《新型城市轨道交通》第六讲磁悬浮部分.docx

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《新型城市轨道交通》第六讲磁悬浮部分

新型城市轨道交通

主讲刘景军

上海工程技术大学城市轨道交通学院

新型城市轨道交通

:

新型城市轨道交通

第六讲磁悬浮交通

1、磁浮列车

2、磁浮技术发展的历史

3、日本常导型常速磁浮交通（HSST）

4、德国常导型高速磁悬浮（TR）

5、日本超导型高速磁悬浮（MLU）（MLX）

6、上海磁浮交通

什么是磁悬浮列车：

☐磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。

☐它的时速可达到500公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。

☐并且它采用高架方式，占用的耕地很少。

磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。

磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。

磁悬浮列车准确定义

•磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。

虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。

•根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。

•一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。

常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输；

•另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。

发展史

磁悬浮列车的发展史

•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。

•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，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

•而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。

下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。

•日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。

此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。

•1972年首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50公里。

•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公里，到1979年12月又进一步提高到517公里。

•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公里。

•为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。

•德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。

•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，试验时的最高时速达到400公里。

•后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。

•1978年，决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。

列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里，1984年又进一步增至400公里。

•目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。

•与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开始。

•但是，英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。

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。

旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟。

•令人遗憾的是，在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。

磁悬浮列车技术基础

•磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成

•悬浮系统：

目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。

从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。

图4给出了两种系统的结构差别。

•电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。

常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。

在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。

车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。

此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

•电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。

由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。

•然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。

EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。

超导磁悬浮列车

•超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。

超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁

•超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。

当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。

•在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。

推进系统

•磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。

•车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。

从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。

•同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的"转子"一样被推动做直线运动。

从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。

•通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。

由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。

列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。

当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。

其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。

这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。

根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

导向系统

•导向系统：

导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。

必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。

在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。

磁悬浮列车的优势

•首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。

•第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。

•还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。

•与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。

可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。

•目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营的建造阶段。

•第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400-500公里/小时，超导磁悬浮可达500-600公里/小时。

•对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。

各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。

•专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。

而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。

第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里／时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1／3。

•据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33％

普通轮轨系统的牵引原理

•铁路列车之所以能往前推进，主要是因钢轨与列车的钢轮间具有粘着力（或摩擦力），藉由牵引电机驱动轮轴产生向前的摩擦力牵引列车，克服阻力而前进；

普通轮轨系统牵引存在的问题

•列车速度越快，车轮与钢轨间的粘着力越小，列车加速所能造成的牵引力便越小，同时列车速度愈快，空气阻力愈大。

当列车速度到一定值时，牵引力等于阻力，列车的车轮便呈现空转现象，速度便无法再提高。

磁浮列车提出的依据

•根据前述空气阻力与附著摩擦力相互影响的物理特性，铁路工程界以数学模式推算的结果，认为传统的钢轮钢轨铁路列车的极限时速很难超过375公里（实际上这个临界速度已经被法国高速铁路试验所打破）。

