车辆构造高速磁浮系统专题

牵引动力国家重点实验室,专题二高速磁浮系统HighSpeedMaglevSystem,2,1、磁浮系统发展概况1.1世界各国磁浮技术发展概况1922年德国人HermannKemper提出了电磁浮原理，并在1934年获得世界上第一项有关磁浮技术的专利20世纪60年代磁浮系统的研究才开始起步对磁浮技术进行开发研究的有：美、英、德、法、日、加、前苏联、韩等国,3,美国于20世纪60年代初，由交通部主持成立了“全美高速地面运输系统研究中心”，组织力量对各种地面运输方式进行了全面研究。气浮列车，磁浮列车，高速轮轨列车，独轨列车，高速管道子弹列车（真空管道列车）。除真空管道列车外，其余均进行了原理试验及模型实物研究。结论：气浮和磁浮列车离实用化还有相当距离独轨列车只适用于城市内低噪声交通高速轮轨列车具有现实意义真空管道列车综合了各种先进的高新技术，具有发展前景,4,英国于20世纪60年代末，在BR支持下研究磁浮铁路，主要解决市内短程交通问题，由Derby铁路研究所负责。1974年，在100m长试验线首次进行了低速短定子直线电机磁浮列车试验，车长3.5m，重3t。1984年，建成620m长连接伯明翰机场和火车站的低速磁浮系统，最高速度50km/h。运行1.5min，2600人次/h。是世界上首条商业运营的公共运输低速磁浮系统。1996年由于磁浮车故障率太高，维护频繁，磁浮系统停运。,5,法国于20世纪70年代，曾与德国合作，研究开发磁浮系统方案。1983年对直线感应异步电机进行300km/h的高速试验。但与轮轨系统进行试验对比分析后，认为轮轨系统更有竞争力，终止了研究，集中研究TGV高速列车。加拿大70年代末，QueensUniversity开展了实验室理论和试验研究，但后来没有研制样车。,6,前苏联1976年开始从事电磁悬浮和永磁悬浮的理论和实验研究。80年代在莫斯科附近建成600m的磁浮试验线，磁浮样车重18t，短定子直线电机驱动，速度60km/h。韩国1988年，开始低速常导电磁悬浮的研究，1994年完成磁浮样车及500m长试验线，试验运行速度60km/h。汉城到釜山间的高速交通采用何种运输方式进行了论证，最后确定为轮轨高速，引进TGV，从而终止了磁浮系统的研究。,7,1.2德国磁浮技术的发展沿革1969年由大学和工业界的研究部门成立了磁浮技术研究小组，设计制造了第一台电磁悬浮的模型车TR-01。1971年、1972年开发成功TR-02型和TR-03型异步短定子直线电机磁浮车，建成660m试验线。1974年试验成功TR-04型磁浮车，速度达200km/h。1976年研制成功”慧星号”磁浮试验车，首次证明磁浮车可以在400km/h以上速度运行。,8,1977年组织专家对长定子直线电机常导磁浮技术进行评定，认为是发展趋势。1979年第一辆长定子同步直线电机磁浮列车TR-05型研制成功，长27m，有70座两节车，速度100km/h。1983年TR-06型列车投入试运行，列车长54m，有192个座位，设计速度400km/h。1984年埃姆斯兰工程一期21.5km试验线投入使用，试验速度302km/h。,9,1986年蒂森公司牵头开发TR-07型列车，采用同步长定子线性电机及电磁悬浮导向，设计速度500km/h。1987年埃姆斯兰特工程二期投入使用1989年，TR-07型列车试验速度436km/h。1993年，TR-07型列车试验速度450km/h，当时的载人世界记录。1997年，蒂森公司开发了TR-08型列车，由5节组成，设计速度500km/h，计划用于柏林-汉堡线，线路长292km。2000年，柏林-汉堡线修建项目取消。,10,德国常导(EMS)磁浮车TR-08在埃姆斯兰特试验线,11,德国常导(EMS)磁浮车TR-08在上海浦东机场线,12,1.3日本磁浮技术的发展沿革超导电动型高速磁浮发展概况1962年开始研究磁浮高速铁路1966年，美国的鲍威尔和丹比在ASME会刊发表有关如何运用超导磁铁的磁场使列车悬浮的文章。1969年，又联名发表有关利用线性同步电机驱动的文章。成果被日本国铁看中。1971年，利用装有超导磁铁的低温恒热器使列车成功浮起。1972年为纪念铁路100周年，进行了运行试验，取名ML100型试验车，速度60km/h。