Глава 1. Класифікація електромагнітних підвісів.
1.1.Прінціпи електромагнітної левітації
Ідея використовувати електричні та магнітні поля для левітації (або підвісу) тел існує вже протягом багатьох століть. Інтерес до неї відродився в нашому столітті в зв'язку з розвитком приладобудування і машинобудування для вимірювальної, ядерної, космічної, кріогенної та інших видів сучасної техніки.
З фізики відомо, що на електричний заряд Q, що рухається зі швидкістю в електромагнітному полі з електричної напруженістю і магнітної індукції. діє сила.
При використанні постійних магнітів магнітна сила може бути як силою тяжіння, так і силою відштовхування. Сила взаємодії між феромагнетиком і джерелом магнітного поля завжди є силою тяжіння. Електропровідний неферомагнітними матеріал і джерело пере менного магнітного поля завжди відштовхуються. Два провідника, що несуть струм, можуть як притягатися, так і відштовхуватися.
Електричні і магнітні підвіси, в залежності від принципу дії, прийнято розбивати на дев'ять типів []: електростатичні; на постійних магнітах; активні магнітні; LC- резонансні; індукційні; кондукційні; діамагнітниє; надпровідні; магнитогидродинамические.
Наступні розділи даної глави присвячені узагальнена принципів дії і основних технічних характеристик кожного з пе- речісленних типів підвісів.
1.2. Електростатичний підвіс.
В основі роботи електростатичного підвісу (ЕСП) використовуються сили тяжіння між провідними поверхнями, що мають різні електричні потенціали. Одна поверхню належить підвішувати проводить тілу, інші поверхні - системі електродів. У межелек- тродном просторі зазвичай створюється вакуум.
Для створення одноосного (одноступеневу) електростатичного підвісу назаряженного тіла його поміщають в електричне поле, створене двома парами електродів. .
Позитивні якості ЕСП - високу швидкодію системи регули- вання і відсутність магнітного поля і теплових втрат. Недоліки ЕСП- необхідність високих напруг і глибокого вакууму, мала грузопод'- емность. Основне застосування ЕСП - підвіска роторів гіроскопів [].
1.3. Підвіси на постійних магнітах.
У підвісах на постійних магнітах (ППМ) магнітне поле створюється постійними магнітами або електромагнітами постійного струму без регулювання. Підвішують тіло частково або повністю виконується з феромагнітного матеріалу і може нести постійні магніти. Подивись тіла (або часткове розвантаження механічних опор) здійснюється за рахунок магнітних сил відштовхування або тяжіння. Найбільш відповідними матеріалами для виготовлення постійних магнітів є литі і металокерамічні сплави альнико, ферити барію, а також самарій-кобальтові сплави [].
Особливо слід відзначити принципову неможливість здійснення повної неконтактної підвіски з використанням тільки постійних магнітів. Цей факт випливає з уже згадуваної в розділі 1.2 теореми Ірншоу, а також з досліджень Браунбека []. Останній в 1939 році показав, що стійка підвіска тіла в постійному магнітному полі можлива лише в разі, якщо магнітна проникність матеріалу, з якого виготовлено тіло, менше магнітної проникності навколишнього середовища, тобто для діамагнетіков і надпровідників. Проте, в літературі іноді з'являються помилкові опису на перший погляд цілком працездатних конструкцій повної підвіски на постійних магнітах (схема такої курйозної конструкції.
Внаслідок зазначених недоліків опори на постійних магнітах використовуються в основному для розвантаження механічних опор або в поєднанні з активними магнітними опорами, а також в вимірювальних приладах [. ].
1.4.Електромагнітний підвіс з резонансною ланцюгом.
Електромагнітний підвіс з резонансної LC-ланцюгом (або LC-підвіс) яв- ляется одним з найбільш простих і не вимагає спеціального регулятора підвісом. Він вперше розроблений в США фірмою «Кембридж Терміонік» і описаний в роботах Чіроніса [], Кросу [] і Лимена [].
У положенні рівноваги сили тяжіння електромагнітів та є рівними між собою. Нехай рівновагу тіла порушилося і воно перемістилося на відстань вправо. Тоді індуктивність зросте, -Зменшити. Зміна ж струмів і сил буде зворотне: ток і сила зменшаться, і зростуть. Результуюча сила тяжіння при цьому буде направлена вліво і положення рівноваги відновиться.
Простота конструкції - підвісів супроводжується і цілу низку істотних недоліків: мала вантажопідйомність; підвищені втрати енергії на вихрові струми і перемагничивание; малі робочі зазори. Тому сфера їх застосування обмежується слабонагруженном роторами [12].
