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常导超导磁悬浮演示试验装置的控制资料,毕业设计
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西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 常导 /超导磁悬浮 演示试验装置 的控制 年 级 : 2002 级 学 号 : 20023569 姓 名 : 吴 华 专 业 : 电子科学与技术 指导老师 : 陈汉军 2006 年 6 月 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 2 页 院 系 理学院 电子科学与技术系 专 业 电子科学与技术 年 级 2002级 姓 名 吴华 题 目 常导 /超导磁悬浮 演示实验装置 的控制 指导教师 评 语 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 日 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 毕业设计（论文）任务书 班 级 电 科 2班 学生姓名 吴华 学 号 20023569 发题日期： 2006年 3 月 5 日 完成日期： 2006年 6 月 15 日 题目 常导 /超导磁悬浮 演示实验装置 的控制 1、本论文的目的、意义 本 文 目的是通过磁悬浮技术的理论研究，让跟多的人认识磁悬浮，了解磁悬浮。通过本 文 的理论知识的介绍，我 自己设计 制作了一个简单的磁悬浮装置，用于 实现磁 悬浮原理。 通过一个简单的装置就能实现磁悬浮原理，让人们认识到磁悬浮并不是遥不可及的。 本文的意义是通过对磁悬的原理分析，结合自做的小装置，希望更多采用磁悬浮 技术产品应用到高校的实验室和日常生活中。让人们更多的认识磁悬浮，普及磁悬浮知识。 2、学生应完成的任务 了解磁悬浮的基本知识，磁悬浮技术的应用，磁悬浮技术在国外以及在国内的发展情况。了解超导体的性质，超导磁悬浮的基本原理，并且结合实际中应用最广泛的超导磁悬浮列车说出其具体的工作原理 。了解常导磁悬浮的基本知识及实现原理，并且能够对现有的常导磁悬浮列车了解出其工作原理。理论分析在超导 /常导磁悬浮系统中的控制过程，方法。学生根据自己所学习到的知识设计一个小模型，用来演示磁悬浮现象。 整个装置用于解释和说明磁悬浮原理和现象。通过这个装置，使磁悬浮的演示实验内容更加丰富。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周） 第一部 查找与论文有关的英文资料和论文资料 ( 1周 ) 第二部分 学习磁悬浮相关的理论知识，进行对英文文献的学习和翻译。 ( 2周 ) 第三部分 了解 所写 论文的目的、 意义 。并开始构思论文的内容。 (3 周 ) 第四部分 根据设计的装置购置所需的器材，并且完成设计的装置。 (3 周 ) 第五部分 攥写论文 ， 并 完 成 设 计 装 置 的 制 作 (3 周 ) 评阅及答辩 ( 周 ) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 目 录 摘 要 6 第一章 绪论 9 1. 1 问题提出 9 1. 2 磁悬浮的应用小装置举例 10 1. 3 磁悬浮列车简介 11 1.3.1 德国的常导磁悬浮列车 13 1.3.2 日本的超导磁悬浮列车 13 1.3.3 中国磁悬浮列车的研究状况 14 1. 4 磁悬浮列车 悬浮方式 15 1.4.1电动悬浮（ EDS，磁斥式） 15 1.4.2电磁悬浮（ EMS，磁吸式） 16 1.4.3永磁悬浮（ PMS，磁吸式） 16 1. 5 本文研究的主要内容、目标与方法 19 第二章 常导磁悬浮的物理模型 20 2 1 常导磁悬浮列车的物理模型 20 2.1.1 悬浮 力的公式推导 20 2.1.2 磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力 21 2.1.3 磁浮列车的驱动原理 21 2.1.4 参数 24 2.1.5 悬浮力损失的原因分析 25 2.1.6 悬浮力的补偿 26 2. 3 常导磁悬浮系统设计 30 第三章 超导磁悬浮的物理模型 32 3. 1 超导体基本现象 32 3. 2 超导磁悬浮的原理 41 3. 3 超导磁悬列车的物理模型 42 3. 4 超导磁悬浮列车的悬浮力和导向力 45 第四章 一个简单的悬浮装置 50 4. 1 概述 50 4. 2 主要部件尺寸、数量及相关材料 54 第五章 总结 57 参考文献 59 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 摘 要 随着越来越多的磁悬浮技术应用到现实生活中的各个领域，磁悬浮这个在几年前还是很陌生的一个词 现在已经广为人知。磁悬浮以悬浮力产生的原理 分类可以分为超导磁悬浮和常导磁悬浮。磁悬浮 的控制 系 统是一个很复杂的问题。本文研究的重点就是这两种磁悬浮 的控制问题。 超导磁悬浮是 利用处于超导状态 下 的超导体具 有 斥磁力 的 原理 产生的 。超导磁悬浮的悬浮物体就是超导体本身，所以超导磁悬浮的控制重点就落在了超导体上。本文从介绍超导磁悬浮的基本应用入手，逐步深入地介绍超导体的基本物理性质，然后介绍超导磁悬浮 系统 的控制方法、过程和原理。 与超 导磁悬浮 相比 ，常导磁悬浮的应用就 更为 广泛，因为常导磁悬浮的实现过程要简单得多。常导磁悬浮可以分为应用电磁铁的磁悬浮和引用非电磁性磁铁（ 稀土 永磁铁、普通磁铁等）的磁悬浮 。但是由于电磁铁 便于控制和利用，所以利用 电磁铁的磁悬浮 义勇 更为广泛。本文在常导磁悬浮方面的研究是从一个实例入手， 分析 电 磁铁式磁悬浮的原理，从而进一步研究电磁 铁 式 磁悬浮 的控制方法、过程和原理。 在本文的最后，我利用在大学里所学的知识，结合本文的研究重点 磁悬浮 装置 的控制问题 ，做出了一个简单的电磁悬浮装置。这个悬浮装置的原理是利用对电磁铁电流的控制来实现一个铁片在空中的来回反复运动，达到视觉上的悬浮效果。