磁浮驱动高随列车环形动模型系统原理性设计

1、本科毕业设计(论文)磁浮驱动高速列车环形动模型实验原理性设计Principle Design of RingMoving model for Magnetically driven HighSpeed Train姓 名： 学 号： 学 院： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要本文简单介绍了高速列车空气动力学目前的研究状况，并对动模型实验原理及磁浮列车原理作了系统性论述。在此基础上，结合磁浮列车驱动技术，从原理上设计了一种以磁浮驱动方式来推动列车模型在实验轨道上高

2、速运行的动模型实验系统。为了在有限的空间进行列车隧道交会，明线交会，隧道效应、列车风、横风作用等多种实验，将轨道设计为环形双线双轨，并在直线段部分加设隧道模型。众所周知，高速时，在环形轨道曲线部分会产生巨大的离心力，这将会限制列车速度。在以往的设计中大都采用曲线段外轨超高的方式来解决这一问题。然而，这种办法效果并不显著，列车速度依然不能太高。本设计利用直线电机的悬浮、驱动及导向原理，在轨道曲线段部分加设一层外墙，墙上铺设永磁轨道（相当于直线电机的定子），并在列车车体外侧壁面上设置高温超导体（相当于直线电机的动子）。这样，在列车侧壁与永磁双轨墙之间就会产生悬浮力（磁斥力）和驱动力。悬浮力来提供向

3、心力，通过控制系统来控制磁浮力的大小，使其恰好能平衡离心力；驱动力使列车模型进一步加速，使得该实验系统的最高实验速度可以达到600km/h，这也就是所谓的环形加速器原理。简单的说，该实验系统设置了两个磁浮驱动系统。考虑到实验速度较高、稳定性和安全性等问题，最终采用超导磁浮技术来为模型列车提供悬浮、导向和驱动。最后，对该实验系统的实验方法作了简要介绍。关键词：空气动力学；高速列车；磁浮列车技术；环形动模型AbstractThis paper introduces the current research status of Aerodynamics of high-speed trains si

4、mply, and to the principle of dynamic model test and the principle of maglev train, describes carrying on systematicness. Based on this, we designed a moving model test system in the principle, which can drive model train moving at a high speed on the test track by the drive model of Maglev. In orde

5、r to carry on the experiment of trains passing each other in tunnel or open air, the tunneling effect, slipstream, cross-wind effect and ect within limited space, we designed the track as a ring double-track rail and settled a tunnel model on the tangential path. As we all know, it could occur a hug

6、e centrifugal force on the curve section of circumferential track at high speed, and this will limit the speed of the train. In the past, the design of superelevation of outer rail on curve was mostly used to solve this problem. However, the role of this approach is not obvious, the train speed is s

7、till not too high. This design uses the driving and guiding principles of permanent magnetic linear motor (PMLM) ,settles a layer of external walls on the curve section of circumferential track, that laying the permanent magnetic track (amount to the stator of PMLM), and set the high-temperature sup

8、erconductors in the lateral wall surface of train body (amount to the rotor of PMLM). Thus, it will produce levitation force (magnetic repulsion) and the thrust force between the side walls of the train and the permanent magnetic track wall. And the levitation force provided centripetal force and co

9、ntrol the size of the force through control system to make the centrifugal force balanced. The driving force accelerates the train model further and make the maximum speed of experiments reach 600km/h,which is called an annular accelerator principle, To put it simply, the system set up two Maglev dr

10、iving system. Taking into the comparative high test speed, stability and security issues, and ultimately adopt superconducting and normal conducting technology methods to provide suspension, guidance and driving for model trains. Finally, the testing methods of the experimental system are also brief

11、ly introduced.Key Words: Aerodynamics, High-Speed Trains, Maglev train technology, Ring Moving Model目 录摘 要IAbstractII目 录III1. 绪论11.1 本课题的研究背景11.2 高速列车动模型实验方法概述21.3 本设计的主要任务和预期目标31.3.1 本设计的主要任务31.3.2 本设计的预期目标42. 高速列车空气动力学研究进展52.1 研究的内容及意义52.2 国内外的研究方法52.2.1 实车测量52.2.2 数值计算52.2.3 模型实验62.3 研究方法比较62.4 磁

12、浮列车空气动力性能研究进展72.5 隧道空气动力学问题研究方法概述73. 高速列车动模型实验93.1 实验原理93.2 国内外高速列车动模型实验的研究情况103.3 典型高速列车动模型实验装置简介113.4 高速列车环形动模型简介124. 磁浮原理及磁浮列车原理134.1 磁浮技术原理134.2 磁浮列车及其原理简介145. 环形动模型实验系统设计175.1 磁浮驱动技术的选择175.2 环形线方案205.3 列车模型245.4 环形动模型实验系统总体布置256. 动模型实验276.1 实验控制276.2 测试工况276.3 测试装置276.4 测试点的布置28结 论31致 谢32参考文献33

