磁懸浮列車的原理及應(yīng)用

磁懸浮列車的原理及應(yīng)用眾所周知，傳統(tǒng)的鐵路列車都是依靠諸如蒸汽、燃油、電力等各種類型機車作為牽弓三動力，車輪和鋼軌之問的相互作用作為運行導向，由鐵路線路承受壓力，借助于車輪沿著鋼軌滾動前進的。而磁懸浮列車則是一種依靠電磁場特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛托起，使整個列車懸浮在線路上，利用電磁力進行導向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力，來推動列車前進的最新穎的第五代交通運輸工具。與傳統(tǒng)鐵路相比，磁懸浮列車有以下優(yōu)點。適于高速運行磁懸浮列車最大特點在于它沒有通常的輪軌代放棄了這項研究計劃，目前只有德國和日本仍在繼續(xù)進行磁懸浮系統(tǒng)的研究，并均取得了令世人矚目的進展。下面把各主要國家對磁浮鐵路的研究情況作一簡要介紹。日本于1962年開始研究常導磁浮鐵路。此后由于超導技術(shù)的迅速發(fā)展，從7O年代初開始轉(zhuǎn)而研究超導磁浮鐵路。1972年首次成功地進行了2.2噸重的超導磁浮列車實驗，其速度達到每小時50千米。1977年12月在宮崎磁浮鐵路試驗線上，最高速度達到了每小時204千米，到1979年12月又進一步提高到517千米。1982年11月，磁浮列車的載人試驗獲得成功。1995年，載人磁浮列車試驗時的最系統(tǒng)，由于消除了與輪軌之間的接觸，不存在由于輪軌摩擦及試驗獲得成功。1995年，載人磁浮列車試驗時的最黏著所造成的諸如極限速度等影響列車運行的問題，速度可 高時速達到4達500km/h以上。磁浮鐵路的可行性研究，于1990年又著手建設(shè)山梨穩(wěn)定安全列車運行平穩(wěn)，能提高旅客舒適度，由于磁懸浮磁懸浮鐵路試驗線，首期18.4千米長的試驗線巳于至大阪問修建聯(lián)邦德國）。研究初期，常導和超導并重1977年，至大阪問修建聯(lián)邦德國）。研究初期，常導和超導并重1977年，先后分別研制出常導電磁鐵吸系統(tǒng)采用導軌結(jié)構(gòu)，不會發(fā)生脫軌和顛覆事故，提高了列車運行的安全性和可靠性。污染小，易維護磁懸浮列車在運行中既不產(chǎn)生機械噪聲，也不排放任何廢氣、廢物，對周邊環(huán)境的污染極小，有利于環(huán)境保護，加上磁懸浮列車由于沒有鋼軌、車輪、接觸導線等摩擦組件，可以省去大量維修工作和維修費用。效率高能充分利用能源、獲得較高的運輸效率。另外，磁懸浮列車可以實現(xiàn)全自動化控制，因此將成為未來最具有競爭力的一種交通工具。磁懸浮列車的發(fā)展史磁懸浮列車是大約二百年前斯蒂芬森的“火箭”號蒸汽機車問世以來鐵路技術(shù)最根本的突破。磁懸浮列車在今天看來似乎還是一個新鮮事物，其實它的理論準備已有很長的歷史。磁懸浮技術(shù)的研究源于德國，早在1922年德國工程師赫爾曼?肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。進入70年代以后，隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行II-千米。為1996年全部建設(shè)完成。了進行東京德國對磁浮鐵路的研究始于1968年（當時和超導電磁鐵相斥式試驗車輛，試驗時的最高時速達到400米。后來經(jīng)過分析比較認為，超導磁浮鐵路所需的技術(shù)水平太短期內(nèi)難以取得較大進展，遂決定以后只集中力量發(fā)展常導磁磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。而美國和前蘇聯(lián)則分別在七八十年43.21卷第6期（總126期）II丁年之后被宣布停止營業(yè)，其運送旅客的任務(wù)由機場班車所取代。路。1978年，決定在埃姆斯蘭德修建全長31.5千米的試驗線，1980年開工興建，1982年開始進行不載人試驗。列車的磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。而美國和前蘇聯(lián)則分別在七八十年43.21卷第6期（總126期）II丁年之后被宣布停止營業(yè)，其運送旅客的任務(wù)由機場班車所取代。磁懸浮列車的分類（1） 按電磁鐵種類磁懸浮列車根據(jù)所采用的電磁鐵種類可以分為常導吸引型和超導排斥型兩大類。常導吸引型常導吸引型磁懸浮列車是以常導茲鐵和導軌作為導磁體，用氣隙傳感器來調(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10mm左右，這種磁懸浮列車的運行速度通常在300?500km/h范圍內(nèi)，適合于城際及市郊的交通運輸。