磁懸浮列車的研制

磁懸浮列車的研制

1磁懸浮技術(shù)的研究現(xiàn)狀現(xiàn)在，地面運(yùn)輸主要集中在公路和鐵路上。隨著社會(huì)的發(fā)展，其速度越來越慢。在這兩大地面運(yùn)輸系統(tǒng)中,只有鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高運(yùn)輸?shù)目旖菪?而常規(guī)鐵路輪軌系統(tǒng)由于其自身無法克服的粘著力和機(jī)械上的原因,其最高速度受到很大限制。磁懸浮列車在人類地面交通技術(shù)史上第一次實(shí)現(xiàn)了車輛與路面之間的無接觸、無摩擦、無磨損的運(yùn)行,克服了傳統(tǒng)機(jī)車車輛必須通過輪軌機(jī)械接觸實(shí)行列車牽引的許多弊端。其最高運(yùn)行速度可達(dá)500km/h以上,而且它的振動(dòng)、噪聲要比常規(guī)輪軌系統(tǒng)小得多,以線性電力驅(qū)動(dòng)是它的優(yōu)勢之一,因此對(duì)環(huán)境的污染少。從經(jīng)濟(jì)性的角度來看,磁懸浮列車每個(gè)座位的投資是飛機(jī)的,而它的速度比輪軌式交通工具快得多,比較適合中距離的城際運(yùn)輸。因此,磁懸浮列車被稱為“21世紀(jì)最理想的交通工具?！睂?duì)于磁懸浮技術(shù)的研究,許多發(fā)達(dá)國家走在了前列,其中以德國和日本最為突出,而且他們在這個(gè)領(lǐng)域的競爭也非常激烈。這兩個(gè)國家的磁懸浮列車在設(shè)計(jì)上截然不同,日本采用電動(dòng)懸浮方式(EDS),用超導(dǎo)磁體與軌道中感應(yīng)的電流之間的斥力使車體浮起;德國不采用超導(dǎo)磁體,而采用電磁懸浮方式(EMS),用電磁鐵懸掛在導(dǎo)軌下方,導(dǎo)軌為磁鐵,利用兩者之間的吸引力使車體浮起。雖然發(fā)展的方向不同,但兩個(gè)國家都在其研究領(lǐng)域取得了豐碩的成果。1990年日本開始建造速度為500km/h、長48.2km的超導(dǎo)磁懸浮列車線路。德國試驗(yàn)速度為430km/h。此外英國、法國、美國、加拿大等國也在這方面進(jìn)行了眾多項(xiàng)目的研制和開發(fā)。我國在磁懸浮列車方面的研究起步較晚。在1988年由鐵道部科學(xué)研究院和中國科技館共同研制出了直線電機(jī)傳動(dòng)列車。它是利用直線電機(jī)、感應(yīng)短定子直線電機(jī)來推動(dòng)列車高速前進(jìn)的。國防科技大學(xué)在1989年3月推出的我國第一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車,也是利用這個(gè)原理。與此同時(shí),西南交通大學(xué)、西安交通大學(xué)也在做這方面的研究,并取得了一定的成果。2002年世界上第一條磁懸浮列車商業(yè)運(yùn)營線在上海的成功開通,是中國磁懸浮事業(yè)邁向新階段的重要一步。雖然該線是引進(jìn)德國的關(guān)鍵技術(shù),但卻反映出磁懸浮列車的受重視程度和潛在的巨大市場,對(duì)我國磁懸浮列車的研制有著參考和激勵(lì)的作用。2長轉(zhuǎn)子直線與懸浮驅(qū)動(dòng)的聯(lián)系在德國磁懸浮列車的懸浮與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,懸浮和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既有聯(lián)系又有區(qū)別。其聯(lián)系主要在于懸浮和驅(qū)動(dòng)是一個(gè)有機(jī)整體,它們統(tǒng)一于作為列車運(yùn)行關(guān)鍵部件的長定子直線同步電動(dòng)機(jī);其區(qū)別主要在于懸浮和驅(qū)動(dòng)在列車運(yùn)行中發(fā)揮的作用是不一樣的,而且體現(xiàn)在同步電機(jī)上,就分別是初級(jí)(長定子)和次級(jí)(懸浮磁鐵)。2.1直線同步電機(jī)磁懸浮列車懸浮與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本工作方式是按照直線同步電機(jī)原理設(shè)計(jì)的(圖1)。近幾十年來,直線同步電機(jī)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。直線同步電機(jī)可分為鐵芯式和空心式兩類,鐵芯式直線同步電機(jī)中的直流磁場激磁方式是常導(dǎo)式,德國磁懸浮列車的推進(jìn)電機(jī)也是常導(dǎo)型直線電機(jī),其直流勵(lì)磁繞組由車上的電源供給,地面上鋪設(shè)由地面電源供電的三相繞組。