См.
Государственнобюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы "Школа № 000"
Научно – практическая конференция
ПРОЕКТНАЯ РАБОТА
Конструирование модели транспортной системы на магнитной подушке
Руководитель группы– Югай Роман 7 «Д»
Конструктор – Шиятый Тимофей 7 «Д»
Инженер – Аристов Егор 7 «Д»
Руководитель проекта
Научный руководитель
Москва 2018 год
СОДЕРЖАНИЕ Стр.
Введение 3
Проблема 3
Объект исследования 3
Цель исследования 3
Гипотеза 3
Задачи проекта 3
Методы 4
Дороги, которые мы выбираем 4
Принцип работы 5
Расчет магнитной подвески 6
Изготовление модели 8
Выбор электродвижителя 8
Выводы. Практическая значимость 9
Список литературы 10
Приложение 11
Паспорт проекта прилагается
Введение
Существующий транспорт на магнитной подвеске использует электромагниты, что в общем случае, когда не используется эффект сверхпроводимости, требует больших энергетических затрат. Целью проекта является построение энергосберегающего варианта подвески транспортной единицы на постоянных магнитах.
Проблема
Отсутствие готовых решений, обепечивающих автоматическую стабилизированную систему магнитной подвески. Уменьшение энергетических затрат при производстве и использовании транспорта на магнитной подвеске.
Объект исследования
Поезда на магнитных подушках.
Цель исследования
Построение энергосберегающего варианта подвески транспортной
единицы на постоянных магнитах.
Гипотеза
Возможно ли построить прототип дороги на магнитной подушке, позволяющий продемонстрировать возможность реализации предложенной
концепции. Считается, что на постоянных магнитах не удастся создать устойчивую систему подвески. Это следует из теоремы Ирншоу.
Задачи проекта
1.Создать архитектуру прототипа и выработать требования к элементам конструкции.
2.Разработать 3D образ подвижной части и изготовить модель.
3.Исследовать и определить зависимость стабильности подвески от силы используемых магнитов.
4.Исследовать изменение скорости передвижения состава в зависимости от напряжения питания электродвигателя.
5.Провести тестирование первой версии транспортной системы, тесты датчиков, их работоспособности, измерения точности и достоверности работы датчиков, системы обработки данных.
6.Провести корректировку транспортной системы с учетом результатов тестирования.
7.Внести изменения в конструкцию прототипа по результатам испытаний.
8.Собрать окончательную версию работающего прототипа фрагмента дороги. Провести демонстрационные испытания.
Методы
Теоретические методы беседы с преподавателями и консультантами, анализ литературных и интернет источников по проблеме исследования; синтез принимаемого решения, моделирование и конструирование прототипа, создание методики измерения параметров установки, статистические методы обработки эксперимента. применение адаптивной методики обучения практическим навыкам работы с оборудованием инженерного класса;
Дороги, которые мы выбираем
Мы до сих пор используем железную дорогу для доставки грузов и пассажиров с помощью топлива, и электричества. Всё это время инженеры и изобретатели трудились над проектами альтернативных способов перемещения. Так появились поезда на магнитных подушках.
История
Идея создания поезда на магнитной подушке появилась давно, еще в начале двадцатого века. Но воплотить проект в жизнь, тогда, так и не удалось. Только в 1969 г., на территории ФРГ, стали проводить магнитную дорогу, по которой собирались пустить, так называемый, поезд-маглев (от словосочетания магнитная левитация).
Конкурентоспособность
Сегодня, скорость, которую развивают маглевы, сравнима со скоростью самолетов.
Но обычная железная дорога для маглевов не подходит. Нужны специальные магистрали. А это дорого. Также, есть мнение, что магнитное поле, создаваемое для них, негативно влияет на организмы живых существ.
Принцип работы
Поезд на магнитной подушке, во время движения, находится над железнодорожным полотном и не касается его. Следовательно, трение и амортизация трущихся поверхностей отсутствует. А тормозит маглев аэродинамическое сопротивление.