13、III兰州交通大学本科毕业设计（论文）1. 绪论1.1 本课题的研究背景高速列车是指最高运营速度达到或超过200km/h的铁路列车，也就是现在人们通常所说的“高铁”。世界上最早的高速列车为日本新干线列车，于1964年10月1日开通，最高运营速度210km/h 秦淼.高速列车空气动力学性能的研究D.北京交通大学:北京交通大学,2011:8-1.。此后，许多国家相继开始修建高速铁路。为了满足日益增长的快速大规模运输需求，列车运行速度也在不断地提高。在最近10年时间里，中国“和谐号”系列高速列车发生了一系列速度上的飞跃：从2007年250km/h的最高运营速度，到2008年350km/h的最高运营速

14、度等级的京津城际、沪宁城际、郑西、武广等高速铁路线路，以及现在普遍以300km/h的最高运营速度稳定运行的多条高速铁路。原中国南车四方集团制造的CIT500型列车在2014年最高实验速度达到605km/h，2015年日本山梨磁浮实验线创造了603km/h的速度，而目前正在研发的真空管道磁浮列车理论速度可以达到1000km/h，甚至更高。高速列车是贴近地面高速运行的细长体，长细比大，在高速运行时，将会引起一系列空气动力学问题。这些问题主要包括：气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等 肖金平,黄志祥,陈立.高速列车空气动力学研究技术综述J.力学与实践,2013,35(2):1-2.。磁

15、浮列车是一种与轨道无接触的地面有轨交通工具，它是利用电磁吸力或斥力为列车提供悬浮和导向，以直线感应电机牵引列车，具有运行速度高、安全性好、噪声污染小、爬坡能力强、易维修、乘坐舒适性好等独特优点。20世纪70年代，德国和日本最早开始了磁浮列车技术的研究，并且一直处于领先地位。随后，美国、意大利、俄罗斯、瑞士、韩国、中国等国家也相继加入了磁浮列车技术研究的行列。我国关于磁浮列车技术的研究可以追溯到20世纪80年代末，铁道科学研究院、中国科学研究院电工研究所、西南交通大学和国防科技大学等单位在国内最早开始了常导型磁浮列车技术的研究。2001年上海磁浮示范线动工兴建后，上海国家磁浮交通工程研究中心、北

16、京交通大学、中南大学和同济大学等单位也开始了磁浮列车技术的研究。2006年初，西南交通大学组建了磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室。同年，浙江大学与某企业开始合作搭建浙江省磁悬浮实验平台，开发了一条环形磁浮实验线。2011年7月，西南交通大学超导与新能源研究开发中心自主设计搭建了第一代真空管道高温超导（HTS）磁浮列车实验系统。为了进一步研究真空管道磁浮列车在高速下的运行特性，2015年，在原实验系统的基础上，开展了第二代真空管道磁浮实验系统的研究与设计，不过其尚处于研究探索阶段，很多理论还不够成熟，距其实际应用还有相当长的一段路程。伴随着我国高速铁路技术的不断成熟，走出国门，走向世界，深入开

17、展高速列车空气动力学性能的实验研究，对于发展我国高速铁路技术己经变得十分紧迫和关键。1.2 高速列车动模型实验方法概述高速列车动模型实验是依据相似原理将列车做成几何相似的小尺寸模型车，通过发射装置或驱动系统使模型列车在实验线路上高速运行，进行测力和测压实验，从而对列车表面及其周围空气流场的动力学效应进行分析的一种经济而有效的方法。动模型实验系统先后为我国自主研发的“中原之星”、“先锋号”、“中华之星”、“和谐号”等高速动车组外型设计以及第一条高速客运专线“秦沈线”线间距的确定等做了大量的模拟实验，获得了与实车实验相似的模拟结果 吴雪峰,张健.日本列车空气动力学动模型试验方法进展J.科技资讯,2

18、011,9(11):3-4.。目前主要的动模型实验装置可以分为以下几种：摩擦发射式动模型实验：该实验系统主要由模型发射装置、模型列车、模型隧道、测试系统和制动装置组成，总体结构布置如图1.1所示。发射装置由数对可高速旋转的上、下发射轮组成，根据实验速度的大小可适当增加或减少发射轮的对数，该装置最高实验速度可达到450km/h。图1.1 摩擦发射式动模型装置总体布置图压缩空气发射式列车动模型实验：该实验装置主要由发射装置、测试系统，制动管道等三部分组成，总体结构布置如图1.2所示。模型缩比1/30，发射系统是由空气罐和加速管道组成，利用压缩空气来对列车模型进行加速，压缩空气被储存在连接到加速管道

