磁悬浮列车发展现状

1、哈尔滨工业大学磁悬浮列车发展现状 姓 名： 指导老师： 学科专业： 电气工程及其自动化 学 院： 电气学院 提交日期： 2013年3月4日电气学院 摘要:磁悬浮列车是一种新型的高速有轨地面运输系统 ,开创了铁路运输史上的新时代。磁悬浮运输系统是一种介于轮轨铁路和航空之间的一种独特的高速地面运输系统。本文主要从磁悬浮列车的分类、关键技术、重要性、国内外发展四个方面介绍磁悬浮列车的发展现状。关键词: 磁悬浮列车；磁悬浮列车的工作原理；悬浮；推进；导向；常导型；超导型0 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,

2、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 磁悬浮列车的意义、重要性及必要性 速度是人类永恒追求的目标。如今在欧洲及日本,高速列车以成为普及,时速超过200公里/小时的速度,同时进一步拉近了城市与城市、甚至国家与国家的距离,大力促进信息沟通和人才流动。现代科技造所就的社会的特征之一是大信息量和信息广泛高速传输,在人们头脑中建立了全新的地域和速度概念,而且成为一种全球性文化越来越不

3、可更改。伴随着人类这种对高速的渴求,磁浮技术应运而生,在多个国家的实验室里,科学家和工程师们力图将这种常规机电产品与现代控制技术相结合的产物投入商业运用。好多人羡慕上海,因为上海拥有世界上唯一一条投入商业运营的磁浮线,因为有那么多的国家都参与了磁浮技术的研究,而只有上海建成了真正意义上的磁浮运营线。她的成功再次证明了磁浮技术的安全性、经济性、先进性；当然,其所带来的经济效应和政治效应更是无法估计的。2 磁悬浮列车的悬浮、制导及驱动方式 （1） 悬浮方式 磁浮有3个基本原理。第一个原理是当靠近金属的磁场改变，金属上的电子会移动，并且产生电流。第二个原理就是电流的磁效应。当电流在电线或一块金属中流

4、动时，会产生磁场。通电的线圈就成了一块磁铁。磁浮的第三个原理我们就再熟悉不过了，磁铁间会彼此作用，同极性相斥，异极性相吸。现在看看磁浮是如何作用的：磁铁从一块金属的上方经过，金属上的电子因磁场改变而开始移动 （原理一）。电子形成回路，所以接着也产生了本身的磁场（原理二）。图 1 以最简单的方式来表达这个过程，移动中的磁铁使金属中出现一块假想的磁铁。 这块假想磁铁具有方向性，因是同极性相对，因此 会对原有的磁铁产生斥力。也就是说，如果原有的磁铁是北极在下，假想磁铁则是北极在上；反之亦然。因为磁铁的同极相斥（原理三），让磁铁在一块金属上方移动，结果会对移动中的磁铁产生一股往上推动的力量。如果磁铁移

5、动得足够快，这个力量会大得足以克服向下的重力，举起移动中的磁铁。 所以当磁铁移动时，会使得自己浮在金属上方，并靠着本身电子移动产生的力量保持浮力。这个过程就是所谓的磁浮，这个原理可以适用在列车上。下面介绍常导磁吸式（EMS）和超导磁斥式 （EDS）列车的具体运行原理。图 1 悬浮原理 常导磁吸式(EMS) 利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，见图2所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，

6、使车体与导轨之间保持大约10 mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。 超导磁斥式(EDS) 此种形式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈(超导磁体)通电流，产生强磁场，地上线圈(铝环)与之相切与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，来产生悬浮力将车体抬起来的。如图3所示。由于超导磁体的电

7、阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向下位移时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小电流增大， 使悬浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100km/h时车体才能悬浮。因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制。 图2 常导吸引式磁悬浮原理图 图3 超导磁斥式磁悬浮原理图 （2）导向方式 磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。现按常导磁吸式和超导磁斥式两种情况简述如下。 常导磁吸式的导向系统与悬浮系统类似，是

8、在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。 超导磁斥式的导向系统可以采用以下 3 种方式构成: 在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮， 使之与导向轨侧面相互作用(滚动摩擦)以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作

9、用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。 利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8” 字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。 （3）推进方式 磁悬浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。常导磁吸式磁悬浮采用短定子异步直线电机。在车上安装

10、三相电枢绕组，轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。这种方式结构比较简单，容易维护，造价低，适用于中低速城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统；主要缺点是功率偏低，不利于高速运行。其中TR 型快速动车和上海引进 的 Transrapid 06 号磁悬浮列车，以及日本的 HSST型磁悬浮列车都采用这种形式。超导磁斥式磁悬浮采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用，为直线同步电机的激磁线圈处 于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一 个冷却系统，或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。高速长定子同步直线电机

