磁懸浮技術與磁懸浮列車

馮再科

摘 要：本文主要介紹了輪軌列車速度的局限性，磁懸浮技術的原理，磁懸浮列車的構成、原理等。詳細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)、導向系統(tǒng)以及推進系統(tǒng)等。

關鍵詞：磁懸浮技術；磁懸浮列車；懸浮系統(tǒng)；導向系統(tǒng)；推進系統(tǒng)

1前言

輪軌列車之所以能夠在軌道上牽引運行，是依靠黏著力來實現(xiàn)的。在運行速度上，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)生的黏著力運行的。黏著力不僅跟車輪踏面與鋼軌表面狀況有關，而且與列車的運行速度有關。隨著輪軌列車運行速度的不斷增加，輪軌間的黏著力也在不斷減小。同時，列車運行時所受的空氣阻力也會隨著運行速度的增加而增大。當列車所受到的牽引力值與阻力值大小相等時，加速度為0，列車的速度將不再增加，此時輪軌列車的運行速度便是其極限速度，即最高運行速度。由于此種原因，即便是輪軌列車中的高速動車組其正常運營速度也很難突破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)動和牽引的電力機車。為了從接觸網(wǎng)上獲得電能，在電力機車的車頂部分都會裝有受電弓裝置。受電弓通過其頂部的碳滑板和接觸網(wǎng)導線相接觸，從接觸網(wǎng)上獲得電能，并通過車載高壓電纜將其傳送到機車內(nèi)部，驅(qū)動牽引電動機工作。為了確保受電弓和接觸網(wǎng)導線之間接觸良好，受電弓必須具有大小適中且方向向上的壓力。電力機車運行時，接觸網(wǎng)導線和碳滑板之間產(chǎn)生滑動摩擦，并且二者之間的接觸壓力會隨著機車運行產(chǎn)生變化。如果受電弓和接觸網(wǎng)之間出現(xiàn)離線情況，就會產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，進而對接觸網(wǎng)和受電弓產(chǎn)生燒蝕，造成嚴重事故。弓網(wǎng)的離線率會隨著機車運行速度的增加而迅速增大，進而對弓網(wǎng)的燒蝕更加嚴重。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。輪軌列車制動時所需的制動力依靠的是黏著力。列車運行時，運行速度越高，黏著力越小，其制動距離越大，從而嚴重影響列車的安全。

（4）運營成本。輪軌鐵路其建造成本隨著輪軌列車運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點因素嚴重影響了輪軌列車在未來的發(fā)展前景。隨著世界各國經(jīng)濟不斷地發(fā)展，各國經(jīng)濟實力逐漸增強。為了適應國內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展以及滿足民生的需求，不斷提升國內(nèi)交通系統(tǒng)的運輸能力，研制新型的交通運輸工具勢在必行。于是，世界上許多國家先后開展了對磁懸浮列車的研發(fā)并取得了一系列令全世界矚目的成就。

2磁懸浮技術的原理

磁懸浮系統(tǒng)由4部分構成，分別為控制單元、執(zhí)行單元、轉子和傳感器。執(zhí)行單元由2部分構成，即功率放大器和電磁鐵。傳感器檢測轉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定的懸浮間隙進行比較，通過控制算法計算出控制量。系統(tǒng)圖如圖1所示。

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

當一個向下的干擾作用在轉子上時，轉子便會向下運動，偏離原來的平衡位置，其與電磁鐵之間的懸浮間隙增大，電磁鐵對轉子的電磁力減小。此時傳感器就會檢測出新的懸浮間隙并反饋給控制單元，經(jīng)控制單元比較與計算后輸出控制信號，控制信號由功率放大器轉換成控制電流，控制電流通入電磁鐵線圈，電磁鐵產(chǎn)生電磁力（此時的電磁力比原來的電磁力大）并作用在轉子上，最終轉子移動到原來的平衡位置。

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算，電磁鐵線圈中的電流不斷地及時校正，以此維持懸浮間隙的恒定。因此，無論是向上或者向下的干擾作用于轉子，轉子最終都會移動到原來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)的運行模式，完全實現(xiàn)了列車與軌道之間無接觸、無摩擦的運行模式。由于磁懸浮列車與軌道之間沒有摩擦力，其理論速度可達每小時幾千千米[4]，甚至更高。因此，它在未來擁有十分廣闊的發(fā)展前景。

磁懸浮列車主要由三大系統(tǒng)構成，即懸浮系統(tǒng)、導向系統(tǒng)以及推進系統(tǒng)。它利用電磁力來實現(xiàn)自身的懸浮和導向，利用直線電機產(chǎn)生的電磁力作為自身運行的動力，牽引其運行。

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)和電動懸?。ù懦馐綉腋。┫到y(tǒng)。

將懸浮電磁鐵安裝在列車兩個側面的轉向架上，在導軌上鋪設鐵磁軌道。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)生的吸引力來實現(xiàn)懸浮的。列車運行時，為了確保懸浮系統(tǒng)的可靠性和平穩(wěn)性，必須精準地控制懸浮電磁鐵中電流的大小，從而控制磁場的強度，保持懸浮力穩(wěn)定，使導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，利用間隙傳感器來檢測懸浮間隙的大小，結合列車運行時的各種狀態(tài)，利用間隙調(diào)節(jié)器來精確控制勵磁電流器，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車上的直線發(fā)電機提供。這種懸浮方式在停車狀態(tài)時可以保持懸浮狀態(tài)，列車不需要安裝機械支撐裝置。

