Униполярный линейный электродвигатель

 

Использование: в транспортных средствах, для транспортировки грузов. Сущность изобретения: подвижная часть содержит источник магнитного поля, состоящий из верхней и нижней секций. Между ними расположен силовой токовод 3 с токосъемниками 4, 5 на концах, обеспечивающими электрический контакт с неподвижными тоководами 6, 7. Система питания состоит из токоприемника 8, снимающего напряжение с контактного провода питания 9 и подающего его на управляемый преобразователь 10, трансформирующий напряжение контактной сети в низковольтное напряжение, с выхода которого ток большей величины через питающие токосъемники подается на силовой токовод, протекая через соответствующие участки неподвижных тоководов 6, 7 и токосъемники 4, 5. Сила тяги образуется вследствие взаимодействия источника магнитного поля с токами в силовом тоководе 3 и неподвижных тоководах 6, 7. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике, является электрической машиной, которая может найти применение в транспортных средствах, для транспортировки грузов и т.д.

Известен униполярный электродвигатель постоянного тока, содержащий редуктор, ротор, выполненный в виде пары дисков, соединенных токопроводящим валом и размещенных на токоподводящих рельсах, причем индуктор, являющийся статором, выполнен в виде двух пар магнитов, установленных свободно на валу, при этом каждая из пар магнитов охватывает соответствующий ей диск ротора с двух сторон (авт. св. 412656, Н 02 К 31/02, 1974).

Данному аналогу, однако, присущи существенные недостатки: в случае использования ротора, близкого по диаметру к стандартным железнодорожным колесам, сила тяги будет мала из-за того, что лишь короткий участок цепи тока (длиной не более, чем радиус ротора) попадает в область действия сильных магнитных полей; невозможность использования сверхпроводящих силовых тоководов; сила тяги двигателя в соответствии с аналогом при установке его на локомотив ограничена сцепным весом локомотива.

Наиболее близким к предлагаемому является электродвигатель, содержащий управляемый преобразователь, установленный на подвижной части и снабженный парой токосъемников, электрически контактирующие с неподвижными тоководами, выполненными в виде профилей, проложенных вдоль траектории движения и установленных отдельными изолированными друг от друга по длине участками, при этом подвижная часть содержит также источник магнитного поля (патент ФРГ N 2121057, кл. В 60 L 13/00, 1976).

В известном униполярном линейном электродвигателе функцию силового токовода выполняет группа последовательных стержней, на которые действует магнитное поле источника магнитного поля. Их общая длина должна быть большой для получения значительной силы тяги, что требует прокладки массивной и сложной по конструкции якорной шины вдоль всего пути.

Изобретение же позволяет использовать якорную шину, по металлоемкости и трудозатратам приближающуюся к обычным рельсам, так как сила тяги приложена не к ней, а к установленному на подвижной части силовому тоководу.

Целью изобретения является уменьшение металлоемкости.

Поставленная цель достигается тем, что в униполярном линейном электродвигателе, содержащем управляемый преобразователь, установленный на подвижной части с источником магнитного поля (ИМП) и снабженный парой токосъемников, электрически контактирующих с неподвижными тоководами, выполненными в виде профилей, проложенных вдоль траектории движения и установленных отдельными изолированными друг от друга по длине участками, подвижная часть снабжена силовым тоководом с дополнительной парой токосъемников на концах, которые электрически контактируют с вышеописанными неподвижными тоководами, причем последние изолированы как от земли, так и от любых неподвижных источников питания.

Источник магнитного поля может быть выполнен двухсекционным и расположенным по обе стороны от силового токовода, причем нижняя часть источника магнитного поля (ИМП) выполнена сужающейся в поперечном сечении в направлении от силового токовода для ослабления тормозящего воздействия горизонтальных токов в неподвижных тоководах на ИМП.

Для этого же верхняя часть неподвижных тоководов может быть набрана из отдельных изолированных друг от друга пластин, размещенных своей плоскостью в поперечном сечении неподвижных тоководов и электрически связанных с их нижними частями, а также механически выполненными сплошными. Траектория движения двигателя может задаваться колесами с ограничителями, перемещающимися по рельсам, проложенным параллельно неподвижным тоководам, либо профилями сверхпроводящего материала, расположенными на заданном расстоянии от ИМП. Для обеспечения лучших условий работы и увеличения КПД могут быть использованы два двухсекционных ИПМ с силовыми тоководами, размещенные по разные стороны от дополнительных токосъемников, электрически контактирующих с неподвижными тоководами.