直線同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與直線感應(yīng)電機(jī)相比最大的優(yōu)點(diǎn)是用直流勵(lì)磁,因而提高了功率因數(shù),缺點(diǎn)是三相繞組導(dǎo)致了軌道成本的增加。一般對(duì)三相繞組采用分段供電。2.2懸浮設(shè)備德國常導(dǎo)磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)主要由懸浮磁鐵和懸浮控制等部分組成,懸浮系統(tǒng)的作用是通過產(chǎn)生吸引力使列車與軌道保持無接觸懸浮狀態(tài)。2.2.1發(fā)電機(jī)的模型德國磁懸浮列車的懸浮磁鐵結(jié)構(gòu)見圖2。圖2中(1)為磁輪,它由磁鐵(2)和勵(lì)磁線圈組成;(3)是長定子,也是直線同步電機(jī)的初級(jí),在定子槽內(nèi)有三相繞組;(4)和(5)分別是懸浮電磁鐵線圈的控制和供電單元;(6)為線性發(fā)電機(jī)升壓斬波器,隨運(yùn)行速度成比例上升的輔助電路的頻率和電壓配合在升壓斬波器中產(chǎn)生,線性發(fā)電機(jī)的定子線圈位于懸浮電磁鐵極靴上。(S)為初級(jí)和次級(jí)(電磁鐵2)的間隙。從懸浮磁鐵的結(jié)構(gòu)可以看到,磁通穿過電磁鐵和長定子形成閉合的回路。電磁吸力的大小主要取決于間隙(S)和勵(lì)磁電流的大小,所有的線圈中都有由電工鋼薄片疊壓而成的鐵芯,這樣可以增加磁密,減小磁阻,最終增加電磁吸力。由于電工鋼薄片的磁滯曲線很窄,因此它的磁滯損失很小,另外0.5mm厚的薄片也限制了渦電流的產(chǎn)生,使列車懸浮運(yùn)行過程中電能的損失盡可能的小。整個(gè)圖2實(shí)際上是直線同步電機(jī)的一部分,其中長定子鋪設(shè)在軌道上,懸浮電磁鐵則安裝在磁懸浮列車上,通過控制電路使二者有機(jī)地結(jié)合起來。2.2.2enph的中介作用德國磁懸浮列車的懸浮方式為電磁吸引懸浮控制方式,簡稱EMS(ElectromagneticSuspension)。當(dāng)列車上的電磁鐵通以直流電時(shí),將有一穿過氣隙同時(shí)交鏈電磁鐵與軌道的主磁場產(chǎn)生,軌道被這個(gè)外磁場磁化,進(jìn)而產(chǎn)生將電磁鐵向上吸的磁場力。這種導(dǎo)軌與電磁鐵之間的吸引力,使列車上的動(dòng)子(電磁鐵)和軌道上的長定子保持一定的空氣間隙,如果有沿軌道方向的牽引力,列車便能在無接觸、無摩擦的條件下行進(jìn)。2.2.3德國磁懸浮系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)由于吸引力本質(zhì)上是一種不穩(wěn)定的力,所以EMS方式完全依賴于主動(dòng)控制。在圖2所示的電磁懸浮系統(tǒng)中,懸浮物體的上下運(yùn)動(dòng)方程式可用式(1)表示。Md2δdt2=Mg?ki(iδ)2+fd(1)Μd2δdt2=Μg-ki(iδ)2+fd(1)同時(shí),勵(lì)磁電路的電路方程式如式(2)所示。e=d(Li)dt+Ri(2)e=d(Li)dt+Ri(2)式中:M——懸浮物體的質(zhì)量;g——重力加速度;fd——外力;δ——懸浮氣隙長度;e——外加電壓;i——?jiǎng)?lì)磁電流;R——?jiǎng)?lì)磁繞組電阻;ki——電磁鐵吸力系數(shù);L——?jiǎng)?lì)磁繞組電感。要達(dá)到額定懸浮氣隙δ0,需要用控制器按照負(fù)反饋伺服控制原理,根據(jù)懸浮氣隙的大小調(diào)整電磁鐵繞組的電流,這樣的負(fù)反饋控制系統(tǒng)框圖可以用圖3表示。在實(shí)際的德國磁懸浮系統(tǒng)中,通過勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器和電磁調(diào)整電路,來對(duì)氣隙的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4為氣隙調(diào)整電路。2.3驅(qū)動(dòng)裝置的長定額德國磁懸浮列車采用長定子線性同步電機(jī)來提供牽引力,它的驅(qū)動(dòng)裝置是根據(jù)直線同步電機(jī)的原理設(shè)計(jì)的(圖5)。驅(qū)動(dòng)裝置的長定子固定在軌道梁上,三相繞組由絕緣電纜構(gòu)成,并由敷線車將其安裝在導(dǎo)軌兩側(cè)的定子上。車上采用線性發(fā)電機(jī)(帶有備用電池)作為電源,它向懸浮、導(dǎo)向磁鐵及車上的所有用電設(shè)備(如控制儀器、照明、通信等)提供電能。