1.5. Активний магнітний підвіс
Датчик вимірює зміщення підвішується феромагнітного тіла із заданого положення рівноваги. Сигнал вимірювання обробляється регулятором. Підсилювач потужності, що живиться від зовнішнього джерела електроенергії, перетворює цей сигнал в керуючий струм, в обмотці електромагніту який викликає силу магнітного тяжіння таким чином, що порушене положення рівноваги відновлюється. Стійкість підвісу, також як і необхідні жорсткість і демпфування, досягаються відповідним вибором закону управління.
Активний магнітний підвіс в порівнянні з підвісом на постійних магнітах і підвісом має наступні основні переваги: вантажопідйомність АМП значно вище і становить 40-80 на 1см2 площі опорної поверхні; висока механічна міцність; можливість здійснення стійкої неконтактної підвіски тіла; можливість зміни жорсткості і демпфірування в широких межах. До недоліків АМП слід віднести: наявність зовнішнього джерела електроенергії і відносно більш висока складність і вартість, викликані наявністю електронного блоку управління. В силу своїх незаперечних переваг саме цей вид підвісу найбільш широко застосовується в техніці (історія розвитку АМП та сфери його застосування будуть розглянуті в наступному розділі).
1.6. Індукційний підвіс.
Принцип дії індукційного підвісу (ІП) заснований на тому, що підвішує електропровідне тіло поміщається в високочастотне змінне магнітне поле електромагніту, а підвіс здійснюється за рахунок сил відштовхування основного поля і вихрових струмів, наведених цим полем у підвішують тілі. Можливий також звернений варіант ІП, коли електромагніт живиться високочастотним напругою, ширяє над електропровідною поверхнею.
Слід зазначити, що якщо підвішують тіло має велику магнітну проникність, то крім відразливою сили індукційного характеру cуществует значна сила, що притягає тіло до електромагніту. Тому застосування ІП для підвішування феромагнітних тел нецелесооб- різно.
Огляд стану техніки і теорії ІП виконаний А.А.Фоміним []. Важливою сферою застосування ІП є бестігельной плавка надчистих металів. Суть її полягає в тому, що шматок металу нагрівається і плавиться індукційним шляхом за рахунок енергії магнітного поля підвісу [].
Різновид ІП, що складається з нерухомого електропровідного рейки і встановленого на рухомому екіпажі постійного сверхпроводникового магніту, використовується при створенні високошвидкісного наземного транспор- та з магнітною подушкою (см.разд.1.11).
Простота конструкції, здатність працювати в агресивних середовищах і вакуумі, а також при великих швидкостях, можливість створення опор без тертя, властивості, які дозволяють застосовувати ВП у пристроях різного призначення, від обладнання точного фізичного експерименту до енергомашинобудування і транспорту. Істотний недолік-великі енергетичні витрати (до 100Вт на 1Н навантаження) є основною перешкодою широкого практичного впровадження ВП.
1.7. Кондукційний підвіс.
Принцип дії Кондукційний підвісу (КП) заснований на витіснення провідника зі струмом з магнітного поля. За родом струму КП діляться на підвіси постійного струму і підвіси змінного струму (магнітне поле і струм повинні збігатися по фазі). Також як і індукційні підвіси, КП найчастіше використовуються для бестигельной плавки чистих металів, але мо- гут бути використані і в транспортних пристроях.
Основний недолік КП.
1.8. діамагнітний підвіс
Принцип дії діамагнітного підвісу (ДП) заснований на тому, що діамагнетик, поміщений в магнітне поле, намагнічується в напрямку, протилежному напрямку поля, і виштовхується з магнітного поля. Кращі Діамагнетик графіт і вісмут. Вантажопідйомність ДП надзвичайно мала. Області можливого застосування ДП - кінематичні датчики і датчики для вимірювання миттєвих зусиль [].
1.9. надпровідний підвіс
Надпровідний підвіс (СП) включає в себе надпровідник, встановлений на підвішують тілі, і звичайний або надпровідний електромагніт. Принцип їх дії заснований на тому, що магнітне поле не проникає в тіло надпровідника і він, таким чином, являє собою ідеальний діамагнетик, який відштовхується магнітним полем. Ця обставина знімає «заборона Ірношоу» і дозволяє створювати підвіс надпровідного тіла без зовнішньої системи стабілізації [].
1.10. Магнітогідродинамічний підвіс
1.11.Електромагнітний підвіс в високошвидкісний наземному транспорті (ВСНТ)
Актуальність розробок зі створення ВСНТ для швидкостей 500 км / год і більше широко відомою друком.
Порівнюючи переваги і недоліки розглянутих вище різних типів електромагнітних підвісів можна зробити висновок, що найбільший практичний інтерес в сенсі широкого промислового використання в підшипникових вузлах роторних машин представляє активний магнітний підвіс. Підшипники, що працюють за принципом активного магнітного підвісу і зазвичай звані активними магнітними підшипниками (АМП), і будуть предметом подальшого розгляду.
Сайт управляється системою uCoz