磁悬浮列车的原理及发展现状.docx

课程磁悬浮技术基础专业机械电子工程班级机电研0401班教师胡业发姓名戴迎宏2005年12月29日磁悬浮列车的原理及发展现状摘 要：本文介绍了磁悬浮列车的背景、特点、分类及国外两种代表性的磁悬浮列车：德国 的常导磁悬浮列车和日本的超导磁悬浮列车的工作原理, 并介绍日本山梨试验线研究现状， 还提到了目前存在的技术以及我国磁悬浮列车的研究和发展现状关键词：磁悬浮列车 工作原理 发展现状0、引言众所周知, 传统的铁路列车都是依靠诸如蒸汽、燃油、电力等各种类型机车作为牵引动 力, 车轮和钢轨之间的相互作用作为运行导向, 由铁路线路承受压力, 借助于车轮沿着钢轨 滚动前进的而磁悬浮列车则是一种依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性将车 辆托起, 使整个列车悬浮路上, 利用电磁力进行导向, 并利用直线电机将电能直接转换 成推进力来推动列车前进的最新颖的第五代交通运输工具1、磁悬浮列车的特点与传统铁路相比, 磁悬浮列车有以下优点：(1) 适于高速运行 磁悬浮列车最大特点在于它没有通常的轮轨系统, 由于消除了与轮轨之 间的接触, 不存在由于轮轨摩擦及粘着所造成的诸如极限速度等影响列车运行的问题, 速度 可达 500 km/h 以上；(2) 稳定安全 列车运行平稳, 能提高旅客舒适度, 由于磁悬浮系统采用导轨结构 , 不会发 生脱轨和颠覆事故, 提高了列车运行的安全性和可靠性；(3) 污染小, 易维护 悬浮列车在运行中既不产生机械噪声, 也不排放任何废气、废物, 对周 边环境的污染极小, 有利于环境保护, 加上磁悬浮列车由于没有钢轨、车轮、接触导线等摩 擦组件,可以省去大量维修工作和维修费用；(4) 能充分利用能源、获得较高的运输效率。

另外, 磁悬浮列车可以实现全自动化控制, 因此, 将成为未来最具有竞争力的一种交通 工具2、磁悬浮列车的分类2．1 按电磁铁种类磁悬浮列车根据所采用的电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类1) 常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体, 用气隙传感器来 调节列车与线路之间的悬浮间隙大小, 在一般情况下, 其悬浮间隙大小在 10mm 左右, 这种 磁悬浮列车的运行速度通常在300〜500 km/h范围内，适合于城际及市郊的交通运输2) 超导排斥型 超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术来实现列车与线路之 间悬浮运行的， 其悬浮间隙大小一般在 100mm 左右， 这种磁悬浮列车低速时并不悬浮， 当 速度达到100 km /h 时才悬浮起来它的最高运行速度可以达到1 000 km/h， 当然其建造技 术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得多2．2 按悬浮方式磁悬浮列车按悬浮方式分有电磁吸引式悬浮(electromagnetic suspension, EMS)和永磁 力悬浮(permanent repulsive suspension, PRS )及感应斥力悬浮(electrodynamics suspension, EDS)。

