磁 悬 浮 列 车 金 能 强 衣 食 住 行, 人 之 必 需 自 古 以 来 人 类 最 大 苦 恼 之 一 是 人 与 货 物 的 运 输 : 横 渡 河 流 穿 越 高 山 遥 远 距 离 的 行 程 等, 想 尽 办 法 以 节 省 时 间 和 气 力, 让 旅 程 更 舒 服 从 步 行 手 提 肩 挑 到 用 力 拖 拉, 直 至 现 代 复 杂 的 交 通 系 统 牛 顿 发 现 万 有 引 力 定 律 之 前, 人 类 就 感 知 到 地 球 引 力 的 存 在, 人 们 发 现, 拖 着 重 物 比 肩 扛 着 省 力 6 千 多 年 前 人 类 建 造 了 第 一 组 轮 子 : 木 质 实 心 的 两 个 轮 子 一 根 固 定 的 穿 过 轮 子 中 心 的 轴 及 架 在 其 上 的 平 台, 车 造 出 来, 更 省 力 了 繁 体 汉 字 車 形 象 地 表 征 了 车 的 架 构 车 的 出 现 极 大 地 方 便 了 人 类 的 出 行 1825 年 世 界 上 第 一 条 铁 路 诞 生,20 世 纪 初 飞 机 出 现, 人 类 可 以 陆 海 空 立 体 交 通 出 行 随 着 科 技 的 进 步, 各 种 交 通 工 具 的 速 度 便 捷 舒 适 度 都 大 为 提 高 1. 总 旅 行 时 间 人 们 出 行 总 希 望 用 最 短 的 时 间 到 达 目 的 地, 即 旅 行 时 间 最 短 所 谓 旅 行 时 间 等 于 主 旅 行 时 间 与 附 加 时 间 之 和, 通 俗 讲 就 是 从 ( 家 ) 门 到 ( 目 的 地 住 处 ) 门 的 时 间 其 中 主 旅 行 时 间 是 旅 客 在 旅 途 中 所 乘 座 的 主 要 交 通 工 具 花 费 的 时 间, 附 加 时 间 为 旅 途 中 花 费 在 其 他 辅 助 交 通 工 具 上 的 时 间, 粗 略 统 计 结 果 附 加 时 间 : 小 汽 车 为 零, 高 速 铁 路 为 1 小 时, 飞 机 为 2.5 小 时 图 1 给 出 不 同 速 度 下, 旅 行 时 间 与 旅 行 距 离 的 关 系 从 图 旅 行 距 离 中 可 见, 在 2600 km 距 离 内 乘 坐 时 速 500 km 的 列 车 的 旅 行 时 间 和 乘 时 速 700 km 民 航 飞 机 ( 国 内 民 用 飞 机 常 规 速 度 ) 相 当 如 果 再 考 虑 到 方 便 性 安 全 性 舒 适 性 及 节 能 环 保 性, 列 车 被 选 择 的 可 能 性 会 更 高 迄 今 轮 轨 列 车 最 高 运 营 速 度 为 350 km/h, 这 样 从 图 1 不 同 速 度 下 旅 行 时 间 与 旅 行 距 离 的 关 系 速 度 连 贯 性 考 虑 350 km/h 和 500 km/h 间 有 个 断 档, 用 什 么 交 通 工 具 填 充? 2. 轮 轨 列 车 的 局 限 轮 轨 列 车 是 一 种 靠 黏 着 力 牵 引 的 车 辆, 在 速 度 上 有 局 限 性 首 先, 轮 轨 之 间 的 黏 着 力 制 约 了 列 车 的 高 速 运 行, 图 2 表 示 轮 轨 列 车 基 本 运 行 原 理 钢 轮 架 在 铁 轨 上, 支 撑 着 车 辆, 凸 起 轮 沿 卡 在 铁 轨 间 起 导 向 作 用, 原 动 机 ( 电 动 机 内 燃 机 蒸 汽 机 ) 驱 动 轮 轴 转 动 与 其 一 体 的 轮 子 随 之 转 动, 列 车 依 轮 子 在 轨 道 上 滚 动 而 前 行, 靠 的 是 轮 子 表 面 与 铁 轨 表 面 的 黏 着 力 黏 着 力 不 但 随 轮 轨 表 面 状 况 ( 如 材 料 表 面 光 滑 度 附 着 的 雨 雪 等 ) 而 变 化, 而 且 如 图 3 所 示, 会 随 着 速 度 增 加 而 减 小, 与 此 同 时 列 车 的 空 气 阻 力 却 随 着 速 度 显 著 增 加, 当 列 车 速 度 达 到 一 定 值 时, 牵 引 力 与 阻 力 相 等, 列 车 不 可 能 再 加 速 了 如 冬 天 汽 车 在 冰 面 上 难 以 高 速 行 驶 一 样, 无 论 你 如 何 加 大 油 门, 车 轮 老 是 打 滑, 车 速 快 不 起 来 这 一 速 度 就 是 列 车 的 最 高 运 行 速 度, 轮 轨 高 速 列 车 难 以 突 破 400 km/h 的 运 营 速 度 其 次, 当 今 高 速 轮 轨 列 车 几 乎 全 靠 电 力 牵 引, 以 24 现 代 物 理 知 识