На фиг.1 представлена компоновочная схема двигателя, вид сбоку; на фиг.2 то же, вид сверху; на фиг.3 и 4 -компоновочная схема двигателя, вид спереди и сзади соответственно; на фиг.5 компоновочная схема УЛЭДа с двумя силовыми тоководами и двумя двухсекционными ИПМ; на фиг.6 вариант двигателя с использованием магнитной подвески и сверхпроводящих материалов, вид спереди; на фиг.7 принципиальная электрическая схема двигателя и его системы питания.

Предлагаемая конструкция электродвигателя содержит источник магнитного поля, состоящий из верхней 1 и нижней 2 секций. Между ними расположен силовой токовод 3, снабженный на концах токосъемниками 4, 5, обеспечивающими электрический контакт с неподвижными тоководами 6, 7. Система питания двигателя состоит из токоприемника 8, снимающего напряжение с контактного провода питания 9 и подающего его на управляемый преобразователь 10, который трансформирует напряжение контактной сети в низковольтное напряжение, обеспечивающее ток большой величины.

Выходное напряжение управляемого преобразователя 10 подается на питающие токосъемники 11, 12, электрически контактирующие с неподвижными тоководами 6, 7. Траектории перемещения двигателя задаются рельсами 13, 14, по которым движутся колеса с ограничителями 15, например, железнодорожного типа. Все вышеперечисленные элементы двигателя установлены на несущей раме 16. Корпус управляемого преобразователя 10 заземлен через несущую раму 16, колеса железнодорожного типа 15 и рельсы 13, 14. Таким образом, вторым проводом на входе управляемого преобразователя 10 является земля. Неподвижные тоководы 6, 7 в своей нижней части снабжены изолирующими прокладками 17, при этом их верхняя часть может быть набрана из отдельных, изолированных друг от друга пластин, размещенных своей плоскостью в поперечном сечении неподвижных тоководов и электрически, а также механически связанных с их нижними частями, выполненными сплошными.

Кроме того, неподвижные тоководы 6, 7 разделены на отдельные электрически изолированные друг от друга участки изоляционными перемычками 18 с целью избежания паразитных связей между несколькими УЛЭДами, движущимися одновременно.

В другом варианте двигателя траектория движения может задаваться профилями сверхпроводящего материала 19 путем использования эффекта Мейсснера.

Предлагаемый электродвигатель работает следующим образом.

После подачи входного напряжения на контактный провод питания 9 оно через токоприемник 8 поступает на управляемый преобразователь 10, обеспечивающий в варианте двигателя на постоянном токе подачу постоянного или пульсирующего напряжения на питающие токосъемники 11, 12 вне зависимости от вида и величины входного напряжения. При этом величина выходного напряжения может регулироваться извне вручную или автоматически в зависимости от скорости движения и требуемой силы тяги.

Входная цепь питания управляемого преобразователя 10 замкнута через его корпус и несущую раму 16 на заземленные рельсы 13, 14. С выхода управляемого преобразователя 10 ток большой величины, характерный для униполярных машин, через питающие токосъемники 11, 12 поступает на силовой токовод 3, протекая при этом через соответствующие участки неподвижных тоководов 6,7 и токосъемники 4,5. При этом из вышеперечисленных элементов образуется замкнутый электрический контур с циркулирующим в нем постоянным или пульсирующим током.

Сила тяги электродвигателя образуется вследствие взаимодействия двухсекционного ИПМ 1, 2 с токами в силовом тоководе 3 и неподвижных тоководах 6, 7. При этом сила тяги приложена к силовому тоководу 3, который скреплен с несущей рамой 16 и электрически изолирован от нее. Возникающая сила тяги заставляет УЛЭД перемещаться по траектории, задаваемой рельсами 13, 14 и катящимися по ним колесами железнодорожного типа 15. При этом противоположная по направлению и равная по величине сила, обеспечивающая равенство нулю суммы сил, действующих на замкнутый контур постоянного тока (в соответствии с законом сохранения импульса), приложена к неподвижным тоководам 6, 7. Поэтому неподвижные тоководы необходимо выполнять достаточно прочными. Для того, чтобы избежать потерь выходной мощности управляемого преобразователя 10, неподвижные тоководы 6,7 отделяются от земли изолирующими прокладками 17.

В варианте двигателя на переменном токе нижняя и верхняя секции ИМП 1, 2 представляют собой электромагниты, подключенные, как и контур, состоящий из тоководов 3, 6, 7, к выходу управляемого преобразователя 10 с целью обеспечения синфазного изменения тока в тоководах 3, 6, 7 и обмотках электромагнитов. Это позволяет обеспечить постоянную по направлению силу тяги двигателя.

