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有關(guān)磁浮技術(shù)的專利20世紀60年代磁浮系統(tǒng)的研究才開始起步對磁浮技術(shù)進行開發(fā)研究的有：美、英、德、法、日、加、前蘇聯(lián)、韓等國美國

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

結(jié)論：氣浮和磁浮列車離實用化還有相當距離獨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)實意義真空管道列車綜合了各種先進的高新技術(shù)，具有發(fā)展前景英國

于20世紀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鐵路研究所負責。1974年，在100m長試驗線首次進行了低速短定子直線電機磁浮列車試驗，車長3.5m，重3t。1984年，建成620m長連接伯明翰機場和火車站的低速磁浮系統(tǒng)，最高速度50km/h。運行1.5min，2600人次/h。是世界上首條商業(yè)運營的公共運輸?shù)退俅鸥∠到y(tǒng)。1996年由于磁浮車故障率太高，維護頻繁，磁浮系統(tǒng)停運。法國于20世紀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)異步電機進行300km/h的高速試驗。但與輪軌系統(tǒng)進行試驗對比分析后，認為輪軌系統(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開展了實驗室理論和試驗研究，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驗研究。80年代在莫斯科附近建成600m的磁浮試驗線，磁浮樣車重18t，短定子直線電機驅(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長試驗線，試驗運行速度60km/h。漢城到釜山間的高速交通采用何種運輸方式進行了論證，最后確定為輪軌高速，引進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磁浮車，建成660m試驗線。1974年試驗成功TR-04型磁浮車，速度達200km/h。1976年研制成功”慧星號”磁浮試驗車，首次證明磁浮車可以在400km/h以上速度運行。1977年組織專家對長定子直線電機常導(dǎo)磁浮技術(shù)進行評定，認為是發(fā)展趨勢。1979年第一輛長定子同步直線電機磁浮列車TR-05型研制成功，長27m，有70座兩節(jié)車，速度100km/h。1983年TR-06型列車投入試運行，列車長54m，有192個座位，設(shè)計速度400km/h。1984年埃姆斯蘭工程一期21.5km試驗線投入使用，試驗速度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及電磁懸浮導(dǎo)向，設(shè)計速度500km/h。1987年埃姆斯蘭特工程二期投入使用1989年，TR-07型列車試驗速度436km/h。1993年，TR-07型列車試驗速度450km/h，當時的載人世界記錄。1997年，蒂森公司開發(fā)了TR-08型列車，由5節(jié)組成，設(shè)計速度500km/h，計劃用于柏林-漢堡線，線路長292km。2000年，柏林-漢堡線修建項目取消。德國常導(dǎo)(EMS)磁浮車TR-08在埃姆斯蘭特試驗線德國常導(dǎo)(EMS)磁浮車TR-08在上海浦東機場線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年為紀念鐵路100周年，進行了運行試驗，取名ML100型試驗車，速度60km/h。1975年宮崎試驗線開工，導(dǎo)軌呈倒T形，單線，長7km，設(shè)計速度500km/h，1977年建成。1979年ML500型試驗車達517km/h。1980年，導(dǎo)軌改為U形結(jié)構(gòu)，運行MLU001型列車。2節(jié)編組1981年試驗速度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年試驗運行速度431km/h.1996年,山梨試驗線第一段完工。1997年用3節(jié)車編組的新型MLX01超導(dǎo)磁浮列車達到550km/h，載客運行531km/h。1998年,交會試驗達到966km/h。1999年,模擬滿載工況試驗達到552km/h。2003年,試驗速度達到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1974年，小型試驗裝置的浮起試驗成功1975年試制成HSST-01型不載人樣車，走行試驗初步成功。1977年，01型車最高試驗速度達到307.8km/h。1978年，02型車載人運行最高速度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單線磁浮試驗線，運行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，但尚未達到實用化。日本超導(dǎo)（EDS）磁浮車MLU002型在宮崎試驗線日本超導(dǎo)（EDS）磁浮車MLX01型在山梨試驗線做交會試驗日本常導(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)原理直線電機驅(qū)動，運行時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墸管囕v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推動：效率較高，主要用于高速運行，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)直線電機推動：效率較低，適用于低速運行，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，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。推進裝置采用長定子同步直線電機成本高，但運行速度可高達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，為實驗室實驗階段，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（高速型）德國TR系列(450km/h)短定子感應(yīng)直線電機（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)處于實驗階段2.2磁浮列車的工作原理2.2.1常定子同步直線電機推進的常導(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）牽引原理相當于將旋轉(zhuǎn)電機的定子切開，沿路軌展開，車體上的懸浮電磁鐵，為電機的轉(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行速度。長定子直線電機工作原理（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。裝在懸浮電磁鐵上的直線發(fā)電機繞組（5）同步直線電機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行，僅對列車所在的那段定子供電。直線同步電機控制，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)實際運行線路對功率需求來確定該段長定子直線電機的容量（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作為發(fā)電機進行控制。高速運行時采用再生制動，將列車動能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電網(wǎng)。列車速度較低時，再生制動改為電阻制動。列車速度很低時，直線電機改為反接制動，即電機的牽引方向與列車運行方向相反，直到列車停止。當直線電機制動失靈或需要緊急制動時，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)置電磁性地址標志板，標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)直線電機推進的常導(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)向軌及直線電機轉(zhuǎn)子板3-車上直線電機短定子繞組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驅(qū)動方式不同，短定子直線電機驅(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。直線電機定子的整套電源裝置放在車上。短定子直線電機的定子與轉(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)直線電機驅(qū)動，在定子兩端由于漏磁等原因，直線電機的功率因數(shù)較低，效率也較低。加上懸浮、導(dǎo)向電磁鐵合一使用，速度太高時難于控制。因此，只能實用于中低速城市交通運輸，最高速度不超過300km/h。2.2.3長定子同步直線電機推進的低溫超導(dǎo)排斥型(EDS)1-車上懸浮導(dǎo)向及直線電機轉(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，當車上的超導(dǎo)磁鐵以一定速度通過時，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)成一個回路。當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來牽引。長定子三相繞組產(chǎn)生一個移動的行波磁場，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推力小高速時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運行不用車輪支撐系統(tǒng)有車輪支撐系統(tǒng)，用于低速時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強磁場影響弱強成本較高高3.高速磁浮系統(tǒng)的特點及適用性分析3.1能達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)本身為一個大直線電機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達到大運輸能力的基本技術(shù)條件運輸能力三要素：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功率，要增加供給直線電機定子的電流電壓，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，也即一個供電區(qū)間只能一列車運行。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，最大運輸能力不會超過新干線的1/2。3.3降低造價與成本日本山梨試驗線18.4km，2400億日元，是新干線的2倍。上海浦東磁浮運營線30km，造價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、懸浮、導(dǎo)向三功能合一的地面繞組，可降低工程造價。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算,300km/h時ICE3的能耗低于TR07約10%。在空氣稠密的大氣層中，地面高速運載工具超過400km/h是不經(jīng)濟的。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)運輸組織模式點到點運輸，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)。目前尚無實際運營經(jīng)驗，應(yīng)對運輸組織模式開展深入研究。高速鐵路的技術(shù)特點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，線路標準不斷提高1.2建立試驗段，通過試驗研究解決技術(shù)關(guān)鍵除進行大量的理論研究和分析、室內(nèi)試驗和各種模型試驗外，還進行現(xiàn)場試驗研究。列車高速運行的安全性、穩(wěn)定性確認車輛與地面設(shè)備的強度、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