磁悬浮列车的原理及发展现状.doc

课 程 磁悬浮技术基础 专 业 机 械 电 子 工 程 班 级 机电研 0401 班 教 师 胡 业 发 姓 名 戴 迎 宏 2005 年 12 月 29 日 1 磁悬浮列车的原理及发展现状磁悬浮列车的原理及发展现状 摘摘 要 要 本文介绍了磁悬浮列车的背景 特点 分类及国外两种代表性的磁悬浮列车 德 国的常导磁悬浮列车和日本的超导磁悬浮列车的工作原理 并介绍日本山梨试验线研究现 状 还提到了目前存在的技术以及我国磁悬浮列车的研究和发展现状 关键词 关键词 磁悬浮列车 工作原理 发展现状 0 0 引言 引言 众所周知 传统的铁路列车都是依靠诸如蒸汽 燃油 电力等各种类型机车作为牵引 动力 车轮和钢轨之间的相互作用作为运行导向 由铁路线路承受压力 借助于车轮沿着钢 轨滚动前进的 而磁悬浮列车则是一种依靠电磁场特有的 同性相斥 异性相吸 的特性 将车辆托起 使整个列车悬浮在线路上 利用电磁力进行导向 并利用直线电机将电能直接 转换成推进力来推动列车前进的最新颖的第五代交通运输工具 1 1 磁悬浮列车的特点 磁悬浮列车的特点 与传统铁路相比 磁悬浮列车有以下优点 1 适于高速运行 磁悬浮列车最大特点在于它没有通常的轮轨系统 由于消除了与轮轨之 间的接触 不存在由于轮轨摩擦及粘着所造成的诸如极限速度等影响列车运行的问题 速度 可达 500 km h 以上 2 稳定安全 列车运行平稳 能提高旅客舒适度 由于磁悬浮系统采用导轨结构 不会发 生脱轨和颠覆事故 提高了列车运行的安全性和可靠性 3 污染小 易维护 悬浮列车在运行中既不产生机械噪声 也不排放任何废气 废物 对 周 边环境的污染极小 有利于环境保护 加上磁悬浮列车由于没有钢轨 车轮 接触导线等摩 擦组件 可以省去大量维修工作和维修费用 4 能充分利用能源 获得较高的运输效率 另外 磁悬浮列车可以实现全自动化控制 因此 将成为未来最具有竞争力的一种交通 工具 2 2 磁悬浮列车的分类 磁悬浮列车的分类 2 2 1 1 按电磁铁种类按电磁铁种类 磁悬浮列车根据所采用的电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类 1 常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体 用气隙传感器来 2 调节列车与线路之间的悬浮间隙大小 在一般情况下 其悬浮间隙大小在 10mm 左右 这 种磁悬浮列车的运行速度通常在 300 500 km h 范围内 适合于城际及市郊的交通运输 2 超导排斥型 超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术来实现列车与线路之 间悬浮运行的 其悬浮间隙大小一般在 100mm 左右 这种磁悬浮列车低速时并不悬浮 当 速度达到 100 km h 时才悬浮起来 它的最高运行速度可以达到 1 000 km h 当然其建造技 术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得多 2 2 2 2 按悬浮方式按悬浮方式 磁悬浮列车按悬浮方式分有电磁吸引式悬浮 electromagnetic suspension EMS 和永磁 力悬浮 permanent repulsive suspension PRS 及感应斥力悬浮 electrodynamics suspension EDS 1 EMS 该方式利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力 绝大部分悬浮采用此方式 2 PRS 这是一种最简单的方案 利用永久磁铁同极间的斥力 一般产生斥力为 0 1MPa 其缺点为横向位移的不稳定因素 3 EDS 依靠励磁线圈和短路线圈的相对运动得到斥力 所以列车要有足够的速度才能悬浮 起来 大约为 100 km h 它不适用于低速 2 2 3 3 按列车的驱动方式按列车的驱动方式 1 长转子 短定子异步直线电机驱动 这种电机的 定子 安装在车辆的底部 转子 线圈安装在轨道上 它适合于低速运行 2 长定子 短转子同步直线电机驱动 此方式是将电机的 转子 线圈装在车辆上 定 子 线圈装在轨道上 它适合于高速运行 3 3 两种磁悬浮列车的工作原理 两种磁悬浮列车的工作原理 国际上有代表性的几种磁悬浮列车有 高速常导磁悬浮列车 低速常导磁悬浮列车以 及高速超导磁悬浮列车 高速常导磁浮车为德国研制的 TR transrapid 系列 低速常导磁 浮车为日本研制的 HSST 系列 高速超导磁浮车为日本研制 MLU 系列 3 3 1 1 德国的常导磁悬浮列车德国的常导磁悬浮列车 常导磁悬浮列车工作时 首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力 与地面 轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起 在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作 用下 使车轮与轨道保持一定的侧向距离 实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑 和无接触导向 车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为 10 毫米 是通过一套高精度电子调整系 统得以保证的 此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关 所以即使在停车状态下 列车仍然可以进入悬浮状态 3 常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理 车辆下部支撑电磁铁线圈的作用 就象是同步直线电动机的励磁线圈 地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作 用 它就象同步直线电动机的长定子绕组 从电动机的工作原理可以知道 当作为定子的 电枢线圈有电时 由于电磁感应而推动电机的转子转动 同样 当沿线布置的变电所向轨 道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时 由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就 象电机的 转子 一样被推动做直线运动 从而在悬浮状态下 列车可以完全实现非接触 的牵引和制动 3 3 2 2 日本的超导磁悬浮列车日本的超导磁悬浮列车 超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性 和完全抗磁性 超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成 它不仅电流阻力为零 而且 可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流 这种特性使其能够制成体积小功率强大的电 磁铁 超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备 而列车的驱动 绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧 车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组 感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成 当向轨道两侧的驱动绕组提供与 车辆速度频率相一致的三相交流电时 就会产生一个移动的电磁场 因而在列车导轨上产 生磁波 这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力 正是这种推 力推动列车前进 其原理就象冲浪运动一样 冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快 速前进的 与冲浪者所面对的难题相同 超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾 驭在移动电磁波的顶峰运动的问题 为此 在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪 器 根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式 精确地控制电磁波形以使列车能 良好地运行 超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电 并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动 实现非接触性牵引和制动 但地面导轨 两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关 当列车接近该绕组时 列车超导磁铁的强电磁 感应作用将自动地在地面绕组中感生电流 因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁 力 从而将列车悬起 并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙 使其始终保持 100 毫 米的悬浮间隙 同时 与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力 保证了列 车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶 4 4 日本山梨试验线研究现状日本山梨试验线研究现状 4 4 1 1 基本情况简介基本情况简介 日本山梨试验线全长 18 4 km 最大坡度 40 是可进行各种不同试验的正规的复线 超 电导磁悬浮铁道 是在车上安装超电导磁铁 在地面安装线圈 利用它们之间的磁力作非 4 接触运行的全新的输送系统 试验车辆为 山梨试验线车辆 MLX01 编组 一部头 车是新型试验车辆 MLX01 901 另一部头车的头部是双峰型 车辆长度为 101 9 m 头车 28 0 m 2 辆 中间车 24 3 m 21 6 m 车辆的最大宽度 车体部为 2 9 m 转向 架部为 3 22 m 车辆的重量为 105 t 车辆的高度 车轮行走时 3 32 m 浮起行走时 3 28 m 浮起行走时车高比车轮行走时低 4 cm 4 4 2 2 超电导磁悬浮铁道的基本技术超电导磁悬浮铁道的基本技术 推进原理 当电流在推进线圈内流动时就产生磁场 该磁场与车辆的超电导磁铁之间的排斥力与 吸引力使车辆前进 图 1 超电导磁铁的极距为 1 35 m 三相推进线圈 图 4 每隔 0 9 m 设置 为此 车站 桥梁 车辆的长度等都必须设计成 0 9 m 或者 2 7 m 的 倍数 浮起原理 8 字型的浮起导轨线圈被设置在导轨的侧壁 当车辆的超电导磁铁高速通过时 两侧 的浮起导轨线圈就流过电流而成为电磁铁 它产生将车辆抬起和降下的斥力和引力 这种 浮起对车辆高速运行是必要的 当时速达到 130 km 则由补助车轮支持车辆 此后车轮收起 离开地面 这时车体由线圈中央下降 引力斥力就发生作用 所谓浮起走行实际是利用引 力而使车辆接近悬挂的状态 减速时速度到 130 km h 以下就着陆再用车轮行走 导轨原理 两侧配置的浮起导轨线圈通过线路的下方 用电路连接 运行中的车辆 无论偏向哪 一边 都会在该回路中感应电流 靠近车辆侧的浮起线圈产生斥力 远离侧则产生引力 这样 车辆就能经常保持在导轨中央行走 输送能力 1997 年进行了无人试验 达到了设计目标速度也是当时世界最高时速 550 km 此后 1999 年由 5 辆编组载人运行 时速达到了 552 km 刷新世界最高记录 由于高速化 能量 的消耗有怎样的变化呢 在新干线 每输送 1 人公里需要 30 Wh 电能 因为能量的消耗与 速度的平方成比例 故以大约 2 倍的速度行走的超电导磁悬浮铁道 估计需要 120 Wh 但实际上消耗能量为 90 Wh 即可用较少的能量高速运送旅客 为了走向实用化 必须对 几台车辆同步控制 5 5 目前存在的技术问题 目前存在的技术问题 尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点 但仍然存在一些不足 1 由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮 导向和驱动功能的 断电后磁悬浮的安全保 障措施 尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题 其高速稳定性和可靠性还需 很长时间的运行考验 2 常导磁悬浮技术的悬浮高度较低 因此对线路的平整度 路基下沉量及道岔结构方 面的要求较超导技术更高 5 3 超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大 冷却系统重 强磁场对人 体与环境都有影响 6 6 我国磁悬浮列车的研究状况 我国磁悬浮列车的研究状况 目前 中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段 经过铁科院 西南交大 国防 科大 中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮 导向 推进等关键技术的基础 性研究 已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识 初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的 控制技术 继 1994 年西南交大成功地进行了 4 个座位 自重 4 吨 悬浮高度为 8 毫米 时 速为 30 公里的磁悬浮列车试验之后 由铁科院主持 长春客车厂 中科院电工所 国防科 技大学参加 共同研制的长为 6 5 米 宽为 3 米 自重 4 吨 内设 15 个座位的 6 吨单转向 架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为 2 米 长 36 米 设计时速为 100 公里的室内 磁悬浮实验线路上成功地进行了试验 并于 1998 年 12 月通过了铁道部科技成果鉴定 6 吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功 为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础 填 补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白 上海磁悬浮列车专线 西起上海地铁 2 号线的龙阳路站 东至上海浦东国际机场 全 长 29 863 公里 是目前全世界第一条也是唯一的一条磁浮列车商业运营线 项目工程于 2001 年 3 月正式开工兴建 于在 2003 年 1 月 1 日投入试运行 在 3 月 1 日进入正式运行 状态 上海磁悬浮列车 带车头的车厢长 27 196 米 宽 3 7 米 中间的车厢长 24 768 米 调试当月达到每小时一百七十公里 现在最高时速已达每小时四百公里以上 接近每小时 四百五十公里的运行要求 而且浮起来很稳 开动起来噪音也非常小 上海磁悬浮列车专线的开通运行 必将促进我国磁悬浮列车的研究和发展 6 参考文献及摘要参考文献及摘要 1 Francisco J Diego Rasilla Rosa M Luengo and John B Phillips Magnetic compass mediates nocturnal homing by the alpine newt Triturus alpestris Behav Ecol Sociobiol 2005 58 361 365 Abstract Experiments were carried out to investigate the use of magnetic compass cues in the nocturnal homing orientation of the alpine newt Triturus alpestris Tests were carried out at a site 9 km to the east northeast of the breeding pond Newts were tested at night in an outdoor circular arena that provided an unimpeded view of celestial cues in one of four symmetrical alignments of an earth strength magnetic field In tests carried out under partly cloudy skies newts exhibited homeward magnetic compass orientation Because the moon was visible in some trials but obscured by clouds in others we investigated whether the presence of the moon contributed to the scatter in the distribution of magnetic bearings When the moon was visible the distribution of magnetic bearings was more scattered than when the moon was obscured by clouds although in neither case was the distribution significant due in part to the small sample sizes Moreover when the moon was visible newts oriented along a bimodal axis perpendicular to the moon azimuth suggesting that the presence of the moon may have affected the newts behavior To provide a more rigorous test of the role of magnetic compass cues when celestial cues were unavailable nocturnal tests were carried out during the following migratory season under total overcast In the absence of celestial compass cues the distribution of magnetic bearings exhibited highly significant orientation in the homeward direction These findings indicate that newts are able to orient in the homeward direction at night using the magnetic compass as the sole source of directional information Moon light altered the newts behavior However this apparently resulted from the asymmetrical distribution of moon light in the testing arena rather than the use of an alternative compass Keywords Celestial cues Homing Magnetoreception Newt Orientation Triturus 2 B J Lemaire P Davidson J Ferr 1 J P Jamet D Petermann P Panine I Dozov and J P Jolivet Physical properties of aqueous suspensions of goethite FeOOH nanorods The European Physical Journal E 13 291 308 2004 Abstract Depending on volume fraction aqueous suspensions of goethite FeOOH nanorods form a liquid crystalline nematic phase above 8 5 or an isotropic liquid phase below 5 5 In this article we investigate by small angle X ray scattering magneto optics and 7 magnetometry the influence of a magnetic field on the isotropic phase After a brief description of the synthesis and