磁懸浮列車(chē)在鐵路軌道中的應(yīng)用

磁懸浮列車(chē)在鐵路軌道中的應(yīng)用

1磁懸浮列車(chē)作用原理眾所周知，傳統(tǒng)的鐵路列車(chē)以蒸汽、燃料、能源等機(jī)為動(dòng)力，車(chē)輛架子和軌道之間的相互作用作為運(yùn)營(yíng)導(dǎo)向，鐵路線(xiàn)路承受壓力，車(chē)輪壓著沿軌道旋轉(zhuǎn)。而磁懸浮列車(chē)則是一種依靠電磁場(chǎng)特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車(chē)輛托起,使整個(gè)列車(chē)懸浮在線(xiàn)路上,利用電磁力進(jìn)行導(dǎo)向,并利用直線(xiàn)電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成推進(jìn)力來(lái)推動(dòng)列車(chē)前進(jìn)的最新穎的第五代交通運(yùn)輸工具。與傳統(tǒng)鐵路相比,磁懸浮列車(chē)有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)不存在接觸輪軌的情況磁懸浮列車(chē)最大特點(diǎn)在于它沒(méi)有通常的輪軌系統(tǒng),由于消除了與輪軌之間的接觸,不存在由于輪軌摩擦及粘著所造成的諸如極限速度等影響列車(chē)運(yùn)行的問(wèn)題,速度可達(dá)500km/h以上;(2)穩(wěn)定安全列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn),能提高旅客舒適度,由于磁懸浮系統(tǒng)采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),不會(huì)發(fā)生脫軌和顛覆事故,提高了列車(chē)運(yùn)行的安全性和可靠性;(3)環(huán)保,節(jié)約環(huán)保懸浮列車(chē)在運(yùn)行中既不產(chǎn)生機(jī)械噪聲,也不排放任何廢氣、廢物,對(duì)周邊環(huán)境的污染極小,有利于環(huán)境保護(hù),加上磁懸浮列車(chē)由于沒(méi)有鋼軌、車(chē)輪、接觸導(dǎo)線(xiàn)等摩擦組件,可以省去大量維修工作和維修費(fèi)用;(4)它可以充分利用能源，實(shí)現(xiàn)高交通效率另外,磁懸浮列車(chē)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制,因此,將成為未來(lái)最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一種交通工具。2磁浮列車(chē)的分類(lèi)2.1根據(jù)電磁鐵的類(lèi)型磁懸浮列車(chē)根據(jù)所采用的電磁鐵種類(lèi)可以分為常導(dǎo)吸引型和超導(dǎo)排斥型兩大類(lèi)。(1)市以市0km/h為運(yùn)作線(xiàn)路的磁懸浮列車(chē)常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車(chē)是以常導(dǎo)磁鐵和導(dǎo)軌作為導(dǎo)磁體,用氣隙傳感器來(lái)調(diào)節(jié)列車(chē)與線(xiàn)路之間的懸浮間隙大小,在一般情況下,其懸浮間隙大小在10mm左右,這種磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行速度通常在300～500km/h范圍內(nèi),適合于城際及市郊的交通運(yùn)輸。(2)不懸浮液—超導(dǎo)排斥型超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車(chē)是利用超導(dǎo)磁鐵和低溫技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)與線(xiàn)路之間懸浮運(yùn)行的,其懸浮間隙大小一般在100mm左右,這種磁懸浮列車(chē)低速時(shí)并不懸浮,當(dāng)速度達(dá)到100km/h時(shí)才懸浮起來(lái)。它的最高運(yùn)行速度可以達(dá)到1000km/h,當(dāng)然其建造技術(shù)和成本要比常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車(chē)高得多。2.2基于nsion,prs及感應(yīng)斥力懸浮有電磁吸引式懸浮(electromagneticsuspension,EMS)和永磁力懸浮(permanentrepulsivesuspension,PRS)及感應(yīng)斥力懸浮(electrodynamicssuspension,EDS)。(1)EMS該方式利用導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸引力,絕大部分懸浮采用此方式。(2)PRS這是一種最簡(jiǎn)單的方案,利用永久磁鐵同極間的斥力,一般產(chǎn)生斥力為0.1MPa。其缺點(diǎn)為橫向位移的不穩(wěn)定因素。(3)EDS依靠勵(lì)磁線(xiàn)圈和短路線(xiàn)圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)得到斥力,所以列車(chē)要有足夠的速度才能懸浮起來(lái),大約為100km/h,它不適用于低速。2.3根據(jù)列車(chē)的驅(qū)動(dòng)模式(1)長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)和短旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式為這種電機(jī)的“定子”安裝在車(chē)輛的底部,“轉(zhuǎn)子”線(xiàn)圈安裝在軌道上。它適合于低速運(yùn)行。(2)長(zhǎng)閉合軸和短閉合軸是同時(shí)線(xiàn)性電機(jī)的驅(qū)動(dòng)此方式是將電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”線(xiàn)圈裝在車(chē)輛上,“定子”線(xiàn)圈裝在軌道上。它適合于高速運(yùn)行。