1) EMS 该方式利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力, 绝大部分悬浮采用此方式2) PRS 这是一种最简单的方案, 利用永久磁铁同极间的斥力, 一般产生斥力为0. 1MPa 其缺点为横向位移的不稳定因素3) EDS 依靠励磁线圈和短路线圈的相对运动得到斥力, 所以列车要有足够的速度才能悬浮 起来, 大约为 100 km/h, 它不适用于低速2．3 按列车的驱动方式(1) 长转子、短定子异步直线电机驱动 这种电机的“定子”安装在车辆的底部,“转子”线圈安装在轨道上它适合于低速运行2) 长定子、短转子同步直线电机驱动 此方式是将电机的“转子”线圈装在车辆上,“定子”线圈装在轨道上它适合于高速运行3、两种磁悬浮列车的工作原理国际上有代表性的几种磁悬浮列车有：高速常导磁悬浮列车, 低速常导磁悬浮列车以及 高速超导磁悬浮列车高速常导磁浮车为德国研制的 TR (transrapid) 系列；低速常导磁浮车 为日本研制的HSST系列；高速超导磁浮车为日本研制MLU系列3．1 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3．2 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4．日本山梨试验线研究现状4． 1基本情况简介日本山梨试验线全长18.4 km,最大坡度40%是可进行各种不同试验的正规的复线超 电导磁悬浮铁道，是在车上安装超电导磁铁，在地面安装线圈，利用它们之间的磁力作非接 触运行的全新的输送系统试验车辆为“山梨试验线车辆（MLX01）B ”编组一部头车 是新型试验车辆（MLX01 —901），另一部头车的头部是双峰型，车辆长度为101.9 m （头 车28.0 mX2辆，中间车24.3 m+21.6 m),车辆的最大宽度：车体部为2.9 m,转向架部为 3.22 m,车辆的重量为105 t车辆的高度：车轮行走时3.32 m,浮起行走时3.28 m,浮起行 走时车高比车轮行走时低4 cm4. 2超电导磁悬浮铁道的基本技术⑴推进原理当电流在推进线圈内流动时就产生磁场,该磁场与车辆的超电导磁铁之间的排斥力与吸 引力使车辆前进(图1)超电导磁铁的极距为1.35 m,三相推进线圈(图4)每隔0.9 m 设置为此，车站、桥梁、车辆的长度等都必须设计成0.9 m或者2.7 m的倍数。

⑵浮起原理8 字型的浮起导轨线圈被设置在导轨的侧壁当车辆的超电导磁铁高速通过时,两侧的 浮起导轨线圈就流过电流而成为电磁铁,它产生将车辆抬起和降下的斥力和引力,这种浮起 对车辆高速运行是必要的，当时速达到130 km则由补助车轮支持车辆，此后车轮收起离开 地面这时车体由线圈中央下降,引力斥力就发生作用,所谓浮起走行实际是利用引力而使 车辆接近悬挂的状态减速时速度到130 km/h以下就着陆再用车轮行走⑶导轨原理两侧配置的浮起导轨线圈通过线路的下方，用电路连接运行中的车辆，无论偏向哪一 边，都会在该回路中感应电流，靠近车辆侧的浮起线圈产生斥力，远离侧则产生引力，这样， 车辆就能经常保持在导轨中央行走⑷输送能力1997年进行了无人试验，达到了设计目标速度也是当时世界最高时速550 km此后1999 年由5辆编组载人运行，时速达到了 552 km，刷新世界最高记录由于高速化，能量的消 耗有怎样的变化呢？在新干线，每输送1人公里需要30 Wh电能因为能量的消耗与速度 的平方成比例，故以大约2倍的速度行走的超电导磁悬浮铁道，估计需要120 Wh,但实际 上消耗能量为90 Wh,即可用较少的能量高速运送旅客。

为了走向实用化，必须对几台车辆 同步控制5、 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6、我国磁悬浮列车的研究状况目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段经过铁科院、西南交大、国防科 大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研 究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技 术继1994年西南交大成功地进行了4 个座位、自重4 吨、悬浮高度为8毫米、时速为30 公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参 加，共同研制的长为6.5 米、宽为 3 米、自重 4 吨、内设 15 个座位的 6 吨单转向架磁悬浮 试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36 米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实 验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。

6 吨单转向架 磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁 悬浮列车技术领域的空白上海磁悬浮列车专线，西起上海地铁2 号线的龙阳路站，东至上海浦东国际机场，全长 29．863 公里，是目前全世界第一条也是唯一的一条磁浮列车商业运营线项目工程于2001 年3 月正式开工兴建，于在2003年 1月 1日投入试运行，在3月 1日进入正式运行状态 上海磁悬浮列车，带车头的车厢长27.196 米，宽 3.7 米，中间的车厢长 24.768 米调试当 月达到每小时一百七十公里，现在最高时速已达每小时四百公里以上，接近每小时四百五十 公里的运行要求，而且浮起来很稳，开动起来噪音也非常小。