编委会成员
主  任:张福宽
编  委:丁明仁 刘志凤 马衍伟
     宋   涛 孙鸿雁 王海峰
     许洪华 邢建平 张和平
     (按姓氏拼音顺序)
主  编:张和平
责  编:徐小傑
美  编:丁玛丽
 编辑手记
写在改版前夜的话   新的一期《新电气》就要和读者见面了。它很新,在走过了四个春秋后,它重新披上了新装。   在过去一千四百个日日夜夜里,它严正以待,跟踪了研究所取得的每一项成就,记录了科研人员探求真理的思想轨迹,展示了…… 详细内容 >>
 
 联系我们
 

邮件:xuxj@mail.iee.ac.cn
 







 
  领域前瞻

高速磁浮交通——21世纪的新型交通运输方式
作者:金能强  日期:2008-09-03  信息来源:磁悬浮与直线驱动技术中心   【背景色 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色) 】  【字体:
 

 

编者按:

磁悬浮项目的建设一直受到媒体的关注,但公众对磁悬浮技术本身的了解又有多少呢?金能强研究员,博士生导师,中国电工技术学会直线电机专业委员会副主任,一直从事特种电机研究工作,近二十年主要从事直线电机、平面电机、特种磁体和磁悬浮的研究。在大型超低速直流力矩电机、直线电机和平面电机的研究领域做出了开创性的贡献,曾获国家科学进步二等奖、中国科学院科技进步一等奖及多项院、部委大奖。在本文中,作者用深入浅出的语言生动介绍了磁悬浮列车技术概念、分类和发展历程,阐明了磁悬浮列车的优越性和实用价值。

正文:

衣食住行,生活大事。行者,目的虽各异,但都是花上时间从地球上的甲地通行到乙地。现代出行海、陆、空立体交通,很是方便。陆上出行,近者步行,稍远自行车,再远点汽车,数百公里则火车为宜,更远的就乘飞机了。常识给了我们速度与距离的关系,不同的旅行距离乘坐不同的交通工具。

车、船、飞机随人类社会的不同需求和社会科技的进步而出现、而发展,20世纪出现了一种高速、低公害、快捷的交通工具——磁悬浮铁路。磁悬浮列车没有轮子,没有翅膀却能以比轮轨列车快的速度,贴着路轨奔跑,理论上速度比飞机还快,实际上,速度虽比飞机低,但在某些距离范围内比乘飞机省时。

 

一、     磁悬浮列车的必要性

车的发明为人类出行带来很大方便,火车的出现更是加快了旅行的步伐。第一条轮轨铁路出现在十九世纪,初始用蒸汽机车驱动的客车时速只有二十几公里,随着火车头大形化,驱动功率增大列车的时速也随之增大,1893年美国创下180公里蒸汽机车驱动的火车时速,1938年英国则创下202.7公里/小时记录。电力机车出现则进一步提高了火车车速,1903年德国的交流电机驱动的试验车时速高达210公里1964年日本修建成东京到大阪全长500多公里的东海新干线,电力机车驱动,列车运行时速达200多公里。而后法国的TGV列车,德国的ICE列车时速相继达到200多公里。改革开放后我国铁路经历几次大提速,客车的时速从最初的几十公里提高到现在的200公里,时速300公里乃至350公里的城际列车专用线也在建中。可见铁路列车科学技术发展史,从某种意义上讲就是列车速度提高的历史。

第二次世界大战后民用飞机开始成为大众化交通工具,现代民用飞机的时速达到700900公里。高速的运输工具缩短了人们出行的时间。但在轮轨列车的300多公里/小时与飞机的700公里/小时之间却有个速度空档!飞机的速度虽然最快,但由于机场一般都远离市区,再加上机场与住所的往返时间,800公里范围内,坐时速为300公里的列车时会比飞机省时;如果列车时速提高到400公里时,这一距离延伸到1000公里;列车时速若再提到500公里,则在1600公里距离范围内乘车比乘飞机省时。现代交通工具都必须遵守“安全、快捷、舒适、经济”四大原则。因此距离不同就需要选用不同的交通工具,能否开发出一种交通工具,填补上轮轨与飞机的空档成为一种迫切需求。图1是乘坐飞机、火车、汽车的旅行时间与距离关系的统计表。

