高速磁浮系統(tǒng)

高速磁浮系統(tǒng)HighSpeedMaglevSystemTPL1、磁浮系統(tǒng)發(fā)展概況1.1世界各國磁浮技術(shù)發(fā)展概況1922年德國人HermannKemper提出了電磁浮原理，并在1934年獲得世界上第一項(xiàng)有關(guān)磁浮技術(shù)的專利20世紀(jì)60年代磁浮系統(tǒng)的研究才開始起步對磁浮技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究的有：美、英、德、法、日、加、前蘇聯(lián)、韓等國美國

于20世紀(jì)60年代初，由交通部主持成立了“全美高速地面運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心”，組織力量對各種地面運(yùn)輸方式進(jìn)行了全面研究。氣浮列車，磁浮列車，高速輪軌列車，獨(dú)軌列車，高速管道子彈列車（真空管道列車）。除真空管道列車外，其余均進(jìn)行了原理試驗(yàn)及模型實(shí)物研究。

結(jié)論：氣浮和磁浮列車離實(shí)用化還有相當(dāng)距離獨(dú)軌列車只適用于城市內(nèi)低噪聲交通高速輪軌列車具有現(xiàn)實(shí)意義真空管道列車綜合了各種先進(jìn)的高新技術(shù)，具有發(fā)展前景英國

