Содержание к диссертации
Введение 4
1. Состояние работ и постановка задачи исследований 9
-
Обзор существующих конструкций и классификация силовых элементов ЭМП 9
-
Обзор литературы по расчегно-георетическим и экспериментальным исследованиям силовых элементов 25
-
Постановка задачи исследований 30
2. Методика расчета электромагнитных процессов и пондеромо-
торных взаимодействий в силовых элементах ЭМП в
режиме движения 34
-
Конструктивная схема и особенности расчета силовых элементов. Общая постановка задачи расчета 34
-
Математическая постановка задачи 36
-
Выбор метода решения задачи 45
-
Применение метода конечных элементов с методом Галеркина
к уравнениям для векторного потенциала 47
-
Алгоритм и программа расчета силовых элементов ЭМП в режиме движения 52
-
Выводы 60
3. Расчетно-теоретические исследования силовых элементов ЭМП. 62
-
Основные технические критерии и параметры силовых элементов. Метод поиска области параметров моделирования. . 62
-
Постановка задачи расчета области параметров 64
-
Алгоритм и программа расчета области параметров. Выбор . области допустимых параметров силовых элементов 68
-
Расчет статических характеристик силовых элементов ЭМП . 85
-
Расчет электромагнитного поля, нормальных и тормозных
сил силовых элементов ЭМП в режиме движения 91
3.6. Выводы 103
4. Экспериментальные исследования электромагнитных процессов
и пондеромоторных взаимодействий на физической модели. . . 106
-
Экспериментальный стенд и измерительные системы физической модели 106
-
Исследование тормозных и нормальных сил на физической модели в режиме движения 112
-
Исследования электромагнитных процессов в воздушном
зазоре магнитной системы 130
-
Сравнение опытных и расчетных характеристик силового элемента ЭМП в режиме движения 151
-
Выводы 156
5. Выводы и рекомендации к проектированию силовых
элементов ЭМП 158
Литература 163
Приложения 172
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, принятых ХШ съездом КПСС,предусмотрево создание принципиально новых транспортных средств, обладающих высокой экономичностью, надежностью и комфортом, большой пропускной способностью, удовлетворяющей значительный рост объема грузовых и пассажирских перевозок. По данным /59/ с 1950 по 1970 год пассажирооборот всех видов транспорта в СССР вырос более чем в 5 раз, а к 1990 году ожидается рост оощей подвижности населения страны еще в 2 раза. Поскольку на эффективность работы транспорта существенно влияет сокращение общего времени в пути, решение транспортных проблем прежде всего связано с повышением скорости движения. внедрение скоростного движения на существующих железных дорогах затруднено по ряду причин, связанных с реализацией необходимого сцепления колеса с рельсом ("тяговый" предел - 250...300 км/ч), со взаимодействием с верхним строением пути (вибрационный предел), с работой существующих гокосъемных устройств и гак далее.
Поэтому в СССР и за рубежом ведетоя разработка принципиально новых транопортных систем, позволяющих при высоких скоростях обеспечить высокий к.п.д., безопасность и комфорт, малое потребление энергии, наименьшее воздействие на окружающую среду, низкий уровень шума, приемлемую стоимость, сохранение преимуществ колеснорельсовых систем /6/. Наиболее перспективным видом транспорта, удовлетворяющим указанным выше требованиям, является высокоскоростной наземный транспорт (ВСНТ) с магнитным подвесом и направлением экипажей, обеспечивающий движение со скороогью 300...350 км/ч.
В настоящее время в качестве основных рассматривают две оистемы подвеса и направления: электромагнитную (ЭМП) и элекгродинамиче- скую (ЭДН).
Силовые элементы (СЭ) систем ЭДП соотоят из сверхпроводящих соленоидов, установленных на экипаже, и проводящих полос или коротко замкнутых контуров, уложенных в путевой структуре. При движении соленоидов с током над проводящими элементами в последних возникают вихревые токи, взаимодействие которых с магнитным полем соленоидов приводит к появлению сил отталкивания.
СЭ ЭМП используют силы притяжения, возникающие между путевым ферромагнитным рельсом и расположенными на экипаже электромагнитами. Устойчивость системы обеспечивается автомагическим регулированием тока в оомотках намагничивания.
