磁悬浮列车技术与控制

磁悬浮列车技术与控制

0磁悬浮列车的研究进展轨道可以像飞机一样与轨道紧密接触，以速度行驶。这是人类的共同梦想。随着科学技术的发展,特别是固体电子学的出现,科学家们发明了磁悬浮列车技术。磁悬浮列车的核心技术是悬浮与推进,并需要一套复杂的自动控制系统。下面本人结合在多年教学中所累积的磁悬浮列车知识总结如下。1高速列车系统点磁悬浮列车是一种采用无接触电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统,时速可达450～550km。主要可分为两种:一种是电磁型(EMS),也称吸力型、常导型;另一种是电动型(EDS),也称斥力型、超导型。1.1悬浮式推进系统在车体内装有电磁铁,路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小根据间隙传感器的信号进行调节,使车体与路轨间保持一定距离。悬浮力的大小与车速无关,任何车速时均能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小,约Icm。出于安全考虑,设有应急备用车轮。车身前进的动力由直线感应电机或直线同步电机提供。它的悬浮和推进系统消耗的功率很小,一般为IkW/t。结构、材料简单,但车体较重。1.2速度结构设计在车体内安装有超导线圈,轨道上分布有按一定规则排列的短路铝环。当超导线圈内通电时,就产生强磁场,在列车以一定速度前进时,该强磁场就在路轨的铝环内产生感应电流,两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排斥力就愈大,当速度超过一定值(时速80km以上)时,列车就脱离路轨表面,最大距离可达数10cm以上。其悬浮是自稳定的,无须加任何主动控制。由于采用大气隙悬浮,即使车体有稍许不平衡,或车体与轨道有些许对不准,或轨道上有冰雪之类杂物,均不会影响列车运行的安全性。采用超导线圈虽可减轻线圈结构的重量,但却要增设超导所需的致冷系统,致冷电源也增加了功耗。这种结构的磁场若不加屏蔽,会增加环境的电磁污染。在低速行驶时,列车还需轮轨系统支撑,侧向稳定也要另加控制设备。2磁浮列车的驱动方法主要有直线感应电机(LIM)、直线同步电机(LSM),以及直线磁阻电机(LRM)和Z字型单极直线同步电机。后两者很少采用。2.1次级电磁磁场直线感应电机也称短定子直线感应电机,它的初级绕组装在车体上,定子由硅钢片叠成,横向开有许多齿槽,用于安放电机绕组。次级采用低碳钢实心结构,架设在轨枕上,其上附设一层次级导体(5mm厚的铝板)。当初级绕组加上三相交流电之后,在气隙空间形成一个平移磁场。该磁场切割次级导体,在导体中产生感应电流。该感应电流形成的磁场与初级绕组形成的平移磁场方向相反,从而在路轨与车体之间产生电磁推力。这种电机的速度低于同步速度,一般用于中速(100～200km/h)磁浮列车。2.2高速磁浮电机直线同步电机也称长定子直线感应电机,其初级绕组沿轨道铺设,故称长定子,定子线构与短定子类似。次级安装在车体上,为永磁体或直流绕组,在气隙空间建立起一个恒定的直流磁场。当初级绕组加上三相交流电后,在气隙空间形成一个平移磁场,与次级的直流磁场间产生电磁推力。这种电机的速度等于同步速度,一般用于高速(400～500km/h)磁浮系统。这种电机需沿轨道铺设大量导电线圈,并沿线建立许多变电站,用于区间供电。例如上海磁悬浮列车工程龙阳路车站、维修基地及全线全面达到受电状态、电压为20kV,这样的高压电产生的电磁力将使磁悬浮列车车体浮离轨道,在无接触、无摩擦的状态下实现高速行驶。3磁浮列车的特点3.1磁浮列车的速度特征磁悬浮列车是大面积悬浮支撑,单位面积受力较小。普通列车的速度主要是受限于轮轨间的粘性摩擦力,而磁浮列车的速度则受限于空气阻力。其最快速度可达到552km/h(日本)。由此可见,磁悬浮列车是陆上最快的交通工具,其速度仅次于飞机。3.2稳定舒适，噪音低因为车身与轨道之间无接触,轨道不平度的影响可通过控制系统被滤除。磁悬浮列车的噪声属于低水平噪声。3.3高速公路积大1.