Какие бывают магнитопланы

Еще в глубокой древности касте жрецов было известно силах взаимодействия постоянных магнитов и изделий железа. Ученый и писатель древнего мира Плинийарший в своей обширной "Естественной истории" - этаком энциклопедическом обзоре всех отраслей знаний того времени - упоминает о строительстве храма богини Арсинои в Александрии. Здесь жрецы хотели сотворить чудо. Железная статуя богини должна была парить под сводом храма из магнитного камня. Однако храм не был построен. С той поры с разной степенью успеха силу магнитов пытались использовать для поднятия, а иногда и перемещения предметов.

Идеи о применении магнитных сил для компенсации веса вагона высказаны сравнительно недавно. Так, в 1911 г. профессор Томского политехнического института Вайнберг предложил следующий проект. Вагоны, выполненные из железа, движутся внутри медной трубы, из которой выкачан воздух. Вдоль всей трассы установлены мощные электромагниты. Когда вагон движется под электромагнитом, то последний притягивает вагон вверх. Но так как вес вагона тянет его вниз, то вагон опускается. Затем вагон притягивает следующий электромагнит. Транспортное средство, подхватываемое электромагнитами, совершает колебательное движение, передвигаясь без трения внутри трубы. Несмотря на некоторую наивность этого проекта, в нем заложены технические идеи, которые осуществлены в наше время.

В 1912 г. магнитная подвеска была предложена французским инженером Башеле. В США первые шаги в этой области были сделаны Альбертсоном. "Отцом транспорта на магнитной подвеске" за рубежом называют немецкого ученого Германа Кемпера. Разработанная им система основана на принципе электромагнитного притяжения и была впервые испытана в 1933 г., а в 1935 г. Кемперу был выдан патент "Путь с бесколесным транспортным средством, перемещающимся посредством магнитного поля на железных направляющих, не касаясь последних".

Однако лишь около двух десятилетий назад появились первые сообщения о работах по техническому воплощению идей по созданию поездов на магнитной подвеске. По своей значимости изобретение и применение магнитной подвески для транспорта сравнимы с изобретением колеса, автомобиля, самолета.

Во всем мире уже построено примерно 25 опытных вагонов с различными системами МП, разработано много проектов скоростных транспортных систем на МП. Рекорд скорости при движении вагона на МП 517 км/ч поставлен в Японии. Магнитопланы уже приносят первые доходы. Началась опытно-коммерческая эксплуатация двух транспортных систем с применением МП (в Англии и ФРГ). На этих линиях, а также во время демонстрации экспериментальных вагонов на всемирных международных выставках перевезено более 1,3 млн. пассажиров.

В ФРГ работы по созданию бесконтактных скоростных поездов ведутся с 1960-х годов. Немецкие ученые и инженеры ведут исследования сразу в трех направлениях: аэропоезда на ВП, магнитопланы с электродинамической системой МП и направления, магнитопланы с электромагнитной системой МП и направления. После сравнительных испытаний опытных вагонов на электромагнитной подвеске TR ("Трансрапид-02") и вагона TR - 03 на ВП от дальнейших исследований последнего отказались ввиду его неперспективности.

Для оценки возможности применения для магнитопланов динамической системы МП в исследовательском центре фирмы "Сименс" в г. Эрлангене было построено опытное кольцо длиной 880 м. На этом полигоне испытывались два вагона: ЕЕТ-01 (масса 17 т с ЛАД) и ЕЕТ-02 (масса 14 т с ЛСД). Сверхпроводящие катушки магнитов, расположенные на вагоне, помещались в жидкий гелий.

