常導(dǎo)超導(dǎo)磁懸浮演示試驗(yàn)裝置的控制論文資料
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西 南 交 通 大 學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
常導(dǎo)/超導(dǎo)磁懸浮演示試驗(yàn)裝置的控制
年 級(jí): 2002級(jí)
學(xué) 號(hào): 20023569
姓 名: 吳 華
專(zhuān) 業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù)
指導(dǎo)老師: 陳漢軍
2006 年 6 月
西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第72頁(yè)
院 系 理學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系 專(zhuān) 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)
年 級(jí) 2002級(jí) 姓 名 吳華
題 目 常導(dǎo)/超導(dǎo)磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)裝置的控制
指導(dǎo)教師
評(píng) 語(yǔ)
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成 績(jī)
答辯委員會(huì)主任 (簽章)
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
班 級(jí) 電科 2班 學(xué)生姓名 吳華 學(xué) 號(hào) 20023569
發(fā)題日期： 2006年 3 月 5 日 完成日期： 2006年 6 月15 日
題目 常導(dǎo)/超導(dǎo)磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)裝置的控制
1、本論文的目的、意義 本文目的是通過(guò)磁懸浮技術(shù)的理論研究，讓跟多的人認(rèn)識(shí)磁懸浮，了解磁懸浮。通過(guò)本文的理論知識(shí)的介紹，我自己設(shè)計(jì)制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的磁懸浮裝置，用于實(shí)現(xiàn)磁懸浮原理。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置就能實(shí)現(xiàn)磁懸浮原理，讓人們認(rèn)識(shí)到磁懸浮并不是遙不可及的。本文的意義是通過(guò)對(duì)磁懸的原理分析，結(jié)合自做的小裝置，希望更多采用磁懸浮技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用到高校的實(shí)驗(yàn)室和日常生活中。讓人們更多的認(rèn)識(shí)磁懸浮，普及磁懸浮知識(shí)。
2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù) 了解磁懸浮的基本知識(shí)，磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，磁懸浮技術(shù)在國(guó)外以及在國(guó)內(nèi)的發(fā)展情況。了解超導(dǎo)體的性質(zhì)，超導(dǎo)磁懸浮的基本原理，并且結(jié)合實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)說(shuō)出其具體的工作原理。了解常導(dǎo)磁懸浮的基本知識(shí)及實(shí)現(xiàn)原理，并且能夠?qū)ΜF(xiàn)有的常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)了解出其工作原理。理論分析在超導(dǎo)/常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)中的控制過(guò)程，方法。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)習(xí)到的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)小模型，用來(lái)演示磁懸浮現(xiàn)象。整個(gè)裝置用于解釋和說(shuō)明磁懸浮原理和現(xiàn)象。通過(guò)這個(gè)裝置，使磁懸浮的演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加豐富。
3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 12 周）
第一部查找與論文有關(guān)的英文資料和論文資料 ( 1周)
第二部分 學(xué)習(xí)磁懸浮相關(guān)的理論知識(shí)，進(jìn)行對(duì)英文文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)和翻譯。 ( 2周)
第三部分 了解所寫(xiě)論文的目的、意義。并開(kāi)始構(gòu)思論文的內(nèi)容。 (3 周)
第四部分 根據(jù)設(shè)計(jì)的裝置購(gòu)置所需的器材，并且完成設(shè)計(jì)的裝置。 (3 周)
第五部分 攥寫(xiě)論文，并完成設(shè)計(jì)裝置的制作 (3 周)
評(píng)閱及答辯 ( 周)
備 注
指導(dǎo)教師： 年 月 日
審 批 人： 年 月 日
目 錄
摘 要 ………………………………………………6
第一章 緒論……………………………………… 9
1. 1 問(wèn)題提出 ………………………………………………………………………………9
1. 2 磁懸浮的應(yīng)用小裝置舉例………………………………………………………… 10
1. 3 磁懸浮列車(chē)簡(jiǎn)介 ……………………………………………………………………11
1.3.1德國(guó)的常導(dǎo)磁懸浮列車(chē) ………………………………………………………13
1.3.2日本的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē) ………………………………………………………13
1.3.3中國(guó)磁懸浮列車(chē)的研究狀況 …………………………………………………14
1. 4 磁懸浮列車(chē)懸浮方式 ………………………………………………………………15
1.4.1電動(dòng)懸?。‥DS，磁斥式） ……………………………………………………15
