第11章_磁悬浮

1、第十一章第十一章 磁悬浮铁路磁悬浮铁路 11.1 磁悬浮铁路的发展概况磁悬浮铁路的发展概况11.2 磁浮系统的分类磁浮系统的分类11.3 磁浮列车的工作原理磁浮列车的工作原理11.4 磁悬浮铁路线路设计磁悬浮铁路线路设计11-1 磁悬浮铁路的发展概况磁悬浮铁路的发展概况 磁悬浮铁路是一种新型的交通运输系统，它利用异性相吸、同性相斥的电磁感应原理，以直线电动机驱动车辆，运行时车体悬浮或吸浮于导轨上面，并与之保持一定间隙。磁浮列车运行时，没有轮轨间的摩擦，不受黏着条件限制。 传统轮轨系统与磁浮系统的驱动原理比较 1922年，德国人赫尔曼肯佩尔（Hermann Kemper）提出了电磁浮原理，并在1

2、934年获得了磁浮技术的发明专利。 20世纪60年代，高速轮轨系统铁路与磁浮系统铁路同时起步研究。 目前投入研究的国家：德、日、美、英、法、加、前苏联、韩及中国等。其中，德、日技术水平处于世界前列。 德：常导吸引型 ；日：超导排斥型。 第一条投入商业运营的线路：上海磁悬浮（上海地铁2号线龙阳路站-浦东国际机场 ） 中国： 开端：20世纪80年代初。 起步：1985年完成基础性研究（铁科院） 1987年完成了中国科技馆的列车展示模型。 发展：1992年列入“八五”国家科技攻关计划； 94年西南交大研制成功4t载人磁悬浮列车； 95年国防科大研制成功6t载人磁悬浮列车。 2001年8月14日，我国

3、第一辆磁悬浮列车在长春客车厂成功下线，营运速度60km/h，最高100km/h。 2001年2月, 世界上第1台高温超导磁悬浮载人（5人）实验车“世纪号” 通过验收。 2001年3月，上海磁悬浮项目正式开工建设，引进德国西门子公司、蒂森高速列车公司、磁悬浮国际公司技术。 上海磁悬浮 西起地铁二号龙阳路站，东至浦东国际机场； 总长29.873 km，设计时速和运行时速分别为505km和430km，单向运行时间仅7min20s。 2002.12.31，试运行成功 2003.11.12，创501km/h世界纪录，列入吉尼斯纪录。 2003.12.29，上海磁浮线开始了全天候运营。 2004.4.13

4、，通过验收,开始正式运行。 造价: 每公里3.13亿元，总投资89亿人民币。 客流量发展稳定，平均每天有8,000多名乘客，高峰时达到16,000人次。截止到2006年4月，约有600多万名乘客以7分半的时间完成了30公里的磁浮之旅。整个磁浮系统的安全可靠性达99.92%。 上海磁悬浮大事记 2000.8.24，原国家计委经国务院批准，批复了上海市磁浮列车示范运营线工程项目建议书；2000.10，上海市委、市政府批准设立上海市磁浮快速列车工程指挥部；2001.2.28，国务院办公会议审议批准了项目的工程可行性研究报告和开工报告；2001.3.1，上海磁浮列车示范运营线工程举行开工仪式；2002

5、.12.31，单线试运行； 2003年，完成双线系统调试；2004.4.13，完成主合同考核验收；2004.5 ，正式投入商业试运营。 2006.4.26，正式投入商业运营。 体验磁悬浮体验磁悬浮： 14时15分，磁浮列车准点出发，车厢上方电子板上的数字快速上升。向车窗外俯视，高速公路上的一辆辆汽车被快速甩到了后面。 3分钟后，速度显示：430公里小时，这也是该列车设定的最高时速，这一速度保持了50秒。 此后，列车开始减速，电子板上的数字回落。 3分钟后，列车稳稳停了下来。这里，有一个通道直接与机场相连。 将做秀进行到底将做秀进行到底 http:/2004年12月05日16:15新华网 近代以