Воздушный зазор между вагоном и путевым полотном 100 мм. В 1975 г. была достигнута максимальная скорость 230 км/ч. После сравнения систем электромагнитного электродинамического подвешивания, проведенного 1977 г., предпочтение было отдано первой. К разработке поездов на электромагнитной системе МП были привлечены крупнейшие авиационные, машиностроительные и электротехнические фирмы: "Мессершмидт - Бёлков-Блом" (МББ), "Краусс-Маффей" (КМ), "Тиссен-Хен-шель", "МАН", "АЕГ-Телефункен", "Броун-Бовери", "Сименс", "Дорнье", "Люфтганза" и т. д. Было построено 6 опытных полигонов для испытаний 10 экспериментальных вагонов. Первые успехи были получены в 1971 г., когда вагон TR-01 на полигоне под Мюнхеном достиг скорости 150 км/ч, а затем вагон TR-02 массой 11,3 т, рассчитанный на перевозку восьми пассажиров, увеличил ее до 164 км/ч. В последующем разработали опытный вагон TR-04 (рис. 27, а)-массой 20 т, способный перевезти уже 20 пассажиров. Этот вагон на трассе длиной 2,4 км, сооруженной на высоте 4,5 м, показал в 1977 г. скорость 263 км/ч. На перечисленных транспортных средствах применяли комбинированную электромагнитную систему подвешивания и направления. Для тяги устанавливали ЛАД с расположением статорных обмоток на вагоне, вторичным элементом служил алюминиевый рельс. В 1976 г. модель "Комет" без экипажа показала рекордную скорость - 401,3 км/ч, масса 9 т. На модели были установлены специальные приборы для дистанционного измерения необходимых характеристик во время движения. Для создания необходимой скорости были установлены 6 пароводяных реактивных двигателей. На этих вагонах воздушный зазор колебался в пределах 12 - 15 мм. Слудующим был построенный в 1979 г. полномасштабный двухвагонный пассажирский поезд TR-05 (рис. 27, б) массой 36 т, длиной 26,2 м, шириной 3,1 м, высотой 3,4 м. Этот поезд вмещал 68 пассажиров. Его приводил в движение уже ЛСД со статором в путевом полотне. Магнитоплан был одним из главных экспонатов на международной выставке "Транс-порт-79". Во время действия выставки он совершил примерно 700 поездок, двигаясь со скоростью 50 км/ч, на пути длиной примерно 1 км, перевез более 50 000 чел. А затем на опытном участке в г. Касселе было осуществлено около 1000 поездок и зарегистрировано только 50 случаев одиночного отказа оборудования. Приведенные исследования показали реальность создания пассажирского транспорта с электромагнитной системой МП, его работо-и конкурентоспособность. Полученный опыт был использован при постройке опытного полигона в Эмсланде. На этом полигоне с трассой общей длиной 31,5 км были прямолинейный и криволинейные участки. Его предназначали для изучения безопасности, надежности, организации технического обслуживания и других практических вопросов. На полигоне должна произойти проверка и окончательная доработка основных узлов и принятых решений. Ведь испытания должны происходить при скоростях, близких к 400 км/ч, т. е. в условиях, максимально приближенных к условиям высокоскоростного сообщения. Для испытаний был построен поезд TR-06 (рис. 27, в). Этот двухвагонный поезд длиной 54 м, массой более 100 т может перевозить 200 пассажиров и рассчитан на максимальную скорость 400 км/ч. Поезд приводит в движение ЛСД со статорной обмоткой, установленный в путевом полотне. Статор двигателя набран из пакетов шихтованного железа. Медные кабели трехфазной обмотки уложены в пазы статора непосредственно на трассе. Электромагниты МП используют также в качестве системы возбуждения ЛСД. Воздушный зазор 10 мм обеспечивают изменением напряжения электромагнитов, которое происходит по команде бортовой ЭВМ. Подвешивание и направление вагона осуществляют 64 электромагнита. Питание электроэнергией этих электромагнитов происходит бесконтактно - от линейного генератора, расположенного на вагоне.

Рис 27. Магнитопланы TR-04, TR-05 и TR-06 (ФРГ)

Управление движением поездов осуществляет ЭВМ по сигналам с пути. Электроснабжение TR-06 происходит от сети переменного тока напряжением 110/25 кВ, стандартной частотой 50 Гц, затем напряжение понижается до 2600 В и поступает только на те секции, по которым в данный момент проходит поезд. Это сделано для уменьшения потерь энергии. В поезде TR-06 немецкие инженеры осуществили так называемую концепцию "магнитного колеса", т. е. в одном модуле сосредоточены электромеханические устройства: электромагниты возбуждения ЛСД, которые используются и для МП, электромагниты направления, корректирующие устройства, система датчиков и устройства вторичного подвешивания. Такое решение улучшает массогабаритные показатели МП и повышает ее надежность.

Транспортная система с поездами TR-06, несмотря на сложность выполнения статорной обмотки с железным сердечником ЛСД в путевом полотне (что удорожает строительство пути), а также системы секционированного электроснабжения, имеет ряд преимуществ: возможна передача больших мощностей для передвижения поезда без токосъема; снижается масса электрооборудования, установленного на вагоне; упрощена его конструкция. Поезд TR-06 совершил большое количество опытных поездок со скоростью до 400 км/ч. Пассажиры отмечают высокий уровень комфорта в салоне поезда, отсутствие шума.