超導排斥型超導排斥型磁懸浮列車是利用超導磁鐵和低溫技術(shù)，來實現(xiàn)列車與線路之間懸浮運行，其懸浮間隙大小一般在100mm左右，這種磁懸浮列車低速時并不懸浮，當速度達到100km/h時才懸浮起來。它的最高運行速度可以達到1000km/h，當然其建造技術(shù)和成本要比常導吸引型磁懸浮列車高得多。（2） 按懸浮方式磁懸浮列車按懸浮方式有電磁吸引式懸?。╡lectromagneticsuspen一sion，EMS）和永磁力懸浮（permanentrepulsivesuspension，PRS）及感應(yīng)斥力懸?。╡etoynmisssesolcrd.acupnin，EDS、。EMS該方式利用導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0.1MPa。其缺點為橫向位移的不穩(wěn)定因素。EDS依靠勵磁線圈和短路線圈的相對運動得到斥力，所以列車要有足夠的速度才能懸浮起來，大約為100km/h，它不適用于低速。（3）按列車的驅(qū)動方式長轉(zhuǎn)子、短定子異步直線電機驅(qū)動這種電機的“定子”安裝在車輛的底部，''轉(zhuǎn)子”線圈安裝在軌道上。它適合于低速運行。長定子、短轉(zhuǎn)子同步直線電機驅(qū)動此方式是將電機的“轉(zhuǎn)子”線圈裝在車輛上，“定子”線圈裝在軌道上。它適合于高速運行。磁懸浮列車的原理（1）懸浮原理磁浮有3個基本原理。第一個原理是當靠近金屬的磁場改變，金屬上的電子會移動，并且產(chǎn)生電流。第二個原理就是電流的磁效應(yīng)。當電流在電線44.或一塊金屬中流動時，會產(chǎn)生磁場。通電的線圈就成了一塊磁車磁浮的第三個原理我們就再熟悉不過了，磁鐵間會彼此作用，極性相斥，異極性相吸?，F(xiàn)在看看磁浮是如何作用的：磁鐵一塊金屬的上方經(jīng)過，金屬上的電子因磁場改變而開始移動（原理一）。電子形成回路，所以接著也產(chǎn)生了本身的磁場理二）。圖1以最簡單的方式來表達這個過程，移動中的磁使金屬中出現(xiàn)一塊假想的磁鐵。這塊假想磁鐵具有方向性，是同極性相對，因此會對原有的磁鐵產(chǎn)生斥力。也就是說，果原有的磁鐵是北極在下，假想磁鐵則是北極在上；反之亦因為磁鐵的同極相斥（原理三），讓磁鐵在一塊金屬上方移動，果會對移動中的磁鐵產(chǎn)生一股往上推動的力量。如果磁鐵移動足夠快，這個力量會大得足以克服向下的重力，舉起移動中磁鐵。所以當磁鐵移動時，會使得自己浮在金屬上方，并靠本身電子移動產(chǎn)生的力量保持浮力。這個過程就是所謂的茲浮，這個原理可以適用在列車上。如圖2,如果在列車的地板安裝一些磁鐵，列車一開動（例如，可以收起的充氣胎），就產(chǎn)生向上的力量。這個時候，列車就像飛機在跑道上加速準備飛。當向上的力量足夠時，就可使得列車離開地面，浮在金導軌之上。事實上，列車經(jīng)過特別的設(shè)計，使得車廂在離地10?150mm處。這樣列車就可以飛速前進了。從以上的討論以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第一個優(yōu)點。因為沒有輪子和鐵軌，它就有輪軌間的摩擦力所造成的能量損失。如此一來，就少了一個傳統(tǒng)列車的主要能量損耗來源。理論上，就只剩下風阻會影響列車的行車速度了。如果觀察一下列車是怎樣行進的，就可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第二個優(yōu)點。雖然同極性會相斥（用以產(chǎn)生浮力），但異性可以相吸。磁浮列車就是運用這個原理前進的。當列車下方導軌因電子運動而產(chǎn)生浮力的同時，兩側(cè)導軌的線路開始通電，產(chǎn)生另一組比列車稍前的磁鐵。經(jīng)過特殊安排，導軌上的南極會靠近列車上的磁北極。由于這股吸力，列車得以往前移動。通過調(diào)整導軌兩側(cè)的電流，得以讓這股吸引磁力恰好落在列車前方。事實上，列車是陷在所謂的磁波或磁場之中?？梢韵胂髮к墐蓚?cè)移動的磁鐵產(chǎn)生一股波浪，列車就像騎在這浪頭的沖浪者一樣（圖3）。下面介紹常導磁吸式（EMS）和超導磁斥式（EDS）列車的/運行原理。圖l懸浮原理j斥,]圖2磁

浮列