于20世紀(jì)60年代末，在BR支持下研究磁浮鐵路，主要解決市內(nèi)短程交通問題，由Derby鐵路研究所負(fù)責(zé)。1974年，在100m長試驗(yàn)線首次進(jìn)行了低速短定子直線電機(jī)磁浮列車試驗(yàn)，車長3.5m，重3t。1984年，建成620m長連接伯明翰機(jī)場和火車站的低速磁浮系統(tǒng)，最高速度50km/h。運(yùn)行1.5min，2600人次/h。是世界上首條商業(yè)運(yùn)營的公共運(yùn)輸?shù)退俅鸥∠到y(tǒng)。1996年由于磁浮車故障率太高，維護(hù)頻繁，磁浮系統(tǒng)停運(yùn)。法國于20世紀(jì)70年代，曾與德國合作，研究開發(fā)磁浮系統(tǒng)方案。1983年對直線感應(yīng)異步電機(jī)進(jìn)行300km/h的高速試驗(yàn)。但與輪軌系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)對比分析后，認(rèn)為輪軌系統(tǒng)更有競爭力，終止了研究，集中研究TGV高速列車。加拿大70年代末，Queen’sUniversity開展了實(shí)驗(yàn)室理論和試驗(yàn)研究，但后來沒有研制樣車。前蘇聯(lián)1976年開始從事電磁懸浮和永磁懸浮的理論和實(shí)驗(yàn)研究。80年代在莫斯科附近建成600m的磁浮試驗(yàn)線，磁浮樣車重18t，短定子直線電機(jī)驅(qū)動，速度60km/h。韓國1988年，開始低速常導(dǎo)電磁懸浮的研究，1994年完成磁浮樣車及500m長試驗(yàn)線，試驗(yàn)運(yùn)行速度60km/h。漢城到釜山間的高速交通采用何種運(yùn)輸方式進(jìn)行了論證，最后確定為輪軌高速，引進(jìn)TGV，從而終止了磁浮系統(tǒng)的研究。1.2德國磁浮技術(shù)的發(fā)展沿革1969年由大學(xué)和工業(yè)界的研究部門成立了磁浮技術(shù)研究小組，設(shè)計(jì)制造了第一臺電磁懸浮的模型車TR-01。1971年、1972年開發(fā)成功TR-02型和TR-03型異步短定子直線電機(jī)磁浮車，建成660m試驗(yàn)線。1974年試驗(yàn)成功TR-04型磁浮車，速度達(dá)200km/h。1976年研制成功”慧星號”磁浮試驗(yàn)車，首次證明磁浮車可以在400km/h以上速度運(yùn)行。1977年組織專家對長定子直線電機(jī)常導(dǎo)磁浮技術(shù)進(jìn)行評定，認(rèn)為是發(fā)展趨勢。1979年第一輛長定子同步直線電機(jī)磁浮列車TR-05型研制成功，長27m，有70座兩節(jié)車，速度100km/h。1983年TR-06型列車投入試運(yùn)行，列車長54m，有192個(gè)座位，設(shè)計(jì)速度400km/h。1984年埃姆斯蘭工程一期21.5km試驗(yàn)線投入使用，試驗(yàn)速度302km/h。1986年蒂森公司牽頭開發(fā)TR-07型列車，采用同步長定子線性電機(jī)及電磁懸浮導(dǎo)向，設(shè)計(jì)速度500km/h。1987年埃姆斯蘭特工程二期投入使用1989年，TR-07型列車試驗(yàn)速度436km/h。1993年，TR-07型列車試驗(yàn)速度450km/h，當(dāng)時(shí)的載人世界記錄。1997年，蒂森公司開發(fā)了TR-08型列車，由5節(jié)組成，設(shè)計(jì)速度500km/h，計(jì)劃用于柏林-漢堡線，線路長292km。2000年，柏林-漢堡線修建項(xiàng)目取消。德國常導(dǎo)(EMS)磁浮車TR-08在埃姆斯蘭特試驗(yàn)線德國常導(dǎo)(EMS)磁浮車TR-08在上海浦東機(jī)場線1.3日本磁浮技術(shù)的發(fā)展沿革超導(dǎo)電動型高速磁浮發(fā)展概況1962年開始研究磁浮高速鐵路1966年，美國的鮑威爾和丹比在ASME會刊發(fā)表有關(guān)如何運(yùn)用超導(dǎo)磁鐵的磁場使列車懸浮的文章。1969年，又聯(lián)名發(fā)表有關(guān)利用線性同步電機(jī)驅(qū)動的文章。成果被日本國鐵看中。1971年，利用裝有超導(dǎo)磁鐵的低溫恒熱器使列車成功浮起。