國防科技大學 劉博士
磁懸浮列車主要由懸浮系統、推進系統和導向系統三大部分組成,見圖3。儘管可以使用與磁力無關的推進系統,但在目前的絕大部分設計中,這 三部分的功能均由磁力來完成。下面分別對這三部分所採用的技術進行介紹
懸浮系統：目前懸浮系統的設計,可以分為兩個方向,分別是德國所採用的常導型和日本所採用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統(EMS)和電力懸浮系統(EDS)。圖4給出了兩種系統的結構差別。
電磁懸浮系統(EMS)是一種吸力懸浮系統,是結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互吸引產生懸浮。常導磁懸浮列車工作時,首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力,與地面軌道兩側的繞組發生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下,使車輪與軌道保持一定的側向距離,實現輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米,是透過一套高精度電子調整系統得以保證的。此外由於懸浮和導向實際上與列車執行速度無關,所以即使在停車狀態下列車仍然可以進入懸浮狀態。
電力懸浮系統(EDS)將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產生電流。由於機車和導軌的縫隙減少時電磁斥力會增大,從而產生的電磁斥力提供了穩定的機車的支撐和導向。然而機車必須安裝類似車輪一樣的裝置對機車在“起飛”和“著陸”時進行有效支撐,這是因為EDS在機車速度低於大約25英里/小時無法保證懸浮。EDS系統在低溫超導技術下得到了更大的發展。
超導磁懸浮列車的最主要特徵就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料製成的超導線圈構成,它不僅電流阻力為零,而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流,這種特性使其能夠製成體積小功率強大的電磁鐵。
超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體並構成感應動力整合裝置,而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側,車輛上的感應動力整合裝置由動力整合繞組、感應動力整合超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時,就會產生一個移動的電磁場,因而在列車導軌上產生磁波,這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力,正是這種推力推動列車前進。其原理就像衝浪運動一樣,衝浪者是站在波浪的頂峰並由波浪推動他快速前進的。與衝浪者所面對的難題相同,超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此,在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器,根據探測儀傳來的資訊調整三相交流電的供流方式,精確地控制電磁波形以使列車能良好地執行。
推進系統：磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈,地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用,它就像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道,當作為定子的電樞線圈有電時,由於電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣,當沿線佈置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時,由於電磁感應作用承載系統連同列車一起就像電機的"轉子"一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態下,列車可以完全實現非接觸的牽引和制動。
通俗的講就是,在位於軌道兩側的線圈裡流動的交流電,能將線圈變為電磁體。由於它與列車上的超導電磁體的相互作用,就使列車開動起來。列車前進是因為列車頭部的電磁體(N極)被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體(S極)所吸引,並且同時又被安裝在軌道上稍後一點的電磁體(N極)所排斥。當列車前進時,線上圈裡流動的電流流向就反轉過來了。其結果就是原來那個S極線圈,現在變為N極線圈了,反之亦然。這樣,列車由於電磁極性的轉換而得以持續向前賓士。根據車速,透過電能轉換器調整線上圈裡流動的交流電的頻率和電壓。
推進系統可以分為兩種。“長固定片”推進系統使用纏繞在導軌上的線性電動機作為高速磁懸浮列車的動力部分。由於高的導軌的花費而成本昂貴。而“短固定片”推進系統使用纏繞在被動的軌道上的線性感應電動機(LIM)。雖然短固定片系統減少了導軌的花費,但由於LIM過於沉重而減少了列成的有效負載能力,導致了比長固定片系統的高的運營成本和低的潛在收入。而採用非磁力性質的能量系統,也會導致機車重量的增加,降低運營效率。
導向系統：導向系統是一種測向力來保證懸浮的機車能夠沿著導軌的方向運動。必要的推力與懸浮力相類似,也可以分為引力和斥力。在機車底板上的同一塊電磁鐵可以同時為導向系統和懸浮系統提供動力,也可以採用獨立的導向系統電磁鐵。
