美國(guó)magplae磁懸浮列車(chē)方案

美國(guó)magplae磁懸浮列車(chē)方案

0高速磁懸浮車(chē)方案研究由于高速磁浮列車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，許多國(guó)家都積極研究了德國(guó)的transpid、日本的mlx系列、美國(guó)的mamplane和induk等。中國(guó)相關(guān)磁浮技術(shù)的科學(xué)家對(duì)上述磁浮列車(chē)方案進(jìn)行了分析研究，促進(jìn)了我國(guó)高速磁浮列車(chē)技術(shù)的發(fā)展。以引進(jìn)德國(guó)技術(shù)為主的上海浦東機(jī)場(chǎng)至地鐵2號(hào)線(xiàn)龍陽(yáng)路站全長(zhǎng)30km的高速磁懸浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線(xiàn)，已成為世界上第一條商業(yè)化運(yùn)行的高速磁懸浮線(xiàn)路。然而以上各方案都還存在一些技術(shù)、工程或經(jīng)濟(jì)上的問(wèn)題，我們還需要進(jìn)一步了解世界上有價(jià)值的磁懸浮列車(chē)方案，并對(duì)各種不同的磁懸浮方案進(jìn)行分析研究及比較?，F(xiàn)介紹一種新的高速磁懸浮列車(chē)方案，即美國(guó)Magplane磁懸浮列車(chē)。1magprane方案的特點(diǎn)Magplane是美國(guó)麻省理工學(xué)院以Montgomery教授為首的一些專(zhuān)家提出來(lái)的，上世紀(jì)70年代在美國(guó)自然科學(xué)基金支持下成功地驗(yàn)證了其原理的可行性，建造了1:25的模型車(chē)，100m長(zhǎng)的試驗(yàn)線(xiàn)，進(jìn)行了五代車(chē)數(shù)百次試驗(yàn)。上世紀(jì)90年代在美國(guó)交通部支持下，花費(fèi)約400萬(wàn)美元進(jìn)行了800km長(zhǎng)線(xiàn)路的工程估價(jià)與設(shè)計(jì)及美國(guó)佛羅里達(dá)州Miami—Orlando—Tanmpa150km線(xiàn)路的工程設(shè)計(jì)，積累了一定工程經(jīng)驗(yàn)。Magplane方案包括兩種類(lèi)型，其中有速度在500km/h左右的高速方案，和速度大約在250km/h的準(zhǔn)高速方案，高速方案為超導(dǎo)方案，準(zhǔn)高速方案為永磁方案。在準(zhǔn)高速方案中采用較低的速度，較小的懸浮間隙，這種磁懸浮列車(chē)的造價(jià)將更便宜，Magplane近期的研究發(fā)展以這種永磁方案為主，故本文重點(diǎn)介紹永磁方案。1.1軌道系統(tǒng)的功率、用電Magplane可以有不同的應(yīng)用，在長(zhǎng)距離時(shí)，速度要求較高，磁懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙大，起推進(jìn)作用的車(chē)載磁體更多，懸浮和導(dǎo)向的磁體系統(tǒng)將使用超導(dǎo)磁體，短距離使用的車(chē)將在較低的速度下運(yùn)行，因而懸浮間隙可以小一些，推進(jìn)功率也小一些，這里磁體為永磁體。無(wú)論高速還是較低速度，軌道都是相同的。長(zhǎng)距離列車(chē)速度可達(dá)到500km/h，懸浮氣隙15cm,距離較短時(shí)，最高速度為250km/h，懸浮氣隙約5cm。長(zhǎng)距離時(shí)使用大容量的車(chē)體，最大質(zhì)量45t，可以乘坐140名乘客，裝有超導(dǎo)線(xiàn)圈的模塊固定在車(chē)廂的頭部或尾部沒(méi)有座位的地方。短距離時(shí)使用小容量的車(chē)體，有40個(gè)座位，一排5個(gè)座位，一側(cè)3個(gè)，另一側(cè)2個(gè)。Magplane的車(chē)體象一個(gè)中等的噴氣式飛機(jī)大小，并排有5個(gè)座位。車(chē)體上除了緊急備用電池以外，沒(méi)有其它電源。所有推進(jìn)的功率和車(chē)上用電都由軌道上的線(xiàn)圈提供。