杏彩体育注册王滢张昆仑张慧娴等：高速磁浮交通系统制式特征与

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【2024-09-08 07:39:19来源：杏彩平台官网作者：杏彩体育平台app

　　高速磁浮交通车轨无接触运行，摆脱了轮轨黏着和弓网受流的约束，安全舒适、可靠性高、环境适应性强，具有不可替代的优势。文章基于高速磁浮交通系统的悬浮、导向和驱动三大核心技术，对常导电磁吸力型、低温超导电动斥力型、永磁电动斥力型和高温超导永磁钉扎型不同制式的高速磁浮交通系统特征与性能进行系统梳理，分析不同制式高速磁浮交通系统的技术难点、应用制约和适应性。结合建设交通强国的总目标及中国磁浮交通技术的研究与发展状况，提出常导电磁吸力型高速磁浮交通系统是目前中国突破轮轨交通运行速度制约的最佳选择。

　　磁浮交通系统利用电磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮与导向，采用直线电机产生的电磁力实现列车驱动。悬浮模式主要有常导电磁吸力型、低温超导电动斥力型、永磁电动斥力型和高温超导永磁钉扎型等。导向模式与悬浮模式类似，构成形式有独立主动导向、磁极错位被动导向、与悬浮合一导向等。驱动模式主要包括有铁芯的长定子直线同步电机驱动、无铁芯的长定子直线同步电机驱动和有铁芯的短定子直线感应电机驱动，构成形式有独立直线电机驱动、与悬浮二合一驱动、与悬浮导向三合一驱动。不同的悬浮、导向和驱动模式及其不同组合方式构成不同制式的磁浮交通系统。

　　理论上，上述所有悬浮模式都可以用于高速磁浮交通系统，但目前只有源于德国的常导电磁吸力型高速磁浮交通制式投入商业运营，日本长期研发的低温超导电动斥力型高速磁浮交通制式接近商业运营。其他高速磁浮交通制式都还不够成熟，有待进一步开发。在常导电磁吸力型高速磁浮交通系统中，车载悬浮电磁铁同时用作长定子直线同步电机的动子（也称励磁磁极），另采用独立导向电磁铁实现车辆与轨道的横向无接触控制。该系统的设计最高运营速度为500 km/h，最高试验速度为501 km/h。在低温超导电动斥力型高速磁浮交通系统中，利用车载低温超导线圈大电流产生强磁场，在列车运行时于轨道线圈中感生的电流与超导线圈磁场相互作用产生所需的悬浮力和导向力，该系统的最高试验速度达到603 km/h。

　　高速磁浮交通系统车轨无接触运行，不受轮轨黏着和弓网受流制约，且采用车抱轨或轨抱车的结构，在运行速度和安全性方面的优势是轮轨交通系统无法达到的；该系统最高运行速度可超过600 km/h，在高速度和安全性两方面具有不可替代性，是更高运行速度轨道交通发展的方向。

　　国内外对高速磁浮交通系统的研究路线各不相同。德国主要研发常导电磁吸力型高速磁浮交通系统；日本主要研发低温超导电动斥力型高速磁浮交通系统；美国主要研究永磁电动斥力型高速磁浮交通系统。中国对电磁吸力型磁浮交通系统进行了比较深入的研究，对低温超导电动斥力型、永磁电动斥力型和高温超导永磁钉扎型等磁浮交通系统也进行了初步研究。

