【正文】 速磁懸浮，則比飛機(jī)優(yōu)越的旅行距離將達(dá)1500公里以上。據(jù)德國(guó)試驗(yàn)，當(dāng)TR磁懸浮列車時(shí)速達(dá)到400公里時(shí)，其每座位公里能耗與時(shí)速300公里的高速輪軌列車持平；而當(dāng)磁懸浮列車時(shí)速也降到300公里時(shí)，它的每座位公里能耗可比輪軌鐵路低33％。在車輛下部的導(dǎo)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(cè)向距離，實(shí)現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無(wú)接觸支撐和無(wú)接觸導(dǎo)向。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車運(yùn)行速度無(wú)關(guān)，所以即使在停車狀態(tài)下列車仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈，地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)繞組起到電樞的作用，它就像同步直線電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)定子繞組。同樣，當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供三相調(diào)頻調(diào)幅電力時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用承載系統(tǒng)連同列車一起就像電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”一樣被推動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)。超導(dǎo)磁懸浮列車的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完全抗磁性。超導(dǎo)磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動(dòng)繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)，車輛上的感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備由動(dòng)力集成繞組、感應(yīng)動(dòng)力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。其原理就象沖浪運(yùn)動(dòng)一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動(dòng)他快速前進(jìn)的。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測(cè)車輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測(cè)儀傳來(lái)的信息調(diào)整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運(yùn)行。但地面導(dǎo)軌兩側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組與外部動(dòng)力電源無(wú)關(guān)，當(dāng)列車接近該繞組時(shí)，列車超導(dǎo)磁鐵的強(qiáng)電磁感應(yīng)作用將自動(dòng)地在地面繞組中感生電流，因此在其感應(yīng)電流和超導(dǎo)磁鐵之間產(chǎn)生了電磁力，從而將列車懸起，并經(jīng)精密傳感器檢測(cè)軌道與列車之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。目前，中國(guó)對(duì)磁懸浮鐵路技術(shù)的研究還處于初級(jí)階段。繼1994年西南交大成功地進(jìn)行了4個(gè)座位、自重4噸、懸浮高度為8毫米、時(shí)速為30公里的磁懸浮列車試驗(yàn)之后，由鐵科院主持、長(zhǎng)春客車廠、中科院電工所、國(guó)防科技大學(xué)參加，、寬為3米、自重4噸、內(nèi)設(shè)15個(gè)座位的6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車在鐵科院環(huán)行試驗(yàn)線的軌距為2米、長(zhǎng)36米、設(shè)計(jì)時(shí)速為100公里的室內(nèi)磁懸浮實(shí)驗(yàn)線路上成功地進(jìn)行了試驗(yàn)，并于1998年12月通過(guò)了鐵道部科技成果鑒定?！∩虾４艖腋×熊嚍槌?dǎo)磁懸浮列車。上海磁懸浮列車系統(tǒng)全線總共有1400多根軌道梁，每根長(zhǎng)約50米，重達(dá)350 噸。