Модель нового поезда TR-07 в натуральную величину была продемонстрирована на Международной выставке в Ганновере в 1985 г. У этого поезда сохранены основные технические решения TR-06; масса TR-07 на 20 т меньше, чем у своего предшественника. Такое снижение достигнуто улучшением аэродинамики поезда, установкой вместо тележек, на которые опирается кузов вагона, подъемной рамы (как говорят, "магнитной лыжи"). Благодаря применению композиционных материалов для панелей кузова уменьшена масса. Улучшены характеристики ЛСД. Все эти факторы привели к снижению затрат на сооружение путевого полотна на 40%. Успехи в создании поездов TR-05 TR-06, TR-07 и их успешные испытания позволили в 1982 г. создать сообщество "Трансрапидинтернационал", в которое вошли крупнейшие фирмы ФРГ. Задачи сообщества - внедрение транспорта на МП в ФРГ и за ее пределами. Рассматривается применение таких систем со скоростью до 400 км/ч для создания транспортной сети, соединяющей такие крупные города Европы, как Лондон, Глазго, Париж, Марсель, Мюнхен, Гамбург, Брюссель, Копенгаген, Рим. Протяженность сети составит примерно 7 тыс. км. На следующем этапе предполагается продолжить сеть до Мадрида, Лиссабона и Берлина. Это еще примерно 3 7 тыс. км. Реализация этих систем намечается в самом начале XXI в. На отдельных участках этой сети первоначально можно использовать уже построенные скоростные железнодорожные линии, например, на направлении Париж - Лион (Франция).

В 1986 г. на заброшенном участке метрополитена в Западном Берлине была построена транспортная система МП на постоянных магнитах. Для вертикальной стабилизации и направления установлены колеса (ролики). Постоянные магниты подвески вмонтированы в тележках вагона. Путевые несущие рельсы расположены над постоянными магнитами с зазором 14-20 мм. Силы притяжения разгружают колеса, происходит "магнитная разгрузка", в этом случае погонная нагрузка на путь в 5 -7 раз меньше. Тягу и торможение обеспечивает ЛСД со статорными обмотками с железным сердечником в путевом полотне. Эти обмотки питаются от стационарных преобразователей. В качестве системы возбуждения ЛСД использованы постоянные магниты магнитной подвески. Начата коммерческая эксплуатация этой дороги длиной 1,6 км. Перевозку пассажиров осуществляют два двухвагонных поезда, вмещающие до 180 чел. Максимальная скорость 100 км/ч.

В Японии наиболее впечатляют успехи, достигнутые компанией "Японские железные дороги", в создании высокоскоростного транспорта на электродинамической системе МП. Работы начались в 1962 г. За это время построено и испытано несколько опытных вагонов (табл. 6). Было рассмотрено применение ЛАД, ЛСД и комбинированных систем тяги, МП и направления. В декабре 1977 г. на опытном участке длиной 7 км в префектуре Миядзаки вагон ML-500 (без пассажиров) достиг рекордной скорости - 517 км/ч. Все испытания проводили на трассе с поперечным сечением пути в виде перевернутой буквы Т (см. рис. 26). Проведенные исследования убедили японских разработчиков, что более подходящим является путевое полотно сечением в виде буквы U. С 1980 г. на перестроенном пути начались испытания поезда MLU-001. Это трехвагонный магнитоплан, имеющий 32 сидячих места. В путевом полотне установлены алюминиевые обмотки для создания тяговых, подъемных и направляющих усилий (сил отталкивания). Статорные обмотки ЛСД используются и для направления магнитоплана. На вагонах расположены сверхпроводящие магниты для подъема и системы возбуждения ЛСД. Обмотка катушки сверхпроводящих магнитов изготовлена из сплава ниобия и титана. Для охлаждения магнитов используют жидкий гелий. Так как в процессе эксплуатации гелий частично испаряется, то на каждом вагоне установлено специальное устройство для его сжижения. Электромагниты закреплены на рамах тележек, на которые кузов вагона опирается через пневморессоры. Для движения магнитоплана статические преобразователи регулируют ток и напряжение в путевых обмотках.

Внешне серебристо-серый магнитоплан напоминает фюзеляж самолета, только без крыльев и хвостового оперения. При испытаниях магнитоплан из трех вагонов достиг скорости более 220 км/ч, в составе из одного вагона - примерно 410 км/ч. Магнитоплан MLU является прототипом сверхскоростных поездов будущего, на которых предполагается перевозить пассажиров со скоростями до 500 км/ч, при сохранении скоростной железной дороги, на которой работают поезда "Синкансэн". Путь из Токио в Осака занял бы вместо 3 ч 12 мин только 1 ч 40 мин, самолет это расстояние покрывает за 1 ч.

