RU2375220C1 - Magnetic clamping device - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: magnetic clamping device for a dolly has field sources fitted along rails. The field sources are flat permanent magnets made from Fe-B-Nd based ceramics, for example and are magnetised vertically. Magnets on one side of the device are aligned with each other, but in reverse with magnets on the other side of the device. Magnets lying opposite about the track are joined by transverse magnetic conductors. The transverse magnetic conductors are made from material with residual magnetisation, for example from steel which contains chrome and carbon. Gaps between flat surfaces of magnets and working surfaces of rails are filled with another porous material with a relatively small coefficient of friction with respect to steel. Each rail has vertically aligned joint bars made from magnetically soft iron on its outer side, the shape of which corresponds to the shape of the rails.

EFFECT: provision for the maximum possible clamping force for narrow-gauge rails per running metre of the track.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти широкое применение, в первую очередь, на узкоколейных железных дорогах.The invention relates to the field of railway transport and can find wide application, primarily on narrow gauge railways.

Уровень техникиState of the art

Как известно, главной проблемой «малых» железных дорог является недостаточное тяговое усилие локомотива. На «полноформатных» магистралях тяговое усилие повышают за счет увеличения нагрузки на ведущие оси, которая сегодня достигает 28-30 тонн. Однако конструкция узкоколейного ходового пути не позволяет добиться увеличения тяги столь простым способом, поскольку резко увеличивает стоимость всех элементов ходового пути.As you know, the main problem of the "small" railways is the insufficient traction of the locomotive. On "full-format" highways, the tractive effort is increased by increasing the load on the drive axles, which today reaches 28-30 tons. However, the design of a narrow gauge track does not allow traction to be increased in such a simple way, since it dramatically increases the cost of all elements of the track.

Достаточно давно было предложено использовать для решения указанной задачи магнитное взаимодействие, однако на практике подобные системы пока не используются.Quite a long time ago, it was proposed to use magnetic interaction to solve this problem, but in practice such systems have not yet been used.

Все дело в том, что сила взаимодействия «магнитных полюсов» зависит от квадрата индукции и площади полюсов:The thing is that the force of interaction of the "magnetic poles" depends on the square of the induction and the area of the poles:

где µ_o=1,26·10^-6 Гн/м;where µ _o = 1.26 · 10 ^-6 GN / m;

B - индукция поля в зазоре между полюсами, Тл;B - field induction in the gap between the poles, T;

S - площадь каждого из симметричных полюсов, м².S is the area of each of the symmetrical poles, m ² .

Приведенная формула выполняется с точностью 10% лишь при малом зазоре z<0,1b, где b - минимальный размер прямоугольных или диаметр круглых полюсов.The above formula is satisfied with an accuracy of 10% only with a small gap z <0.1b, where b is the minimum size of the rectangular or the diameter of the round poles.

Взяв индукцию порядка 1 Тл, получаем примерно 4 кг c на 1 см² поверхности полюсов. Практика показывает, что даже при минимальном рабочем зазоре (z) получить усилие свыше 10 кг с/см² не удается. Если же зазор составляет около 1 см, то прижимное усилие падает до 1-2 кг с. Поскольку ширина рабочей поверхности рельса сравнительно мала, осуществить идею магнитного прижима весьма непросто.Taking an induction of the order of 1 T, we get about 4 kg c per 1 cm ^{2 of the} surface of the poles. Practice shows that even with a minimum working clearance (z), a force of more than 10 kg s / cm ² cannot be obtained. If the gap is about 1 cm, then the clamping force drops to 1-2 kg s. Since the width of the working surface of the rail is relatively small, it is very difficult to implement the idea of magnetic clamp.

Хотя простейший расчет показывает проблематичность реализации магнитных прижимных устройств, все же имеет смысл сделать некоторый обзор подобных систем. Их можно разделить на две большие группы в соответствии с основным направлением магнитного потока.Although the simplest calculation shows the problematic implementation of magnetic clamping devices, it still makes sense to do some review of such systems. They can be divided into two large groups in accordance with the main direction of the magnetic flux.