車(chē)上僅帶有感應(yīng)繞組以獲得車(chē)廂內(nèi)用電以及列車(chē)的控制系統(tǒng)用電。車(chē)廂可以根據(jù)不同的具體用途而優(yōu)化調(diào)整其結(jié)構(gòu)和大小，但都可以使用相同的軌道。1.2右兩側(cè)永磁電機(jī)Magplane方案的軌道為近似的弧形，半徑為2.1m，軌距4.5m。軌道被分為3個(gè)部分（圖1），左右兩側(cè)為用于懸浮的鋁板，大約2cm厚，160cm寬，懸浮力來(lái)自列車(chē)上磁鐵的運(yùn)動(dòng)在鋁板里產(chǎn)生感應(yīng)電流。中間為推進(jìn)繞組，作為直線(xiàn)電機(jī)的定子繞組，車(chē)載磁體為永磁鐵。由于懸浮氣隙較大，軌道的精度要求較低。軌道采用整體高架結(jié)構(gòu)，在必要的地方采用大跨度，用鋼筋或水泥加固。在軌道設(shè)計(jì)中考慮了在任何位置的突然停車(chē)和重啟動(dòng)。2magpmane模型磁懸浮列車(chē)受電磁力或電動(dòng)力的作用，可以產(chǎn)生升力使車(chē)體與軌道脫離機(jī)械接觸，即車(chē)體懸浮于軌道上。按升力形成的電學(xué)機(jī)理，磁懸浮列車(chē)可以分為電磁懸浮型（Electromagneticsuspension簡(jiǎn)稱(chēng)EMS）、電動(dòng)懸浮型（簡(jiǎn)稱(chēng)EDS）和永磁懸浮型（Permanentmagneticsuspension簡(jiǎn)稱(chēng)PMS）。Magplane屬于永磁懸浮型，早在1942年，EanShaw就證明了一個(gè)物體（含永磁體）不可能僅由另一個(gè)永磁體的懸浮支撐，必須有一個(gè)自由度被機(jī)械或其他方式所約束。所以本文所講的永磁懸浮型實(shí)為EDS+PMS的混合型結(jié)構(gòu)。Magplane是采用長(zhǎng)定子方案，定子沿著軌道連續(xù)分布，而轉(zhuǎn)子固定在車(chē)上。Magplane是受排斥力而懸浮，斥力隨著定子和轉(zhuǎn)子之間距離的增大而減小，這樣懸浮控制將會(huì)容易一些，也使得懸浮間隙增大，Magplane的懸浮磁鐵和驅(qū)動(dòng)磁鐵皆為永磁體，間隙可達(dá)5～15cm。懸浮、導(dǎo)向都由感應(yīng)電流產(chǎn)生，該電流是由車(chē)載磁體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，推力是由軌道上驅(qū)動(dòng)繞組的交流電流產(chǎn)生的。由于不需要采用屏蔽來(lái)減小乘客艙的磁場(chǎng)，永磁體沿整個(gè)車(chē)廂敷設(shè)，而不象超導(dǎo)方案那樣將超導(dǎo)磁體集中在車(chē)廂的兩端。在車(chē)廂下面尾部約占10%的面積，永磁體被控制電磁鐵所取代，以提供主動(dòng)的阻尼控制。阻尼磁體運(yùn)動(dòng)的能量由車(chē)上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能裝置提供，這個(gè)裝置的能量也是通過(guò)感應(yīng)從軌道上獲得的。如圖1所示，在懸浮和導(dǎo)向上使用了20mm厚的弧形鋁板軌道，這種結(jié)構(gòu)具有高速轉(zhuǎn)彎的優(yōu)點(diǎn)。這種方案需要加輔助輪，為了安全起見(jiàn)，Magplane的設(shè)計(jì)者計(jì)劃在行駛的全程不收回輔助輪，而是將其固定在列車(chē)下面，這樣，行駛中空氣阻力可能要大一些，但可以保證一旦列車(chē)失去懸浮力，輔助輪可以作為一種保護(hù)措施，防止車(chē)體直接與軌道相撞。與其他類(lèi)型的磁懸浮列車(chē)方案相似，Magplane方案也是采用分段供電，大約2km為一個(gè)供電區(qū)，每個(gè)供電區(qū)上只有一輛車(chē)運(yùn)行，這樣可以防止撞車(chē)，每個(gè)供電區(qū)通過(guò)路邊的供電柜供電，其容量的大小根據(jù)該供電區(qū)的坡度和加速度要求而定。直線(xiàn)電機(jī)的容量能使列車(chē)在10%的上坡道上運(yùn)行，與汽車(chē)差不多。