磁懸浮列車技術(shù)與控制

磁懸浮列車技術(shù)與控制

0磁懸浮列車的研究進(jìn)展軌道可以像飛機(jī)一樣與軌道緊密接觸，以速度行駛。這是人類的共同夢(mèng)想。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn),科學(xué)家們發(fā)明了磁懸浮列車技術(shù)。磁懸浮列車的核心技術(shù)是懸浮與推進(jìn),并需要一套復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。下面本人結(jié)合在多年教學(xué)中所累積的磁懸浮列車知識(shí)總結(jié)如下。1高速列車系統(tǒng)點(diǎn)磁懸浮列車是一種采用無(wú)接觸電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速列車系統(tǒng),時(shí)速可達(dá)450～550km。主要可分為兩種:一種是電磁型(EMS),也稱吸力型、常導(dǎo)型;另一種是電動(dòng)型(EDS),也稱斥力型、超導(dǎo)型。1.1懸浮式推進(jìn)系統(tǒng)在車體內(nèi)裝有電磁鐵,路軌為一導(dǎo)磁體。電磁鐵繞組中電流的大小根據(jù)間隙傳感器的信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié),使車體與路軌間保持一定距離。懸浮力的大小與車速無(wú)關(guān),任何車速時(shí)均能保持穩(wěn)定的懸浮力。懸浮氣隙較小,約Icm。出于安全考慮,設(shè)有應(yīng)急備用車輪。車身前進(jìn)的動(dòng)力由直線感應(yīng)電機(jī)或直線同步電機(jī)提供。它的懸浮和推進(jìn)系統(tǒng)消耗的功率很小,一般為IkW/t。結(jié)構(gòu)、材料簡(jiǎn)單,但車體較重。1.2速度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在車體內(nèi)安裝有超導(dǎo)線圈,軌道上分布有按一定規(guī)則排列的短路鋁環(huán)。當(dāng)超導(dǎo)線圈內(nèi)通電時(shí),就產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),在列車以一定速度前進(jìn)時(shí),該強(qiáng)磁場(chǎng)就在路軌的鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,兩者相互排斥而產(chǎn)生上浮力。速度愈大這個(gè)排斥力就愈大,當(dāng)速度超過(guò)一定值(時(shí)速80km以上)時(shí),列車就脫離路軌表面,最大距離可達(dá)數(shù)10cm以上。其懸浮是自穩(wěn)定的,無(wú)須加任何主動(dòng)控制。由于采用大氣隙懸浮,即使車體有稍許不平衡,或車體與軌道有些許對(duì)不準(zhǔn),或軌道上有冰雪之類雜物,均不會(huì)影響列車運(yùn)行的安全性。采用超導(dǎo)線圈雖可減輕線圈結(jié)構(gòu)的重量,但卻要增設(shè)超導(dǎo)所需的致冷系統(tǒng),致冷電源也增加了功耗。這種結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)若不加屏蔽,會(huì)增加環(huán)境的電磁污染。在低速行駛時(shí),列車還需輪軌系統(tǒng)支撐,側(cè)向穩(wěn)定也要另加控制設(shè)備。2磁浮列車的驅(qū)動(dòng)方法主要有直線感應(yīng)電機(jī)(LIM)、直線同步電機(jī)(LSM),以及直線磁阻電機(jī)(LRM)和Z字型單極直線同步電機(jī)。后兩者很少采用。2.1次級(jí)電磁磁場(chǎng)直線感應(yīng)電機(jī)也稱短定子直線感應(yīng)電機(jī),它的初級(jí)繞組裝在車體上,定子由硅鋼片疊成,橫向開有許多齒槽,用于安放電機(jī)繞組。次級(jí)采用低碳鋼實(shí)心結(jié)構(gòu),架設(shè)在軌枕上,其上附設(shè)一層次級(jí)導(dǎo)體(5mm厚的鋁板)。當(dāng)初級(jí)繞組加上三相交流電之后,在氣隙空間形成一個(gè)平移磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)切割次級(jí)導(dǎo)體,在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。