美国magplae磁悬浮列车方案

美国magplae磁悬浮列车方案

0高速磁悬浮车方案研究由于高速磁浮列车的优点，许多国家都积极研究了德国的transpid、日本的mlx系列、美国的mamplane和induk等。中国相关磁浮技术的科学家对上述磁浮列车方案进行了分析研究，促进了我国高速磁浮列车技术的发展。以引进德国技术为主的上海浦东机场至地铁2号线龙阳路站全长30km的高速磁悬浮列车示范运营线，已成为世界上第一条商业化运行的高速磁悬浮线路。然而以上各方案都还存在一些技术、工程或经济上的问题，我们还需要进一步了解世界上有价值的磁悬浮列车方案，并对各种不同的磁悬浮方案进行分析研究及比较。现介绍一种新的高速磁悬浮列车方案，即美国Magplane磁悬浮列车。1magprane方案的特点Magplane是美国麻省理工学院以Montgomery教授为首的一些专家提出来的，上世纪70年代在美国自然科学基金支持下成功地验证了其原理的可行性，建造了1:25的模型车，100m长的试验线，进行了五代车数百次试验。上世纪90年代在美国交通部支持下，花费约400万美元进行了800km长线路的工程估价与设计及美国佛罗里达州Miami—Orlando—Tanmpa150km线路的工程设计，积累了一定工程经验。Magplane方案包括两种类型，其中有速度在500km/h左右的高速方案，和速度大约在250km/h的准高速方案，高速方案为超导方案，准高速方案为永磁方案。在准高速方案中采用较低的速度，较小的悬浮间隙，这种磁悬浮列车的造价将更便宜，Magplane近期的研究发展以这种永磁方案为主，故本文重点介绍永磁方案。1.1轨道系统的功率、用电Magplane可以有不同的应用，在长距离时，速度要求较高，磁悬浮系统的悬浮间隙大，起推进作用的车载磁体更多，悬浮和导向的磁体系统将使用超导磁体，短距离使用的车将在较低的速度下运行，因而悬浮间隙可以小一些，推进功率也小一些，这里磁体为永磁体。无论高速还是较低速度，轨道都是相同的。长距离列车速度可达到500km/h，悬浮气隙15cm,距离较短时，最高速度为250km/h，悬浮气隙约5cm。长距离时使用大容量的车体，最大质量45t，可以乘坐140名乘客，装有超导线圈的模块固定在车厢的头部或尾部没有座位的地方。短距离时使用小容量的车体，有40个座位，一排5个座位，一侧3个，另一侧2个。Magplane的车体象一个中等的喷气式飞机大小，并排有5个座位。车体上除了紧急备用电池以外，没有其它电源。所有推进的功率和车上用电都由轨道上的线圈提供。车上仅带有感应绕组以获得车厢内用电以及列车的控制系统用电。车厢可以根据不同的具体用途而优化调整其结构和大小，但都可以使用相同的轨道。1.2右两侧永磁电机Magplane方案的轨道为近似的弧形，半径为2.1m，轨距4.5m。轨道被分为3个部分（图1），左右两侧为用于悬浮的铝板，大约2cm厚，160cm宽，悬浮力来自列车上磁铁的运动在铝板里产生感应电流。中间为推进绕组，作为直线电机的定子绕组，车载磁体为永磁铁。由于悬浮气隙较大，轨道的精度要求较低。轨道采用整体高架结构，在必要的地方采用大跨度，用钢筋或水泥加固。在轨道设计中考虑了在任何位置的突然停车和重启动。2magpmane模型磁悬浮列车受电磁力或电动力的作用，可以产生升力使车体与轨道脱离机械接触，即车体悬浮于轨道上。按升力形成的电学机理，磁悬浮列车可以分为电磁悬浮型（Electromagneticsuspension简称EMS）、电动悬浮型（简称EDS）和永磁悬浮型（Permanentmagneticsuspension简称PMS）。Magplane属于永磁悬浮型，早在1942年，EanShaw就证明了一个物体（含永磁体）不可能仅由另一个永磁体的悬浮支撑，必须有一个自由度被机械或其他方式所约束。所以本文所讲的永磁悬浮型实为EDS+PMS的混合型结构。Magplane是采用长定子方案，定子沿着轨道连续分布，而转子固定在车上。Magplane是受排斥力而悬浮，斥力随着定子和转子之间距离的增大而减小，这样悬浮控制将会容易一些，也使得悬浮间隙增大，Magplane的悬浮磁铁和驱动磁铁皆为永磁体，间隙可达5～15cm。悬浮、导向都由感应电流产生，该电流是由车载磁体的运动产生的，推力是由轨道上驱动绕组的交流电流产生的。由于不需要采用屏蔽来减小乘客舱的磁场，永磁体沿整个车厢敷设，而不象超导方案那样将超导磁体集中在车厢的两端。在车厢下面尾部约占10%的面积，永磁体被控制电磁铁所取代，以提供主动的阻尼控制。阻尼磁体运动的能量由车上的一个旋转储能装置提供，这个装置的能量也是通过感应从轨道上获得的。如图1所示，在悬浮和导向上使用了20mm厚的弧形铝板轨道，这种结构具有高速转弯的优点。这种方案需要加辅助轮，为了安全起见，Magplane的设计者计划在行驶的全程不收回辅助轮，而是将其固定在列车下面，这样，行驶中空气阻力可能要大一些，但可以保证一旦列车失去悬浮力，辅助轮可以作为一种保护措施，防止车体直接与轨道相撞。