1.4.2電磁懸?。‥MS，磁吸式） ……………………………………………………16
1.4.3永磁懸浮（PMS，磁吸式） ……………………………………………………16
1. 5 本文研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)與方法 ………………………………………………19
第二章 常導(dǎo)磁懸浮的物理模型 ………………20
2．1 常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的物理模型 ………………………………………………………20
2.1.1 懸浮力的公式推導(dǎo) ……………………………………………………………20
2.1.2 磁極側(cè)向偏移時(shí)的懸浮力和導(dǎo)向力 …………………………………………21
2.1.3 磁浮列車(chē)的驅(qū)動(dòng)原理 …………………………………………………………21
2.1.4 參數(shù) ……………………………………………………………………………24
2.1.5 懸浮力損失的原因分析 ………………………………………………………25
2.1.6 懸浮力的補(bǔ)償 …………………………………………………………………26
2. 3 常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………30
第三章 超導(dǎo)磁懸浮的物理模型 ………………32
3. 1 超導(dǎo)體基本現(xiàn)象 ……………………………………………………………………32
3. 2 超導(dǎo)磁懸浮的原理 …………………………………………………………………41
3. 3 超導(dǎo)磁懸列車(chē)的物理模型 …………………………………………………………42
3. 4 超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的懸浮力和導(dǎo)向力……………………………………………… 45
第四章 一個(gè)簡(jiǎn)單的懸浮裝置 …………………50
4. 1 概述 ………………………………………………………………………………50
4. 2 主要部件尺寸、數(shù)量及相關(guān)材料 ………………………………………………54
第五章 總結(jié) ………………………………………57
參考文獻(xiàn) …………………………………………59
摘 要
隨著越來(lái)越多的磁懸浮技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中的各個(gè)領(lǐng)域，磁懸浮這個(gè)在幾年前還是很陌生的一個(gè)詞現(xiàn)在已經(jīng)廣為人知。磁懸浮以懸浮力產(chǎn)生的原理分類(lèi)可以分為超導(dǎo)磁懸浮和常導(dǎo)磁懸浮。磁懸浮的控制系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。本文研究的重點(diǎn)就是這兩種磁懸浮的控制問(wèn)題。
超導(dǎo)磁懸浮是利用處于超導(dǎo)狀態(tài)下的超導(dǎo)體具有斥磁力的原理產(chǎn)生的。超導(dǎo)磁懸浮的懸浮物體就是超導(dǎo)體本身，所以超導(dǎo)磁懸浮的控制重點(diǎn)就落在了超導(dǎo)體上。本文從介紹超導(dǎo)磁懸浮的基本應(yīng)用入手，逐步深入地介紹超導(dǎo)體的基本物理性質(zhì)，然后介紹超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的控制方法、過(guò)程和原理。
與超導(dǎo)磁懸浮相比，常導(dǎo)磁懸浮的應(yīng)用就更為廣泛，因?yàn)槌?dǎo)磁懸浮的實(shí)現(xiàn)過(guò)程要簡(jiǎn)單得多。常導(dǎo)磁懸浮可以分為應(yīng)用電磁鐵的磁懸浮和引用非電磁性磁鐵（稀土永磁鐵、普通磁鐵等）的磁懸浮。但是由于電磁鐵便于控制和利用，所以利用電磁鐵的磁懸浮義勇更為廣泛。本文在常導(dǎo)磁懸浮方面的研究是從一個(gè)實(shí)例入手，分析電磁鐵式磁懸浮的原理，從而進(jìn)一步研究電磁鐵式磁懸浮的控制方法、過(guò)程和原理。
在本文的最后，我利用在大學(xué)里所學(xué)的知識(shí)，結(jié)合本文的研究重點(diǎn)——磁懸浮裝置的控制問(wèn)題，做出了一個(gè)簡(jiǎn)單的電磁懸浮裝置。這個(gè)懸浮裝置的原理是利用對(duì)電磁鐵電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)鐵片在空中的來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到視覺(jué)上的懸浮效果。這雖然與實(shí)際的電磁鐵懸浮控制方原理不同，但是利用這簡(jiǎn)單手段也能夠達(dá)到相同的目的。這個(gè)實(shí)例給了我們一個(gè)啟示：簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)裝置也能夠說(shuō)明磁懸浮列車(chē)等高新技術(shù)的工作原理，磁懸浮并不是遙不可及的。
關(guān)鍵詞：常導(dǎo)磁懸浮，超導(dǎo)磁懸浮，磁懸浮的控制，演示實(shí)驗(yàn)裝置，磁懸浮列車(chē)
Abstract
As more and more maglev technology is applied to each field in actual life, the word of magnetic suspension a several years ago was very strange has already widely known by the people. Magnetic suspension is classified and can be divided into superconductive magnetic suspension and electromagnetic magnetic suspension from the material which produces lift force. It is a very complicated problem to control the magnetism suspension system. The focal point that this text studies is that these two kinds of magnetic suspension demonstrate the design about question of controlling of the experimental provision.
