浙江大学高速磁悬浮列车思考题

0.磁悬浮技术与高速轮轨技术相比优势何在？

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。轮轨高速的最高运营速度一般认为不宜超过４００公里／小时。磁悬浮的高速度使其在１０００至１５００公里的距离范围可与航空竞争。

能耗低　据德国资料，在３００公里／小时的速度下，磁悬浮比ＩＣＥ３高速轮轨能耗少２８％。

维修少　磁悬浮列车属于无磨损运行，要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展，器件可靠性将不断提高。

无污染　采用电力驱动，无需燃油，无有害气体排放。此外还有噪音小（在速度较低时极明显）、乘坐舒适、爬坡能力强、通过的曲线半径小、加速减速快等优点。

1.TR05、06、07、08有什么不同，各有什么进步？解决了什么问题？

1979年, 世界第一列准许载客的长定子动力装置磁悬浮列车TR05在汉堡国际运输展览会运行。在为期三周的展览会中,TR05客超过50000人。

1980年, 在Emsland的Transrapid测试中心开始建筑导轨和TR06试验车。该车有2节, 长54m, 重102t , 有192个座位, 利用电磁悬浮和制导系统,动力装置使用同步长定子线性感应电机, 设计速度为400km/h。1988年1月, TR06创下载人时速为412.6km/h的记录。

1987年,TVE建成了耗资7.8亿马克,可以在与实际应用相似的条件下, 用于长期运行的有两个环、总长31.5km 的闭合轨道;并开始研究设计目标最高速度为500km/h的应用车TR07 。TR07由两节构成,总长51m ; , 车重92t, 利用电磁悬浮和导向系统, 使用同步长定子线性感应电动机作动力装置, 额定气隙10mm;, 运行速度在300-500km/h。1993年6月10日, 在普通的运行条件下,TR07在TVE创下了速度达450km/h的新世界记录。

1997年4 月, 在汉诺威博览会上展出了transrapid的最新产品—设计速度为550km/h、有6节客车的.TR08, 它就是将在柏林一汉堡的路线上运行的磁悬浮列车原型。它比.TR07更轻, 更符合空气动力学, 噪声更小, 更经济。

2。在气温不同的长大干线上，如果车辆过长会遇到什么问题？如何解决？利用电机学中学过的方法加以分析

3。直线电机与旋转电机有何异同？分析与计算难点何在？如何解决？旋转电机工作原理：

通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，从而产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此，转子的转速一定是小于同步速的，也因此叫做异步电机。而同步电机转子本身产生固定方向的磁场，定子旋转磁场“拖着”转子磁场转动,因此转子的转速一定等于同步速，也因此叫做同步电机。

直线电机工作原理：

直线电机的原理并不复杂．设想把一台旋转运动的感应电动机沿着半径的方向剖开，并且展平，这就成了一台直线感应电动机。在直线电机中，相当于旋转电机定子的，叫初级；相当于旋转电机转子的，叫次级。初级中通以交流，次级就在电磁力的作用下沿着初级做直线运动。这时初级要做得很长，延伸到运动所需要达到的位置，而次级则不需要那么长。实际上，直线电机既可以把初级做得很长，也可以把次级做得很长；既可以初级固定、次级移动，也可以次级固定、初级移动。

虽然直线电机的基本工作原理与旋转电机相似，但是直线电机由于铁芯的开断形成了两个边端，因此存在着与旋转电机不同的地方，由于铁芯在磁场移动的方向上是开断的，长度也是有限的，它不像旋转电机那样有闭合的圆环状态，在旋转电机中，旋转磁场始终在这闭合的环形气隙中运动。而在直线电机中，对移动磁场而言，存在一个“入口端”和一个“出口端”。初级绕组的不连续造成各相绕组所处磁场有差异，因而各相绕组的阻抗也不对称。此外在扁平型直线电机中，当电磁电隙与初级铁芯宽度的比值较大，而次级宽度又等于初级铁芯宽度时，又会引起横向边缘处磁场的削弱，同时一般扁平型直线电机的次级均用整块导体板制成，因此在次级导体板中所感应的电流是涡流，它不仅有横向的分量，还存在着纵向的分量。以上这些因素均为引起直线电机气隙中移动磁场的畸变，造成电机的出力减小和损耗增加。