19、的空气罐中。首先将列车模型放置在加速管道内，然后利用通过空气罐排出的压缩空气来发射列车模型。列车模型从加速度管道中被发射出来后，进入测试段轨道，依靠惯性力自由前进。最后进入制动管道，列车模型通过自身压缩空气所产生的空气阻力，使其逐渐停止。通过加设固定结构的模型，如在测试部分加盖隧道模型，就可以测量列车模型通过隧道时产生的压力波。图1.2 压缩空气发射式列车动模型实验装置总体布置图汽车牵引式动模型实验：该实验装置被布置在密闭的空间里，这样可以有效地避免外界气流（如自然风等）对实验的干扰，使实验结果更加准确可靠。模型缩比1/18.4，有效测试段长515m，列车模型与测试段横截面的阻塞比约为0.01

20、。牵引装置结构如图1.3所示。汽车的运动可能会影响实验工况，因此在模型车与汽车之间加设一平板小车，这样可以有效减小汽车运动对列车模型周围空气流场的影响。通常情况下，动模型实验采用3节车编组，即头车、中间车和尾车。但是这样的列车编组无法模拟列车长度对周围空气流场的影响作用。在该动模型实验中，列车等模型的缩尺比例大，这样就可以更为真实地模拟实车运行情况。同时，该实验系统还可以进行车上测试和地面测试，实验运行速度大约为36154km/h。图1.3汽车牵引式动模型实验装置总体布置图1.3 本设计的主要任务和预期目标1.3.1 本设计的主要任务通过收集国内外科技论文、研究报告和学位论文，梳理分析高速列车

21、空气动力学动模型研究方法和具体原理，完成磁浮驱动高速列车环型动模型实验系统的原理性设计。具体任务主要有以下四点：(1) 了解高速列车隧道压力波的现象和危害；(2) 掌握列车动模型实验设计原理，并了解其特点；(3) 掌握磁浮原理和磁浮列车原理；(4) 完成磁浮驱动高速列车环型动模型实验系统设计。1.3.2 本设计的预期目标了解高速列车空气动力学目前的研究状况，掌握动模型实验原理及磁浮列车原理，参考中南大学和英国AEA技术轨道研究组织关于高速列车气动性能模拟动模型实验装置（Moving Model Rig，MMR）的研究情况，以及上述浙江大学和西南交通大学的环形实验平台的研究方法，在此基础上，结合

22、磁浮列车驱动技术，从原理上设计一种以磁浮驱动方式来推动列车模型在实验轨道上高速运行的动模型实验系统。并将实验轨道设计为双轨双线，在轨道一侧直线段上加设隧道模型，在另一侧直线段旁加设风机。实验装置可进行明线列车交会，隧道交会，隧道效应、列车风、横风作用等多种实验。同时，利用环形加速器原理加速列车模型，并能克服曲线段巨大的离心力作用，列车模型的最高实验速度可达到600km/h。最后对该实验系统的控制原理及实验方法做简要介绍。从而为高速列车空气动力学性能的研究提供一种与实车测量结果吻合度高、经济性好、安全可靠的新方法。2. 高速列车空气动力学研究进展2.1 研究的内容及意义高速铁路由于其具有安全、快

23、速、舒适、环保和低能耗等独特优势，已成为世界铁路轨道交通发展的必然趋势。对于高速列车来说，由于它体型庞大、细长且靠近地面或者轨道运行，其空气动力学性能在许多方面与航空和汽车空气动力学不同。与航空飞行器和汽车相比较，高速铁路轨道交通系统有着自身的特点：列车的长度与列车的截面当量直径比值较大，且一直运行在固定线路上，列车与地面之间的耦合效应比较强烈，需要特别考虑线路旁工作人员和周围建筑物的安全、可能会存在大量的隧道和桥梁等路况、两辆列车经常会在隧道内和明线上发生交会、在横风或侧风等恶劣环境与雨雪等气候条件下运行等。过去中国列车时速一直在120km/h以内，列车空气动力学问题并不突出；然而随着列车运

24、行速度的提高，列车运行阻力急剧增加，能耗加大；列车高速交会产生的空气压力瞬变脉冲，会导致列车侧壁过度变形，并伴有巨大的空气爆破声，造成列车门窗松动，破坏门窗玻璃，甚至会降低车体结构的疲劳寿命；过度的空气压力变化还会使车辆剧烈晃动，以致有可能与线路限界相碰；强烈的侧向风力作用则极有可能使列车在高速行进中发生倾覆等事故 申鹏.国内外高速列车空气动力学研究概况J.科技创新导报,2014,11(3):9.。为了实现高速列车安全、快速运行以及乘坐舒适和环境友好的目标 ，研究并解决上述高速列车空气动力学问题，具有非常重要的经济价值和现实意义。2.2 国内外的研究方法2.2.1 实车测量实车测量是最基本的实

25、验方法，通过实车测量可以获得最符合实际情况的数据，可以此作为分析和校正各种数值模拟实验数据的依据，并最终获得可用于列车阻力计算的通用公式。目前，实车测量主要包括列车气动阻力、车身表面脉冲压力、车厢内部压力测量，列车空调、冷却风和进排气口的气流流速与流量测量，以及列车在运行过程对自然环境和周围建筑物所产生的气动噪声、微气压波以及列车风的测量等等 田红旗.中国列车空气动力学研究进展J.交通运输工程学报,2006,6(1):4.。2.2.2 数值计算在高速列车空气动力学问题的研究中，数值模拟计算的适用性最强。从理论上讲，任何关于高速列车空气动力学方面的问题都能够利用数值模拟计算的方法予以解决。近几年

