【文章內(nèi)容簡介】 需23 分鐘。在時速達 200 公里時，乘客幾乎聽不到聲響。磁懸浮列車采用電力驅(qū)動，其發(fā)展不受能源結構，特別是燃油供應的限制，不排放有害氣體。據(jù)專家介紹，磁懸浮線路的造價只是普通路軌的 85%，而且運行時間越長，效益會更明顯。因為，磁懸浮列車的路軌壽命可達 80 年，而普通路軌只有 60 年。磁懸浮列車車輛的壽命是 35 年，輪軌列車是 20 至 25 年。此外，磁懸浮列車的年運行維修費僅為總投資的 1． 2%，而輪軌列車高達 4． 4%。磁懸浮高速列車的運行和維修成本約是輪軌高速列車 的 1/4。磁懸浮列車和輪軌列車乘客票價的成本比約為 1:。 磁懸浮列車的原理 傳統(tǒng)的鐵路列車都是依靠諸如蒸汽、燃油、電力等各種類型機車作為牽引動力，車輪和鋼軌之間的相互作用作為運動導向，由車輪沿著鋼軌滾動而前進的。而磁懸浮列車則是一種依靠電磁場特有的“同性相斥、異性相吸”的特性將車輛 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 10 托起，使整個列車懸浮在線路上，利用電磁力進行導向，并利用直線電機將電能直接轉(zhuǎn)換成推進力，來推動列車前進的交通工具。雖然磁懸浮列車仍然屬于陸上有軌交通運輸系統(tǒng) , 并保留了軌道、 道岔和車輛轉(zhuǎn)向架及懸掛系統(tǒng)等許多傳統(tǒng)機車車輛的特點 , 但由于列車在牽引運行時與軌道之間無機械接觸 , 因此從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制、 機械噪聲和磨損等問題 , 是一種新型的載運工具 ,其速度介于輪軌高速列車 (400 km /h) 與飛機 (700km / h)之間 , 而造價比地鐵低。 如上海地鐵造價為每公里人民幣 8 億元 , 而上海磁懸浮試驗線的造價約每公里人民幣 3 億元。磁懸浮列車按懸浮方式可分為常導磁吸型和超導排斥型兩大類。常導磁吸型以德國高速常導磁懸浮列車為代表。它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理 , 由車上常導電流產(chǎn)生電磁引力 , 吸引軌道下的導磁體 , 使列車浮起。常導磁吸型技術較簡單 , 產(chǎn)生的電磁吸力相對較小 , 懸浮的氣隙較小 , 一般為 8 mm～ 10mm。常導型高速磁懸浮列車的速度可達 400 km/h～500 km/h, 適合于城市間的長距離快速運輸。超導排斥型磁懸浮列車以日本為代表。它是利用超導磁體產(chǎn)生的強磁場在列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用 , 產(chǎn)生電動斥力將列車懸起 ,懸浮氣隙較大 , 一般為 100 mm 左右 , 技術相當復雜 ,并需屏蔽發(fā)散的電磁場 , 速度可達 500 km/ h 以上。根據(jù)行駛速度的不同 , 又可 分為高速型和中低速型。超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜щ娦院屯耆勾判?。超導體由超導材料制成的超導線圈構成 , 它不僅電阻為 0, 而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流。磁懸浮列車的研究和制造涉及自動控制、 電力電子技術、 直線推進技術、 機械設計制造、 故障檢測與診斷、 通訊與信號控制等眾多學科 , 技術十分復雜。 懸浮與推進原理 磁懸浮 列車利用 “ 同性磁極相斥，異性磁極相吸 ” 的原理，讓 磁鐵 具有抗拒地心引力 的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約 10mm 處，騰空行駛。磁懸浮列車的驅(qū)動運用同步直線電動機的原理。在位于軌道倆側的線圈里流動的交流電，能將線圈變?yōu)殡姶朋w。由于它與列車上的超導電磁體的相互作用，就使列車開動起來。列車前進是因為列車頭部的電磁體（ N 級）被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體（ S 級）所吸引，并且同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 11 （ N 級）所排斥。當列車到達下一位置，在線圈里流動的電流流向就反轉(zhuǎn)過來了。其結果就是原來那個 S 級線圈，現(xiàn)在變?yōu)?N 級線圈了，反之亦然。這樣，列車由于電磁鐵極性的轉(zhuǎn)換而得以持續(xù)向前奔馳。根據(jù)車速，通過電能轉(zhuǎn)換器調(diào)整在線圈里 流動的交流電的頻率和電壓。 同推進原理相同，當列車需要減速時，就在相當于定子的懸浮電磁鐵中通入反向交流電流，這樣產(chǎn)生的與列車行進方向相反的磁場就會給列車一制動力，使得列車減速。此時加速與減速作用時間相等。另外，如不通入反向電流而停止通電，一樣能得到減速剎車的效果，只是加速度較小。 磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和導向系統(tǒng)三大部分組成。 由于磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，磁懸浮列車因此也有兩種相應工作形式：一種是 以德國為代表的常規(guī)磁鐵吸引時懸浮系統(tǒng) ━━━ EMS 系統(tǒng) ,它利用常規(guī)的電磁鐵與一般鐵磁性物質(zhì)相 吸引的基本原理，把列車吸引上來，懸空運行。另一種是以日本為代表的排斥懸浮系統(tǒng)━━━ EDS 系統(tǒng)，它使用超導的磁懸浮原理，使車輪與鋼軌之間產(chǎn)生排斥力，使列車懸空運行。不同的懸浮系統(tǒng)，其懸浮原理不同。 磁懸浮列車上裝有 電磁體 ，鐵路底部則安裝線圈。通電后，地面線圈產(chǎn)生的磁場極性與列車上的電磁體極性總保持相同，兩者 “ 同性相斥 ” ，排斥力使列車懸浮起來。鐵軌兩側也裝有線圈，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w。它與列車上的電磁體相互作用，使列車前進。列車頭的電磁體（ N 極）被軌道上靠前一點的電磁體（ S 極）所吸引，同時被軌道上稍后一點的電磁 體（ N 極）所排斥，結果是一 “ 推 ”一 “ 拉 ” 。這樣，列車由于電磁極性的轉(zhuǎn)換而得以持續(xù)向前奔馳。 系統(tǒng)懸浮原理 電磁懸浮系統(tǒng)（ EMS）是一種常導吸力懸浮系統(tǒng)，它是結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互吸引產(chǎn)生懸浮。常導磁懸浮工作時，首先調(diào)整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道倆側的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側向距離，實現(xiàn)軌道在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮信息間隙為 10mm,s 是通過一套高精度電子調(diào)整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導向?qū)嶋H上與列車運行速度無關，所以即使在列車停車狀態(tài)下列車仍然可以進入懸浮狀態(tài)。 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 12 磁懸浮車輛結構主要是由車體（也稱為車廂）夾層結構和懸浮架組成。車廂與走行機構的懸浮架之間通過二系懸掛以及牽引拉桿相互連接。夾層要連接車廂和安裝走行機構，以及安裝信號和電力設備等。懸浮架是車輛的走行機構，其作用是裝載電磁鐵，且將懸浮力、導向力、牽引力和制動力通過二系懸掛系統(tǒng)傳遞給車廂。 系統(tǒng)懸浮原理 電力懸浮系統(tǒng)（ EDS）是一種斥力懸浮 系統(tǒng)，它利用了超導體的完全導電性和完全抗磁性。超導體的完全導電性。超導體的完全導電性是指在相當?shù)偷臏囟认鲁瑢B(tài)電阻為零的特性，當電阻為零時，可以傳導超大電流。超導態(tài)的另一個基本性質(zhì)是抗磁性，即在磁場中一個超導體只要處于超導態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應強度為零。也就是說，磁力線完全被排斥在超導體外面。因而超導體能夠支撐體積小功率強大的電磁鐵，利用超導的抗磁性可以實現(xiàn)磁懸浮。如果把一塊磁鐵放在超導盤上，由于超導盤把磁感應線排斥出去，超導盤跟磁鐵之間有排斥力，就可以使磁鐵懸浮在超導 盤的上方。超導磁懸浮就是利用了這一懸浮原理。 由于導軌產(chǎn)生的懸浮磁場為感應磁場，列車運行速度越高則懸浮力越大。當列車運行速度低于 120km/h 之后，所產(chǎn)生的懸浮力較小，不足以支撐車輛懸浮。故當運行速度低于 120km/h 時，日本的超導磁懸浮車輛需依靠安裝在轉(zhuǎn)向架底部的車輪支撐行駛，當速度高于 120km/h 時，車輛就自動懸浮起來。車輛以 500km/h的速度運行時，其懸浮高度約為 10cm。 導向原理 導向系統(tǒng)是用一種側向力來保證懸浮的機車能夠沿著軌道的方向運動的系統(tǒng)。必須的推力與選福利類似，在 機車底板上的同一塊電磁鐵可以同時為導向系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)提供動力，也可以采用獨立的導向系統(tǒng)電磁鐵。 新型磁懸浮列車原理與設計 為了克服現(xiàn)有磁懸浮列車普遍存在投資大、造價高、軌道路面平整度要求高、技術要求高等缺點，本人設計了一種懸浮和導向簡單、并且節(jié)能效果明顯的 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 13 新型磁懸浮列車。