1972年為紀(jì)念鐵路100周年，進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，取名ML100型試驗(yàn)車，速度60km/h。1975年宮崎試驗(yàn)線開工，導(dǎo)軌呈倒T形，單線，長7km，設(shè)計(jì)速度500km/h，1977年建成。1979年ML500型試驗(yàn)車達(dá)517km/h。1980年，導(dǎo)軌改為U形結(jié)構(gòu)，運(yùn)行MLU001型列車。2節(jié)編組1981年試驗(yàn)速度405km/h，3節(jié)編組1982年352km/h.1987年，研制成功MLU002型列車，1991年失火燒毀.1992年，研制成功具有防火性能的MLU002N型列車，1994年試驗(yàn)運(yùn)行速度431km/h.1996年,山梨試驗(yàn)線第一段完工。1997年用3節(jié)車編組的新型MLX01超導(dǎo)磁浮列車達(dá)到550km/h，載客運(yùn)行531km/h。1998年,交會試驗(yàn)達(dá)到966km/h。1999年,模擬滿載工況試驗(yàn)達(dá)到552km/h。2003年,試驗(yàn)速度達(dá)到581km/h。常導(dǎo)電磁型低速磁浮發(fā)展概況1972年始于東京大學(xué)1974年，小型試驗(yàn)裝置的浮起試驗(yàn)成功1975年試制成HSST-01型不載人樣車，走行試驗(yàn)初步成功。1977年，01型車最高試驗(yàn)速度達(dá)到307.8km/h。1978年，02型車載人運(yùn)行最高速度110km/h。1985年，研制成功03型車1988年，研制成功04型車1993年，在名古屋修建1.5km單線磁浮試驗(yàn)線，運(yùn)行HSST-100型磁浮列車，最高速度110km/h。日本還在研制更高速度的HSST-200，HSST-300型磁浮列車，但尚未達(dá)到實(shí)用化。日本超導(dǎo)（EDS）磁浮車MLU002型在宮崎試驗(yàn)線日本超導(dǎo)（EDS）磁浮車MLX01型在山梨試驗(yàn)線做交會試驗(yàn)日本常導(dǎo)（EMS）短定子磁浮車HSST-01型在東京2、磁浮系統(tǒng)的分類及工作原理2.1磁浮系統(tǒng)的分類異性相吸、同性相斥的電磁感應(yīng)原理直線電機(jī)驅(qū)動，運(yùn)行時(shí)車體懸浮或吸浮于導(dǎo)軌上面，并與之保持一定間隙。無輪軌間的摩擦，不受粘著條件限制。磁浮列車一般分：常導(dǎo)吸引型（EMS，也稱電磁懸浮型）超導(dǎo)排斥型（EDS，也稱電動懸浮型）（1）常導(dǎo)吸引型（EMS）采用常導(dǎo)磁鐵（即普通磁鐵），導(dǎo)軌為導(dǎo)磁體，裝在車上的常導(dǎo)磁鐵勵磁后產(chǎn)生磁力吸向?qū)к?，使車輛懸浮。懸浮高度10mm左右，采用氣隙傳感器控制懸浮間隙。成本低，但懸浮控制為不穩(wěn)定型。長定子同步直線電機(jī)推動：效率較高，主要用于高速運(yùn)行，速度400-500km/h。典型代表為德國的TR系列磁浮列車短定子感應(yīng)直線電機(jī)推動：效率較低，適用于低速運(yùn)行，速度50-100km/h。典型代表為日本的HSST系列磁浮列車（2）超導(dǎo)排斥型（EDS）采用超導(dǎo)磁鐵，磁場特別強(qiáng)，利用磁極同性相斥原理，使車輛懸浮。懸浮高度100mm左右，懸浮控制為穩(wěn)定型。推進(jìn)裝置采用長定子同步直線電機(jī)成本高，但運(yùn)行速度可高達(dá)500-600km/h。低溫超導(dǎo)懸?。翰捎?2690液氦冷卻，典型代表為日本的MLX型高溫超導(dǎo)懸?。翰捎?1920液氮冷卻，具有廣泛應(yīng)用前景，為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)階段，典型為我校研制的高溫超導(dǎo)磁浮車。磁浮系統(tǒng)分類常導(dǎo)吸引型EMS（電磁式）長定子同步直線電機(jī)（高速型）德國TR系列(450km/h)短定子感應(yīng)直線電機(jī)（中低速型）日本HSST系列(110km/h)超導(dǎo)排斥型EDS

