磁懸浮列車發(fā)展現(xiàn)狀

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)磁懸浮列車發(fā)展現(xiàn)狀 姓 名： 指導(dǎo)老師： 學(xué)科專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 院： 電氣學(xué)院 提交日期： 2013年3月4日電氣學(xué)院 摘要:磁懸浮列車是一種新型的高速有軌地面運(yùn)輸系統(tǒng) ,開創(chuàng)了鐵路運(yùn)輸史上的新時(shí)代。磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)是一種介于輪軌鐵路和航空之間的一種獨(dú)特的高速地面運(yùn)輸系統(tǒng)。本文主要從磁懸浮列車的分類、關(guān)鍵技術(shù)、重要性、國(guó)內(nèi)外發(fā)展四個(gè)方面介紹磁懸浮列車的發(fā)展現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞: 磁懸浮列車；磁懸浮列車的工作原理；懸??；推進(jìn)；導(dǎo)向；常導(dǎo)型；超導(dǎo)型0 引言 眾所周知, 傳統(tǒng)的鐵路列車都是依靠諸如蒸汽、燃油、電力等各種類型機(jī)車作為牽引動(dòng)力, 車輪和鋼軌之間的相互作用作為運(yùn)行導(dǎo)向,

2、由鐵路線路承受壓力, 借助于車輪沿著鋼軌滾動(dòng)前進(jìn)的。而磁懸浮列車則是一種依靠電磁場(chǎng)特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛托起, 使整個(gè)列車懸浮在線路上, 利用電磁力進(jìn)行導(dǎo)向, 并利用直線電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力來(lái)推動(dòng)列車前進(jìn)的最新穎的第五代交通運(yùn)輸工具。1 磁懸浮列車的意義、重要性及必要性 速度是人類永恒追求的目標(biāo)。如今在歐洲及日本,高速列車以成為普及,時(shí)速超過(guò)200公里/小時(shí)的速度,同時(shí)進(jìn)一步拉近了城市與城市、甚至國(guó)家與國(guó)家的距離,大力促進(jìn)信息溝通和人才流動(dòng)?，F(xiàn)代科技造所就的社會(huì)的特征之一是大信息量和信息廣泛高速傳輸,在人們頭腦中建立了全新的地域和速度概念,而且成為一種全球性文化越來(lái)越不

3、可更改。伴隨著人類這種對(duì)高速的渴求,磁浮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,在多個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室里,科學(xué)家和工程師們力圖將這種常規(guī)機(jī)電產(chǎn)品與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物投入商業(yè)運(yùn)用。好多人羨慕上海,因?yàn)樯虾碛惺澜缟衔ㄒ灰粭l投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁浮線,因?yàn)橛心敲炊嗟膰?guó)家都參與了磁浮技術(shù)的研究,而只有上海建成了真正意義上的磁浮運(yùn)營(yíng)線。她的成功再次證明了磁浮技術(shù)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性；當(dāng)然,其所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和政治效應(yīng)更是無(wú)法估計(jì)的。2 磁懸浮列車的懸浮、制導(dǎo)及驅(qū)動(dòng)方式 （1） 懸浮方式 磁浮有3個(gè)基本原理。第一個(gè)原理是當(dāng)靠近金屬的磁場(chǎng)改變，金屬上的電子會(huì)移動(dòng)，并且產(chǎn)生電流。第二個(gè)原理就是電流的磁效應(yīng)。當(dāng)電流在電線或一塊金屬中流