Superconductive magnetic suspension is to utilize the superconductor in superconductive state to upbraid magnetic force principles. To suspend object superconductor,so superconductive control focal point of magnetic suspension drop on the superconductor superconductive magnetic suspension. This text is from recommend that the using basically of superconductive magnetic suspension is started with, introduce the basic physical property of the superconductor , then the control method , course and principle to introduce superconductive magnetic suspension deeply progressively.
Compared with superconductive magnetic suspension, the application that electromagnetic magnetic suspension is much more extensive , because the realization course that electromagnetic magnetic suspension is much simpler. Magnetic suspension that electromagnetic magnetic suspension and can be divided into the magnetic suspension which use the electro-magnet and quoted the non- electric magnetic magnet (tombarthite permanent magnet , ordinary magnet ,etc. ). But because the electro-magnet is more convenient and utilizes controlling, it is more extensive to use the magnetic suspension of the electro-magnet. The research in electromagnetic magnetic suspension of this text is to proceed with a instance , analyse that according to the principle of electro-magnet type magnetic suspension , thus study electromagnetic type magnetic suspension control method , course and principle further.
At the end of this text, I utilize knowledge studied in the university, combine the research focal point of this text - -Demonstrate the control question of the experimental provision , has made a simple electric magnetic suspension device in magnetic suspension. The principle of the device is to make use of control on electro-magnet electric current to realize moving repeatedly back and forth in the sky of an iron plate that this suspends, reach the result of suspending on the vision . This is it control square different principle to suspend with real electro-magnet, simple means this can achieve the the same goal too.
This instance has given us one to enlighten: The simple demonstration experimental provision can state the operation principle of new and high technology , such as maglev train ,etc. too, magnetic suspension is not out of reach.
Keyword: electromagnetic magnetic suspension , superconductive magnetic suspension ,the control of magnetic suspension,demonstrate the experimental provision, the maglev train
第一章 緒論
1. 1 問(wèn)題提出
在很久以前我就知道了磁懸浮，磁懸浮具有許多的令人驚奇的特性。而如今，磁懸浮的應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)我們的日常生活中，并且離我們?cè)絹?lái)越近。最有代表的磁懸浮應(yīng)用就是磁懸浮列車(chē)了，另外，還有磁懸浮的地球儀，陀螺等。但是在普通高校的實(shí)驗(yàn)室里，關(guān)于磁懸浮方面的演示實(shí)驗(yàn)裝置并不多。為了讓更多的人了解磁懸浮，認(rèn)識(shí)磁懸浮，這也是本文的目的所在，設(shè)計(jì)一個(gè)磁懸浮的演示實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)磁懸浮知識(shí)的理解是必不可少的。本文的重點(diǎn)就是對(duì)磁懸浮的控制。怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)成功的磁懸浮裝置，關(guān)鍵的問(wèn)題還是在控制上。所以本文著重介紹的就是關(guān)與磁懸浮控制方面的知識(shí)。下面就簡(jiǎn)單介紹一下磁懸浮技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的磁懸浮列車(chē)的控制系統(tǒng)。
