МАГНИТОДИНАМИКА ИНДУКТИВНОГО ТОКОСЪЁМА НА ТРАНСПОРТЕ
Вертинский П. А.г. Усолье-Сибирское
pavel-35@mail.ru
Краткое вступление.
Проблема повышения экономичности функционирования транспортных систем сопровождает развитие транспорта на протяжении всей его многовековой эволюции.
Так как коэффициент полезного действия ( К.П.Д.) трансмиссии любого транспортного средства непосредственно сказывается на экономичности транспортных систем, то вся история развития транспорта в сущности представляет собой летопись технических решений, направленных на повышение К.П.Д. Так как общий К.П.Д. системы механизмов , составляющих трансмиссию, равен произведению К.П.Д. каждого из этих механизмов, то вполне естественным представляется стремление всех разработчиков транспортных систем уменьшить число таких механизмов трансмиссии путем совмещения их функций. Особенно многочисленными в этом направлении технического прогресса транспортных систем являются попытки совмещения функций движителя и двигателя в одном механизме, который в истории транспорта получил название активного колеса. Вместе с тем, многочисленные механические конструкции активных колес, в том числе и с применением гидравлических устройств, в свою очередь состоят из большого числа отдельных узлов - механизмов передачи усилий, что не позволяет значительно повысить общий К.П.Д. таких активных колес [1].
Электрификация транспорта позволила значительно повысить экономичность транспортных систем, но это направление технического прогресса относится пока преимущественно лишь к рельсовому транспорту, привнеся в него и новые технические проблемы. Одной из таких ключевых проблем электрификации транспорта является задача надежного и эффективного токосъема, то есть подвода электроэнергии к подвижному транспортному средству с целью обеспечения электропитания его силовой тяговой установки. В современном электротранспорте задача токосъема решается с помощью скользящих контактных устройств, которые не только снижают К. П. Д. электротранспорта, но и ограничивают его скорость, надежность и сроки службы. Данное обстоятельство объясняется сложившимися на основе классической электродинамики в традиционной электротехнике представлениями об индуктивной связи между электрическими цепями , элементы которых предполагаются неподвижными, как это имеет место, например, в трансформаторах. Это требование относительной неподвижности элементов электрических цепей для индуктивной связи обосновано известным законом Фарадея о величине ЭДС электромагнитной индукции:
(1) , где (2) и B = (3)
Как видно из указанных выражений (1), (2) и (3), не является самоочевидным вывод об отсутствии ЭДС при относительном вращении двух коаксиальных цилиндрических обмоток. Между тем, величина и направление магнитной напряженности Н введены в классической электродинамике на основе известных опытов Эрстеда, когда природа ферромагнетизма не была известной, что и получило отражение в известном
«электромагнитном парадоксе» и в выражении одного из уравнений Максвелла, что магнитное поле не имеет источника, то есть: (4)
В действительности, так как «монополем» магнетизма является электрический ток, создающий вокруг себя данное магнитное поле [ 2 ], то величина магнитного поля
характеризуется магнитным натяжением: (5) , которое сразу определяет ЭДС: (6). Среди многочисленных практических следствий магнитодинамики из этого выражения (6) самоочевидным является вывод об отсутствии ЭДС при относительном вращении двух коаксиальных цилиндрических обмоток, если сохраняется условие, чтобы r = Const. Другими словами, известное из электротехники условие трансформации, что: (7) является одинаково справедливым для неподвижных и для вращающихся относительно друг друга коаксиальных цилиндрических обмоток. Данный вывод и положен в основу нового способа осуществления индуктивного токосъема для этой технической задачи. Ниже рассмотрим несколько конкретных примеров решения данной технической задачи для различных условий эксплуатации.
I.Активное колесо транспортного средства по патенту №1736752 РФ. [3].
Данное колесо может быть использовано в транспортных средствах повышенной проходимости по слабым грунтам в условиях тундры, пустыни, переувлажненных почв в период весенне – летних полевых работ и т. п.