由西南交大、長(zhǎng)春客車廠及株洲電力機(jī)車研究所聯(lián)合制造的，我國(guó)自行研制、設(shè)計(jì)、施工總投資達(dá)3000萬(wàn)元的第一條磁懸浮列車線路——青城山磁懸浮列車線路，已經(jīng)于今年在青城山正式啟動(dòng)。、呈流線形，采用常導(dǎo)吸力式磁懸浮技術(shù)。時(shí)速不同上海采用的是德國(guó)磁浮技術(shù)用于城際交通，這決定了它的技術(shù)研究方向是高速度(上海磁浮列車的運(yùn)行時(shí)速達(dá)430公里)。增加我校校慶前在青城山的工作1. 4 磁懸浮列車懸浮方式磁懸浮列車主要由車體與導(dǎo)軌兩大部分構(gòu)成。導(dǎo)軌用來(lái)引導(dǎo)車輛的縱方向，導(dǎo)軌的形狀有U形、T型、L型等多種式樣，其表面和側(cè)面安裝了產(chǎn)生懸浮力、導(dǎo)向力和牽引力的導(dǎo)體或線圈。這些特殊的技術(shù)導(dǎo)致了特有的性能并提出了一系列性能指標(biāo)與技術(shù)的參數(shù)。低速時(shí)抬車力小，故車輛加輔助輪，高速時(shí)車體可達(dá)100300mm的懸浮高度，代表車型有日本研制的MLU00MLU00MLU002N及MLX01型。氣隙閉環(huán)后采用計(jì)算機(jī)集散控制概念中的“磁輪”，使之在行走和停車時(shí)保持設(shè)計(jì)懸浮高度。德國(guó)transrapid磁懸浮列車（圖中為軌道）與日本HSST磁懸浮列車（PMS，磁吸式）早期采用的懸浮方式，用永久磁鐵的吸力或斥力提升車體，大多利用吸力。代表車型有德國(guó)Mbahn。按抬車力形成的原理，可將懸掛的懸浮方式分為電動(dòng)懸?。‥DS）、電磁懸?。‥MS）和永磁懸?。≒MS）三種，表11中列出了性能和比較。盡管可以使用與磁力無(wú)關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)，但在目前的絕大部分設(shè)計(jì)中，這三部分的功能均由磁力來(lái)完成。 懸浮系統(tǒng)：目前懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以分為兩個(gè)方向，分別是德國(guó)所采用的常導(dǎo)型和日本所采用的超導(dǎo)型。圖4給出了兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差別。常導(dǎo)磁懸浮列車工作時(shí)，首先調(diào)整車輛下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道兩側(cè)的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車浮起。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過(guò)一套高精度電子調(diào)整系統(tǒng)得以保證的?！　‰娏腋∠到y(tǒng)（EDS）將磁鐵使用在運(yùn)動(dòng)的機(jī)車上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。然而機(jī)車必須安裝類似車輪一樣的裝置對(duì)機(jī)車在“起飛”和“著陸”時(shí)進(jìn)行有效支撐，這是因?yàn)镋DS在機(jī)車速度低于大約25英里/小時(shí)無(wú)法保證懸浮?！　∽鳛槟壳白羁焖俚牡孛娼煌üぞ?，磁懸浮列車技術(shù)的確有著其他地面交通技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：　　首先，它克服了傳統(tǒng)輪軌鐵路提高速度的主要障礙，發(fā)展前景廣闊。還應(yīng)注意到，輪軌鐵路提高速度的代價(jià)是很高的，300公里/小時(shí)高速鐵路的造價(jià)比200公里/小時(shí)的準(zhǔn)高速鐵路高近兩倍，比120公里/小時(shí)的普通鐵路高三至八倍，繼續(xù)提高速度，其造價(jià)還將急劇上升。可僅僅十年后的1979年，磁懸浮列車技術(shù)就創(chuàng)造了517公里/小時(shí)的速度紀(jì)錄?！　〉诙?，磁懸浮列車速度高，常導(dǎo)磁懸浮可達(dá)400500公里/小時(shí)，超導(dǎo)磁懸浮可達(dá)500600公里/小時(shí)。各種交通工具根據(jù)其自身速度、安全、舒適與經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，分別在不同的旅行距離中起骨干作用。而500公里/小時(shí)的高速磁懸浮，則比飛機(jī)優(yōu)越的旅行距離將達(dá)1500公里以上。據(jù)德國(guó)試驗(yàn)，當(dāng)TR磁懸浮列車時(shí)速達(dá)到400公里時(shí)，其每座位公里能耗與時(shí)速300公里的高速輪軌列車持平；而當(dāng)磁懸浮列車時(shí)速也降到300公里時(shí)，它的每座位公里能耗可比輪軌鐵路低33％。