 

1  各种运输工具的旅行时间与旅行距离的关系

 

那么轮轨列车的时速能否提到350公里以上?回答是非常难。主要原因是驱动—制动力受到速度的限制。轮轨列车驱动力来自轮缘与铁轨表面的摩擦力,这种驱动称为粘着驱动。代表性的粘着系数可以表征为:

式中V为车速(公里/小时),从上式可以看出黏着系数随着列车速度增加而减小,也就是说列车的驱动力随着列车速度增加而减小。然而列车的阻力却是随着车速的增加而急速增大,当车速达到某一数值时粘着驱动力与阻力相等,这时列车无法再行提速,即使增大驱动电机功率也无济于事,车轮会打滑空转,有如雨天、雪地骑 自行车上坡怎么费力蹬也无法前行一样。另外粘着系数变小,还有一个安全问题,即列车制动距离大大加长。

轮轨列车是靠粘着力驱动,但也是这一粘着力阻碍了列车速度的进一步提高。真所谓成也萧何败也萧何!轮轨的局限性对新型交通工具的发展提出了需要:船浮在水面航行、飞机升空飞翔,在陆地上能否发明一种无轮行驶的“车”辆?

 

二、     磁悬浮列车技术概况

磁铁有一种特性:同性相斥、异性相吸,即两个磁体或磁体与铁磁物质之间,不相互接触也可以传递力。这是电磁力的作用,磁浮列车就是利用这种不接触的力,使车体克服地球引力悬浮在地面轨道上方,并利用直线电机产生的电磁力牵引列车沿着轨道行进,而导向力同样是由电磁力产生的,从而使列车实现了与地面完全无接触的运行。

磁悬浮列车从悬浮原理上可分为两种,一类为电动式悬浮(Electrodynamic Suspension System简称:EDS)一类为电磁式悬浮(Electromagnetic Suspension System简称:EMS)。世界上多个国家依据上述两种原理开展了多种形式的磁悬浮列车研究,但已实用化的磁悬浮列车系统只有以下三种:

1、德国TR高速磁悬浮列车

德国的TR高速磁悬浮列车,采用电磁悬浮——地面长定子直线同步电机驱动,1922年,德国人赫尔曼·肯佩尔(Herman Kenper)提出电磁悬浮理论,而后获得相关专利。1975年德国第一辆电磁悬浮长定子直线同步电机驱动的磁悬浮车成功运行。而后十几年,在31.5公里的试验线上,进行了各种型号的试验车科学试验。经过近两年的评价和鉴定,1991年德国国家相关部门得出了TR磁悬浮高速铁路系统技术已成熟的结论。1993TR07型磁浮列车最高试验速度达到450公里/小时。

无论是电磁式悬浮列车还是电动式悬浮列车都采用直线电机牵引,一般采用长定子直线同步电机和短定子直线异步电机两种形式。德国TR高速磁悬浮列车采用地面长定子直线同步电机驱动,如图2所示,悬浮电磁铁同时作为直线同步电机的励磁磁体,安装在车体两侧的下部,并处于路轨两侧同步直线电机长定子铁芯的下方。当悬浮电磁铁通上电流时,就会产生磁场,电磁铁与轨道上长定子铁芯相互吸引,将列车向上吸起悬浮于轨道之上。磁铁与铁芯之间的悬浮间隙一般控制在812毫米之间,用气隙传感器检测气隙大小,以保证列车在任何工况下,气隙都保持在允许范围内稳定地运行。

2 德国TR高速磁悬浮列车结构简图

 

TR列车采用的是长定子直线同步电机驱动,列车速度严格地与频率成比例,电机长定子沿整个线路敷设。电机动子即电磁铁安装在车体上,定子三相线圈通以三相交流电时就会产生一个沿地面移动的行波磁场,这一磁场与励磁电磁铁磁场相互作用,牵引着列车进行,改变定子电流的大小和定子-转子磁场的角度就可以改变电机推力的大小。改变电流频率则可以调节列车的速度,改变电机三相电流的相序列车反向运行。

