磁悬浮解析

直线电机是从旋转电机演变而来的。它的基 本构成和作用原理与普通旋转电机类似，就如同 将旋转电机沿半径方向切开展平而成。于是，其 传动方式也就由旋转运动变为直线运动。
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。
6-3 磁悬浮
传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之 间的粘着力使列车前进的。它的粘着系数随列车速 度增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增 加，当车速增至粘着系数曲线和走的行阻力曲线的 交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮 轨列车最大时速为350-400公里左右。如果考虑到 噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不 可能达到最大时速。所以，欧洲、日本现在正运行 的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步 提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列 车－－磁悬浮列车。
常导磁吸式的导向系统，是在车辆侧面安装一
组专门用于导向的电磁铁。当车辆运行发生左右偏 移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用， 产生一种排斥力，使车辆恢复到正常位置，和导轨 侧面之间保持一定的间隙。当车辆的运行状态发生 变化时，例如运行在曲线或坡道上时，控制系统通 过对导向磁铁中的电流进行控制，来保持这一侧向 间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。
超导磁斥式的导向系统，一般采用以下方式：
（1）、在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。 这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之 与导轨侧面相互作用（滚动摩擦）以产生复原力， 这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡， 从而使列车沿导轨中心线运行。
（2）、在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之 与导轨侧向的地面线圈或金属带产生磁斥力，该力 与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运 行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制 侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一 定的侧向间隙。
超导技术相当复杂，并需屏蔽发散的强磁场。这种车以日 本山梨线的ＭＬＸ型车为代表
德国：常规磁铁吸引式悬浮系统
日本：排斥式悬浮系统
2、磁悬浮列车的推进与制动原理
磁悬浮列车由于悬浮起一定的高度，使车轮 与导轨脱离，故不能依靠它们之间的摩擦力产生 牵引力使车辆前进，而是采用一种叫做直线电机 的推进装置作为列车的牵引动力。
由于车体内装有处于低温下的强大超导磁体，导向轨导体
中的磁通随着车辆的向前运动而改变，从而感应出强大的电流。 由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而磁场 强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆 浮起100-150mm，并能使列车运行保持平稳。当车辆向下位 移时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小，电流增大，使浮力增 加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮高度。这个间隙与速度的 大小有关，一般起始升举速度为50km/h。低于这个速度，即 列车在低速运行或停车启动时，悬浮力大大减弱以至消失。因 此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相 应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地运行。控制系统应能实 现启动和停车的精确控制。
直线同步电机与异步电机相比，电动机的功率因数提高了。又由于许多设备移到 地面上，线路上的设备和造价增加了，但车辆设计可大大简化，故在超导磁悬浮 铁路上均采用直线同步电机。
同推进原理相同，当列车需要减速时，就在
相当于定子的悬浮电磁铁中通入反相交变电流这 样产生的与列车行进方向相反磁场就会给列车一 制动力，使得列车减速。此时加速与减速所用时 间相等。
（2）超导磁斥式（ ELECTRO DYNAMIC SUSPENSION，简称 EDS型）
在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽
内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时， 给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上 线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。 感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相 反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时， 车辆浮起。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的 超导磁体，与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运 动来产生悬浮力，将车体抬起的。