對(duì)磁懸浮工作原理的研究過(guò)程，也就是我對(duì)磁懸浮系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的逐漸深入過(guò)程。本文研究的主要內(nèi)容就是磁懸浮系統(tǒng)中的各種控制手段和方法。所以在以下的常導(dǎo)磁懸浮研究部分，我就以最常見的常導(dǎo)吸力式磁懸浮列車做為模型，研究和分析磁懸浮的控制原理和方法。從日本對(duì)低速磁浮的研究文獻(xiàn)中,得到了懸浮磁鐵和軌道的近似模型,如圖21所示1. 勵(lì)磁線圈。 懸浮力的公式推導(dǎo)計(jì)算懸浮力的公式為:式中,F為懸浮力。p為磁極寬度。u0為空氣磁導(dǎo)率；根據(jù)磁勢(shì)，磁通，磁阻和氣隙磁通密度的相互關(guān)系,可得懸浮力的近似計(jì)算公式:式中, 為單個(gè)氣隙長(zhǎng)度。 磁極側(cè)向偏移時(shí)的懸浮力和導(dǎo)向力在設(shè)計(jì)懸浮系統(tǒng)的時(shí)候,磁極和導(dǎo)軌部分都做成形,目的是使系統(tǒng)在提供懸浮力的同時(shí),利用磁極左右擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反方向的橫向力讓磁極回到中心位置,從而起到側(cè)向?qū)虻淖饔谩?為磁極側(cè)向偏移時(shí)的導(dǎo)向力。 磁浮列車的驅(qū)動(dòng)原理磁懸浮與線性驅(qū)動(dòng)是磁浮列車兩大技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)在從驅(qū)動(dòng)角度來(lái)分析選型。磁浮列車采用的線性電機(jī)有兩種不同型式，它們的主要技術(shù)特征見下表。長(zhǎng)定子方案，由于沿線鋪設(shè)電機(jī)定子繞組，其造價(jià)必然很高。圖22示意地表示了德國(guó)TR型磁浮列車長(zhǎng)定子線性電機(jī)從傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開，設(shè)于地面定子鐵心槽內(nèi)的情況。所以，短定子磁浮線路的造價(jià)遠(yuǎn)低于長(zhǎng)定子磁浮線路。所以嚴(yán)格地說(shuō)，這種短定子直線電機(jī)磁浮列車不是完全無(wú)機(jī)械接觸的。從運(yùn)行控制方面來(lái)說(shuō)，短定子磁浮列車控制是在車上完成的，相對(duì)比較容易。線性異步電機(jī)牽引力Fx和法向力Fz與滑差頻率Fz的關(guān)系曲線見圖B。因?yàn)樵O(shè)計(jì)磁懸浮系統(tǒng)時(shí)，除了要克服車輛重力以及在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的動(dòng)力作用外，還必須考慮這種由電機(jī)產(chǎn)生的法向干擾力，而且電機(jī)的法向力很大，它和電機(jī)牽引力有同樣的數(shù)量級(jí)。這就要求對(duì)磁浮列車的速度進(jìn)行精確測(cè)量，而直線運(yùn)動(dòng)速度精確測(cè)量是項(xiàng)專門技術(shù)。單個(gè)氣隙長(zhǎng)度D為10。磁極長(zhǎng)度l為1磁極無(wú)側(cè)向偏移時(shí)的磁場(chǎng)分析根據(jù)圖21所示的物理模型以及給定的參數(shù),建立有限元分析模型,給勵(lì)磁線圈加上10080A的電流,可以獲得圖24所示的磁力線分布圖以及圖25所示的氣隙磁通密度曲線。在勵(lì)磁線圈安匝數(shù)保持不變的情況下,懸浮力大小隨著側(cè)移而下降。表21給出了磁極極面寬度為28，線圈勵(lì)磁電流為10080A時(shí),由于磁極側(cè)移引起的懸浮力和導(dǎo)向力的變化。這種不重合可以近似認(rèn)為是磁極的側(cè)移。圖26給出了列車通過(guò)彎道時(shí)磁極和導(dǎo)軌的相對(duì)位置示意圖(圖中只畫了一個(gè)極)，其中矩形表示的是磁極模塊，斷裂環(huán)形表示的是導(dǎo)軌極面，陰影部分表示兩者不重合的區(qū)域。磁極極面寬度p2=28。 懸浮力的補(bǔ)償（1） 磁極鐵芯和導(dǎo)軌的極面同時(shí)加寬圖27和圖28給出了相同的勵(lì)磁安匝數(shù)下，在磁極寬度分別為28mm、32mm、36mm時(shí)，由于磁極側(cè)向偏移導(dǎo)致的懸浮力和導(dǎo)向力變化。也就是說(shuō)，在增加磁極寬度的情況下，無(wú)需增加勵(lì)磁就可以大大改善懸浮力。（2） 加寬導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)極面由于磁極鐵芯和導(dǎo)軌極面的同時(shí)加寬會(huì)大量增加成本，在這種情況下只考慮增加導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)極面的寬度。從圖中可以看出，單側(cè)極面柱寬度每增加14%(4/28)，在磁極側(cè)移時(shí)，懸浮力的增加約為300N在這里對(duì)列車通過(guò)彎道處時(shí)由于磁極鐵芯跟導(dǎo)軌極面不重合情況下懸浮力的損失及電流補(bǔ)償進(jìn)行分析。