В обоих вариантах двигателя неподвижные тоководы 6, 7 необходимо периодически рассекать по их длине на отдельные участки изоляционными перемычками 18, чтобы УЛЭДы, движущиеся одновременно на соседних участках неподвижных тоководов 6, 7, были электрически изолированы друг от друга во избежание снижения КПД из-за паразитных токов между УЛЭДами.

В ряде случаев с целью уменьшения затрат на путепровод функции неподвижных тоководов 6, 7 и рельс 13, 14 можно совместить, применив неподвижные тоководы в качестве направляющих для колес железнодорожного типа 15. В этом варианте входная цепь питания управляемого преобразователя 10 должна быть замкнута через дополнительный заземленный рельс или второй контактный провод питания. Колеса железнодорожного типа 15 необходимо электрически изолировать от несущей рамы 16, чтобы избежать возникновения паразитных токов в корпусе УЛЭДа.

С целью уменьшения тепловых потерь путем ограничения силы тока в тоководах 3, 6, 7 можно также применить в УЛЭДе два двухсекционных ИМП 1, 2, размещенные по разные стороны от питающих токосъемников 11, 12. Это обеспечивает соответствующее увеличение силы тяги при сохранении КПД двигателя либо дает возможность уменьшить силу тока в тоководах 3, 6, 7 при сохранении силы тяги.

В дальнейшем возможно задание траектории УЛЭДа с помощью взаимодействия двухсекционных ИМП 1, 2 с профилями сверхпроводящего материала 19, проложенными вдоль неподвижных тоководов 6, 7. Это взаимодействие носит характер левитации двухсекционных ИМП 1, 2 над профилями сверхпроводящего материала 19 за счет эффекта Мейсснера [3] при этом поступательное движение обеспечивается, как и раньше, взаимодействием двухсекционных ИМП 1, 2 с токами в силовом тоководе 3 и неподвижных тоководах 6, 7.

В связи с некоторыми особенностями путепровода, в частности отсутствием конструктивных возможностей для установки нижней секции ИМП 2, можно использовать только верхнюю секцию ИМП 1, при этом сила тяги и КПД двигателя уменьшаются.

Предлагаемый УЛЭД, как и всякая электрическая машина, обратим. При работе УЛЭДа в режиме генератора для передачи электрической мощности в контактный провод питания 9 в управляемом преобразователе 10 предусмотрен специальный тракт. Реверсирование тяги двигателя осуществляется простой сменой полярности на выходе управляемого преобразователя 10.

Сила тяги УЛЭДа рассчитывается по нижеприведенным формулам. Полная сила, действующая в магнитном поле на проводник с током, дается интегралом: напряженность магнитного поля; плотность тока.

Для линейного проводника: интегрирование ведется по его длине.

В то же время:
напряженность магнитного поля проводника с током в случае пренебрежения магнитными свойствами среды (=1). Для линейных токов справедлив закон Био-Савара:

Предлагаемый УЛЭД при условии применения сверхпроводящих электромагнитов в качестве двухсекционного ИМП 1, 2 поддается расчету в приближении линейных и поверхностных токов:

Fik cила действия i-го линейного проводника конечной длины на k-й проводник,
I1, I2 токи в i-м и К-м проводниках соответственно.

Интегрирование ведется по соответствующим конечным участкам замкнутых контуров с током. Для упрощения выкладок сделано несколько основных допущений: силовой токовод 3 приближен линейным проводником, его геометрическая форма и размеры не учитываются; не учитываются также толщина неподвижных тоководов 6, 7 и сверхпроводящих обмоток двухсекционного ИМП 1, 2 (приближение поверхностных токов); электромагнит верхней секции ИМП 1 имеет прямоугольную форму, электромагнит нижней секции ИМП 2 представляет собой обелиск, две боковые грани которого составляют угол, равный 90o, с прямоугольниками оснований, две же другие скошены под углом в 45o.

В соответствии с формулой (1) и сделанными допущениями получены все расчетные соотношения. Для верхней секции ИМП I:

F сила взаимодействия токов в электромагните верхней секции ИМП 1 и силовом тоководе 3, приводящая к появлению силы тяги в УЛЭДе,
L1 высота электромагнита верхней секции ИМП 1,
а>0 некоторый малый параметр, введенный для предотвращения возникновения сингулярностей в подинтегральных функциях при использовании приближения линейных и поверхностных токов,
линейная плотность тока в электромагните верхней секции ИМП 1,
I2 ток в силовом тоководе 3 и неподвижных тоководах 6, 7,
l1 длина электромагнитов верхней и нижней секций ИМП 1, 2,
2lо расстояние между неподвижными тоководами 6, 7 и одновременно ширина электромагнита верхней секции ИМП 1.