图 2 轮 轨 列 车 基 本 运 行 原 理 图 3 轮 轨 列 车 速 度 限 制 电 力 驱 动 的 列 车, 在 车 厢 顶 部 安 装 有 受 电 弓, 又 称 受 流 器, 受 电 弓 与 架 设 在 其 上 方 的 供 电 导 线 ( 馈 电 线 ) 接 触, 如 图 4 所 示 电 流 从 地 面 供 电 站 引 导 列 车 上, 驱 动 电 动 机 为 保 证 受 电 弓 与 供 电 导 线 良 好 接 触, 受 电 弓 向 上 必 须 具 备 压 力, 车 子 运 行 时, 受 电 弓 与 供 电 导 线 产 生 滑 动 摩 擦, 且 接 触 压 力 会 产 生 波 动 如 果 受 电 弓 发 生 离 线 现 象, 产 生 电 弧, 对 受 电 弓 与 导 线 均 产 生 烧 蚀 速 度 增 加 时, 受 电 弓 离 线 率 会 迅 速 增 加, 电 弧 烧 蚀 现 象 严 重 20 世 纪 50 年 代 法 国 创 造 了 时 速 331 km 的 列 车 试 验 速 度 但 试 验 运 行 了 一 千 多 千 米 后, 受 电 弓 完 全 烧 坏 了 经 半 个 多 世 纪 的 努 力, 现 在 受 流 极 限 速 度 大 约 是 400 ~ 500 km/h 另 一 因 素 是 安 全 制 动, 与 牵 引 力 一 样, 制 动 力 靠 的 是 黏 着 力, 速 度 高 时 这 个 力 小, 制 动 距 离 要 大, 列 车 安 全 性 受 到 影 响, 制 约 轮 轨 列 车 超 高 速 化 的 因 素 还 有 : 车 辆 本 身 结 构 线 路 的 平 顺 度 牵 引 功 率 加 大 列 车 运 行 震 动 噪 声 等 这 些 因 素 制 约 了 轮 轨 列 车 的 运 行 速 度, 上 限 值 350 km 图 4 轮 轨 列 车 受 电 弓 的 时 速 是 较 为 适 当 的 轮 轨 列 车 牵 引 力 是 黏 着 力, 但 限 制 速 度 提 高 的 也 是 黏 着 力, 真 是 成 也 萧 何 败 也 萧 何 可 否 用 其 他 的 力 来 支 撑 导 向 牵 引 呢? 宇 宙 间 有 四 种 作 用 力 : 强 力 弱 力 电 磁 力 引 力 电 磁 力 和 引 力 是 长 距 离 作 用 力, 而 且 电 磁 力 强 度 远 远 大 于 引 力, 因 此 科 技 工 作 者 想 到 电 磁 力 同 时, 科 技 工 作 者 也 考 虑 到 用 气 浮 和 水 浮 的 形 式 来 悬 浮 和 驱 动 列 车, 但 由 于 这 两 种 方 式 都 造 成 很 大 的 环 境 污 染, 均 未 能 被 采 用 电 磁 力 作 用 和 引 力 作 用 一 样, 是 场 的 作 用, 可 以 隔 空, 完 全 没 有 机 械 接 触 恰 似 一 个 无 形 的 手 作 用 着 : 无 声 无 息 无 污 染 高 强 度 高 速 度, 完 全 能 满 足 高 速 超 高 速 的 要 求 磁 悬 浮 列 车 是 一 种 现 代 高 科 技 轨 道 交 通 工 具, 它 通 过 电 磁 力 实 现 列 车 与 轨 道 之 间 的 无 接 触 的 悬 浮 和 导 向, 再 利 用 直 线 电 机 产 生 的 电 磁 力 牵 引 列 车 运 行 1922 年, 德 国 工 程 师 赫 尔 曼 肯 佩 尔 (Hermann Kemper) 提 出 了 电 磁 悬 浮 原 理, 继 而 申 请 了 专 利 20 世 纪 70 年 代 以 后, 随 着 工 业 化 国 家 经 济 实 力 不 断 增 强, 为 提 高 交 通 运 输 能 力 以 适 应 其 经 济 发 展 和 民 生 的 需 要, 德 国 日 本 美 国 等 国 家 相 继 开 展 了 磁 悬 浮 运 输 系 统 的 研 发 其 中 德 国 和 日 本 取 得 了 世 人 瞩 目 的 成 就 1. 磁 悬 浮 行 驶 无 轮 磁 悬 浮 力 利 用 同 性 磁 极 相 斥, 异 性 磁 极 相 吸 的 原 理, 使 车 体 悬 浮 产 生 磁 场 的 有 常 导 电 磁 铁 超 25 卷 第 2 期 ( 总 146 期 ) 25