4、動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。通電的線圈就成了一塊磁鐵。磁浮的第三個(gè)原理我們就再熟悉不過(guò)了，磁鐵間會(huì)彼此作用，同極性相斥，異極性相吸?，F(xiàn)在看看磁浮是如何作用的：磁鐵從一塊金屬的上方經(jīng)過(guò)，金屬上的電子因磁場(chǎng)改變而開始移動(dòng) （原理一）。電子形成回路，所以接著也產(chǎn)生了本身的磁場(chǎng)（原理二）。圖 1 以最簡(jiǎn)單的方式來(lái)表達(dá)這個(gè)過(guò)程，移動(dòng)中的磁鐵使金屬中出現(xiàn)一塊假想的磁鐵。 這塊假想磁鐵具有方向性，因是同極性相對(duì)，因此 會(huì)對(duì)原有的磁鐵產(chǎn)生斥力。也就是說(shuō)，如果原有的磁鐵是北極在下，假想磁鐵則是北極在上；反之亦然。因?yàn)榇盆F的同極相斥（原理三），讓磁鐵在一塊金屬上方移動(dòng)，結(jié)果會(huì)對(duì)移動(dòng)中的磁鐵產(chǎn)生一股往上推動(dòng)的力量。如果磁鐵移

5、動(dòng)得足夠快，這個(gè)力量會(huì)大得足以克服向下的重力，舉起移動(dòng)中的磁鐵。 所以當(dāng)磁鐵移動(dòng)時(shí)，會(huì)使得自己浮在金屬上方，并靠著本身電子移動(dòng)產(chǎn)生的力量保持浮力。這個(gè)過(guò)程就是所謂的磁浮，這個(gè)原理可以適用在列車上。下面介紹常導(dǎo)磁吸式（EMS）和超導(dǎo)磁斥式 （EDS）列車的具體運(yùn)行原理。圖 1 懸浮原理 常導(dǎo)磁吸式(EMS) 利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設(shè)在線路導(dǎo)軌上的磁鐵，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起，見圖2所示。車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的可靠性和列車運(yùn)行的平穩(wěn)，使直線電機(jī)有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和懸浮力，

6、使車體與導(dǎo)軌之間保持大約10 mm的間隙。通常采用測(cè)量間隙用的氣隙傳感器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸浮方式不需要設(shè)置專用的著地支撐裝置和輔助的著地車輪，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。 超導(dǎo)磁斥式(EDS) 此種形式在車輛底部安裝超導(dǎo)磁體（放在液態(tài)氦儲(chǔ)存槽內(nèi)），在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈。列車運(yùn)行時(shí)，給車上線圈(超導(dǎo)磁體)通電流，產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，地上線圈(鋁環(huán))與之相切與車輛上超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車輛重量時(shí)，車輛就浮起來(lái)。因此，超導(dǎo)磁斥式就是利用置于車輛上的超導(dǎo)磁體與鋪設(shè)在軌道上的無(wú)源線圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來(lái)產(chǎn)生懸浮力將車體抬起來(lái)的。如圖3所示。由于超導(dǎo)磁體的電

7、阻為零，在運(yùn)行中幾乎不消耗能量，而且磁場(chǎng)強(qiáng)度很大。在超導(dǎo)體和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力，可使車輛浮起。當(dāng)車輛向下位移時(shí)，超導(dǎo)磁體與懸浮線圈的間距減小電流增大， 使懸浮力增加，又使車輛自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的懸浮位置。這個(gè)間隙與速度的大小有關(guān)，一般到100km/h時(shí)車體才能懸浮。因此，必須在車輛上裝設(shè)機(jī)械輔助支承裝置，如輔助支持輪及相應(yīng)的彈簧支承，以保證列車安全可靠地著地。控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停車的精確控制。 圖2 常導(dǎo)吸引式磁懸浮原理圖 圖3 超導(dǎo)磁斥式磁懸浮原理圖 （2）導(dǎo)向方式 磁懸浮列車?yán)秒姶帕Φ淖饔眠M(jìn)行導(dǎo)向。現(xiàn)按常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)磁斥式兩種情況簡(jiǎn)述如下。 常導(dǎo)磁吸式的導(dǎo)向系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)類似，是