Интегрирование ведется по высоте электромагнита; силовой токовод 3 центрирован по отношению к длине электромагнитов нижней и верхней секций ИМП 1, 2.


F сила взаимодействия тока в электромагните верхней секции ИМП 1 и вертикальных токов в токосъемниках 4, 5, уменьшающая силу тяги,
h1 высота вертикальных токов в токосъемниках 4, 5.


где

F сила взаимодействия токов в электромагните верхней секции ИМП 1 и горизонтальных токов в неподвижных тоководах 6, 7, уменьшающая силу тяги,
D высота неподвижных тоководов 6, 7,
L2 расстояние между питающими токосъемниками 11, 12 и токосъемниками 4, 5.


где

F сила взаимодействия токов в электромагните верхней секции ИМП 1 и горизонтальных токов в неподвижных тоководах 6, 7, увеличивающая силу тяги.

R1 F F F + F,
R1 результирующая сила тяги, создаваемая с помощью верхней секции ИМП 1.

Для нижней секции ИМП 2:

F сила взаимодействия токов в электромагните нижней секции ИМП 2 и силовом тоководе 3, приводящая к увеличению силы тяги УЛЭДа,
2lо расстояние между неподвижными тоководами 6, 7 и одновременно ширина большего основания обелиска, форму которого имеет электромагнит нижней секции ИМП 2,
L3 высота электромагнита нижней секции ИМП 2,
линейная плотность тока в нем.


F увеличивающая силу тяги сила взаимодействия токов в электромагните нижней секции ИМП 2 и токосъемниках 4, 5.


где

F уменьшающая силу тяги сила взаимодействия токов в электромагните нижней секции ИМП 2 и горизонтальных токов в неподвижных тоководах 6, 7.


где

F увеличивающая силу тяги сила взаимодействия токов в электромагните нижней секции ИМП 2 и горизонтальных токов в неподвижных тоководах 6, 7.

R2 F + F F + F,
R2 результирующая сила тяги, создаваемая нижней секцией ИМП 2.

R R1 + R2,
R полная сила тяги.

Примененный при расчете УЛЭДа метод полностью аналогичен использованному в [1] (с. 65-71). Из формул (4), (5), (8), (9) после взятия интегралов следует, что при увеличении D, что физически соответствует удлинению вертикальных токов в неподвижных тоководах 6, 7, полная сила тяги R резко возрастает. Это дает основание искусственно увеличить длину вертикальных токов путем применения неподвижных тоководов 6, 7, шихтованных в своей верхней части в поперечном направлении.

В варианте двигателя на переменном токе следует везде в формулах (2-9) заменить значения постоянных токов на эффективные значения переменных.

В качестве примера проведен приближенный расчет полной силы тяги предлагаемого двигателя по формулам (2-9) для типичного железнодорожного локомотива, перемещающегося по обычным рельсам со стандартной колеей. В результате расчета полная сила тяги двигателя оказалась равной 12,5 кН, при следующих условиях:
l1 50 см, 2lо 140 cм, L1 100 cм, h1 0,25 см,
а 0,25 см, L2 150 см, L3 7 см, D 30 cм,
I1 7,96 106 A, I2 104 А, I3 5,57 105 А.

При этом , то есть линейные плотности токов электромагнитов верхней и нижней ИМП 1, 2 одинаковы и соответствуют HB HH 10 тл, где HB, HH напряженность магнитного поля электромагнитов верхней и нижней секций ИМП 1, 2 соответственно.

Силовой токовод 3 центрирован по длине относительно ИМП 1, 2. Масса двигателя в рассматриваемом случае вместе с системой электропитания находится в пределах 20 т, при максимальной скорости 100 м/с, то есть масса локомотива на базе данного двигателя не превысит 35 т. В варианте УЛЭДа с двумя двухсекционными ИМП полная сила тяги составит 25 кН, при сохранении вышеприведенных условий. КПД варианта двигателя со сверхпроводящим ИМП оценивается величиной 93%
Увеличение КПД достигается, в основном, снижением тепловых потерь, которые для предлагаемой конструкции УЛЭДа практически не зависят от расстояния до источников питания контактного провода, а также отсутствием электромагнитного сопротивления движению.

Кроме того, в конструкции двигателя отсутствуют движущиеся элементы и любые механические передачи, а следовательно, и связанные с их использованием потери мощности, так как сила тяги здесь образуется непосредственно в результате взаимодействия токов в тоководах 3, 6, 7 и двухсекционном ИМП 1, 2.