导 电 磁 铁 和 永 久 磁 铁, 与 之 相 作 用 的 有 超 导 体 强 导 磁 体 金 属 导 体, 以 上 六 种 物 体 可 以 组 合 成 多 种 磁 浮 方 式 悬 浮 方 式 按 电 磁 原 理 可 分 为 电 磁 式 (EMS) 和 电 动 式 (EDM); 按 悬 浮 力 性 质 可 分 为 吸 引 式 和 推 斥 式 ; 按 励 磁 方 式 可 分 为 常 导 式 低 温 超 导 式 高 温 超 导 式 和 永 磁 式 目 前 较 成 功 地 应 用 在 磁 悬 浮 列 车 中 的 是 : 日 本 低 温 超 导 电 动 式 磁 悬 浮 ML 系 列 技 术 ; 德 国 常 导 高 速 电 磁 式 磁 悬 浮 TR 系 列 技 术 和 日 本 常 导 中 低 速 电 磁 式 悬 浮 HSST 系 列 技 术 ; 我 国 自 主 研 发 的 常 导 中 低 速 磁 悬 浮 列 车, 技 术 与 HSST 基 本 相 同 2. 直 线 电 机 飞 行 无 翅 直 线 电 机, 顾 名 思 义 就 是 线 性 运 动 的 电 机, 其 基 本 原 理 和 旋 转 电 机 一 样, 也 是 基 于 电 磁 场 的 作 用 而 产 生 机 械 运 动 或 发 出 电 流, 如 图 5 所 示 将 传 统 的 旋 转 电 机 沿 轴 向 切 开 展 直, 即 变 成 直 线 电 机, 只 不 过 旋 转 电 机 定 子 中 旋 转 磁 场 变 成 直 线 电 机 初 级 中 的 直 线 移 动 磁 场, 与 次 级 磁 场 相 互 作 用, 产 生 直 线 牵 引 力, 驱 动 车 辆 运 动 原 则 上 每 种 旋 转 电 机 都 有 与 之 相 对 应 的 直 线 电 机, 但 从 使 用 角 度 衡 量, 至 今 只 有 直 线 同 步 电 机 与 直 线 异 步 电 机 比 较 适 合 用 作 磁 悬 浮 列 车 的 牵 引 电 机 直 线 电 机 根 据 初 级 长 度 与 驱 动 方 式 等 分 类 依 据 初 级 长 度 不 同, 可 划 分 为 长 初 级 直 线 电 机 与 短 初 级 直 线 电 机 目 前 较 为 成 熟 的 采 用 直 线 电 机 驱 动 的 磁 悬 浮 列 车 中, 常 选 择 长 初 级 直 线 同 步 电 机 和 短 初 级 直 线 异 步 电 动 机, 这 两 种 电 机 性 能 列 表 比 较 在 表 1 中 从 表 1 中 可 见, 短 初 级 异 步 电 机 需 要 受 流 器 供 电, 因 此 不 适 宜 用 在 高 速 系 统 中 同 步 直 线 电 机 采 用 长 初 级 形 式, 由 地 面 供 电 无 需 受 流 器, 其 同 步 运 行 速 度 与 初 级 直 线 移 动 磁 场 速 度 严 格 同 步, 如 图 6 所 示, 移 动 磁 场 为 电 磁 波, 其 行 波 速 度 : v = 2ft 式 中,f 为 初 级 电 流 频 率,t 为 磁 极 轴 线 距 离 ( 极 距 ), 当 f 和 t 选 取 足 够 大 时, 行 波 速 度 将 非 常 高, 理 论 上 可 以 达 到 光 速, 但 对 于 磁 浮 车 而 言, 受 电 源 频 率 电 机 结 构 及 车 型 阻 力 等 因 素 影 响, 地 面 运 行 磁 浮 车 速 一 般 不 宜 大 于 600 km/h, 然 而 即 使 是 这 一 速 度, 已 是 飞 机 的 飞 行 速 度 了 图 5 直 线 电 机 原 理 性 能 短 初 级 直 线 异 步 电 机 长 初 级 直 线 同 步 电 机 电 机 初 级 绕 组 安 装 位 置 车 上 地 面 线 路 上 功 率 因 数 低 1 效 率 低 高 控 制 难 度 小 大 线 路 造 价 低 高 是 否 需 受 流 器 需 要 不 需 要 典 型 应 用 表 1 两 种 直 线 电 机 的 性 能 比 较 日 本 HSST, 加 拿 大 及 日 本 直 线 轮 轨 交 通 系 统 德 国 TR, 日 本 MLX, 美 国 Magplane,M3,GA 图 6 驱 动 行 波 磁 场 ML 高 速 磁 悬 浮 车 由 日 本 铁 道 公 司 研 制, 采 用 低 温 超 导 电 动 式 磁 悬 浮, 无 铁 芯 长 初 级 直 线 同 步 电 机 牵 引 技 术, 列 车 的 结 构 断 面 如 图 7 所 示, 主 要 由 车 体 车 载 低 温 超 导 磁 体 和 制 冷 器 轨 道 侧 壁 安 装 其 上 的 长 初 级 三 相 绕 组 用 于 磁 浮 与 导 向 的 8 字 形 线 圈 及 支 持 轮 走 行 轨 等 构 成 26 现 代 物 理 知 识