8、在車輛側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向的電磁鐵。車體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當(dāng)車輛左右偏移時(shí)，車上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用，使車輛恢復(fù)到正常位置?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控制來(lái)保持這一側(cè)向間隙，從而達(dá)到控制列車運(yùn)行方向的目的。 超導(dǎo)磁斥式的導(dǎo)向系統(tǒng)可以采用以下 3 種方式構(gòu)成: 在車輛上安裝機(jī)械導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)列車導(dǎo)向。這種裝置通常采用車輛上的側(cè)向?qū)蜉o助輪， 使之與導(dǎo)向軌側(cè)面相互作用(滾動(dòng)摩擦)以產(chǎn)生復(fù)原力，這個(gè)力與列車沿曲線運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡，從而使列車沿著導(dǎo)向軌中心線運(yùn)行。在車輛上安裝專用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵，使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力，該力與列車的側(cè)向作

9、用力相平衡，使列車保持正確的運(yùn)行方向。這種導(dǎo)向方式避免了機(jī)械摩擦，只要控制側(cè)向地面導(dǎo)向線圈中的電流，就可以使列車保持一定的側(cè)向間隙。 利用磁力進(jìn)行導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系鋪設(shè)“8” 字形的封閉線圈。當(dāng)列車上設(shè)置的超導(dǎo)磁體位于該線圈的對(duì)稱中心線上時(shí)，線圈內(nèi)的磁場(chǎng)為零；而當(dāng)列車產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí)，“8”字形的線圈內(nèi)磁場(chǎng)為零，并產(chǎn)生一個(gè)反作用力以平衡列車的側(cè)向力，使列車回到線路中心線的位置。 （3）推進(jìn)方式 磁懸浮列車推進(jìn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開成直線電機(jī)。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，展開以后，其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮采用短定子異步直線電機(jī)。在車上安裝

10、三相電樞繞組，軌道上安裝感應(yīng)軌。采用車上供電方式。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，造價(jià)低，適用于中低速城市運(yùn)輸及近郊運(yùn)輸以及作為短程旅游線系統(tǒng)；主要缺點(diǎn)是功率偏低，不利于高速運(yùn)行。其中TR 型快速動(dòng)車和上海引進(jìn) 的 Transrapid 06 號(hào)磁懸浮列車，以及日本的 HSST型磁懸浮列車都采用這種形式。超導(dǎo)磁斥式磁懸浮采用長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)。其超導(dǎo)電磁體安裝在車輛上，在軌道沿線設(shè)置無(wú)源閉合線圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導(dǎo)電磁線圈的采用，為直線同步電機(jī)的激磁線圈處 于超導(dǎo)狀態(tài)提供了方便條件。它們可以共存于同一 個(gè)冷卻系統(tǒng)，或者同一線圈同時(shí)起到懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)的作用。高速長(zhǎng)定子同步直線電機(jī)

11、牽引系統(tǒng)的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜。地面牽引系統(tǒng)，供電一個(gè)區(qū)間（長(zhǎng)約30km）區(qū)間又分成許多段（約300-1000 m），每段只有列車通過(guò)時(shí)供電，各段切換由觸點(diǎn)真空開關(guān)完成。為使列車在段間不沖動(dòng)，需兩組逆變器輪 流供電，其特點(diǎn)為大功率、高壓、大電流。動(dòng)力在地面的優(yōu)勢(shì)有路軌電機(jī)的功率強(qiáng)以及車輛的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、重量輕。適用于高速和超高速磁懸浮鐵路。日本和加拿大決定發(fā)展這種磁懸浮系統(tǒng)4。3 磁懸浮列車的主要特點(diǎn) （1）適于高速運(yùn)行。磁懸浮列車最大特點(diǎn)在于它沒有通常的輪軌系統(tǒng), 由于消除了與輪軌之間的接觸,不存在由于輪軌摩擦及粘著所造成的諸如極限速度等影響列車運(yùn)行的問(wèn)題, 速度可達(dá)500km/h 以上； （2）穩(wěn)定安