國防科技大學 劉博士
磁懸浮列車主要由懸浮系統、推進系統和導向系統三大部分組成,見圖3。儘管可以使用與磁力無關的推進系統,但在目前的絕大部分設計中,這 三部分的功能均由磁力來完成。下面分別對這三部分所採用的技術進行介紹
懸浮系統：目前懸浮系統的設計,可以分為兩個方向,分別是德國所採用的常導型和日本所採用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統(EMS)和電力懸浮系統(EDS)。圖4給出了兩種系統的結構差別。
電磁懸浮系統(EMS)是一種吸力懸浮系統,是結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互吸引產生懸浮。常導磁懸浮列車工作時,首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力,與地面軌道兩側的繞組發生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下,使車輪與軌道保持一定的側向距離,實現輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米,是透過一套高精度電子調整系統得以保證的。此外由於懸浮和導向實際上與列車執行速度無關,所以即使在停車狀態下列車仍然可以進入懸浮狀態。
電力懸浮系統(EDS)將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產生電流。由於機車和導軌的縫隙減少時電磁斥力會增大,從而產生的電磁斥力提供了穩定的機車的支撐和導向。然而機車必須安裝類似車輪一樣的裝置對機車在“起飛”和“著陸”時進行有效支撐,這是因為EDS在機車速度低於大約25英里/小時無法保證懸浮。EDS系統在低溫超導技術下得到了更大的發展。
超導磁懸浮列車的最主要特徵就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料製成的超導線圈構成,它不僅電流阻力為零,而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流,這種特性使其能夠製成體積小功率強大的電磁鐵。
超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體並構成感應動力整合裝置,而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側,車輛上的感應動力整合裝置由動力整合繞組、感應動力整合超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時,就會產生一個移動的電磁場,因而在列車導軌上產生磁波,這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力,正是這種推力推動列車前進。其原理就像衝浪運動一樣,衝浪者是站在波浪的頂峰並由波浪推動他快速前進的。與衝浪者所面對的難題相同,超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此,在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器,根據探測儀傳來的資訊調整三相交流電的供流方式,精確地控制電磁波形以使列車能良好地執行。
推進系統：磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈,地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用,它就像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道,當作為定子的電樞線圈有電時,由於電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣,當沿線佈置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時,由於電磁感應作用承載系統連同列車一起就像電機的"轉子"一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態下,列車可以完全實現非接觸的牽引和制動。
通俗的講就是,在位於軌道兩側的線圈裡流動的交流電,能將線圈變為電磁體。由於它與列車上的超導電磁體的相互作用,就使列車開動起來。列車前進是因為列車頭部的電磁體(N極)被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體(S極)所吸引,並且同時又被安裝在軌道上稍後一點的電磁體(N極)所排斥。當列車前進時,線上圈裡流動的電流流向就反轉過來了。其結果就是原來那個S極線圈,現在變為N極線圈了,反之亦然。這樣,列車由於電磁極性的轉換而得以持續向前賓士。根據車速,透過電能轉換器調整線上圈裡流動的交流電的頻率和電壓。
推進系統可以分為兩種。“長固定片”推進系統使用纏繞在導軌上的線性電動機作為高速磁懸浮列車的動力部分。由於高的導軌的花費而成本昂貴。而“短固定片”推進系統使用纏繞在被動的軌道上的線性感應電動機(LIM)。雖然短固定片系統減少了導軌的花費,但由於LIM過於沉重而減少了列成的有效負載能力,導致了比長固定片系統的高的運營成本和低的潛在收入。而採用非磁力性質的能量系統,也會導致機車重量的增加,降低運營效率。
導向系統：導向系統是一種測向力來保證懸浮的機車能夠沿著導軌的方向運動。必要的推力與懸浮力相類似,也可以分為引力和斥力。在機車底板上的同一塊電磁鐵可以同時為導向系統和懸浮系統提供動力,也可以採用獨立的導向系統電磁鐵。