選取3個(gè)特定的彎道半徑進(jìn)行分析計(jì)算，并將計(jì)算得到的結(jié)果整理如表2。 結(jié)果比較圖211和圖212給出了ANSYS的分析結(jié)果和近似公式計(jì)算結(jié)果的圖形對(duì)比。2. 3 常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)總的來(lái)說(shuō)，影響懸浮力的因素有下面4個(gè):物理參數(shù)、勵(lì)磁電流、磁極側(cè)向偏移、渦流。二是溫升?？梢缘玫綔厣挠?jì)算公式:式中，τ為溫升。R為線圈電阻。Sr為散熱面積。要改善溫升，一方面可以采用高溫升等級(jí)的耐熱材料。至于渦流，在對(duì)整車的懸浮模塊進(jìn)行分析時(shí)，渦流的影響不是很大。實(shí)際上，在列車速度超過(guò)100km/h時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)影響更大的是牽引異步電機(jī)的效率和功率因數(shù)。此外，還應(yīng)在保證懸浮能力和溫升不超過(guò)限值的前提下，進(jìn)行成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在利用液體空氣和液氫的基礎(chǔ)上，當(dāng)時(shí)在實(shí)驗(yàn)中已能實(shí)現(xiàn)14K的低溫。當(dāng)時(shí)，使萊登實(shí)驗(yàn)室獲得了當(dāng)時(shí)所能達(dá)到的最低溫度。昂尼斯根據(jù)杜瓦的經(jīng)驗(yàn)預(yù)期，隨著溫度的降低，電阻率會(huì)平緩地趨于零。由于利用真空蒸餾易于得到純汞，他們使進(jìn)一少選擇汞作實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：。圖3—1的橫坐標(biāo)是濕度，縱坐標(biāo)是該溫度下汞的電阻與攝氏零度時(shí)汞的電阻之比。圖中標(biāo)出了電阻的突變。他把這種顯示出超導(dǎo)電性質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)定名為超導(dǎo)態(tài)。我們用超導(dǎo)體一詞表示當(dāng)冷卻到一定濕度以下時(shí)能表現(xiàn)出超導(dǎo)電性的材料?，F(xiàn)在我們知道，有些在正常態(tài)時(shí)具有很大電阻率的不純的金屬是超導(dǎo)體，而鉑、銅、金、銀等在直到目前所能達(dá)到的最低溫度下尚未表現(xiàn)出是超導(dǎo)體。 測(cè)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)交溫度主要有電測(cè)法和磁測(cè)法兩種。將恒定電流通入被測(cè)樣品，把靈敏伏特計(jì)連到樣品兩端，通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)測(cè)量電阻，根據(jù)樣品電阻下降為零，可測(cè)定Tc。轉(zhuǎn)變寬度因材料性質(zhì)不同而不同?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)充分退火的單晶樣品，其轉(zhuǎn)變寬度很小，但在多星體或合有機(jī)械應(yīng)變和雜質(zhì)的樣品小，轉(zhuǎn)變寬度增大。圖32 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的寬度隨樣品的性質(zhì)不同而不同自然會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)問題：在超導(dǎo)態(tài)下電阻真是完全消失了嗎?為研究這個(gè)問題，昂尼斯作了更靈敏的實(shí)驗(yàn)——超導(dǎo)環(huán)中的持續(xù)屯流實(shí)驗(yàn)。如果以L表示環(huán)的自感，R表示其電阻，則有：積分后得到：其中表示電流衰減時(shí)間。然而對(duì)于超導(dǎo)環(huán)，情況完全不同。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此電流衰減極小。其后柯林斯曾使一超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了約兩年半之久，而末發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化。CM。m。應(yīng)該指出，只是在直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象。當(dāng)頻率高于Hz時(shí)，其電阻將達(dá)到正常金屬的電阻值。不過(guò)，對(duì)晶體周期性的任何破壞都會(huì)引起電阻。晶體中無(wú)規(guī)分布的缺陷(如外來(lái)雜質(zhì)原于、空位等)邊都會(huì)造成心子散射而引起電阻。