馮再科

摘 要：本文主要介紹了輪軌列車速度的局限性，磁懸浮技術(shù)的原理，磁懸浮列車的構(gòu)成、原理等。詳細(xì)闡述了磁懸浮列車的三大主要組成系統(tǒng)，分別為懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)以及推進(jìn)系統(tǒng)等。

關(guān)鍵詞：磁懸浮技術(shù)；磁懸浮列車；懸浮系統(tǒng)；導(dǎo)向系統(tǒng)；推進(jìn)系統(tǒng)

1前言

輪軌列車之所以能夠在軌道上牽引運(yùn)行，是依靠黏著力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在運(yùn)行速度上，輪軌列車具有很大的局限性。

（1）車輪與軌道之間的黏著力限制了輪軌列車的高速行駛。輪軌列車是依靠車輪踏面與鋼軌表面相互作用而產(chǎn)生的黏著力運(yùn)行的。黏著力不僅跟車輪踏面與鋼軌表面狀況有關(guān)，而且與列車的運(yùn)行速度有關(guān)。隨著輪軌列車運(yùn)行速度的不斷增加，輪軌間的黏著力也在不斷減小。同時(shí)，列車運(yùn)行時(shí)所受的空氣阻力也會(huì)隨著運(yùn)行速度的增加而增大。當(dāng)列車所受到的牽引力值與阻力值大小相等時(shí)，加速度為0，列車的速度將不再增加，此時(shí)輪軌列車的運(yùn)行速度便是其極限速度，即最高運(yùn)行速度。由于此種原因，即便是輪軌列車中的高速動(dòng)車組其正常運(yùn)營(yíng)速度也很難突破400 km/h。

（2）現(xiàn)在的高速輪軌列車幾乎全部都是靠電力驅(qū)動(dòng)和牽引的電力機(jī)車。為了從接觸網(wǎng)上獲得電能，在電力機(jī)車的車頂部分都會(huì)裝有受電弓裝置。受電弓通過(guò)其頂部的碳滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線相接觸，從接觸網(wǎng)上獲得電能，并通過(guò)車載高壓電纜將其傳送到機(jī)車內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)工作。為了確保受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線之間接觸良好，受電弓必須具有大小適中且方向向上的壓力。電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)導(dǎo)線和碳滑板之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，并且二者之間的接觸壓力會(huì)隨著機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生變化。如果受電弓和接觸網(wǎng)之間出現(xiàn)離線情況，就會(huì)產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓產(chǎn)生燒蝕，造成嚴(yán)重事故。弓網(wǎng)的離線率會(huì)隨著機(jī)車運(yùn)行速度的增加而迅速增大，進(jìn)而對(duì)弓網(wǎng)的燒蝕更加嚴(yán)重。目前為止，受電弓的最大工作速度約為450km/h - 500 km/h。

（3）安全制動(dòng)。輪軌列車制動(dòng)時(shí)所需的制動(dòng)力依靠的是黏著力。列車運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度越高，黏著力越小，其制動(dòng)距離越大，從而嚴(yán)重影響列車的安全。

（4）運(yùn)營(yíng)成本。輪軌鐵路其建造成本隨著輪軌列車運(yùn)行速度的提高而快速增加。300km/h高速輪軌鐵路其建造成本比200km/h快速輪軌鐵路建造成本高近2倍，比120km/h普通輪軌鐵路的建造成本高3至8倍[1]。

以上4點(diǎn)因素嚴(yán)重影響了輪軌列車在未來(lái)的發(fā)展前景。隨著世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展，各國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力逐漸增強(qiáng)。為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及滿足民生的需求，不斷提升國(guó)內(nèi)交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力，研制新型的交通運(yùn)輸工具勢(shì)在必行。于是，世界上許多國(guó)家先后開展了對(duì)磁懸浮列車的研發(fā)并取得了一系列令全世界矚目的成就。

2磁懸浮技術(shù)的原理

磁懸浮系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，分別為控制單元、執(zhí)行單元、轉(zhuǎn)子和傳感器。執(zhí)行單元由2部分構(gòu)成，即功率放大器和電磁鐵。傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子和電磁體之間的懸浮間隙，控制單元將傳感器反饋的懸浮間隙與預(yù)定的懸浮間隙進(jìn)行比較，通過(guò)控制算法計(jì)算出控制量。系統(tǒng)圖如圖1所示。

將電流通入電磁鐵繞組中，會(huì)產(chǎn)生電磁力。改變電流大小，使電磁力大小和轉(zhuǎn)子重力大小相等，此時(shí)轉(zhuǎn)子所受合力為0，其處于平衡狀態(tài)并懸浮于地面上空[2]。