12、全。列車運(yùn)行平穩(wěn), 能提高旅客舒適度, 由于磁懸浮系統(tǒng)采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu), 不會(huì)發(fā)生脫軌和顛覆事故,提高了列車運(yùn)行的安全性和可靠性； （3）污染小, 易維護(hù)。懸浮列車在運(yùn)行中既不產(chǎn)生機(jī)械噪聲,也不排放任何廢氣、廢物,對(duì)周邊環(huán)境的污染極小,有利于環(huán)境保護(hù),加上磁懸浮列車由于沒有鋼軌、車輪、接觸導(dǎo)線等摩擦組件,可以省去大量維修工作和維修費(fèi)用； （4）能充分利用能源、獲得較高的運(yùn)輸效率； （5）磁懸浮列車可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制,因此,將成為未來(lái)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種交通工具。4 磁懸浮列車的分類與關(guān)鍵技術(shù) （1）根據(jù)磁懸浮列車所采用的電磁鐵種類可以分為常導(dǎo)吸引型和超導(dǎo)排斥型兩大類。 常導(dǎo)吸引型 常導(dǎo)吸引型磁懸浮

13、列車是以常導(dǎo)磁鐵和導(dǎo)軌作為導(dǎo)磁體，用氣隙傳感器來(lái)調(diào)節(jié)列車與線路之間的懸浮間隙大小，在一般情況下，其懸浮間隙大小在10 mm 左右，這種磁懸浮列車的運(yùn)行速度通常在300-500 km/h 范圍內(nèi)，適合于城際及市郊的交通運(yùn)輸。 超導(dǎo)排斥型 超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車是利用超導(dǎo)磁鐵和低溫技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)列車與線路之間懸浮運(yùn)行，其懸浮間隙大小一般在100mm左右，這種磁懸浮列車低速時(shí)并不懸浮，當(dāng)速度達(dá)到100 km/h 時(shí)才懸浮起來(lái)。它的最高運(yùn)行速度可以達(dá)到1000km/h當(dāng)，然其建造技術(shù)和成本要比常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車高得多。 （2）按懸浮技術(shù)，磁懸浮列車按懸浮方式有電磁吸引式懸浮(EMS)和永磁力懸浮(PRS

14、)及感應(yīng)斥力懸浮(EDS)兩種。 EMS 該方式利用導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸引力，絕大部分懸浮采用此方式。 PRS 這是一種最簡(jiǎn)單的方案，利用永久磁鐵同極間的斥力，一般產(chǎn)生斥力為 0.1 MPa。其缺點(diǎn)為橫向位移的不穩(wěn)定因素。 EDS 依靠勵(lì)磁線圈和短路線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)得到斥力，所以列車要有足夠的速度才能懸浮起來(lái)，大約為100km/h，它不適用于低速。 5 國(guó)內(nèi)外磁懸浮列車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 目前 ,在世界上對(duì)磁懸浮列車進(jìn)行過(guò)研究的國(guó)家主要是德國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大、美國(guó)、前蘇聯(lián)和中國(guó)。美國(guó)和前蘇聯(lián)分別在上世紀(jì)70年代和80年代放棄了研究計(jì)劃 ,但美國(guó)最近又開始了研究計(jì)劃。英國(guó)從 1973 年才開始研

15、究磁懸浮列車 ,卻是最早將磁懸浮列車投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的國(guó)家之一。1984年4月 ,從伯明翰機(jī)場(chǎng)到火車站之間600m長(zhǎng)的磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)正式運(yùn)營(yíng) ,旅客乘坐磁懸浮列車從機(jī)場(chǎng)到火車站僅需90s。但1995年 ,在運(yùn)行了11年之后 ,被停止運(yùn)營(yíng)，目前對(duì)磁懸浮列車研究最為成熟的是德國(guó)和日本。 德國(guó)從1968年開始研究磁懸浮列車 ,剛開始時(shí) ,常導(dǎo)型和超導(dǎo)型并重 ,于1977年分別研制出常導(dǎo)型和超導(dǎo)型試驗(yàn)列車。但后來(lái)經(jīng)過(guò)分析比較 ,決定集中力量只發(fā)展常導(dǎo)型磁懸浮列車。目前德國(guó)在常導(dǎo)磁懸浮列車研究上的技術(shù)已經(jīng)成熟。 日本從1962年開始研究常導(dǎo)型磁懸浮列車 ,后來(lái)由于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展 ,日本從70年代開始轉(zhuǎn)向研究