低 温 超 导 磁 体, 地 面 侧 壁 除 安 装 有 悬 浮 导 向 用 的 8 字 形 线 圈 外, 还 安 装 有 驱 动 用 的 三 相 绕 组, 三 相 绕 组 通 上 电 流 后 就 会 产 生 移 动 磁 场, 这 一 磁 场 与 超 导 磁 体 相 互 作 用, 产 生 吸 引 力 和 排 斥 力, 合 力 为 向 前 的 牵 引 力, 改 变 电 流 频 率 和 大 小, 会 改 变 牵 引 力 的 大 小 和 车 辆 运 行 的 速 度, 绕 组 通 电 顺 序 反 相 则 会 产 生 一 个 向 后 的 制 动 力 图 7 ML 高 速 磁 悬 浮 车 断 面 图 1. 磁 悬 浮 原 理 ML 系 列 采 用 超 导 励 磁 电 动 式 磁 悬 浮 方 式, 基 本 原 理 如 图 8 所 示, 车 辆 悬 浮 力 来 自 车 辆 的 两 个 侧 面, 在 地 面 轨 道 的 相 应 侧 面 上, 沿 整 个 运 行 段, 按 设 计 的 极 距 排 列 着 8 字 形 的 短 路 线 圈, 当 车 辆 高 速 通 过 时, 超 导 磁 体 ( 其 中 心 磁 场 强 度 高 达 5 T) 在 8 字 形 线 圈 中 感 生 出 电 流, 此 电 流 在 上 侧 线 圈 中 产 生 一 个 与 超 导 磁 体 异 极 性 磁 场, 吸 引 磁 体 向 上, 下 侧 线 圈 则 产 生 一 个 与 超 导 磁 体 同 极 性 磁 场 推 斥 磁 体 向 上, 合 力 使 车 辆 受 到 一 个 向 上 的 力, 磁 力 足 够 大 时 克 服 重 力 使 车 辆 悬 浮, 导 向 力 产 生 原 理 类 似, 也 是 基 于 电 磁 感 应 原 理 当 列 车 速 度 较 低 时 产 生 的 悬 浮 力 不 足 以 浮 起 车 辆, 需 要 依 靠 安 装 在 转 向 架 上 的 辅 助 车 轮 支 撑 ; 当 速 度 提 高, 车 辆 逐 渐 浮 起 来 ML 系 列 悬 浮 高 度 约 为 100 ~ 150 mm 2. 驱 动 原 理 如 图 9 所 示,ML 系 列 车 辆 两 侧 在 两 端 都 安 装 有 图 8 ML 磁 悬 浮 悬 浮 原 理 图 9 ML 磁 悬 浮 驱 动 原 理 3. 技 术 特 点 ML 系 列 超 导 磁 悬 浮 系 统 中 : 驱 动 悬 浮 导 向 都 采 用 无 铁 芯 的 空 心 线 圈 磁 路 中 无 铁 芯, 不 存 在 饱 和 问 题, 但 磁 路 磁 阻 增 大 许 多, 要 产 生 相 应 的 力, 励 磁 场 的 励 磁 电 流 必 须 非 常 大 有 必 要 采 用 超 导 线 圈, 同 时 由 于 无 铁 芯, 磁 通 在 三 维 空 间 是 发 散 的, 因 此 必 须 在 励 磁 体 周 围 安 装 上 磁 屏 蔽 装 置, 以 防 止 漏 磁 场 对 人 体 和 其 他 仪 器 仪 表 的 侵 害, 尖 端 的 低 温 超 导 技 术 是 ML 系 统 的 核 心 悬 浮 与 导 向 特 点 : 为 电 动 式 悬 浮, 地 面 常 导 8 字 形 线 圈 起 到 悬 浮 和 导 向 作 用 的 电 流 由 车 载 磁 体 感 应 生 成, 所 以 悬 浮 和 导 向 均 为 自 稳 定 系 统, 无 需 控 制 且 悬 浮 气 隙 大, 可 高 达 100 mm 以 上, 但 车 辆 在 低 速 及 静 止 时 需 要 辅 助 车 轮 支 撑 导 向 驱 动 特 点 : 采 用 地 面 长 初 级 同 步 直 线 电 机 地 面 供 电, 不 存 在 前 言 中 第 2 节 所 述 受 电 弓 引 起 的 问 题, 可 提 供 产 生 大 推 力 的 电 能, 并 且 由 于 极 距 较 大, 通 以 较 低 频 率 的 电 流 就 能 得 到 较 高 的 同 步 速 度,2003 年 就 创 造 了 581 km/h 的 世 界 纪 录 日 本 自 1970 年 开 始 超 导 磁 悬 浮 研 究, 经 数 十 年, 一 直 坚 持 研 发 2005 年, 日 本 超 导 磁 悬 浮 铁 路 实 用 技 术 评 估 委 员 会, 作 出 实 用 化 的 基 础 技 术 已 经 确 立 的 评 估 结 论, 并 计 划 在 2018 年 完 成 确 立 与 其 他 交 通 运 输 方 式 具 备 竞 争 力 的 超 高 速 大 运 量 磁 悬 浮 铁 路 系 统 的 实 用 化 技 术 25 卷 第 2 期 ( 总 146 期 ) 27