积磁悬浮列车路轨占地面积与普通列车相近,比高速公路占地面积要小得多。每千米的占地面积,六车道高速公路为42800m2,四车道的为28600m2;而单向磁悬浮路轨仅为14300m2。若是高架路轨,则几乎不占地面。3.4列车转弯半径磁浮列车爬坡能力可达100%,而轮轨高速为40%,在同等速度下,磁悬浮列车转弯半径比普通列车小,例如TR06轨道时速216km的曲率半径为1000m,可适应修建磁浮路轨的地段多,因而选择自由度较大。这意味铁路可较短、少占地面、耕地,可减少隧道和山谷桥架等建筑费用,降低总投资。3.5速度因素未考虑速度,单看能耗,似乎磁悬浮列车要比普通列车大,如果计及速度因素,考虑在不同速度下的功能指标,结论就不一样了。当时速达220km左右时,普通列车与磁浮列车的功耗基本上一致。再提高时速,磁浮列车的优越性就明显了,而普通列车已无法达到。3.6污染小磁悬浮列车采用电力驱动,不需燃油,这使它的发展不受能源结构,特别是燃油供应的限制;同时,无有害气体排放,环境污染小。3.7悬浮系统失效磁浮列车(EMS型)悬浮高度大约1cm左右,万一悬浮系统失效,应急车轮能支撑列车继续行进。另外,磁浮列车车体两侧像钳子一样卡住路轨,不易出轨,比普通列车安全。3.8长期运营和低维护成本磁悬浮列车没有车轮和铁轨的接触、震动小,舒适性好,其工作属于无磨损运行,维修主要集中在电子技术方面,不需大量体力劳动。4磁浮列车的应用和发展4.1磁悬浮列车是一种高创磁悬浮列车的核心技术是悬浮与推进,并需要一套复杂的自动控制系统。它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果,因而国际上把磁悬浮列车列为高技术产品。但对于已比较成熟的EMS型磁悬浮列车来说,它是高技术产品,却并非高价产品。它所依据的基础技术均属已成熟的技术,也不需要等待某一项技术的突破或某种特殊材料与器件的出现,所有材料与器件都是国内市场上可买到的商品。需要攻关的关键是,组成系统的技术和实现工程化。可以相信,一旦磁悬浮列车在中国某地的交通网络中出现,让人们实际体验到它的优越性,它在中国大地上的发展将是无可限量的。4.2铁路运输总体规划设计占地面积大,一般项目大,一般利用占地面积大的交通设施做大,一般利用高速公路中国幅员辽阔,人口众多,经济正处起飞阶段,交通问题十分紧迫。就陆路交通而言,中国可耕地面积仅占国土面积的17%,可耕地十分宝贵,因此不宜大量发展占地面积大的交通设施。据统计,高速公路每千米占地81000m2左右,而铁路每千米仅占地16300m2,普通路基的磁悬浮列车占地与铁路相当,而高架的磁悬浮列车占地要少得多,即使是双轨的,占地面积也仅为高速公路的5%。可耕地宝贵是中国一项重要的基本国情,由此出发,中国应优先发展铁路。4.3《中国城市轨道交通》磁悬浮列车作为一种采用高技术的铁路运输工具,其单位能耗不仅比飞机、汽车低,与其他铁路运输工具相比,也是最低的。它的造价只略高于电气化铁路。经济的起飞带来城市的繁荣,在人口集中的大城市,市内公共交通以及市区与城郊的交通问题变得更为严峻。中国的城市轨道列车,全国总计也不足50km。修建地下铁路,造价昂贵,按中国的国力,近期不可能大规模发展。修建中低速的高架磁悬浮列车,造价要合理得多,而且噪声小,占地面积小,是解决城市交通问题的理想方案。4.4磁悬浮试验线在上海的应用和价值2002年11月22日下午1:00,一辆磁悬浮列车驶入龙阳路车站,由德国制造的磁悬浮列车第一次全程驶过了世界上首条投入商业运行的磁悬浮列车线——上海浦东机场至龙阳路,正线全长29.863km。它的设计时速和运行时速分别为505km和430km。上海这条30余千米磁悬浮试验线,并不仅是一条单纯的商业线,它很可能是未来中国磁悬浮产业的雏形。因为,随着上海磁悬浮示范线建成,德国技术将会逐步转让,机车、信号、控制系统等设备逐渐国产化,建设费用将大大降低,为将来在国内一些黄金线路上采用磁悬浮积累经验和创造条件,它的成功与否将会对1994年以来一直争论未果的第二条1300km的“京沪线”产生直接影响。而京沪线采用哪种技术又将直接影响中国是否会派生出一个世界上前所未有的产业