Электричество и электрическая железная дорога. Конспект лекций по физике, страница 40

В-третьих, необходимо создать достаточную для движения силу тяги.  Колесо для этой цели мало пригодно, так как создает сопротивление движению. Кроме того, сила сцепления колеса с рельсом с увеличением скорости падает. Реактивные самолетные двигатели могут развить достаточную силу тяги. Но шум и вибрация превышает допустимые нормы. Поэтому проектировщики останавливают свой выбор на электромагнитном взаимодействии экипажа и токопроводящей шины дорожного полотна. Например, на экипаже устанавливается так называемый  линейный асинхронный двигатель (ЛАД). Три или более обмотки двигателя расположены вдоль экипажа и при питании от трехфазной сети переменного тока создают бегущее назад магнитное поле.  Поле взаимодействует с вихревыми токами в токопроводящей шине, отталкивает их от себя, а на экипаж действует такая же сила, направленная вперед. 

2. Электромагнитный подвес основан на действии силы притяжения сердечника электромагнита, установленного на экипаже, с ферромагнитным рельсом дорожного полотна (рис. 15.1). Известно, что ферромагнитные материалы, например железо, намагничиваются и притягиваются в область наиболее сильного магнитного поля.

Подъемная сила электромагнита может быть определена по уравнению связи силы с потенциальной энергией. Сила равна первой производной от  энергии по координате . Установим зависимость потенциальной энергии взаимодействия электромагнита от расстояния х между  феррорельсом и полюсными наконечниками (рис. 15.1). Как известно, энергия магнитного поля определяется формулами:

.                                     (15.1)

Здесь J –– сила тока в катушке электромагнита, L –– индуктивность электромагнита, Ψ – потокосцепление катушки.

По закону Ома для магнитной цепи электромагнита, состоящей из сердечника электромагнита, феррорельса и двух воздушных зазоров, магнитные сопротивления которых включены последовательно, магнитный поток равен отношению магнитодвижущей силы JNк сумме магнитных сопротивлений:

.                                          (15.2)

В этой формуле магнитные сопротивления магнитопровода и феррорельса объединены и  l–– средняя длина силовых линий  магнитного поля (пунктир на рис 15.1). Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов достигает десятков тысяч единиц, поэтому основной вклад в магнитное сопротивление дает воздушный зазор, относительная магнитная проницаемость которого равна единице. С увеличением воздушного зазора магнитный поток и энергия магнитного поля очень быстро уменьшаются.

Определим силу притяжения якоря к полюсам электромагнита как первую производную по расстоянию х между якорем и  полюсами от энергии магнитного поля (15.1): . 

.                                 (15.3)

Сила притяжения пропорциональна квадрату индукции В магнитного поля в магнитопроводе электромагнита и быстро падает с увеличением ширины зазора. Наибольшая величина силы притяжения будет при зазоре  х,  равном нулю.  Например, при массе экипажа 10 т даже при минимальном зазоре, когда электромагниты создают поле с индукцией 1 Тл, площадь сечения магнитопроводов электромагнитов должна быть 0,12 м². Это обуславливает слишком большую массу электромагнитов. Выход может быть найден в применении сверхпроводящих магнитов с величиной индукции магнитного поля 3–4 Тл. Но это усложнит конструкцию экипажа из-за расположения  криогенной установки на экипаже для охлаждения обмоток электромагнитов.

При движении экипажа необходимо достаточно точно поддерживать определенное значение ширины зазора между полюсами электромагнита и феррорельсом, при котором сила тяжести экипажа точно скомпенсирована силой притяжения. Стоит зазору увеличиться, как экипаж днищем упадет на полотно дороги, а стоит зазору уменьшиться, как электромагниты притянутся и прилипнут к феррорельсу. Подвешивание, основанное на притяжении, оказывается неустойчивым. Нужна быстродействующая автоматика регулирования силы тока в обмотках электродвигателя для поддержания экипажа на определенной высоте подвеса.  Либо применить систему электродинамического подвеса, в которой возникают силы отталкивания электромагнитов и путевой шины.