图 10 TR 磁 悬 浮 结 构 图 10 是 TR 磁 悬 浮 列 车 结 构 主 要 组 成 部 分 有 : 地 面 上 的 支 撑 梁 导 向 和 制 动 轨 长 初 级 铁 芯 及 绕 组 滑 行 轨 ; 车 辆 上 的 悬 浮 和 牵 引 电 磁 铁 导 向 和 制 动 电 磁 铁 支 撑 滑 撬 及 车 厢 长 初 级 沿 T 形 支 撑 梁 全 线 连 续 铺 设, 悬 浮 及 牵 引 电 磁 铁 既 是 同 步 电 机 的 励 磁 极, 又 是 悬 浮 用 的 电 磁 铁, 滑 撬 和 滑 行 轨 用 作 非 常 状 况 下 的 紧 急 安 全 制 动 1. 磁 悬 浮 原 理 TR 磁 悬 浮 系 统 为 电 磁 式 (EMS) 图 11 是 列 车 控 制 原 理 图, 基 本 的 控 制 过 程 是 : 固 定 安 装 在 悬 浮 电 磁 铁 上 的 间 隙 传 感 器 检 测 出 间 隙 的 大 小, 并 结 合 车 辆 的 速 度 加 速 度 等 状 态, 间 隙 调 节 器 控 制 励 磁 电 流 器 调 节 励 磁 电 流, 也 就 是 磁 悬 浮 电 磁 铁 电 流 的 大 小, 保 证 稳 定 的 磁 浮, 一 般 情 况 下 磁 浮 间 隙 保 持 在 (10± 2)mm 励 磁 电 流 由 车 载 蓄 电 池 提 供, 直 线 发 电 机 向 蓄 电 池 充 电 以 保 证 蓄 电 池 长 期 工 作 图 11 TR 磁 悬 浮 控 制 原 理 2. 导 向 原 理 在 车 辆 两 个 侧 面 安 装 有 导 向 电 磁 铁, 而 在 导 轨 的 两 侧 端 面 安 装 有 导 向 的 铁 轨, 二 者 之 间 气 隙 为 10mm 当 车 辆 处 于 正 中 心 位 置 时, 两 边 气 隙 和 磁 吸 力 相 等, 但 方 向 相 反, 车 辆 处 于 平 衡 状 态, 一 旦 偏 离 中 心, 传 感 器 则 会 检 测 出 变 化, 通 过 改 变 两 侧 导 向 磁 铁 电 流 大 小, 即 使 气 隙 变 小 的 一 侧 电 流 变 小, 使 其 吸 力 变 小, 而 增 大 气 隙 变 大 一 侧 电 流, 使 其 磁 吸 力 变 大, 使 车 辆 向 中 心 复 原 3. 驱 动 原 理 TR 系 统 采 用 带 铁 芯 的 长 初 级 直 线 同 步 电 机 驱 动, 初 级 直 线 同 步 电 机 在 轨 道 下 方 沿 全 线 铺 设, 通 以 三 相 电 流 会 产 生 一 个 沿 线 路 移 动 的 行 波 磁 场, 这 一 磁 场 与 车 上 的 牵 引 电 磁 铁 相 互 作 用, 驱 动 车 辆 改 变 电 流 大 小 和 频 率, 可 以 实 现 车 辆 从 静 止 到 额 定 速 度 之 间 的 连 续 速 度 调 节 4. 技 术 特 点 TR 系 列 采 用 电 磁 悬 浮 (EMS), 因 此 在 车 辆 静 止 时 也 能 悬 浮 起 来, 由 于 间 隙 较 小, 约 为 10mm, 可 采 用 常 导 励 磁, 如 何 保 证 列 车 在 高 速 下 仍 能 处 于 稳 定 的 磁 悬 浮 状 态, 车 辆 的 控 制 技 术 是 核 心, 德 国 先 进 的 机 械 工 业, 极 致 的 加 工 精 度, 同 样 也 起 到 保 证 作 用 高 速 常 导 磁 悬 浮 列 车 TR 系 列 与 低 温 超 导 磁 悬 浮 列 车 ML 系 列, 历 经 近 半 个 世 纪 的 研 发, 达 到 很 高 的 技 术 水 准 1. 技 术 难 度 超 导 磁 悬 浮 列 车 需 要 车 载 低 温 系 统 给 液 氮 制 冷 以 使 超 导 线 圈 保 持 超 导 态, 车 载 低 温 技 术 是 其 难 点 常 导 磁 悬 浮 列 车 的 常 导 电 磁 铁 的 磁 场 控 制 是 多 因 素 随 机 的, 难 度 很 高 2. 磁 场 对 环 境 的 影 响 超 导 体 磁 场 是 发 散 的, 对 车 内 主 要 是 直 流 磁 场 影 响, 对 车 外 当 列 车 运 行 时 是 高 速 变 化 的 磁 场, 当 采 用 磁 屏 蔽 措 施 后 磁 场 减 小 到 0.37 ~ 1.33 mt, 与 常 导 磁 浮 列 车 相 近, 不 会 对 旅 客 及 线 路 周 边 人 物 造 成 危 害 28 现 代 物 理 知 识
两 个 系 列 车, 高 速 运 行 时 均 采 用 无 接 触 方 式 的 支 撑 导 向 驱 动 制 动 和 供 电, 消 除 了 传 统 轮 轨 铁 路 的 轮 轨 接 触 噪 声 和 受 电 弓 的 空 气 噪 声 及 电 弧 噪 声, 故 磁 悬 浮 列 车 噪 声 比 轮 轨 列 车 噪 声 低 很 多 TR 系 列 磁 悬 浮 列 车 在 时 速 450 km 时 噪 声 与 法 国 高 速 轮 轨 TGV-A 列 车 在 300 km/h 时 相 近 3. 