電動懸浮系統(tǒng)是利用在列車的兩個側面安裝的超導磁體與排列在地面軌道側面的8字形短路線圈相對運動產(chǎn)生的排斥力實現(xiàn)懸浮的。當列車運行時，向車載超導磁體通電。由于超導磁體在超導狀態(tài)時電阻為零。因此，超導磁體中產(chǎn)生的電流很大，在其周圍會產(chǎn)生很強的磁場。根據(jù)電磁感應原理，在軌道側面的8字形短路線圈中產(chǎn)生電流。根據(jù)電流的磁效應，在8字形線圈的上半側線圈和下半側線圈中各會形成一個磁場。上半側線圈的磁場和超導磁體形成的磁場異極性，吸引超導磁體向上；下半側線圈的磁場和超導磁體形成的磁場同極性，排斥超導磁體向上，列車最終受到向上的合力。當合力（磁力）大小足夠大時，列車便會克服自身重力，實現(xiàn)懸浮。當列車受到一個向下的擾動時，列車向下移動，短路線圈和超導磁體之間的距離減小，懸浮力增大，列車上移到原來的平衡位置。列車在低速狀態(tài)下，無法實現(xiàn)懸浮。因此，在列車上需要安裝著地支承裝置。

3.2導向系統(tǒng)

導向系統(tǒng)是利用電磁力來實現(xiàn)導向功能的。

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

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

在列車的兩個側面安裝導向超導磁體，在導向軌的側向安裝地面線圈。超導磁斥式磁懸浮列車的導向系統(tǒng)是利用導向超導磁體和地面線圈相互作用產(chǎn)生的排斥力來實現(xiàn)導向的。排斥力和列車側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。這種磁懸浮列車導向系統(tǒng)除了以上的構成方式外，還有安裝機械導向輪等。

3.3推進系統(tǒng)

磁懸浮列車的推進系統(tǒng)是利用直線電機來實現(xiàn)列車牽引運行的。

直線電機與旋轉電機的工作原理相同，都是利用電磁場來產(chǎn)生電流或者機械運動。其中旋轉電機工作時形成旋轉磁場，直線電機工作時形成行波磁場。直線電機可以理解為將旋轉電機展平，其中旋轉電機中的定子部分在直線電機中叫做初級，轉子部分叫做次級[5]。直線電機按照初級長短不同可以分成2種，分別為短初級直線電機和長初級直線電機。

日本HSST型磁懸浮列車是一種中低速磁懸浮列車，它利用短初級直線異步電機來牽引列車運行。將直線電機安裝在磁懸浮列車上，將反應板沿全線鋪設在軌道上。利用受電弓將三相交流電通入到列車上的初級繞組中，形成行波磁場。在行波磁場的作用下，在反應板上面產(chǎn)生感應電動勢和感應電流并且形成磁場，該磁場和行波磁場相互作用產(chǎn)生電磁推力，牽引列車運行。短初級直線異步電機的優(yōu)點是造價低，容易控制和維護、噪聲較低等。缺點是效率低，電機功率因數(shù)較低等。由于需要受電弓為車載初級繞組提供交流電，因此短初級直線電機不適合高速系統(tǒng)。

日本ML型磁懸浮列車是一種高速超導磁懸浮列車，它利用長初級直線同步電機來驅(qū)動列車運行。將直線電機的三相繞組（初級繞組）安裝在地面軌道的側壁上，將低溫超導磁體安裝在車輛兩端的兩側。將三相交流電通入到三相繞組中，會產(chǎn)生一個沿著軌道移動的行波磁場。在行波磁場和由低溫超導磁體形成的超導磁場的相互作用下，在列車上會產(chǎn)生排斥力與吸引力，其合力的方向為列車前進的方向，牽引著列車運行。其原理如圖2所示。由于直線電機由地面供電，所以列車不需要安裝受電弓。因此，長初級直線電機適合高速系統(tǒng)。

4總結

經(jīng)過半個多世紀的不懈努力，不斷創(chuàng)新，磁懸浮列車由20世紀初提出的理論發(fā)展到現(xiàn)在的正式運行。雖然，現(xiàn)在還有很多的技術難題尚未解決。但是，隨著磁懸浮技術的不斷發(fā)展、不斷完善。相信在不久的將來，磁懸浮列車的各種技術難題都會迎刃而解。最終，我們將會迎來磁懸浮時代。

參考文獻：

[1]嚴陸光. 中國需要高速磁懸浮列車[J]. 中國青年科技， 2000（8）：8-13.

[2]王麗茹， 張彥軍. 磁懸浮技術在工程實踐中的應用分析[J]. 職業(yè)， 2010（17）：151-152.

[3]黃峰， 朱熀秋， 謝志意等. 徑向二自由度混合磁軸承參數(shù)設計與分析[J]. 中國機械工程， 2007， 18（10）：1143-1146.

[4]羅煒寧， 王強. 磁懸浮列車未來發(fā)展與展望[J]. 硅谷， 2013（5）：2-2.

[5]童亮， 王準. 基于直線電機的高速滾珠絲杠副壽命試驗機設計[J]. 中國機械工程， 2014， 25（13）：1711-1714.