（電動式）低溫超導(dǎo)（高速型）日本MLX系列(580km/h)高溫超導(dǎo)處于實(shí)驗(yàn)階段2.2磁浮列車的工作原理2.2.1常定子同步直線電機(jī)推進(jìn)的常導(dǎo)吸引型（EMS）德國TR-07磁浮列車外型

磁浮列車與路軌相互作用示意圖（1）懸浮原理T型梁翼底部為同步直線電機(jī)的定子，下方為安裝在車體上的懸浮電磁鐵，即為同步直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子。懸浮電磁鐵通電產(chǎn)生磁場，與定子的鐵心產(chǎn)生吸引力，使磁浮車往上吸向定子，利用位移傳感器控制懸浮氣隙，保持在10mm左右。（2）導(dǎo)向原理磁浮列車的車體從兩側(cè)將T型梁的翼緣圍抱，T型梁的翼緣兩側(cè)面為導(dǎo)向軌，安裝在車體上的導(dǎo)向電磁鐵通電后與之產(chǎn)生吸引力，通過測量兩側(cè)導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)軌的間隙，并調(diào)節(jié)導(dǎo)向電磁鐵的電流，就可控制列車位于對中位置。磁浮車與T型軌梁翼緣作用示意圖（3）牽引原理相當(dāng)于將旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子切開，沿路軌展開，車體上的懸浮電磁鐵，為電機(jī)的轉(zhuǎn)子，定子中三相繞組產(chǎn)生的移動行波磁場，作用于轉(zhuǎn)子，從而產(chǎn)生電磁牽引力。調(diào)節(jié)定子供電頻率與電壓，即可改變磁浮列車的運(yùn)行速度。長定子直線電機(jī)工作原理（4）車上非接觸供電原理車體上的懸浮電磁鐵和導(dǎo)向電磁鐵，以及車載控制、照明、空調(diào)等用電，均來自車載電源和直線發(fā)電機(jī)。裝在懸浮電磁鐵上的直線發(fā)電機(jī)繞組（5）同步直線電機(jī)定子的供電原理定子分段鋪設(shè)于線路上，每段長度不等，視列車長度、該段速度、加速度、坡度、彎道等情況而定，一般為300-2000m。定子線圈供電來自沿線的變電站，一般變電站間距25-40km。兩變電站間只允許一列車運(yùn)行，僅對列車所在的那段定子供電。直線同步電機(jī)控制，采用VVVF變頻變壓調(diào)速方式。常導(dǎo)長定子磁浮列車定子供電示意圖根據(jù)實(shí)際運(yùn)行線路對功率需求來確定該段長定子直線電機(jī)的容量（6）制動原理常導(dǎo)磁浮列車的正常制動均利用同步直線電機(jī)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。高速運(yùn)行時(shí)采用再生制動，將列車動能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)。列車速度較低時(shí)，再生制動改為電阻制動。列車速度很低時(shí)，直線電機(jī)改為反接制動，即電機(jī)的牽引方向與列車運(yùn)行方向相反，直到列車停止。當(dāng)直線電機(jī)制動失靈或需要緊急制動時(shí)，采用渦流制動，即車上的渦流制動電磁鐵勵磁，使側(cè)向?qū)к壣袭a(chǎn)生渦流形成制動力。（7）列車控制及信號傳輸輪軌列車依靠輪軸短路兩根鋼軌上傳輸?shù)碾娦盘杹泶_定列車的位置。TR磁浮列車定位：在定子下方每隔約500m設(shè)置電磁性地址標(biāo)志板，標(biāo)志板之間的定位靠定子齒槽數(shù)，定子齒槽間距8.6cm，因而定位精度高。磁浮列車與地面的聯(lián)系采用無線通信方式，每隔300m有一無線電桿。自動控制系統(tǒng)由三級構(gòu)成：中央控制中心；分區(qū)控制中心（設(shè)在變電站）；列車控制系統(tǒng)。常導(dǎo)磁浮列車通信方式示意圖2.2.2短定子感應(yīng)直線電機(jī)推進(jìn)的常導(dǎo)吸引型日本HSST-100型磁浮列車外型1-車上懸浮及導(dǎo)向電磁鐵2-路軌上導(dǎo)向軌及直線電機(jī)轉(zhuǎn)子板3-車上直線電機(jī)短定子繞組4-車上發(fā)電系統(tǒng)磁浮列車與路軌相互作用示意圖（1）懸浮與導(dǎo)向原理懸浮電磁鐵與導(dǎo)向電磁鐵合一，既能保持垂直方向車體與軌面下端懸浮間隔距離，又能保持車體與軌側(cè)面的間隙。懸浮與導(dǎo)向原理圖（2）牽引原理與長定子直線電機(jī)驅(qū)動方式不同，短定子直線電機(jī)驅(qū)動是將定子繞組固定在車上、而轉(zhuǎn)子展開鋪置于路軌上。當(dāng)定子繞組通電后，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)產(chǎn)生磁場，由此產(chǎn)生電磁牽引力。直線電機(jī)定子的整套電源裝置放在車上。短定子直線電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子驅(qū)動原理圖（3）車上非接觸供電原理專門設(shè)置了一套非接觸直線發(fā)電系統(tǒng)，供直線電機(jī)定子繞組、懸浮導(dǎo)向電磁鐵勵磁、車內(nèi)控制、照明、空調(diào)等用電。（4）制動原理與TR系列磁浮列車基本相同。