車磁鐵1SNSNSN金屬導軌l圖3磁浮列車周圍的磁波常導磁吸式（EMS）利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導電磁鐵（懸浮電磁鐵）和鋪設(shè)在線路導軌上的磁鐵，在磁場作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起，見圖4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行的平穩(wěn)，使直線電機有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩(wěn)定的強度和懸浮力，使車體與導軌之間保持大約10mm的間隙。通常采用測量間隙用的氣隙傳感器來進行系統(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，對控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。超導磁斥式（EDS）此種形式在車輛底部安裝超導磁體（放在液態(tài)氦儲存槽內(nèi)），在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈。列車運行時，給車上線圈（超導磁體）通電流，產(chǎn)生強磁場，地上線圈（鋁環(huán)）與之相切割，在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場21卷第6期（總126期1與車輛上超導磁體的磁場方向相反，兩個磁場產(chǎn)生排斥力。當排斥力大于車輛重量時，車輛就浮起來。因此，超導磁斥式就是利用置于車輛上的超導磁體與鋪設(shè)在軌道上的無源線圈之間的相對運動，來產(chǎn)生懸浮力將車體抬起來的。如圖5所示。圖4常導吸引式磁懸浮原理圖圖5超導磁斥式磁懸浮原理圖由于超導磁體的電阻為零，在運行中幾乎不消耗能量，而且磁場強度很大。在超導體和導軌之間產(chǎn)生的強大排斥力，可使車輛浮起。當車輛向下位移時，超導磁體與懸浮線圈的間距減小電流增大，使懸浮力增加，又使車輛自動恢復(fù)到原來的懸浮位置。這個間隙與速度的大小有關(guān)，一般到100km/h時車體才能懸浮。因此，必須在車輛上裝設(shè)機械輔助支承裝置，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?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)起動和停車的精確控制。45.（2）導向原理磁懸浮列車利用電磁力的作用進行導向?，F(xiàn)按常導磁吸式和超導磁斥式兩種情況簡述如下。常導磁吸式的導向系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)類似，是在車輛側(cè)面安裝一組專門用于導向的電磁鐵。車體與導向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當車輛左右偏移時，車上的導向電磁鐵與導向軌的側(cè)面相互作用，使車輛恢復(fù)到正常位置?？刂葡到y(tǒng)通過對導向磁鐵中的電流進行控制來保持這一側(cè)向間隙，從而達到控制列車運行方向的目的。超導磁斥式的導向系統(tǒng)可以采用以下3種方式構(gòu)成：①在車輛上安裝機械導向裝置實現(xiàn)列車導向。這種裝置通常采用車輛上的側(cè)向?qū)蜉o助輪，使之與導向軌側(cè)面相互作用（滾動摩擦）以產(chǎn)生復(fù)原力，這個力與列車沿曲線運行時產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡，從而使列車沿著導向軌中心線運行。②在車輛上安裝專用的導向超導磁鐵，使之與導向軌側(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)向作用力相平衡，使列車保持正確的運行方向。這種導向方式避免了機械摩擦，只要控制側(cè)向地面導向線圈中的電流，就可以使列車保持一定的側(cè)向間隙。③利用磁力進行導引的“零磁通量”導向系鋪設(shè)“8”字形的封閉線圈。當列車上設(shè)置的超導磁體位于該線圈的對稱中心線上時，線圈內(nèi)的磁場為零；而當列車產(chǎn)生側(cè)向位移時，“8”字形的線圈內(nèi)磁場為零，并產(chǎn)生一個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）推進原理磁懸浮列車推進系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機展開成直線電機。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機類似，展開以后，其傳動方式也就由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。常導磁吸式磁懸浮采用短定子異步直線電機。在車上安裝三相電樞繞組，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)比較簡單，容易維護，造價低，適用于中低速城市運輸及近郊運輸以及作為短程旅游線系統(tǒng)；主要缺點是功率偏低，不利于高速運行。