該感應(yīng)電流形成的磁場(chǎng)與初級(jí)繞組形成的平移磁場(chǎng)方向相反,從而在路軌與車體之間產(chǎn)生電磁推力。這種電機(jī)的速度低于同步速度,一般用于中速(100～200km/h)磁浮列車。2.2高速磁浮電機(jī)直線同步電機(jī)也稱長(zhǎng)定子直線感應(yīng)電機(jī),其初級(jí)繞組沿軌道鋪設(shè),故稱長(zhǎng)定子,定子線構(gòu)與短定子類似。次級(jí)安裝在車體上,為永磁體或直流繞組,在氣隙空間建立起一個(gè)恒定的直流磁場(chǎng)。當(dāng)初級(jí)繞組加上三相交流電后,在氣隙空間形成一個(gè)平移磁場(chǎng),與次級(jí)的直流磁場(chǎng)間產(chǎn)生電磁推力。這種電機(jī)的速度等于同步速度,一般用于高速(400～500km/h)磁浮系統(tǒng)。這種電機(jī)需沿軌道鋪設(shè)大量導(dǎo)電線圈,并沿線建立許多變電站,用于區(qū)間供電。例如上海磁懸浮列車工程龍陽(yáng)路車站、維修基地及全線全面達(dá)到受電狀態(tài)、電壓為20kV,這樣的高壓電產(chǎn)生的電磁力將使磁懸浮列車車體浮離軌道,在無(wú)接觸、無(wú)摩擦的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)高速行駛。3磁浮列車的特點(diǎn)3.1磁浮列車的速度特征磁懸浮列車是大面積懸浮支撐,單位面積受力較小。普通列車的速度主要是受限于輪軌間的粘性摩擦力,而磁浮列車的速度則受限于空氣阻力。其最快速度可達(dá)到552km/h(日本)。由此可見,磁懸浮列車是陸上最快的交通工具,其速度僅次于飛機(jī)。3.2穩(wěn)定舒適，噪音低因?yàn)檐嚿砼c軌道之間無(wú)接觸,軌道不平度的影響可通過(guò)控制系統(tǒng)被濾除。磁懸浮列車的噪聲屬于低水平噪聲。3.3高速公路積大1.積磁懸浮列車路軌占地面積與普通列車相近,比高速公路占地面積要小得多。每千米的占地面積,六車道高速公路為42800m2,四車道的為28600m2;而單向磁懸浮路軌僅為14300m2。若是高架路軌,則幾乎不占地面。3.4列車轉(zhuǎn)彎半徑磁浮列車爬坡能力可達(dá)100%,而輪軌高速為40%,在同等速度下,磁懸浮列車轉(zhuǎn)彎半徑比普通列車小,例如TR06軌道時(shí)速216km的曲率半徑為1000m,可適應(yīng)修建磁浮路軌的地段多,因而選擇自由度較大。這意味鐵路可較短、少占地面、耕地,可減少隧道和山谷橋架等建筑費(fèi)用,降低總投資。3.5速度因素未考慮速度,單看能耗,似乎磁懸浮列車要比普通列車大,如果計(jì)及速度因素,考慮在不同速度下的功能指標(biāo),結(jié)論就不一樣了。當(dāng)時(shí)速達(dá)220km左右時(shí),普通列車與磁浮列車的功耗基本上一致。再提高時(shí)速,磁浮列車的優(yōu)越性就明顯了,而普通列車已無(wú)法達(dá)到。3.6污染小磁懸浮列車采用電力驅(qū)動(dòng),不需燃油,這使它的發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu),特別是燃油供應(yīng)的限制;同時(shí),無(wú)有害氣體排放,環(huán)境污染小。3.7懸浮系統(tǒng)失效磁浮列車(EMS型)懸浮高度大約1cm左右,萬(wàn)一懸浮系統(tǒng)失效,應(yīng)急車輪能支撐列車?yán)^續(xù)行進(jìn)。另外,磁浮列車車體兩側(cè)像鉗子一樣卡住路軌,不易出軌,比普通列車安全。3.8長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)和低維護(hù)成本磁懸浮列車沒(méi)有車輪和鐵軌的接觸、震動(dòng)小,舒適性好,其工作屬于無(wú)磨損運(yùn)行,維修主要集中在電子技術(shù)方面,不需大量體力勞動(dòng)。4磁浮列車的應(yīng)用和發(fā)展4.1磁懸浮列車是一種高創(chuàng)磁懸浮列車的核心技術(shù)是懸浮與推進(jìn),并需要一套復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用電子技術(shù)、電磁器件、直線電機(jī)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果,因而國(guó)際上把磁懸浮列車列為高技術(shù)產(chǎn)品。