磁悬浮列车的研制

磁悬浮列车的研制

1磁悬浮技术的研究现状现在，地面运输主要集中在公路和铁路上。随着社会的发展，其速度越来越慢。在这两大地面运输系统中,只有铁路运输系统能够进一步提高运输的快捷性,而常规铁路轮轨系统由于其自身无法克服的粘着力和机械上的原因,其最高速度受到很大限制。磁悬浮列车在人类地面交通技术史上第一次实现了车辆与路面之间的无接触、无摩擦、无磨损的运行,克服了传统机车车辆必须通过轮轨机械接触实行列车牵引的许多弊端。其最高运行速度可达500km/h以上,而且它的振动、噪声要比常规轮轨系统小得多,以线性电力驱动是它的优势之一,因此对环境的污染少。从经济性的角度来看,磁悬浮列车每个座位的投资是飞机的,而它的速度比轮轨式交通工具快得多,比较适合中距离的城际运输。因此,磁悬浮列车被称为“21世纪最理想的交通工具。”对于磁悬浮技术的研究,许多发达国家走在了前列,其中以德国和日本最为突出,而且他们在这个领域的竞争也非常激烈。这两个国家的磁悬浮列车在设计上截然不同,日本采用电动悬浮方式(EDS),用超导磁体与轨道中感应的电流之间的斥力使车体浮起;德国不采用超导磁体,而采用电磁悬浮方式(EMS),用电磁铁悬挂在导轨下方,导轨为磁铁,利用两者之间的吸引力使车体浮起。虽然发展的方向不同,但两个国家都在其研究领域取得了丰硕的成果。1990年日本开始建造速度为500km/h、长48.2km的超导磁悬浮列车线路。德国试验速度为430km/h。此外英国、法国、美国、加拿大等国也在这方面进行了众多项目的研制和开发。我国在磁悬浮列车方面的研究起步较晚。在1988年由铁道部科学研究院和中国科技馆共同研制出了直线电机传动列车。它是利用直线电机、感应短定子直线电机来推动列车高速前进的。国防科技大学在1989年3月推出的我国第一台磁悬浮试验样车,也是利用这个原理。与此同时,西南交通大学、西安交通大学也在做这方面的研究,并取得了一定的成果。2002年世界上第一条磁悬浮列车商业运营线在上海的成功开通,是中国磁悬浮事业迈向新阶段的重要一步。虽然该线是引进德国的关键技术,但却反映出磁悬浮列车的受重视程度和潜在的巨大市场,对我国磁悬浮列车的研制有着参考和激励的作用。2长转子直线与悬浮驱动的联系在德国磁悬浮列车的悬浮与驱动系统中,悬浮和驱动系统既有联系又有区别。其联系主要在于悬浮和驱动是一个有机整体,它们统一于作为列车运行关键部件的长定子直线同步电动机;其区别主要在于悬浮和驱动在列车运行中发挥的作用是不一样的,而且体现在同步电机上,就分别是初级(长定子)和次级(悬浮磁铁)。2.1直线同步电机磁悬浮列车悬浮与驱动系统的基本工作方式是按照直线同步电机原理设计的(图1)。近几十年来,直线同步电机已经得到广泛的应用。直线同步电机可分为铁芯式和空心式两类,铁芯式直线同步电机中的直流磁场激磁方式是常导式,德国磁悬浮列车的推进电机也是常导型直线电机,其直流励磁绕组由车上的电源供给,地面上铺设由地面电源供电的三相绕组。直线同步电机的结构与直线感应电机相比最大的优点是用直流励磁,因而提高了功率因数,缺点是三相绕组导致了轨道成本的增加。一般对三相绕组采用分段供电。2.2悬浮设备德国常导磁悬浮列车的悬浮系统主要由悬浮磁铁和悬浮控制等部分组成,悬浮系统的作用是通过产生吸引力使列车与轨道保持无接触悬浮状态。2.2.1发电机的模型德国磁悬浮列车的悬浮磁铁结构见图2。图2中(1)为磁轮,它由磁铁(2)和励磁线圈组成;(3)是长定子,也是直线同步电机的初级,在定子槽内有三相绕组;(4)和(5)分别是悬浮电磁铁线圈的控制和供电单元;(6)为线性发电机升压斩波器,随运行速度成比例上升的辅助电路的频率和电压配合在升压斩波器中产生,线性发电机的定子线圈位于悬浮电磁铁极靴上。(S)为初级和次级(电磁铁2)的间隙。从悬浮磁铁的结构可以看到,磁通穿过电磁铁和长定子形成闭合的回路。电磁吸力的大小主要取决于间隙(S)和励磁电流的大小,所有的线圈中都有由电工钢薄片叠压而成的铁芯,这样可以增加磁密,减小磁阻,最终增加电磁吸力。