列車(chē)最低的起浮速度為15km/h，低于該速度時(shí)，車(chē)體由輪子支撐。輔助的制動(dòng)設(shè)施可以在直線(xiàn)電機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)。由于采用的是永磁懸浮，整個(gè)列車(chē)技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單。3系統(tǒng)集成技術(shù)Magplane高速磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)與其他磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)相比，有許多的創(chuàng)新之處，最顯著的特點(diǎn)就是永磁懸浮、電磁道岔、自穩(wěn)定的控制系統(tǒng)等。3.1magplae方案目前高速磁懸浮列車(chē)面臨的難點(diǎn)之一就是道岔問(wèn)題，以Transrapid為例，由于車(chē)體抱住軌道，所以必須機(jī)械移動(dòng)軌道，才能實(shí)現(xiàn)換道。而在Magplane方案中，由于其軌道結(jié)構(gòu)是槽型，結(jié)構(gòu)本身允許采用不動(dòng)的道岔，而不是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的道岔。電磁道岔的工作原理如圖2所示，導(dǎo)軌的兩邊被逐漸分開(kāi)，直到兩側(cè)之間的距離大到兩個(gè)平行導(dǎo)軌寬，一個(gè)是正線(xiàn)，一條是側(cè)線(xiàn)。在導(dǎo)軌完全分為兩條之前，列車(chē)必須運(yùn)行一個(gè)道岔的區(qū)間，這時(shí)總有一邊的導(dǎo)軌壁是不完整的，道岔上的磁性材料必須能夠提供穩(wěn)定的懸浮并且確保列車(chē)在任何可能的轉(zhuǎn)彎半徑情況下靠著一邊壁行走，直行的列車(chē)通過(guò)道岔時(shí)可以不減速。這種電磁道岔能保證磁懸浮車(chē)可以頻繁地在中間車(chē)站進(jìn)入或離開(kāi)正線(xiàn)。這種道岔的設(shè)計(jì)思想有別于傳統(tǒng)的鐵路，在傳統(tǒng)的鐵路上，車(chē)站是直接設(shè)置在鐵路干線(xiàn)上的，只是在車(chē)站上增加了一些道岔，以方便停車(chē)，無(wú)論該列車(chē)在該站停車(chē)與否，都要經(jīng)過(guò)該站，而在Magplane方案中，要在該站停車(chē)的列車(chē)通過(guò)道岔進(jìn)入分支軌道，而不需要停車(chē)的列車(chē)可高速直行通過(guò)，不進(jìn)入車(chē)站。這樣可以保證列車(chē)在主軌道上高速運(yùn)行，和高速公路的思想有些類(lèi)似。3.2簡(jiǎn)化磁懸浮車(chē)系統(tǒng)，方便磁浮浮車(chē)Magplane方案采用永磁方案，永磁體的使用比起超導(dǎo)懸浮列車(chē)更經(jīng)濟(jì)，不存在一套精密的制冷系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了磁懸浮列車(chē)系統(tǒng)，同時(shí)不會(huì)出現(xiàn)日本超導(dǎo)高速磁懸浮列車(chē)MLX在試驗(yàn)時(shí)曾出現(xiàn)的超導(dǎo)體失超而引發(fā)的事故，使得磁懸浮系統(tǒng)可靠性大大提高，同時(shí)也使得原理更簡(jiǎn)單，建造更方便。3.3magplae方案對(duì)磁懸浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有一個(gè)振動(dòng)的過(guò)程，從安全角度，系統(tǒng)不會(huì)與地面碰撞，但會(huì)給旅客帶來(lái)不舒服振動(dòng)。為阻尼這些振動(dòng)，Magplane的磁鐵不是粘在列車(chē)上，而是一個(gè)可以運(yùn)動(dòng)的裝置。磁鐵在列車(chē)底部運(yùn)動(dòng)，可以吸收能量以阻尼振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的范圍大約2cm，頻率較低。