由于短定子感應(yīng)直線電機(jī)驅(qū)動，在定子兩端由于漏磁等原因，直線電機(jī)的功率因數(shù)較低，效率也較低。加上懸浮、導(dǎo)向電磁鐵合一使用，速度太高時(shí)難于控制。因此，只能實(shí)用于中低速城市交通運(yùn)輸，最高速度不超過300km/h。2.2.3長定子同步直線電機(jī)推進(jìn)的低溫超導(dǎo)排斥型(EDS)1-車上懸浮導(dǎo)向及直線電機(jī)轉(zhuǎn)子功能合一的超導(dǎo)電磁鐵2-路軌上長定子繞組和懸浮、導(dǎo)向繞組3-輔助支撐輪4-橫向支撐輪

磁浮列車與路軌相互作用示意圖（1）懸浮原理8字形懸浮繞組固定在路軌側(cè)壁上，當(dāng)車上的超導(dǎo)磁鐵以一定速度通過時(shí)，上下繞組磁通不均衡給超導(dǎo)磁鐵一向上的力，從而使車輛懸浮。超導(dǎo)排斥型必須使列車達(dá)到一定速度(150km/h)，才有足夠的懸浮力。所以，須有輔助車輪支撐。

磁浮列車懸浮原理圖（2）導(dǎo)向原理8字形懸浮繞組通過路軌下面相連，構(gòu)成一個(gè)回路。當(dāng)車偏離中心即其上的超導(dǎo)磁鐵發(fā)生橫向偏移，左右繞組的磁通不一樣，一側(cè)繞組產(chǎn)生排斥力，另一側(cè)繞組產(chǎn)生吸引力，使車輛對中。

磁浮列車導(dǎo)向原理圖（3）牽引原理超導(dǎo)排斥型磁浮列車的牽引原理與常導(dǎo)吸引型相同，都采用長定子同步直線電機(jī)來牽引。長定子三相繞組產(chǎn)生一個(gè)移動的行波磁場，超導(dǎo)電磁鐵勵磁后產(chǎn)生同步的電磁牽引力，使列車前進(jìn)或后退，改變供電電流頻率與電壓，可改變牽引力，從而可改變速度。磁浮列車牽引原理圖

（4）制動原理再生制動電網(wǎng)發(fā)生故障，為電阻制動繞組短路制動，即將許多路軌側(cè)面的繞組相互聯(lián)結(jié)起來短路，產(chǎn)生電磁阻力。輪盤制動閘靴與導(dǎo)軌的摩擦制動空氣動力制動（張開空氣阻力板）常導(dǎo)吸引型與超導(dǎo)排斥型的技術(shù)特性比較項(xiàng)目常導(dǎo)吸引型EMS超導(dǎo)排斥型EDS懸浮高度及控制穩(wěn)定性10mm左右，控制不穩(wěn)定100mm以上，控制穩(wěn)定懸浮能耗能耗較小能耗較大推力高速時(shí)推力小高速時(shí)推力大外部停電影響靠蓄電池勵磁來懸浮，否則車輛會突然落下來只要車有速度，車輛不會突然落下來低速時(shí)運(yùn)行不用車輪支撐系統(tǒng)有車輪支撐系統(tǒng)，用于低速時(shí)啟動或制動車載勵磁電源必須具備不用具備車輛自重較重，TR-08型1000座,492.8t較輕，MLX01型950座,270t強(qiáng)磁場影響弱強(qiáng)成本較高高3.高速磁浮系統(tǒng)的特點(diǎn)及適用性分析3.1能達(dá)到高速度的根本原因不收輪軌粘著條件的限制磁浮系統(tǒng)本身為一個(gè)大直線電機(jī)加大功率不受任何空間的限制可以爬更陡的斜坡(千分之一百）速度500-600km/h3.2達(dá)到大運(yùn)輸能力的基本技術(shù)條件運(yùn)輸能力三要素：車輛載客量，列車編組，行車密度。（1）增加車輛載客量受懸浮力的影響（2）增加列車編組長度增加直線電機(jī)功率，要增加供給直線電機(jī)定子的電流電壓，電壓受定子繞組絕緣的限制，目前22kV已是極限。電流受繞組導(dǎo)線截面及定子鐵心磁通飽和的限制，線路損耗大。磁浮系統(tǒng)必須按列車最大編組的需要功率一次建成，建成后在擴(kuò)大編組不可能。目前，最大編組10-14輛。（3）提高行車密度每一變流站只能供一列車用電，也即一個(gè)供電區(qū)間只能一列車運(yùn)行。增加行車密度，需增加變流站數(shù)量。從目前磁浮系統(tǒng)的水平來看，最大運(yùn)輸能力不會超過新干線的1/2。3.3降低造價(jià)與成本日本山梨試驗(yàn)線18.4km，2400億日元，是新干線的2倍。上海浦東磁浮運(yùn)營線30km，造價(jià)130億。需全線鋪設(shè)地面繞組，并通過地面設(shè)備來控制車輛行走。與高速鐵路相比，車輛、繞組、電氣設(shè)備成本要大得多。用高溫液氮超導(dǎo)冷卻代替低溫液氦超導(dǎo)冷卻，可降低成本。提高地面繞組性能，采用推進(jìn)、懸浮、導(dǎo)向三功能合一的地面繞組，可降低工程造價(jià)。磁浮系統(tǒng)成本降到只有高速輪軌鐵路的1.2倍左右，即有應(yīng)用前景。3.4降低能耗每座占面積：TR07為1.06m2，ICE3為1.42m2如按相同坐席面積計(jì)算,300km/h時(shí)ICE3的能耗低于TR07約10%。在空氣稠密的大氣層中，地面高速運(yùn)載工具超過400km/h是不經(jīng)濟(jì)的。磁浮列車TR-07輪軌高速列車ICE3列車編組/座位數(shù)5輛/4468輛/415列車尺寸長/m頭車中間車頭車中間車26.0024.7725.6824.77寬/m

