中低速磁懸浮列車的懸浮與牽引工作原理

江冀海

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

運行速度在80km/h～200km/h 的磁懸浮列車統(tǒng)稱為中低速磁懸浮列車[1]，其適合城市市區(qū)、近距離城市間和旅游景區(qū)的交通連接，具有綠色環(huán)保、安全性高、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、建設(shè)成本低等優(yōu)點。 中低速磁懸浮交通系統(tǒng)供電、信號、站場的設(shè)計與現(xiàn)運營軌道交通系統(tǒng)的設(shè)計理念和技術(shù)路線相同，可采用已有的成熟技術(shù)，僅針對磁懸浮列車的技術(shù)特點進行專項設(shè)計和改進即可。 但與傳統(tǒng)輪軌車輛在驅(qū)動方式與技術(shù)特征方面存在的根本差異，導(dǎo)致其部分子系統(tǒng)在技術(shù)上發(fā)生了很大的變化，甚至某些技術(shù)已經(jīng)超出傳統(tǒng)軌道交通的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是磁懸浮車輛的懸浮系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。

磁懸浮列車仍然屬于陸上有軌交通運輸系統(tǒng)，列車運行時保持懸浮狀態(tài)，與軌道間無直接接觸，不存在傳統(tǒng)列車輪軌黏著限制的問題[2]，同時懸浮運行的特征極大地減小了車體設(shè)備之間的機械噪聲與磨損，基于這些優(yōu)勢，磁懸浮列車有可能成為未來理想的陸上交通工具。 目前的中低速磁懸浮列車通常采用常導(dǎo)磁吸式（EMS）進行懸浮和導(dǎo)向，異步短定子直線電機驅(qū)動，懸浮的氣隙較小，一般為10mm 左右。目前國內(nèi)已開通運營的長沙磁浮線和北京S1 磁浮線均采用了這種技術(shù)方案。

1 中低速磁懸浮列車懸浮原理

磁懸浮列車保持懸浮的力，從本質(zhì)上講就是電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力或者是同磁極間產(chǎn)生的排斥力來實現(xiàn)磁懸浮列車的懸浮和導(dǎo)向，再利用線性電機初級和次級可以分開安裝的特性來實現(xiàn)列車的驅(qū)動。 目前國內(nèi)中低速磁懸浮列車的軌道基本都采用了“F”形軌，“F”軌朝下凸起部分相當(dāng)于軌道端的磁極，與電磁鐵上的磁極相對應(yīng)產(chǎn)生電磁吸力使得列車懸浮起來，如圖1 所示。 目前國內(nèi)的中低速磁懸浮列車沒有配置專門的導(dǎo)向電磁鐵，當(dāng)列車轉(zhuǎn)彎時，“F”軌上的磁極與懸浮電磁鐵磁極之間產(chǎn)生錯位形成側(cè)向?qū)蛄?，電磁鐵導(dǎo)向力配合列車上的迫導(dǎo)向機構(gòu)實現(xiàn)懸浮架的曲線擬合。

圖1 中低速磁懸浮列車懸浮與導(dǎo)向原理

列車懸浮系統(tǒng)依靠間隙傳感器采集控制數(shù)據(jù)并反饋到懸浮控制器，經(jīng)過懸浮控制器的運算給出控制指令到斬波器，調(diào)整輸出到電磁鐵上電流的大小來調(diào)整懸浮力的大小，通過實時動態(tài)地調(diào)整懸浮間隙并使其始終保持在允許波動范圍值之內(nèi)[3]。 中低速磁懸浮列車懸浮系統(tǒng)的控制原理流程圖如圖2 所示。

圖2 懸浮系統(tǒng)控制原理流程圖

間隙傳感器一般固定在電磁鐵上，用于測量電磁鐵磁極極板上表面與“F”軌道下表面之間的間隙以及車輛的垂向加速度。 間隙傳感器探頭面應(yīng)與軌道面盡量保持平行。 間隙傳感器設(shè)置有冗余功能，單個間隙傳感器對應(yīng)輸出多路間隙信號和加速度信號[4]，各路信號都通過各自的一個串行通信接口傳送給懸浮控制器。