26、来，数值模拟计算技术的主要发展方向体现在以下3个方面：专业数值计算软件的开发与应用，网格划分技术的发展、数值模拟计算方法的改进与完善等。目前流场数值计算的方法有很多，其中运用最为广泛的有边界元法、有限元法和有限差分法等 戚振拓.高速列车明线会车气动特性研究D.西南交通大学:西南交通大学,2007:5-6.。2.2.3 模型实验高速列车模型实验的研究手段主要包括风洞实验、水槽或水洞实验、动模型实验。其中，风洞实验是当前应用最广泛的研究手段之一，研究方式又包括气动力测量、表面压力测量、模型外部气动噪声测量等；水槽或水洞实验以西南交通大学的隧道压力波浅水槽实验台为代表；而动模型实验由于其独特的优势，

27、在近几年的实验研究中得到了众多研究者的重视，动模型实验运用的主要原理是运动相似原理和流动相似原理，能够较为真实地模拟2交会列车之间、列车与周围环境(地面、隧道、道旁建筑等)之间的相对运动，客观地反映实际列车在铁路线路上运行的情况及其地面效应，为验证数值计算和模拟实验结果提供依据。动模型实验还可以对不同形状和不同运行速度的列车，在不同线间距情况下反复进行研究性实验。2.3 研究方法比较实车测量的最大技术难点在于必须实时测量两列交会列车的相对速度和列车间距，检测系统比较复杂。且由于实车实验只有在列车生产完成以后才能进行，需要耗费大量的人力、财力和物力，具有很大的局限性，一般都只适用于新型列车产品的

28、实车检验和评估工作。数值计算的研究方法可以在列车设计初期和较短的时间周期内、耗资很低的情况下，对大量实验工况进行数值模拟计算，通过对局部单元或网格的精细划分可以得到更准确的实验数值，但是对于高速列车这样具有复杂外部表面的钝体绕流问题，要想进行精确模拟是非常困难的，且其数学模型的研究与建立尚处于一个发展完善阶段，一般情况下，数值计算研究的最后结果还必须通过实验研究来验证，数值计算研究方法与模型实验研究方法是高速列车气动性能研究中两种最常用和最基本的方法，两者互补不足，同时又不可代替，对于高速列车空气动力学的研究应该同时有效地结合这两种方法，这样才能使得研究结果更加准确可靠 潘迪夫，王伟，李素康.

29、高速列车动模型试验弹射系统GA-BP神经网络建模研究J.测控技术,2015,24(25):51.。对于模型实验研究方法，水槽实验不能正确处理三维问题，并且需要通过不同介质的换算才能得到粗略的结果，各种换算参数数值的选择对实验结果的影响较大，风洞实验速度的变化范围广，数据采集较为准确，但是，风洞实验只能进行稳态流动实验，不能模拟列车交会和过隧道等工况下的非稳态流动实验，且会产生一定的边界效应，很难避免风洞入口与模型列车之间的地面气流附面层效应对实验结果的影响，动模型实验装置造价相对较小，调整及改进比较容易，实验几乎不受外界气象条件的影响，可以真实模拟两交会列车之间、列车与线路周围环境之间的相对运

30、动情况，反映空气流场的地面效应，并且可以对正处于设计改进中的列车进行模型实验，节省物力财力 李刚,梅元贵.国外高速列车进出隧道空气动力学模型实验研究方法J.隧道建设,2007:156-157.。因此通过比较上述几种实验研究方法，我们发现动模型实验有其独特的优势。因此开展高速列车空气动力学动模型实验系统的改进与开发，具有巨大的现实意义。2.4 磁浮列车空气动力性能研究进展磁浮列车运营速度高于传统轮轨系统高速列车，其所涉及的空气动力学问题属于亚音速空气动力学范畴，在三维可压缩粘性流体力学理论基础上，2003年田红旗、卢执中、梁习锋、刘堂红等首次对磁浮列车这种贴地高速运行的细长体所引起的复杂空气动力

31、学问题进行了数值模拟计算、实车实验和两辆列车高速交会动模型实验等，并对磁浮列车气动外形进行了优化研究和在气动力作用下动态响应分析。2006年毕海权、李明水、雷波等人对上海磁悬浮列车的会车压力载荷进行了测量。之后，他们对高速磁悬浮列车会车压力波进行了数值模拟计算，其结果与实车测量结果吻合度较高。同年，田红旗和刘堂红等人同样采用数值模拟的方法对三种不同头型的磁浮列车气动阻力、升力和会车压力波分别进行了研究。2012年刘元森对真空管道磁浮列车空气阻力进行了研究报道。2014年西南交通大学陈旭勇对真空管道磁浮列车空气动力学问题进行了仿真分析。2.5 隧道空气动力学问题研究方法概述高速列车在隧道中运行时