与其他类型的磁悬浮列车方案相似，Magplane方案也是采用分段供电，大约2km为一个供电区，每个供电区上只有一辆车运行，这样可以防止撞车，每个供电区通过路边的供电柜供电，其容量的大小根据该供电区的坡度和加速度要求而定。直线电机的容量能使列车在10%的上坡道上运行，与汽车差不多。列车最低的起浮速度为15km/h，低于该速度时，车体由轮子支撑。辅助的制动设施可以在直线电机制动系统故障时实施紧急制动。由于采用的是永磁悬浮，整个列车技术相对简单。3系统集成技术Magplane高速磁悬浮列车系统与其他磁悬浮列车系统相比，有许多的创新之处，最显著的特点就是永磁悬浮、电磁道岔、自稳定的控制系统等。3.1magplae方案目前高速磁悬浮列车面临的难点之一就是道岔问题，以Transrapid为例，由于车体抱住轨道，所以必须机械移动轨道，才能实现换道。而在Magplane方案中，由于其轨道结构是槽型，结构本身允许采用不动的道岔，而不是机械运动的道岔。电磁道岔的工作原理如图2所示，导轨的两边被逐渐分开，直到两侧之间的距离大到两个平行导轨宽，一个是正线，一条是侧线。在导轨完全分为两条之前，列车必须运行一个道岔的区间，这时总有一边的导轨壁是不完整的，道岔上的磁性材料必须能够提供稳定的悬浮并且确保列车在任何可能的转弯半径情况下靠着一边壁行走，直行的列车通过道岔时可以不减速。这种电磁道岔能保证磁悬浮车可以频繁地在中间车站进入或离开正线。这种道岔的设计思想有别于传统的铁路，在传统的铁路上，车站是直接设置在铁路干线上的，只是在车站上增加了一些道岔，以方便停车，无论该列车在该站停车与否，都要经过该站，而在Magplane方案中，要在该站停车的列车通过道岔进入分支轨道，而不需要停车的列车可高速直行通过，不进入车站。这样可以保证列车在主轨道上高速运行，和高速公路的思想有些类似。3.2简化磁悬浮车系统，方便磁浮浮车Magplane方案采用永磁方案，永磁体的使用比起超导悬浮列车更经济，不存在一套精密的制冷系统，简化了磁悬浮列车系统，同时不会出现日本超导高速磁悬浮列车MLX在试验时曾出现的超导体失超而引发的事故，使得磁悬浮系统可靠性大大提高，同时也使得原理更简单，建造更方便。3.3magplae方案对磁悬浮系统来说有一个振动的过程，从安全角度，系统不会与地面碰撞，但会给旅客带来不舒服振动。为阻尼这些振动，Magplane的磁铁不是粘在列车上，而是一个可以运动的装置。磁铁在列车底部运动，可以吸收能量以阻尼振动，运动的范围大约2cm，频率较低。磁铁在车体下面只是径向运动，因为磁铁下面有一个稳定机构，不能上下运动，列车动起来后，所有的磁块都在不断地动。甚高速时，有象飞机一样的稳定翼，振动幅度1cm左右，用空气动力学原理来控制列车系统的晃动。列车在拐弯时允许倾斜10°，这样列车在通过半径为2km的曲线时，仍可保证360km/h的速度，而且乘客感觉和坐飞机一样舒适，该方案目前还在设计与改进过程中。和传统的列车自动控制系统不同，Magplane的控制系统除了要检测列车的位置以外，还要检测列车的姿态。控制系统对这些信号处理后发出控制信号，以控制磁块。4magprane方案Magplane方案由于采用永磁悬浮和电磁道岔，而且造价较低，使其成为一个很有吸引力的方案，但是该方案也存在一些问题，需在进一步发展改进中解决。由于Magplane的轨道是永磁体结构，所以露天放置时可能会吸附其他铁磁物质，而且一旦吸附上以后，由于磁场很强将难以清扫下来，会引发列车事故。如果考虑在永磁体上面加上保护层，则必须达到一定的厚度，形成一定的梯度，才能方便地清扫掉杂物。Magplane方案的另一个问题是道岔的长度问题，虽然Magplane方案拟采用电磁道岔，然而，如果道岔太长，则占地过多，而且列车站台设置也会遇到困难。Magplane方案可以实现电磁道岔，若能解决道岔过长的问题，则该方案将会有更好的应用前景。5高速磁悬浮列车美国对于在长大干线上使用高速磁悬浮列车存在较大疑虑，因为，近二三十年来，铁路客运的份额仅为客运量的0.7%，美国人口比较分散，长距离难以形成大客流，从而，美国科技界虽有着一些好的方案，但难以得到足够经费支持。与其他类型的高速磁悬浮列车相比，Magplane方案采用了一些折中的办法，可使造价降低。但铝板内涡流较大，故损耗较高，效率较低，电能的消耗略大。设计者认为：对一条线路来说，用电的费用不是主要的，最主要的是要降低造价，而不是用电量。美方有意向在我国建约2km长的试验线，完成研制试验后再推广应用，曾在沈阳、北京，成都等地进行过考察，但到目前为止，还没有达成建立研发基地的协议。6日本高速磁悬浮列车整体而言，与德国、日本磁悬浮列车技术相比，Magplane方案有着一些特点与优越性，主要是：(1）采用永久磁体及铝板导轨的电动式磁悬