磁鐵在車(chē)體下面只是徑向運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榇盆F下面有一個(gè)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，不能上下運(yùn)動(dòng)，列車(chē)動(dòng)起來(lái)后，所有的磁塊都在不斷地動(dòng)。甚高速時(shí)，有象飛機(jī)一樣的穩(wěn)定翼，振動(dòng)幅度1cm左右，用空氣動(dòng)力學(xué)原理來(lái)控制列車(chē)系統(tǒng)的晃動(dòng)。列車(chē)在拐彎時(shí)允許傾斜10°，這樣列車(chē)在通過(guò)半徑為2km的曲線(xiàn)時(shí)，仍可保證360km/h的速度，而且乘客感覺(jué)和坐飛機(jī)一樣舒適，該方案目前還在設(shè)計(jì)與改進(jìn)過(guò)程中。和傳統(tǒng)的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)不同，Magplane的控制系統(tǒng)除了要檢測(cè)列車(chē)的位置以外，還要檢測(cè)列車(chē)的姿態(tài)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)這些信號(hào)處理后發(fā)出控制信號(hào)，以控制磁塊。4magprane方案Magplane方案由于采用永磁懸浮和電磁道岔，而且造價(jià)較低，使其成為一個(gè)很有吸引力的方案，但是該方案也存在一些問(wèn)題，需在進(jìn)一步發(fā)展改進(jìn)中解決。由于Magplane的軌道是永磁體結(jié)構(gòu)，所以露天放置時(shí)可能會(huì)吸附其他鐵磁物質(zhì)，而且一旦吸附上以后，由于磁場(chǎng)很強(qiáng)將難以清掃下來(lái)，會(huì)引發(fā)列車(chē)事故。如果考慮在永磁體上面加上保護(hù)層，則必須達(dá)到一定的厚度，形成一定的梯度，才能方便地清掃掉雜物。Magplane方案的另一個(gè)問(wèn)題是道岔的長(zhǎng)度問(wèn)題，雖然Magplane方案擬采用電磁道岔，然而，如果道岔太長(zhǎng)，則占地過(guò)多，而且列車(chē)站臺(tái)設(shè)置也會(huì)遇到困難。Magplane方案可以實(shí)現(xiàn)電磁道岔，若能解決道岔過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，則該方案將會(huì)有更好的應(yīng)用前景。5高速磁懸浮列車(chē)美國(guó)對(duì)于在長(zhǎng)大干線(xiàn)上使用高速磁懸浮列車(chē)存在較大疑慮，因?yàn)?，近二三十年?lái)，鐵路客運(yùn)的份額僅為客運(yùn)量的0.7%，美國(guó)人口比較分散，長(zhǎng)距離難以形成大客流，從而，美國(guó)科技界雖有著一些好的方案，但難以得到足夠經(jīng)費(fèi)支持。與其他類(lèi)型的高速磁懸浮列車(chē)相比，Magplane方案采用了一些折中的辦法，可使造價(jià)降低。但鋁板內(nèi)渦流較大，故損耗較高，效率較低，電能的消耗略大。設(shè)計(jì)者認(rèn)為：對(duì)一條線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，用電的費(fèi)用不是主要的，最主要的是要降低造價(jià)，而不是用電量。美方有意向在我國(guó)建約2km長(zhǎng)的試驗(yàn)線(xiàn)，完成研制試驗(yàn)后再推廣應(yīng)用，曾在沈陽(yáng)、北京，成都等地進(jìn)行過(guò)考察，但到目前為止，還沒(méi)有達(dá)成建立研發(fā)基地的協(xié)議。6日本高速磁懸浮列車(chē)整體而言，與德國(guó)、日本磁懸浮列車(chē)技術(shù)相比，Magplane方案有著一些特點(diǎn)與優(yōu)越性，主要是：(1）采用永久磁體及鋁板導(dǎo)軌的電動(dòng)式磁懸