當(dāng)一個(gè)向下的干擾作用在轉(zhuǎn)子上時(shí)，轉(zhuǎn)子便會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，偏離原來(lái)的平衡位置，其與電磁鐵之間的懸浮間隙增大，電磁鐵對(duì)轉(zhuǎn)子的電磁力減小。此時(shí)傳感器就會(huì)檢測(cè)出新的懸浮間隙并反饋給控制單元，經(jīng)控制單元比較與計(jì)算后輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)由功率放大器轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流通入電磁鐵線圈，電磁鐵產(chǎn)生電磁力（此時(shí)的電磁力比原來(lái)的電磁力大）并作用在轉(zhuǎn)子上，最終轉(zhuǎn)子移動(dòng)到原來(lái)的平衡位置。

傳感器不斷地采集懸浮間隙數(shù)值，控制單元不斷地比較與計(jì)算，電磁鐵線圈中的電流不斷地及時(shí)校正，以此維持懸浮間隙的恒定。因此，無(wú)論是向上或者向下的干擾作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子最終都會(huì)移動(dòng)到原來(lái)的平衡位置并且始終處于穩(wěn)定懸浮狀態(tài)[3]。

3磁懸浮列車

磁懸浮列車的出現(xiàn)是世界交通運(yùn)輸史上一次偉大的顛覆式革命。它顛覆了輪軌列車傳統(tǒng)的運(yùn)行模式，完全實(shí)現(xiàn)了列車與軌道之間無(wú)接觸、無(wú)摩擦的運(yùn)行模式。由于磁懸浮列車與軌道之間沒(méi)有摩擦力，其理論速度可達(dá)每小時(shí)幾千千米[4]，甚至更高。因此，它在未來(lái)?yè)碛惺謴V闊的發(fā)展前景。

磁懸浮列車主要由三大系統(tǒng)構(gòu)成，即懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)以及推進(jìn)系統(tǒng)。它利用電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的懸浮和導(dǎo)向，利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力作為自身運(yùn)行的動(dòng)力，牽引其運(yùn)行。

3.1懸浮系統(tǒng)

懸浮系統(tǒng)按照懸浮原理及方式不同可分為2類，即電磁懸?。ù盼綉腋。┫到y(tǒng)和電動(dòng)懸?。ù懦馐綉腋。┫到y(tǒng)。

將懸浮電磁鐵安裝在列車兩個(gè)側(cè)面的轉(zhuǎn)向架上，在導(dǎo)軌上鋪設(shè)鐵磁軌道。電磁懸浮系統(tǒng)是利用懸浮電磁鐵和鐵磁軌道之間相互作用所產(chǎn)生的吸引力來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮的。列車運(yùn)行時(shí)，為了確保懸浮系統(tǒng)的可靠性和平穩(wěn)性，必須精準(zhǔn)地控制懸浮電磁鐵中電流的大小，從而控制磁場(chǎng)的強(qiáng)度，保持懸浮力穩(wěn)定，使導(dǎo)軌和列車之間的懸浮間隙始終保持在（10±2）mm。在懸浮電磁鐵上安裝間隙傳感器，利用間隙傳感器來(lái)檢測(cè)懸浮間隙的大小，結(jié)合列車運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)，利用間隙調(diào)節(jié)器來(lái)精確控制勵(lì)磁電流器，從而精確調(diào)節(jié)懸浮電磁鐵中的電流大小，以此確保懸浮的穩(wěn)定性。懸浮電磁鐵電流由車載蓄電池提供，蓄電池所需的電能由機(jī)車上的直線發(fā)電機(jī)提供。這種懸浮方式在停車狀態(tài)時(shí)可以保持懸浮狀態(tài)，列車不需要安裝機(jī)械支撐裝置。

電動(dòng)懸浮系統(tǒng)是利用在列車的兩個(gè)側(cè)面安裝的超導(dǎo)磁體與排列在地面軌道側(cè)面的8字形短路線圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的排斥力實(shí)現(xiàn)懸浮的。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，向車載超導(dǎo)磁體通電。由于超導(dǎo)磁體在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)電阻為零。因此，超導(dǎo)磁體中產(chǎn)生的電流很大，在其周圍會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在軌道側(cè)面的8字形短路線圈中產(chǎn)生電流。根據(jù)電流的磁效應(yīng)，在8字形線圈的上半側(cè)線圈和下半側(cè)線圈中各會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)。上半側(cè)線圈的磁場(chǎng)和超導(dǎo)磁體形成的磁場(chǎng)異極性，吸引超導(dǎo)磁體向上；下半側(cè)線圈的磁場(chǎng)和超導(dǎo)磁體形成的磁場(chǎng)同極性，排斥超導(dǎo)磁體向上，列車最終受到向上的合力。當(dāng)合力（磁力）大小足夠大時(shí)，列車便會(huì)克服自身重力，實(shí)現(xiàn)懸浮。當(dāng)列車受到一個(gè)向下的擾動(dòng)時(shí)，列車向下移動(dòng)，短路線圈和超導(dǎo)磁體之間的距離減小，懸浮力增大，列車上移到原來(lái)的平衡位置。列車在低速狀態(tài)下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)懸浮。因此，在列車上需要安裝著地支承裝置。

