轨道交通车辆新技术 课件 项目五 磁悬浮列车技术

全球视角与中国进程磁悬浮列车的发展史01磁悬浮技术的研究历程02各国磁浮铁路研究概况CONTENTS03中国磁悬浮技术发展概览磁悬浮技术的研究历程磁悬浮技术的研究历程磁悬浮技术的起源01磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。磁悬浮运输系统的开发02进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。美国和前苏联的研究计划03美国和前苏联在七八十年代放弃了磁悬浮系统研究计划，目前在继续进行磁悬浮系统的研究主要有德国和日本，并均取得了令世人瞩目的进展。各国磁浮铁路研究概况日本的研究与应用超导磁浮列车实验1972年，日本首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50千米。载人试验成功1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功，1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411千米。试验线建设完成首期18.4千米长的试验线已于1996年全部建设完成，为日本的磁浮铁路研究提供了重要的试验基础。磁浮铁路研究日本于1962年开始研究常导磁浮铁路，由于超导技术的迅速发展，70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。宫崎磁浮铁路试验线1977年12月，在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204千米，到1979年12月又提高到517千米。山梨磁悬浮铁路试验线为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年着手建设山梨磁悬浮铁路试验线。010203040506德国的研究与应用磁浮铁路研究德国对磁浮铁路的研究始于1968年，研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆。试验线建设1978年，德国决定在埃姆斯兰德修建全长31.5千米的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。试验车辆研制德国在70年代初就研制出了高速磁浮列车，到1977年，试验时的最高时速达到400千米，展现了德国在磁浮铁路技术方面的实力。列车速度记录德国磁浮铁路研究取得重要突破，最高试验速度在1983年底达到每小时300千米，1984年又进一步增至400千米。超导技术难题德国在磁浮铁路研究过程中遇到了超导技术水平高、短期内难以取得较大进展的难题，因此决定集中力量发展常导磁浮铁路。技术趋成熟德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟，为德国的磁浮铁路发展提供了重要的技术支撑。研究起步晚与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年开始。但英国是世界上最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。商业运营磁浮铁路1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业，成为当时世界上唯一从事商业运营的磁浮列车。停止营业1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业，其运送旅客的任务由机场班车所取代。英国的研究与应用中国磁悬浮技术发展概览上海磁悬浮列车专线03运营效果上海磁悬浮列车专线全程只需8分钟，是世界第一条商业运营的磁悬浮专线。01专线长度上海磁悬浮列车专线全长29.863公里，西起龙阳路站，东至浦东国际机场。02建设进度2001年3月1日在浦东挖下第一铲，2002年12月31日全线试运行，2003年1月4日正式开始商业运营。2003年，长春客车厂、西南交通大学和株洲电力机车研究所联合研制开发四川成都青成山磁悬浮列车线完工。列车研发该磁悬浮试验轨道长420米，为后续的磁悬浮技术研究提供了宝贵的经验和数据。试验轨道青成山磁悬浮列车线2009年6月，国内首列具有完全自主知识产权实用型低速磁悬浮列车在北车唐山轨道客车有限公司下线。低速磁悬浮列车完成列车调试后，开始进行线路运行试验，标志着我国已经具备低速磁悬浮列车产业化制造能力。线路运行试验低速磁悬浮列车产业化长沙磁悬浮工程长沙磁悬浮工程开工2014年5月16日，长沙磁悬浮工程正式开工建设，成为我国第一条完全自主研发的商业运营磁悬浮线。