磁悬浮列车的工作原理及技术经济特性

1、摘要：直线电机已末尾在磁悬浮铁路、城市轨道交通中运用。引见了直线电机的分类、3种典型的磁悬浮铁路和直线电机驱动的轮轨交通，对上述交通方式的技术经济特征停止了对比，总结了上述交通方式的适用范围。关键词：直线电机；磁悬浮；城市轨道交通；适用范围TheModesandfeaturesoftheTransitSystemsDrivenbyLinearMotorWEIQingchao1,FENGYawei1,SHIHong1,2(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,BeijingJiaotongUniversity2. BeijingUrbanEngine

2、eringDesign&ResearchInstitute.)Abstract:LinearmotorhasbeensuccessfullyusedinMeglevtransitsystemandrapidrailtransitsystemforyears.ThetransitsystemsdrivenbylinearmotorareclassifiedasMaglevsystemandwheel-railsystem.ThetypicalMaglevsystemincludesJapaneseMLXsystem,GermanTransRapidsystemandJapaneseHSS

3、Tsystem.Thetechnicalandeconomicfeaturesofthesesystemsarecomparedandthesuitableapplicationfieldsofthesesystemsaresummarizedinthepaper.Keywords:linearmotor;Maglev;urbanrapidrailtransit;suitableapplicationfields1、引言从1825年世界第一条铁路出现算起，轨道交通已有近180年的历史。特别是上个世纪中叶以来，随着科技的提高，轨道交通运输方式不只在诸如速度、密度、重量等功用方面有了很大提高，而且

4、轨道交通方式自身也发作了庞大的革新。快速轨道交通有地铁、轻轨、单轨等多种方式。牵引方式历经蒸汽牵引、内燃牵引、电力牵引等阶段，目前在世界范围内又开展出直线电机牵引的交通方式，包括磁悬浮铁路、直线电机轮轨交通、磁悬浮飞机等。该交通方式目前正在迅速开展，未来会成为本世纪的主要交通方式之一。本文引见以直线电机作为牵引方式的新型客运交通方式，主要包括技术原理和技术经济剖析，最后对我国开展轨道交通系统提出开展建议。2.直线电机及分类2.1直线电机原理传统的轮轨接触式铁路，车辆所取得的牵引力或称驱动力、导向力和支承力均依托轮轨相互作用取得，电传动内燃机车或电力机车的牵引动力来自于传统的旋转电机。直线电机交

5、通系统不运用传统的旋转电机而运用直线电机(linermotor)来取得牵引动力。可以想象将传统的旋转电机从转子中心向一侧切开并且展直，这样旋转电机那么变为直线电机。或许以为直线电机是半径有限大的旋转电机。这时定子中的旋转磁场将变为直线移动磁场，车辆将随着直线电机磁场的移动而向前运动。2.2直线电机分类直线电机可以依据磁场能否同步、定子长度及驱动方式等要素停止分类。2.2.1按直线电机定子长度划分依据定子长度的不同，直线电机可以划分为长定子直线电机和短定子直线电机。长定子直线电机的定子初级线圈设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上有限长地铺设，故称为长定子。长定子直线电机通常用在高速及超高速磁悬浮

6、铁路中，运用在长大支线及城际铁路范围。短定子直线电机的定子设置在车辆上。由于其长度受列车长度的限制，故称为短定子。短定子直线电机通常用在中低速磁悬浮铁路及直线电机轮轨交通中，用在城市轨道交通范围。2.2.2按直线电机的磁场能否同步划分导轨磁场与车辆磁场可以同步运转，也可以不同步运转。据此可以将直线电机划分为直线同步电机和直线感应电机两大类型。直线同步电机LSM(LinerSynchronousMotor)普通采用长定子技术，定子线圈初级线圈装置在导轨上，而转子线圈次级线圈装置在车辆上。导轨上的转子磁场与车辆上的定子磁场同步运转，控制定子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运转速度。高速、超高速磁

7、悬浮铁路普通运用该种长定子直线同步电机。德国的运捷TR和日本的MLX系统均运用这种直线同步电机。其原理见图1。图1长定子直线同歩电机原理图图1长定子直线同步电机原理图直线感应电机LIM(LinerInduetionMotor)普通采用短定子技术，与LSM正好相反，定子线圈初级线圈装置在车辆上，而转子局部那么装置在导轨上。转子磁场与定子磁场不同步运转，故也称为直线异步电机。中低速磁悬浮铁路如HSST及直线电机轮轨交通普通运用该种电机。其原理见图2。團2短宦子直録駆电机原理團图2.短定子直线感应电机原理图2.2.3按驱动方式划分列车的运转工况牵引、惰行、制动及运转速度完全由定子绕组中的移动磁场控制

