磁浮列车

第三讲：磁浮列车如果你家住在西安，距北京1000多公里，原先回家要17个小时，现在要14个小时，唉，只减少了区区3个小时，还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，回家就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！什么是磁悬浮列车磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排斥力。应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。磁悬浮列车类型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。超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。均使用同步直线电机作为驱动器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。显示磁悬浮列车的优点直线电机的基本结构直线电机可看作是将旋转电机径向剖开展平定子—初级，转子—次级初级与次级长度不相等。德国常导磁悬浮上海磁浮车（德国TR08）磁浮车是一种新的交通工具，研究的重点上海悬浮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。常导型磁浮列车利用电磁吸力实现悬浮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。在车辆侧面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。轨道支撑驱动系统磁悬浮车的初级驱动部分即具有三相移动磁场绕组的定子，不是安装在列车里，而是安装在轨道里。在三相电动机绕组里，通过三相电流馈电产生电磁移动场，列车通过自己的作为励磁部分产生作用的支撑磁铁被移动磁场向前牵引。速度可以通过改变三相电流的频率从停车状态到运行速度进行无级调整。制动：改变移动磁场方向的时候，电动机变成发电机，无任何接触地把列车刹住。刹车能量可以反馈到电网里去。轨道里面的长定子线性发动机是分为一段一段的，所以它们当中只要有列车所在的一段被供电。配电分站之间的距离及其装机功率视不同驱动要求而定。在需要巨大推力的路段（如上坡、加速度或者制动阶段），分站的设计装机功率比匀速行驶的平缓路段更大。因为驱动装置的初级驱动部分被安装在轨道里，所以磁悬浮列车就不必象其它交通工具那样总是携带着最大荷载所需的全部电动机功率。支撑和导向系统是无接触地通过安装在支撑磁铁里的线性发电机供电的。磁悬浮列车不需要接触线。在电源中断的情况下有车上的蓄电池供电，这些蓄电池在运行过程中通过线性发电机供电。磁悬浮列车原理悬浮：磁悬浮列车的底部装有悬浮电磁铁，它是由电动机中的转子部件充当的，而在导轨上也相应的固定着电磁导轨（由磁铁材料制造）。向导轨通电后，由于电磁感应现象，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相反，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在引力，车体受到吸引力与重力的共同作用而保持平衡。难点：不过车体也不能抬升得过分，否则就要与导轨相撞了，所以我们便要通过控制悬浮磁铁中的电流大小来控制吸引力不能过大。导向：在侧面装有侧向电磁体（车体上）与侧向导轨（路轨上），它们之间的磁极极性同，故互相排斥，使车体不至于与导轨碰撞，并使列车行驶时保持稳定不翻车。以上便是磁悬浮列车能够不与导轨接触而产生阻力的原因了。悬浮与导向根据磁悬浮列车上电磁铁的使用方式，磁悬浮铁路的基本制式可分为两大类，即：常导磁吸式（ELECTROMAGNETICSUSPENSION），简称EMS型；和超导磁斥式（ELECTRODYNAMICSUSPENSION），简称EDS型。两种制式的基本结构和工作原理各有不同。1、常导磁吸式（EMS型），是利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮电磁铁），和铺设在线路导向轨上的磁铁，在磁场的作用下产生吸引力使车辆浮起，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳性以及使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，才能使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导向轨之间保持10-15mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。此种悬浮方式不需设置专用的着地支撑装置和辅助的着地轮。磁浮列车利用直线电机实现牵引、制动悬浮技术日本超导磁浮超导体是谁最早发现的呢?Yesterday(kammerlingh_onnes)1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。于1913年获诺贝尔物理奖1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现：如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这叫抗磁性。2、超导磁斥式（EDS型）此种型式在车辆侧部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆浮起。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体，与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力，将车体抬起的。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。1、悬浮过程2、导向过程由于车体内装有处于低温下的强大超导磁体，导向轨导体中的磁通随着车辆的向前运动而改变，从而感应出强大的电流。由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起100-150mm，并能使列车运行保持平稳。当车辆向下位移时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小，电流增大，使浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮高度。这个间隙与速度的大小有关。磁动悬浮概念一般起始升举速度为50km/h。低于这个速度，即列车在低速运行或停车启动时，悬浮力大大减弱以至消失。因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地运行。控制系统应能实现启动和停车的精确控制。日本新建的山梨磁悬浮铁路，改变了在地面装设线圈、“垂直悬浮”的宫崎方式，而采用“侧壁悬浮”方式。即在U型导轨的侧面装设“8”字型线圈。这种方式的优点是阻力小，悬浮效果好。日本超导磁悬浮列车MAGLEV超导磁悬浮列车的轨道超导磁浮轨道超导磁浮示意图AB磁悬浮列车的推进系统磁悬浮列车的推进系统在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将推进线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。前进一步后，线圈里流动的电流流向就反转过来了。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。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。日本超导磁浮重要特征无接触、无磨擦和无磨损的支承、导向与驱动技术安装在轨道上面的同步长定子线性电动机在各种运行情况下，无论是在以每小时200至300公里速度行驶的快速区间交通，还是在每小时500公里高速行驶时，均能保证安全舒适具有高度的加速和制动能力由于很小的弯曲半径和高度10％的登坡能力，轨道可以灵活地选线在任何速度上产生的噪声都很小单位能量消耗少，运营成本低无论是在平地还是架设在空中的建筑方式，轨道占地面积都很小磁悬浮列车存在的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。磁悬浮铁路在一些国家里取得了较大的发展，有的甚至已基本解决了技术方面的问题而开始进入实用研究乃至商业运营阶段，但是随着时间的推移，磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势，反而越来越面临着来自其它交通运输方式，特别是高速型常规（轮轨粘着式）铁路的强有力的挑战。磁悬浮列车发展史磁悬浮列车是自大约200年前斯蒂芬森的“火箭”号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突破。磁悬浮列车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1972年首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50公里。1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204公里，到1979年12月又进一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到400公里。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太