长沙磁悬浮线开通运营2016年5月6日，长沙磁悬浮线开通运营，进一步提升了长沙市的交通运营效率，吸引了众多市民和游客的目光。2022年七月二十日，世界首条高速磁浮列车在山东青岛成功下线，标志着超级高铁时代的到来。高速磁浮列车具有高速、舒适、环保等优势，是未来城市间交通的重要选择。高速磁浮列车下线高速磁浮列车优势高速磁浮列车下线谢谢观看项目一轨道交通发展史磁悬浮列车技术深度解析磁悬浮列车的悬浮技术01磁悬浮列车技术02电磁悬浮EMSCONTENTS03电动悬浮EDS04高温超导磁悬浮HTSMaglev磁悬浮列车技术磁悬浮列车技术气动悬浮列车1969年，法国在奥尔良郊外建起了世界上第一条18km气动悬浮列车实验线路，最高速度达到422km/h。磁悬浮列车原理气动悬浮、声悬浮、光悬浮和磁悬浮等是主要的悬浮原理，其中气动悬浮与磁悬浮能实现大尺寸的载重悬浮。气动悬浮问题气动悬浮列车存在运行不稳定、可控性差等问题，因此相关研究工作逐渐停滞不前。专利技术早在1934年，就有相关专利技术提出了将磁悬浮原理运用于轨道交通工具中，从而形成了一种新型的轨道交通运输方式。磁悬浮列车磁悬浮通过电磁场中电流与磁场相互作用产生的电磁力来抵消重力场中物体的自身质量，实现无接触悬浮，可控性较强。电磁悬浮EMS电磁悬浮技术的提出与应用磁悬浮技术的提出20世纪20年代，德国工程师HermannKemper提出了磁吸式常导磁悬浮列车（又称电磁悬浮EMS）的构想。常导电磁悬浮的研究70年代开始，英国的华威大学、萨塞克斯大学以及德比铁路技术中心开始了常导电磁悬浮的研究。专利的申请1934年，Kemper基于高速磁浮列车概念申请了专利，为后来的磁悬浮列车发展奠定了基础。高速电磁悬浮EMS的代表高速电磁悬浮EMS以德国Transrapid（TR）系列为代表，现已发展到了TR09型列车。电磁悬浮系统的构成与工作原理电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，通过机车上的电磁铁与导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。电磁悬浮系统常导磁悬浮列车通过调整悬浮和导向电磁铁的吸力，与地面轨道两侧绕组发生磁铁反作用将列车浮起。悬浮与导向在导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，车轮与轨道保持侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和导向。轮轨无接触列车悬浮高度一般为8mm，通过高精度电子调整系统来保证。在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。悬浮高度EMS电磁悬浮列车的特点与限制EMS电磁悬浮列车利用普通直流电磁铁的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右。电磁悬浮列车的优点由于车体采用抱住轨道的方式，其道岔需要采用机械道岔，存在占地面积大、操作不方便的缺点。道岔结构的缺点EMS电磁悬浮技术的缺点是悬浮高度较低，对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求高。悬浮高度的问题悬浮气隙的控制需要用一套复杂的高精度电子调整系统来实现，增加了系统的复杂性和成本。电子调整系统电动悬浮EDSEDS技术起源EDS技术起源于1966年，由美国约翰·霍普金斯大学的JamesPowell教授所发明。低温超导材料应用日本在EDS技术领域处于领先地位，采用了低温超导线材开发了LTSEDS。超导磁体与感应电流在超导线圈中通以电流，形成强磁的超导磁体，当车载低温超导磁体沿着轨道水平移动时，轨道侧壁上线圈内会产生感应电流。电动悬浮技术的起源与专利电动悬浮技术的原理与特点EDS悬浮原理EDS悬浮系统选用超导线绕磁体，需用液氦冷却系统，冷却系统重，技术复杂，造价偏高。健康影响悬浮能耗由于涡流效应，EDS悬浮系统的能耗较常导技术大，因为磁场发散，磁场对人体与环境会有影响。EDS悬浮系统利用超导磁体产生的强磁场电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100mm左右。超导磁体与感应电流的作用03悬浮条件EDS列车需要达到一定初始速度(100km/h)才能实现悬浮，否则无法保证稳定的悬浮状态。01超导磁体与感应电流EDS悬浮系统利用超导磁体产生的强磁场电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大。02悬浮力来源车载低温超导磁体沿着轨道水平移动时，轨道侧壁上线圈内会产生感应电流，从而产生悬浮力。电动悬浮技术的优势与局限性