　　不同制式高速磁浮交通系统的技术特征完全不同，性能优劣也不尽相同，主要取决于其悬浮系统、导向系统和驱动系统的差异。

　　悬浮系统由悬浮电磁铁、悬浮间隙测量单元和悬浮控制单元组成。根据悬浮间隙大小调节悬浮电磁铁线圈电流大小实现悬浮稳定控制。悬浮电磁铁沿着列车长度方向连续布置，每节车辆有4台悬浮架，每台悬浮架有4个悬浮框，每节车辆两侧各有8个悬浮框，悬浮电磁铁布置在相邻2个悬浮框之间。头车有12个标准悬浮电磁铁和2个端部悬浮电磁铁，中车有14个标准悬浮电磁铁，2节车辆间还搭接1个标准悬浮电磁铁。一个标准悬浮电磁铁按长度和悬浮线个部分悬浮电磁铁，端部悬浮电磁铁分为3个部分悬浮电磁铁，每个悬浮框搭装2个部分悬浮电磁铁，保证该悬浮框在其中1个部分悬浮电磁铁失效的情况下仍能悬浮。为了实现通过轨缝时的悬浮稳定控制，每个部分悬浮电磁铁对应2个悬浮间隙测量单元和1套悬浮控制单元。

　　导向系统由导向电磁铁、导向间隙测量单元和导向控制单元组成。根据左右导向间隙大小调节左右导向磁铁线圈电流的增减，实现左右导向间隙的均等而达到车辆横向稳定并跟随轨道。与悬浮电磁铁相同，导向电磁铁也安装在相邻2个悬浮框之间，但在每节车辆中间2个悬浮框搭装导向电磁铁的位置搭装了涡流制动电磁铁，在2节车辆间不搭装导向电磁铁。导向电磁铁为2个U形电磁铁并列结构，每个U形电磁铁设计为3个控制线圈结构，每个导向电磁铁的6个控制线个部分导向电磁铁，保证每个悬浮框搭装有2个部分导向电磁铁，在其中1个部分导向电磁铁失效的情况下，该悬浮框还可以导向。

　　驱动系统采用带铁芯的长定子直线同步电机。长定子铁芯同时用作悬浮轨，电机绕组为单匝波绕组，直线电机的励磁磁极与悬浮电磁铁磁极为同一磁极，每一完整磁极上设置有直线发电机绕组，为悬浮系统与导向系统等车载设备提供电能。为尽可能地降低损耗、提高电机效率，长定子直线同步电机采用分段供电方式，牵引变电站输出三相变频变压交流电通过轨旁开关站为列车所在位置的定子段绕组供电。综合考虑列车运行速度、加速能力、绕组阻抗压降、轨旁设备配置及线路坡度等外部条件，确定每一定子段的长度。图1为常导电磁吸力型磁浮列车系统示意图。

　　常导电磁吸力型高速磁浮交通系统车辆悬浮系统采用线圈绕制的悬浮电磁铁，通过控制线圈电流直接控制悬浮力，可实现列车的静态和动态稳定悬浮，悬浮系统维护较简单。系统采用主动导向方案，通过控制导向电磁铁的线圈电流，可实现横向无接触主动导向，列车高速运行时横向稳定性高。驱动系统采用带铁芯的长定子直线同步电机，端部效应更小，驱动效率高，驱动力大，驱动性能好。

　　常导电磁吸力型高速磁浮交通系统具有速度高、噪声小、振动小和稳定舒适等优点。但是，由于悬浮气隙较小，系统对轨道的精度要求较高。

　　低温超导电动斥力型磁浮列车由悬浮架和车体构成。悬浮架两侧按磁极方向正反交错各布置4块超导线圈，超导线圈通电流形成超导磁体。由于超导线圈电流大，所产生的磁场强度大，单位面积悬浮力大，在车体底部两侧不需要连续布置悬浮架以获得大的悬浮力和导向力，除头尾车端部设置1台悬浮架外，仅在相邻车体连接处设置一台悬浮架即可承担相邻车体重量。系统采用U形结构轨道，轨道两侧内壁布置“8”字形闭合线”字形闭合线圈外侧是空芯长定子直线同步电机绕组。

　　列车静止或低速运行时不能起浮，此时车载低温超导磁体的中心线”字形闭合线圈中心线”字形闭合线，无感生电流，对超导磁体不产生悬浮力和导向力，列车靠支撑轮和导向轮运行。