8、。依照直线电机的初级线圈定子线圈的安设位置不同，直线电机牵引的轨道交通可以划分为导轨驱动和车辆驱动两种类型。导轨驱动也称为路轨驱动或空中驱动，采用长定子直线同步电机LSM。直线电机的初级线圈定子线圈设置在导轨上，采用长定子同步驱动技术。其列车的运转工况及运转速度由空中控制中心控制，列车司机不能直接控制。导轨驱动技术普通用于长大支线铁路或城际轨道交通。德国的运捷TR和日本的MLX系统均运用这种驱动技术。列车驱动技术采用短定子直线感应电机LIM。直线电机的初级线圈定子线圈设置在车辆上，其列车的运转工况及运转速度由列车司机控制，故称为列车驱动。列车驱动技术普通用于城市轨道交通，用于中低速磁悬浮铁路如

9、HSST及轮轨直线电机铁路。3. 直线电机交通形式直线电机交通主要包括磁悬浮铁路和直线电机牵引的轮轨交通两种类型。磁悬浮铁路的典型形式包括日本的超导超高速磁悬浮MLX、德国的常导超高速磁悬浮''运捷TR和日本中低速磁悬浮HSST。3.1德国常导磁悬浮TR系统德国常导磁悬浮TR系统采用了长定子直线同步电机LSM驱动，悬浮和导向采用电磁悬浮EMS原理，应用在车体底部的可控悬浮电磁铁和装置在导轨底面的铁磁反响轨（定子部件）之间的吸引力使列车浮起，导向磁铁从正面使车辆与轨道坚持一定的侧向距离，坚持运转轨迹图3。高度牢靠的电磁控制系统保证列车与轨道之间的平均悬浮间隙坚持在10mm，两边横

10、向气隙均为810mm。导向县浮图工德IDtk茶甄庐理觀3.2日本超导磁悬浮MLX系统日本超导磁悬浮MLX系统采用了长定子直线同步电机LSM驱动，见图4。在导轨侧壁装置有悬浮及导向绕组。当车辆高速经过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮绕组中发生感应电流和感应磁场，控制每组悬浮绕组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而发生引力、下侧极性与超导磁场极性相反发生斥力，使得车辆悬浮起来，悬浮高度为100mm。假设车辆在平面上远离了导轨的中心位置，系统会自动在导轨每侧的悬浮绕组中发生磁场，并且使得偏离侧的空中磁场与车体的超导磁场发生吸引力，接近侧的空中磁场与车体磁场发生排挤力，从而坚持车体不偏离导

11、轨的中心位置如图5所示。2002年6月在山梨实验线新投入实验运转的MLX01-901实验车见图6，该实验车最近发明了580km/h的列车最高实验速度。5.日車血N悬浮、辱向扇理图&.新型ML1C试验车,3.3日本中低速磁悬浮HSST系统中低速磁悬浮系统以日本的HSST为代表，主要运用于速度较低的城市轨道交通和机场铁路。日本HSST为空中交通系统，采用列车驱动方式，电机为短定子直线感应电机LIM。电机的初级线圈定子装置在车辆上，转子或称次级线圈沿列车行进方向展开设置在轨道上，见图2。在悬浮原理方面，HSST系统与德国TR相似，不同之处在于HSST系统将导向力与悬浮力合二为一。我国的磁悬浮

12、铁路研讨目前大都侧重于中低速范围，并且大都参照HSST技术研制。未来用于名古屋东部丘陵线的车辆及轨道见图7。图7.HSST车辆及轨道3.4直线电机轮轨交通系统如前所述，磁悬浮铁路与传统轮轨铁路在驱动、支承悬浮和导向三方面的原理和所采用技术完全不同。在轨道交通体系中，直线电机轮轨交通系统是一种新型的介于上述二者之间的轨道交通方式。该种轨道交通应用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨系统相似。但在牵引方面却采用了短定子列车驱动直线感应电机LIM驱动，任务原理与HSST系统直线电机原理基本相反见图2。现在级线圈通以三相交流电时，由于感应而发生电磁力，直接驱动车辆行进，改动磁场移动方向，车辆运动的方向也