Типичным примером системы с поперечным магнитным потоком может служить вспомогательное (стабилизирующее) устройство, описанное в патенте США №3941062 (2 марта 1976 года, МПК B61D 1/00). Здесь полюса расположены рядом, над рабочей поверхностью рельса. Точно такую конструкцию имеют магнитные «догружатели», используемые в трамвайных вагонах Усть-Катавского завода.A typical example of a system with a transverse magnetic flux can serve as an auxiliary (stabilizing) device described in US patent No. 3941062 (March 2, 1976, IPC B61D 1/00). Here the poles are located nearby, above the working surface of the rail. Magnetic “loaders” used in tram cars of the Ust-Katavsky plant have exactly this design.

Недостаток системы этого типа вполне очевиден - между близко расположенными полюсами возникает заметный «поток рассеяния». Проще говоря, большая часть магнитного потока не идет сквозь рельс, а замыкается внутри электромагнита.The disadvantage of this type of system is quite obvious - a noticeable “scattering flux” arises between closely spaced poles. Simply put, most of the magnetic flux does not go through the rail, but closes inside the electromagnet.

Второй вариант предполагает расположение магнитных полюсов один за другим вдоль рельса. Характерным примером может служить система, описанная в патенте США №3958669 (МПК B60L 7/00; B61C 15/04; 25 мая 1976 г.). Хотя здесь речь идет о «магнитном тормозе», на самом деле имеется в виду тот же самый магнитный прижим (АНАЛОГ).The second option involves the location of the magnetic poles one after the other along the rail. A typical example is the system described in US patent No. 3958669 (IPC B60L 7/00; B61C 15/04; May 25, 1976). Although we are talking about a "magnetic brake", in fact we mean the same magnetic clamp (ANALOGUE).

Существенный недостаток систем второго типа связан с наличием стыков, прерывающих магнитный поток. Однако имеется более важная причина, ограничивающая применение систем второго типа. Проблему создает сама форма рельса, имеющего узкое «ребро» - поперечное сечение не позволяет пропустить достаточный магнитный поток.A significant drawback of the second type of systems is associated with the presence of joints interrupting the magnetic flux. However, there is a more important reason limiting the use of systems of the second type. The problem is created by the shape of the rail itself, which has a narrow "rib" - the cross section does not allow you to miss enough magnetic flux.

В патентной литературе можно найти и «экзотические» решения, предполагающие монтаж магнитов внутри ведущих колес локомотива. Здесь примером может служить а.с. СССР №1409498 (МПК B61C 15/04). Однако автор не дал себе труда выполнить приближенную оценку прижимного усилия. С учетом всего ранее сказанного решение трудно признать эффективным. В качестве возражения можно также упомянуть чувствительность магнитов к толчкам и ударам, неизбежным при качении стального колеса по стальному рельсу. Похожая идея фигурирует в патенте США №7233221; однако автор сконструировал свое «магнитное колесо» таким образом, что источник магнитного поля не контактирует с поверхностью качения напрямую и тем самым предохранен от ударов.In the patent literature, you can also find “exotic” solutions involving the installation of magnets inside the driving wheels of a locomotive. Here, an example is A.S. USSR No. 1409498 (IPC B61C 15/04). However, the author did not bother to perform an approximate assessment of the clamping force. Given all the above, the decision is difficult to recognize as effective. As an objection, one can also mention the sensitivity of magnets to shocks and shocks that are inevitable when a steel wheel rolls along a steel rail. A similar idea appears in US patent No. 7233221; however, the author constructed his “magnetic wheel” in such a way that the source of the magnetic field does not directly contact the rolling surface and is thus protected from impacts.

В патентной литературе можно обнаружить и примеры устройств «комбинированного» типа, в которых источник поля расположен снаружи колеса, однако колесо при этом является частью магнитной цепи (пат. США №3516364).In the patent literature, one can also find examples of “combined” type devices in which the field source is located outside the wheel, however, the wheel is part of the magnetic circuit (US Pat. No. 3,516,364).

По всей видимости, единственный возможный вариант - сочетать в одной системе продольный и поперечный потоки.Apparently, the only possible option is to combine longitudinal and transverse flows in one system.