Исследования, проведенные в нашей стране, позволили заключить /10, II/, что работы по системе ВСНТ с ЭМП должны вестись с некоторым опережением относительно системы ВСНТ с ЭДП, гак как она имеет ряд преимуществ: небольшие мощности на создание сил левитации; простоту конструкций путевой структуры и сравнительно низкую ее стоимость; возможность использования для реализации системы ЭМП хорошо освоенных технических средств.
На основании этого диссертационная работа посвящена актуальным вопросам, связанным с разработкой и исследованием силовых элементов систем электромагнитного подвеса и направления, являющихся основной частью экипажа ВСНТ, обеспечивающей магнитную левитацию.
Научная новизна диссертационной работы заключается: в разработке методики расчета электромагнитного поля и пон-деромогорных взаимодействий в движущихся силовых элементах ЭМП, использующей метод конечных элементов; в разработке методики многокритериального анализа ЭМП и определении множества допустимых значений параметров силовых элементов по условиям работы в статике; в разработке методики физического моделирования электромагнитных процессов силовых элементов ЭМП в режиме движения, исследованных на впервые в СССР созданном вращающемся экспериментальном с генде; в обоснований ряда технических решений, направленных на совершенствование конструкции силовых элементов ЭМП в части улучшения их массогабаритных и энергетичеоких показателей.
Основные положения» приведенные в настоящей работе, использовались при проектировании ряда макетных образцов силовых элементов, таких как: электромагниты подвеса и направления трехтонной модели экипажа ВСНТ с ЭМП (ЭМ-385, ЭМ-385-OI) с длиной путевой чаоги 30 м,, электромагнитов направления ЭМ-82-С1 десятитонного модуля экипажа, а также при разработке технического задания на проектирование системы ЭМП коммерческого экипажа ВСНТ. В этом состоит практическая ценность диссертации.
Основные результаты, полученные и приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались: на Второй и Третьей научно-технических конференциях "Итоги и перспективы создания высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) (г. Новочеркасск, 1980 г., 1984 г.); на научном семинаре НИИ по системам электромагнитного подвеса ВСНТ (г. Новечеркасск, 1983 г.); на заседании кафедры электрических машин и кафедры прикладной математики и теоретической электротехники НИИ (1983 г.).
Основное содержание диссертации отражено в пяти публикациях и четырех научно-технических отчетах при выполнении темы НИР Э01.П75. В процессе работы над диссертацией получено три авторских свидетельства.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и рекомендаций, приложений и списка использованной литературы.
В первой главе проведен аналитический обзор существующего уровня развития BGHT, рассмотрены различные варианты конструктивного исполнения силовых элементов, проведена классификация систем ЭМП по их функциональной принадлежности, сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе на основе численного решения уравнений электродинамики для медленно движущихся сред разработаны алгоритм и программа расчета электромагнитного поля и сил в движущихся сило -вых элементах. В основу решения положен метод конечных элементов (МКЭ) с применением метода Галеркина. Программа реализована на алгоритмическом языке Форгран-1У и оглажена на ЭВМ EC-I022.
В третьей главе с использованием методов многокритериального анализа в системах ЭМП выбрано множество допустимых значений параметров силовых элементов, для которых выполнены расчеты нормальных и тормозных сил в зависимости от окоросги, конструктивного исполнения электромагнитов и феррорельсов, от электротехнических свойств материалов. иценены способы повышения левигационных характеристик и снижения потерь мощности от вихревых токов.
В четвертой главе приведены технические характеристики экспериментального стенда физического моделирования электромагнитных процеосов в движущихся средах, результаты экспериментальных исследований. Проведено сравнение расчетных и опытных данных.
В заключительной части диссертации на основе анализа расчегяо-георетических и экспериментальных исследований сформулированы основные выводы по работе, даны практические рекомендации к разработке и проектированию полномасштабных силовых элементов систем ЭМП коммерческих линий ВСНТ.
В приложении приведены тексты программ расчета электромагнитных процессов в движущихся средах, программа и результаты расчета области допустимых параметров силовых элементов, составленных на
8 языке Форгран-ІУ и оглаженных на ЭВМ ЕС-І022 ВЭлНЙЙ. Разработанное математическое ооеспечение по сути описываемых физических процессов, по принимаемым допущениям, граничным и начальным условиям может быть полностью использовано при расчете электромагнитного поля и сил в специальных электрических машинах с массивной вторичной частью, в частности,электромагнитных тормозах транспортного исполнения.