Колесо состоит из ступицы 1 и эластичных камер 2, надетых на ось 3 ходовой части транспортного средства.
Ступица 1 состоит из ферромагнитного цилиндра 4, на внутренней поверхности которого в пазу коаксиальная кольцевая вторичная обмотка 5 трансформатора электропитания колеса. По круговому сечению цилиндра 4 равномерно размещены электромагниты 6, магнитная цепь которых включает в себя прилегающие области цилиндра 4 и оси 3, и замкнута на себя в каждом электромагните. На основаниях 7 в пазах обмотки 5 размещены тиристоры 8 системы управления разрядами. Снаружи цилиндра 4 укреплены электроизолирующие цоколи 9 , в которых с помощью закладных элементов 10 укреплены электроразрядники 11 по два с противоположных сторон цилиндра 4 , которые соединены с обмоткой 5 через тиристоры 8, в цепь управления которых включены обмотки электромагнитов 6. По периферийным поверхностям цоколей 9 выполнены пазы 12, в которые вставлены кромки 13 рабочих камер 2. С помощью отбортованных торцовых крышек 14 кромки 13 укреплены в пазах 12 винтом 15. С помощью торцовой крышки 16 и винтов 17 колесо в сборе укреплено на оси 3 с возможностью свободного вращения.
На оси 3 коаксиально с обмоткой 5 выполнена первичная кольцевая обмотка 18 трансформатора электропитания колеса, которая соединена с первичным источником напряжения на борту транспортного средства с помощью электроизолированных проводов в сверлениях 19 оси 3 колеса.
В плоскости сечения электромагнитов 6 снизу на оси 3 выполнен по размеру электромагнита 6 немагнитный якорь в виде диэлектрической пробки 20. Ось 3 имеет выступ - кронштейн 21 поворота оси относительно цилиндра 4 с помощью, например, тяги от рычагов управления транспортным средством.
Вторичная обмотка 5 трансформатора электропитания колеса является двухсекционной , одна из секций 22 является повышающей и служит для питания высоким напряжением разрядников 11 в камерах 2. Другая секция 23 является
источником напряжения управления работой тиристоров 8, соединенных с секцией управляющим электродом через обмотку соответствующего электромагнита 6 , являющегося формирователем разрядов соответствующих
При включении электропитания на первичную обмотку 18 трансформатора электропитания колеса на вторичных обмотках 22 и 23 создаются вторичные напряжения, которые подводятся к разрядникам 11 через электромагниты 6.
Так как немагнитная пробка 20 замыкает нижний электромагнит 6, то вследствие малой величины индуктивности этот электромагнит в цепи управления работой тиристора нижней камеры открывает электропитание на разрядники 11 в момент расположения камеры 2 снизу колеса, когда соответствующий электромагнит 6 занимает положение у пробки 20. В результате электрического разряда на электродах 11 в нижней камере 2 ее объем резко увеличится , создавая реакцию опоры о грунт , что и приводит к образованию тяги колеса в заданном направлении. Путем
поворота кронштейна 21 создается заданное опережение разрядов, определяя момент образования опоры о грунт камеры 2, позволяя регулировать величину и направление тяги колеса.
- 3 -
II. Активное колесо рельсового транспорта по заявке Роспатента № 93054912 / 11. [4]
Колесо предназначено для сообщения тяги рельсовому транспорту, поэтому оно может быть применено на городском пассажирском рельсовом транспорте, на внутрицеховом электротранспорте и т.п.
Рис.II-1 Вид колеса Рис.II-2 Вид колеса сбоку Рис.II-3 Принципиальная
с ¼ выреза радиаль- с ¼ выреза радиальными электросхема колеса
ными плоскостями
Колесо состоит из ступицы 1 и обода 2 с робордой 3, надетых на ось 4 ходовой части электротранспортного средства. Ступица 1 содержит магнитопровод 5 в виде цилиндра с кольцевым пазом внутри, в котором вложена вторичная обмотка 6 трансформатора индуктивного токосъема, первичная обмотка 7 которого размещена концентрически на неподвижной оси 4, по сверлениям 8 в которой проложены провода от блока электропитания на борту транспортного средства, соединенного , например, с первичной контактной сетью.