能 耗 两 系 统 车 能 耗 接 近 500 km/h 速 度 下 的 座 千 米 能 耗 ML 系 列 为 89 W.h, 而 TR07 的 宽 松 座 位 时 为 150 W.h, 紧 凑 座 位 时 为 75 W.h TR 在 400 km/h 时 能 耗 与 高 速 轮 轨 300 km/h 相 当 4. 安 全 性 从 轨 道 特 征 看,TR 和 HSST 为 车 辆 环 抱 导 轨 型, 如 图 12 和 13 所 示,ML 车 辆 在 U 形 导 向 槽 中 运 行, 如 图 14 所 示, 不 会 发 生 脱 轨 翻 车 等 事 故, 长 初 级 车 辆 采 用 地 面 分 区 段 供 电 方 式 使 列 车 不 会 发 生 追 尾 事 故, 充 分 的 冗 余 设 计 保 证 了 悬 浮 的 可 靠 性, 列 车 运 行 非 常 安 全 总 之, 两 个 系 统 由 于 均 采 用 地 面 初 级 同 步 电 机 驱 动, 都 具 有 爬 坡 能 力 强 曲 线 半 径 小 环 境 性 能 好 加 速 制 动 能 力 强 等 优 点 适 用 的 运 营 速 度 范 围 在 400 ~ 550 km/h 为 速 度 优 先 旅 行 时 间 优 先 选 择 的 交 通 工 具, 是 长 大 干 线 旅 客 运 输 的 优 选 图 14 ML 超 导 高 速 磁 悬 浮 列 车 日 本 研 发 的 HSST(High Speed Surface Transport) 中 低 速 磁 悬 浮 列 车 已 建 成 了 商 业 运 行 线, 于 2005 年 在 爱 知 县 丰 田 市 作 为 市 内 公 交 线 运 营 HSST 系 列 是 作 为 城 市 与 近 郊 连 接 线 开 发 的, 可 以 大 幅 度 缩 短 通 勤 就 学 的 时 间, 速 度 定 在 100 ~ 200 km/h, 有 比 较 广 泛 的 区 域 适 应 范 围 1. 磁 悬 浮 和 导 向 原 理 HSST 采 用 电 磁 式 悬 浮 (EMS), 如 图 15 所 示, F 型 钢 轨 铺 设 在 线 路 两 侧, 安 装 在 车 上 的 常 导 电 磁 铁 为 U 字 形, 在 F 钢 轨 下 方 与 之 对 应, 约 8 ~ 10 mm 气 隙 与 F 形 钢 轨 形 成 闭 合 磁 路, 当 线 圈 中 通 以 直 流 电 时, 产 生 磁 通 沿 上 述 磁 路 闭 合, 在 气 隙 中 产 生 磁 吸 引 力, 这 个 力 与 车 重 平 衡 时, 车 辆 就 悬 浮 起 来, 气 隙 中 图 12 TR 高 速 磁 悬 浮 列 车 图 13 HSST 中 低 速 系 悬 浮 列 车 图 15 HSST 磁 悬 浮 结 构 原 理 25 卷 第 2 期 ( 总 146 期 ) 29
线 路 正 线 长 30 km, 辅 助 线 长 3 km, 双 线 上 下 行 折 返, 设 2 个 车 站,2 个 牵 引 变 电 站,1 个 运 行 控 制 中 心 和 1 个 维 修 中 心 和 车 库 2003 年 末 开 始 全 天 候 运 营 至 今 已 安 全 可 靠 运 行 了 近 十 年, 验 证 了 TR 列 车 作 为 一 种 高 速 运 营 车 辆 的 可 行 性 作 为 一 个 示 范 线, 在 线 进 行 了 一 系 列 的 科 学 实 验, 为 我 国 将 来 推 广 高 速 磁 浮 线 获 取 许 多 宝 贵 的 数 据 和 经 验 图 16 HSST 磁 浮 导 向 原 理 安 装 有 气 隙 传 感 器 以 调 节 气 隙 大 小, 保 证 在 任 何 工 况 运 行 时 气 隙 维 持 在 (10±2)mm 列 车 导 向 原 理 如 图 16 所 示, 当 列 车 偏 离 中 心 位 置 时, 这 时 U 字 形 磁 铁 与 F 形 钢 轨 中 心 也 随 之 发 生 横 向 移 动, 磁 场 发 生 扭 曲, 产 生 一 个 横 向 分 力, 使 磁 铁 回 复 到 磁 阻 最 小 即 两 中 心 重 合 的 位 置 2. 驱 动 原 理 HSST 采 用 车 载 短 初 级 直 线 异 步 电 机 驱 动 方 式 在 F 形 轨 道 上 放 敷 设 有 铜 或 铝 的 反 应 板, 初 级 通 以 三 相 电 流 时 产 生 一 移 动 磁 场, 该 磁 场 在 反 应 板 上 感 应 出 电 流 建 立 磁 场, 与 初 级 磁 场 相 作 用 产 生 牵 引 力 或 制 动 力 短 初 级 优 点 是 轨 道 结 构 简 单, 控 制 方 便, 发 车 频 率 较 高, 造 价 较 低, 且 磁 悬 浮 带 来 的 噪 声 低, 使 其 适 合 作 为 市 区 通 勤 用 车 短 初 级 异 步 电 机 缺 点 是 电 机 