Глава 1. Классификация электромагнитных подвесов.
1.1.Принципы электромагнитной левитации.
1.2.Электростатический подвес
1.3.Подвесы на постоянных магнитах
1.4.Электромагнитный подвес с резонансной цепью
1.5.Активный магнитный подвес
1.6.Индукционный подвес
1.7.Кондукционный подвес
1.8.Диамагнитный подвес
1.9.Сверхпроводящий подвес
1.10.Магнитогидродинамический подвес
1.11.Электромагнитный подвес в высокоскоростном наземном транспорте
1.12.Выводы
1.1.Принципы электромагнитной левитации
Идея использовать электрические и магнитные поля для левитации (или подвеса) тел существует уже в течении многих веков. Интерес к ней возродился в нашем столетии в связи с развитием приборостроения и машиностроения для измерительной, ядерной, космической, криогенной и других видов современной техники.
Из физики известно, что на электрический заряд Q, движущийся со скоростью в электромагнитном поле с электрической напряженностью и магнитной индукцией , действует сила ....
...
При использовании постоянных магнитов магнитная сила может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания. Сила взаимодействия между ферромагнетиком и источником магнитного поля всегда является силой притяжения. Электропроводный неферромагнитный материал и источник пере менного магнитного поля всегда отталкиваются. Два проводника, несущие ток, могут как притягиваться, так и отталкиваться.
Проблемам электромагнитной левитации тел посвящено огромное число работ. Первый систематический анализ возможных принципов левитации тел с использованием электрических и магнитных полей был проведен в 1956 году Боердийком [ ]. В 1964 году Эжери составил достаточно полный библиографический обзор работ этого направления [ ]. На русском языке подробный обзор в 1968 году составил В.Б.Метлин [ ]. Обзор исследований, посвященных движению твердого тела в электрических и магнитных полях (до 1985г.) Можно найти в работе Ю.Г.Мартыненко [ ].
Электрические и магнитные подвесы, в зависимости от принципа действия, принято разбивать на девять типов [ ]: электростатические; на постоянных магнитах; активные магнитные; LC- резонансные; индукционные; кондукционные; диамагнитные; сверхпроводящие; магнитогидродинамические.
Последующие разделы данной главы посвящены краткому изложению принципов действия и основных технических характеристик каждого из пе- речисленных типов подвесов.
1.2. Электростатический подвес.
В основе работы электростатического подвеса (ЭСП) используются силы притяжения между проводящими поверхностями, имеющими различные электрические потенциалы. Одна поверхность принадлежит подвешиваемому проводящему телу, другие поверхности - системе электродов. В межэлек- тродном пространстве обычно создается вакуум.
Для создания одноосного (одностепенного) электростатического подвеса назаряженного тела его помещают в электрическое поле, созданное двумя парами электродов. ...
Положительные качества ЭСП - высокое быстродействие системы регули- рования и отсутствие магнитного поля и тепловых потерь. Недостатки ЭСП- необходимость высоких напряжений и глубокого вакуума, малая грузоподъ- емность. Основное применение ЭСП - подвеска роторов гироскопов [ ].
1.3. Подвесы на постоянных магнитах.
В подвесах на постоянных магнитах (ППМ) магнитное поле создается постоянными магнитами или электромагнитами постоянного тока без регулирования. Подвешиваемое тело частично или полностью выполняется из ферромагнитного материала и может нести постоянные магниты. Подвес тела (или частичная разгрузка механических опор) осуществляется за счет магнитных сил отталкивания или притяжения. Наиболее подходящими материалами для изготовления постоянных магнитов являются литые и металлокерамические сплавы альнико, ферриты бария, а также самарий-кобальтовые сплавы [ ].
...
Особо следует отметить принципиальную невозможность осуществления полной неконтактной подвески с использованием только постоянных магнитов. Этот факт вытекает из уже упоминавшейся в разделе 1.2 теоремы Ирншоу, а также из исследований Браунбека [ ]. Последний в 1939 году показал, что устойчивая подвеска тела в постоянном магнитном поле возможна лишь в случае, если магнитная проницаемость материала, из которого изготовлено тело, меньше магнитной проницаемости окружающей среды, т.е. для диамагнетиков и сверхпроводников. Тем не менее, в литературе иногда появляются ошибочные описания на первый взгляд вполне работоспособных конструкций полной подвески на постоянных магнитах (схема такой курьезной конструкции ...
...
Вследствие отмеченных недостатков опоры на постоянных магнитах используются в основном для разгрузки механических опор или в сочетании с активными магнитными опорами, а также в измерительных устройствах [ , ].
1.4.Электромагнитный подвес с резонансной цепью.
Электромагнитный подвес с резонансной LC-цепью (или LC-подвес) яв- ляется одним из наиболее простых и не требующим специального регулятора подвесом. Он впервые разработан в США фирмой «Кембридж Термионик» и описан в работах Чирониса [ ], Кросса [ ] и Лимена [ ].
...
В положении равновесия силы притяжения электромагнитов и равны между собой. Пусть равновесие тела нарушилось и оно переместилось на расстояние вправо. Тогда индуктивность возрастет, -уменьшится. Изменение же токов и сил будет обратное: ток и сила уменьшатся, и возрастут. Результирующая сила притяжения при этом будет направлена влево и положение равновесия восстановится.
Простота конструкции - подвесов сопровождается и целым рядом существенных недостатков: малая грузоподъемность; повышенные потери энергии на вихревые токи и перемагничивание; малые рабочие зазоры. Поэтому сфера их применения ограничивается слабонагруженными роторами [12].