EDS悬浮力EDS悬浮系统利用超导磁体产生的强磁场电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100mm左右。磁场影响由于悬浮力为磁斥力，磁场发散，磁场对人体与环境会有影响，需用液氦冷却系统，冷却系统重，技术复杂，造价偏高。悬浮能耗由于涡流效应，其悬浮能耗较常导技术大，要求列车达到一定初始速度(100km/h)才能实现悬浮。高温超导磁悬浮HTSMaglev高温超导磁悬浮技术的原理与特性高温超导体具有强钉扎能力，使得磁力线难以逃离或渗透进入超导体内。钉扎特性超导电流悬浮导向力液氮温区超导性能钉扎特性使得超导体能感应出超导强电流，与外磁场相互作用产生悬浮和导向力。超导电流与外磁场的电磁相互作用能产生与悬浮体自身重力相平衡的悬浮力和横向稳定所需的导向力。高温超导体在液氮温区表现出良好的超导性能，简化了低温制冷系统。高温超导磁悬浮技术的应用与组成123车载超导体采用熔融织构法制备的圆柱形或方形高温超导体YBaCuO块材。车载超导块材轨道由NdIFcB永磁体和聚磁铁轭等按一定的结构组装而成，形成地面永磁轨道系统。地面永磁轨道直线驱动由感应或同步直线电机完成，提供车辆前进的动力，并确保行驶的稳定性。直线驱动系统高温超导磁悬浮车的性能与优势悬浮高度环保与能耗磁场与辐射未来交通工具高温超导磁悬浮车的悬浮高度为10～30mm，车体质量轻，基建成本低。磁轨道所产生的磁场为静磁场，低于国际非电离辐射防护委员会1CNIRP推荐的暴露标准。冷却所需的氮气来自空气，排放又回到空气，不会造成环境污染；运行能耗低。高温超导磁悬浮列车被认为是一种新型、高效、节能、环保、安全、舒适的未来轨道交通工具。高温超导磁悬浮列车的影响与前景环境友好运行能耗低磁场辐射低未来交通工具01020304高温超导磁悬浮列车采用绿色冷却方式，不会造成环境污染。高温超导磁悬浮列车的运行能耗仅为飞机的1/20，具有较高的能源利用效率。高温超导磁悬浮列车的磁场辐射低于国际非电离辐射防护委员会推荐的暴露标准。高温超导磁悬浮列车是一种新型、高效、节能、环保、安全、舒适的未来轨道交通工具。谢谢观看项目一轨道交通发展史直线电机在磁悬浮列车中的应用与突破磁悬浮列车的牵引技术01直线电机的基本结构02直线电机的工作原理CONTENTS03直线电机对于磁悬浮列车的牵引推动作用直线电机的基本结构直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需任何中间转换机构的传动装置。直线电机直线电机是20世纪下半叶电工领域中产生的具有新原理、新理论的新技术。新技术直线电机概述扁平形直线电机的结构可以根据需要制成扁平形、圆筒形或盘形等各种形式，采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。圆筒形扁平形直线电动机可以看作是旋转电动机在结构方面的演变，将旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。盘形演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，为了保持耦合不变，实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。直线电机的结构形式图中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，由于在运行时初级与次级之间要作相对运动，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。直线电机为了保证在所需的行程范围内，初级与次级之间的耦合能保持不变，因此实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度。初级与次级直线电机演变过程初级与次级长度的关系直线电机演变直线电机是旋转电机在结构方面的演变，将旋转电机沿径向剖开，并将圆周展成直线，得到最原始的直线电机。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，由转子演变而来的一侧称为次级或副边。图中演变而来的直线电机，其初级和次级长度是相等的，需保证在所需行程范围内，初级与次级之间的耦合保持不变。实际应用时，将初级与次级制造成不同的长度，以降低成本并确保运行稳定。短初级长次级和长初级短次级是常见的制造方式。由于短初级在制造成本和运行费用上低于短次级，因此目前除特殊场合外，一般均采用短初级。定子与转子制造成本推荐使用初级与次级长度单边型与双边型结构在直线电机制造时，仅在一边安放初级，这种结构形式称为单边型直线电机。