На цилиндре 5 магнитопровода хомутами 9 крепятся секции 10 тороидальной обмотки 11 электромагнита с подвижным сердечником – якорем 12, в котором размещен в пазу – зазоре немагнитный стержень 13. Якорь 12 со стержнем 13 размещены в полости тороидальной обмотки 11 из секций 10 с возможностью скольжения по трем направляющим полозьям 14 на электроизолирующих прокладках 15 , укрепленных равномерно на внутренней поверхности обмотки 11.
Обмотка 11 помещена в электроизолирующем слое 16, который с помощью винтов 17 прикреплен к торцу магнитопровода 5. К противоположному торцу магнитопровода 5 винтами 18 крепится обод колеса с ребордой 3. С помощью крышки 19 и винтов 20 колесо размещено на оси 4 с возможностью вращения.
Каждая секция 10 обмотки 11 содержит две части : силовую 21 и управляющую 22, которые соединены с вторичной обмоткой 6 , имеющей также две части: силовую 23 и управляющую 24.
Каждая силовая обмотка 21 секции 10 соединена с помощью тиристора Т с силовой обмоткой 23 трансформатора, а в цепь управления каждого тиристора Т включена обмотка управления 22 каждой данной секции 10 , через резистор R соединяясь с обмоткой 24 управления трансформатора. Все силовые 21 и управляющие 22 обмотки всех секций тороидальной обмотки 11 по экватору тора чередуются между собой. Тиристоры Т и резисторы R схемы управления электропитанием секций 10 размещены в гнездах 25 и 26 на внутренней поверхности
цилиндра 5 , вблизи которых выполнены отверстия 27 для проводов соединения с обмоткой 6. Якорь 12 стянут винтом 28 по круговой оси.
Необходимое количество пар колес по описанному устанавливается на рельсовом транспортном средстве в соответствии с заданными условиями эксплуатации. При включении электропитания напряжение вторичной обмотки 6 трансформатора подводится к тиристорам Т всех секций 10. В каждой из них, внутри которой в
- 4 -
данный момент размещен стержень 13, индуктивное сопротивление оказывается заниженным, что открывает ее тиристор Т подводя ток к силовой части 21 секции 10. В результате образования магнитного поля данной секции она втягивает в себя магнитный якорь 12, смещая одновременно и стержень 13 в очередную секцию 10, поддерживая таким образом непрерывное движение якоря 12, реакция которого создает тягу колеса в обратном направлении.
По заявке № 93054912/11 автор получил решение Роспатента о выдаче патента на изобретение Активное колесо рельсового транспорта [4].
III. Безопорная контактная сеть с индуктивным токосъемом по заявке Роспатента № 93036393/11 [5]
Контактная сеть предназначена для электропитания рельсового транспорта и может быть использована на городском, внутрицеховом и т.п. электротранспорте.
Рис.III-1 Общий вид Рис.III-2 Принципиальная Рис.III-3 Поперечный
сбоку локомотива электросхема безопорной разрез колесной пары
контактной сети с трансформатором
Безопорная контактная сеть с индуктивным токосъемом включает в себя ЛЭП 1, тяговую подстанцию ТП 2, кабельную Лэп 3 , проложенную в трубе 4 в непосредственной близости от рельсового пути 5 , в котором на заданных расстояниях выполнены отверстия с люками 6 для доступа и размещения электросхемы тиристорного управления , токоподводящей шины 7 на кронштейнах 8 крепления к рельсам 5 , токосъемных колесных пар 9, соединенных электрически с силовым трансформатором 10 локомотива 11.
