磁懸浮列車技術(shù)與控制

磁懸浮列車技術(shù)與控制

0磁懸浮列車的研究進展軌道可以像飛機一樣與軌道緊密接觸，以速度行駛。這是人類的共同夢想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn),科學(xué)家們發(fā)明了磁懸浮列車技術(shù)。磁懸浮列車的核心技術(shù)是懸浮與推進,并需要一套復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。下面本人結(jié)合在多年教學(xué)中所累積的磁懸浮列車知識總結(jié)如下。1高速列車系統(tǒng)點磁懸浮列車是一種采用無接觸電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)的高速列車系統(tǒng),時速可達(dá)450～550km。主要可分為兩種:一種是電磁型(EMS),也稱吸力型、常導(dǎo)型;另一種是電動型(EDS),也稱斥力型、超導(dǎo)型。1.1懸浮式推進系統(tǒng)在車體內(nèi)裝有電磁鐵,路軌為一導(dǎo)磁體。電磁鐵繞組中電流的大小根據(jù)間隙傳感器的信號進行調(diào)節(jié),使車體與路軌間保持一定距離。懸浮力的大小與車速無關(guān),任何車速時均能保持穩(wěn)定的懸浮力。懸浮氣隙較小,約Icm。出于安全考慮,設(shè)有應(yīng)急備用車輪。車身前進的動力由直線感應(yīng)電機或直線同步電機提供。它的懸浮和推進系統(tǒng)消耗的功率很小,一般為IkW/t。結(jié)構(gòu)、材料簡單,但車體較重。1.2速度結(jié)構(gòu)設(shè)計在車體內(nèi)安裝有超導(dǎo)線圈,軌道上分布有按一定規(guī)則排列的短路鋁環(huán)。當(dāng)超導(dǎo)線圈內(nèi)通電時,就產(chǎn)生強磁場,在列車以一定速度前進時,該強磁場就在路軌的鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,兩者相互排斥而產(chǎn)生上浮力。速度愈大這個排斥力就愈大,當(dāng)速度超過一定值(時速80km以上)時,列車就脫離路軌表面,最大距離可達(dá)數(shù)10cm以上。其懸浮是自穩(wěn)定的,無須加任何主動控制。由于采用大氣隙懸浮,即使車體有稍許不平衡,或車體與軌道有些許對不準(zhǔn),或軌道上有冰雪之類雜物,均不會影響列車運行的安全性。采用超導(dǎo)線圈雖可減輕線圈結(jié)構(gòu)的重量,但卻要增設(shè)超導(dǎo)所需的致冷系統(tǒng),致冷電源也增加了功耗。這種結(jié)構(gòu)的磁場若不加屏蔽,會增加環(huán)境的電磁污染。在低速行駛時,列車還需輪軌系統(tǒng)支撐,側(cè)向穩(wěn)定也要另加控制設(shè)備。2磁浮列車的驅(qū)動方法主要有直線感應(yīng)電機(LIM)、直線同步電機(LSM),以及直線磁阻電機(LRM)和Z字型單極直線同步電機。后兩者很少采用。2.1次級電磁磁場直線感應(yīng)電機也稱短定子直線感應(yīng)電機,它的初級繞組裝在車體上,定子由硅鋼片疊成,橫向開有許多齒槽,用于安放電機繞組。次級采用低碳鋼實心結(jié)構(gòu),架設(shè)在軌枕上,其上附設(shè)一層次級導(dǎo)體(5mm厚的鋁板)。當(dāng)初級繞組加上三相交流電之后,在氣隙空間形成一個平移磁場。該磁場切割次級導(dǎo)體,在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流形成的磁場與初級繞組形成的平移磁場方向相反,從而在路軌與車體之間產(chǎn)生電磁推力。這種電機的速度低于同步速度,一般用于中速(100～200km/h)磁浮列車。2.2高速磁浮電機直線同步電機也稱長定子直線感應(yīng)電機,其初級繞組沿軌道鋪設(shè),故稱長定子,定子線構(gòu)與短定子類似。次級安裝在車體上,為永磁體或直流繞組,在氣隙空間建立起一個恒定的直流磁場。當(dāng)初級繞組加上三相交流電后,在氣隙空間形成一個平移磁場,與次級的直流磁場間產(chǎn)生電磁推力。這種電機的速度等于同步速度,一般用于高速(400～500km/h)磁浮系統(tǒng)。這種電機需沿軌道鋪設(shè)大量導(dǎo)電線圈,并沿線建立許多變電站,用于區(qū)間供電。例如上海磁懸浮列車工程龍陽路車站、維修基地及全線全面達(dá)到受電狀態(tài)、電壓為20kV,這樣的高壓電產(chǎn)生的電磁力將使磁懸浮列車車體浮離軌道,在無接觸、無摩擦的狀態(tài)下實現(xiàn)高速行駛。3磁浮列車的特點3.1磁浮列車的速度特征磁懸浮列車是大面積懸浮支撐,單位面積受力較小。普通列車的速度主要是受限于輪軌間的粘性摩擦力,而磁浮列車的速度則受限于空氣阻力。其最快速度可達(dá)到552km/h(日本)。由此可見,磁懸浮列車是陸上最快的交通工具,其速度僅次于飛機。3.2穩(wěn)定舒適，噪音低因為車身與軌道之間無接觸,軌道不平度的影響可通過控制系統(tǒng)被濾除。磁懸浮列車的噪聲屬于低水平噪聲。3.3高速公路積大1.積磁懸浮列車路軌占地面積與普通列車相近,比高速公路占地面積要小得多。每千米的占地面積,六車道高速公路為42800m2,四車道的為28600m2;而單向磁懸浮路軌僅為14300m2。