【超導(dǎo)磁懸浮列車究竟是什么？】
磁懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)的磁懸浮高速列車系統(tǒng) 。應(yīng)用準(zhǔn)確的定義來說，磁懸浮列車實際上是依靠電磁吸力或電動斥力將列車懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向，實現(xiàn)列車與地面軌道間的無機械接觸，再利用線性電機驅(qū)動列車運行 。根據(jù)吸引力和排斥力的基本原理，國際上磁懸浮列車有兩個發(fā)展方向 。一個是以德國為代表的常規(guī)磁鐵吸引式懸浮系統(tǒng)－－EMS系統(tǒng)，利用常規(guī)的電磁鐵與一般鐵性物質(zhì)相吸引的基本原理，把列車吸引上來，懸空運行，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右 。常導(dǎo)型高速磁懸浮列車的速度可達(dá)每小時400-500公里，適合于城市間的長距離快速運輸；另一個是以日本的為代表的排斥式懸浮系統(tǒng)－－EDS系統(tǒng)，它使用超導(dǎo)的磁懸浮原理，使車輪和鋼軌之間產(chǎn)生排斥力，使列車懸空運行，這種磁懸浮列車的懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時500公里以上 。這兩個國家都堅定地認(rèn)為自己國家的系統(tǒng)是最好的，都在把各自的技術(shù)推向?qū)嵱没A段 。估計到下一個世紀(jì)，這兩種技術(shù)路線將依然并存 。自1825年世界上第一條標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路出現(xiàn)以來,輪軌火車一直是人們出行的交通工具.然而,隨著火車速度的提高,輪子和鋼軌之間產(chǎn)生的猛烈沖擊引起列車的強烈震動,發(fā)出很強的噪音,從而使乘客感到不舒服.由于列車行駛速度愈高,阻力就愈大.所以,當(dāng)火車行駛速度超過每小時300公里時,就很難再提速了. 如果能夠使火車從鐵軌上浮起來,消除了火車車輪與鐵軌之間的摩擦,就能大幅度地提高火車的速度.但如何使火車從鐵軌上浮起來呢 科學(xué)家想到了兩種解決方法:一種是氣浮法,即使火車向鐵軌地面大量噴氣而利用其反作用力把火車浮起;另一種是磁浮法,即利用兩個同名磁極之間的磁斥力或兩個異名磁極之間磁吸力使火車從鐵軌上浮起來.在陸地上使用氣浮法不但會激揚起大量塵土,而且會產(chǎn)生很大的噪音,會對環(huán)境造成很大的污染,因而不宜采用.這就使磁懸浮火車成為研究和試驗的的主要方法. 當(dāng)今,世界上的磁懸浮列車主要有兩種"懸浮"形式,一種是推斥式;另一種為吸力式.推斥式是利用兩個磁鐵同極性相對而產(chǎn)生的排斥力,使列車懸浮起來.這種磁懸浮列車車廂的兩側(cè),安裝有磁場強大的超導(dǎo)電磁鐵.車輛運行時,這種電磁鐵的磁場切割軌道兩側(cè)安裝的鋁環(huán),致使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流,同時產(chǎn)生一個同極性反磁場,并使車輛推離軌面在空中懸浮起來.但是,靜止時,由于沒有切割電勢與電流,車輛不能產(chǎn)生懸浮,只能像飛機一樣用輪子支撐車體.當(dāng)車輛在直線電機的驅(qū)動下前進(jìn),速度達(dá)到80公里/小時以上時,車輛就懸浮起來了.吸力式是利用兩個磁鐵異性相吸的原理,將電磁鐵置于軌道下方并固定在車體轉(zhuǎn)向架上,兩者之間產(chǎn)生一個強大的磁場,并相互吸引時,列車就能懸浮起來.這種吸力式磁懸浮列車無論是靜止還是運動狀態(tài),都能保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài).這次,我國自行開發(fā)的中低速磁懸浮列車就屬于這個類型. "若即若離",是磁懸浮列車的基本工作狀態(tài).磁懸浮列車?yán)秒姶帕Φ窒厍蛞?從而使列車懸浮在軌道上.在運行過程中,車體與軌道處于一種"若即若離"的狀態(tài),磁懸浮間隙約1厘米,因而有"零高度飛行器"的美譽.它與普通輪軌列車相比,具有低噪音,低能耗,無污染,安全舒適和高速高效的特點,被認(rèn)為是一種具有廣闊前景的新型交通工具.特別是這種中低速磁懸浮列車,由于具有轉(zhuǎn)彎半徑小,爬坡能力強等優(yōu)點,特別適合城市軌道交通. 德國和日本是世界上最早開展磁懸浮列車研究的國家,德國開發(fā)的磁懸浮列車Transrapid于1989年在埃姆斯蘭試驗線上達(dá)到每小時436公里的速度.日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨縣的試驗線上創(chuàng)造出每小時550公里的世界最高紀(jì)錄.德國和日本兩國在經(jīng)過長期反復(fù)的論證之后,均認(rèn)為有可能于下個世紀(jì)中葉以前使磁懸浮列車在本國投入運營. 磁懸浮列車運行原理 磁懸浮列車是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物.其原理是利用電磁力抵消地球引力,通過直線電機進(jìn)行牽引,使列車懸浮在軌道上運行(懸浮間隙約1厘米).其研究和制造涉及自動控制,電力電子技術(shù),直線推進(jìn)技術(shù),機械設(shè)計制造,故障監(jiān)測與診斷等眾多學(xué)科,技術(shù)十分復(fù)雜,是一個國家科技實力和工業(yè)水平的重要標(biāo)志.它與普通輪軌列車相比,具有低噪音,無污染,安全舒適和高速高效的特點,有著"零高度飛行器"的美譽,是一種具有廣闊前景的新型交通工具,特別適合城市軌道交通.磁懸浮列車按懸浮方式不同一般分為推斥型和吸力型兩種,按運行速度又有高速和中低速之分,這次國防科大研制開發(fā)的磁懸浮列車屬于中低速常導(dǎo)吸力型磁懸浮列車. 磁懸浮列車的種類 磁懸浮列車分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩大類.常導(dǎo)型也稱常導(dǎo)磁吸型,以德國高速常導(dǎo)磁浮列車transrapid為代表,它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起,懸浮的氣隙較小,一般為10毫米左右.常導(dǎo)型高速磁懸浮列車的速度可達(dá)每小時400～500公里,適合于城市間的長距離快速運輸.而超導(dǎo)型磁懸浮列車也稱超導(dǎo)磁斥型,以日本MAGLEV為代表.它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場,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毫米左右,速度可達(dá)每小時500公里以上.