該新型磁懸浮列車綜合利用德國 EMS 制的磁吸力原理、日本EDS 制的磁斥力原理以及美國 magplane 和 Urban Maglev 方案中的懸浮原理。以下具體分析其結構及工作原理： 該磁 懸浮列車 主要有 車載懸浮磁體 懸浮鋁板 推進 磁體 驅(qū)動繞組 車體 8 和路軌 9。該實施例的 懸浮鋁板 2 分別敷設在路軌豎直軌道面面上懸浮陣列。其中兩列懸浮陣列呈豎直放置，左右各一列， 具體來說就是： 懸浮鋁板 2敷設在路軌的兩條豎直的平行軌道面壁上，懸浮鋁板 2 與懸浮鋁板 2 左右相向排列， 車載懸浮 磁體 1 豎直地 非接觸性地插入路軌懸浮鋁板 2 之間形成懸浮陣列，車載懸浮磁體 1 表 面積最大的面與 懸浮鋁板 2 表 面積最大的面相向平行， 其磁軸垂直于懸浮鋁板表 面積最大的面 。該 懸浮系統(tǒng)和導向系統(tǒng)合二為一，懸浮系統(tǒng)既用于列 車懸浮又用于列車導向 （如下圖 3 所示） ,圖 3 中 車載懸浮磁體 1 采用銣鐵硼 等強力永久磁體，也可采用電磁體、超導磁體等。 圖 53 1為車載懸浮磁體、 2為懸浮鋁板、 6為推進磁體、 7為驅(qū)動繞組、 8為車體、 9為路軌。 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 14 新型磁懸浮列車 綜合利用德國 EMS制的磁吸力原理、日本 EDS制的磁斥力原理以及美國 magplane和 Urban Maglev方案中的懸浮原理 ， 將車載 懸浮磁體 非接觸性地插入懸浮鋁板之間，利用 磁體與 鋁板 作相對運動在 鋁板 內(nèi)產(chǎn)生感應電流及感應磁場的原理來實現(xiàn)列車的懸浮和導向 ， 其性能比其他磁懸浮系統(tǒng)更為優(yōu)越， 是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮艖腋×熊嚒? ： 當列車處于整個軌道的正中央運行時， 由于車載 懸浮磁體 1非接觸性地插入懸浮鋁板 2之間，根據(jù) 磁體與導體作相對運動將在導體內(nèi)產(chǎn)生感應電流的原理（楞次定律） ， 當 車載 懸浮磁體 1與懸浮鋁板 2作相對運動時，懸浮 鋁板 2里產(chǎn)生感應電流， 感應電流的磁場與 車載 懸浮磁體 1的磁場方向相反，懸浮鋁板 2與 車載 懸浮磁體 1之間出現(xiàn)磁斥力。在 豎直的懸浮陣列中， F1和 F3分別代表磁懸浮列車的車載懸浮磁體 1和懸浮鋁板 2相對運動產(chǎn)生的磁斥力， F1和 F3沿豎直方向的合力起著列車懸浮的作用， F1和 F3沿水平方向的合力起著列車導向的作用 。 該懸浮列車的懸浮力隨列車速度增大而變大，列車在啟動時有最低的懸浮速度，因而它有小輔助輪，當列車低于該速度運行時，車體由輪子支撐運行，當列車達到某一個速度時，列車起浮， 車速達到兩、三百公里，懸浮非常明顯，達到四、五百公里，懸浮更高?？傊?，車速越快懸浮越高。 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 15 圖 54 實施方案的懸浮力示意圖 ： 當列車處于整個軌道的正中央運行時，列車左 懸浮陣列沿水平方向的合力與 列車右 懸浮陣列沿水平方向的合力都為零 。但當 列車不處于軌道正中央時，則 左右 合力不為零 。當列車向左偏移時，列車右 懸浮陣列 的 車載懸浮磁體 1 會向 該懸浮陣列的左 懸浮鋁板靠近而遠離 該懸浮陣列的右 懸浮鋁板，此時，F(xiàn)1 大于 F3，列車右 懸浮陣列沿水平方向的合力向右；同樣原理可以得出 列車左懸浮陣列沿水平方向的合力也向右，這樣列車被迫右移。 當列車向右偏移時 情況正好相反 ，列車受到 沿水平方向的總合力向左，這樣列車被迫左移。因此，只有列車在整個軌道的正中央位置時，列車 受到 沿水平方向 的 合力才為零 ，這樣就保證了列車在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。 ： 實施方案的 推進系統(tǒng)主要有驅(qū)動繞組 和推進磁體，該推進系統(tǒng)分兩種（即長定子和短定子）：第一種推進系統(tǒng)由軌道路面中間的驅(qū)動繞組和列 武漢紡織大學 2020 屆 畢業(yè)設計論文 16 車底部中間的車載推進磁體構成，作為直線電機的定子（即驅(qū)動繞組）沿著軌道連續(xù)分布，而作為車載推進磁體的轉(zhuǎn)子固定在列車上，推力由軌道上驅(qū)動繞組 的交流 電流產(chǎn)生；該推進系統(tǒng)系統(tǒng)采用分段供電，大約 2～ 3km 為一個供電區(qū)，每個供電區(qū)通過 沿線分布 的供電柜供電，使驅(qū)動繞組 與列車下面的 車載推進磁體或者 動力集成繞組產(chǎn)生電感應而驅(qū)動，實現(xiàn)非接觸性牽引和制動 ， 由于列車推進系統(tǒng)的驅(qū)動繞組 (定子電樞 )安裝在路軌上，功率電源放置在地面，用接力的方 式驅(qū)動車輛運行，運行更加可靠。由于不需要受流軌供電，所以列車運行無須饋電線和集電弓。第二種 推進系統(tǒng)由軌道路面中間的推進磁體和列車底部