磁懸浮列車(chē)一般分為兩種，采用排斥力型的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)和采用吸引力型的常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。這兩種列車(chē)的設(shè)計(jì)方式都很獨(dú)特，其重點(diǎn)就是怎樣通過(guò)各種控制手段使列車(chē)更安全、穩(wěn)定，這也是本文所要討論的重點(diǎn)：如何通過(guò)利用磁懸浮的自身特點(diǎn)段或各種手段去控制磁懸浮系統(tǒng)。磁懸浮列車(chē)的受力有三個(gè)方向：懸浮力（垂直），導(dǎo)向（水平左右）和推進(jìn)力（水平前后）。怎樣通過(guò)對(duì)三個(gè)力的控制，使磁懸浮系統(tǒng)正常平穩(wěn)的運(yùn)行就是本文所要討論的問(wèn)題。本文的討論都分為兩個(gè)部分，超導(dǎo)和常導(dǎo)磁懸浮。
研究磁懸浮的目的就是為了更簡(jiǎn)易的去控制它，所以本文的最后就設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的磁懸浮裝置，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮。用一些簡(jiǎn)單的方法也能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮，所以對(duì)我們來(lái)說(shuō)，磁懸浮并不是高不可攀的。
吳華注意：
本課題的提出是為了開(kāi)設(shè)磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)，“問(wèn)題的提出”部分應(yīng)注意到磁懸浮列車(chē)已經(jīng)得到應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的物理演示實(shí)驗(yàn)裝置。
1. 2 磁懸浮的應(yīng)用小裝置舉例
常導(dǎo)磁懸浮具有磁懸浮的一般性質(zhì)：懸浮實(shí)現(xiàn)非接觸，從而減少摩擦?？梢赃_(dá)到更高的速度或者持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。無(wú)噪聲，無(wú)污染也是起一大優(yōu)點(diǎn)，所以如今，磁懸浮更多的應(yīng)用在交通工具上，比如磁懸浮列車(chē)。另外，在其他的應(yīng)用發(fā)面，磁懸浮主要應(yīng)用在一些小裝置，小玩具上。
1）磁懸浮地球儀的工作原理：
由電磁場(chǎng)原理知，電磁鐵繞組中通以一定的電流會(huì)產(chǎn)生電磁力，控制電磁鐵繞組中的電流，使之產(chǎn)生的電磁力與永磁力的合力與地球儀重力相平衡時(shí),地球儀就可以懸浮在空中而處于平衡狀態(tài),但是這個(gè)平衡狀態(tài)是一種不穩(wěn)定平衡，這是由于電磁鐵與地球儀之間的電磁力大小與它們之間的距離成反比，只要平衡狀態(tài)稍微受到擾動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致球掉下來(lái)或被電磁鐵吸上去，因此必須對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
為了達(dá)到這個(gè)目的，在繞組的上下方均安置了磁感應(yīng)傳感器，用以測(cè)量地球儀與電磁鐵之間的距離變化，當(dāng)?shù)厍蚴艿綌_動(dòng)下降，球與電磁鐵之間的距離增大，傳感器所測(cè)得的強(qiáng)度減弱，其得到的反饋電壓減小，經(jīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)與功率放大處理后，使電磁鐵控制繞組中的控制電流相應(yīng)增大，合成電磁力增大，球被吸回平衡位置，反之亦然。
為了使地球儀穩(wěn)定地在空中懸浮，同時(shí)還能?chē)@垂直中心軸旋轉(zhuǎn)，增加了一個(gè)輔助線圈，在輔助線圈下也安置了傳感器。當(dāng)檢測(cè)到輔助永磁體時(shí)，給輔助線圈增加一個(gè)反向磁場(chǎng)，給地球儀一個(gè)切向動(dòng)力，這樣，地球儀每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，磁推力只需很小，因?yàn)榈厍騼x懸在空氣中，其旋轉(zhuǎn)阻力是很小的。
從上述工作原理分析可知，主線圈用于控制懸浮，而輔線圈用于控制旋轉(zhuǎn)，該控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)地球儀的穩(wěn)定懸浮，其核心是設(shè)計(jì)一個(gè)具有良好調(diào)節(jié)作用、對(duì)外界干擾(周?chē)恼駝?dòng)、風(fēng)、電壓波動(dòng)等)抑制能力強(qiáng)、對(duì)被控對(duì)象參數(shù)的變化有較低靈敏度的磁場(chǎng)閉環(huán)調(diào)節(jié)器。
2）磁懸浮電動(dòng)牙刷的工作原理：
?這種牙刷能夠利用高速音波振動(dòng)除去牙垢，每分鐘振動(dòng)達(dá)到３１０００次。工作原理是：通過(guò)不斷切換驅(qū)動(dòng)部位電磁鐵的Ｎ極和Ｓ極每秒約切換５１６次，利用吸引力和排斥力使牙刷高速振動(dòng)，達(dá)到除垢的效果。
1. 3 磁懸浮列車(chē)簡(jiǎn)介