6、来，国人一直期望中国能在某些领域实现“世界第一”，摆脱落后的面貌。最近几年，“磁悬浮”这个关键词，再一次将“中国”和“世界第一”连在一起。耗资89亿人民币的上海磁悬浮列车，于2003年元旦正式投入商业运行。作为“商业运营中最快的列车”和“世界上第一列商用磁悬浮列车”，上海磁悬浮列车还被收录到吉尼斯世界大全。不少国人为此意气风发、扬眉吐气。然而仔细想来，这一浩大工程只不过是一次奢侈的做秀而已。 首先，从经济原则的角度看，上海磁悬浮是一个注定要亏损的项目。上海磁悬浮列车运行大约30公里的路程，设计时速可达430公里/小时，单向运行时间大约8分钟，年最大客运量为1.5亿人次。从技术性能上看，上海磁悬

7、浮列车达到了世界一流水平。但既然是“商用”磁悬浮，我们当然更要考虑它的投入产出效果。让我们给上海磁悬浮算一笔经济帐。该工程总耗资89亿元，其中银行贷款50亿元，每年的利息大约是3亿元。以现在的票价50元计，即便单程日均客流量8000人次，每天收入也就40万元，每年收入约1.5亿元。假设每年的广告收入等于每年的设备折旧费、人头费、管理费等运营费用，那么上海磁悬浮的年收入连利息也不够还，这还忽略了自有资本的机会成本。如果上述数据正确，那么可以肯定地说，上海磁悬浮项目是一个商业上完全失败的项目！ 其实，务实的外国人早就看透了磁悬浮这个“商业陷阱”。要知道，磁悬浮早在上个世纪80年代就已经是一种成熟技

8、术了，但是为什么全世界包括提供核心技术的德国却至今没有建磁悬浮？难道资本家们忘却了他们追逐利润的本性？不是的。资本家们深谙市场经济的要诀，市场只欢迎最适用的技术，而不一定是最先进的技术。 其次，从公共财政的角度看，庞大的公共工程应该充分体现民意。上海磁悬浮项目的本意，首先是改善上海的交通条件。但是，通往浦东机场的磁悬浮项目却没有给居民带来足够的交通便利。旅客们反映，如果坐地铁到龙阳站下，再打车前往机场，总共需要30元，而乘坐磁悬浮列车需要50元，并且下车后还要拖着行李走10分钟的路。此外，还存在路标指示不明、始发站离市中心较远以及轨道下沉等种种问题。根据上海市质量协会用户评价中心发布的报告，磁

9、悬浮列车的一半乘客是中外观光游客和商务考察团队。上海磁悬浮列车从原本的交通工具蜕变成一个单纯的旅游景点。这就不难解释，为什么磁悬浮列车平时的上座率只有六分之一了。人民网柏林2006年9月22日电记者吕鸿报道：德国磁悬浮列车22日发生重大事故，造成23人死亡，10人重伤，是世界上磁悬浮列车首次发生人员伤亡事故。德国磁悬浮列车试验段位于德国北部下萨克森州埃姆斯兰，总长31.5公里。据德国媒体报道，当天上午约9时53分，一列磁悬浮列车以时速170公里的速度在高架轨道上作试验运行，突然发现前方一辆工程车停在轨道上。磁悬浮列车与工程车相撞后脱离轨道，其头部严重受损，而工程车被撞飞数百米远。警方说，列车内

10、共有33人，他们大多是德国一家能源公司的职员和磁悬浮试验段的工作人员，没有游客。工程车内的两名工作人员在撞击前“跳离”自救，但受重伤。目前，搜救工作已经结束，受伤人员没有生命危险。警方说，事故原因还在调查中，但已初步排除技术原因，而是“人为疏忽”所致。一般来说，工程车每天都要对轨道进行清理等检查工作，当它检查完毕，离开轨道，驶回车站后，磁悬浮列车方可启动行驶。现在调查的重点是，为什么工程车还停留在轨道上时，磁悬浮列车却启动了？有专家认为，可能是列车员与维修人员之间的通信出了问题。当列车员发现前面有障碍物时，由于正在加速，刹车已不及。通常情况下，磁悬浮列车起速后即达时速每小时170公里，而撞击时

11、速已达200公里。德国磁悬浮列车试验段的最高时速为450公里。德国磁悬浮列车试验段由德国蒂森克虏伯公司和西门子公司投资建造，从1984年开始投入运行，迄今已接待全世界来访客人60万人次。德国大多数专家认为，磁悬浮理论完美无缺，技术也已成熟，但运行费用昂贵，迄今已投入20亿欧元，因此，德国在将其投入商业运行问题上一直争论不休，难下决定。 2006年8月11日，上海一辆磁悬浮列车起火，图为消防队员正在灭火。 我国首条永磁悬浮铁路大连开建我国首条永磁悬浮铁路大连开建2006年8月17日，“中华01号”永磁悬浮路车模型在大连举行的2006中国国际专利技术与产品交易会上亮相。该模型是大连3000米永磁悬