Электросхема управления состоит из индуктивного датчика 12 в виде катушки 13 на стержне 14 с головкой 15 на уровне нижней кромки подкладки 16 под рельсовой подошвой 17, в отверстиях 18 которой на заданных расстояниях закреплены датчики 12 с помощью, например, сварки 19. Катушка 13 с добавочным
резистором R включена в цепь управления тиристора Т, подключающего рельс 5 к полюсу кабельной ЛЭП 3 в трубе 4 , второй полюс которой соединен непосредственно с шиной 7 на прокладках 20 кронштейнов 8 , укрепленных к рельсам 5 болтовыми соединениями 21.
Электропровода 22 соединяют шину 7 с ЛЭП 3, повода 23 соединяют рельс 5 с ЛЭП 3, провода 24 соединяют датчик 12 с тиристором Т и резистором R в схеме управления.
Токосъемная колесная пара 9 имеет два колеса 25, на ребордах 26 которых с помощью электроизолирующих прокладок 27 укреплены, например, опрессовкой кольцевые токосъемники 28, электрически соединенные проводами 29 в сверлениях и
пазах 30 на оси 31 с первичной вращающейся обмоткой 32 силового трансформатора 10, вторичная обмотка 33 которого размещена коаксиально с первичной обмоткой 32 в-
корпусе 34 с кронштейнами 35 крепления трансформатора 10 к платформе локомотива 10. Каждый вагон – локомотив электропоезда имеет по две колесных пары 9 по описанному, размещенных крайними, между которыми размещены опорные и тяговые тележки 37 и 38 , являющиеся типовыми, применяемыми по своему прямому назначению .
Рельсы 5 по стыкам соединены перемычками 39, каждый участок шины 7 соединен проводом 23 с жилой кабельной ЛЭП 3.
Шейки осей 4о пар 9 размещены в типовые буксы 41 с подшипниками скольжения.
При включении тяговой подстанции ТП 2 на ЛЭП 3 подается напряжение, которое подводится к шине 7 через тиристор Т с датчиком 12 и к рельсам 5, соединенных между собой перемычками 39.
Так как по месту нахождения вагона – локомотива 11 рельс 5 прогибается под тяжестью вагона, то головка рельса деформируется, прогибаясь, выдвигает головку 15 стержня 14 из отверстий 18 подошвы 17 и подкладки 16, уменьшая тем самым индуктивность катушки 13, которая и открывает соответствующий тиристор , подключая таким образом через него к источнику напряжения свой участок шины 7, откуда оно подается на первичную обмотку трансформатора 10, со вторичной обмотки 33 которого снимается рабочее напряжение на энергосиловое оборудование локомотива.
При движении вагона – локомотива 11 по рельсовому пути 5 таким же способом под действием веса локомотива осуществляется поочередное подключение соответствующих участков шины 7, обеспечивая непрерывное электропитание тяговой установки вагона – локомотива.
По заявке № 93036393/11 автор получил решение Роспатента о выдаче патента на изобретение Безопорная контактная сеть с индуктивным токосъемом [5].
IV.Тиристорный электродвигатель по заявке Роспатента № 4806386/07 [6]
Электродвигатель позволяет повысить устойчивость и надежность электропривода при перегрузках в различных режимах работы в стационарных условиях и на транспортных средствах.
Электродвигатель состоит из статора 1, ротора «, подшипниковых щитков 3 и 4 с подшипниками 5, в которых размещен вал 6 ротора 2. На валу 6 в торцовой части ротора 2 выполнена вторичная обмотка 7 трансформатора с выпрямителем 8 в пазу 9 ротора 2. Коаксиально обмотке 7 в статоре 1 выполнена первичная обмотка 11 трансформатора и неподвижная вторичная двухсекционная обмотка 12 управления этого же трансформатора.
В пазах 13 статора 1 и ротора 2 выполнена зигзагообразная обмотка 14 , лобовые изгибы 15 которой закреплены в пазах 16 статора 1 и ротора 2. В гнездах 17 в плоскости сечения по пазам 16 размещены дроссели 18 параметрической связи , включенные в цепи управления тиристоров Т1 и Т2 , размещенных в клеммной коробке 19. Весь двигатель в сборе размещен на станине 20.