　　当列车运行速度达到足够高时，收起支撑轮和收回导向轮，列车下沉，超导磁体中心线”字形线”字形线，并随着列车运行位置变化而变化，由此在“8”字形线圈中产生感应电动势进而产生电流。因“8”字形线圈上环和下环绕组的绕向相反，电流方向也相反，上环绕组对超导磁体产生斜向上的电磁吸力，下环绕组对超导磁体产生斜向上的电磁斥力，两个环产生的电磁力的垂直向上分力合成为悬浮力，如图2所示。

　　导向力的产生与悬浮力类似。“8”字形线圈上环对超导磁体产生水平吸力分量，线圈的下环对超导磁体产生水平斥力分量，因超导磁体与“8”字形线圈的上环和线圈的下环的位置不对称，线圈的上环对超导磁体产生水平吸力分量小于线圈的下环对超导磁体产生水平斥力分量，总体表现为对超导磁体的水平斥力。轨道两侧相对的“8”字形线圈对超导磁体产生向轨道中心的水平斥力，列车横向偏离轨道中心时均会产生回复力使列车回到轨道中心。在这种“8”字形线圈悬浮方式中，超导磁体垂向中心线”字形线圈中心线高度偏离越多，列车运行速度越快，则“8”字形线圈中感应电势越大，产生的电流和悬浮力越大。

　　U形轨道侧墙上安装的空芯长定子直线同步电机绕组与车载超导磁体构成长定子直线同步电机。直线同步电机绕组中心线”字形线圈中心线为同一高度，当两侧直线同步电机绕组接入可控三相交流电后，“8”字形线圈中不会产生感应电流，实现牵引与悬浮解耦，直线同步电机绕组电流与超导磁体相互作用产生向前的牵引力推动列车运行。

　　在低温超导电动斥力悬浮系统中，车载超导磁体可以同时用于列车的悬浮、导向和驱动，列车以600 km/h及以上速度运行时悬浮与导向系统都具有自稳定性，不需要额外的悬浮导向控制系统，只要速度足够高就能实现稳定悬浮与导向。

　　低温超导电动斥力型磁浮列车的悬浮力和导向力的大小与行车速度相关，列车运行速度足够高才能产生足够大的悬浮力和导向力，实现列车的无接触运行。静止或低速运行时列车不能悬浮，需要依靠轮子支撑和导向。

　　轨道侧“8”字形线圈沿轨道纵向连续布置，但分离安装，具有非连续性。车载超导磁体与“8”字形线圈相对位置的变化会造成线圈中感应电流的变化，从而改变悬浮力和导向力，因而悬浮力和导向力随车辆位置变化而波动，引起车体振动。特别是列车由低速橡胶轮支撑从低速接触运行向高速悬浮运行过渡时，将产生强烈的振动与噪声，乘坐舒适度较差，类似飞机起飞的过程。这是系统固有的、难以克服的缺点。超导磁体和“8”字形悬浮线圈之间磁力作用的电磁阻尼很小，因安装误差、线路不平顺和横风等激扰作用，列车极易发生振动，影响运行平稳性和乘坐舒适性。

　　永磁电动斥力型磁浮列车的悬浮和导向功能均由车载永磁铁阵列和弧形非磁性导体板轨道实现，如图3所示，其基本原理是利用运动磁场与导体板中感应的电涡流相互作用实现悬浮。当磁浮列车底部的永磁铁阵列与弧形反应板发生相对运动时，穿透弧形反应板的永磁铁磁场将在弧形反应板中产生电涡流。电涡流与永磁铁阵列的水平磁场作用产生向上的悬浮力，与永磁铁阵列的垂直磁场作用产生向后的磁阻力。因此，永磁电动斥力型磁浮列车在运行过程中，除产生悬浮力使列车浮起外，还会受到与运行方向相反的磁阻力作用。