12、浮试验线路的仿真微缩，专为城市之间的区域交通设计。列车在高架的磁轨上运行，设计时速230公里，既可货运，又可客运，适用于大都市圈的交通运输。该线路预计在今年年底建设，地点拟定在开发区。 据介绍，试验线路运行时间70秒，在启动31秒内提速到230公里，之后以230km/h的速度匀速运行8秒，再利用31秒时间从减速到停止。中国永磁悬浮有五大优势中国永磁悬浮有五大优势 目前世界上有3种类型磁悬浮技术，即日本的超导电动磁悬浮、德国的常导电磁悬浮和中国的永磁悬浮。永磁悬浮技术是中国大连拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术。 据介绍，日本和德国的磁悬浮列车在不通电的情况下，车体与槽轨是接触在一起的，而

13、利用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何情况下，车体和轨道之间都是不接触的。 中国永磁悬浮与国外磁悬浮相比有五大方面的优势：一悬浮力强。二经济性好。三节能性强。四安全性好。五平衡性稳定。 “中华01号”永磁悬浮路车模型11-2 磁悬浮系统的分类磁悬浮系统的分类 1 按导体材料划分按导体材料划分1) 超导磁悬浮 线圈绕组使用超导材料。 优点：磁场强大，工作效率高，列车悬浮高度高、速度快。 缺点：超导磁铁结构复杂，体积庞大，要配置制冷装置。 应用：日本的ML。2) 常导磁悬浮 线圈绕组使用普通材料。 优点：结构简单、养护维修方便。 缺点：线圈绕组中电阻较大。功率损失较大，线圈绕组容易发热，列车的运

14、行速度受到一定的限制。 应用：德国的运捷TR、日本的HSST及我国。 2 按超导绕组制冷剂及工作温度划分按超导绕组制冷剂及工作温度划分 1）高温超导磁悬浮 液氮：高温超工作温度为77K(-196)。 应用：我国西南交大研制的了高温超导磁悬浮系统，超导材料使用以钇（Y）为主的钇钡铜氧（YBaCuO）高温超导体块材。2）低温超导磁悬浮 液氦：工作温度为4.2K（-269）。 应用：日本的ML 磁悬浮系统是低温超导磁悬浮系统，超导绕组使用铌钛（NbTi）合金制造。 3 按直线电机的定子长度划分按直线电机的定子长度划分 1）长定子直线电机 定子设置在导轨上，定子绕组可无限长铺设。 采用导轨驱动技术，车

15、速和运行工况由地面控制中心直接控制。 适于高速及超高速磁浮干线及城际铁路领域。 2）短定子直线电机 定子设置在车辆上，定子绕组长度受限。 采用列车驱动技术，车速和运行工况由司机直接控制。 适用于中低速磁悬浮铁路城市轨道交通领域。 4 按直线电机的磁场是否同步划分按直线电机的磁场是否同步划分 1）直线同步电机（LSM：Liner Synchronous Motor） 转子磁场与定子磁场同步运行，一般采用长定子技术；控制定子（初级线圈，导轨侧）磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度。 结构复杂，适于长大干线或城际交通系统高速、超高速磁浮铁路。 应用：德国的运捷TR和日本的ML系统。2）直线感应

16、电机（LIM： Liner Inducation Motor ）或直线异步电机 转子磁场与定子磁场不同步运行，一般采用短定子技术；次级线圈（导轨侧）的磁场移动速度低于初级线圈（定子线圈）磁场的移动速度。 结构简单，成本较低；但效率和功率因数相对较低，适合中低速磁悬浮铁路使用，一般用于城市轨道交通。 应用：日本HSST系统及我国研制的大部分磁悬浮系统。 5 按驱动方式划分按驱动方式划分1）导轨驱动（路轨驱动）磁悬浮 直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在导轨上，采用长定子同步驱动技术。 列车的运行工况及运行速度由地面控制中心控制。一般用于干线或城际交通。 如德国的运捷TR和日本的ML系统。2）列车