32、所涉及到的空气动力学问题，体现在2个相互依赖的现象中，即隧道压力波的形成和列车气动阻力的增加。对于长隧道，气动阻力的增加是主要的，而对于较短的隧道，在隧道入口和出口处的脉冲压力则会引起更多的问题。开展高速列车隧道空气动力学研究，也是既有隧道改造和新隧道设计的重要依据。目前关于高速列车隧道空气动力学的研究方法也主要有现场实测、数值模拟、模型实验这三种，其中，模型实验研究是较为经济可靠的方法，模型实验又可分为浅水槽实验和动模型实验两种，动模型实验在绪论部分已经做过具体介绍，我们在此不再赘述，在这里我们主要介绍浅水槽实验。浅水槽实验研究是根据自由表面水波运动的波高与可压缩流体运动压力之间的相似关系，

33、通过测定模型列车在浅水槽中运动时所激起的水波高度，来求得周围空气压力变化，从而模拟并分析高速列车过隧道的压力波动现象和规律。美国和日本分别于1979年和1993年采用浅水槽实验研究了列车通过隧道过程中所产生的空气动力学问题，并且获得了比较有实用和参考价值的实验数据和规律。西南交通大学曾利用浅水槽法模拟了最高速度500km/h的高速列车过隧道的空气动力学问题，也得到了比较令人满意的结果，其实验装置如图2.1所示。浅水槽实验装置简单，列车模型速度不必达到很高，且测得的实验结果与计算结果吻合度较高，但要利用此方法得到更精确的数据是比较困难的；动模型实验装置系统结构比较复杂，且列车模型速度高，这将会带

34、来安全性问题及实验控制困难的问题，但是实验所测得的数据与实车测试结果吻合度很高。综上所述，从实验数据的准确性和测试结果的稳定性考虑，相对而言，采用动模型实验进行列车隧道空气动力学的研究是一种可靠的方法 梅元贵,周朝晖,许建林.高速铁路隧道空气动力学M.北京:科学出版社,2009:1-39.。图2.1 浅水槽实验模拟装置3. 高速列车动模型实验3.1 实验原理高速列车动模型实验是通过发射或驱动一定比例的模型列车在轨道线路上高速运行，以此来模拟实际列车的运行状况，进行测压和测力实验，采集并分析相关的实验数据，为高速列车头型的优化设计，隧道形状的设计，线间距的确定，乘客舒适性的提高，及其对周围环境影

35、响等的分析提供依据。动模型实验所遵循的基本原理是相似性原理。要保证模型列车的空气流场和实际列车的空气流场相同，需满足以下相似准则：（1）几何相似几何相似是指模型列车周围空气的流动和实际列车周围空气的流动有相似的边界形状，一切对应的线性尺寸成同一比例。线性尺寸包括列车的长度L，直径d，表面粗糙度以及任意空间对应点间的线段 景思睿,张鸣远流体力学M.西安:西安交通大学出版社,2001:91-108.。因此 （3.1）式3.1中，下标p表示实物，m表示模型，CL为线性比例系数。因此，对于面积A和体积V，有如下关系： （3.2） （3.3）在线性尺寸比例相同的情况下，列车表面各部分对应的角度都相等，即

36、。这样已知实际列车的几何尺寸，根据线性比例系数就可以计算出相应模型列车的几何尺寸。（2）雷诺准则在高速列车动模型实验中，要满足粘性力的动力相似，就必须要求作用在模型列车和实际列车上任意对应点的惯性力和粘性力之比为一常数，即雷诺数相同。 （3.4）式3.4中为雷诺数，和分别为实际列车空气流场的介质密度，实际列车运行速度，实际列车截面尺寸和空气介质动力粘性系数；和分别为模型列车空气流场的介质密度，模型列车运行速度，模型列车截面尺寸和空气介质动力粘性系数。（3）马赫准则在高速列车动模型实验中，高速气流的可压缩性是非常重要的，模型列车和实际列车空气流场的惯性力和弹性力之比必须保持一定。气流在高速条件下

37、，该比值等于空气流速与声速之比，即马赫数相等 景思睿,张鸣远流体力学M.西安:西安交通大学出版社,2001:91-108.。 （3.5）式3.5中，为马赫数，分别为实际列车周围空气流场速度和实际空气流场中的声速，分别为动模型实验模拟的空气流场速度和模拟空气流场中的声速。根据相似性原理，当模型列车和实际列车运行速度相同时，就可以保证两空气流场的流速相同，同时，声音在两流场中的速度也相同，即满足了马赫准则。3.2 国内外高速列车动模型实验的研究情况对于动模型实验，国内外都在不断的进行研究。1991年，英国AEA铁路列车技术研究中心建造了比例为1/25的动模型列车实验装置，实验段总长150m，其中心