磁懸浮技術(shù)的研究源于德國(guó)，早在1922年Hermann Kemper先生就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請(qǐng)了磁浮列車(chē)的專(zhuān)利。進(jìn)入70年代以后，隨著世界工業(yè)化國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國(guó)、日本、美國(guó)、加拿大、法國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。根據(jù)當(dāng)時(shí)輪軌極限速度的理論，科研工作者們認(rèn)為，輪軌方式運(yùn)輸所能達(dá)到的極限速度為每小時(shí)350公里左右，要想超越這一速度運(yùn)行，必須采取不依賴于輪軌的新式運(yùn)輸系統(tǒng)。這種認(rèn)識(shí)引起許多國(guó)家的科研部門(mén)的興趣，但后來(lái)都中途放棄，目前只有德國(guó)和日本仍在繼續(xù)進(jìn)行磁懸浮系統(tǒng)的研究，并均取得了令世人矚目的進(jìn)展。
德國(guó)開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)Transrapid于1989年在埃姆斯蘭試驗(yàn)線上達(dá)到每小時(shí)436公里的速度。日本開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出每小時(shí)550公里的世界最高紀(jì)錄。德國(guó)和日本兩國(guó)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的論證之后，均認(rèn)為有可能于下個(gè)世紀(jì)中葉以前使磁懸浮列車(chē)在本國(guó)投入運(yùn)營(yíng)。
磁懸浮列車(chē)實(shí)際上是依靠電磁吸力或電動(dòng)斥力將列車(chē)懸浮于空中并進(jìn)行導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面軌道間的無(wú)機(jī)械接觸，再利用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車(chē)運(yùn)行。雖然磁懸浮列車(chē)仍然屬于陸上有軌交通運(yùn)輸系統(tǒng)，并保留了軌道、道岔和車(chē)輛轉(zhuǎn)向架及懸掛系統(tǒng)等許多傳統(tǒng)機(jī)車(chē)車(chē)輛的特點(diǎn)，但由于列車(chē)在牽引運(yùn)行時(shí)與軌道之間無(wú)機(jī)械接觸，因此從根本上克服了傳統(tǒng)列車(chē)輪軌粘著限制、機(jī)械噪聲和磨損等問(wèn)題，所以它也許會(huì)成為人們夢(mèng)寐以求的理想陸上交通工具。
磁懸浮列車(chē)分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩大類(lèi)。常導(dǎo)型也稱常導(dǎo)磁吸型，以德國(guó)高速常導(dǎo)磁浮列車(chē)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(chē)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(chē)的速度可達(dá)每小時(shí)400～500公里，適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸。而超導(dǎo)型磁懸浮列車(chē)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(qiáng)磁場(chǎng)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動(dòng)斥力將列車(chē)懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時(shí)500公里以上。這兩種磁懸浮列車(chē)各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，德國(guó)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。
作為目前最快速的地面交通工具，磁懸浮列車(chē)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。第一條輪軌鐵路出現(xiàn)在1825年，經(jīng)過(guò)140年努力，其運(yùn)營(yíng)速度才突破200公里/小時(shí)，由200公里/小時(shí)到300公里/小時(shí)又花了近30年，雖然技術(shù)還在完善與發(fā)展，繼續(xù)提高速度的余地已不大，而困難卻很大。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。與之相比世界上第一個(gè)磁懸浮列車(chē)的小型模型是1969年在德國(guó)出現(xiàn)的，日本是1972年造出的?？蓛H僅十年后的1979年，磁懸浮列車(chē)技術(shù)就創(chuàng)造了517公里/小時(shí)的速度紀(jì)錄。目前技術(shù)已經(jīng)成熟，可進(jìn)入500公里/小時(shí)實(shí)用運(yùn)營(yíng)的建造階段。
第二，磁懸浮列車(chē)速度高，常導(dǎo)磁懸浮可達(dá)400-500公里/小時(shí)，超導(dǎo)磁懸浮可達(dá)500-600公里/小時(shí)。對(duì)于客運(yùn)來(lái)說(shuō)，提高速度的主要目的在于縮短乘客的旅行時(shí)間，因此，運(yùn)行速度的要求與旅行距離的長(zhǎng)短緊密相關(guān)。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。專(zhuān)家們對(duì)各種運(yùn)輸工具的總旅行時(shí)間和旅行距離的分析表明，按總旅行時(shí)間考慮，300公里/小時(shí)的高速輪軌與飛機(jī)相比在旅行距離小于700公里時(shí)才優(yōu)越。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。