11、牵引系统的构成相对复杂。地面牵引系统，供电一个区间（长约30km）区间又分成许多段（约300-1000 m），每段只有列车通过时供电，各段切换由触点真空开关完成。为使列车在段间不冲动，需两组逆变器轮 流供电，其特点为大功率、高压、大电流。动力在地面的优势有路轨电机的功率强以及车辆的设计简化、重量轻。适用于高速和超高速磁悬浮铁路。日本和加拿大决定发展这种磁悬浮系统4。3 磁悬浮列车的主要特点 （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500km/h 以上； （2）稳定安

12、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； （5）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。4 磁悬浮列车的分类与关键技术 （1）根据磁悬浮列车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。 常导吸引型 常导吸引型磁悬浮

13、列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体，用气隙传感器来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10 mm 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。 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，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1000km/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）按悬浮技术，磁悬浮列车按悬浮方式有电磁吸引式悬浮(EMS)和永磁力悬浮(PRS

14、)及感应斥力悬浮(EDS)两种。 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。 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 0.1 MPa。其缺点为横向位移的不稳定因素。 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100km/h，它不适用于低速。 5 国内外磁悬浮列车技术发展现状 目前 ,在世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。美国和前苏联分别在上世纪70年代和80年代放弃了研究计划 ,但美国最近又开始了研究计划。英国从 1973 年才开始研

15、究磁悬浮列车 ,却是最早将磁悬浮列车投入商业运营的国家之一。1984年4月 ,从伯明翰机场到火车站之间600m长的磁悬浮运输系统正式运营 ,旅客乘坐磁悬浮列车从机场到火车站仅需90s。但1995年 ,在运行了11年之后 ,被停止运营，目前对磁悬浮列车研究最为成熟的是德国和日本。 德国从1968年开始研究磁悬浮列车 ,刚开始时 ,常导型和超导型并重 ,于1977年分别研制出常导型和超导型试验列车。但后来经过分析比较 ,决定集中力量只发展常导型磁悬浮列车。目前德国在常导磁悬浮列车研究上的技术已经成熟。 日本从1962年开始研究常导型磁悬浮列车 ,后来由于超导技术的发展 ,日本从70年代开始转向研究

16、超导型磁悬浮列车。1972年12月在宫崎磁悬浮铁路试验线上 , 时速达到了204 km/ h 。1979年12月又进一步提高到517 km/ h 。1982 年 11月 ,磁悬浮列车的载人试验获得成功。1995 年载入磁悬浮列车试验时的时速高达411km/h 。1997年12月在山梨县的试验线上创造出时速为550km/h的世界最高记录。最高时速与试验线的长度有关 ,德国的试验线两端是环形的 ,直线部分只有约7km ,日本的试验线是直线且很长 ,故能达到较高的时速。 中国在上世纪80年代初开始对低速常导型磁悬浮列车进行研究。1994年10月 ,西南交通大学建成了首条磁悬浮铁路试验线 ,并同时开展

17、了磁悬浮列车的载人试验 ,成功地进行了4个座位 ,自重4t ,悬浮高度为8mm ,时速为30km/h 的磁悬浮列车试验 ,于1996年1月通过铁道部组织的专家鉴定。然后 ,在铁科院环形试验线轨距2m,长36m ,设计时速为100km的室内磁悬浮试验线路上成功地对长6.5 m ,宽为3m ,自重4t ,内设15个座位 ,设计时速为100km/h 的低速常导6t单转向架磁悬浮试验车进行了试验 ,于1998年11月通过了铁道部科技成果鉴定 ,填补了中国在磁悬浮列车技术领域的空白 ,从而使我国对磁悬浮列车的研究跨入了先进国家的行列6。6 磁悬浮列车应用与发展前景 （1）真空磁悬浮列车 目前，西南交通大

18、学牵引动力国家重点实验室课题组正在积极研发试验真空管道高速交通。在未来两三年内，实验室将推出时速6001000千米的真空磁悬浮列车实验模型，10年之后可能投入运行。根据现在的理论研究，这种列车最高时速可达到2万千米。 （2）声悬浮 声悬浮是通过声音压力波使物质悬浮在稀薄的空气中。和电磁悬浮技术相比，它不受材料导电与否的限制，且悬浮和加热分别控制，因而可用研究非金属材料和低熔点合金的无容器凝固。声悬浮现象最早是1886年被发现的，随着航天技术的进步和空间资源的开发利用，声悬浮逐渐发展成为一项很有潜力的无容器处理技术。声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应，其基本原理是利用声驻波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量，同时产生水平