38、实验段长50m，实验段的两端各有一个加速段和一个制动段，每个约50m长，模型列车最高实验速度可达到305km/h，两平行轨道允许两列列车模型同时相向发射，以此来模拟列车交会效应。该装置适用于明线上的空气压力、隧道压力波，以及轨道间和平台上滑流空气速度的测量，实验结果与实车测量数据吻合度极高 Tetsuya Do.Development of an experimental facility for measuring pressure waves generated by high-speed trainsJ. Wind Eng Ind Aerodyn,2010:55-61.。日本采用压缩空气

39、式列车动模型实验装置对列车穿越隧道的过程进行了大量模拟研究，取得了比较理想的实验效果。西南交通大学建立的动模型实验装置由空气炮、列车模型、隧道模型、控制系统及减速装置组成，最高速度可以达到360km/h。表3.1列出了进行高速列车空气动力学动模型实验研究的几个主要国家的实验系统参数：表3.1 动模型实验系统参数比较国家有效实验线长度（m）实验缩比模型质量（kg）最高实验速度（km/h）实验工况中国（西南交通大学）201/80360过隧道实验英国1321/2510200交会实验、过隧道实验日本 360过隧道实验中国（中南大学）1641/161/203015220280交会实验、过隧道实验荷兰10

40、1/175500过隧道实验3.3 典型高速列车动模型实验装置简介中南大学高速列车实验中心自主研发的“高速列车气动模型实验装置”是目前世界上规模最大、实验模式最多的列车气动模型实验装置。该装置主要由弹射控制系统、模型轨道、模型列车和数据采集系统等几部分组成 王伟.高速列车动模型试验系统建模及测控技术研究D.中南大学:中南大学,2007:2-4。模型轨道双向复线布置，总长164m，可进行缩比1/16 1/20，3节列车编组最高运行速度350 km/h，且可调整线间距的动模型模拟实验。实验装置平面布置如图3.1所示。为了保证能在52m的加速段上产生250 km /h以上的最大实验出口速度，该实验装置

41、在加速段上采用双层轨道结构，具体如图3.2所示。图3.1 高速列车动模型实验装置平面布置图图3.2 高速列车动模型实验装置弹射系统结构示意图3.4 高速列车环形动模型简介为了推动高温超导磁悬浮列车技术（HTS）研究，2013年3月，西南交通大学牵引动力国家重点实验室超导技术研究所搭建了国内首条高温超导磁悬浮环形动模型实验线，整体结构如图3.3所示，图3.4为该环形实验线上目前运行的“Super-Maglev”可载人高温超导磁悬浮实验车，整体结构平面布置如图3.5所示。实验线采用环形跑道型结构，总长45.00m，直线段长3.60m，外侧轨道曲线段半径6 .00m，轨间距0.77m，最高运行速度约

42、为50km/h，最大载重量1吨，悬浮高度1520mm。目前，该实验系统只在一侧直线段上安装有一段3.0m长的直线感应电机来对实验车（Super-Maglev）进行驱动，实验车每次经过直线感应电机段时可以实现加速或减速，而在其余线路上都靠惯性运行。实验车的速度调节是通过变频器调节电源频率及直线感应电机的正反转来实现 勾艳凤.高温超导磁悬浮车环形线震动特性研究D.西南交通大学:西南交通大学,2015:8.。 图3.3 环形实验线 图3.4 高温超导磁悬浮车“Super-Maglev”图3.5 环形实验线平面图4. 磁浮原理及磁浮列车原理4.1 磁浮技术原理磁悬浮利用电磁斥力或引力使物力能够稳定地处

43、于一个无接触、无摩擦的平衡状态。磁浮技术是高度集电磁电子技术、信号控制、机械动力学等学科为一体的典型机电一体化高新技术。早在1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念。1992年，德国工程师赫尔曼肯佩尔（Herrmann Kemper）正式建立了磁悬浮理论，并于1934年申请了关于磁悬浮列车的专利，但是在随后的30多年中，关于磁悬浮技术的研究基本处于停滞阶段，直到1970年以后，伴随着世界工业化的潮流，西方的很多国家经济实力迅速提升，为了不断增强铁路交通运输能力来适应其经济快速发展的需求，以德国和日本为代表的许多发达国家相继展开磁浮交通运输系统的研究开发。进入21世纪以后，随

44、着电磁理论、电子技术、信号处理元器件、控制工程以及新型电磁材料的发展和转子动力学研究的深入，磁悬浮技术逐渐走进人们的视野，目前关于磁浮技术的应用主要有磁悬浮轴承、磁悬浮列车、磁悬浮风机等。我国对于磁浮技术的研究起步较晚，重点放在磁悬浮轴承和磁悬浮列车的研究上，并取得了较大成果。磁悬浮技术简称EML（electro magnetic levitation）技术，磁悬浮技术系统由悬浮体、传感器、控制器和执行器4部分组成，具体结构如图4.1所示。其中执行器由电磁铁和功率放大器两部分组成。假设在某一平衡位置上，当悬浮体受到一个向下的扰动时，就会偏离其平衡位置，这时传感器检测出悬浮体偏离其平衡位置的位移