定子鐵芯由薄硅鋼片疊成,其疊裝方式與變壓器鐵芯一樣,這些鐵芯固定在導(dǎo)軌的下部。2.3.1u3000流勵(lì)磁兩組轉(zhuǎn)子的磁極都是直線,其磁場、磁場與作用應(yīng)當(dāng)配合應(yīng)用磁懸浮列車非輪軌接觸的牽引技術(shù)要求采用直線電機(jī)作為牽引動(dòng)力,這樣可以不依靠輪軌粘著力產(chǎn)生推力和制動(dòng)力。這種非輪軌接觸的動(dòng)力傳輸使得線路的架設(shè)坡度高達(dá)10%,并具有較高的起動(dòng)加速度。對(duì)于直線同步電機(jī),列車承載系統(tǒng)的磁鐵同時(shí)也是電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁鐵。圖5中的上半部分是帶有三相繞組的長定子鐵芯,下半部分是帶有直流勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁轉(zhuǎn)子,也就是車上的懸浮電磁鐵。因轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹本€,可以認(rèn)為其半徑趨于無窮。長定子直線同步電機(jī)與普通轉(zhuǎn)子式同步電機(jī)的原理基本一致。普通同步電機(jī)中,直流勵(lì)磁轉(zhuǎn)子的磁極不變,當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場和定子所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場耦合后,形成穩(wěn)定的合成磁場。這時(shí)轉(zhuǎn)子的磁極在合成磁場磁力矩的作用下旋轉(zhuǎn),并與旋轉(zhuǎn)磁場相對(duì)靜止,達(dá)到同步。直線同步電機(jī)實(shí)際上是同步電機(jī)的特殊形式,只要把旋轉(zhuǎn)式同步電機(jī)展成平面,這時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場就變成了行波磁場,轉(zhuǎn)子變成了動(dòng)子,當(dāng)勵(lì)磁磁場和定子繞組磁場達(dá)到完全同步的時(shí)候,就產(chǎn)生了恒定的牽引力。如果定子繞組的電流增加,則合成磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度也增加,從而使磁力矩增大,也就是增大了牽引力。當(dāng)磁懸浮列車運(yùn)行時(shí),車上的輔助電路由線性發(fā)電機(jī)供電。線性發(fā)電機(jī)的定子線圈位于車上懸浮電磁鐵極靴上,它的發(fā)電原理是:當(dāng)列車運(yùn)行時(shí),存在沿車上懸浮電磁鐵鐵芯及軌道上直線同步電機(jī)定子鐵芯的閉合磁通,因直線同步電機(jī)定子鐵芯存在齒槽,由于氣隙磁阻變化,會(huì)在磁極表面布置的繞組內(nèi)感應(yīng)電氣,同時(shí)還有高次諧波感應(yīng)電勢,但前者為主。2.3.2電機(jī)的特性及約束長定子直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于:在車體上不必安裝類似受電弓和逆變器等轉(zhuǎn)換電能形式的轉(zhuǎn)換裝置。在高速運(yùn)行時(shí),這種技術(shù)可使列車具有較高的有效負(fù)荷。長定子直線同步電機(jī)具有以下特點(diǎn):(1)由于懸浮和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合二為一,因此,根據(jù)列車的質(zhì)量即可確定電機(jī)的勵(lì)磁;(2)懸浮磁鐵的勵(lì)磁電流一定時(shí),列車的氣隙磁通不變,這時(shí)牽引力的大小取決于長定子三相繞組電流的大小和相位;(3)每一供電區(qū)段都比列車長,因此電機(jī)的特性將取決于電機(jī)繞組及饋電電纜的阻抗;(4)磁懸浮列車的無接觸傳動(dòng)工作原理使電機(jī)饋電必須為三相調(diào)頻調(diào)幅電源,這種電源則由沿運(yùn)行線路分布的區(qū)間配電站中的靜止逆變器提供。由于應(yīng)用了直線同步電機(jī),磁懸浮列車的懸浮和推進(jìn)得到了有機(jī)的結(jié)合,在這當(dāng)中一些重要的參數(shù)對(duì)列車的運(yùn)行有著決定性的影響。當(dāng)電機(jī)的極距選擇為0.258m、速度為400km/h時(shí),電機(jī)的最高頻率達(dá)215Hz?？