其中TR型快速動車和上海引進的Transrapid06號磁懸浮列車，以及日本的HSST型磁懸浮列車都采用這種形式。超導磁斥式磁懸浮采用長定子同步直線電機。其超導電磁體安裝在車輛上，在軌道沿線設(shè)置46.無源閉合線圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導電磁線圈的采用，為直線同步電機的激磁線圈處于超導狀態(tài)提供了方便條件。它們可以共存于同一個冷卻系統(tǒng)，或者同一線圈同時起到U懸浮、導向和推進的作用。高速長定子同步直線電機牽引系統(tǒng)的構(gòu)成相對復(fù)雜。地面牽引系統(tǒng)，供電一個區(qū)間（長約30km）區(qū)間又分成許多段（約3001000m），每段只有列車通過時供電，各段切換由觸點真空開關(guān)完成。為使列車在段問不沖動，需兩組逆變器輪流供電，其特點為大功率、高壓、大電流。動力在地面的優(yōu)勢有路軌電機的功率強以及車輛的設(shè)計簡化、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)。磁懸浮列車的現(xiàn)狀國際上有代表性的幾種磁懸浮列車有：高速常導磁懸浮列車、（速常導磁懸浮列車以及高速超導磁懸浮列車。高速常導磁浮車為德國研制的TR（transrapid）系列；低速常導磁浮車為日本研制的HSST系列；高速超導磁浮車為日本研制MLU系列。目前，世界磁懸浮列車技術(shù)領(lǐng)域中，日本和德國兩個家占據(jù)領(lǐng)5地位。德國現(xiàn)擁有一條長34.5km啞鈴式的載人磁懸浮列車試馬線，其最高運行速度可達450km/h，載客時車速則為420km/h目前，該條試驗線上運行的磁懸浮列車是最新研制成功的TR.0型磁懸浮列車，它從啟動到加速、減速直至停車繞試驗線兩圈不彳10min，平均速度為300km/h，人們乘坐時沒有絲毫不舒￡的感覺。日本在研制低速常導磁懸浮系列HSST之外，著重探5高速超導磁懸浮。目前已建成一條長度為18.4km的超導磁懸浮列車試驗線，其最高運行速度可達到550km/h。據(jù)有關(guān)專家紹，日本之所以研究和發(fā)展超導磁懸浮列車，是因為超導磁懸手列車100mm的懸浮間隙，比常導磁懸浮列車的10mm懸浮間隙更能抵御地震災(zāi)害對列車運行的影響，而日本恰恰是多地震的國家。我國也掌握了磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)。“八五”期間科技部在國家科技攻關(guān)計劃中安排了“磁懸浮列車重大關(guān)鍵技術(shù)研究”項目，支持組織了鐵道科學院（組長袁維慈）、西南交通大學（組長連級三）、國防科技大學（組長常文森）與中科院電工所（組長徐善綱）四個小組，開展了常導低速磁懸浮列車的研制工作。先后研制成功多臺試驗車（圖6），并積極推進在青城山與八達嶺建設(shè)實用旅游示范線。90年代中期還與德國合作，開展了高溫超導磁懸浮列車的原理性研究，在中國科學院電工研究所建立了小型模型。后來在863計劃支持下，西南交通大學等單位研制成功、比較有影響力的，有國防科技大學和株洲電力機車所合作，準備用于八達嶺旅游線，長達2km的低速常導磁懸?。挥晌髂辖煌ù髮W研制的應(yīng)用于成都青城山旅游區(qū)的國內(nèi)第一條磁懸浮列車試驗線。▲A）西南交通大學低述磁懸浮4B1鐵科院牽研制的6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮午f）高溫超導磁懸浮。小型模型D）國防科技大學八達嶺旅游線樣聾.圖6我國研制成功的磁懸浮車2000年6月，中國上海市與德國磁浮國際公司合作，進行中國高速磁浮列車示范運營線可行性研究。同年12月，中國決定建設(shè)上海浦東龍陽路地鐵站至浦東國際機場高速磁浮交通示范運營線。2001年3月正式開工建設(shè)。2002年12月31日，經(jīng)過中德兩國專家兩年多的設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試，上海磁浮運營線終于呈現(xiàn)在世界的面前。這條世界第一磁懸浮列車示范運營線——上海磁懸浮列車建成后，從浦東龍陽路站到浦東國際機場，三十多千米只需6?7分鐘。上海磁懸浮列車是“常導磁吸型”（簡稱常導型”）磁懸浮列車。是利用“異性相吸”原理設(shè)計，是一種吸力懸浮系統(tǒng)，利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵，和鋪設(shè)在軌道上的磁鐵，在磁場作用下產(chǎn)生的吸力是車輛浮起來。列車底部