- 6 -
Рис.IV-1 Рис.IV-2 Рис.IV-3 Рис.IV-4 Рис.IV-5
Вид двигателя Местный разрез Вид с торца Вид с торца Вид с торца
сбоку с ¼ выреза по дросселям 18 с ¼ выреза с ¼ выреза с ¼ выреза
радиальными радиальной по А – А по Б – Б по В - В
плоскостями плоскостью рис.IV-1 рис.IV-1 Рис.IV-1
При включении электропитания первичной обмотки 11 трансформатора возникают вторичные напряжения во вторичных обмотках 7 и 12. Напряжение обмотки 7 подается на выпрямитель 8, откуда поступает постоянный ток на обмотку ротора 2, создавая в магнитопроводе ротора постоянное магнитное поле. Напряжение обмотки 12 через тиристоры Т1 и Т2 подводится к выводам зигзагообразной обмотки статора 1, определяя направление тока в ней в соответствии с фазой работы соответствующего тиристора, которая изменяется в связи с относительным положением дросселей 18 и коленных изгибов 15 обмотки 14.
Рис.IV- 6 Принципиальная электросхема
тиристорного электродвигателя
V.Дождевальная установка по патенту № 2063122 РФ [ 7 ]
Примером применения индуктивного токосъема для воздушного транспортного средства может служить исполнение электропривода в указанном изобретении.
Установка предназначена для орошения путем дождевания на значительных расстояниях от источников водоснабжения и электропитания, поэтому она может быть использована для пожаротушения лесов и степей, промышленных объектов в труднодоступных местах и т.п.
Установка состоит из шасси 1 в виде треугольной фермы, по углам ткоторой укреплены кронштейны 2 с возможностью вращения вокруг вертикальных осей с колесами 3 облегченной конструкции, а в центре фермы размещена накопительная емкость 4 с балансирами 5 и электрореактивными аэродинамическими винтами 6 противоположных направлений вращения на осевой трубе 7. С помощью гибкого шланга 8 с кабелем 9 шасси 1 соединено с барабаном 10 с приводом 11 и водозабором 12, а кабелем 13 с блоком электропитания 14 . Для увеличения удаленности от водоемов в качестве водозабора 12 может использоваться трубопроводная магистраль с отрицательным гидравлическим сопротивлением [8] . Внутри балансиров 5 размещены электрогидравлические насосы 15, соединенные с эластичными баллонами , под осевой трубой в емкости 4 выполнен
- 7 -
электрогидравлический насос 16 со штуцером 17, к которому присоединен шланг 8 от барабана 10. Балансиры 5 соединены с насосами 15 патрубками 18. Подробнее об устройстве и работе электрогидравлических насосов различных конструкций можно узнать в [7].
Аэродинамические винты 6 выполнены в виде полых лопастей 19 аэродинамического профиля, на концах которых закреплены электрореактивные сопла 20, соединенные гидравлически с осевой трубой 7 трубками 21 с уплотнениями 22 у отверстий 23 в трубе 7, а электрически - с блоком питания 14 посредством индуктивного токосъёмника 24.
Рис.V-1 Общий вид установки Рис.V-2 Принципиальная
электросхема установки
Внутри барабана 10 размещен насос 25, соединенный гидравличесчким уплотнением 26 с водозабором 12, а коммутационное устройство 27 со скользящими контактами соединяет электрокабель 13 с блоком питания 14. Привод 11 барабана 10 имеет электродвигатель 28 с червячным редуктором 29.
Электропитание электрогидравлических насосов 15, 16 и 25 осуществляется от автономных генераторов импульсного тока ( ГИТ,ов) , содержащих выпрямительные диоды Д с емкостными фильтрами С и тиристоры Т , в цепь управления которых включены формирователь разрядов 30 в виде стержней в пробках 31 [см. источник 9], последовательно которым включены пусковые кнопки 32. Все ГИТ,ы размещены в виде блоков 33 для каждого насоса и закреплены в непосредственной близости от
него. Насосы 15 балансиров 5 содержат всасывающие 34 и нагнетательные 35 клапаны , разрядники 36, соединенные с блоком электропитания через тиристоры , в цепи управления которых включены пусковые кнопки 37. Напорный насос 16 имеет
клапаны 38 и 39 , электроды 40 разрядника, подключенные к ГИТ,у , в цепь управления которого включен формирователь разрядов 30 с кнопкой 41.
