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磁悬浮列车工作原理数学模型计算等郑文琛

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1、磁悬浮列车工作原理,陈述人：郑文琛 pb02011062,（一）应用背景,1922 Hermann Kemper提出电磁悬浮原理,1970s,工业化发展,要求提高运输能力,轮轨极限速度,非接触式运输系统,V=350km/h,磁悬浮列车,（二）磁悬浮系统类型,电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图) 电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.(右图),(三)工作原理,磁悬浮列车大体可分为三个部分: 悬浮系统:主要依靠轨道底部线圈和车载电磁铁之间产生电动斥力来实现. 导向系统:主要依赖于轨道侧壁线圈和车载电磁铁相互作用来实现. 动力系统:根据Maxwell电磁场动力学理论,采用直线电机作为动力系统,并借助于在运行过程中产生电磁推力来推动和维持列车运行.,1.悬浮系统,Meissner效应:当金属处在

2、超导状态时,超导体表面产生感应电流,进而产生附加磁场与外部磁场抵消,内部的磁感应强度为零.此时附加场和外部场相作用产生的电磁斥力可以将超导体悬起. 超导体的两个重要特性：零电阻和抗磁性。,实际模型,在列车每节车厢两侧底侧,装载有68个超导磁体,并通过液氦作为冷却系统. 当列车起到或进站时,列车依靠车轮行驶,随着列车加速,导轨线圈通电, 根据Meissner效应,车与轨之间产生电动斥力,(数量级为103N/m2)从而实现悬浮.,2.悬浮系统,导向系统依靠轨道两侧的线圈,按照实际所需的横向倾角的大小,对线圈中的交变电流进行调节,进而提供所需的导向力. 假设转子受到扰动，偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将信号转换成控制电流，并在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到哪个方向的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。,3.动力推进系统,直观模拟:轨道两侧装有线圈，交流电使线圈变为电磁体，它与列车上的磁铁相互作用。列车行驶时,车头的磁铁（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引,同时被轨道上稍后

3、一点的电磁体（N极）所排斥,使列车前进。然后在线圈里流动的电流反向,其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。,直线电机,直线同步电机:其初级绕组沿轨道铺设,次级绕组安装在车体上, 在初级绕组中通入三相交流电, 气隙中产生平移磁场,该磁场切割次级导体, 产生电磁感应, 诱发磁场,该磁场与原有平移磁场方向相反,最终在路轨和车体间产生电磁推力.,数学模拟(一),数学模拟(二),Maxwell方程组:,空间介质条件:,(1),(低频),数学模拟(三),1.定子绕组电流与转子感应电流的组合效应在定子表面产生磁场:,其中:,为峰值,k为波数,w为移动磁场的角频率,2.转子板或反应轨内部:,3.在空气隙:,(1),(1),数学模拟(四),电磁边界条件:,1.y=0转子板中心处:,2.y=b处的切向方向:,3.y=b处的法向方向:,4.y=b+,处感应电流:,数学模拟(五),取近似条件:,则可以求得施加于转子每单位体积的切向力:,初略计算:取铝电导率:,=3.54,107,转差率: S=0.1,磁场同步速度:,=500km/h,磁感应强度: B=8.0,10-3T,=,15.7 KN,可见,列车单位体积受力的数量级为KN,数学模拟(六),转子每单位体积的净输出功率为:,初略计算:,=,19.7kw,可见,转子单位体积净输出功率的数量级为kw,性能比较(一),1.安全: 不会脱轨；单向行驶，不会相撞。,2.最大优势-高速,性能比较(二),3.电磁辐射小,4.噪声小,性能比较(三),磁悬浮列车的悬浮高度为10100mm，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求要比普通列车高. 磁悬浮列车的技术要求比普通列车要高得多. 车载冷却系统重,且由于涡流效应,悬浮能耗较高. 成本方面，维修保养以及能耗等费用较普通列车高。但总而之, 由于其高效的运输能力和优越性能,磁悬浮列车还会有很大空间;而对于我们这样一个地域辽阔,经济高速发展,但交通系统基础相对薄弱的国家而言,磁悬浮列车的研究开发具有十分重要的意义.,

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