Как это работает? Вспомним свойства магнитов: одноимённые полюса магнита отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. У нас – одноимённые, значит, отталкиваются и между ними получается, образно выражаясь, магнитная подушка. Сегодня существуют два вида технологии, с помощью которых можно привести в действие магнитную подушку.
Электромагнитный подвес (EMS).Основана на силе электромагнитного поля, изменяющейся с течением времени. Эта сила и вызывает левитацию (подъем в воздухе) маглева. В поезде, вместо колес, устанавливают магниты, одни из которых являются опорными, а другие – направляющие. Все они расположены параллельно статерам, которые, в свою очередь, расположены по краю полотна дороги.
Но необходимо постоянно контролировать расстояние между статером и магнитами – это и есть основной недостаток EMS. Скорость и силу тяги можно контролировать меняя частоту и силу переменного тока.
Электродинамический подвес (EDS).В движении маглева участвуют два поля. Первое создано в полотне жд-путей, а второе – на самом поезде. Эта технология работает только при непрерывном поступлении электричества.
Зато такая система достаточно стабильна. Расстояние между жд-полотном и магнитами саморегулируется силами притяжения и отталкивания. То есть, не надо электроники для регулировки расстояния и контроля.
С другой стороны, у EDS есть недостатки: сила левитации, которая возникает только при большой скорости и сила трения, которая возникает в магнитах при низкой скорости. Таким маглевам нужны колеса. Которые помогают при движении со скоростью до 100 км/ч.
3. Разработки (н в том числе в нашей стране). Система, существует на бумаге и макетах – электродинамический суппорт на постоянных магнитах, которым не нужно подавать энергию. Считается, что если магниты постоянные, то им не хватит силы для левитации поезда. Для решения этой проблемы магниты были помещены в «массив Хальбаха» (магнитная сборка Хальбаха –порядок расположения постоянных магнитов, при котором магнитное поле, с одной стороны, почти полностью отсутствует). Такое расположение магнитов создаёт магнитное поле над массивом. Этот метод поддерживает левитацию состава на скорости даже около 5 км/ч.
На практике не реализовано, пока, так как дорого.
Достоинства проекта
Такой вид поездов имеет низкий уровень потребляемой энергии, долговечен (амортизация минимальна – нет трения). Низкий уровень шума, как следствие, благоприятная экологическая обстановка.
Недостатки
Как уже было замечено – дорого. Плюс расходы на обслуживание поездов и полотна. Плюс сложная система путей и приборы повышенной точности.
Расчет магнитной подвески
На рис. 1, 2, 3 и 4 (см. приложение) схематически изображены варианты существующих магнитных подвесов. Мы использовали вариант показанный на рис.1 и рис.2
Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет для расчетов заменить его эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчетах сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля. Для примера проведем расчет силы взаимодействия двух постоянных магнитов. Пусть магниты имеют форму тонкого цилиндра, их радиусы обозначим r1 и r2, толщины h1, h2, оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами обозначим z, будем считать, что оно значительно больше размеров магнитов. См. рис.5 приложения
Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на второй магнит. Для расчета силы взаимодействия мысленно заменим магниты с однородной намагниченностью J1 и J2круговыми токами, текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов выразим через намагниченности магнитов
а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов. Разложим вектор индукции B магнитного поля, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго на две составляющие: осевую Bz, направленную вдоль оси магнита, и радиальную Br − перпендикулярную ей. Для вычисления суммарной силы, действующей на кольцо, необходимо мысленно разбить его на малые элементы IДl и просуммировать силы Ампера, действующие на каждые такой элемент. Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля приводит к появлению сил Ампера, стремящихся растянуть (или сжать) кольцо − векторная сумма этих сил равна нулю. Наличие радиальной составляющей поля приводит к возникновению сил Ампера, направленных вдоль оси магнитов, то есть к их притяжению или отталкиванию. На практике при расчете мы использовали справочные данные примененных магнитов и их фактическое расположение на нашей модели.