Вследствие отсутствия движущихся элементов существенно повышается надежность двигателя.

Особо следует отметить легкость управления силой тяги двигателя и минимальное запаздывание при переходах от одного режима тяги к другому.

При использовании предлагаемой конструкции двигателя на активном подвижном составе сила тяги УЛЭДа не зависит от сцепного веса подвижного состава. Это позволяет значительно снизить массу локомотивов, использовать путь с существенно большими уклонами.

Обратимость двигателя дает возможность достаточно просто решить проблему возврата мощностей в контактный провод при торможении. Конструкция УЛЭДа не исключает принципиальной возможности использования сверхпроводящих силовых тоководов при условии обеспечения эффективного отвода тепла, выделяемого в токосъемниках 4, 5.

В предлагаемой конструкции двигателя облегчено, например, по сравнению с роторными двигателями применение криостатированных сверхпроводящих электромагнитов, в силу неподвижности последних относительно несущей рамы при движении и возможности использования постоянного тока. Затраты на путепровод у предлагаемой конструкции УЛЭДа значительно ниже, чем у известных в настоящее время монорельсовых дорог. Путепровод УЛЭДа практически не требует применения ферромагнитных и других дорогостоящих материалов.

УЛЭД полностью безопасен при эксплуатации в режиме двигателя, поскольку электродвижущая сила (ЭДС) на выходе управляемого преобразователя 10 почти полностью компенсируется ЭДС, возникающей при движении двухсекционного ИМП 1, 2 вдоль рельс 13, 14 и токов в неподвижных тоководах 6, 7 и направленной встречно по закону сохранения энергии. Причина возникновения этой ЭДС силы Лоренца, действующие на вертикальные токи в неподвижных тоководах 6, 7 со стороны двухсекционного ИМП 1, 2. В результате действия обеих ЭДС в контуре, состоящем из тоководов 3, 6, 7, и выхода управляемого преобразователя 10 остается лишь небольшая разность потенциалов (не более 10 В), необходимая для преодоления омического сопротивления в тоководах 3, 6, 7 и токосъемниках 4, 5, 11, 12 и поддержания в контуре рабочего тока порядка 10000 А.


Формула изобретения

1. Униполярный линейный электродвигатель, содержащий управляемый преобразователь, установленный на подвижной части и снабженный парой токосъемников, электрически контактирующих с неподвижными тоководами, выполненными в виде профилей, проложенных вдоль траектории движения и установленных отдельными изолированными друг от друга по длине участками, при этом подвижная часть содержит также источник магнитного поля, отличающийся тем, что подвижная часть снабжена силовым тоководом с дополнительной парой токосъемников на концах, которые электрически контактируют с неподвижными тоководами, причем последние изолированы как от земли, так и от любых неподвижных источников питания.

2. Электродвигатель по п.1, отличающийся тем, что источник магнитного поля выполнен двухсекционным и расположенным по обе стороны от силового токовода, причем нижняя часть источника магнитного поля выполнена сужающейся в поперечном сечении двигателя в направлении от силового токовода.

3. Электродвигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что верхняя часть неподвижных тоководов набрана из отдельных изолированных друг от друга пластин, размещенных своей плоскостью в поперечном сечении неподвижных тоководов и электрически, а также механически связанных с их нижними частями, выполненными сплошными.

4. Электродвигатель по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что подвижная часть снабжена колесами с ограничителями, перемещающимися по рельсам, проложенным параллельно неподвижным тоководам.

5. Электродвигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что параллельно неподвижным тоководам на заданном расстоянии от источника магнитного поля проложены профили сверхпроводящего материала.

6. Электродвигатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в нем использовано два двухсекционных источника магнитного поля с силовыми тоководами, размещенных по разные стороны от дополнительных токосъемников, электрически контактирующих с неподвижными тоководами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электротехническим устройствам, преобразующим сигналы электрического тока в механические и может быть использовано в приборостроении в качестве электродвигателя возвратно-поступательного движения, а также в качестве вибровозбудителя в строительном, горном и других видах оборудования

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для привода устройств возвратно-поступательного дви^ ж^ния

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в линейных машинах с раздельными магнитопроводами фаз

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах линейного перемещения

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах возвратно-поступательного и линейного перемещений

Изобретение относится к электротехнике, а именно к униполярным электрическим машинам, предназначенным для питания электрофизической аппаратуры, технологического оборудования и т.д

Изобретение относится к области электротехники
Наверх