Таблица 6. Магнитопланы Японии

Японская авиационная компания "Джапан эйрлайнез" проводит с 1974 г. исследования по созданию магнитопланов на основе электромагнитной системы МП. Было создано и испытано несколько опытных вагонов HSST (их данные приведены в табл. 6). Первый вагон HSST-01 в 1978 г. показал максимальную скорость 307,8 км/ч на испытательной трассе длиной 1,3 км. Вагон HSST-03 (рис. 28) перевозил пассажиров со скоростью до 60 км/ч на международных выставках ЭКСПО-85 в г. Цукаба (Япония) и ЭКСПО-86 в г. Ванкувере (Канада). Магнитоплан приводят в движение шесть односторонних ЛАД со статорными обмотками на вагоне. В модуле "магнитное колесо", похожем на обычную тележку железнодорожного вагона, размещены ЛАД, четыре подъемных и направляющих элетромагнита, тормоза, токоприемник. На вагоне расположено шесть таких модулей, по три с каждой стороны. Вагон HSST-03 является прототипом подвижного состава для транспортной системы, которая перевозила бы пассажиров из аэропорта "Ханеда" в новый аэропорт "Нарита" через деловую часть Токио. Аэропорты "Ханеда" и "Нарита" расположены от центра города соответственно на расстоянии 17 и 65 км. При запланированной скорости 300 км/ч поездка из Токио в аэропорт "Нарита" заняла бы 14 мин вместо 2 - 3 ч езды на автобусе. Становится понятным, почему авиационная компания занялась как бы несвойственным ей "сугубо земным делом". Ведь постройка системы HSST резко сократит общее время пребывания в поездке пассажиров, а значит, и привлечет их дополнительное количество. Кроме того, местные власти могли разрешить постройку только бесшумной и экологически "чистой" во всех отношениях транспортной системы. Известно, что до сих пор идут жалобы на шум, сотрясения и вибрации, вызываемые скоростной железнодорожной системой, от жителей зданий, примыкающих к этой эстакадной дороге.

Поезда системы HSST будут состоять из трех секций: головной и хвостовой - аэродинамической формы длиной 21,8 м, вмещающей 112 пассажиров каждая, и промежуточной. В последней секции длиной 18,2 м смогут разместиться 120 пассажиров. Ширина секции (3,8 м) позволит установить по шесть кресел в каждом ряду. Масса каждой секции 27 т. Для движения магнитопланов предполагается построить эстакаду для двух транспортных систем: верхний ярус для скоростной, нижний для относительно тихоходной (80 км/ч) с частыми остановками. Однако финансовые трудности мешают скорой реализации этих планов.

Рис. 28. Японский опытный магнитоплан HSST-03

Рассматривается возможность применения магнитопланов HSST-03 для городского и пригородного транспорта в городах Токио и Осака. В Японии также проходят испытания по использованию магнитной подвески для вагонов метрополитена.

В Англии консорциум "Пипл мувер груп" построил дорогу и поезда на электромагнитной системе МП. Эта линия длиной 620 м связывает новый аэровокзал в г. Бирмингеме с Национальным выставочным центром и международным железнодорожным вокзалом. Скорость поезда примерно 50 км/ч. Кузов вагона, изготовленный из стекловолокна, установлен на алюминиевой тележке. Масса вагона 8 т, длина 6 м, ширина 2,2 м, воздушный зазор 15 мм, число пассажиров 8. На вагоне расположены обмотки линейных двигателей для осуществления движения и торможения каждого вагона. Вдоль пути уложена сталеалюминиевая реактивная шина линейного двигателя. Путь расположен на эстакаде высотой 4,88 м. Транспортная система может работать в полностью автоматическом режиме. Пропускная способность дороги составляет 270 тыс. пасс/год. С апреля 1984 г. началась опытно-коммерческая эксплуатация этой дороги.

США являются одной из первых стран, начавших исследовательские работы по проблемам транспорта на МП. Стэнфордский институт и компания "Форд моторс" разработали несколько проектов вагонов на базе электродинамической системы МП. Например, в проекте "Магне-план" вагоны цилиндрической формы (рис. 29) подвешены на высоте 200-300 мм над направляющим лотком путевого полотна. Лоток охватывает внизу приблизительно одну треть поперечного сечения вагона. Силы отталкивания между сверхпроводящими магнитами и алюминиевым направляющим лотком удерживают вагон на необходимой высоте и направляют его. Благодаря кривым обводам лотка вагон может свободно поворачиваться относительно продольной оси. Тягу создает ЛСД, обмотки которого являются составной частью путевой структуры.