13、随之改动。车辆颠簸运转时，定子与感应轨之间的间隙普车如转向架J11頂i国丫.通坚持在10mm左右。该系统原理见图8,车辆见图9。图8直线电机轮轨交通原理虧感应軌(转子】9.直竝电机轮轨交通车辆心迄今为止，该系统曾经在4个国度的9个城市建成，总里程已超越180km。见表1。表1直线电机轮轨交通系统运用状况统计表枣1亘线电碱軌交通系统应用情况统计表开通年份-娜怅廳(km)口丰站热车映拥圣大温哥华SkyTraix210p加塞天參伦金Scarfcarough线、L905P计r2&p勻来西亚言隆境PUTRA系统山吸29如松美国底特律DPM系统15074.81%IM芙豳约等足座机场绘200畑1&q

14、uot;卢日本大飯市营地铁畑L?90f1舁17tfIDOf日本东京大祗户统地铁口号觀292貶.沖咖328p日璋神户甫莒皱糕海障纯门2002P7.畀124Bp日本横溟市营地犠4号线“2000p首期13【全线丄)<背期1应全疑32>卢另外日本福冈地铁3号线将于2006建成，韩国、美国华盛顿、法国巴黎等国度和城市有能够树立，我国广州地铁4、5号线已决议采用该系统，首都机场线也在研讨采用该系统。4. 技术经济比拟4.1 德、日高速磁浮铁路比拟德国常导超高速磁悬浮铁路TR与日本超导超高速磁悬浮铁路MLX系统的主要技术功用方面的比拟见表2。表2德日磁浮系统主要技术特点比拟養2療月瞬慕统至要技朮

15、特点抚康"港国TR乘知日怎MLX系统电薩吸弓丽侧矍电功无TSmm-lOuinLlOOcnmULt*运行逋度r高遽，趨高td超高邀卫飪速时悬澤状态4车轮芟政列寒回门层淳，号向控'制辺翊环控制"不霭控制，具封昌耘'庄£鍰路荷戦分爲/谨换分龍功力歸应小1*相对罢中电滋铁的段至冗余J常导电感轶有安全冗臬门理导电靈轶无安全冗笑门羽QkmflHmhu如北ttkrnXhJ车応1理力线泄需Q几乎没頁対人停无磚相对歳臺.但经测询扌生彻芫書底潟超辱邮技术纯罄道伽丿宀a111Z-Lr*11-JL-亠二wnn.一aw/-tri=）亠nun'm.TllLtr、心TT

16、i-r*w-Jr综合对比剖析日本电动悬浮MLX与德国电磁悬浮TR系统在技术、经济、环境三方面的功用，可以得出如下结论。1、MLX系统造价高、超导技术难度大；TR系统造价相对较低，虽然控制系统复杂、准确，但技术相对成熟，大局部零部件具有通用性，市场供应方便。2、MLX系统车辆悬浮气隙较大，对轨面平整度要求较低、抗震功用好、速度快并且还有进一步提高速度的能够性，它还具有低速时不能悬浮的特点，因此更适宜于大运量、长距离、更高速度的客运。3、从经济和效率来看，在450km/h以上速度运转时，日本MLX系统优于德国TR系统；在300450km/h的速度范围内运转时，TR系统比拟优越；300km/h以下速

17、度时，采用轮轨高速能够更好。4.2 磁悬浮铁路与轮轨高速铁路比拟近年来，高速铁路开展迅猛，高速列车实验速度曾经到达515.3km/h，实践运营速度也到达250300km/h。表3列出了磁浮铁路和轮轨高速铁路的主要技术目的。表3磁浮铁路和轮轨高速铁路主要技术目的叢3醱浮铁躍和轮轨高谨孵主娶披术推标,轮轨耳速联牆口尿于哪傲茄较対成诙仅V站绻1贅年晒也史披术成熟1系骯口乖最高运营逋度F100550lWh.p200w350km/h陀制坡晏“皿碍I卜斗咖尽1±1皿)卫15?D"ft.在和QknVlJ5DCQ（30QknVh）曲縄外侧翅高帶""0三和对吐畅嘩可疋沖厂