功 率 因 数 低 效 率 低, 导 致 功 率 设 备 容 量 远 大 于 电 机 输 出 功 率 车 载 初 级 必 须 具 备 受 流 设 备, 因 此 车 速 不 宜 太 快, 作 为 市 内 及 城 郊 的 交 通 工 具,100 ~ 200 km/h 的 速 度 区 间 是 适 宜 的 我 国 地 域 广 人 口 多, 适 宜 采 用 高 速 大 运 量 的 交 通 工 具 20 世 纪 末, 德 国 TR 高 速 磁 悬 浮 铁 路 技 术 已 达 到 商 业 应 用 程 度, 我 国 上 海 磁 悬 浮 示 范 运 营 线 采 用 TR 技 术, 建 成 世 界 上 第 一 条 高 速 磁 悬 浮 商 业 运 营 线, 取 得 良 好 的 运 营 业 绩 1. 中 低 速 磁 浮 铁 路 的 研 究 中 国 的 磁 悬 浮 铁 路 研 究, 始 于 20 世 纪 80 年 代, 初 期 主 要 进 行 小 型 磁 悬 浮 系 统 和 直 线 电 机 的 研 究 国 防 科 技 大 学 西 南 交 通 大 学 铁 道 科 学 研 究 院 主 要 开 展 磁 悬 浮 研 究, 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 和 浙 江 大 学 侧 重 于 牵 引 直 线 电 机 的 研 究 1992 年, 中 低 速 磁 悬 浮 列 车 关 键 技 术 研 究 列 入 国 家 八 五 重 点 科 技 攻 关 计 划,1998 年 在 铁 道 科 学 研 究 院 内 建 成 6 t 单 转 向 架 电 磁 悬 浮 试 验 车, 参 加 的 研 究 单 位 有 铁 道 科 学 研 究 院 国 防 科 技 大 学 西 南 交 通 大 学 和 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 2001 年 西 南 交 通 大 学 研 制 的 拟 用 在 风 景 区 作 为 旅 游 观 光 的 磁 悬 浮 车 辆 在 长 春 客 车 厂 竣 工 下 线 国 防 科 技 大 学 自 20 世 纪 80 年 代 开 始, 一 直 从 事 磁 悬 浮 系 统 的 研 究 1989 年 研 制 成 磁 悬 浮 试 验 模 型 车 随 后 在 长 沙 建 成 中 低 速 磁 浮 列 车 试 验 线, 开 展 了 一 系 列 相 关 试 验 2006 年 在 唐 山 机 车 车 辆 厂 内 建 成 2 km 的 中 低 速 磁 悬 浮 列 车 试 验 线, 开 始 进 行 中 低 速 磁 悬 浮 铁 路 工 程 化 的 综 合 实 验 研 究, 已 取 得 了 一 系 列 的 研 究 成 果 为 实 际 运 营 线 的 建 设 打 下 了 基 础 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 在 国 内 较 早 开 展 直 线 电 机 研 究 工 作, 对 直 线 电 机 的 特 性 计 算 和 设 计 方 法 进 行 了 理 论 分 析 和 试 验 研 究, 尤 其 是 在 直 线 电 机 所 特 有 的 电 机 端 部 效 应 方 面 做 了 有 效 的 工 作, 出 版 了 多 本 专 著 研 制 出 了 多 规 格 的 中 低 速 磁 悬 浮 车 牵 引 用 直 线 异 步 电 机, 成 功 地 应 用 在 多 种 直 线 电 机 牵 引 车 辆 上 2. 高 温 超 导 磁 悬 浮 车 1997 年, 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 与 ( 下 转 39 页 ) 30 现 代 物 理 知 识
都 能 自 动 识 别, 并 把 账 单 寄 给 我 们 雾 霾 天 气 逐 渐 远 离 我 们 的 城 市, 我 们 的 天 空 重 新 回 到 蓝 色 互 动 的 电 网 智 能 电 表 就 像 我 们 的 用 电 管 家, 通 过 它, 我 们 能 够 随 时 随 地 控 制 家 里 电 器 工 作 和 休 息, 并 且 分 门 别 类 地 告 诉 我 们 家 里 每 个 电 器 的 用 电 明 细, 查 询 哪 个 电 器 用 的 电 量 多 哪 个 电 器 最 节 能, 清 晰 掌 握 我 们 电 量 使 用 情 况 同 时 我 们 家 里 的 电 价 会 根 据 一 天 中 不 同 时 刻 动 态 更 新, 比 如 用 电 高 峰 时 段, 电 价 会 自 动 上 扬, 智 能 电 表 将 会 帮 助 我 们 提 出 最 优 的 用 电 计 划, 制 定 