4。德国TR磁悬浮铁路和日本的HSST磁悬浮铁路牵引电机的主要区别是什么？

德国TR采用同步的带轭铁的长定子直线电动机，三相交流（15Kv、1200A、250Hz）；日本MLU采用同步的不用轭轨的长定子直线电动机，三相交流（22Kv、1000A、56Hz）。

德国常导磁悬浮TR系统采用了长定子直线同步电机（LSM）驱动，悬浮和导向采用电磁悬浮EMS原理，利用在车体底部的可控悬浮电磁铁和安装在导轨底面的铁磁反应轨(定子部件)之间的吸引力使列车浮起，导向磁铁从侧面使车辆与轨道保持一定的侧向距离，保持运行轨迹。高度

可靠的电磁控制系统保证列车与轨道之间的平均悬浮间隙保持在

10mm，两边横向气隙均为8～10mm。

日本超导磁悬浮MLX系统采用了长定子直线同步电机（LSM）驱动。在导轨侧壁安装有悬浮及导向绕组。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，控制每组悬浮绕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产生斥力，使得车辆悬浮起来，悬浮高度为100mm。如果车辆在平面上远离了导轨的中心位置，系统会自动在导轨每侧的悬浮绕组中产生磁场，并且使得偏离侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸引力，靠近侧的地面磁场与车体磁场产生排斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置。

5。目前世界上主要有哪几种类型的磁悬浮铁路系统？其各自的主要技术特点是什么？

磁悬浮列车从悬浮机理上可分为：电磁悬浮（EMS) 和电动悬浮(EDS)。

电磁悬浮(EMS)也称为磁吸式悬浮

1. 一般采用“T”形导轨，车辆环抱导轨运行

2. 导轨上的驱动、悬浮绕组安装在导轨侧翼底部，车辆上的驱

动、悬浮绕组安装在车辆下翼的上缘，通过电磁作用将列车

向上吸起悬浮于轨道上

3. 磁铁和铁磁轨道之间的悬浮气隙一般约为8-12mm

4. 通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙

5. 德国的TR系统及日本的HSST系统均采用这种悬浮方式

6. 这种悬浮方式由于采用磁铁异性相吸的原理，磁场在直线电

机的初级、次级线圈之间基本上可以形成闭合回路，磁场向

外界扩散较少，电磁污染程度很低，磁场对人的影响可以忽

略不计

电动悬浮(EDS)也称为磁斥式磁悬浮

1. 当列车运动时，地面绕组产生的磁场与车辆绕组产生的磁场

同性相斥将车辆悬浮起来

2. 电动悬浮的悬浮高度一般约为100-150mm

3. 与电磁悬浮相比，电动悬浮系统在静止时不能悬浮，必须达

到一定的运行速度（120-150km/h）后才能起浮

4. 电动悬浮系统在应用速度下，悬浮间隙较大，不需要进行主

动控制

5. 电动悬浮可以采用“⊥”形、“一”形、“U”形导轨

6. EDS采用磁铁同性相斥的原理，初、次极线圈所产生的磁场在

直线电机内部不能闭合，故其电磁污染比磁吸式磁悬浮要大

许多

6。德国Transrapid系统主要由哪几部分组成？其各自的主要功能是什么？

磁悬浮列车大体可分为三个部分:

a.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。

b.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。

c.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

7。上海磁悬浮交通示范线的基本技术参数及其特点。

上海磁悬浮列车设计时速431公里/小时，实际时速约380公里/小时，转弯处半径达8000米，上海磁悬浮列车肉眼观察几乎是一条直线，最小的半径也达1300米。乘客不会有不适感。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。磁悬浮列车的车窗是减速玻璃，乘客可以更好的观赏窗外的风景。减速玻璃在与车体接触的边缘处有弧度变形，正因为这个弧度可以使车外景物在透过弧度时发生变形，从而影响车内乘客的视觉，产生减速的效果。并且在挡风玻璃边缘都有渐淡的点状黑色装饰边，同样也起到一定效果。

上海磁悬浮列车是世界上第一段投入商业运行的高速磁悬浮列车，设计最高运行速度为每小时430公里，仅次于飞机的飞行时速。

磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧上海磁悬浮列车也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车头的电磁体（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——结果是

一“推”一“拉”。磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为1—10cm），因此运行安全、平稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。磁悬浮列车的使用寿命可达35年，而普通轮轨列车只有20—25年。