Кроме того, весьма перспективными для использования в магнитных прижимных устройствах являются новые магниты из керамики на основе Fe-B-Nd, выгодно сочетающие большую коэрцитивную силу и большую остаточную индукцию (1 Тл). Конечно, указанные магниты довольно дороги в сравнении с обычными. Однако в данном, конкретном применении цена вопроса тоже является немалой - фактически здесь речь идет о возрождении незаслуженно забытого вида транспорта.In addition, new magnets made of ceramics based on Fe-B-Nd are very promising for use in magnetic clamping devices, which advantageously combine a large coercive force and a large residual induction (1 T). Of course, these magnets are quite expensive compared to conventional ones. However, in this particular application, the price of the issue is also considerable - in fact, we are talking here about the revival of an undeservedly forgotten mode of transport.

Узкоколейная железная дорога имеет массу достоинств и обладает преимуществами по сравнению с автомобильным транспортом. Сторонники тотальной автомобилизации обычно ссылаются на высокую стоимость рельсового пути, почему-то полагая асфальтовое покрытие «бесплатным». Экономические расчеты показывают двойной выигрыш от «узкоколейки» - как в части разовых затрат на строительство, так и в части всех прочих затрат, учитывая растущую стоимость горючего.The narrow gauge railway has a lot of advantages and has advantages compared to road transport. Supporters of total motorization usually refer to the high cost of the rail track, for some reason believing the asphalt pavement to be "free." Economic calculations show a double gain from the "narrow gauge" - both in terms of one-time construction costs, and in part of all other costs, given the rising cost of fuel.

ПРОТОТИП. За прототип для настоящего изобретения взято устройство, описанное в патенте США №4719861 (1988 г., МПК B61C 7/04; B61C 15/04; B61C 15/10). Здесь опять имеется в виду «магнитный тормоз», причем авторы решили выполнить свои магнитные блоки наподобие многополюсных индукторов линейного электродвигателя (ЛЭД). К сожалению, ввиду значительного объемного сопротивления рельсовой стали мощность в цепи переменного тока будет тратиться скорее на нагрев рельсов, нежели на создание тормозного усилия. Но прижимное усилие магнитных блоков, безусловно, при этом сохранится.PROTOTYPE. The prototype for the present invention is the device described in US patent No. 4719861 (1988, IPC B61C 7/04; B61C 15/04; B61C 15/10). Here again, the “magnetic brake” is meant, and the authors decided to make their magnetic blocks like multipolar inductors of a linear electric motor (LED). Unfortunately, due to the significant volumetric resistance of rail steel, the power in the AC circuit will be spent more on heating the rails than on creating braking force. But the pressing force of the magnetic blocks, of course, will be preserved.

В качестве прототипа система взята благодаря четко выраженной конструктивной концепции, согласно которой магнитные блоки чередуются с приводными колесами (осями) локомотива. Именно «распределенная» тяга в совокупности с распределенным прижимным усилием позволяет добиться наилучших характеристик.As a prototype, the system was taken thanks to a clearly expressed constructive concept, according to which the magnetic blocks alternate with the drive wheels (axles) of the locomotive. It is the “distributed” traction in conjunction with the distributed clamping force that allows you to achieve the best performance.