若是高架路軌,則幾乎不占地面。3.4列車轉(zhuǎn)彎半徑磁浮列車爬坡能力可達(dá)100%,而輪軌高速為40%,在同等速度下,磁懸浮列車轉(zhuǎn)彎半徑比普通列車小,例如TR06軌道時速216km的曲率半徑為1000m,可適應(yīng)修建磁浮路軌的地段多,因而選擇自由度較大。這意味鐵路可較短、少占地面、耕地,可減少隧道和山谷橋架等建筑費用,降低總投資。3.5速度因素未考慮速度,單看能耗,似乎磁懸浮列車要比普通列車大,如果計及速度因素,考慮在不同速度下的功能指標(biāo),結(jié)論就不一樣了。當(dāng)時速達(dá)220km左右時,普通列車與磁浮列車的功耗基本上一致。再提高時速,磁浮列車的優(yōu)越性就明顯了,而普通列車已無法達(dá)到。3.6污染小磁懸浮列車采用電力驅(qū)動,不需燃油,這使它的發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu),特別是燃油供應(yīng)的限制;同時,無有害氣體排放,環(huán)境污染小。3.7懸浮系統(tǒng)失效磁浮列車(EMS型)懸浮高度大約1cm左右,萬一懸浮系統(tǒng)失效,應(yīng)急車輪能支撐列車?yán)^續(xù)行進。另外,磁浮列車車體兩側(cè)像鉗子一樣卡住路軌,不易出軌,比普通列車安全。3.8長期運營和低維護成本磁懸浮列車沒有車輪和鐵軌的接觸、震動小,舒適性好,其工作屬于無磨損運行,維修主要集中在電子技術(shù)方面,不需大量體力勞動。4磁浮列車的應(yīng)用和發(fā)展4.1磁懸浮列車是一種高創(chuàng)磁懸浮列車的核心技術(shù)是懸浮與推進,并需要一套復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。它的實現(xiàn)需要運用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機、機械結(jié)構(gòu)、計算機、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果,因而國際上把磁懸浮列車列為高技術(shù)產(chǎn)品。但對于已比較成熟的EMS型磁懸浮列車來說,它是高技術(shù)產(chǎn)品,卻并非高價產(chǎn)品。它所依據(jù)的基礎(chǔ)技術(shù)均屬已成熟的技術(shù),也不需要等待某一項技術(shù)的突破或某種特殊材料與器件的出現(xiàn),所有材料與器件都是國內(nèi)市場上可買到的商品。需要攻關(guān)的關(guān)鍵是,組成系統(tǒng)的技術(shù)和實現(xiàn)工程化?？梢韵嘈?一旦磁懸浮列車在中國某地的交通網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn),讓人們實際體驗到它的優(yōu)越性,它在中國大地上的發(fā)展將是無可限量的。4.2鐵路運輸總體規(guī)劃設(shè)計占地面積大,一般項目大,一般利用占地面積大的交通設(shè)施做大,一般利用高速公路中國幅員遼闊,人口眾多,經(jīng)濟正處起飛階段,交通問題十分緊迫。就陸路交通而言,中國可耕地面積僅占國土面積的17%,可耕地十分寶貴,因此不宜大量發(fā)展占地面積大的交通設(shè)施。據(jù)統(tǒng)計,高速公路每千米占地81000m2左右,而鐵路每千米僅占地16300m2,普通路基的磁懸浮列車占地與鐵路相當(dāng),而高架的磁懸浮列車占地要少得多,即使是雙軌的,占地面積也僅為高速公路的5%?？筛貙氋F是中國一項重要的基本國情,由此出發(fā),中國應(yīng)優(yōu)先發(fā)展鐵路。4.3《中國城市軌道交通》磁懸浮列車作為一種采用高技術(shù)的鐵路運輸工具,其單位能耗不僅比飛機、汽車低,與其他鐵路運輸工具相比,也是最低的。它的造價只略高于電氣化鐵路。經(jīng)濟的起飛帶來城市的繁榮,在人口集中的大城市,市內(nèi)公共交通以及市區(qū)與城郊的交通問題變得更為嚴(yán)峻。中國的城市軌道列車,全國總計也不足50km。修建地下鐵路,造價昂貴,按中國的國力,近期不可能大規(guī)模發(fā)展。修建中低速的高架磁懸浮列車,造價要合理得多,而且噪聲小,占地面積小,是解決城市交通問題的理想方案。4.4磁懸浮試驗線在上海的應(yīng)用和價值2002年11月22日下午1:00,一輛磁懸浮列車駛?cè)臊堦柭奋囌?由德國制造的磁懸浮列車第一次全程駛過了世界上首條投入商業(yè)運行的磁懸浮列車線——上海浦東機場至龍陽路,正線全長29.863km。它的設(shè)計時速和運行時速分別為505km和430km。上海這條30余千米磁懸浮試驗線,并不僅是一條單純的商業(yè)線,它很可能是未來中國磁懸浮產(chǎn)業(yè)的雛形。因為,隨著上海磁懸浮示范線建成,德國技術(shù)將會逐步轉(zhuǎn)讓,機車、信號、控制系統(tǒng)等設(shè)備逐漸國產(chǎn)化,建設(shè)費用將大大降低,為將來在國內(nèi)一些黃金線路上采用磁懸浮積累經(jīng)驗和創(chuàng)造條件,它的成功與否將會對1994年以來一直爭論未果的第二條1300km的“京滬線”產(chǎn)生直接影響。而京滬線采用哪種技術(shù)又將直接影響中國是否會派生出一個世界上前所未有的產(chǎn)業(yè)