,13,1975年宫崎试验线开工，导轨呈倒T形，单线，长7km，设计速度500km/h，1977年建成。1979年ML500型试验车达517km/h。1980年，导轨改为U形结构，运行MLU001型列车。2节编组1981年试验速度405km/h，3节编组1982年352km/h.1987年，研制成功MLU002型列车，1991年失火烧毁.1992年，研制成功具有防火性能的MLU002N型列车，1994年试验运行速度431km/h.,14,1996年,山梨试验线第一段完工。1997年用3节车编组的新型MLX01超导磁浮列车达到550km/h，载客运行531km/h。1998年,交会试验达到966km/h。1999年,模拟满载工况试验达到552km/h。2003年,试验速度达到581km/h。,15,常导电磁型低速磁浮发展概况1972年始于东京大学1974年，小型试验装置的浮起试验成功1975年试制成HSST-01型不载人样车，走行试验初步成功。1977年，01型车最高试验速度达到307.8km/h。1978年，02型车载人运行最高速度110km/h。1985年，研制成功03型车1988年，研制成功04型车1993年，在名古屋修建1.5km单线磁浮试验线，运行HSST-100型磁浮列车，最高速度110km/h。日本还在研制更高速度的HSST-200，HSST-300型磁浮列车，但尚未达到实用化。,16,日本超导（EDS）磁浮车MLU002型在宫崎试验线,17,日本超导（EDS）磁浮车MLX01型在山梨试验线做交会试验,18,日本常导（EMS）短定子磁浮车HSST-01型在东京,19,2、磁浮系统的分类及工作原理2.1磁浮系统的特点和分类异性相吸、同性相斥的电磁感应原理直线电机驱动，运行时车体悬浮或吸浮于导轨上面，并与之保持一定间隙。无轮轨间的摩擦，不受粘着条件限制。磁浮列车一般分：常导吸引型（EMS，也称电磁悬浮型）超导排斥型（EDS，也称电动悬浮型）,20,（1）常导吸引型（EMS）采用常导磁铁（即普通磁铁），导轨为导磁体，装在车上的常导磁铁励磁后产生磁力吸向导轨，使车辆悬浮。悬浮高度10mm左右，采用气隙传感器控制悬浮间隙。成本低，但悬浮控制为不稳定型。长定子同步直线电机推动：效率较高，主要用于高速运行，速度400-500km/h。典型代表为德国的TR系列磁浮列车短定子感应直线电机推动：效率较低，适用于低速运行，速度50-100km/h。典型代表为日本的HSST系列磁浮列车,21,（2）超导排斥型（EDS）采用超导磁铁，磁场特别强，利用磁极同性相斥原理，使车辆悬浮。悬浮高度100mm左右，悬浮控制为稳定型。推进装置采用长定子同步直线电机成本高，但运行速度可高达500-600km/h。低温超导悬浮：采用-2690液氦冷却，典型代表为日本的MLX型高温超导悬浮：采用-1920液氮冷却，具有广泛应用前景，为实验室实验阶段，典型为我校研制的高温超导磁浮车。,22,磁浮系统分类,23,2.2磁浮列车的工作原理2.2.1长定子同步直线电机推进的常导吸引型（EMS）德国TR-07磁浮列车外型磁浮列车与路轨相互作用示意图,24,（1）悬浮原理T型梁翼底部为同步直线电机的定子，下方为安装在车体上的悬浮电磁铁，即为同步直线电机的转子。悬浮电磁铁通电产生磁场，与定子的铁心产生吸引力，使磁浮车往上吸向定子，利用位移传感器控制悬浮气隙，保持在10mm左右。（2）导向原理磁浮列车的车体从两侧将T型梁的翼缘围抱，T型梁的翼缘两侧面为导向轨，安装在车体上的导向电磁铁通电后与之产生吸引力，通过测量两侧导向电磁铁与导轨的间隙，并调节导向电磁铁的电流，就可控制列车位于对中位置。磁浮车与T型轨梁翼缘作用示意图,25,（3）牵引原理相当于将旋转电机的定子切开，沿路轨展开，车体上的悬浮电磁铁，为电机的转子，定子中三相绕组产生的移动行波磁场，作用于转子，从而产生电磁牵引力。调节定子供电频率与电压，即可改变磁浮列车的运行速度。长定子直线电机工作原理,26,（5）同步直线电机定子的供电原理定子分段铺设于线路上，每段长度不等，视列车长度、该段速度、加速度、坡度、弯道等情况而定，一般为300-2000m。定子线圈供电来自沿线的变电站，一般变电站间距25-40km。两变电站间只允许一列车运行，仅对列车所在的那段定子供电。直线同步电机控制，采用VVVF变频变压调速方式。