characterisation of the goethite nanorod suspensions we show that the disordered phase becomes very anisotropic under a magnetic field that aligns the particles Moreover we observe that the nanorods align parallel to a small field 350 mT This phenomenon is interpreted as due to the competition between the influence of the nanorod permanent magnetic moment and a negative anisotropy of magnetic susceptibility Our interpretation is supported by the behaviour of the suspensions in an alternating magnetic field Finally we propose a model that explains all experimental observations in a consistent way 3 A I Zhernovoi1 and V N Naumov A New Method for Study of Magnetic Suspensions St Petersburg State Technological Institute St Petersburg Russia Russian Journal of Applied Chemistry Vol 78 No 4 2005 pp 549 551 Abstract A procedure for determining the magnetization of a ferrofluid from the shift of 1H NMR signal of the solvent by rotating a sample having the shape of an oblate ellipsoid is suggested The possibility of using the NMR spectroscopy for evaluating the size of magnetite particles and for examining the distribution of the local magnetization of the ferrofluid in a magnetic field is analyzed The NMR method is compared with the classical Gouy technique 4 M GETZLAFF J BANSMANN F BULUT R K GEBHARDT A KLEIBERT K H MEIWES BROER Structure composition and magnetic properties of size selected FeCo alloy clusters on surfaces Appl Phys A 2005 Abstract The magnetic properties of 3d metal clusters significantly differ frombulk behavior This phenomenon is caused by a narrowing of electronic states and the high ratio of surface to volume atoms giving rise to enhanced magnetic orbital moments FeCo alloys as soft magnetic materials are known to exhibit very high magnetic moments The spin and orbital moments of iron and cobalt in size selected FeCo alloy clusters on non magnetic as well as magnetized nickel substrates have been investigated by X ray magnetic circular dichroism with elemental specification Structural properties were determined by scanning probe measurements The preformed clusters maintain their original three dimensional shape with a tendency to a slightly oblate occurrence which can be explained by particle support interaction and do not change to a more or less two dimensional formation after deposition 5 G F Zhang1 a and S S Li Thermal entanglement in a two spin qutrit system under a nonuniform external magnetic field The European Physical Journal D Atomic Molecular and Optical Physics Volume 37 Number 1 Abstract The thermal entanglement in a two spin qutrit system with two spins coupled by exchange interaction under a magnetic field in an arbitrary direction is investigated Negativity 8 the measurement of entanglement is calculated We find that for any temperature the evolvement of negativity is symmetric with respect to magnetic field The behavior of negativity is presented for four different cases The results show that for different temperature different magnetic field give maximum entanglement Both the parallel and antiparallel magnetic field cases are invest