因此认为要使列车速度再提高，不外乎减少列车前进的阻力，或不采用粘着力来驱动列车前进，亦即列车不与轨道或地面接触而放弃使用车轮，

磁浮列车需要解决的问题

•其一：

需要将车浮起来

•其二：

需要解决导向列车的力

•其三：

需要解决推动列车前进的牵引力

磁浮原理

电磁浮原理

电磁浮原理

1

电磁浮原理2

牵引力

•使用线性电机（直线电机）—LinearMoto

三相感应异步电机原理

※三相感应异步电机的原理在中学物理中已作过介绍：

※电机外壳是定子，线圈绕在外壳的矽钢片铁芯上，定子只有绕组。

※定子线圈通入三相交流电后，感应转子绕组线圈产生感应电动势，带动转子旋转。

三相感应电机

线性电机

※如果“想象”有一定直径R的电机，直径R扩大、扩大……直至无穷，则转子和定子均成为直线，两者之间的相对运动就由旋转运动变为直线相对运动。

线性电机

线性电机的转子和定子

•线性电机的定子是装有线圈绕组的，并需要接入三相交流电源。

转子则是由“感应板”组成。

定子结构复杂，转子简单。

•转子“感应板”和定子“绕组”分别装在车和轨道或轨道和车上。

定子装在车上必须要能接通交流电。

•高速磁浮列车无法使用架空线或第三轨向车上送电，采用了长定子的结构，把定子绕组安装在轨道全线。

车上装有定子感应板。

短定子线性电机车

长定子线性电机车

安装在轨道梁上的定子绕组原理图

长定子

装在车上的短定子绕组

装在轨道上的感应板转子

历史上第一次商业应用的磁浮列车线

•世界上首次运营的“Maglev”系统是英国伯明翰低速磁浮列车（1984-1995）。

英国伯明瀚Maglev系统是建于英国国铁BirminghamInternationalStation车站与新建完成的伯明瀚国际机场航站大厦之间，全长620m。

伯明瀚Maglev系统参数

•英国伯明瀚Maglev系统620m长的轨道系采用预制混凝土结构，距地面约5m高，柱距5m。

轨道梁断面采用T字形式。

线路中有两个曲线地段，曲线半径约50m，线路纵坡度约15‰。

Maglev的两股轨道间配置有安全走道（EmergencyWalkway），供紧急状况疏散乘客用。

英国的磁浮列车示意

伯明翰机场磁浮列车线

伯明翰机场磁浮列车

德国TR电磁悬浮列车结构

日本HSST型磁浮列车悬浮结构

日本磁浮列车导向原理

日本山梨县HSST磁浮试验线

日本山梨县HSST磁浮试验车

上海磁悬浮浦东机场线

上海磁浮列车及道岔

龙阳路车站

牵引力的产生

（一）应用背景

（二）磁悬浮系统类型

Ø电磁悬浮系统（ElectroMagneticSystem）:

依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.（左图）

Ø电力悬浮系统（ElectroDynamicSystem）:

将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.（右图）

（三）工作原理

磁悬浮列车大体可分为三个部分:

✓悬浮系统:

主要依靠轨道底部线圈和车载电磁铁之间产生电动斥力来实现.

✓导向系统:

主要依赖于轨道侧壁线圈和车载电磁铁相互作用来实现.

✓动力系统:

根据Maxwell电磁场动力学理论,采用直线电机作为动力系统,并借助于在运行过程中产生电磁推力来推动和维持列车运行.

1.悬浮系统

•Meissner效应:

当金属处在超导状态时,超导体表面产生感应电流,进而产生附加磁场与外部磁场抵消,内部的磁感应强度为零.此时附加场和外部场相作用产生的电磁斥力可以将超导体悬起.

•超导体的两个重要特性：

零电阻和抗磁性。

实际模型

◆在列车每节车厢两侧底侧,装载有6~8个超导磁体,并通过液氦作为冷却系统.

◆当列车起到或进站时,列车依靠车轮行驶,随着列车加速,导轨线圈通电,

根据Meissner效应,车与轨之间产生电动斥力,（数量级为103N/m2）从而实现悬浮.

2.悬浮系统

◆导向系统依靠轨道两侧的线圈,按照实际所需的横向倾角的大小,对线圈中的交变电流进行调节,进而提供所需的导向力.

◆假设转子受到扰动，偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将信号转换成控制电流，并在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。

因此，不论转子受到哪个方向的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

3.动力推进系统

•直观模拟:

轨道两侧装有线圈，交流电使线圈变为电磁体，它与列车上的磁铁相互作用。

列车行驶时,车头的磁铁（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引,同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥,使列车前进。

然后在线圈里流动的电流反向,其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。

　　这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。

直线电机

•直线同步电机:

其初级绕组沿轨道铺设,次级绕组安装在车体上,在初级绕组中通入三相交流电,气隙中产生平移磁场,该磁场切割次级导体,产生电磁感应,诱发磁场,该磁场与原有平移磁场方向相反,最终在路轨和车体间产生电磁推力.

性能比较

（一）

1.安全:

不会脱轨；

单向行驶，不会相撞。

性能比较

（二）

性能比较（三）

•磁悬浮列车的悬浮高度为10~100mm，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求要比普通列车高.

•磁悬浮列车的技术要求比普通列车要高得多.

•车载冷却系统重,且由于涡流效应,悬浮能耗较高.

•成本方面，维修保养以及能耗等费用较普通列车高。

•但总而之,由于其高效的运输能力和优越性能,磁悬浮列车还会有很大空间;而对于我们这样一个地域辽阔,经济高速发展,但交通系统基础相对薄弱的国家而言,磁悬浮列车的研究开发具有十分重要的意义.