45、，作为控制器的微处理器就会迅速将检测到的位移信息转换成控制信号，然后通过功率放大器将这一控制信号再次转换成控制电流，控制电流在执行电磁铁中产生相应的电磁力，从而驱动悬浮体回到原来的平衡位置 刘琳.磁悬浮技术与磁悬浮列车J.现代物理知识,2004,5(18):18.。因此，不管悬浮体受到那个方向的的扰动，在传感器、控制器和执行器共同作用下，悬浮体始终能稳定地处于平衡状态。图4.1 磁浮技术系统示意图4.2 磁浮列车及其原理简介磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸引力或排斥力）来推动的列车。由于其与轨道之间的磁力使之悬浮在空中，运行时无需接触地面，不受摩擦力阻力。磁悬浮列车与现有的轮轨式列车相比，

46、同样有其独特的优势和不可忽视的不足：总的来说，磁悬浮列车具有速度高，安全性好，爬坡能力强、转弯曲率半径小、噪声污染小、环境友好、舒适性高、经济可靠等显著优势，是一种极具发展潜力的地面有轨交通方式；它的缺点主要表现在造价费用高，较难实现迅速制动，并且由于其一般运行于高架桥之上，一旦发生事故，救援和拖出都相当困难。磁悬浮列车是由无接触的电磁悬浮系统、导向系统和驱动系统组成的新型轨道交通工具，磁悬浮列车可以分为超导型（电力悬浮系统EDS）和常导型(电磁悬浮系统EMS)两大类。超导型电力悬浮系统（electro dynamic suspension，EDS）是一种斥力悬浮系统，在运动的列车上安装磁铁，

47、以此在导轨上产生电流。由于列车和导轨的之间的悬浮气隙减小时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力为列车提供了稳定的支撑和导向。然而列车必须安装车轮装置以对列车在悬浮和下降时产生有效的支撑，并在列车上装有由悬浮导向超导磁铁、感应动力集成超导磁铁和动力集成绕组三部分组成的感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在导轨两侧。当向导轨两侧的列车驱动绕组提供与车辆速度频率一致的三相交流电时，就会在列车与导轨之间产生一个移动电磁场，这时列车上的车载超导体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力驱动列车向前运行。同时必须在地面导轨上安装能够实时准确监测列车位置与速度的高精度探测仪器，根据探

48、测仪器传来的位置速度信息调整三相交流电的供流方式，以此来精确控制电磁波形，达到列车安全稳定运行的目的。但是，当列车保持静止或者运行速度小于80km/h时，感应电流不足以使列车悬浮，在这种情况下就需要车轮来支撑车体，因此，超导型磁浮列车需要安装车轮。常导型电磁悬浮系统(electro magnetic suspension，EMS)是一种吸力悬浮系统，它是利用列车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道之间排斥力为列车提供悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先需要控制列车下部的悬浮和导向电磁铁上的电磁斥力的大小，使其与地面轨道两侧的悬浮绕组发生反作用从而把列车悬浮起来。同时，在列车下部安装的导向电磁铁与轨道磁铁的

49、反作用力下，悬浮框架与轨道之间就会保持一定的侧向距离，实现悬浮架在垂直方向和水平方向的无接触支撑和导向 周斌.常导型磁浮列车J.企业导报,2011,11(15):15.。通过高精度的电子调整系统，保证列车与轨道间的悬浮间隙为10mm。由于列车的悬浮和导向与运行速度无关，所以即使在静止状态下，列车仍可以进入悬浮状态。磁悬浮列车系统主要可以分为悬浮系统、推进系统和导向系统这三大部分，虽然可以使用完全与磁力无关的推进系统，但在绝大部分设计及其应用中，这三部分功能的实现均由磁力来完成。下面将分别对这三部分各自采用的技术进行简单介绍。悬浮系统：关于悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是日本所采用的超导

50、型和德国所采用的常导型。从悬浮技术上讲就是电力悬浮系统(EDS)和电磁悬浮系统(EMS)的区别。超导型磁浮列车最重要的特征就是其超导元件在一定的温度条件下所具有的完全抗磁性和完全导电性，超导型磁浮列车又可以分为低温超导型和高温超导型两大类。推进系统：磁浮列车的驱动利用同步直线感应电机的原理。列车底部支撑电磁铁线圈的作用就如同同步直线感应电动机的励磁线圈，轨道内侧的三相移动电磁场驱动支撑电磁铁线圈绕组起到电机电枢的作用，它就像同步直线感应电机的长定子初级绕组。从直线感应电机的工作原理可知，当对作为定子的电枢线圈供电时，就会在电磁感应作用下推动直线感应电机的转子高速转动。根据这个原理，当沿轨道线周