18、汁術荷载f集中荷載矗轨局闌嵌遐力尢厂JOQLnmfTi加谨离J卒(丁尺在3COkn/i74ICE在500kmfli）-寿护绘懺费肉洌*引和（ffiCT尺在弓OiQhWh）pBS-90d&（ICE30Dkm/H）安全、防氏ttH备脱轨i不撻车序易疏散、救叢"筋疏瓠皴瘠有可拒拔生脱轨爭板卢11经过上表剖析可以以为：磁浮高速铁路和轮轨高速铁路各自有突出的优点和适用范围，任何非此即彼的看法都是不迷信的。在高速的速度范围内(200350km/h)，空中轨道交通应以高速铁路为主体；在需求350600km/h超高速特定条件下，磁浮高速铁路优于轮轨高速铁路。长大支线、复杂地形条件下修建磁浮铁

19、路具有一定优势，在长途客运方面、地形平整条件下高速磁浮系统并无太大优越性。4.3 城市轨道交通不同形式比拟在城市轨道交通中比拟成熟的直线电机交通系统包括中低速磁浮系统HSST和直线电机轮轨交通系统，为了便于比拟，表4中也列出了传统轨道交通地铁、轻轨的综合技术经济目的。表4城市轨道交通系统综合技术目的弟斗城市執道交通系械综合按术擅标*比轅顶目，低握執道交通直無电机轮轨系躱中低逮聽淨系猊国产代率畐门9荼裟ISOkfflp妁城珈可厘步泊応吸牧*按椚比極咸魁，目前"肖无运兰纯路U扌阪KoHf1'釣却knVK的LlCtittVh左右屮约HOloiVh郃万*-4万“舌丁万卫dOftiv3

20、亦E0,车辆毁(35)鞄軌导向卫轮锁导向(徨向钱向架沪屯蹙尋向-證验桔琵磔|卫迥过左孑d感应扳羣弓1匸通过定子應应視室昌卫支承方苑电隆悬弄晉通道笛卫可中心執道岔、规棋那*移动铜梁或PC梁实现整体谊床、辞石诅压瀬，简戟眾龙“碎石道床也回/财S粱-區桥梁限畀藏丸获卜：畑土廛工程童"121.75桥梁Q8i仙】2加洪电Q高果色第三轨-高架确三第凹軌”拱电轨-増加机械传动附tmg耗牽引統电,隐奄引権电勺h曙加麗浮耗电m釣(LEWI.迪工号工艺卷级鈴篁用4>M占地a的拙艺顷*的L0绳+-詢1D公踰a环境Q噪芦“较大7粧Z小Q弱知较g平均谴偷卢地铳(4*5轻廟的2fekm)1约.0-(&am

21、p;tan釣工.2Qfcm/维护工牢蚩，務用a港护检惨工惟"堂丸，瘫印大"罐护检f萝工憎”誥卜费用小a维护植懺工布崑、*运营區用Q:、厉躬隍認门屈就、易勲捷易I疏妝*Sfijffi*3委脱轨、利童曲经过上表剖析可以以为：城市轨道交通包括市中心到机场之间的铁路距离较短，普通为十几千米至几十千米，沿途需求停靠的车站比拟密集。目前国际城市包括机场内轨道交通主要以地铁为主，但是由于工程造价、环境等诸多缘由，延缓了地铁的开展速度；中低速磁悬浮技术先进，但工程费用和运营费用较高，且目前尚无商业运营阅历，存在风险；直线电机轮轨交通技术先进，系统成熟、平安牢靠、工程造价低、运营费用低、环保

22、功用好，适宜市内和市郊的中等运量运输，值得鼎力开展。4. 结论和建议经过如上剖析，对我国开展轨道交通系统提出如下建议：1、在超高速铁路速度范围内(350550km/h)应重点开展磁悬浮铁路。但选用MLX系统还是选用TR系统主要看对速度的要求，德国TR技术的运用速度范围比拟宽，从300km/h到450km/h，日本的ML技术在更高的速度范围(400k/h到550km/h)内更具有优势。2、在高速铁路(200350km/h)范围内应重点开展轮轨高速铁路。我国行将构建快速客运专线网，高速轮轨技术具有宽广的开展前景。在此速度范围内也可思索开展高速磁悬浮铁路(MLX或TR系统)。3、高速铁路在未来的一段时间内依然是高速轨道交通的主要方式，但超高速磁悬浮的开展也是不可阻挠的。他们的运用速度范围各不相反，无法相互替代，应该共同开展、共同兴盛。4、在中速(120200km/h)范围内应重点开展传统轮轨铁路。在该速度范围内，目前还没有其他的轨道交通方式与中速铁路构成竞争力。5、在低速(120km/h)范围内有较多的技术可供选