这虽然与实际的电磁铁悬浮控制方原理不同，但是 利用 这简单手段也能够达到相同 的目的。这个实例给了我们一个启示： 简单的演示实验装 置 也 能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理 ，磁悬浮并不是遥不可及的。 关键词：常导磁悬浮，超导 磁悬浮， 磁悬浮的 控制 ，演示实验装置 ， 磁悬浮列车 Abstract nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 As more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of the experimental provision. Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively. Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted the non- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet , ordinary magnet ,etc. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspension of this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further. At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means this can achieve the the same goal too. This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach. nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 Keyword: electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 第一章 绪论 1. 1 问题提出 在很久以前我就知道了磁悬浮， 磁悬浮 具有许多的令人惊奇的特性。而如今，磁悬浮的应用已经出现我们的 日常 生活中，并且离我们越来越近。最有代表的磁悬浮应用就是磁悬浮列车了，另外，还有磁悬浮的地球仪，陀螺等。 但是在普通高校的实验室里，关于磁悬浮方面的演示实验装置并不多。为了让更多的人了解磁悬浮，认识磁悬浮， 这也是本文的目的所在， 设计一个磁悬浮的演示实验装置，对磁悬浮知识的理解是必不可少的。本 文的重点就是对 磁悬浮的控制。怎样设计一个成功的磁悬浮装置，关键的问题还是在控制上。所 以本文着重介绍的就是关与磁悬浮控制方面的知识。下面 就简单介绍一下 磁悬浮 技术 应用最为 广泛的磁悬浮列车的控制系统。 磁悬浮列车 一般 分为两种，采用排斥力型的超导磁悬浮列车和采用吸引力型的常导磁悬浮列车。这两种列车的设计方式都很独特， 其 重点 就是怎样通过各种控制 手段使列车更安全 、 稳定，这也是本文所要讨论的重点 ： 如何通过利用磁悬浮的自身特点段或各种手段去控制磁悬浮 系统 。磁悬浮列车的受力 有 三个方向：悬浮力（垂直），导向（水平左右）和推进力（水平前后）。怎样通过对三个力的控制，使 磁悬浮系统 正常平稳的 运行 就是 本文 所要讨论的问 题。本文的讨论都分为两个部分，超导和常导 磁悬浮 。 研究磁悬浮的目的就是为了更简易的去控制它，所以本文 的最后就设计了一个简单的磁悬浮装置，通过 一个简单的手段来实现悬浮。用一些简单的 方法 也能够实现悬浮 ， 所以对我们来说， 磁悬浮并不是高不可攀的。 吴华注意： 本课题的提出是为了开设磁悬浮演示实验，“问题的提出”部分应注意到磁悬浮列车已经得到应用，应当有相应的物理演示实验装置。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 1. 2 磁悬浮的应用 小装置举例 常导磁悬浮具有磁悬浮的一般性质：悬浮实现非接触，从而减少摩擦。可以达到更高的速度或者持续 更长的时间。无噪声，无污染也是起一大优点，所以如今，磁悬浮更多的应用在交通工具上，比如磁悬浮列车。另外，在其他的应用发面，磁悬浮主要应用在一些小装置，小玩具上。 1） 磁悬浮地球仪的工作原理： 由电磁场原理知，电磁铁绕组中通以一定的电流会产生电磁力，控制电磁铁绕组中的电流，使之产生的电磁力与永磁力的合力与地球仪重力相平衡时 ,地球仪就可以悬浮在空中而处于平衡状态 ,但是这个平衡状态是一种不稳定平衡，这是由于电磁铁与地球仪之间的电磁力大小与它们之间的距离成反比，只要平衡状态稍微受到扰动，就会导致球掉下来或被电磁铁 吸上去，因此必须对系统实现闭环控制。 为了达到这个目的，在绕组的上下方均安置了磁感应传感器，用以测量地球仪与电磁铁之间的距离变化，当地球受到扰动下降，球与电磁铁之间的距离增大，传感器所测得的强度减弱，其得到的反馈电压减小，经闭环调节与功率放大处理后，使电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大，合成电磁力增大，球被吸回平衡位置，反之亦然。 为了使地球仪稳定地在空中悬浮，同时还能围绕垂直中心轴旋转，增加了一个辅助线圈，在 辅助 线圈下也安置了传感器。当检测到辅助永磁体时，给辅助线圈增加一个反向磁场，给地球 仪一个切向动力，这样，地球仪每转一转，磁推力只需很小，因为地球仪悬在空气中，其旋转阻力是很小的。 从上述工作原理分析可知，主线圈用于控制悬浮，而辅线圈用于控制旋转，该控制系统要实现对地球仪的稳定悬浮，其核心是设计一个具有良好调节作用、对外界干扰 (周围的振动、风、电压波动等 )抑制能力强、对被控对象参数的变化有较低灵敏度的磁场闭环调节器。 2） 磁悬浮电动牙刷的工作原理： 这种牙刷能够利用高速音波振动除去牙垢，每分钟振动达到次。