Сопло 20 содержит разрядники 42, всасывающий клапан 43, выхлопное сопло в виде прижатых губок 44 с компенсаторами 45. Насос барабана 10 содержит корпус 25 , клапаны 46 и 47, разрядники 48 и пусковую кнопку 49 в цепи управления ГИТ,а.
Индуктивный токосъем 24 представляет собой два трансформатора с вращающимися вторичными обмотками 5о внутри сердечника 51, первичная обмотка 52 которого размещена на трубчатом сердечнике 53 на трубе 7. Выводы вторичных
обмоток трансформаторов соединены с разрядниками 42 сопел 20 проводами 54 и трубопроводом 21 внутри лопасти 6. Электропитание трансформаторов индуктивного токосъема осуществляется по проводу 55 и осевой трубе 7, подключенных штепсельным разъемом от кабеля 9. Токосъемник 24 закреплен на трубе 7 с
возможностью вращения торцовой крышкой 57 с винтами 58.
- 8 -
Рис.V-3 Вид сверху установки Рис.V-4 Разрез вертикальной плоскостью
аэродинамического движителя
с индуктивным токосъемом
При включении электропитания от блока питания по кабелю 13 напряжение подводится к коммутационному устройству барабана 10 , от которого по кабелю 9 до штепсельного разъема на штуцере 17, от которого по проводу 55 и трубе 7 к первичной обмотке 52 трансформаторов индуктивного токосъема. Вторичное напряжение от обмоток 5о по проводам 54 и трубкам 21 подводится к ГИТ,ам и разрядникам 42 сопел 20. В результате электрогидравлического эффекта
Из сопел 20 истекают струи воды, раздвигая губки 44, образуя реактивную тягу для вращения винтов 6 и разбрызгивая воду для орошения. Путем регулирования наполнения балансиров 5 с помощью насосов 15 изменяется наклон оси винтов 6, изменяя и направление общей тяги винтов 6 в заданном направлении.
Разумеется, примеры применения индуктивного токосъёма для решения технических задач транспортных систем можно продолжать не только известными и уже опубликованными работами, но из изложенного ясно, что такой способ индуктивного токосъёма может найти в будущем на транспорте широкие перспективы.
Литература:
1. Крайнев А.Ф. Словарь – справочник по механизмам. – М.: Машиностроение, 1987, стр.
228 и др.
2.Вертинский П.А. К вопросу о полноте аксиоматики физических теорий // Вестник
ИРО АН ВШ РФ № (1) 4, Иркутск, БГУЭП, 2004, стр.126 и др.
3.Вертинский П.А. Активное колесо транспортного средства//Патент №1736752 РФ
БИ № 20 / 1992.
4.Вертинский П.А. Активное колесо рельсового транспорта // ИЛ № 017-93 ЦНТИ,
Прочитать публикацию в формате PDF
(1) , где 
(2) и B = 
(3)
(4)
(5) , которое сразу определяет ЭДС: 
(6). Среди многочисленных практических следствий магнитодинамики из этого выражения (6) самоочевидным является вывод об отсутствии ЭДС при относительном вращении двух коаксиальных цилиндрических обмоток, если сохраняется условие, чтобы r = Const. Другими словами, известное из электротехники условие трансформации, что: 
(7) является одинаково справедливым для неподвижных и для вращающихся относительно друг друга коаксиальных цилиндрических обмоток. Данный вывод и положен в основу нового способа осуществления индуктивного токосъема для этой технической задачи. Ниже рассмотрим несколько конкретных примеров решения данной технической задачи для различных условий эксплуатации. 