但對(duì)于已比較成熟的EMS型磁懸浮列車來(lái)說(shuō),它是高技術(shù)產(chǎn)品,卻并非高價(jià)產(chǎn)品。它所依據(jù)的基礎(chǔ)技術(shù)均屬已成熟的技術(shù),也不需要等待某一項(xiàng)技術(shù)的突破或某種特殊材料與器件的出現(xiàn),所有材料與器件都是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上可買到的商品。需要攻關(guān)的關(guān)鍵是,組成系統(tǒng)的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)工程化?？梢韵嘈?一旦磁懸浮列車在中國(guó)某地的交通網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn),讓人們實(shí)際體驗(yàn)到它的優(yōu)越性,它在中國(guó)大地上的發(fā)展將是無(wú)可限量的。4.2鐵路運(yùn)輸總體規(guī)劃設(shè)計(jì)占地面積大,一般項(xiàng)目大,一般利用占地面積大的交通設(shè)施做大,一般利用高速公路中國(guó)幅員遼闊,人口眾多,經(jīng)濟(jì)正處起飛階段,交通問(wèn)題十分緊迫。就陸路交通而言,中國(guó)可耕地面積僅占國(guó)土面積的17%,可耕地十分寶貴,因此不宜大量發(fā)展占地面積大的交通設(shè)施。據(jù)統(tǒng)計(jì),高速公路每千米占地81000m2左右,而鐵路每千米僅占地16300m2,普通路基的磁懸浮列車占地與鐵路相當(dāng),而高架的磁懸浮列車占地要少得多,即使是雙軌的,占地面積也僅為高速公路的5%?？筛貙氋F是中國(guó)一項(xiàng)重要的基本國(guó)情,由此出發(fā),中國(guó)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展鐵路。4.3《中國(guó)城市軌道交通》磁懸浮列車作為一種采用高技術(shù)的鐵路運(yùn)輸工具,其單位能耗不僅比飛機(jī)、汽車低,與其他鐵路運(yùn)輸工具相比,也是最低的。它的造價(jià)只略高于電氣化鐵路。經(jīng)濟(jì)的起飛帶來(lái)城市的繁榮,在人口集中的大城市,市內(nèi)公共交通以及市區(qū)與城郊的交通問(wèn)題變得更為嚴(yán)峻。中國(guó)的城市軌道列車,全國(guó)總計(jì)也不足50km。修建地下鐵路,造價(jià)昂貴,按中國(guó)的國(guó)力,近期不可能大規(guī)模發(fā)展。修建中低速的高架磁懸浮列車,造價(jià)要合理得多,而且噪聲小,占地面積小,是解決城市交通問(wèn)題的理想方案。4.4磁懸浮試驗(yàn)線在上海的應(yīng)用和價(jià)值2002年11月22日下午1:00,一輛磁懸浮列車駛?cè)臊堦?yáng)路車站,由德國(guó)制造的磁懸浮列車第一次全程駛過(guò)了世界上首條投入商業(yè)運(yùn)行的磁懸浮列車線——上海浦東機(jī)場(chǎng)至龍陽(yáng)路,正線全長(zhǎng)29.863km。它的設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速分別為505km和430km。上海這條30余千米磁懸浮試驗(yàn)線,并不僅是一條單純的商業(yè)線,它很可能是未來(lái)中國(guó)磁懸浮產(chǎn)業(yè)的雛形。因?yàn)?隨著上海磁懸浮示范線建成,德國(guó)技術(shù)將會(huì)逐步轉(zhuǎn)讓,機(jī)車、信號(hào)、控制系統(tǒng)等設(shè)備逐漸國(guó)產(chǎn)化,建設(shè)費(fèi)用將大大降低,為將來(lái)在國(guó)內(nèi)一些黃金線路上采用磁懸浮積累經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)造條件,它的成功與否將會(huì)對(duì)1994年以來(lái)一直爭(zhēng)論未果的第二條1300km的“京滬線”產(chǎn)生直接影響。而京滬線采用哪種技術(shù)又將直接影響中國(guó)是否會(huì)派生出一個(gè)世界上前所未有的產(chǎn)業(yè)