大学物理论文磁悬浮列车

发布时间：2015-12-23 15:04:45 来源：文档文库

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德日高速磁悬浮列车

摘要：自德国工程师赫尔曼■肯佩尔提出了电磁悬浮原理，磁悬浮技术的研究就在国际范围内如火如荼的进行着。磁浮技术在交通方面的应用体现在高速磁悬浮列车的出现。现阶段超高速磁浮技术主要有以以日本为代表的超导超高速磁浮铁路MLX技术、德国常导超高速磁浮铁路TR技术。本文主要介绍这两种技术的技术特点，分析他们的能耗等各方面性质，并提出我国下阶段的磁浮研究方向。

关键词：MLX技术、TR技术、电磁吸引式悬浮、侧壁电动式悬浮

磁悬浮列车的概述

很早以前，人们就希望列车能与轨道脱离接触，以解除轮轨车辆的振动与磨损带来的烦恼。自20世纪初德国工程师赫尔曼•肯佩尔提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利以来，人类一直在探索将这一原理应用到地面轨道交通的途径。1970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进行磁悬浮运输系统的开发。

由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，故其几乎没有轮、轨之间的摩擦。磁悬浮列车有其不可替代的优势：运行速度快，能超过500千米/小时，运行平稳、舒适，易于实现自动控制；它以电为动力，不排出有害的废气，有利于环境保护；可靠性大、维修简便、成本低，可节省建设经费，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪音小，当磁悬浮列车时速达 300公里以上时，噪声只有65分贝，是一种名副其实的绿色交通工具。

正因为磁浮列车在交通方面有着如此的优势，国际上有关磁悬浮列车的研究正如火如荼地进行着。20世纪末，经过多个国家长期的试验研究逐渐形成以日本为代表的超导超高速磁浮铁路MLX技术、德国常导超高速磁浮铁路TR技术以及日本主要用于中短途客运的中低速地面运输系统HSST技术。下面主要介绍以德日为代表的两种高速磁浮铁路技术。

日本德国超高速磁浮铁路的比较

目如日本超导超局速磁浮铁路MLX技术和德国常导超局速磁浮铁路TR技术是超高速磁浮铁路领域最具代表性的技术。二者有他们独特的技术特点，在某些方面都有其较高的造诣。

1、超导原理比较[1]

•日本MLX技术

日本超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起。其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。同时，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，就能精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。

•德国TR技术

德国常导型列车也称常导磁吸型，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象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，它就象同步直线电动机的长定子绕组。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。

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。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。

2、主要技术特点比较日本MLX技术和德国TR技术的主要技术特点如表1[2]所示:

项目悬浮方式悬浮气隙悬浮控制低速时悬浮状态悬浮、导向控制电磁铁的安全冗余线路荷载分布最高试验速度最高运营速度车内磁力线泄露技术难点

德国TR系统电磁吸引式悬浮 8-10mm 不稳定悬浮需闭环控制

常导电磁铁有安全冗余连续分散 501km/h 430km/h

几乎没有，对人体无碍精确悬浮控制技术

日本MLX系统侧壁电动式悬浮 100mm以上稳定

车轮支承和导向

不需控制，具有自稳定性超导电磁铁无安全冗余相对集中 581km/h 500km/h

相对较强，但对生物无害低温（或高温）超导制冷

技术

由表可得出日、德技术层面的优劣，此处就不再赘述。 3、悬浮特性比较

日本MLX技术和德国TR技术的最大不同在于悬浮原理不同。 •日本MLX技术

日本采用斥力型电动悬浮H)S[3]。电动悬浮依靠车辆上的磁体在运动时切割导轨上导体磁力线产生感应电流，该电流产生的磁力线

必然与产生他的磁力线相反，形成斥力。磁浮车辆与导轨间有磁场稱合在运动时会产生磁阻力。而斥力型磁浮的磁阻力在低速时大，在高速是随着速度增高而下降。因此斥力型磁浮铁路更适用大城市间长距离高速运输。 •德国TR技术

德国TR型磁浮的垂向悬浮力是由线路上的直线同步电机铁心与车辆上直线同步电机的磁极间形成电磁吸力产生的，与斥力型磁浮列车相同，吸力型磁浮列车也会形成磁阻力。[3]而德国TR驱动力与垂直悬浮力两个系统合二为一，这是德国TR磁浮铁路优势所在。 4、能耗和造价经济分析

MLX车辆通过超导线圈同时实现悬浮、驱动和导向三种功能，只需很小的供电电流，所以耗电量很小。其耗电量主要用于地面定子绕组和维持液氦的超低温制冷用电。而TR车辆除了在驱动方面消耗电能之外，由于车辆在停站和低速行驶过程中始终处于悬浮状态，故与 MLX系统相比，TR系统增加了在悬浮和导向方面的能耗。

对悬浮列车的造价方面，有数据显示，德国慕尼黑机场线造价单价4.73亿元/km，而日本中央磁浮新干线造价单价12. 8-15. 3亿元/km，可见德国技术的磁浮铁路的造价指标比日本磁浮铁路的造价要低。由德日赐磁浮技术看中国磁浮发展国际上对磁悬浮列车的研究已逐步趋向成熟，我国对磁浮技术的研究也在火热进行。国防科技大学、西南交通大学和北京交通大学已着手研究磁浮方面的技术，并于1986年研制出我国第一辆可载人磁悬浮列车。

对国际上德日为代表的超高速磁浮列车技术，他们各有各的优势和技术不足。参考两种磁浮技术，德国MLX系统在造价能耗方面占有优势，虽然在控制技术方面不如日本的TR系统，但在我国现有国情下，我认为德国MLX系统更适合我国的铁路交通系统，尤其对替代长距离城市间的铁路运输尤其发展点。因此对MLX系统，我国下一阶段的研究方向应着重于对磁浮列车精确控制及导向的技术研究。