17、驱动磁悬浮 中低速磁悬浮直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在车辆上。 列车的运行工况及运行速度由列车司机控制。 一般用于城市轨道交通。 如我国研制的大部分磁悬浮系统。 6 按导轨结构形式划分按导轨结构形式划分 1）“T”形导轨 导轨梁的横断面为“T”形。直线电机的驱动绕组及悬浮绕组均安装在导轨梁两侧翼的下方，导向绕组安装在两侧翼的外端。导轨梁直接安装在桥墩上。 由于这种磁悬浮列车“抱”着导轨运行，故安全性好一些，且线路设计中的最小曲线半径也可以更小一些。但它对轨道梁的加工精度和列车的悬浮及导向的控制要求很高。 德国高速磁悬浮运捷和日本中低速HSST系统。 2）“”形导轨 这种导轨结构类似于城市

18、轨道交通中的跨座式独轨交通。 日本在早期磁悬浮试验线曾经采用过这种结构形式，但现已淘汰。T型导轨 6 按导轨结构形式划分按导轨结构形式划分 3）“U”形导轨 导轨梁的横断面为“U”形，列车在“U”形槽中运行。地面的驱动、悬浮及导向绕组均安装在“U”形槽的内侧壁。这种导轨梁可以采用高架结构架设在桥墩上，也可以采用无碴轨道形式铺设在路基上。 与“T”形导轨相比，“U”形轨道梁的加工精度及对列车的悬浮控制、导向控制的要求较低，但最小曲线半径较大。 例：日本的ML。“U”形线路结构图 日本MLX01型磁浮列车 4）“一”形导轨 车辆绕组均安装在车辆的正下方，列车在导轨梁上方运行。导轨梁一般架设在桥墩上

19、，采用高架结构。 结构简单，但导向功能稍差，主要适于中低速磁悬浮。 例：我国西南交通大学研制的“世纪号”高温超导磁悬浮。中国“世纪号”磁浮实验车 11-3 磁浮列车的工作原理磁浮列车的工作原理以德国TR系列常导吸引型磁浮列车为例介绍1) 悬浮原理 T型梁翼底部为同步直线电机的定子，其下方为安装在车体上的悬浮电磁铁，该电磁铁同时兼作同步直线电机的转子。 悬浮电磁铁通电时产生磁场，成为电磁铁，与直线电机定子的铁心产生吸引力，把磁浮车往上拉向定子。利用距离传感器控制悬浮电磁铁与定子的距离（即悬浮气隙），保持在10mm左右。1 长定子同步直线电机推进的常导吸引型长定子同步直线电机推进的常导吸引型（EM

20、S）2) 导向原理 列车的车体从两侧将T形轨道梁的翼缘围抱，T形梁翼缘两侧面为导向轨，安装在车体上的导向电磁铁通电后将与之产生吸引力。 通过测量两侧导向电磁铁与导向轨之间的距离，并调节导向电磁铁的电流，就可以控制列车位于道路中间。 3) 牵引原理 靠长定子同步直线电机实现。 工作原理：类似于转动的同步电动机，只是将转动的电机的定子切开，并且沿着线路方向展开。这样，在定子上产生的就不再是一个旋转的行波磁场，而是一个移动的行波磁场。列车的悬浮电磁铁通电后，就成为电动机的转子（励磁磁极）。 路轨上的定子中三相绕组产生的移动行波磁场，作用于车上的悬浮磁铁（转子），产生了同步的电磁牵引力，引导磁浮列车前

21、进或后退。调节定子供电的频率与电压，即可改变磁浮列车的运行速度。 4) 车上非接触供电的原理 设置车载电源（镍镉可充电电池组和整流设备）和直线发电机，为导向电磁铁、悬浮电磁铁、以及车载控制、照明、空调等供电。 车载电源的充电，在列车运行时也靠直线发电机，停站时靠车站的供电轨（列车到站后受流器与供电轨接触供电）。 5) 同步直线电机定子的供电原理 列车动力和其他用电从同步直线电机定子获取。 定子分段铺设于线路上，每段的长度不等，视列车的长度和在该段的运行速度、加速度、爬坡、转弯等情况而定，一般为3002000m。 定子线圈供电来自沿线的变电站，一般变电站相隔距离2540km。两个变电站之间一般只