工作原理是：通过不断切换驱动部位电磁铁的极和极每秒约切换次，nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 11 页 利 用吸引力和排斥力使牙刷高速振动，达到除垢的效果。 1. 3 磁悬浮列车 简介 磁悬浮技术的研究源于德国，早在 1922 年 Hermann Kemper 先生就提出了电磁悬浮原理，并于 1934 年申请了磁浮列车的专利。进入 70 年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时 350 公里左右，要想超越 这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。 德国开发的磁悬浮列车 Transrapid 于 1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时 436 公里的速度。日本开发的磁悬浮列车 MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于 1997 年 12 月在山梨县的试验线上创造出每小时 550 公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个 世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。 磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁 浮列车 transrapid 为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为 10 毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时 400 500 公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 12 页 浮列车也称超导磁斥型，以日本 MAGLEV 为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为 100 毫米左右，速度可达每小时 500 公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮 技术 ;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。 作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势： 首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在 1825 年，经过 140年努力，其运营速度才突破 200 公里 /小时，由 200 公里 /小时到 300 公里 /小时又花了近 30 年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的， 300 公里 /小时高速铁路的造价比 200公里 /小时的准高速 铁路高近两倍，比 120 公里 /小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是 1969 年在德国出现的，日本是 1972年造出的。可仅仅十年后的 1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里 /小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入 500公里 /小时实用运营的建造阶段。 第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达 400-500 公里 /小时，超导磁悬浮可达 500-600 公里 /小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的 长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑， 300公里 /小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于 700公里时才优越。而 500公里 /小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达 1500 公里以上。 第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为 500公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的 1 3。据德国试验，当 TR磁悬浮列车时速达到 400公里时，其每座位公里能耗 与时速 300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到 300 公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低 33。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 13 页 1.3.1 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。 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 就像 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 就像 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 就像 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。 