки П = П(r) в окрестности положения равновесия r = r₀ имеет строгий локальный минимум, то это положение равновесия устойчиво».

Масса тел, которые успешно подвешиваются в вакуумированных электростатических подвесах, обычно не превышает сотни грамм. Для подвеса больших тел, масса которых измеряется тоннами, применяют магнитные подвесы. Такие подвесы удерживают модели самолетов в аэродинамических трубах, валы мощных турбин и т.п.

Магнитные подвесы, в свою очередь, можно разделить на электродинамические и электромагнитные. Электродинамические подвесы основаны на известном явлении электромагнитной индукции. Если тело, содержащее контур с переменным током, перемещать над проводящей полосой, то по закону индукции в полосе появятся вихревые токи со своим собственным электромагнитным полем. Это поле, взаимодействуя с первичным контуром, создает подъемную силу, направленную вверх, и тормозящую силу, препятствующую движению. С ростом скорости контура растет и подъемная сила, которая является силой отталкивания, а тормозящая сила возрастает и, достигнув максимума на некоторой критической скорости, начинает убывать как квадратный корень из скорости левитирующего тела.

Электродинамический подвес может обеспечить взвешивание тела только после достижения телом некоторой пороговой скорости.

Электромагнитный подвес основан на свойстве магнита или электромагнита притягиваться к железному (ферримагнитному) сердечнику. Чтобы парировать неустойчивость электромагнитного подвеса, также необходимо динамическое регулирование магнитным полем в зависимости от зазора между левитирующим телом и магнитами системы подвеса. В электромагнитных подвесах используются как пассивные системы регулирования, основанные на резонансных свойствах специально настроенных колебательных контуров, так и активные системы автоматического управления, которые могут управляться ЭВМ. При зазорах в 10 — 15 мм затраты мощности на подвешивание составляют лишь 1 — 3 кВт на 1 т веса левитирующего тела. Недостатком магнитных подвесов являются неизбежные потери из- за вихревых токов, возникающих при движении твердого тела в магнитном поле. Поэтому, в отличие от электростатического подвеса, для поддержания вращения тел в магнитном подвесе надо постоянно расходовать энергию.

Здесь исключение составляют магнитные подвесы диамагнитных тел (диамагнетик — это тело, магнитная проницаемость которого μ < 1). Примером реализации диамагнитного подвеса может служить система для прецизионного измерителя моментов сил в вакууме и электрометр для поиска свободных кварков. Поскольку диамагнитные свойства таких материалов, как висмут и графит, которые обычно использовались для подвешивания, слабы, то до недавнего времени удавалось вывесить лишь небольшие массы порядка нескольких десятков миллиграммов. Появление новых материалов для постоянных магнитов и веществ с лучшими магнитными свойствами коренным образом меняет ситуацию. Поиски теплозащитных покрытий для космических кораблей привели к разработке промышленного метода получения пиролитического графита, магнитная восприимчивость которого в несколько раз больше, чем у обычного поликристаллического графита. Так, при помощи самарий - кобальтовых магнитов в Пермском университете в 1978 году удалось довести удерживаемый вес до 26,7 г. Это на несколько порядков больше, чем было ранее. Наряду с высокой эффективностью следует отметить простоту конструкции такого подвеса, когда подвешиваемый магнит располагается между пластинами из пиролитического графита и его вес компенсируется дополнительным неподвижным постоянным магнитом. Неконтактный подвес тел без затрат энергии значительно расширяет возможности и делает весьма перспективным применение диамагнитного подвеса.

Среди магнитных подвесов особо важное место занимают так называемые криогенные подвесы, в которых используются сверхпроводники. Сверхпроводники выталкиваются из магнитного поля, и их наличие в составе неконтактного подвеса позволяет создать такую конфигурацию магнитного поля, при которой твердое тело находится в состоянии устойчивого равновесия.

Выводы:

1. Исследование магнитной левитации является перспективным направлением и всё большее распространение находит в технике. Основными направлениями развития являются магнитная левитация на транспорте и левитация в механизме подшипников.

2. Анализ литературы показал, что в силу теоремы Ирншоу левитация постоянных магнитов в магнитостатическом поле невозможна.

3. Магнитная левитация без механической поддержки возможна в трёх случаях: при использовании сверхпроводников, при использовании гироскопического эффекта или в поле электромагнитов с использованием датчиков.