51、围布置的变电所向导轨内侧的驱动用铜绕组供应三相调频调幅交流电时，在电磁感应作用下，悬浮框架连同列车就会像直线感应电机“转子”一样被连续驱动向前运动。这样，列车在悬浮状态下，就可以实现完全无接触、无摩擦的牵引和制动功能。导向系统：导向系统是通过控制列车在水平方向所受的横向力的平衡，来保证悬浮列车不会出现左右晃动或者偏移，从而一直能沿着导轨的方向运动。永磁轨道与列车底部的电磁铁之间产生的相互作用，可以同时为列车提供导向和悬浮功能，当然也可以单独采用导向和悬浮用的电磁铁。常导吸浮型磁悬浮列车组成的基础就是直线同步电机或吸引型直线悬浮电动机。图4.2为常导型磁浮列车示意图。直线同步电机定子导向磁铁悬浮

52、磁铁图4.2 常导型磁悬浮列车系统示意图由于超导磁浮列车与常导磁浮列车相比，有更多的优势。因此，在最近几年，超导磁浮列车技术得到了迅速发展，其技术并日渐趋于成熟。在超导磁悬浮系统中，超导体安装在列车上，在地面轨道内安装与超导体相互作用产生悬浮、导向和推进功能的各种线圈。一种较为常见的高温超导磁浮列车系统其总体结构布置如图4.3所示。磁悬浮线圈铺设在地面上，推进与导向两用线圈安装在轨道内侧，超导体安装在列车框架的外侧。图4.3 高温超导磁悬浮列车系统示意图5. 环形动模型实验系统设计为了能在有限的空间和尽可能节约成本的前提下，达到实验目的，将实验线设计成环形是非常可行的，环形线的合理可行性在以往

53、的实验研究中已经得到了证明。在此基础上，我们将以往的单线实验线改进为双线，并在实验线一侧直线段部分加盖隧道模型，以期进行列车外形尺寸设计、隧道效应、高速会车效应以及横风效应等实验。但是，环形线有一个明显的缺点，当模型列车高速通过环形线曲线段时会产生巨大的离心力，这将对列车模型和实验轨道造成严重损害，在实际工程应用中一般都是通过外轨超高设计来解决，但效果并不明显，列车速度依然不能太高，否则就有可能发生侧翻的危险。西南交通大学为了解决这一问题，最新设计了一种侧挂式高温超导磁悬浮系统，使得这一问题得到了很好的解决。我们在总结前人经验与研究成果的前提下，另辟蹊径，将曲线段设计成半圆形，设想利用磁悬浮原

54、理，在半圆形轨道外侧加设一个与其同心的永磁双轨墙（相当于磁悬浮铁路的导轨），并在列车的外侧面加设高温超导体或者导体线圈（相当于磁浮列车的悬浮架），以它们之间所产生的力来提供抵消离心力的磁斥力（悬浮力）和推进力，并且使列车模型实现进一步加速。5.1 磁浮驱动技术的选择关于磁浮驱动技术的选择，简单的来说，就是常导直线电机磁浮驱动技术与超导直线电机磁浮驱动技术之间的选择。常导直线电机磁浮驱动技术普遍地运用于中低速磁悬浮列车，主要用于市内交通、地铁、市郊运输和机场路等短途运输。我国在近几年关于常导磁浮技术的应用比较广泛，例如：2003年开通的世界上第一条磁浮列车示范运营线上海磁悬浮线，以及于2015年

55、和2016年刚上线的北京和湖南长沙磁浮示范线都采用的是常导磁浮技术，相对来说，在国内关于常导技术的应用比较成熟，并且具有车辆总体构造轻、供电方便、技术简单等优点。但是，它又有自身的不足，如运行速度不高，悬浮高度相比于超导型磁浮系统较低，这就对轨道的加工精度要求较高，而超导磁浮系统却可以很好地解决这些问题。同时，由于高速列车技术的快速发展，最新上线的一些客运专线列车速度已经超过300km/h。因此300400km/h的常导磁浮实验速度已经不能满足实验要求，而本设计要求预期最高实验速度为600km/h。所以，常导直线电机磁浮驱动技术对本实验系统是不可取的。国内对于高温超导直线电机磁浮驱动技术的研究

56、主要以西南交通大学为主，达到了国际先进水平。并且经过几代人的研究，已经对其能够实现精确控制。高温超导直线电机磁浮推进技术为交通运输领域提供了一种更先进更快速的推进技术。高温超导直线感应电机可以实现无摩擦的悬浮推进，具有自导向、自悬浮功能，无需导向控制，降低了摩擦带来的损耗，极大地提高了推进效率，因而更易于实现大质量物体的高速推进，具有突出的先进特性，即悬浮高度大、功率因数高、控制简单、无须车载电源、重量轻、单位体积小等优点。高温超导直线电机运用于磁悬浮列车，将使列车不仅具有快捷（大于500km/h）、安全、噪声小（约60db）等优点，而且除了作为远距离高速运输外，还有望成为近距离城市（50km左右）之