При этом было отмечено, что с увеличением магнитного зазора сила взаимодействия значительно уменьшается.
Изготовление модели
Для изготовления направлиющего полотна использовали металлический профиль для гипсокартона. Два отрезка соединили двусторонним скотчем, который одновременно сыграл роль диэлектрической прокладки, т. к. по металлическим направляющим мы будем подавать напряжение на электродвигатель двигающейся платформы. Сама платформа так же выполнена из профиля и диэлектрика. На элементы модели термоклеем закрепили постоянные магниты, используя расчетные данные грузоподъемности модели. На платформу установили, изготовленный на 3D принтере, макет вагончика и электровентилятор от компьютера.
Результаты испытаний модели и проведение запланированных измерений будут представланы позднее.
Выбор электродвижителя
Для приведения платформы в движение мы решили использовать
Электродвигатель с толкающим винтом. На испытаниях сравнили Кулер от компьютера, авто вентилятор и движущийся узел от авиамодели. См. Рис.5,6,7 Приложения. С помощью лабораторных весов получили сравнительные характеристики:
Кулер Вес 91,5г. Тяга 11г.
Авто вентилятор 98,4г. 13,6.
Движущий узел 85г. 44г.
Наилучшие характеристики оказались у движителя от авиамодели.
Выводы. Практическая значимость
Создан прототип прибора, с внедрением которого можно существенно понизить энергетические затраты, тем самым сберегая природные и человеческие ресурсы.
Образовательные результаты: приобретены предметные знания, приобретен опыт вхождения в профессиональную деятельность инженера, освоен способ организации групповой работы с распределением ролей, приобретены прикладные навыки программирования, конструирования, постановки эксперимента, расширена компетенция в области проектной деятельности, проведении исследований, обработки и представлении результатов.
Решены поставленные в проекте задачи
1.Создана архитектура прототипа и выработаны требования к элементам конструкции.
2.Разработан3D образ подвижной части и изготовлена модель поезда.
3.Исследована и определена зависимость стабильности подвески от силы используемых магнитов.
4.Исследована зависимость скорости передвижения состава от напряжения питания электродвигателя.
5.Проведено тестирования первой версии транспортной системы, тесты датчиков, их работоспособности, измерена точности и достоверности работы датчиков, системы обработки данных.
6.Проведена корректировка транспортной системы с учетом результатов тестирования.
7.Внесены измененя в конструкцию прототипа по результатам испытаний.
8.Собрана окончательная версия работающего прототипа фрагмента дороги. Проведены демонстрационные испытания.
Список литературы:
1. , , На - горский с магнитным подвесом. - М.: Машиностроение, 1991.
2. , Электрофи - зические проблемы использования сверхпроводимо - сти. – Ленинград, Наука, 1980.
3. лектродинамика. - М.: Иностран - ная литература,
4. Иванов- Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. – М.: Высшая Школа, 1989 – 312
5. , Электродвигатели специального назначения. – М: Энергоиздат, 1981, 104 с.
6. , Линейный электропривод. – М: Энергия, 1979 – 152 с.
7. , Линейный электропривод качающихся nранспортирующих машин. – ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, 1992, № 6, с. 56-59.
Приложение
Описание примененных магнитов
Магниты постоянные на основе неодим-железо-бор (Nd-Fe-B)
Магниты изготавливаются из сплава ферробора с редкоземельными металлами методом прессования в магнитном поле
Технические характеристики
-магнитная индукция (по измерению в зазоре) Вr, Тл - 0,8...1,2
-магнитная индукция (по измерению на поверхности) Вr, Тл - 0,25...0,35
-коэрцитивная сила по индукции Нbc, кА/м - 400...1300
-коэрцитивная сила по намагниченности Нjc, кА/м - 400...1500
-магнитная энергия (ВН)max, кДж/м3 - 200... 400
-максимальная рабочая температура ТоС - 100...150
-температурный коэффициент о,%/оС - 0,15
-плотность с, г/см3 - 7,4
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис.6
Рис7
Рис.8