Задачей создания настоящего изобретения является разработка магнитного прижимного устройства на постоянных магнитах, обеспечивающего предельно возможное для определенного типоразмера «узкоколейных» рельсов прижимное усилие в расчете на 1 погонный метр ходового пути.The task of creating the present invention is the development of a magnetic clamping device with permanent magnets, providing the maximum possible for a certain size of "narrow gauge" rails clamping force per 1 running meter of the running path.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Поставленная выше задача достигается согласно пункту 1 формулы изобретения за счет общих с прототипом признаков, таких как магнитное прижимное устройство для локомотива узкоколейной железной дороги, имеющее источники поля, протяженные по направлению рельсов, а также отличительных, существенных признаков - источники поля представляют собой плоские постоянные магниты, например, выполненные из керамики на основе Fe-B-Nd и намагниченные в вертикальном направлении, причем магниты по одну сторону устройства ориентированы согласно между собой, но обратно относительно магнитов, расположенных по другую сторону устройства, при этом противолежащие относительно ходового пути магниты объединены посредством поперечных магнитопроводов.The above task is achieved according to paragraph 1 of the claims due to common features with the prototype, such as a magnetic clamping device for a narrow gauge railway locomotive having field sources extended along the rails, as well as distinctive, significant features - the field sources are flat permanent magnets for example, made of ceramic based on Fe-B-Nd and magnetized in the vertical direction, and the magnets on one side of the device are oriented according to each other, but back relative to the magnets located on the other side of the device, while the magnets that are opposite relative to the travel path are combined by means of transverse magnetic cores.

Пункт 2 формулы уточняет материал, из которого изготовлены поперечные магнитопроводы, соединяющие пары магнитов с обеих сторон устройства. Указанные детали конструкции выполнены из материала с остаточной намагниченностью, например из стали с содержанием хрома и углерода.Paragraph 2 of the formula specifies the material from which the transverse magnetic cores are made, connecting pairs of magnets on both sides of the device. These structural details are made of a material with a residual magnetization, for example, steel with a chromium and carbon content.

Пункт 3 формулы отражает важное для подобных систем новшество - зазоры между плоскими поверхностями магнитов и рабочими поверхностями рельсов заполнены упругим пористым материалом с относительно малым коэффициентом трения по стали, что позволяет избежать втягивания в зазоры посторонних ферромагнитных предметов.Clause 3 of the formula reflects an important innovation for such systems - the gaps between the flat surfaces of the magnets and the working surfaces of the rails are filled with elastic porous material with a relatively low coefficient of friction on steel, which avoids the entrainment of foreign ferromagnetic objects into the gaps.

Пункт 4 формулы отражает вариант системы, в котором каждый из рельсов имеет с внешней относительно ходового пути стороны вертикально ориентированные накладки из магнитомягкого железа, форма которых соответствует форме рельса.Paragraph 4 of the formula reflects a variant of the system in which each of the rails has vertically oriented magnetically soft iron plates on the outside of the side of the track, the shape of which corresponds to the shape of the rail.

Описание изобретенияDescription of the invention

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 дан поперечный разрез устройства.Figure 1 is a cross-sectional view of the device.

С целью большей наглядности на фиг.1 показана только одна половина зеркально-симметричной конструкции, а также изменены пропорции деталей. На фиг.2 показаны возможные пути магнитных потоков в системе.For the purpose of greater clarity, figure 1 shows only one half of the mirror-symmetrical design, and also changed the proportions of the parts. Figure 2 shows the possible paths of magnetic fluxes in the system.

Позициями обозначены: 1 - рельс; 2 - магнит Fe-B-Nd; 3 - поперечный магнитопровод с собственной остаточной намагниченностью; 4 - упругий материал, заполняющий зазор; 5 - дополнительная накладка, 6 - крепежная рама (желательно - из немагнитного металла).The positions indicated: 1 - rail; 2 - magnet Fe-B-Nd; 3 - transverse magnetic circuit with its own residual magnetization; 4 - elastic material filling the gap; 5 - additional pad, 6 - mounting frame (preferably - non-magnetic metal).

В отличие от ранее рассмотренных систем магнитный поток здесь является весьма разветвленным. Присутствует поперечный поток - он проходит сквозь рельсы и замыкается через немагнитную среду под ходовым путем. Вблизи концов магнитов потоки имеют выраженный продольный характер, однако замыкаются они опять же в поперечном направлении - частично через ведущие (приводные) оси, а частично через воздух между рельсами.In contrast to the previously considered systems, the magnetic flux here is very branched. There is a transverse flow - it passes through the rails and closes through a non-magnetic medium under the running path. Near the ends of the magnets, the fluxes are of a pronounced longitudinal character, however, they close again in the transverse direction, partly through the leading (drive) axes, and partly through the air between the rails.