3.2導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)是利用電磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向功能的。

常導(dǎo)磁吸式磁懸浮列車和超導(dǎo)磁斥式磁懸浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)原理有所不同，前者依靠吸引力導(dǎo)向，后者依靠排斥力導(dǎo)向。

將導(dǎo)向電磁鐵安裝在列車的兩側(cè)，將導(dǎo)向軌安裝在導(dǎo)軌兩側(cè)的端面上，其二者之間保持一定距離的間隙。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)是利用導(dǎo)向電磁鐵和導(dǎo)向軌相互作用產(chǎn)生的吸引力來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的。當(dāng)列車位于中間位置時(shí)，兩側(cè)的間隙距離相等，兩側(cè)的吸引力大小相等，方向相反。當(dāng)列車左右偏移時(shí)，傳感器就會(huì)檢測(cè)間隙的變化，從而控制間隙變大的一側(cè)使其導(dǎo)向電磁鐵電流變大，吸引力變大；控制間隙變小的一側(cè)使其導(dǎo)向電磁鐵電流變小，吸引力變小，最終列車恢復(fù)到中間位置。

在列車的兩個(gè)側(cè)面安裝導(dǎo)向超導(dǎo)磁體，在導(dǎo)向軌的側(cè)向安裝地面線圈。超導(dǎo)磁斥式磁懸浮列車的導(dǎo)向系統(tǒng)是利用導(dǎo)向超導(dǎo)磁體和地面線圈相互作用產(chǎn)生的排斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向的。排斥力和列車側(cè)向的作用力大小相等，方向相反，以此保證列車始終沿著正確的方向行駛。這種磁懸浮列車導(dǎo)向系統(tǒng)除了以上的構(gòu)成方式外，還有安裝機(jī)械導(dǎo)向輪等。

3.3推進(jìn)系統(tǒng)

磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)是利用直線電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車牽引運(yùn)行的。

直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的工作原理相同，都是利用電磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生電流或者機(jī)械運(yùn)動(dòng)。其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作時(shí)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，直線電機(jī)工作時(shí)形成行波磁場(chǎng)。直線電機(jī)可以理解為將旋轉(zhuǎn)電機(jī)展平，其中旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的定子部分在直線電機(jī)中叫做初級(jí)，轉(zhuǎn)子部分叫做次級(jí)[5]。直線電機(jī)按照初級(jí)長(zhǎng)短不同可以分成2種，分別為短初級(jí)直線電機(jī)和長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)。

日本HSST型磁懸浮列車是一種中低速磁懸浮列車，它利用短初級(jí)直線異步電機(jī)來(lái)牽引列車運(yùn)行。將直線電機(jī)安裝在磁懸浮列車上，將反應(yīng)板沿全線鋪設(shè)在軌道上。利用受電弓將三相交流電通入到列車上的初級(jí)繞組中，形成行波磁場(chǎng)。在行波磁場(chǎng)的作用下，在反應(yīng)板上面產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流并且形成磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁推力，牽引列車運(yùn)行。短初級(jí)直線異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，容易控制和維護(hù)、噪聲較低等。缺點(diǎn)是效率低，電機(jī)功率因數(shù)較低等。由于需要受電弓為車載初級(jí)繞組提供交流電，因此短初級(jí)直線電機(jī)不適合高速系統(tǒng)。

日本ML型磁懸浮列車是一種高速超導(dǎo)磁懸浮列車，它利用長(zhǎng)初級(jí)直線同步電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行。將直線電機(jī)的三相繞組（初級(jí)繞組）安裝在地面軌道的側(cè)壁上，將低溫超導(dǎo)磁體安裝在車輛兩端的兩側(cè)。將三相交流電通入到三相繞組中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿著軌道移動(dòng)的行波磁場(chǎng)。在行波磁場(chǎng)和由低溫超導(dǎo)磁體形成的超導(dǎo)磁場(chǎng)的相互作用下，在列車上會(huì)產(chǎn)生排斥力與吸引力，其合力的方向?yàn)榱熊嚽斑M(jìn)的方向，牽引著列車運(yùn)行。其原理如圖2所示。由于直線電機(jī)由地面供電，所以列車不需要安裝受電弓。因此，長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)適合高速系統(tǒng)。

4總結(jié)

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的不懈努力，不斷創(chuàng)新，磁懸浮列車由20世紀(jì)初提出的理論發(fā)展到現(xiàn)在的正式運(yùn)行。雖然，現(xiàn)在還有很多的技術(shù)難題尚未解決。但是，隨著磁懸浮技術(shù)的不斷發(fā)展、不斷完善。相信在不久的將來(lái)，磁懸浮列車的各種技術(shù)難題都會(huì)迎刃而解。最終，我們將會(huì)迎來(lái)磁懸浮時(shí)代。

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