单边型直线电机单边型电机特点法向吸力作用双边型直线电机单边型直线电机一个最大特点是在初级与次级之间存在着一个很大的法向吸力。法向吸力在钢次级时为推力的10倍左右，在大多数的场合下，这种法向吸力是不希望存在的。如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向吸力可以相互抵消，这种结构形式称为双边型。圆筒形直线电机圆筒形直线电机是由旋转电机演变过来的，其演变的过程如图所示。圆筒形电机演变a表示一台旋转式电机以及定子绕组所构成的磁场极性分布情况。旋转电机磁场b表示转变为扁平形直线电机后，初级绕组所构成的磁场极性分布情况。扁平形电机磁场将扁平形直线电机沿着和直线运动相垂直的方向卷接成筒形，这样就构成c所示的圆筒型直线电机。圆筒形电机构成圆盘形直线电机圆盘形直线电机次级圆盘形直线电机将次级做成一片圆盘，初级放在次级圆盘靠近外缘的平面上，盘形直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面的。圆盘形直线电机运动圆盘形直线电机的运动实际上是一个圆周运动，然而由于它的运行原理和设计方法与扁平形直线电机结构相似，故仍归入直线电机的范畴。直线电机的工作原理直线电机的基本工作原理直线电机的结构直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，而不需任何中间转换机构。演变而来的直线电机直线电机的结构可根据需要制成扁平形、圆筒形或盘形等，采用交流、直流或脉冲电源进行工作。旋转电机与直线电机的关系直线电机是旋转电机在结构方面的一种演变，可以看作是将一台旋转电机沿径向剖开。直线电机的应用直线电机在许多领域中有广泛的应用，如磁悬浮列车、精密机床、电磁泵等，以实现高效、精确的运动控制。次级为栅形次级假定次级为栅形次级，次级导条在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流。导条电流与气隙磁场所有导条的电流和气隙磁场相互作用便产生电磁推力，使次级顺着行波磁场运动的方向做直线运动。次级移动速度与转差率次级移动的速度用v表示，转差率用s表示，则s的大小在0与1之间，确保电动机正常运行。次级感应电流与电磁推力分析直线电机的应用与变化03悬浮电磁铁与磁铁相互作用利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。01直线电机应用广泛直线电机在许多领域中有广泛的应用，如磁悬浮列车、精密机床、电磁泵等。02磁悬浮列车模型常导高速磁悬浮列车模型采用“异性相吸”原理设计，是“常导磁吸型”简称“常导型”直线感应电动机磁悬浮列车。直线电机的应用与变化精确控制电磁铁电流直线感应电动机的初级绕组装在车厢底部，次级反应轨由铝钢复合板制成，固定在路基上。悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样，交流电在线圈中流动，使其变成电磁体，与列车上的电磁体相互作用，推动列车前进。列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。驱动和同步直线电动机原理列车头部的电磁体N极线圈里流动的电流方向直线电机对于磁悬浮列车的牵引推动作用磁悬浮列车模型介绍悬浮电磁铁与磁铁列车采用悬浮电磁铁和轨道上磁铁相互作用，使车辆浮起来，实现磁悬浮效果。磁悬浮列车模型常导高速磁悬浮列车模型采用“异性相吸”原理设计，是“常导磁吸型”（简称“常导型”）直线感应电动机磁悬浮列车。直线感应电动机构成直线感应电动机的初级绕组装在车厢底部，次级反应轨由铝钢复合板制成，固定在路基上。列车悬浮轨道运行通过控制电磁铁电流，使转向架和列车间吸引力与重力相互平衡，将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。电磁铁电流控制反应轨下面还装有电磁铁，从侧面与车厢连接，控制电磁铁电流使与轨道间保持1厘米间隙。悬浮电磁铁与磁铁相互作用电磁铁电流控制通过精确控制电磁铁的电流，可以调节电磁铁与轨道之间的间隙，保持列车的稳定悬浮。列车重力与吸引力平衡转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，使列车能够悬浮在轨道上运行。电磁铁与磁铁相互作用悬浮列车的悬浮电磁铁与轨道上的磁铁相互作用，产生吸力使车辆浮起来。直线感应电动机的构成123直线感应电动机的初级绕组装在车厢底部，次级反应轨由铝钢复合板制成，固定在路基上。直线感应电动机构成次级反应轨由铝钢复合板制成，这种材料具有较高的导电性和导热性，能够提高电动机的运行效率。铝钢复合板制作反应轨下面还装有电磁铁，从侧面与车厢连接，控制电磁铁电流使与轨道间保持1厘米间隙。