TR磁浮系统基本技术

•承重－－电磁吸力悬浮

•导向－－电磁吸力导向

•驱动－－直线同步电机电磁力

•制动－－直线同步电机电磁力（正常）

　　　　　涡流制动（紧急）

•供电－－直线发电机

　供电轨（低速）

•位置速度检测－－齿槽计数＋定位标志

•移动通信－－38GHz无线电

•车厢及走行机构结构轻量化技术　　

车辆基本结构

车辆主要子系统

悬浮导向控制系统

涡流制动系统

定位测速系统

车辆电网

车辆控制系统

车辆诊断系统

车辆子系统（续）

车厢

夹层结构、连接箱

气路

10走行机构

11电磁铁（悬浮、导向、涡流制动）

TR磁浮列车的总体设计思想

•通过故障冗余设计保证安全性并提高系统可用性，任意零件失效不影响运行

•在线诊断系统支持维护工作

•设备空间布置和安装方式适合快速更换

•车体轻量化、降噪声、密闭

•电子设备的防电磁、防水密封和防振动

电磁铁模块

端车上的悬浮/导向电磁铁布置图

悬浮电磁铁控制器

悬浮架结构：

铝挤压型材＋铸件

ＴＲ磁浮交通技术与系统特点

•有轨的交通系统

•可控制的电磁悬浮和导向（EMS技术）

•长定子同步直线电机无接触的牵引和制动

•行驶中无接触地对列车提供车上所需电能

•最高应用速度400~500km/h

•加速能力比传统铁路更高

•选线比传统铁路灵活

•列车环抱着线路，脱轨的风险低于轮轨铁路

•在可比速度下,噪声低于汽车和传统轮轨铁路

德国发展磁浮的技术路线

•1969-1977年

‥电动悬浮（低温超导）+长定子驱动

‥电磁悬浮+短定子直线电机驱动

‥电磁悬浮+长定子直线电机驱动

•1977年综合评估，决定集中支持

电磁悬浮+长定子直线电机驱动系统

•1979-1987年建设31.5公里试验线

决策电磁悬浮+长定子直线驱动原因

Ø全部速度范围内，可实现无接触运行；

Ø同步电机牵引，效率较高；

Ø可达到高速运行；

Ø在较短研发周期内有可能投入应用。

德国发展高速磁浮的技术路线

（1）TR05及以前（1969-1979）

　　比选技术路线，决定建设工程试验线

（2）TR06磁浮车（1983-1989试验运行）

　建试验线，验证400km/h以上高速运行可行性

（3）TR07磁浮车（1989-1999试验运行）

　完成系统型式认证，安全、环境可接受性、可靠性及耐久性研究

（4）TR08磁浮车（1999-2006试验运行）

　批生产样车，略修改后应用于上海线

（5）TR09磁浮车（2008-?

试验运行）

　针对机场与市区连接的样车

德国推动商业应用的情况

•1991年11月宣布磁浮技术应用成熟，可纳入新的线路规划。

•1994年9月初步决定柏林-汉堡磁浮线，并启动系列生产样车（TR08）设计与制造。

•2000年元月决定放弃柏林-汉堡线。

同年启动慕尼黑磁浮项目的论证。

•2008年3月，决定放弃慕尼黑磁浮项目。

公开的原因：

项目经济性问题难以解决。

磁悬浮铁路在环境方面的优势

能源需求噪声占地面积

磁场气流对野生动物的影响

一、能源需求

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磁悬浮铁路与高速铁路的单位能耗对比如下图所示：

二、噪声

三、占地面积

•它依靠悬浮电磁铁与轨道产生的吸力使列车浮起，悬浮电磁铁与轨道之间保持一定的气隙而不与轨道接触，列车与轨道之间没有磨擦，列车的牵引依靠直线电机驱动。

•常导中低速磁悬浮列车运行速度一般在120公里左右，速度与轻轨、地铁车辆相当。

•具有振动噪音低、爬坡能力强、可以通过较小曲线等优点，是舒适、环保的轨道交通工具。

•因此，常导中低速磁悬浮列车特别适合在旅游景区、地形复杂地区、城市内部和城市之间短距离运行，是未来几年后城市轨道交通中重要的组成部分。

•常导中低速磁悬浮列车采用DC750V接触轨供电方式，电源系统有辅助供电、控制电源、悬浮供电和牵引供电系统。

每车装有四台转向架、八台直线电机和32只悬浮电磁铁，制动方式采用电制动和机械制动。

通讯采用WTB列车总线和MVB车辆总线。

车体采用铝合金与铝蜂窝铆焊混合超轻车体结构，全车各部件采用轻型、环保材料，侧窗采用通长窗带结构，内部装饰造型简洁明快、舒适美观。

车上装有空调、影音及广播系统。

车体采用流线型外形，具有强烈现代感、速度感和鲜明的色彩。

上海磁浮示范线运行状况

•2003年投入试运行

•2004年投入商业运行

•运行总里程：

559万公里

•载客：

1706万人次

•建设费用约为90亿元