磁悬浮列车工作原理

磁悬浮列车工作原理陈述人：郑文琛pb02011062（一）应用背景•1922HermannKemper提出电磁悬浮原理•1970’s,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（ElectroMagneticSystem）: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（ElectroDynamicSystem）: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:1.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.2.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.3.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6~8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))(000tDjBtBEB)]([20AvtAA)(0BvEjMaxwell方程组:空间介质条件:(1)(低频)0tD数学模拟(三)zwtkxiAAmˆ)}(exp{22ywtkxiBBmˆ)}(exp{1011)(222AkvxwiAktAfwk2,2zwtkxiAAmˆ)}(exp{11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:mB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)022222AktA数学模拟(四))}(exp{0221212121011wtkxiBxAxABByAyABByABbyybybyyybybyxxyx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)0,b221ˆ)(0BSvxBjfsx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107m/转差率:S=0.1磁场同步速度:sv=500km/h磁感应强度:B=8.010-3Txf=15.7KN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:msBvSSP22)1(210初略计算:0P=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)1.磁悬浮列车的悬浮高度为10~100mm，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.2.磁悬浮列车的技术要求比普通列车要高得多.3.车载冷却系统重,且由于涡流效应,悬浮能耗较高.4.成本方面，维修保养以及能耗等费用较普通列车高。5.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.