常导长定子磁浮列车定子供电示意图,27,（4）车上非接触供电原理车体上的悬浮电磁铁和导向电磁铁，以及车载控制、照明、空调等用电，均来自车载电源和直线发电机。装在悬浮电磁铁上的直线发电机绕组,28,根据实际运行线路对功率需求来确定该段长定子直线电机的容量,29,（6）制动原理常导磁浮列车的正常制动均利用同步直线电机作为发电机进行控制。高速运行时采用再生制动，将列车动能转化为电能回馈给电网。列车速度较低时，再生制动改为电阻制动。列车速度很低时，直线电机改为反接制动，即电机的牵引方向与列车运行方向相反，直到列车停止。当直线电机制动失灵或需要紧急制动时，采用涡流制动，即车上的涡流制动电磁铁励磁，使侧向导轨上产生涡流形成制动力。,30,2.2.2短定子感应直线电机推进的常导吸引型日本HSST-100型磁浮列车外型1-车上悬浮及导向电磁铁2-路轨上导向轨及直线电机转子板3-车上直线电机短定子绕组4-车上发电系统磁浮列车与路轨相互作用示意图,31,（1）悬浮与导向原理悬浮电磁铁与导向电磁铁合一，既能保持垂直方向车体与轨面下端悬浮间隔距离，又能保持车体与轨侧面的间隙。悬浮与导向原理图,32,（2）牵引原理与长定子直线电机驱动方式不同，短定子直线电机驱动是将定子绕组固定在车上、而转子展开铺置于路轨上。当定子绕组通电后，转子中感应产生磁场，由此产生电磁牵引力。直线电机定子的整套电源装置放在车上。短定子直线电机的定子与转子驱动原理图,33,（3）车上非接触供电原理专门设置了一套非接触直线发电系统，供直线电机定子绕组、悬浮导向电磁铁励磁、车内控制、照明、空调等用电。（4）制动原理与TR系列磁浮列车基本相同。由于短定子感应直线电机驱动，在定子两端由于漏磁等原因，直线电机的功率因数较低，效率也较低。加上悬浮、导向电磁铁合一使用，速度太高时难于控制。因此，只能实用于中低速城市交通运输，最高速度不超过300km/h。,34,2.2.3长定子同步直线电机推进的低温超导排斥型(EDS)1-车上悬浮导向及直线电机转子功能合一的超导电磁铁2-路轨上长定子绕组和悬浮、导向绕组3-辅助支撑轮4-横向支撑轮磁浮列车与路轨相互作用示意图,35,（1）悬浮原理8字形悬浮绕组固定在路轨侧壁上，当车上的超导磁铁以一定速度通过时，上下绕组磁通不均衡给超导磁铁一向上的力，从而使车辆悬浮。超导排斥型必须使列车达到一定速度(150km/h)，才有足够的悬浮力。所以，须有辅助车轮支撑。磁浮列车悬浮原理图,36,（2）导向原理8字形悬浮绕组通过路轨下面相连，构成一个回路。当车偏离中心即其上的超导磁铁发生横向偏移，左右绕组的磁通不一样，一侧绕组产生排斥力，另一侧绕组产生吸引力，使车辆对中。磁浮列车导向原理图,37,（3）牵引原理超导排斥型磁浮列车的牵引原理与常导吸引型相同，都采用长定子同步直线电机来牵引。长定子三相绕组产生一个移动的行波磁场，超导电磁铁励磁后产生同步的电磁牵引力，使列车前进或后退，改变供电电流频率与电压，可改变牵引力，从而可改变速度。磁浮列车牵引原理图,38,（4）制动原理再生制动电网发生故障，为电阻制动绕组短路制动，即将许多路轨侧面的绕组相互联结起来短路，产生电磁阻力。轮盘制动闸靴与导轨的摩擦制动空气动力制动（张开空气阻力板）,39,常导吸引型与超导排斥型的技术特性比较,40,3.高速磁浮系统的特点及适用性分析3.1能达到高速度的根本原因不受轮轨粘着条件的限制磁浮系统本身为一个大直线电机加大功率不受任何空间的限制可以爬更陡的斜坡(千分之一百）速度500-600km/h,41,3.2达到大运输能力的基本技术条件运输能力三要素：车辆载客量，列车编组，行车密度。（1）增加车辆载客量受悬浮力的影响（2）增加列车编组长度增加直线电机功率，要增加供给直线电机定子的电流电压，电压受定子绕组绝缘的限制，目前22kV已是极限。电流受绕组导线截面及定子铁心磁通饱和的限制，线路损耗大。磁浮系统必须按列车最大编组的需要功率一次建成，建成后在扩大编组不可能。目前，最大编组10-14辆。（3）提高行车密度每一变流站只能供一列车用电，也即一个供电区间只能一列车运行。增加行车密度，需增加变流站数量。从目前磁浮系统的水平来看，最大运输能力不会超过新干线的1/2。,42,3.3降低造价与成本日本山梨试验线18.4km，2400亿日元，是新干线的2倍。上海浦东磁浮运营线30km，造价130亿。需全线