1.5. Активный магнитный подвес
....
Датчик измеряет смещение подвешиваемого ферромагнитного тела из заданного положения равновесия. Сигнал измерения обрабатывается регулятором. Усилитель мощности, питаемый от внешнего источника электроэнергии, преобразует этот сигнал в управляющий ток,в обмотке электромагнита который вызывает силу магнитного притяжения таким образом, что нарушенное положение равновесия восстанавливается. Устойчивость подвеса, также как и необходимые жесткость и демпфирование, достигаются соответствующим выбором закона управления.
Активный магнитный подвес по сравнению с подвесом на постоянных магнитах и подвесом имеет следующие основные преимущества: грузоподъемность АМП значительно выше и составляет 40-80 на 1см2 площади опорной поверхности; высокая механическая прочность; возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела; возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах. К недостаткам АМП следует отнести: наличие внешнего источника электроэнергии и относительно более высокая сложность и стоимость, вызванные наличием электронного блока управления. В силу своих неоспоримых преимуществ именно данный вид подвеса наиболее широко применяется в технике (история развития АМП и сферы его применения будут рассмотрены в следующей главе).
Принцип действия индукционного подвеса (ИП) основан на том, что подвешиваемое электропроводное тело помещается в высокочастотное переменное магнитное поле электромагнита, а подвес осуществляется за счет сил отталкивания основного поля и вихревых токов, наведенных этим полем в подвешиваемом теле ..... Возможен также обращенный вариант ИП, когда электромагнит питаемый высокочастотным напряжением, парит над электропроводной поверхностью.
Следует отметить, что если подвешиваемое тело имеет большую магнитную проницаемость, то кроме отталкивающей силы индукционного характера cуществует значительная сила, притягивающая тело к электромагниту. Поэтому применение ИП для подвешивания ферромагнитных тел нецелесооб- разно.
Обзор состояния техники и теории ИП выполнен А.А.Фоминым [ ]. Важной областью применения ИП является бестигельная плавка сверхчистых металлов. Суть ее заключается в том, что кусок металла нагревается и плавится индукционным путем за счет энергии магнитного поля подвеса [ ].
Разновидность ИП, состоящая из неподвижного электропроводного рельса и установленного на движущемся экипаже постоянного сверхпроводникового магнита, используется при создании высокоскоростного наземного транспор- та с магнитной подушкой (см.разд.1.11).
Простота конструкции, способность работать в агрессивных средах и вакууме, а также при больших скоростях, возможность создания опор без трения, свойства, которые позволяют применять ИП в устройствах различного назначения, от оборудования точного физического эксперимента до энергомашиностроения и транспорта. Существенный недостаток-большие энергетические затраты (до 100Вт на 1Н нагрузки) является основным препятствием широкому практическому внедрению ИП.
Принцип действия кондукционного подвеса (КП) основан на вытеснении проводника с током из магнитного поля ..... По роду тока КП делятся на подвесы постоянного тока и подвесы переменного тока (магнитное поле и ток должны совпадать по фазе). Также как и индукционные подвесы, КП чаще всего используются для бестигельной плавки чистых металлов, но мо- гут быть использованы и в транспортных устройствах.
Основной недостаток КП .....
Принцип действия диамагнитного подвеса (ДП) основан на том, что диамагнетик, помещенный в магнитное поле, намагничивается в направлении, обратном направлению поля, и выталкивается из магнитного поля .... Лучшие диамагнетики графит и висмут. Грузоподъемность ДП чрезвычайно мала. Области возможного применения ДП - кинематические датчики и датчики для измерения мгновенных усилий [ ].
Сверхпроводящий подвес (СП) включает в себя сверхпроводник, установленный на подвешиваемом теле, и обычный или сверхпроводящий электромагнит. Принцип их действия основан на том, что магнитное поле не проникает в тело сверхпроводника и он, таким образом, представляет собой идеальный диамагнетик, который отталкивается магнитным полем. Это обстоятельство снимает «запрет Ирношоу» и позволяет создавать подвес сверхпроводящего тела без внешней системы стабилизации [ ].
....
1.10. Магнитогидродинамический подвес
Развитие ядерной и МГД-энергетики и металлургии привело к созданию насосов, дозаторов, перемешивателей и других машин, работающих с жидкими металлами и ионизированными газами при температурах до 12000С (натрий, калий,литий и др.). Применение здесь обычных подшипников сопровождается значительными трудностями. Логичным решением является использование в качестве смазки самого рабочего агента, т.е. жидкого металла или газа. Однако последние обладают малой вязкостью, а образуемый ими смазочный слой - малой грузоподъемностью. Наложение на смазочный слой магнитных полей, а также пропускание через него электрического тока, могут значительно увеличить несущую способность таких опор, называемых магнитогидродинамическими опорами. Более подробные сведения о таких опорах заинтересованный читатель может найти в обзоре [ ].
1.11.Электромагнитный подвес в высокоскоростной наземном транспорте (ВСНТ)
Актуальность разработок по созданию ВСНТ для скоростей 500 км/час и более широко известна из печати....
....
Сравнивая преимущества и недостатки рассмотренных выше различных типов электромагнитных подвесов можно заключить, что наибольший практический интерес в смысле широкого промышленного использования в подшипниковых узлах роторных машин представляет активный магнитный подвес. Подшипники, работающие по принципу активного магнитного подвеса и обычно называемые активными магнитными подшипниками (АМП), и будут являться предметом дальнейшего рассмотрения.