1.3.2 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nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 14 页 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。 1.3.3 中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。 上海磁悬浮列车为常导磁悬浮列车。在电磁力作用下，列车将悬浮在距离轨道约 1厘米处运行，而实现这一功能的主要部件之一就是轨道梁，它既是承载列nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 15 页 车的承重结构，又是浮起列车运行的导向结构。上海磁悬浮列车系统全线总共有1400多根轨道梁，每根长约 50米， 重达 350 吨。为了安装电磁设备，梁上要打 28万个孔，每个孔的位置误差不得超过 0.02毫米，不到一根头发丝的粗细。 由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造的，我国自行研制、设计、施工总投资达 3000万元的第一条磁悬浮列车线路 青城山磁悬浮列车线路，已经于今年在青城山正式启动。整个线路轨道由水泥横梁连接而成，全长419.925米。磁悬浮列车长 11.5米、宽 2.6米、高 3.3米，呈流线形， 采用常导吸力式磁悬浮技术。 与上海的磁悬浮列车相比， 两者除了悬浮原理基本一致外，完全是两种不同类型的磁浮技术。时 速不同上海采用的是德国磁浮技术用于城际交通，这决定了它的技术研究方向是高速度 (上海磁浮列车的运行时速达 430公里 )。而青城山磁浮列车的最高时速是 100公里，主要运用于城市内部轨道交通。 增加我校校庆前在青城 山 的工作 1. 4 磁悬浮列车 悬浮方式 磁悬浮列车主要由车体与导轨两大部分构成。车上装有超导磁体、可控制直流电磁铁、车载电源、直流电动机的初级或次极。导轨用来引导车辆的纵方向，导轨的形状有 U形、 T型、 L型等多种式样，其表面和侧面安装了产生悬浮力、导向力和牵引力的导体或线圈。磁浮列车受电磁作用产生的悬浮 力使车体与地面脱离，直线电动机非接触的牵引力产生了很大的直线速度。这些特殊的 技术 导致了特有的性能并提出了一系列性能指标与技术的参数。 按抬车力形成的原理，可将一系悬挂的悬浮方式分为电动悬浮（ EDS）、电磁悬浮（ EMS）及永磁悬浮（ PMS）三种，表 1-1中作了性能比较 1.4.1电动悬浮（ EDS，磁斥式） 超导磁体安装在车厢底部，一旦建立电流，即可在零电阻状态下保持永久通车，当车载超导磁体随车辆行走使地面导轨产生电流，由于超导磁体对感应磁场具有排斥作用，从而将磁力线压缩在超导磁体与地面导体的气隙里，形成了“磁nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 16 页 垫”，产生了抬车力。低速时抬车力小，故车辆加辅助轮，高速时车体可达100-300mm的悬浮高度，代表车型有日本研制的 MLU001、 MLU002、 MLU002N及 MLX01型。 1.4.2电磁悬浮（ EMS，磁吸式） 转向架两侧可控制电磁铁与磁性导轨相吸以提升车体，励磁电流与气隙成正比，使用中气隙稳定在 8-12mm，最多为 20mm（如真空管道列 车）。气隙闭环后采用计算机集散控制概念中的“磁轮”，使之在行 走和停车时保持设计悬浮高度。代表车型有德国 transrapid、日本 HSST，韩国 komag。 德国 transrapid 磁悬浮列车（图中为轨道）与日本 HSST 磁悬浮列车 1.4.3永磁悬浮（ PMS，磁吸式） 早期采用的悬浮方式，用永久磁铁的吸力或斥力提升车体，大多利用吸力。永磁体采用钐钴磁纲或钕铁硼永久磁铁，因矫顽力大故能耗少，但简单的控制手段难以保证良好的平稳性。代表车型有德国 M-bahn。 目前的磁悬浮列车主要分成德国和日本两派。按抬车力形成的原理，可将悬挂的悬浮方式分为电动悬浮（ EDS）、电磁悬 浮（ EMS）和永磁悬浮（ PMS）三种，表 1-1 中列出了性能和比较。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 17 页 表 1-1 磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。 悬浮系统：目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（ EMS）和电力悬浮系统（ EDS） ，以及在早期采用的永磁悬浮（ PMS），但由于简单的控制手段难以保证良好的 平稳性，已经淘汰，在此故不作细论。 图 4给出了两种系统的结构差别。 电磁悬浮系统（ EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。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。 电力悬浮系统（ EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 18 页 于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在 “ 起飞 ” 和“ 着陆 ” 时进行有效支撑，这是因为 EDS在机车速度低于大约 25英里 /小时无法保证悬浮。 EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。 作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势： 首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在 1825 年，经过 140年努力，其运营速度才突破 200 公里 /小时，由 200公里 /小时到 300公里 /小时又花了近 30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的， 300 公里 /小时高速铁路的造价比 200公里 /小时的准高速铁路高近两倍，比 120公里 /小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是 1969年在德国出现的，日本是 1972年造出的。