第三，磁懸浮列車(chē)能耗低，據(jù)日本研究與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果，在同為500公里／時(shí)速下，磁懸浮列車(chē)每座位公里的能耗僅為飛機(jī)的1／3。據(jù)德國(guó)試驗(yàn)，當(dāng)TR磁懸浮列車(chē)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(chē)持平；而當(dāng)磁懸浮列車(chē)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％。
1.3.1德國(guó)的常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)
常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)工作時(shí)，首先調(diào)整車(chē)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(chē)浮起。在車(chē)輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車(chē)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。車(chē)輛與行車(chē)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。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車(chē)運(yùn)行速度無(wú)關(guān)，所以即使在停車(chē)狀態(tài)下列車(chē)仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。
常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)用同步直線電動(dòng)機(jī)的原理。車(chē)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。從電動(dòng)機(jī)的工作原理可以知道，當(dāng)作為定子的電樞線圈有電時(shí)，由于電磁感應(yīng)而推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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(chē)一起就像電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”一樣被推動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)。從而在懸浮狀態(tài)下，列車(chē)可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的牽引和制動(dòng)。
1.3.2日本的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)
超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)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(wú)法比擬的強(qiáng)大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強(qiáng)大的電磁鐵。
超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的車(chē)輛上裝有車(chē)載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車(chē)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(chē)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。當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供與車(chē)輛速度頻率相一致的三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)的電磁場(chǎng)，因而在列車(chē)導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波，這時(shí)列車(chē)上的車(chē)載超導(dǎo)磁體就會(huì)受到一個(gè)與移動(dòng)磁場(chǎng)相同步的推力，正是這種推力推動(dòng)列車(chē)前進(jìn)。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。與沖浪者所面對(duì)的難題相同，超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動(dòng)電磁波的頂峰運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測(cè)車(chē)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(chē)能良好地運(yùn)行。
超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)也是由沿線分布的變電所向地面導(dǎo)軌兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供三相交流電，并與列車(chē)下面的動(dòng)力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)非接觸性牽引和制動(dòng)。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(chē)接近該繞組時(shí)，列車(chē)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(chē)懸起，并經(jīng)精密傳感器檢測(cè)軌道與列車(chē)之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時(shí)，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(chē)在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。