由于电工钢薄片的磁滞曲线很窄,因此它的磁滞损失很小,另外0.5mm厚的薄片也限制了涡电流的产生,使列车悬浮运行过程中电能的损失尽可能的小。整个图2实际上是直线同步电机的一部分,其中长定子铺设在轨道上,悬浮电磁铁则安装在磁悬浮列车上,通过控制电路使二者有机地结合起来。2.2.2enph的中介作用德国磁悬浮列车的悬浮方式为电磁吸引悬浮控制方式,简称EMS(ElectromagneticSuspension)。当列车上的电磁铁通以直流电时,将有一穿过气隙同时交链电磁铁与轨道的主磁场产生,轨道被这个外磁场磁化,进而产生将电磁铁向上吸的磁场力。这种导轨与电磁铁之间的吸引力,使列车上的动子(电磁铁)和轨道上的长定子保持一定的空气间隙,如果有沿轨道方向的牵引力,列车便能在无接触、无摩擦的条件下行进。2.2.3德国磁悬浮系统的框图设计由于吸引力本质上是一种不稳定的力,所以EMS方式完全依赖于主动控制。在图2所示的电磁悬浮系统中,悬浮物体的上下运动方程式可用式(1)表示。Md2δdt2=Mg−ki(iδ)2+fd(1)Μd2δdt2=Μg-ki(iδ)2+fd(1)同时,励磁电路的电路方程式如式(2)所示。e=d(Li)dt+Ri(2)e=d(Li)dt+Ri(2)式中:M——悬浮物体的质量;g——重力加速度;fd——外力;δ——悬浮气隙长度;e——外加电压;i——励磁电流;R——励磁绕组电阻;ki——电磁铁吸力系数;L——励磁绕组电感。要达到额定悬浮气隙δ0,需要用控制器按照负反馈伺服控制原理,根据悬浮气隙的大小调整电磁铁绕组的电流,这样的负反馈控制系统框图可以用图3表示。在实际的德国磁悬浮系统中,通过励磁电流调节器和电磁调整电路,来对气隙的距离进行调节。图4为气隙调整电路。2.3驱动装置的长定额德国磁悬浮列车采用长定子线性同步电机来提供牵引力,它的驱动装置是根据直线同步电机的原理设计的(图5)。驱动装置的长定子固定在轨道梁上,三相绕组由绝缘电缆构成,并由敷线车将其安装在导轨两侧的定子上。车上采用线性发电机(带有备用电池)作为电源,它向悬浮、导向磁铁及车上的所有用电设备(如控制仪器、照明、通信等)提供电能。定子铁芯由薄硅钢片叠成,其叠装方式与变压器铁芯一样,这些铁芯固定在导轨的下部。2.3.1u3000流励磁两组转子的磁极都是直线,其磁场、磁场与作用应当配合应用磁悬浮列车非轮轨接触的牵引技术要求采用直线电机作为牵引动力,这样可以不依靠轮轨粘着力产生推力和制动力。这种非轮轨接触的动力传输使得线路的架设坡度高达10%,并具有较高的起动加速度。对于直线同步电机,列车承载系统的磁铁同时也是电动机的励磁磁铁。图5中的上半部分是带有三相绕组的长定子铁芯,下半部分是带有直流励磁绕组的励磁转子,也就是车上的悬浮电磁铁。因转子的运动方向为直线,可以认为其半径趋于无穷。长定子直线同步电机与普通转子式同步电机的原理基本一致。普通同步电机中,直流励磁转子的磁极不变,当转子磁场和定子所产生的旋转磁场耦合后,形成稳定的合成磁场。这时转子的磁极在合成磁场磁力矩的作用下旋转,并与旋转磁场相对静止,达到同步。直线同步电机实际上是同步电机的特殊形式,只要把旋转式同步电机展成平面,这时旋转磁场就变成了行波磁场,转子变成了动子,当励磁磁场和定子绕组磁场达到完全同步的时候,就产生了恒定的牵引力。如果定子绕组的电流增加,则合成磁场的磁感应强度也增加,从而使磁力矩增大,也就是增大了牵引力。当磁悬浮列车运行时,车上的辅助电路由线性发电机供电。线性发电机的定子线圈位于车上悬浮电磁铁极靴上,它的发电原理是:当列车运行时,存在沿车上悬浮电磁铁铁芯及轨道上直线同步电机定子铁芯的闭合磁通,因直线同步电机定子铁芯存在齿槽,由于气隙磁阻变化,会在磁极表面布置的绕组内感应电气,同时还有高次谐波感应电势,但前者为主。2.3.2电机的特性及约束长定子直线电机的优点在于:在车体上不必安装类似受电弓和逆变器等转换电能形式的转换装置。