Торможение машин системами с постоянными магнитами

Торможению машин и механизмов посвящена обширная литература, например [1,2]. Однако все многообразие тормозных устройств можно разделить по принципу возникновения тормозящей силы на две группы.

Рассмотрим их кратко.

В первой группе, самой многочисленной, сила возникает в результате механического контакта неподвижной и подвижной частей машин. В результате энергия движения поглощается и преобразуется в тепловую.

Такие тормоза называют фрикционными.

Во второй группе торможение осуществляется без механического контакта за счет взаимодействия электрических или магнитных полей.

Первую группу тормозов можно классифицировать по следующим признакам:

1. по конструктивному исполнению рабочих элементов (колодочные, ленточные, дисковые, конические, рельсовые);

2. по характеру приводного усилия (нормально закрытые, нормально открытые, комбинированные);

3. по принципу действия (автоматические, управляемые);

4. по типу привода (электромагнитный, электрогидравлический, электромеханический, объемный гидравлический, пневматический, механический) и т. д.

Во второй группе в качестве источника магнитного поля могут использоваться электромагниты или постоянные магниты. Такой способ торможения называется электродинамическим (вихретоковым).

Важнейшим достоинством электродинамического способа торможения является отсутствие механического контакта между частями машин. Это позволяет решить проблему повреждаемости тормозной системы.

В данной работе исследуется электродинамическое торможение машин с помощью систем с постоянными магнитами.

История применения постоянных магнитов в технических устройствах началась с открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции: он обнаружил появление тока в контуре, движущемся по отношению к магниту или по отношению к другому контуру с током. Заставив вращаться алюминиевый или медный диск между полюсами магнита, Фарадей наложил на ось диска и на его периферию щетки. Таким образом, была сконструирована электрическая машина, получившая позднее наименование униполярного генератора.

Начиная с 1832 года, различные исследователи предлагали целый ряд оригинальных конструкций электрических машин с постоянными магнитами. Однако спустя некоторое время эти машины были полностью вытеснены машинами с электромагнитным возбуждением. Это объясняется тем, что по энергетическим и массогабаритным показателям постоянные магниты долгое время значительно уступали электромагнитам.

Материалы и технология производства постоянных магнитов были еще несовершенными. Начало XX века характеризуется применением для постоянных магнитов вольфрамовой, хромовой и кобальтовой сталей, обладающих высокими значениями остаточной индукции, но недостаточной коэрцитивной силой и, естественно, незначительной удельной энергией.

Тридцатые годы XX века характеризуется разработкой сплавов альнико (А1-№-Со — алюминий, никель, кобальт) и кунифе (Си-М-Бе — медь, никель, железо) с высокими значениями удельной энергии, так как они обладают большими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы. Появление таких сплавов расширило область применения магнитов, обеспечив их появление в поляризованных реле и других устройствах автоматики и связи.

В 70-е годы началось промышленное внедрение высокоэнергетических магнитов на основе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными элементами — самарием, лантаном и другими. Такие магниты имеют высокую стоимость и сложную технологию производства. Однако по своим свойствам они превосходят другие марки магнитов (остаточная индукцияВг = 0.8 ч-0.9 Тл, коэрцитивная сила.

Нс — 500 ч- 600 кА/м, удельная энергия магнита ¥-тйх = 55 ч-70 кДж/м3). [3] Такие магниты обладают высокими значениями намагниченности насыщения и коэрцитивной силы, термической стабильностью, а также устойчивостью по отношению к процессам коррозии. В то же время из-за высокой цены самария и кобальта их широкое применение в настоящее время затруднено.

В последние годы разрабатывается технология производства менее дорогих магнитов на основе соединения Ыс1-Ре-В (неодим-железо-бор). Такие магниты обладают наилучшими свойствами (5,. = 1.0 ч-1.2 Тл,.

Нс = 600 -г-900 кА/м, !Гтах =75¹³⁵ кДж/м3) [3]. Магнитная проницаемость постоянных магнитов, как и ферритов, близка к магнитной проницаемости воздуха {/л — 1.1ч-1.3⁰), где //0— магнитная постоянная, равная 4л" -10″ 7—. Удельное электрическое сопротивление постоянных м магнитов достаточно велико и составляет р — (0.5 ч-1.8) • 10б Ом-м. Для сравнения удельное электрическое сопротивление меди почти на два порядка меньше р = 0.02−106 Ом-м. Таким образом, постоянные магниты обладают большим магнитным и электрическим сопротивлением.

Материалы сплава №-Ре-В можно намагничивать без арматуры, так как кривая возврата из рабочей точки магнита без арматуры почти совпадает с кривой размагничивания материала. Для постоянных магнитов Кё-Ре-В не требуется проводить намагничивание в магнитной системе после ее сборки.

В связи с появлением таких сплавов в области электрических машин, где потери на возбуждение составляют более 50% всех потерь, электромагниты практически полностью вытеснены постоянными магнитами.