磁悬浮列车路轨的寿命是80年，普通路轨只有60年。此外，磁悬浮列车启动后39秒内即达到最高速度。目前的最高时速是日本磁浮火车在2003年达到的581公里/小时。据德国科学家预测，到2014年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达1000公里。而目前中国的轮轨列车运营速度最高时速为486公里（法国 TGV 电气火车最高时速在2007年的测试中达到过574.8公里/小时）。

8。为什么说磁悬浮铁路是有利于环境保护的有轨交通系统？

磁悬浮高速铁路符合经济性和生态保护的要求，因为其新的技术构思使其投入不仅具有经济性，而且与环境具有较好的相容性。与其它交通系统相比，磁悬浮高速铁路环境方面具有以下特点:

（1）由于采用无接触技术，没有滚动和牵引噪声

（2）不依赖于天然能源，如石油

（3）不排放废气和其它有害物质，无橡胶磨损碎末，不会因换道碴而产生碎石粉末

（4）线路（高架或地面低置）占地少

（5）不妨害野生动物、两栖动物、微生物的通道

（6）不必沿线路留出绝对无植被的路带

（7）大大避免路堤和路堑，因而避免对风景地貌的破坏

（8）由于线路采用架空型式，且可以使用较大的坡度和较小的转弯半径，使磁悬浮高速铁路具有良好的适应地势的能力

（9）对地质结构和水文地质状况影响小（与公路和传统铁路相比）此外，由于使用汽车和飞机的旅客往这一新的交通系统转移，将减少有害物质及噪声的产生，降低用于公路和航空交通的能耗（石油）。9。简要分析，为什么TR磁悬浮铁路在相同运行速度下，转弯半径可以比传统的轮轨铁路小？

列车在曲线上的允许通过速度主要取决于由舒适度决定的未平衡离心加速度的限值，欧美国家一般规定不超过0．1g(约1m／s2)。若要提高曲线的通过速度，就要设置大的外轨超高来平衡离心加速度，超高越大，允许的通过速度越高。

轮轨高速铁路最大超高一般不大于200mm(约相当于80)，而德国常导磁悬浮允许的最大曲线超高为120，这样以同样速度通过曲线时，磁悬浮可以把曲线半径做得更小。

10。为什么说磁悬浮铁路比传统铁路更安全，更舒适？

根据分析已确认: TR磁悬浮高速列车系统是目前世界范围内最安全的

交通系统，其原因如下:

（1）列车环抱着线路，因而脱轨是绝对不可能的。

（2）由于采用线路侧同步直线电机驱动，线路分段供电，在同一供电线路段内，只可能有一列列车，列车对撞或追尾相撞都是绝对不可能的。

（3）车体防火严格按民航飞机的标准，车体采用阻燃材料。电气线路中采用不含卤族元素的电线，在车箱底板下设置防火报警器。即使意外着火，舱壁、车厢门及电气线路耐火至少30 min，着火的车厢中的乘客可疏散到相邻的车厢。列车可以保持悬浮达到就近的停车点疏散乘客并实施其他救援工作。在紧急情况下，磁悬浮列车辆可超载50%，以保证着火的车厢的乘客向相邻两节车厢疏散。

（4）救援停车点每隔十到几十公里一个，视线路具体情况而定，保证列车在运行中的任何位置仅依靠已有的动能和势能，借助涡流制动器的制动力可以悬浮运行到就近的停车点。

（5）在极端的故障状态或紧急情况下，若涡流制动器也失效，磁悬浮列车可以在最高运行速度下，通过支承滑橇降落，列车完全靠支承滑橇与滑行轨之间的摩擦力制动。支承滑橇是用特殊合成材料制成的，能够保证在各种天气情况下，与钢质滑行轨之间有适当的摩擦系数。这种极端情况下的制动，滑橇磨损很大，但能保证列车和乘客的安全，不能保证列车达到就近的停车点，乘客通过车载的充气扶梯或管道疏散。

即使在高速行驶时，车上的乘客也不需要系安全带，可以轻松地享受旅行中的舒适性。没有震动，而是轻柔的"漂浮"--乘客几乎感觉不到速度，也没有任何东西遮挡欣赏风光和美景的视线。

在有关乘坐舒适性方面，正弦曲线比其他常用的缓和曲线在侧向加速度和冲击过程的平稳性方面也有更大的优点。列车行驶时的侧向加速度和侧向冲击同其他常用的缓和曲线（如回旋曲线、三次抛物线）不同，是时间和所运行线路的连续函数（没有断点且各点可求微分）。