16、超導(dǎo)型磁懸浮列車。1972年12月在宮崎磁懸浮鐵路試驗(yàn)線上 , 時(shí)速達(dá)到了204 km/ h 。1979年12月又進(jìn)一步提高到517 km/ h 。1982 年 11月 ,磁懸浮列車的載人試驗(yàn)獲得成功。1995 年載入磁懸浮列車試驗(yàn)時(shí)的時(shí)速高達(dá)411km/h 。1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出時(shí)速為550km/h的世界最高記錄。最高時(shí)速與試驗(yàn)線的長(zhǎng)度有關(guān) ,德國(guó)的試驗(yàn)線兩端是環(huán)形的 ,直線部分只有約7km ,日本的試驗(yàn)線是直線且很長(zhǎng) ,故能達(dá)到較高的時(shí)速。 中國(guó)在上世紀(jì)80年代初開始對(duì)低速常導(dǎo)型磁懸浮列車進(jìn)行研究。1994年10月 ,西南交通大學(xué)建成了首條磁懸浮鐵路試驗(yàn)線 ,并同時(shí)開展

17、了磁懸浮列車的載人試驗(yàn) ,成功地進(jìn)行了4個(gè)座位 ,自重4t ,懸浮高度為8mm ,時(shí)速為30km/h 的磁懸浮列車試驗(yàn) ,于1996年1月通過(guò)鐵道部組織的專家鑒定。然后 ,在鐵科院環(huán)形試驗(yàn)線軌距2m,長(zhǎng)36m ,設(shè)計(jì)時(shí)速為100km的室內(nèi)磁懸浮試驗(yàn)線路上成功地對(duì)長(zhǎng)6.5 m ,寬為3m ,自重4t ,內(nèi)設(shè)15個(gè)座位 ,設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h 的低速常導(dǎo)6t單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車進(jìn)行了試驗(yàn) ,于1998年11月通過(guò)了鐵道部科技成果鑒定 ,填補(bǔ)了中國(guó)在磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域的空白 ,從而使我國(guó)對(duì)磁懸浮列車的研究跨入了先進(jìn)國(guó)家的行列6。6 磁懸浮列車應(yīng)用與發(fā)展前景 （1）真空磁懸浮列車 目前，西南交通大

18、學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室課題組正在積極研發(fā)試驗(yàn)真空管道高速交通。在未來(lái)兩三年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室將推出時(shí)速6001000千米的真空磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?0年之后可能投入運(yùn)行。根據(jù)現(xiàn)在的理論研究，這種列車最高時(shí)速可達(dá)到2萬(wàn)千米。 （2）聲懸浮 聲懸浮是通過(guò)聲音壓力波使物質(zhì)懸浮在稀薄的空氣中。和電磁懸浮技術(shù)相比，它不受材料導(dǎo)電與否的限制，且懸浮和加熱分別控制，因而可用研究非金屬材料和低熔點(diǎn)合金的無(wú)容器凝固。聲懸浮現(xiàn)象最早是1886年被發(fā)現(xiàn)的，隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和空間資源的開發(fā)利用，聲懸浮逐漸發(fā)展成為一項(xiàng)很有潛力的無(wú)容器處理技術(shù)。聲懸浮是高聲強(qiáng)條件下的一種非線性效應(yīng)，其基本原理是利用聲駐波與物體的相互作用產(chǎn)生豎直方向的懸浮力以克服物體的重量，同時(shí)產(chǎn)生水平