中低速磁懸浮列車的懸浮電磁鐵采用U 型結(jié)構(gòu)，懸浮電磁鐵磁極與“F”軌上磁極之間產(chǎn)生電磁吸力，在實現(xiàn)懸浮的同時兼具導(dǎo)向的作用。 懸浮電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 同時中低速磁懸浮列車設(shè)置有懸浮電源和懸浮蓄電池。懸浮電源直接從直流高壓側(cè)獲得DC1500V 電源輸入，輸出DC330V 電源，其輸出供懸浮電磁鐵、懸浮控制器、緊急通風(fēng)及懸浮蓄電池使用。 懸浮蓄電池額定電壓為DC330V，為車輛懸浮系統(tǒng)電源運用過程中提供補償電源能量及穩(wěn)定/調(diào)節(jié)電壓。 當(dāng)車輛懸浮電源系統(tǒng)失效時作為后備電源使用。

圖3 懸浮電磁鐵結(jié)構(gòu)

2 中低速磁懸浮列車牽引原理

中低速磁懸浮列車牽引系統(tǒng)主電路主要由受流器、高壓電器柜、高壓分線箱、電抗器、牽引逆變器、交流直線電機等組成。 牽引系統(tǒng)主電路主要功能是受流器得電，在庫用電源與第三軌供電之前實現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換，為列車提供牽引力與電制動力，對列車提供牽引控制和系統(tǒng)保護。

交流直線感應(yīng)電機與三相異步電機在工作原理上基本一樣，但是在結(jié)構(gòu)形式上產(chǎn)生了很大的變化。 通常可看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電動機沿軸向剖開，定子和轉(zhuǎn)子平鋪成直線，原先的定子部分稱為初級，原先的轉(zhuǎn)子部分稱為次級，如圖4 所示。

圖4 由旋轉(zhuǎn)電機演變?yōu)橹本€電機的過程

直線感應(yīng)電機的初級（定子）接通對稱的三相交流電源后產(chǎn)生沿“F”軌方向的行波磁場，中低速磁懸浮列車直線感應(yīng)電機的初級（定子）一般安裝在車輛底架部分的兩側(cè)，如圖5 所示，次級（轉(zhuǎn)子鋁材感應(yīng)板）沿列車前進方向鋪設(shè)在F 軌道上。 動態(tài)的行波磁場與鋁材感應(yīng)板間形成相對運動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，依據(jù)左手定則，動態(tài)的行波磁場與鋁材感應(yīng)板中產(chǎn)生的電流之間會產(chǎn)生一個沿軌道方向的電磁力，從而驅(qū)動列車沿軌道方向運行。 以長沙磁懸浮列車為例，每輛車的牽引系統(tǒng)包括1 臺逆變產(chǎn)生電壓、頻率可調(diào)三相交流電的牽引逆變器，牽引逆變器給當(dāng)前車輛上的10 臺直線感應(yīng)電機供電，為了實現(xiàn)電機三相間負(fù)載的平衡，10 臺直線感應(yīng)電機一般采用5串2 并的方案。

牽引逆變器是牽引系統(tǒng)的核心，它的基本功能是把從供電電網(wǎng)獲得的DC1500V 電壓變換成頻率和幅值都可調(diào)的三相交流電壓，給直線感應(yīng)電機供電。 逆變器主電路采用兩電平電壓型三相逆變電路，功率器件采用IGBT，主要由啟動限流模塊、濾波模塊、三相逆變器模塊、過壓保護斬波器模塊等組成，采用恒滑差頻率控制方式[5]。牽引逆變器裝置采用獨立安裝方式，即使其中一臺逆變器發(fā)生故障，其余逆變器還可以保持正常工作。中低速磁懸浮列車制動過程中，列車速度較高時采用可回收電能的再生制動模式，列車速度較低時再生制動無法產(chǎn)生足夠的制動力從而切換到反向制動，此時受流軌為直線感應(yīng)電機提供電能。

3 結(jié)論

本文重點介紹了國內(nèi)中低速磁懸浮車輛的懸浮系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的主要部件功能及其工作原理。 從中可以發(fā)現(xiàn)，直線電機定子和轉(zhuǎn)子無機械連接并可以分開安裝的特性剛好契合了磁懸浮車輛運行時懸浮的特性，中低速磁懸浮車輛采用短定子異步電動機的驅(qū)動方案，該方案建設(shè)成本相對低廉，但由于采用接觸軌受流也限制了車輛的速度上限。 磁懸浮車輛懸浮運行的特性，較之傳統(tǒng)輪軌車輛，很好地克服了輪軌黏著、運行噪聲等問題，可以有效延長磁懸浮車輛的使用年限，減少日常的維護檢修。