可仅仅十年后的 1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里 /小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入 500公里 /小时实用运营的建造阶段。 第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达 400-500公里 /小时，超导磁悬浮可达 500-600公里 /小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表 明，按总旅行时间考虑， 300公里 /小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于 700公里时才优越。而 500公里 /小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达 1500 公里以上。 第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为 500公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的 1 3。据德国试验，当 TR磁悬浮列车时速达到 400公里时，其每座位公里能耗与时速 300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到 300 公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低 33。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 19 页 1. 5 本文研究的主要内容 、目标与方法 本文的研究方 法是 由浅入深地 介绍超导 /常导磁悬浮系统的工作原理及控制原理。对 磁悬浮 工作原理的研究 过程 ，也就是我对磁悬浮 系统认识 的 逐渐深入 过程。结合这些基本原理， 再 根据我所学的知识，我设计了一个简单的模型，用来实现悬浮 现象 ，同时也对比真实的磁悬浮系统，进一步的对磁悬浮系统的控制原理进行解释。本文研究的 主要内容 就是磁悬浮系统中 的 各种控制手段和方法。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 20 页 第二章 常导磁悬浮的物理模型 在常导磁悬浮中，应用最为广泛，也最为人所知的也就是磁悬浮列车 了。所以在 以 下的常导磁悬浮研究部分，我就以最常见的常导吸力式磁悬浮列车做为 模型，研究和分析磁悬浮的控制原理和方法。 2 1 常导磁悬浮列车的物理模型 悬浮技术是低速磁浮的关键技术之一 ,悬浮能力的大小直接决定了客运能力 ,而悬浮能力则取决于悬浮系统的设计。从日本对低速磁浮的研究文献中 ,得到了悬浮磁铁和轨道的近似模型 ,如图 2-1 所示 1. 励磁线圈 ;2.磁极铁芯 ;3.轨道铁芯 ;4.感应导体板 图 2-1 悬浮系统的近似物理模型 悬浮系统的基本原理就是利用电磁铁对铁磁物质有吸引作用这一性质 ,通过对励磁线圈 通电励磁在磁极铁芯跟轨道之间产生悬浮力。 2.1.1 悬浮力的公式推导 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 21 页 计算悬浮力的公式为 : 式中 ,F 为悬浮力 ;B 为气隙磁通密度 ;p 为磁极宽度 ;l 为磁极长度 ;u0 为空气磁导率；根据磁势，磁通，磁阻和气隙磁通密度的相互关系 ,可得悬浮力的近似计算公式 : 式中 , 为单个气隙长度 ; 为励磁线圈安匝数，由于空气磁导率是一个定值 ,从式 (2)可以看出 ,悬浮力主要取决于磁极的物理参数 !励磁线圈安匝数以及气隙长度。 2.1.2 磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力 在设计悬浮系统的时候 ,磁极和导轨部分都做成形 ,目的是使 系统在提供悬浮力的同时 ,利用磁极左右摆动时产生的反方向的横向力让磁极回到中心位置 ,从而起到侧向导向的作用。磁极侧向偏移时悬浮力和导向力的近似计算公式 : 式中 , 为磁极侧向偏移时的悬浮力 为侧向偏移量 ; 为磁极侧向偏移时的导向力 ; 为经验系数 ,一般取 0.80.9。 2.1.3 磁浮列车的驱动原理 磁悬浮与线性驱动是磁浮列车两大技术特点，现在从驱动角度来分析选型。用线性电机取代轮轨机车中的旋转电机，纵向（列车运行方向）牵引力不受轮轨黏着力限制，这决定了磁浮列车具有牵引力大、爬坡能力强、起动快和 速度高等一系列优点。 磁浮列车采用的线性电机有两种不同型式，它们的主要技术特征见下表。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 22 页 长定子线性同步电机驱动 德国 TR和日本 MLU磁浮列车都采用长定子线性同步电机驱动，即电机定子三相交流绕组是铺设在地面线路两侧，动力电源 VVVF（变频变压变流器系统）也是在地面变电所内，列车运行控制要在地面运行控制中心完成，对同步电机的同步控制精度也很高，需要对列车的速度和位置进行精确测控，目前国内还没有这方面的技术。长定子方案，由于沿线铺设电机定子绕组，其造价必然很高。采用地面同步电机控制优点是功率大，功率因数高 ，适用于高速磁浮列车。 图 2-2示意地表示了德国 TR型磁浮列车长定子线性电机从传统旋转电机展开，设于地面定子铁心槽内的情况。 nts 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 23 页 图 2-2 长定子同步电机示意图 短定子线性异步电机驱动 日本 H
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