悬浮电磁铁的励磁电流由车载电池和车载直线发电机提供。为了提高电机供电效率,长定子直线同步电机采用分段供电方式,即沿线的直线电机定子被分割成若干个供电区段。从牵引变电站输出的三相变频变压的交流电经由开关站切换给定子通电。通电的定子区段正是磁浮列车所处的区段。而每段定子长度的确定,需要综合考虑:列车运行速度、加速度、绕阻压降及路轨旁的设备的配置和线路坡度等。

分段闭锁供电方式的另一优点是磁悬浮列车不会发生追尾事故。

 

2、日本HSST磁悬浮列车

HSSTHigh Speed Surface Transport)最早是由日本航空公司与电气公司联合开发用以联接机场和市区的一种高速低噪音、乘坐舒适的交通工具。于1974年开始研究,经过多种型号的开发,2005年在日本名古屋市郊的丰田市,开通一条长约8.9公里的运营线。

3 HSST结构图 

HSST列车是一种短定子(初级)长转子(次级)直线异步电机驱动的电磁式悬浮磁悬浮列车。如图3所示,HSST列车在轨道两侧安装有倒U字形钢轨,是磁浮和导向并用轨,与其对向安装在车体两侧下方的是U字形电磁铁。当电磁铁通上电流时,就会将车体吸上浮起。磁铁与轨道之间的间隙由气隙传感器检测,调节其电流的大小就能保持住气隙使列车处于持续悬浮的状态。当电磁铁与倒U形轨道中心产生横向错位时,电磁铁受到一个自动恢复吸力作用,横向复位,自行导向。

4  HSST导向原理示意图

 

在倒U形钢轨上方背靠背安装有直线异步电机的转子(次级),它是由导电的铜板或铝板及导磁钢板复合组成。与其相对在车体两侧安装有电机的定子(初级)。定子三相绕组通以变频变压的三相交流电,产生变速的移动磁场,移动磁场与在次级中感生出电磁场相互作用,驱动列车行进。

HSST式短定子直线异步电机的优点在于结构简单,全线敷设的次级也比全线敷设长定子造价低。它不足之处是效率和功率因数较同步机低,运行时需要从地面接触供电给定子,不能实现列车与线路之间的完全无机械接触地运行。HSST列车较适宜用在低速磁浮列车上。

 

3、电动式的MLX型超导磁浮列车

日本MLX型超导磁浮列车是一种电动式悬浮长定子直线同步电机驱动的磁悬浮列车。其轨道为凹槽形,沿全线敷设。超导磁体装在车上每节车厢有四组,前后左右各一组,有如车轮一样,磁体采用液氦冷却。如图5所示用于驱动的三相定子线圈和用以悬浮和导向的8字形短路线圈,安装在轨道槽的侧壁,驱动用线圈在外侧。与TR驱动原理相似,当在线路两侧的三相定子线圈中通入三相交流电时,就会驱动列车行进。车载强磁体(其中心场强可高达5T)在8字形线圈中会感生出电流,这一电流产生的磁场与车载磁体相互作用,产生悬浮力和导向力,将列车浮起并将其制约在槽形轨道中间。

5  日本MLX型超导磁浮列车的悬浮导向原理图

 

超导EDS磁浮车的特点是无需复杂的悬浮和导向控制系统就能使列车稳定地悬浮与导向,车速越高悬浮力越大,超导强磁场使车辆的悬浮高度可达100毫米以上,远高于TRHSST10毫米。但不足之处是在静止时没有悬浮力和导向力,速度低时悬浮力不足以克服重力,因此车辆必须配备有橡胶轮用以支撑和导向,当列车的速度高于某一数值时(日本磁浮车约为150公里/小时)列车才会浮起,处于一种与轨道完全无接触的状态。