紤]到電機(jī)最大有效電壓受逆變器輸出電壓的波形以及電機(jī)電纜絕緣強(qiáng)度的限制,每相電壓選定為4.25kV,在高速運(yùn)行時(shí)還能升到7.8kV,電機(jī)最大電流為1200A。直線電機(jī)的特性參數(shù)見表1。就電機(jī)定子繞組而言,要調(diào)節(jié)其電流,應(yīng)詳盡了解電機(jī)的勵(lì)磁情況。磁極情況可以通過車上的各種不同測量儀器構(gòu)成的采集裝置獲得。除車體本身情況外,還要測出車體的運(yùn)行速度以及車輛的精確位置。所采用的這套檢測裝置其誤差應(yīng)不大于3°電角度。當(dāng)定子極距為258mm時(shí),相應(yīng)長度誤差小于12mm。精確的測量系統(tǒng)可以使列車具有較高的起動(dòng)加速度,一般在距離不大于6km、速度達(dá)到400km/h時(shí),起動(dòng)時(shí)間不超過2min;列車從0升至100km/h只需20s。2.3.3懸浮與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電電路為了避免能量損失,德國磁懸浮列車在運(yùn)行的線路上采用分段供電,也就是說線路中長定子線性驅(qū)動(dòng)裝置被分成了獨(dú)立的區(qū)段,只在車輛所在的區(qū)段接通電源。每一電機(jī)區(qū)段按照跨接方式,由兩套逆變系統(tǒng)通過沿線路分開的電纜系統(tǒng),交替式和搭接式地對(duì)長定子供電(圖6)。電源由110kV/20kV的高壓變壓器和2臺(tái)20kV/1.2kV的整流變壓器通過兩條并聯(lián)調(diào)節(jié)的整流系統(tǒng),向直流中間電路提供2.6kV和2×3.3kA的直流電。通過2個(gè)逆變系統(tǒng),可以將電壓恒定的中間電路轉(zhuǎn)變成三相交流電壓,其電壓值可以由0調(diào)至2027V、頻率由0調(diào)至215Hz。當(dāng)電機(jī)頻率在0～55Hz范圍時(shí),上述三相電壓可直接加到長定子電機(jī)上;當(dāng)電機(jī)頻率較高時(shí),可通過輸出變壓器,將電壓升至最大電壓7800V,此時(shí)電機(jī)最大電流為1200A。供電系統(tǒng)參數(shù)見表2。為了確保磁懸浮列車運(yùn)行的安全性和可靠性,懸浮與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在供電方面采取了功能冗余的技術(shù)。這樣在很大程度上能夠容忍故障,每一個(gè)連接點(diǎn)都形成自給自足的單元,即使在較多的連接點(diǎn)上出現(xiàn)了故障,系統(tǒng)仍能保持其運(yùn)轉(zhuǎn)能力。例如,在每個(gè)連接點(diǎn)上雙重安裝了氣隙調(diào)節(jié)電路,保證了磁鐵和反作用軌道間的非接觸狀態(tài)。3高速輪軌系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到軌道交通是未來軌道交通的發(fā)展方向,但它是一項(xiàng)新技術(shù),在許多方面還處于不斷完善階段,與高速輪軌系統(tǒng)相比,其主要優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:(1)浮標(biāo)運(yùn)行速度常導(dǎo)磁懸浮可達(dá)400km/h～500km/h,超導(dǎo)磁懸浮可達(dá)500km/h～600km/h,而輪軌高速的最高運(yùn)營速度一般不宜超過400km/h。磁懸浮的高速度使其在1000km～1500km的距離范圍可與航空競爭。(2)能耗低據(jù)德國資料,在同樣的高速度下,磁懸浮比高速輪軌耗能少15%。(3)維修費(fèi)用磁懸浮列車屬于無磨損運(yùn)行,要維修的主要是電氣設(shè)備。隨著電子工業(yè)的發(fā)展,器件可靠性將不斷提高。(4)在單次運(yùn)行狀態(tài)的影響小采用電力驅(qū)動(dòng),無需燃油,無有害氣體排放。此外,還有噪聲小、乘坐舒適、爬坡能力強(qiáng)、通過的曲線半徑小、加速減速快、對(duì)環(huán)境影響小等。其主要不足在于:(1)風(fēng)險(xiǎn)高由于磁懸浮技術(shù)尚處于完善階段,再加上設(shè)計(jì)、安裝精度要求很高,導(dǎo)致了初投資和后續(xù)的追加投入缺乏可預(yù)見性,所以風(fēng)險(xiǎn)很大。(2)不兼容無法與既有鐵路聯(lián)網(wǎng)是磁懸浮另一大缺點(diǎn)。此外,磁懸浮還有運(yùn)量小、不便擴(kuò)容的缺點(diǎn)。4磁浮鐵路的研究與探索德國磁懸浮技術(shù)懸浮與驅(qū)