Существенным недостатком постоянных магнитов является их чрезвычайно высокая твердость, значительная хрупкость, склонность к трещинообразованию и подверженность коррозии. Для борьбы с коррозией необходимо использовать антикоррозионные покрытия (никель, цинк, кадмий, олово, полимеры и т. д.), герметичные корпуса и т. д. Вследствие невысокой механической прочности применение постоянных магнитов без специальной арматуры ограничено линейной скоростью до 50 м/с. Также следует отметить чувствительность постоянных магнитов к нагреванию. Рабочие температуры, при которых сохраняются магнитные свойства, не превышают 150 200° С.

Развитие постоянных магнитов за XX век показало, что почти каждое десятилетие появлялись все новые сплавы. При этом их свойства улучшались. Для постоянных магнитов Ыс1-Ре-В теоретический предел значения удельной энергии еще не достигнут. Следует ожидать в ближайшие десятилетия появления новых магнитотвердых материалов, постоянные магниты из которых будут обладать следующими свойствами: при минимальных размерах создают максимальное магнитное поле, обладают высоким значением точки Кюри, стабильны при воздействии внешних магнитных полей, просты в изготовлении и недороги.

Срок службы высокоэнергетических постоянных магнитов на сегодняшний день составляет 20 + 25 лет и более. Высокое значение коэрцитивной силы делает такие устройства практически нечувствительными к воздействию внешних магнитных полей. Функциональные параметры обеспечиваются без механического контакта. Таким образом, можно создать тормозные устройства машин и механизмов с принципиально новым набором характеристик, которые недостижимы при чисто механическом подходе.

Электродинамическое торможение в течение длительного времени (с 1929 года) [4] широко используется в горочных замедлителях. Например, с 1979 года фирма (Германия) выпустила 161 электродинамический замедлитель OBW79 для 12 сортировочных горок. Электродинамические тормоза-замедлители (горный тормоз) обязательны к использованию на большегрузных автомобилях и автобусах во Франции, Германии и Швеции. В Японии такие тормоза применяются на городских и пригородных автобусах.

В 2000 году в Читинской области около станции Седловая был установлен замедлитель с постоянными магнитами длиной 20 м для аварийного тупика. Он функционировал до 2007 года.

Поезд ICE 3 является первым серийным поездом железных дорог Германии (DBAG), оборудованный линейным вихретоковым тормозом [5].

Тормозящее действие вихревых токов используется в измерительных приборах для успокоения колебаний стрелок измерительного механизма [6].

Описание электродинамического торможения машин системами с постоянными магнитами практически не встречается в научных исследованиях. Например, в работе [7] описание процесса электродинамического торможения основывается преимущественно на экспериментальных результатах, либо на эвристических предположениях того или иного толка. В работе [8] рассматривается динамика вихретокового (электродинамического) замедлителя для вагонов на сортировочной станции. В работах [9−12] рассматривается описание торможения вагонов системами электромагнитов.

В данной работе исследуется торможение машин системами с постоянными магнитами — для вагонов подвижного состава железнодорожного транспорта и лифта в случае аварии.

Автотормозная техника является одним из важнейших элементов железнодорожного транспорта, от уровня развития и состояния этой техники в значительной мере зависит пропускная способность дорог и безопасность движения поездов. Значение автотормозной техники все больше возрастает по мере повышения максимальных скоростей движения и увеличения веса поездов. Существующие тормозные системы требуют постоянного ремонта и замены, поэтому для железнодорожного транспорта всегда актуально улучшение существующих систем тормозов или принципиально новые схемы торможения, что и нашло отражение в диссертации.

Для торможения лифта в случае аварии в настоящее время используются лишь клиновые ловители, которые не всегда срабатывают во время обрыва троса.

Существуют различные подходы к исследованию динамики электромеханических систем с распределенными вихревыми токами.

Первый подход связан с совместным решением электродинамической (уравнений Максвелла) и механической задачи, где искомые вектора напряженности магнитного и электрического поля являются функциями координат точки в трехмерном пространстве. Имеется обширная литература по этому подходу, обзор этого направления приведен в работе [13]. В общей постановке решение такой проблемы является чрезвычайно сложной для теоретического исследования. Точное решение этих уравнений даже при упрощенной конфигурации области, занимаемой проводящим телом и магнитной системой, не представляется возможным. Возможно получение решений с применением численных методов типа метода конечных элементов (МКЭ), широко применяемого при решении задач механики сплошной среды. Однако даже наиболее известные и широко применяемые пакеты (например, программная система конечноэлементного анализа АИБУЗ), пока не приспособлены к решению электродинамических задач при наличии вихревых токов. Для оценки влияния параметров системы необходимо провести серию численных экспериментов, которая приведет к чрезвычайно трудоемкому расчету. В данной диссертационной работе МКЭ будет использован для уточнения магнитного поля системы и проведения теплового расчета. То есть численное решение будет служить инструментом для получения данных, необходимых для аналитического исследования.