这样，在换步过程中，换步侧的两个定子段分别由两组不同的变流器和馈电电缆组供电，避免了采用两步法时列车在定子段切换过程中的牵引力的脉动和下降，从而保证牵引系统的加速能力和列车乘客的舒适感。

11。从技术、经济和交通方面，分析发展磁悬浮铁路的优势和不利因素。

发展磁悬浮铁路的优势

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。加速能力比传统铁路更高。选线参数较灵活；相同速度时，转弯半径比传统铁路更小，爬坡能力比传统铁路更高。在可以比较的速度范围内, 噪声低于汽车和传统轮轨铁路。安全性、乘坐舒适性高。

磁悬浮列车能耗低，无污染。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。

磁悬浮高速铁路与其它的交通系统相比，它的线路和所需设备占地最少。

对投资的比较表明，地形越复杂，对磁悬浮高速铁路越有利。线路投资比完全新建的轮轨高速铁路高20%~30%；在中等山区，线路造价不高于轮轨高速铁路。

其运行成本低于其它可以相比较的交通系统。而磁悬浮高速铁路具有以下显著优点:

无接触技术大大减轻了磨损。机械磨损的主要原因是摩擦，这在磁悬浮铁路被大大减少；有摩擦的机械部件被广泛地通过电子和电磁部件替代；磁悬浮列车的质量不是像传统铁路那样集中作用在车轴或支撑点上，而是分散地作用于磁悬浮列车的整个长度范围内，磁悬浮列车对线路的冲击作用较小。

发展磁悬浮铁路的不利因素

1.其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。

由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。

2. 磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。

3. 造价高。

4. 强磁场对人体与环境都有影响。

12。德国Transrapid系统车辆子系统的主要技术特点及其悬浮、导向、制动、车上供电的原理。

悬浮框主要由两个横梁和一根纵梁以及托臂组成，悬浮架结构的主要作用是把牵引力、制动力通过牵引拉杆传递到车体上；横向载荷通过摆杆传递到车体上；把车体垂向载荷通过二系悬挂装置传递到悬浮磁铁；车辆悬浮关闭，停落在轨道上时，通过滑橇把车厢垂向载荷传递到

轨道梁上。

磁悬浮高速铁路的支承和导向系统基本原理是: 磁悬浮列车上安装的、单独控制的电磁铁与线路下方安装的铁磁反应导向轨，即定子铁心之间产生吸引力，磁悬更浮车上的支承磁铁被从下往上吸往线路，支承磁悬浮列车的质量。导向磁铁保持车辆沿线路两侧的定位。高可靠性的电子控制系统保证磁悬浮列车与线路间8mm的悬浮距离。

在正常运行中，Transrapid磁悬浮列车靠长定子同步直线电机制动。当列车高速运行时，可以采用再生制动方式，即直线电机的工作方式由牵引状态改为发电状态，将列车的动能转化为电能反馈电网，列车受到电磁阻力而减速；当列车速度较低时，采用电阻制动，牵引电机仍处于发电状态，产生的电能通过制动电阻发热消耗；当列车速度很低时，直线电机改为反接制动，使电机的牵引力方向与列车的运行方向相反，直到列车停止。

在系统出现故障或由于其他安全原因需要紧急制动时，使用车上安装的电涡流制动器。每节磁悬浮列车上安装了一对涡流制动器。涡流制动器由车上的蓄电池供电，不依赖线路上的牵引及供电系统。当涡流制动器在车上安全控制系统的控制下投入使用时，车上的安全控制系统根据当时的列车位置和就近停车点（车站或救援停车点）距离，计算出一条制动过程曲线，通过控制涡流制动器输入电流来控制涡流制动器的制动力，使列车刚好能到达和停靠在就近的停车点。

在紧急制动过程中，随着列车速度的降低，涡流制动器与导向轨之间吸引力增大，制动器表面接触线路导向轨，产生摩擦力，与电磁阻力一起，使列车减速。当列车速度（TR07为80km/h, TR08为10km/h）已相当低时，关断涡流制动器，磁悬浮列车降落在滑行轨上，由车上的滑橇支承列车，支承滑橇与滑行轨之间的摩擦力使列车滑行一小段距离后，停在预定的停车区范围内。

每节车的供电网络包括：

4个独立的带蓄电池缓冲的直流440V电网；

4个独立的带蓄电池缓冲的直流24V电网；

2个独立的三相交流230 V电网；

1条440V动力轨。