合 理 的 节 能 方 案, 引 导 我 们 在 日 常 生 活 中 节 约 能 源, 提 高 环 保 意 识 自 愈 的 电 网 智 能 电 网 通 过 进 行 连 续 不 断 的 在 线 自 我 评 估 以 预 测 电 网 可 能 出 现 的 问 题, 发 现 已 经 存 在 的 或 正 在 发 展 的 问 题, 并 立 即 采 取 措 施 加 以 控 制 或 纠 正, 构 筑 起 自 己 的 免 疫 系 统 和 防 线 当 电 网 受 到 故 障 扰 动 攻 击 或 是 自 然 灾 害 时, 智 能 电 网 能 够 自 动 甄 别 故 障 类 型 和 等 级, 定 位 故 障 地 点, 并 采 取 必 要 措 施 防 止 故 障 扩 散, 并 能 够 通 过 启 动 备 用 电 厂 等 手 段 自 我 恢 复 同 时 电 网 技 术 人 员 能 够 清 晰 地 了 解 电 网 运 行 状 况, 在 必 要 时 候 介 入 控 制 在 长 时 间 故 障 和 灾 害 情 况 下, 我 们 能 够 通 过 建 设 在 用 户 侧 的 分 布 式 能 源 形 成 独 立 的 微 型 电 网, 保 障 通 信 金 融 等 关 键 部 门 运 转, 维 持 社 会 稳 定, 并 指 挥 抢 险 救 灾 这 些 仅 仅 是 未 来 智 能 电 网 生 活 的 冰 山 一 角, 在 未 来 信 息 化 带 化 智 能 化 物 联 网 云 计 算 等 新 兴 技 术 的 催 生 下, 一 个 绿 色 互 动 高 效 坚 强 的 电 网 即 将 展 现 在 我 们 眼 前, 为 我 们 的 社 会 提 供 更 加 便 捷 安 全 优 质 的 能 源 供 给 5. 智 能 电 网 发 展 任 重 道 远 智 能 电 网 能 够 实 现 电 网 运 行 的 可 靠 安 全 经 济 高 效 环 境 友 好 和 使 用 安 全, 全 方 位 地 支 持 和 促 进 全 国 范 围 的 资 源 优 化 配 置 以 及 新 型 能 源 发 展 方 式 和 新 型 电 能 利 用 方 式 的 进 步, 由 此 还 能 带 动 以 IT 为 特 点 的 其 他 相 关 产 业 和 服 务 业 的 大 发 展, 它 将 是 一 个 必 然 的 发 展 趋 势 同 时 智 能 电 网 是 一 个 庞 大 的 系 统 工 程, 它 不 仅 需 要 电 力 行 业 中 装 备 制 造 建 设 发 电 运 营 科 研 等 几 乎 所 有 专 业 单 位 的 参 与, 也 需 要 多 行 业 多 学 科 多 领 域 的 交 叉, 更 需 要 政 府 主 导 和 政 策 支 持, 这 说 明 智 能 电 网 的 发 展 和 建 设 将 会 是 前 沿 技 术 不 断 应 用 和 集 成, 电 网 运 行 方 式 不 断 变 革 的 长 期 过 程 ( 北 京 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 100190) ( 上 接 30 页 ) 德 国 大 学 合 作, 研 制 成 小 型 高 温 超 导 磁 悬 浮 车 试 验 装 置 采 用 地 面 初 级 同 步 直 线 电 机 牵 引, 地 面 永 磁 轨 道 与 车 载 高 温 超 导 块 磁 悬 浮 形 式 2000 年, 西 南 交 通 大 学 研 制 成 载 人 高 温 超 导 磁 悬 浮 车, 采 用 地 面 初 级 异 步 电 动 机 牵 引, 地 面 永 磁 轨 道, 车 载 高 温 超 导 块 磁 悬 浮 形 式 总 的 来 看, 世 界 各 国 高 温 超 导 磁 悬 浮 车 的 研 究 基 本 上 还 停 留 在 磁 悬 浮 原 理 的 研 究 上, 距 离 实 际 运 行 车 辆 的 研 制 还 有 很 长 的 一 段 路 要 走 将 车 辆 悬 浮 在 轨 道 上 运 行 是 人 类 的 梦 想, 经 过 半 个 世 纪 的 努 力, 这 一 梦 想 初 步 实 现 了 磁 悬 浮 列 车 开 始 于 德 国 日 本, 他 们 有 功 于 人 类, 但 中 国 人 让 高 速 磁 悬 浮 车 驶 出 实 验 室, 驶 向 社 会 大 众, 同 样 功 不 可 没 人 类 的 追 求 永 不 停 止, 汽 车 火 车 不 是 人 类 出 行 的 永 恒, 磁 悬 浮 列 车 同 样 也 不 会 是 交 通 工 具 的 终 结, 现 在 他 们 相 辅 相 成, 将 来 也 会 共 同 发 展 ( 北 京 中 国 科 学 院 电 工 研 究 所 100190) 25 卷 第 2 期 ( 总 146 期 ) 39