3.73.72.952.95運(yùn)行圖下每人.km能耗200km/h30W.h/(P.km)30W.h/(P.km)250km/h36W.h/(P.km)46W.h/(P.km)300km/h44

W.h/(P.km)58

W.h/(P.km)400km/h63

W.h/(P.km)3.5降低噪音注：測點(diǎn)為距線路中心25m，軌面高3.5m。

速度/km.h-1100200300400TGV-A/dB(A)77879398ICE-1/dB(A)74838996*TR-07/dB(A)717786943.6安全制動緊急情況下，如電源斷開、供電失效，磁浮列車需有緊急制動措施。包括渦流制動、摩擦制動、風(fēng)力制動等方式必須有大容量蓄電池提供渦流制動勵磁，保證緊急懸浮及導(dǎo)向。3.7磁浮系統(tǒng)運(yùn)輸組織模式點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)輸，不能與輪軌鐵路聯(lián)網(wǎng)，磁浮系統(tǒng)相互間也無法行車網(wǎng)絡(luò)。目前尚無實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)對運(yùn)輸組織模式開展深入研究。高速鐵路的技術(shù)特點(diǎn)TPL1964年10月1日，世界第一條高速鐵路東京—大阪的東海道新干線（Shinkansen）建成通車，最高運(yùn)行速度210km/h。日本新干線是世界高速鐵路技術(shù)開發(fā)之先驅(qū)，開創(chuàng)了世界鐵路發(fā)展的新篇章。1.1線路中橋、隧比重不斷增加，線路標(biāo)準(zhǔn)不斷提高1.2建立試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)研究解決技術(shù)關(guān)鍵除進(jìn)行大量的理論研究和分析、室內(nèi)試驗(yàn)和各種模型試驗(yàn)外，還進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。列車高速運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性確認(rèn)車輛與地面設(shè)備的強(qiáng)度、功能掌握高速列車對外界的影響1.3高速列車采用動力分散型，不斷降低軸重，全面提高列車性能除自1964年10月1日東海道新干線投入運(yùn)營以來，至今有：0系、100系、200系、300系、400系、E1系、E2系、E3系、E4系、500系、700系等