“常导型”磁悬浮列车
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【摘要】 “常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼肯佩尔于1922年提出。磁悬浮列车是一种利用“同性相斥,异性相吸”的原理靠磁悬浮力(即磁的吸力和排斥力)来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中,行走时不需接触地面,其阻力只有空气的阻力。“常导型”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。
【关键词】 “常导型”磁悬浮列车;电磁悬浮系统;电力悬浮系统
磁悬浮列车是一种利用“同性相斥,异性相吸”的原理靠磁悬浮力(即磁的吸力和排斥力)来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中,行走时不需接触地面,其阻力只有空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度可以达每小时500公里以上,比轮轨高速列车的300多公里还要快。让磁铁具有抗拒地心引力的能力,使车体完全脱离轨道,悬浮在距离轨道约1厘米处,腾空行驶,创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。
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。悬浮系统的设计,可以分为两个方向,分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统(EMS)和电力悬浮系统(EDS),其中电磁悬浮系统(EMS)是一种吸力悬浮系统,是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。电力悬浮系统(EDS)将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流;磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈,地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用,它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道,当作为定子的电枢线圈有电时,由于电磁感应而推动电机的转子转动。当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时,由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。在悬浮状态下,列车可以完全实现非接触的牵引和制动;导向系统是一种侧向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。世界第一条磁悬浮列车示范运营线―上海磁悬浮列车,建成后,从浦东龙阳路站到浦东国际机场,三十多公里只需6～7分钟。
上海磁悬浮列车是“常导磁斥型”(简称“常导型”)磁悬浮列车。是利用“同性相斥”原理设计,是一种排斥力悬浮系统,利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁,和铺设在轨道上的磁铁,在磁场作用下产生的排斥力使车辆浮起来。轨道产生磁力的排斥力与列车的重力在一个相应平衡的数据时,列车就会悬浮起来。列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁,在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙,让转向架和列车间的排斥力与列车重力相互平衡,利用磁铁排斥力将列车浮起1厘米左右,使列车悬浮在轨道上运行。悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。
磁悬浮列车相当于电动机的转子,轨道相当于电动机的定子。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,又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S极。周而复始,列车就向前奔驰,其中,稳定性由导向系统来控制。“常导型磁斥式”导向系统,是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时,列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,产生排斥力,使车辆恢复正常位置。列车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,达到控制运行目的。“常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼肯佩尔于1922年提出,“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同,只是把电动机的“转子”布置在列车上,将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”,“定子”间的相互作用,将电能转化为前进的动能。电动机的“定子”通电时,通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时,通过电磁感应作用,列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。
磁悬浮列车的优点:列车在铁轨上方悬浮运行,铁轨与车辆不接触,不但运行速度快,能超过500 千米/小时,而且运行平稳、舒适,易于实现自动控制;无噪音,不排出有害的废气,有利于环境保护;可节省建设经费;运营、维护和耗能费用低。磁悬浮列车的缺点:磁悬浮的车厢不能变轨,不像轨道列车可以从一条铁轨借助道岔进入另一铁轨。如果是两条轨道双向通行,一条轨道上的列车只能从一个起点驶向终点,到终点后,原路返回,不像轨道列车可以换轨到另一轨道返回。由于磁悬浮系统是凭借电磁力来进行悬浮,导向和驱动功能,一旦断电,磁悬浮列车将发生严重的安全事故,断电后磁悬浮的安全保障措施仍然没有得到完全解决。磁悬浮列车需要高架,高架梁的绕度必须小于1毫米,高架桥跨一般要小于25米,桥墩基础要深30米以上。此外,由于运行动力学的影响,轨道两侧各100米内是不允许有其他建筑物的。修建磁悬浮占地多,对环境影响比较大。
参考文献
[1]磁悬浮轴承研究进展―暨第一届中国电磁轴承学术会议论文集