Собственная намагниченность элемента 3 необходима для снижения «потоков рассеяния» вблизи магнитов 2.The intrinsic magnetization of element 3 is necessary to reduce the "scattering fluxes" near the magnets 2.

Разумеется, эффективная работа устройства возможна лишь при некоторой оптимальной длине магнитов 2. Реально для рельсов узкоколейного типа длина магнитов составляет примерно 500 мм, а ширина - примерно 50 мм. Магнитный поток через рельс в данном случае может достигнуть 20 мВб (1 Вебер=1 Тесла·1 кв. метр). Особо следует подчеркнуть, что сечение рельса позволяет пропустить продольный поток не более 5-6 мВб. Таким образом, поперечная компонента составляет примерно 50% общего магнитного потока.Of course, effective operation of the device is possible only with some optimal length of magnets 2. In reality, for narrow-gauge rails, the length of the magnets is approximately 500 mm and the width is approximately 50 mm. The magnetic flux through the rail in this case can reach 20 mVb (1 Weber = 1 Tesla · 1 sq. Meter). It should be emphasized that the rail section allows you to skip the longitudinal flow of not more than 5-6 mVb. Thus, the transverse component accounts for approximately 50% of the total magnetic flux.

Накладки 5 играют роль магнитопроводов, «дублируя» тонкое ребро рельса. Учитывая сложную форму поперечного сечения, накладки могут представлять из себя пакет листов разной ширины. В результате суммарное усилие одного блока может достичь 1 т.c.Pads 5 play the role of magnetic cores, "duplicating" a thin edge of the rail. Given the complex cross-sectional shape, the pads can be a stack of sheets of different widths. As a result, the total force of one block can reach 1 t.c.

Именно рациональное распределение магнитного потока является главным отличием настоящего устройства от ранее предложенных.It is the rational distribution of magnetic flux that is the main difference between this device and previously proposed.

Claims (4)

1. Магнитное прижимное устройство для локомотива узкоколейной железной дороги, имеющее источники поля, протяженные по направлению рельсов, отличающееся тем, что источники поля представляют собой плоские постоянные магниты, например, выполненные из керамики на основе Fe-B-Nd и намагниченные в вертикальном направлении, причем магниты по одну сторону устройства ориентированы согласно между собой, но обратно относительно магнитов, расположенных по другую сторону устройства, при этом противолежащие относительно ходового пути магниты объединены посредством поперечных магнитопроводов.1. A magnetic clamping device for a narrow gauge railway locomotive having field sources extended in the direction of the rails, characterized in that the field sources are flat permanent magnets, for example, made of ceramic based on Fe-B-Nd and magnetized in the vertical direction, moreover, the magnets on one side of the device are oriented according to each other, but back relative to the magnets located on the other side of the device, while the magnets opposite to the running path are combined us by transverse magnetic cores. 2. Магнитное прижимное устройство для локомотива по п.1, отличающееся тем, что поперечные магнитопроводы выполнены из материала с остаточной намагниченностью, например, из стали с содержанием хрома и углерода.2. The magnetic clamping device for a locomotive according to claim 1, characterized in that the transverse magnetic cores are made of a material with a residual magnetization, for example, steel with a chromium and carbon content. 3. Магнитное прижимное устройство для локомотива по пп.1 и 2, отличающееся тем, что зазоры между плоскими поверхностями магнитов и рабочими поверхностями рельсов заполнены упругим пористым материалом с относительно малым коэффициентом трения по стали.3. A magnetic clamping device for a locomotive according to claims 1 and 2, characterized in that the gaps between the flat surfaces of the magnets and the working surfaces of the rails are filled with elastic porous material with a relatively low coefficient of friction on steel. 4. Магнитное прижимное устройство для локомотива по пп.1-3, отличающееся тем, что каждый из рельсов имеет с внешней относительно ходового пути стороны вертикально ориентированные накладки из магнитомягкого железа, форма которых соответствует форме рельса. 4. A magnetic clamping device for a locomotive according to claims 1 to 3, characterized in that each of the rails has vertically oriented magnetically soft iron plates on the outer side of the track that correspond to the shape of the rail.

Images