概述(高速磁悬浮)

高速磁悬浮交通技术高速磁悬浮交通技术浙江大学电气工程学院方攸同[e-mail]高速磁悬浮交通技术一、概述1.1磁悬浮铁路的发展1.2磁悬浮列车分类和主要特点1.3德国磁悬浮高速铁路系统特点高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展磁悬浮铁路系统是一种新型的有导向轨的交通系统。磁悬浮列车主要依靠电磁力实现传统铁路中的支承、导向和牵引功能。由于运行的磁悬浮列车和线路之间无机械接触或大大避免机械接触，从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的约束，因而磁悬浮列车可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度（400-550km/h），且对环境的影响较小。低速运行的磁悬浮列车，在环境保护方面也比其他公共交通工具有明显优势。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展目前达到或接近应用水平的磁悬浮铁路系统集中在德国和日本。德国联邦政府曾于1997年决定修建柏林至汉堡的高速磁悬浮铁路应用线，原计划2000年开工，但主要由于预测旅客量下降，而建设投资增加，造成线路经营的经济风险提高。2000年2月5日，德国联邦交通部、铁路公司和磁悬浮铁路工业联合体首脑会谈后，交通部长宣布放弃柏林-汉堡磁悬浮铁路应用线，政府继续支持磁悬铁路的开发，并在两年内在德国选定另一条新的线路，建设Transrapid高速磁悬浮铁路样板线。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展1999年日本决定建一条大约8.9km长的低速磁悬浮铁路商业运行线，连接名古屋一个地铁车站和市郊的一个现代化居住区，2005年将在这里举办一次国际博览会，这条磁悬浮铁路线路将在博览会前建成通车。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展德国磁悬浮铁路的发展始于1969年关于“高运力快速铁路系统”的研究。德国联邦交通部、联邦铁路和德国工业界参与了这一目的在于探讨德国发展高速交通系统的经济和技术可能性的研究项目。所研究的高速交通涉及到传统的轮轨系统高速铁路技术和全新的磁悬浮铁路技术。为了建造第一段试验线路，德国工业界组成了磁悬浮铁路Transrapid联合体。在德国西北部的埃姆斯兰(Emsland)地区建设Transrapid试验线(简称TVE)。第一期工程包括21.5km长的试验线路、试验中心和试验车Transrapid06(简称TR06)。第一期工程在1979~1984年之间实施完成。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展1983年6月30日，随着TR06试验磁悬浮列车从试验中心大厅驶出，标志着试验线第一段正式投入使用。1985年初，磁悬浮铁路试验和规划委员会(MVP)作为试验设施的所有者与经营者接管了试验设施。考虑到将来的实际应用，Transrapid系统以400km/h以上速度，按实际运营要求连续运行的前提条件是一条闭合的环形试验线，因此德国联邦研究与技术部于1984年决定在TVE扩建南环线，即试验线路的第二线路段。南环线1984年开工，1987年竣工。至此，TVE的试验线总长达到31.5km。同年，TR06磁悬浮列车在试验线上达到406km/h的速度。1988年，试验速度提高到412.6km/h。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展从1986年开始，德国开发面向应用的Transrapid革新07(以下简称TR07)磁悬浮列车，1989年该列车投入试验线运行，1993年，TR07在载人试验运行中，达到了450km/h的速度。由于线路长度的限制，磁悬浮列车不允许再往上加速。在Transrapid磁悬浮高速铁路开发过程中，德国联邦铁路和7所著名大学的专家组成工作组，由位于慕尼黑的联邦铁路中心局牵头，对Transrapid系统进行了独立、全面的评价和鉴定。1991年得出该系统在技术上应用成熟的结论。以此为基础，联邦交通部在评价6条可能的磁悬浮铁路应用线后，于1992年7月将柏林—汉堡线作为磁悬浮铁路第一条应用线纳入“92联邦交通线路计划”。