3磁浮列車(chē)的原理3.1懸浮原理(1)間隙的控制利用裝在車(chē)輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設(shè)在線(xiàn)路導(dǎo)軌上的磁鐵,在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的吸引力使車(chē)輛浮起,見(jiàn)圖1所示。車(chē)輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的可靠性和列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn),使直線(xiàn)電機(jī)有較高的功率,必須精確地控制電磁鐵中的電流,使磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和懸浮力,使車(chē)體與導(dǎo)軌之間保持大約10mm的間隙。通常采用測(cè)量間隙用的氣隙傳感器來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸浮方式不需要設(shè)置專(zhuān)用的著地支撐裝置和輔助的著地車(chē)輪,對(duì)控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。(2)超聲磁斥式的工作原理此種形式在車(chē)輛底部安裝超導(dǎo)磁體(放在液態(tài)氦儲(chǔ)存槽內(nèi)),在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線(xiàn)圈。列車(chē)運(yùn)行時(shí),給車(chē)上線(xiàn)圈(超導(dǎo)磁體)通電流,產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),地上線(xiàn)圈(鋁環(huán))與之相切割,在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與車(chē)輛上超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)方向相反,兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車(chē)輛重量時(shí),車(chē)輛就浮起來(lái)。因此,超導(dǎo)磁斥式就是利用置于車(chē)輛上的超導(dǎo)磁體,與鋪設(shè)在軌道上的無(wú)源線(xiàn)圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生懸浮力將車(chē)體抬起來(lái)的。如圖2所示。由于超導(dǎo)磁體的電阻為零,在運(yùn)行中幾乎不消耗能量,而且磁場(chǎng)強(qiáng)度很大。在超導(dǎo)體和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力,可使車(chē)輛浮起。當(dāng)車(chē)輛向下位移時(shí),超導(dǎo)磁體與懸浮線(xiàn)圈的間距減小,電流增大,使懸浮力增加,又使車(chē)輛自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的懸浮位置。這個(gè)間隙與速度的大小有關(guān),一般到100km/h時(shí)車(chē)體才能懸浮。因此,必須在車(chē)輛上裝設(shè)機(jī)械輔助支承裝置如輔助支持輪及相應(yīng)的彈簧支承,以保證列車(chē)安全可靠地著地?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停車(chē)的精確控制。3.2導(dǎo)向原則磁懸浮列車(chē)?yán)秒姶帕Φ淖饔眠M(jìn)行導(dǎo)向。現(xiàn)按常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)磁斥式兩種情況簡(jiǎn)述如下。(1)導(dǎo)向軌內(nèi)間隙的控制與懸浮系統(tǒng)類(lèi)似,是在車(chē)輛側(cè)面安裝一組專(zhuān)門(mén)用于導(dǎo)向的電磁鐵。車(chē)體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當(dāng)車(chē)輛左右偏移時(shí),車(chē)上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用,使車(chē)輛恢復(fù)到正常位置?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控制來(lái)保持這一側(cè)向間隙,從而達(dá)到控制列車(chē)運(yùn)行方向的目的。(2)邊緣導(dǎo)向軌的約束可以采用以下3種方式構(gòu)成:①在車(chē)輛上安裝機(jī)械導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)列車(chē)導(dǎo)向。這種裝置通常采用車(chē)輛上的側(cè)向?qū)蜉o助輪,使之與導(dǎo)向軌側(cè)面相互作用(滾動(dòng)摩擦)以產(chǎn)生復(fù)原力,這個(gè)力與列車(chē)沿曲線(xiàn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡,從而使列車(chē)沿著導(dǎo)向軌中心線(xiàn)運(yùn)行。②在車(chē)輛上安裝專(zhuān)用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵,使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線(xiàn)圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力,該力與列車(chē)的側(cè)向作用力相平衡,使列車(chē)保持正確的運(yùn)行方向。這種導(dǎo)向方式避免了機(jī)械摩擦,只要控制側(cè)向地面導(dǎo)向線(xiàn)圈中的電流,就可以使列車(chē)保持一定的側(cè)向間隙。③利用磁力進(jìn)行導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系統(tǒng)。