超导磁浮车的原理性方案,最早于1966年由美国人提出,而后日本人采纳了这一方案,并于1972年在铁道技术研究所研究出实验车,车速达到60公里/小时。1979年,在九州岛的宫崎县建成了7公里长的试验线,1995年在山梨县建成实用性论证的山梨试验线。历经30多年努力,3代试验车几十万公里的行走试验,MLX超导磁悬浮列车最高试验运行速度已达到580公里/小时,高于TR500公里/小时和HSST100公里/小时。试验结果证实MLX形车在总体技术上已达到可向实用运营线建设的过渡阶段。

 

三、     磁悬浮列车在中国的发展

我国的直线电机与磁悬浮的研究分别始于70年代和80年代,在各单位研究的基础上,国家科委在“八五”期间组织了“磁悬浮列车关键技术、科技攻关,研制出了6吨单转向架磁浮试验车,实现磁浮状况下低速和小距离移动。1999年科技部组织了“九五”攻关课题就我国引进德国TR高速磁浮列车技术及引进技术为基础的试验运行线方案作了比较,并提出建设上海磁浮列车示范运营线的建议。

2001年上海磁浮示范运营线开工建设,线路西起浦东新区地铁枢纽站龙阳路站,东至浦东国际机场,正线全长30公里,辅线3.5公里。设龙阳路和机场两个站,20021231实现单线运行,20039月全线开通,双线折返运行单程运行时间730秒。上海磁浮列车示范运营线是世界上第一条商业运营线,为人类提供一种陆上最高运营速度并在旅行时间上可与飞机相匹敌的全新的交通系统提供一个示范试验线。

图:磁悬浮列车驶入龙阳路车站

四、     展望

磁悬浮列车技术,从原理提出到上海浦东示范运营线的营业,前后经历了八十余年。除了德国、日本、中国外世界上还有多个国家开展了多类型的磁悬浮列车的研究,代表的国家有:英国、法国、加拿大、韩国、瑞士和前苏联,而研究工作最为活跃的则是美国。

美国从20世纪60年代初就开始研究磁悬浮铁路。中间停止一段,1989年又重新开始。能源部、铁道总署牵头多家公司和大学参加,开展了多种方案的研究,其中代表性的方案有:

1、       磁浮飞机(Magplane)技术公司,采用永久磁铁励磁的电动悬浮——无铁芯长定子直线同步电机驱动、电磁道岔。已进行了样车和试验线路的设计。

2、       磁浮列车M3,由Magnemotion公司研发,可控永磁电磁悬浮——长定子直线同步电机驱动,已建成2公里试验线。

3、       GA(General Atomic)公司,主要研发城市内交通的磁悬浮列车。采用永磁电动式磁悬浮,直线同步电机驱动,建有1200长试验线。

4、       Maglev2000,超导电动磁悬浮,直线同步电机驱动,用于城际高速运行。

总之,除TRHSST已实际运营,MLX技术较为成熟外,其余多种方式的磁悬浮列车均停留在试验阶段,尚未商业运营,技术成熟性、经济性有待进一步验证。

但从原理上讲,迄今为止还没有一种陆上交通系统可以像磁悬浮列车那样可以安全、稳定、快速乃至经济地(与飞机比)以400公里/小时到500公里/小时速度运营。

一种新技术的出现总会存在这样那样的不足,近200年前出现的蒸汽火车时速只有20多公里,还跑不过当时马拉的车,可200年后的今天,马车几乎已完全退出公用交通系统。

我们相信磁悬浮交通系统的不足之处(如造价相对较高)也会随着社会的发展、需求的提高、技术的进步得到改善。

磁悬浮列车“无轮而驶,无翅而飞”,人们期待着这种梦幻的列车,行驶在广袤的大地上。



中国科学院电工研究所 ©2002~2006 版权所有 北京市海淀区中关村北二条六号 技术支持:中研网
邮政信箱:北京2703信箱 邮 编:100190 研究生招生电话:010-82671389 传真:010-62560904 E-mail:office@mail.iee.ac.cn
0.37809491157532