這兩種磁懸浮列車各有優(yōu)缺點和不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo),德國青睞前者,集中精力研制常導(dǎo)高速磁懸浮技術(shù);而日本則看好后者,全力投入高速超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)之中. 德國的常導(dǎo)磁懸浮列車 常導(dǎo)磁懸浮列車工作時,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.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,實現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導(dǎo)向.車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米,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(dǎo)向?qū)嶋H上與列車運行速度無關(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). 常導(dǎo)磁懸浮列車的驅(qū)動運用同步直線電動機的原理.車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就象是同步直線電動機的勵磁線圈,地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動磁場驅(qū)動繞組起到電樞的作用,它就象同步直線電動機的長定子繞組.從電動機的工作原理可以知道,當(dāng)作為定子的電樞線圈有電時,由于電磁感應(yīng)而推動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動.同樣,當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的驅(qū)動繞組提供三相調(diào)頻調(diào)幅電力時,由于電磁感應(yīng)作用承載系統(tǒng)連同列車一起就象電機的"轉(zhuǎn)子"一樣被推動做直線運動.從而在懸浮狀態(tài)下,列車可以完全實現(xiàn)非接觸的牽引和制動. 日本的超導(dǎo)磁懸浮列車 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)磁鐵是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成,它不僅電流阻力為零,而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無法比擬的強大電流,這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵. 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)動力集成設(shè)備,而列車的驅(qū)動繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè),車輛上的感應(yīng)動力集成設(shè)備由動力集成繞組,感應(yīng)動力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成.當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時,就會產(chǎn)生一個移動的電磁場,因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波,這時列車上的車載超導(dǎo)磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力,正是這種推力推動列車前進(jìn).其原理就象沖浪運動一樣,沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動他快速前進(jìn)的.與沖浪者所面對的難題相同,超導(dǎo)磁懸浮列車要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題.為此,在地面導(dǎo)軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器,根據(jù)探測儀傳來的信息調(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行. 超導(dǎo)磁懸浮列車也是由沿線分布的變電所向地面導(dǎo)軌兩側(cè)的驅(qū)動繞組提供三相交流電,并與列車下面的動力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動,實現(xiàn)非接觸性牽引和制動.但地面導(dǎo)軌兩側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組與外部動力電源無關(guān),當(dāng)列車接近該繞組時,列車超導(dǎo)磁鐵的強電磁感應(yīng)作用將自動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)精密傳感器檢測軌道與列車之間的間隙,使其始終保持100毫米的懸浮間隙.同時,與懸浮繞組呈電氣連接的導(dǎo)向繞組也將產(chǎn)生電磁導(dǎo)向力,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. 目前存在的技術(shù)問題 盡管磁懸浮列車技術(shù)有上述的許多優(yōu)點,但仍然存在一些不足: (1)由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮,導(dǎo)向和驅(qū)動功能的,斷電后磁懸浮的安全保障措施,尤其是列車停電后的制動問題仍然是要解決的問題.其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運行考驗. (2)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低,因此對線路的平整度,路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高. (3)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大,冷卻系統(tǒng)重,強磁場對人體與環(huán)境都有影響.
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