即沿線(xiàn)路中心線(xiàn)均勻地鋪設(shè)“8”字形的封閉線(xiàn)圈,當(dāng)列車(chē)上設(shè)置的超導(dǎo)磁體位于該線(xiàn)圈的對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)上時(shí),線(xiàn)圈內(nèi)的磁場(chǎng)為零;而當(dāng)列車(chē)產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí),“8”字形的線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)為零,并產(chǎn)生一個(gè)反作用力以平衡列車(chē)的側(cè)向力,使列車(chē)回到線(xiàn)路中心線(xiàn)的位置。3.3直線(xiàn)電機(jī)的展開(kāi)磁懸浮列車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)成直線(xiàn)電機(jī)。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類(lèi)似,展開(kāi)以后,其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。(1)短程旅游線(xiàn)式采用短定子異步直線(xiàn)電機(jī)。在車(chē)上安裝三相電樞繞組,軌道上安裝感應(yīng)軌。采用車(chē)上供電方式。這種方式結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,容易維護(hù),造價(jià)低,適用于中低速城市運(yùn)輸及近郊運(yùn)輸以及作為短程旅游線(xiàn)系統(tǒng);主要缺點(diǎn)是功率偏低,不利于高速運(yùn)行。其中TR型快速動(dòng)車(chē)和上海引進(jìn)的Transrapid06號(hào)磁懸浮列車(chē),以及日本的HSST型磁懸浮列車(chē)都采用這種形式。(2)地面牽引系統(tǒng)動(dòng)力特點(diǎn),這也和高速、高采用長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電機(jī)。其超導(dǎo)電磁體安裝在車(chē)輛上,在軌道沿線(xiàn)設(shè)置無(wú)源閉合線(xiàn)圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導(dǎo)電磁線(xiàn)圈的采用,為直線(xiàn)同步電機(jī)的激磁線(xiàn)圈處于超導(dǎo)狀態(tài)提供了方便條件。它們可以共存于同一個(gè)冷卻系統(tǒng),或者同一線(xiàn)圈同時(shí)起到懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)的作用。高速長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電機(jī)牽引系統(tǒng)的構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜。地面牽引系統(tǒng),供電一個(gè)區(qū)間(長(zhǎng)約30km)區(qū)間又分成許多段(約300～1000m)每段只有列車(chē)通過(guò)時(shí)供電,各段切換由觸點(diǎn)真空開(kāi)關(guān)完成。為使列車(chē)在段間不沖動(dòng),需兩組逆變器輪流供電,其特點(diǎn)為大功率,高壓,大電流。動(dòng)力在地面的優(yōu)勢(shì)有路軌電機(jī)的功率強(qiáng),以及車(chē)輛的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,重量輕。適用于高速和超高速磁懸浮鐵路。日本和加拿大決定發(fā)展這種磁懸浮系統(tǒng)。4高速發(fā)展磁懸浮系統(tǒng)試驗(yàn)線(xiàn)國(guó)際上有代表性的幾種磁懸浮列車(chē)有:高速常導(dǎo)磁懸浮列車(chē),低速常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)以及高速超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。高速常導(dǎo)磁浮車(chē)為德國(guó)研制的TR(transrapid)系列;低速常導(dǎo)磁浮車(chē)為日本研制的HSST系列;高速超導(dǎo)磁浮車(chē)為日本研制MLU系列。目前,世界磁懸浮列車(chē)技術(shù)領(lǐng)域中,日本和德國(guó)兩個(gè)國(guó)家占據(jù)領(lǐng)先地位。德國(guó)現(xiàn)擁有一條長(zhǎng)34.5km啞鈴式的載人磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)線(xiàn),其最高運(yùn)行速度可達(dá)450km/h,載客時(shí)車(chē)速則為420km/h。目前,該條試驗(yàn)線(xiàn)上運(yùn)行的磁懸浮列車(chē)是最新研制成功的TR-08型磁懸浮列車(chē),它從啟動(dòng)到加速、減速直至停車(chē)?yán)@試驗(yàn)線(xiàn)兩圈不到10min,平均速度為300km/h,人們乘坐時(shí)沒(méi)有絲毫不舒服的感覺(jué)。日本在研制低速常導(dǎo)磁懸浮系列HSST之外,著重探索高速超導(dǎo)磁懸浮。目前已建成一條長(zhǎng)度為18.4km的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)試驗(yàn)線(xiàn),其最高運(yùn)行速度可達(dá)到550km/h。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家介紹,日本之所以研究和發(fā)展超導(dǎo)磁懸浮列車(chē),是因?yàn)槌瑢?dǎo)磁懸浮列車(chē)100mm的懸浮間隙比常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的10mm懸浮間隙更能抵御地震災(zāi)害對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響,而日本恰恰是多地震的國(guó)家。我國(guó)也掌握了磁懸浮列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù),比較有影響力的有國(guó)防科技大學(xué)和株洲電力機(jī)車(chē)所合作準(zhǔn)備用于八達(dá)嶺旅游線(xiàn),