在高速运行时,这种技术可使列车具有较高的有效负荷。长定子直线同步电机具有以下特点:(1)由于悬浮和驱动系统合二为一,因此,根据列车的质量即可确定电机的励磁;(2)悬浮磁铁的励磁电流一定时,列车的气隙磁通不变,这时牵引力的大小取决于长定子三相绕组电流的大小和相位;(3)每一供电区段都比列车长,因此电机的特性将取决于电机绕组及馈电电缆的阻抗;(4)磁悬浮列车的无接触传动工作原理使电机馈电必须为三相调频调幅电源,这种电源则由沿运行线路分布的区间配电站中的静止逆变器提供。由于应用了直线同步电机,磁悬浮列车的悬浮和推进得到了有机的结合,在这当中一些重要的参数对列车的运行有着决定性的影响。当电机的极距选择为0.258m、速度为400km/h时,电机的最高频率达215Hz。考虑到电机最大有效电压受逆变器输出电压的波形以及电机电缆绝缘强度的限制,每相电压选定为4.25kV,在高速运行时还能升到7.8kV,电机最大电流为1200A。直线电机的特性参数见表1。就电机定子绕组而言,要调节其电流,应详尽了解电机的励磁情况。磁极情况可以通过车上的各种不同测量仪器构成的采集装置获得。除车体本身情况外,还要测出车体的运行速度以及车辆的精确位置。所采用的这套检测装置其误差应不大于3°电角度。当定子极距为258mm时,相应长度误差小于12mm。精确的测量系统可以使列车具有较高的起动加速度,一般在距离不大于6km、速度达到400km/h时,起动时间不超过2min;列车从0升至100km/h只需20s。2.3.3悬浮与驱动系统供电电路为了避免能量损失,德国磁悬浮列车在运行的线路上采用分段供电,也就是说线路中长定子线性驱动装置被分成了独立的区段,只在车辆所在的区段接通电源。每一电机区段按照跨接方式,由两套逆变系统通过沿线路分开的电缆系统,交替式和搭接式地对长定子供电(图6)。电源由110kV/20kV的高压变压器和2台20kV/1.2kV的整流变压器通过两条并联调节的整流系统,向直流中间电路提供2.6kV和2×3.3kA的直流电。通过2个逆变系统,可以将电压恒定的中间电路转变成三相交流电压,其电压值可以由0调至2027V、频率由0调至215Hz。当电机频率在0～55Hz范围时,上述三相电压可直接加到长定子电机上;当电机频率较高时,可通过输出变压器,将电压升至最大电压7800V,此时电机最大电流为1200A。供电系统参数见表2。为了确保磁悬浮列车运行的安全性和可靠性,悬浮与驱动系统在供电方面采取了功能冗余的技术。这样在很大程度上能够容忍故障,每一个连接点都形成自给自足的单元,即使在较多的连接点上出现了故障,系统仍能保持其运转能力。例如,在每个连接点上双重安装了气隙调节电路,保证了磁铁和反作用轨道间的非接触状态。3高速轮轨系统的优点磁悬浮技术应用到轨道交通是未来轨道交通的发展方向,但它是一项新技术,在许多方面还处于不断完善阶段,与高速轮轨系统相比,其主要优点包括以下几个方面:(1)浮标运行速度常导磁悬浮可达400km/h～500km/h,超导磁悬浮可达500km/h～600km/h,而轮轨高速的最高运营速度一般不宜超过400km/h。磁悬浮的高速度使其在1000km～1500km的距离范围可与航空竞争。(2)能耗低据德国资料,在同样的高速度下,磁悬浮比高速轮轨耗能少15%。(3)维修费用磁悬浮列车属于无磨损运行,要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展,器件可靠性将不断提高。(4)在单次运行状态的影响小采用电力驱动,无需燃油,无有害气体排放。此外,还有噪声小、乘坐舒适、爬坡能力强、通过的曲线半径小、加速减速快、对环境影响小等。其主要不足在于:(1)风险高由于磁悬浮技术尚处于完善阶段,再加上设计、安装精度要求很高,导致了初投资和后续的追加投入缺乏可预见性,所以风险很大。(2)不兼容无法与既有铁路联网是磁悬浮另一大缺点。此外,磁悬浮还有运量小、不便扩容的缺点。4磁浮铁路的研究与探索德国磁悬浮技术悬浮与驱