Помимо целиком численного подхода к решению задачи динамики электромеханических систем активно разрабатываются приближенные методы анализа и расчета. Так, например, в работе [13] разработан метод асимптотического расщепления связной задачи расчета поля и движения проводящего твердого тела в двух крайних случаях: высокочастотного и квазистатического магнитного поля.

Другой подход к исследованию электромеханических систем, который используется в данной работе, основан на дискретном описании электромагнитного поля путем представления распределенных вихревых токов в виде конечноили бесконечномерной системы проводящих контуров [14]. При таком описании векторы магнитной индукции В и напряженности электрического поля Е выражаются через конечное или счетное множество других скалярных величин — эффективных зарядов и контурных токов, аналогичных обобщенным координатам и скоростям. Для такого описания достаточно выполнения условий квазистационарности, состоящих в том, что можно не учитывать электромагнитные волны, порожденные движением зарядов. В результате сплошной массив проводящего твердого тела по существу заменяется системой индуктивно взаимосвязанных токовых контуров. Дальнейшее решение связной электромеханической задачи проводится на основании дискретной модели, позволяющей применить для описания ее динамики уравнения Лагранжа-Максвелла. Данный подход позволяет получить систему дифференциальных уравнений, при этом не требуется параллельно с интегрированием движения проводящего тела решать краевую задачу для уравнений Максвелла, описывающих электромагнитное поле. Этот подход и был использован в данной работе для составления уравнений движения машин под действием тормозных систем с постоянными магнитами.

В первой главе описывается более подробно данный подход для описания динамики электромеханических систем, в том числе и с постоянными магнитами, приводятся основы электродинамического торможения.

Вторая глава посвящена вихретоковому замедлителю из [8]. Взяв за основу конструкцию, выведенные уравнения движения и параметры системы, рассматривается продолжение данной задачи.

В третьей главе предлагается и исследуется принципиально новая схема торможения вагонов подвижного состава железнодорожного транспорта — вихретоковый дисковый тормоз.

В четвертой главе анализируются возможные способы торможения падающего лифта системами с постоянными магнитами.

Результаты исследования говорят о том, что целесообразна дальнейшая разработка предложенных в данной главе технических устройств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В работе проведено исследование электродинамического торможения машин с постоянными магнитами — для вагонов железнодорожного транспорта и лифта в случае аварии.

2 Использован подход к решению задач динамики электромеханических систем, основанный на дискретном описании электромагнитного поля путем представления распределенных вихревых токов в виде конечной системы проводящих контуров. При этом постоянные магниты заменяются витками с токами.

3. На примере модельной задачи о прохождении проводящего тела вдоль магнитной системы выбирается основной элемент торможения машинцепочка постоянных магнитов с чередующейся полярностью, установленные' по обе стороны движущегося тела.

4. Приведены результаты численного интегрирования уравнения движения вагона вдоль пути, оснащенного вихретоковым замедлителем.

5. Вихретоковый замедлитель ведет себя как элемент линейного вязкого трения.

6. В случае проскальзывания колес эффективность торможения с помощью вихретокового замедлителя не уменьшается.

7. Предложен алгоритм управления процессом торможения вагона на сортировочной станции.

8. Предложена принципиально новая схема вихретокового дискового тормоза.

9. Выведены уравнения движения поезда под действием вихретокового дискового тормоза. При малых скоростях движения вихретоковый дисковый тормоз представляет собой линейный вязкий элемент трения. При больших скоростях движения необходимо учитывать влияние индуктивности цепи вихревого тока на величину силы торможения. Учет индуктивности уменьшает эффективность торможения.

10. Для уменьшения длины тормозного пути необходимо увеличивать число пар полюсов и радиус диска.

11. Проведен тепловой расчет по определению нагрева диска при включении вихретокового тормоза.

12. Проведена проверка предположения о равномерности распределения магнитной индукции в зазоре между постоянными магнитами и движущемся телом.

13. Для тормозящей силы получена более общая формула по сравнению с имеющейся в литературе.

14. Предложена принципиально новая схема торможения лифта в случае обрыва троса. На основе подхода замены распределенных вихревых токов проведено решение задачи движения лифта в случае разрыва троса при включении тормоза. При этом скорость лифта выходит на установившийся уровень. Проведена оценка значения стабилизированной скорости.

15. Все рассмотренные тормозные системы с постоянными магнитами, за исключением линейной магнитной муфты, без учета индуктивности ведут себя как элементы вязкого трения. Эффективность торможения зависит от квадрата величины индукции магнитного поля в зазоре, обратно пропорциональна массе движущегося тела, прямо пропорциональна объему проводящего тела, в котором наводятся вихревые токи.

16. Предложена схема включения системы торможения с постоянными магнитами в случае обрыва троса лифта.

17. Рассмотрена линейная магнитная муфта, использующая демпфирование, связанное с гистерезисным перемагничиванием. Показано, что ее использование нецелесообразно.