• 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。
轨道里面的长定子线性发动机是分为一段一段的，所以 它们当中只要有列车所在的一段被供电。 配电分站之间的 距离及其装机功率视不同驱动要求而定。在需要巨大推力 的路段（如上坡、加速度或者制动阶段），分站的设计装 机功率比匀速行驶的平缓路段更大。因为驱动装置的初级 驱动部分被安装在轨道里，所以磁悬浮列车就不必象其它 交通工具那样总是携带着最大荷载所需的全部电动机功率。 支撑和导向系统是无接触地通过安装在支撑磁铁里的线性 发电机供电的。磁悬浮列车不需要架空线。在电源中断的 情况下有车上的蓄电池供电，这些蓄电池在运行过程中通 过线性发电机供电。
Hale Waihona Puke 直线电机既然是从旋转电机演变而来，自然也有着直线同步电机和直线异步电机 之分。
常导磁吸式磁悬浮铁路，一般均采用直线异步电机。在磁悬浮列车上安装三相电 枢绕组，在轨道上安置垂直的铝制感应轨。这种方式结构比较简单，容易维护， 造价低，投入实用时间短，适用于中低速运输系统；主要缺点是功率偏低，不利 于高速运行。
1、磁悬浮列车的悬浮原理
根据磁悬浮列车上电磁铁的使用方式，磁悬浮铁路的基本制 式可分为两大类，即：常导磁吸式（EMS型）和超导磁斥式 （EDS型）。
（1）常导磁吸式（ ELECTRO MAGNETIC SUSPENSION，简称EMS型）
利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮
电磁铁）和铺设在线路导向轨上的磁铁，在磁场的作 用下产生吸引力使车辆浮起，车辆和轨面之间的间隙 与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性 和列车运行的平稳性以及使直线电机有较高的功率， 必须精确地控制电磁铁中的电流，才能使磁场保持稳 定的强度和悬浮力，使车体与导向轨之间保持1015mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来 进行系统的反馈控制。此种悬浮方式不需设置专用的 着地支撑装置和辅助的着地轮，对控制系统的要求也 可以稍低一些。这种车以德国的ＴＲ型磁悬浮列车为 代表。
• 2006年，德国磁悬浮控制列车在试运行途中与一 辆维修车相撞，报道称车上共29人，当场死亡23 人，实际死亡25人，4人重伤。这说明磁悬浮列 车突然情况下的制动能力不可靠，不如轮轨列车。
在陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。要克 服很大的惯性，只有通过轮子与轨道的制动力来 克服。磁悬浮列车没有轮子，如果突然停电，靠 滑动摩擦是很危险的。
• 此外，磁悬浮列车又是高架的，发生事故时在5米 高处救援很困难，没有轮子，拖出事故现场困难； 若区间停电，其他车辆、吊机也很难靠近。
三、磁悬浮发展历程
• 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，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。
二、磁悬浮特点
（一）优点
1、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。 2、加速快。磁悬浮列车启动后39秒内即可达到最高速度。 3、磁悬浮列车能耗低 。高速运行情况下，列车处于悬浮状态， 没有摩擦，其能耗仅为汽车的一半，飞机的四分之一。 4、爬坡能力强，只要加大电压，使产生足够大悬浮力。 5、采用采用高架方式，占用的耕地很少。 6、列车车厢悬浮，无噪声污染。 7、磁悬浮列车由于没有钢轨、车轮、接触导线等摩擦部件， 可以省去大量的维修工作和维修费用。
随着超导技术的发展，直线同步电机被提高到了应用日程。在超导磁斥式磁悬浮 铁路上多采用直线同步电机。处于超导状态下的导体一旦有电流通过，理论上即 可保持永久通电状态，无须再继续供电。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿 线设置无源闭路线圈或非磁性金属板。当磁悬浮列车上的超导电磁体通过地面闭 路线圈或非磁性金属板时，由于电磁感应而出现的两者之间的排斥力使车体浮起。 同时作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用，为直线同步电机的激磁线圈处于超导 状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统中，或者同一线圈同时起 到悬浮、导向和推进的作用。
一、磁悬浮基本原理
磁悬浮铁路是一种新型的交通运输系统， 在磁悬浮铁路上运行的列车，是利用电磁系统 产生的吸引力或排斥力将车辆托起，使整个列 车悬浮在导轨上，并利用电磁力进行导向、利 用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列 车前进的。
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。尽管可以使用与磁力 无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中， 这三部分的功能均由磁力来完成。
另外，如不通入反向电流而仅停止供电，一 样能得到减速刹车的效果，只是加速度较小。
3、磁悬浮列车导向原理
导向系统是一种来保证悬浮的机车能够沿着导 轨的方向运动的侧向力。
普通铁路列车的导向是靠车轮轮缘与钢轨之间的 相互作用实现的，而磁悬浮列车是利用电磁力的作 用进行导向的。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。必要的推力与悬浮力相类 似，也可以分为引力和斥力。