电磁铁与轨道间隙电磁铁电流控制电磁铁电流控制精确控制电磁铁的电流是确保列车悬浮和驱动的关键，电流过大或过小都可能影响列车的稳定性和安全性。电磁铁与轨道间隙电磁铁与轨道之间保持1厘米的间隙，确保列车悬浮运行，间隙过大或过小都可能导致列车与轨道接触。列车重力与吸引力转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，确保列车稳定悬浮，磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右。精确控制电流控制电磁铁电流需精确，过高或过低都可能影响列车稳定性和安全性，确保列车悬浮和驱动的关键。01020304驱动与同步直线电动机原理

直线电动机驱动悬浮列车采用直线电动机驱动，原理与同步直线电动机相同，交流电在线圈中流动，产生电磁力，推动列车前进。电磁体相互作用列车头部的电磁体N极被轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥，同时被靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引。电流方向反转列车前进时，线圈中流动的电流方向会反转，原来的S极变成N极，N极变成S极，循环交替，使列车向前奔驰。导向系统控制导向系统采用“常导型磁吸式”，在列车侧面安装用于导向的电磁铁，与导向轨侧面相互作用，产生排斥力。恢复正常位置列车发生左右偏移时，导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。控制运行目的列车运行在曲线或坡道上时，控制系统通过控制导向磁铁中的电流，达到控制运行目的。导向系统控制稳定性谢谢观看项目一轨道交通发展史日本技术引领全球革新超导磁悬浮技术01超导磁悬浮技术的应用02日本超导磁悬浮技术CONTENTS超导磁悬浮技术的应用超导磁浮原理将一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘的排斥力，磁铁悬浮在超导盘的上方。磁铁与超导盘超导悬浮在工程技术中可以被大大利用，超导悬浮列车就是一例。超导悬浮列车使列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多。悬浮列车的作用沿轨道“飞行”的速度可达500km/h，远远高于传统列车。悬浮列车的速度超导磁浮优点超导磁浮应用利用超导磁体实现磁浮具有质量轻、耗电少的特点，适用于高铁等交通工具。低温系统优点利用超导磁体实现磁浮在低温系统方面具有低能耗、客运和货运的优势。推进效率高利用超导磁体实现磁浮可同时实现悬浮、导向和推进，提高推进直线同步电机效率。悬浮间隙大利用超导磁体实现磁浮具有悬浮间隙大，一般可大于100mm的特点。速度高利用超导磁体实现磁浮具有速度高，可达到500km/h以上的优势。日本超导磁悬浮技术超导磁铁材料日本超导磁浮列车上使用的超导绕组采用铌钛合金制造，在-269℃的温度下呈现超导状态。超导线圈超导线圈放置在低温容器内，上部为液氦冷冻机，每个容器需要100L液氦，每年液氦消耗量为百分之几。磁场极性一个超导磁铁共产生4个N、S极交叉排列的磁场极性，为了提高超导磁铁的热效率，还在绕组外面设置了防热辐射板。超导磁铁驱动原理常规电力机车通过受电弓从接触网接受电力，传送给设在转向架上的传统旋转电机，以驱动列车行驶。电力机车牵引方式日本ML超导磁浮列车采用长定子直线电机驱动，而德国TR磁浮系统和日本航空的HSST磁浮系统的驱动力均设在车辆的底部。ML超导磁浮列车驱动方式超高速磁浮铁路采用地面推进绕组相互串联的分区设计，只在车辆通过该分区时绕组才接通电流，以达到节约能源的目的。节能措施日本超导磁浮车辆通过安装超导磁铁，利用前方地面磁场与车辆超导磁场的极性相反而产生吸力，实现车辆向前运动。车辆推进原理悬浮系统电磁悬浮原理磁浮铁路利用电磁悬浮、电动悬浮的原理将列车悬浮在导轨上方，从而消除了轮轨接触所引起的摩擦、振动等不利因素。日本超高速磁浮列车的侧壁悬浮原理是，当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮绕组中产生感应电流和感应磁场。控制每组悬浮组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同而产生斥力，使得车辆悬浮起来。由于导轨产生的悬浮磁场为感应磁场，列车运行速度越高，则悬浮力越大。当列车运行速度低于120km/h时，超导磁浮车辆依靠安装在转向架底部的车轮支承行驶。侧壁悬浮原理悬浮磁场与速度关系运行速度与悬浮力关系导向原理导向定义导向是指在横断面上保证车辆的中心不偏离轨道中心，传统轮轨接触型铁路，列车的导向是通过轮缘与钢轨的相互作用实现的。磁