這樣看來(lái)，前面談到的有些具有很大電阻率的不純金屬也能進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)就更令人費(fèi)解。他們把超導(dǎo)電性歸因于一個(gè)全新的機(jī)制，即導(dǎo)電電子凝聚為電子對(duì)。降低溫度到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc以下，再加一與圓柱體鈾線平行的外磁場(chǎng)。當(dāng)增大到Hc時(shí)，電阻突然出現(xiàn)，超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)坐為正常態(tài)。圖3—3畫出若干超導(dǎo)體的Hc(T)曲線。研究表明，各種不同的超導(dǎo)體的Hc—T曲線都可近似地用下列公式表示： （31）其中Hc(0)是T＝0K時(shí)超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)(為簡(jiǎn)單起見，常把Hc(0)寫成材H0)。若要與實(shí)驗(yàn)值符合得更好，則需用多項(xiàng)式表示Hc(T)。 引入約化物理量，t=T/Tc h=H0/Hc，于是(3—1)式可寫為 （32） 從圖3—3可以看出，在T=0K時(shí)，；在T＝Tc時(shí)，Hc=0，而且等是有限值；當(dāng)時(shí)，0。象圖3—4那樣的圖可稱為超導(dǎo)體的相圖。如圖中P點(diǎn)箭頭所表示的，在一定溫度下，增大磁場(chǎng)可以使超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)進(jìn)入正常態(tài)。當(dāng)然也可以同時(shí)改變溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，像圖中斜箭頭所示的那樣。Ic稱為超導(dǎo)體的臨界電流。但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了臨界磁場(chǎng)之后，西耳斯比提出，這種由電流引起的超導(dǎo)—正常轉(zhuǎn)變是場(chǎng)致轉(zhuǎn)變的特殊情況。西耳斯比提出了下面的假設(shè)： 在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，臨界電流在樣品表面所產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰等于Hc。在半徑為r的超導(dǎo)線中通過(guò)電流I時(shí)，在超導(dǎo)線表面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：如果I足夠大，使得H超過(guò)Hc(T)，那么超導(dǎo)態(tài)就被破壞。（3） 邁斯納效應(yīng)直到1933年，人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導(dǎo)體和完全導(dǎo)體(或稱無(wú)阻導(dǎo)體)完全等同起來(lái)，完全導(dǎo)體有其特殊的磁性質(zhì)，而1933年邁斯納和奧克森菲爾德的磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明超導(dǎo)體的磁性質(zhì)與完全導(dǎo)體不同。圖中A點(diǎn)表示零場(chǎng)下B＝0的完全導(dǎo)體。此后樣品成為正常導(dǎo)體，其內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度，如圖中CE線所示。此時(shí)完全導(dǎo)體內(nèi)部將保持它失去電阻時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度(圖中c點(diǎn))。完全導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的行為是不可逆的。1933年。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)從正常態(tài)變到超導(dǎo)態(tài)后，原來(lái)穿過(guò)樣品的磁通量完全被排除到樣品外，同時(shí)樣品外的磁通密度增加。對(duì)于超導(dǎo)體，與圖3—7相應(yīng)的圖如圖3—8所示。在長(zhǎng)圓桿體樣品的表面繞一探測(cè)線圈。這時(shí)與探測(cè)線路串聯(lián)的沖擊電流計(jì)G有一正向偏轉(zhuǎn)，其大小與進(jìn)入樣品的磁通量成正比，然后緩慢地冷卻樣品，當(dāng)溫度下降經(jīng)過(guò)T c時(shí)，由于磁通被從樣品排出，沖擊電流計(jì)有一反向偏轉(zhuǎn)，其大小與相等。這就證明了超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。除去零電阻而外，超導(dǎo)體還有其獨(dú)自的磁特性，即邁斯納效應(yīng)。超導(dǎo)體的磁狀態(tài)是熱力學(xué)狀態(tài)，即在給定的條