磁悬浮火车原理.doc

自 1825 年世界上第一条标准轨铁路出现以来，轮轨火车一直是人们出行的交通工具然而， 随着火车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动，发出很强的噪 音，从而使乘客感到不舒服由于列车行驶速度愈高，阻力就愈大所以，当火车行驶速度 超过每小时 300 公里时，就很难再提速了 如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，就能大幅度地提高火 车的速度但如何使火车从铁轨上浮起来呢？科学家想到了两种解决方法：一种是气浮法， 即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起；另一种是磁浮法，即利用两个 同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来在陆地上使用气 浮法不但会激扬起大量尘土，而且会产生很大的噪音，会对环境造成很大的污染，因而不宜 采用这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法 当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式，一种是推斥式；另一种为吸力式推 斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来这种磁悬浮列车车厢的 两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁车辆运行时，这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的 铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮 起来。

但是，静止时，由于没有切割电势与电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮 子支撑车体当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到 80 公里／小时以上时，车辆就悬 浮起来了吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转 向架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列车就能悬浮起来这种吸力式磁 悬浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态这次，我国自行开发的中低速 磁悬浮列车就属于这个类型 “若即若离” ，是磁悬浮列车的基本工作状态磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而 使列车悬浮在轨道上在运行过程中，车体与轨道处于一种“若即若离”的状态，磁悬浮间 隙约 1 厘米，因而有“零高度飞行器”的美誉它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能 耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具特 别是这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道 交通 德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家，德国开发的磁悬浮列车 Transrapid 于 1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时 436 公里的速度日本开发的磁悬浮列车 MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于 1997 年 12 月在山梨县的试验线上创造出每小时 550 公里的世界最高纪录。

德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世 纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营 磁悬浮列车运行原理 磁悬浮列车是现代高科技发展的产物其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进 行牵引，使列车悬浮在轨道上运行（悬浮间隙约 1 厘米） 其研究和制造涉及自动控制、电 力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂， 是一个国家科技实力和工业水平的重要标志它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、 安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交 通工具，特别适合城市轨道交通磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分，这次国防科大研制开发的磁悬浮列车属于中低速常导吸 力型磁悬浮列车 磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车 transrapid 为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较 小，一般为 10 毫米左右常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时 400～500 公里，适合于 城市间的长距离快速运输。

而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本 MAGLEV 为代表 它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥 力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为 100 毫米左右，速度可达每小时 500 公里以上这两 种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁 悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中 德国的常导磁悬浮列车 常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两 侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使 车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导 向车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为 10 毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证 的此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以 进入悬浮状态 常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是 同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就 象同步直线电动机的长定子绕组。

从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有 电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动 绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子” 一样被推动做直线运动从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动 日本的超导磁悬浮列车 超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全 抗磁性超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导 普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁 超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和 悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度 频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这 时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前 进其原理就象冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。

与冲 浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的 顶峰运动的问题为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来 的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行 超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与 列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动但地面导轨两侧的 悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用 将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将 列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持 100 毫米的悬浮间隙 同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都 能稳定地处于轨道中心行驶 目前存在的技术问题 尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足： (1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措 施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题其高速稳定性和可靠性还需很长时 间的运行考验。

(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的 要求较超导技术更高 (3)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与 环境都有影响 其他回答制动装置一般可分为两大组成部分： （1） “制动机”——产生制动原动力并进行操纵和控制的部分 （2） “基础制动装置”——传送制动原动力并产生制动力的部分 列车制动在操纵上按用途可分为两种 （l） “常用制动”——正常情况下为调节或控制列车速度，包括进站停车所施行的制动其 特点是作用比较缓和而且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的 20％～80％，多数情 况下只用 50％左右 （2） “紧急制动”—一紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动（在我国，也称“非常制 动” ） ，其特点是作用比较迅猛，而且要把列车制动能力全部用上 从司机实施制动（将制动手柄移至制动位）的瞬间起，到列车速度降为零的瞬间止，列车所 驶过的距离，称为列车“制动距离” 这是综合反映列车制动装置的性能和实际制动效果的 主要技术指标 闸瓦制动，又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式它用铸铁或其他 材料制成的瓦状制动块（闸瓦）紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将 列车的动能转变为热能，消散于大气，并产生制动力。

其他制动方式除闸瓦制动外，铁路机车车辆还有一些其他制动方式 （一）盘形制动 盘形制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘，一般为铸铁圆盘， 用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能 转变成热能，消散于大气参看图 4—1－4 与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点： （1）可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗 （2）可按制动要求选择最佳“摩擦副” （采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一方的车轮的构 造和材质不能根据制动的要求来选择） ，盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时 它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸片创造了有 利的条件，适宜于高速列车 （3）制动平稳，几乎没有噪声 但是，盘形制动也有它不足之处： （1）车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化，所以，还要考虑加装踏面清扫器（或称 清扫闸瓦） ，或采用以盘形为主、盘形加闸瓦的混合制动方式，否则，即使有防滑器，制动 距离也比闸瓦制动要长 （2）制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率 盘形制动的制动力 （二）磁轨制动 磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间，各 安置一个制动用的电磁铁（或称电磁靴） ，制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过 电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于大气。

参看图 4—1－5 磁轨制动的制动力式中 K——每个电磁铁的电磁吸力； φ 一一电磁铁与钢轨间的滑动摩擦系数 与闸瓦和盘形制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着产生的，自然也 不受该粘着的限制高速列车加上它，就可以在粘着力以外再获得一份制动力，使制动距离 不致于太长磁轨制动的不足之处是，它是靠滑动摩擦来产生制动力的，电磁铁要磨耗，钢 轨的磨耗也要增大，而且，滑动摩擦力无论如何也没有粘着力大所以，磁轨制动只能作 为紧急制动时的一种辅助的制动方式，用于粘着力不能满足紧急制动距离要求的高速列车上， 在施行紧急制动时与闸瓦（或盘形）制动一起发挥作用 （三）轨道涡流制动 轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动它与上述磁轨制动（摩擦式轨道电 磁制动）很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间不同的是，轨 道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触它是利用电磁铁和 钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车动能变为热能消散 于大气 轨道涡流制动既不通过轮轨粘着（不受其限制） ，也没有磨耗问题但是，它消耗电能太多， 约为磁轨制动的 10 倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作为高速列车紧急制动时的 一种辅助制动方式。