Рис. 29. Схема основных функциональных узлов вагона в проекте 'Магнеплан' (США): 1 - поездные сверхпроводящие магниты для создания подъемных, направляющих и тяговых усилий; 2 - устройства сочленения криогенной техники с остальной конструкцией вагона; 3 - путевые алюминиевые полосы для создания подъемных и тяговых сил (обмотка ЛСД); 4 - путевые алюминиевые полосы для создания подъемных и направляющих сил; 5 - поддерживающая железобетонная конструкция; а - пассажирское помещение; б - помещения для криогенной техники, вспомогательного оборудования и т. д.; в - воздушный зазор

Компания "Pop" разработала транспортную систему "ROMAG". Здесь линейные двигатели предназначены для тяги, подвешивания и направления вагона. Было построено несколько вагонов. Один из них вместимостью 20 чел., демонстрировался на выставке "Транспорт-72" со скоростью 48 км/ч. Однако финансирование вышеперечисленных работ, как и всех исследований по программе "Скоростной наземный транспорт США", правительство США прекратило в 1975 г. Победило мнение, что новые виды транспорта не решат проблемы пассажирского сообщения. Ведь очень трудно заставить миллионы американцев оставить свои автомобили и пользоваться услугами общественного транспорта.

Однако успешные результаты работ, проводившихся в ФРГ и Японии, вновь возродили у американцев интерес к транспорту на МП. В начале 80-х годов была создана компания "Бад", которая совместно с фирмами ФРГ производила исследования по применению системы "Трансрапид" для конкретных участков в США. После проведения необходимых проектно-изыскательских работ, сравнения между собой железнодорожных скоростных систем (японской "Синкансэн", французской ТГВ, английской АПТ) система типа "Трансрапид" была рекомендована для связи городов Лос-Анджелес и Лас-Вегас. Здесь предполагают, что новыми видами транспорта воспользуются до 5 млн. пасс./год. Выбраны также ряд других участков как для междугородного транспорта (Майами - Талепа, Филадельфия - Питсбург, Хьюстон - Даллас - Остин - Сан-Антонио), так и для сообщения город - аэропорт (Чикаго, Хьюстон, Даллас, Атлантик-сити).

Системы пассажирского транспорта на МП разрабатывают также в Канаде (электродинамическая МП), во Франции совместно с ФРГ, Румынии (электромагнитные системы МП).

В СССР исследования по созданию пассажирского транспорта на МП начали примерно на 10 лет позднее, чем в ведущих капиталистических странах. Были проведены технико-экономические исследования целесообразности создания высокоскоростной линии (скорость 400 км/ч), связывающей Москву с побережьем Черного моря (Москва - Крым, Москва - Кавказ) и состоящей из участков длиной 200 - 250 км, и дороги связывающей Москву с новым аэропортом. Эти исследования показали конкурентоспособность и экономичность нового вида транспорта по сравнению с традиционными.

На полигоне ВНИИПИтранспрогресс под Москвой, в г. Раменском, в 1979 г. создан и испытан на участке длиной 120 м первый в СССР вагон на МП с постоянными магнитами, массой 10 т. Привод - ЛАД. Этот вагон предназначался для экспериментальной городской транспортной системы г. Алма-Ата.

Во Всесоюзном научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте электровозостроения, находящемся в г. Новочеркасске, создана экспериментальная модель НЭ-01. В ней система подвески электромагнитная, привод односторонний ЛАД. Масса модели 3 т, максимальная расчетная скорость ее 50 км/ч. В институте ВНИИПИгидротрубопровод (сюда переданы лаборатории и полигон ВНИИПИтранспрогресс) разрабатывают под руководством Ю. Д. Соколова транспортные системы для пригородного и городского сообщения. На полигоне в г. Раменском создан в 1985 г. экспериментальный вагон на электромагнитной подвеске массой 12 т, число пассажирских мест 16, для машиниста два места. Длина вагона 12,5 м, ширина 4 м. В движение его приводит ЛАД со статором на вагоне. В 1986 г. начались комплексные испытания вагона на экспериментальном участке длиной примерно 600 м. Этот вагон явится прототипом подвижного состава для пригородного транспорта на трассе Ереван - Севан длиной 60 км. Для этой линии спроектирован вагон массой 40 т, длиной 18,8 м, шириной 2,7 м, высотой 3,7 м, предусмотрено 64 места для сидения. Система подвески электромагнитная. Максимальная скорость до 250 км/ч.