22、允许有一列车运行，而且仅对列车所在的那一段定子供电，其他段则无电。 因定子安装在线路上，因而可根据该段线路的具体情况（例爬坡或加速），确定该段直线电机的功率，再确定为这段线路供电变电站的功率与距离，无需像轮轨列车那样按整个线路可能出现的最大功率需求来确定列车上的电机功率。 6) 制动原理 正常制动利用同步直线电机作为发电机来控制。 当列车高速运行时，采用再生制动方式； 当列车速度较低时，再生制动改为电阻制动； 当列车的速度很低时，直线电机改为反接制动，即电机的牵引方向与列车的运行方向相反，直到列车停止。 当长定子供电产生故障导致直线电机制动失灵或需要紧急制动时，采用涡流制动方式。即车上的涡流制

23、动磁铁励磁，使侧向导轨上产生涡流，形成对列车的涡流制动力。 7) 列车控制及信号传输 TR磁浮列车的定位，由两部分构成。 在线路上定子下方每隔大约500m设置有电磁性地址标志板，列车经过时，即读取标志板上的绝对地址。标志板之间的定位靠记录经过的定子齿槽数而获得，定子齿槽间距为8.6cm。因此TR磁浮列车的定位精度较高。 磁浮列车与地面的联系以无线通信方式进行。沿线路每隔大约300m（视线路具体情况而定）有一根无线电杆，通过38 MHz的高频专用信道以安全编码方式与列车进行双向通信，传输所有与安全有关的数据及指令。与安全无关的信号（如语音）通过其他频道传输。以日本的HSST-100型为例介绍2

24、短定子感应直线电机推进的常导吸引型短定子感应直线电机推进的常导吸引型 1-车上悬浮及导向电磁铁； 2-路轨上导向轨及直线转子板； 3-车上直线电机短定子绕组； 4-车上发电系统。HSSTl00型短定子常导吸引型磁浮列车与路轨相互作用示意图1) 悬浮与导向原理采用悬浮电磁铁与导向电磁铁合一的方法。 HSSTl00型磁浮列车悬浮与导向原理图2) 牵引原理 电机驱动是将定子绕组固定在车辆上、而转子展开铺置于路轨上。 当在定子绕组中输入三相移动行波磁场后，轨面上的转子中被感应产生磁场，由此产生电磁牵引力，引导磁浮列车前进或后退。 与长定子同步直线电机常导型磁浮列车最大的不同点：所采用的是交流异步电机的

25、原理，向直线电机定子供电的整套电源装置应放置在车辆上。 短定子直线电机的定子与转子 3) 车上非接触供电的原理 在列车上专门设置一套非接触式直线发电系统，其原理与TR系列完全相同。 所发出的电源通过逆变器供给直线电机定子绕组、悬浮导向电磁铁励磁、车内控制、照明、空调、蓄电池充电等。 4) 制动原理 与TR系列磁浮列车基本相同。 由于HSST系列磁浮列车采用短定子感应直线电机驱动，在定子两端由于漏磁等原因，直线电机的功率因数较低，效率也较低，加上悬浮、导向的电磁铁合一使用，速度太高时控制上会产生问题。因此，该型磁浮列车只能用于中、低速的城市交通运输，最高运行速度不超过300km/h。以日本的ML

26、X01型为例介绍3 长定子同步直线电机推进的低温超导排斥型长定子同步直线电机推进的低温超导排斥型（EDS）1-车上的悬浮导向及直线电机转子功能合一的超导电磁铁；2-路轨上的长定子绕组和悬浮、导向8字形绕组；3-辅助支撑车轮；4-横向支撑车轮。 MLX01低温超导排斥型磁浮列车与路轨相互作用示意图 超导排斥型磁浮列车悬浮原理图1）悬浮原理1）悬浮原理如图所示，8字形的悬浮短路绕组固定在路轨侧壁上，当车上的超导磁铁以一定向速度通过时，如果它的位置偏低于侧壁绕组的中心线若干厘米，由于8字形上下绕组间交链磁通产生了不均衡，则在侧壁悬浮绕组里立即产生感应电流，同时产生电磁场。结果车上的超导磁铁同时受到8字形绕组上部的吸引力及8字形绕组下部的排斥力，使磁浮车辆悬浮起来。与常导吸引型不同之处是超导排斥型必须先使列车运动到一定速度（150 km/h以上），才能使8字形悬浮绕组中产生足够大的感应电流及感应磁场，由此产生悬浮效应。所以，超导排斥型磁浮车上必须有