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展经过近5年的争论，1997年4月25日,德国联邦交通部长维斯曼(Wissmann)公布了由两个咨询公司对Transrapid磁悬浮高速铁路柏林-汉堡项目的运营经济性评价结果，宣布德国政府决定修建柏林—汉堡磁悬浮铁路。这条磁悬浮铁路为全长292km复线，其中高架线路占45%，地面低置线路占55%，包括车辆等运营设备在内的总投资为98亿德国马克（1996年物价，不包括建造期间物价上涨和投资利息）。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展日本于1962年开始磁悬浮铁路的研究，1977年在南部九州建成7km超导磁悬浮列车试验线，即宫崎试验线。宫崎试验线是单线，没有坡道和隧道，不能完全满足应用试验要求。1992年在山梨县境内开始建设山梨试验线。1997年4月3日，开始在新建成的18.4km长的试验线上进行试验运行。山梨线为双线，分别称为南线和北线。线路的87%在隧道内，变电站和控制中心设在露天线路旁。在1997年12月24日的不载人试验运行中，最高试验速度达到550km/h，创下地面交通速度的最高世界纪录。1999年4月14日，载人运行试验速度达到552km/h,再次刷新地面交通工具最高试验速度。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展从60年代开始，日本、德国、英国、前苏联、韩国和中国等国都先后投入力量研究中低速磁悬浮列车。在英国，为了将新建的伯明翰机场终端与国际博览会展区及火车站连接起来，建造了一条620m长的磁悬浮铁路线，该线路于1984年投入载客运行。这条线路是复线，轨道架在6m高的钢结构线路上，来往运行3辆有电磁支承、导向系统和直线电机驱动的小型磁悬浮列车，速度可达50km/h。磁悬浮列车辆重约5t，具有铝焊接底架和玻璃纤维强化塑料制成的车厢结构。一辆车有6个座位和26个站位。伯明翰磁悬浮铁路是第一个用在公共旅客运输上的磁悬浮铁路系统。1996年，由于故障率高，维护困难，伯明翰磁悬浮铁路关闭停运。英国的磁悬浮铁路实际上没有发展为有市场价值的商业应用系统。高速磁悬浮交通技术1.1磁悬浮铁路的发展日本的HSST系统磁悬浮列车最初是由日航投资成立HSST公司研究开发，希望用于机场到市区的快速轨道交通，后又与其它股东联合开发。1990年在名古屋附近的大江动工兴建1.5km长的试验线，并于1991年5月开始试运行。试验线正线的最小转弯半径为100m，最大坡度为7%，最高运行速度110km/h。1993年3月，以运输省、建设省和其他单位的专家学者组成的可行性研究委员会对试验结果进行了最后论证，考察了它的噪声、振动和磁场的影响，结论是:HSST是舒适的低污染交通系统，能够应付紧急情况，长期的运行试验证明它是可靠的，并且由于悬浮的优点，使得它的维修量降低。作为城市交通系统，HSST已达到实用阶段。到1999年底为止，在低速磁悬浮铁路系统中，只有日本的HSST常导低速磁悬浮铁路系统发展到实用水平，并具有商业应用的可能性。高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点磁悬浮列车从悬浮机理上可分为：电磁悬浮（EMS—electromagnetic-suspension)和电动悬浮(EDS—electrodynamic-suspension)高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点电磁悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件（钢质导轨或长定子直线电机定子铁芯）相互吸引，将列车向上拉起悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙（称为气隙）一般约8~10mm。列车通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙。高速磁悬浮交通技术德国TR高速磁悬浮列车结构简图高速磁悬浮交通技术日本HSST磁悬浮列车原理简图高速磁悬浮交通技术HSST的导向原理示意图高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体（一般为低温超导线圈）运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度（一般为10~15厘米）。列车运行靠直线电机牵引。与电磁式相比，电动式磁悬浮系统在静止时不能悬浮，必须达到一定速度（约150km/h）后才能起浮。电动式悬浮系统在应用速度下，悬浮气隙较大，不需要对悬浮气隙进行主动控制。高速磁悬浮交通技术日本超导高速磁悬浮列车MLX断面简图高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点磁悬浮列车的牵引电机都是直线电机，总的可分为两种型式，即长定直线同步电机和短定子直线感应电机。日本的HSST低速磁悬浮列车采用短定子直线感应电机牵引。短定子直线感应电机结构比较简单，制造成本较低；缺点是效率相对较低，运行中需要地面供电装置对磁悬浮列车接触供电，不能实现车和线路之间完全无接触的运行，所以更适合用在低速（最高运行速度大约100km/h）磁悬浮列车上。高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点当采用长定子直线同步电机时，电机的定子（又称电机初级）沿整个线路铺设，电机的转子（又称电机次级）安装在车上；当采用短定子直线感应电机时，电机的定子安装在车上而转子在轨道上。采用长定子直线同步电机时，直接在线路上实现牵引能量的转换。在高速运行中，车与线路之间完全无接触，因而长定子直线同步电机适合于较高速度的磁悬浮列车牵引，德国的Transrapid常导磁悬浮列车和日本的MLX超导磁悬浮列车都采用了长定子同步直线电机牵引。高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点德国的Transrapid磁悬浮列车和日本的HSST磁悬浮列车没有采用超导技术，而是采用普通导体通电励磁，产生电磁悬浮力和导向力，因而又有人将它们称为常导磁悬浮列车。日本的MLX磁悬浮列车利用低温（绝对温度4.2K）超导线圈励磁，在车辆上形成强磁体，因而又被称为超导磁悬浮列车。高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点按运行速度范围来分，德国的Transrapid磁悬浮列车最大运行速度大致在400~500km/h，日本的HSST磁悬浮列车最大运行速度为100km/h左右，日本的MLX超导磁悬浮列车最大运行速度在500~550km/h之间。所以，德国磁悬浮列车和日本的超导磁悬浮列车又称为高速磁悬浮列车，主要用于大城市之间的干线交通；而日本的HSST则用于城市内或市郊的交通以及连接机场与市区等，被称为低速磁悬浮列车。高速磁悬浮交通技术1.2磁悬浮列车分类和主要特点在上述三个有代表性的磁悬浮铁路系统中，德国磁悬浮高速铁路系统最接近商业应用。本专题主要介绍德国磁悬浮高速铁路的技术、系统特点以及经济性等，最后简述日本的超导磁悬浮高速铁路MLX系统和低速磁悬浮铁路HSST系统的技术与系统特点。高速磁悬浮交通技术1.3德国磁悬浮高速铁路系统特点德国的Transrapid磁悬浮铁路系统是一个有轨的交通系统，在技术上，它具有以下主要特点:（1）通过可控制的电磁铁，实现车辆和轨道之间无接触、无磨损的支承和导向（EMS技术）。（2）通过长定子同步直线电机，实现无接触的牵引和制动，由地面固定的设备实现牵引功率的控制和变送。（3）在行驶中，无接触地对列车提供车上所需电能。（4）最高应用速度400~500km/h。（5）加速能力比传统铁路更高。高速磁悬浮交通技术1.3德国磁悬浮高速铁路系统特点（6）选线参数较灵活；相同速度时，转弯半径比传统铁路更小，爬坡能力比传统铁路更高。（7）在可以比较的速度范围内,噪声低于汽车和传统轮轨铁路。（8）安全性、乘坐舒适性高。（9）运行成本比轮轨高速铁路低。（10）在德国平原地区，线路投资比完全新建的轮轨高速铁路高20%~30%；在中等山区，线路造价不高于轮轨高速铁路。高速磁悬浮交通技术1.3德国磁悬浮高速铁路系统特点磁悬浮高速铁路的支承和导向系统基本原理是:磁悬浮列车上安装的、单独控制的电磁铁与线路下方安装的铁磁反应导向轨，即定子铁心之间产生吸引力，磁悬更浮车上的支承磁铁被从下往上吸往线路，支承磁悬浮列车的质量。导向磁铁保持车辆沿线路两侧的定位。高可靠性的电子控