Ромэн Яров - Скоростные поезда

Название его родилось по контрасту. В обычных электродвигателях две основные части — ротор и статор круглые. У статора на сердечнике из стальных пластин помещены обмотки, связанные с источником переменного тока. Они создают магнитное поле. Внутри статора с небольшим воздушным зазором по диаметру размещен ротор — магнитный сердечник с неизолированными закороченными между собой обмотками. Ток, который в них индуктируется, взаимодействует с магнитным полем, и от этого ротор вращается. Представим себе теперь, что мы разрезали и ротор, и статор, обе обмотки вытянули в линию, а одну из них еще и удлинили, допустим, от Москвы до Ленинграда. Получится так, как показано на рис. 6.

Рис. 6. Вагон с линейным двигателем: 1 — реактивный рельс; 2 — группа тележки (колеса диаметром 965 мм ); 3 — линейный асинхронный двигатель; 4 — генератор переменного тока; 5 — редуктор; 6 — газовая турбина.

Первичная обмотка (статора) вытянута и закреплена неподвижно. При подаче к ней переменного тока будет наведен ток и во вторичной обмотке. Между тем возникает сила тяги, и плоский ротор двинется вдоль плоского статора. А можно и наоборот — статор вдоль ротора. Принцип линейного двигателя известен давно. Его предлагал еще в конце прошлого века известный русский изобретатель Доливо-Добровольский. Но широкая работа над его применением началась только в последние годы. Как бы ни было хорошо техническое средство, если в нем нет массовой потребности, за пределы лабораторий ему не выйти. Потребность в скоростном наземном транспорте, ограниченность обычных железных дорог в смысле повышения скоростей — все это распахнуло перед линейным двигателем двери лабораторий. В чем же его преимущества? Их много.

Для того, чтобы возникло тяговое усилие, вовсе не обязательно иметь поверхность контакта между подвижным составом и дорогой. Поэтому экипаж с таким двигателем можно использовать для любого подвешивания, в том числе и на воздушной подушке.

Когда ротор вращается внутри статора, скорость его вращения ограничена, иначе он разорвется под действием центробежных сил. В линейном двигателе движение поступательное, поэтому скорость может быть достаточно большой. Это достоинство особенно ценно для скоростного транспорта.

Нет поверхностей контакта и внутри самого двигателя; стало быть нет изнашивающихся деталей вроде втулок, шестерен и тому подобное.

Двигатель бесшумен, не создает воздушного потока — значит, пыль не будет лететь в окна. К тому же он работает без вибраций.

Движущийся вагон весит сравнительно немного. Поэтому возможны высокие ускорения и резкие ступени передач. Это очень важно для городского и пригородного транспорта.

К достоинствам линейного двигателя относится и ненапряженный температурный режим его работы. Вагон-статор скользит вдоль шины-ротора, и участки шины, где происходит взаимодействие, не успевают нагреваться. Нагревается только статор, а ротор его даже охлаждает.

Экипажу с линейным двигателем очень легко осуществлять электрическое торможение, а рекуперируемую энергию возвращать в сеть.

Достоинств очень много. Но есть и недостатки.

Между движущимся и неподвижным элементами конструкции необходимо иметь зазор больший, чем в обычном асинхронном двигателе, что трудно, так как сила притяжения между ними в 3-10 раз превышает силу тяги. Этим объясняется отчасти сравнительно низкий к. п. д. линейного двигателя (0,88 с алюминиевым ротором и 0,70 со стальным против 0,92 у обычного тягового электродвигателя постоянного тока).

Длинный элемент, вытянутый вдоль дороги большого протяжения, вещь очень не дешевая. Размеры двигателя определяются тяговым усилием, поэтому небольшой двигатель на малых скоростях не может развить большого тягового усилия.

Достоинств тем не менее значительно больше, чем недостатков. Поэтому в нашей стране, в Англии и в США проводятся исследования линейных двигателей в качестве источника энергии для высокоскоростного наземного транспорта.

Опытные экземпляры двухобмоточного, трехскоростного линейного двигателя сделаны на Киевском заводе электротранспорта имени Ф. Э. Дзержинского. Используя одну обмотку, можно получить максимальную скорость, используя вторую — 2/3 и 1/3 максимальной скорости при разгоне, торможении, прохождении кривых малых радиусов и стрелок. Статор (пакет из листовой электротехнической стали) отделяет от ротора (ферромагнитного рельса) воздушный зазор в 3–4 мм. Рельс (полоса из конструкционной стали прямоугольного сечения) закреплен на несущей балке. Опытный вагон оснащен четырьмя скоростными двигателями, имеющими гибкое соединение с ходовой тележкой. Каждый двигатель состоит из двух статоров, расположенных по обе стороны рельса и связанных между собой общей тележкой.

В работе над линейным двигателем, кроме заводских инженеров, принимают участие сотрудники кафедры электрических машин и кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Киевского политехнического института. Правда, они предназначают линейный двигатель для монорельсовой дороги. Но это не имеет принципиального значения.

Сейчас в США уже началась постройка линейного двигателя мощностью 2500 л. с ., который должен развивать скорость до 400 км/ч. Сила его тяги должна быть равна 1700 кГ. Рельс для двигателя алюминиевый, толщиной 6,3 мм. Воздушный зазор 15,9 мм на каждую сторону. Экспериментальный вагон с этим двигателем (см. рис. 6) должен перемещаться по обычной рельсовой колее, а алюминиевая полоса будет размещаться между рельсами. Быть может, лучше было бы использовать воздушную подушку, но инженеры пришли к выводу, что слишком сложно делать конструкцию, основанную сразу на двух новых технических принципах. Лучше уж разрабатывать ее поэтапно. Тележки спроектированы так, что ни одна деталь ниже осей — не выступает. Это позволило поднять алюминиевую полосу на 406 мм выше головок рельс. Линейный двигатель, размещенный в средней части вагона, охватывает полосу с обеих сторон.

Газотурбинный двигатель мощностью 3000 л. с. через одноступенчатый понижающий редуктор приводит в действие генератор переменного тока мощностью 2000 квт. Скорость вращения валов турбины и генератора почти прямо пропорциональна скорости движения экипажа (если б не было скольжения, пропорция была бы абсолютной). Скорость регулируется изменением частоты переменного тока.

Второй газотурбинный двигатель мощностью 200 л. с. нужен для питания системы возбуждения генератора, подачи охлаждающего воздуха, зарядки батарей и запуска главного газотурбинного двигателя.