1.3.3中國(guó)磁懸浮列車(chē)的研究狀況
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。經(jīng)過(guò)鐵科院、西南交大、國(guó)防科大、中科院電工所等單位對(duì)常導(dǎo)低速磁懸浮列車(chē)的懸浮、導(dǎo)向、推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，已對(duì)低速常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)有了一定認(rèn)識(shí)，初步掌握了常導(dǎo)低速磁懸浮穩(wěn)定懸浮的控制技術(shù)。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(chē)試驗(yàn)之后，由鐵科院主持、長(zhǎng)春客車(chē)廠、中科院電工所、國(guó)防科技大學(xué)參加，共同研制的長(zhǎng)為6.5米、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(chē)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。6噸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮試驗(yàn)車(chē)的研制成功，為低速常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)，填補(bǔ)了我國(guó)在磁懸浮列車(chē)技術(shù)領(lǐng)域的空白。
上海磁懸浮列車(chē)為常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)。在電磁力作用下，列車(chē)將懸浮在距離軌道約1厘米處運(yùn)行，而實(shí)現(xiàn)這一功能的主要部件之一就是軌道梁，它既是承載列車(chē)的承重結(jié)構(gòu)，又是浮起列車(chē)運(yùn)行的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。上海磁懸浮列車(chē)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。為了安裝電磁設(shè)備，梁上要打28萬(wàn)個(gè)孔，每個(gè)孔的位置誤差不得超過(guò)0.02毫米，不到一根頭發(fā)絲的粗細(xì)。
由西南交大、長(zhǎng)春客車(chē)廠及株洲電力機(jī)車(chē)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(chē)線路——青城山磁懸浮列車(chē)線路，已經(jīng)于今年在青城山正式啟動(dòng)。整個(gè)線路軌道由水泥橫梁連接而成，全長(zhǎng)419.925米。磁懸浮列車(chē)長(zhǎng)11.5米、寬2.6米、高3.3米，呈流線形，采用常導(dǎo)吸力式磁懸浮技術(shù)。與上海的磁懸浮列車(chē)相比，兩者除了懸浮原理基本一致外，完全是兩種不同類(lèi)型的磁浮技術(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(chē)的運(yùn)行時(shí)速達(dá)430公里)。而青城山磁浮列車(chē)的最高時(shí)速是100公里，主要運(yùn)用于城市內(nèi)部軌道交通。
增加我校校慶前在青城山的工作
1. 4 磁懸浮列車(chē)懸浮方式
磁懸浮列車(chē)主要由車(chē)體與導(dǎo)軌兩大部分構(gòu)成。車(chē)上裝有超導(dǎo)磁體、可控制直流電磁鐵、車(chē)載電源、直流電動(dòng)機(jī)的初級(jí)或次極。導(dǎo)軌用來(lái)引導(dǎo)車(chē)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。磁浮列車(chē)受電磁作用產(chǎn)生的懸浮力使車(chē)體與地面脫離，直線電動(dòng)機(jī)非接觸的牽引力產(chǎn)生了很大的直線速度。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)。
按抬車(chē)力形成的原理，可將一系懸掛的懸浮方式分為電動(dòng)懸?。‥DS）、電磁懸?。‥MS）及永磁懸?。≒MS）三種，表1-1中作了性能比較
1.4.1電動(dòng)懸?。‥DS，磁斥式）
超導(dǎo)磁體安裝在車(chē)廂底部，一旦建立電流，即可在零電阻狀態(tài)下保持永久通車(chē)，當(dāng)車(chē)載超導(dǎo)磁體隨車(chē)輛行走使地面導(dǎo)軌產(chǎn)生電流，由于超導(dǎo)磁體對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)具有排斥作用，從而將磁力線壓縮在超導(dǎo)磁體與地面導(dǎo)體的氣隙里，形成了“磁墊”，產(chǎn)生了抬車(chē)力。低速時(shí)抬車(chē)力小，故車(chē)輛加輔助輪，高速時(shí)車(chē)體可達(dá)100-300mm的懸浮高度，代表車(chē)型有日本研制的MLU001、MLU002、MLU002N及MLX01型。
1.4.2電磁懸?。‥MS，磁吸式）
轉(zhuǎn)向架兩側(cè)可控制電磁鐵與磁性導(dǎo)軌相吸以提升車(chē)體，勵(lì)磁電流與氣隙成正比，使用中氣隙穩(wěn)定在 8-12mm，最多為20mm（如真空管道列 車(chē)）。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(chē)時(shí)保持設(shè)計(jì)懸浮高度。代表車(chē)型有德國(guó)transrapid、日本HSST，韓國(guó)komag。
德國(guó)transrapid磁懸浮列車(chē)（圖中為軌道）與日本HSST磁懸浮列車(chē)
1.4.3永磁懸浮（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(chē)體，大多利用吸力。永磁體采用釤鈷磁綱或釹鐵硼永久磁鐵，因矯頑力大故能耗少，但簡(jiǎn)單的控制手段難以保證良好的平穩(wěn)性。代表車(chē)型有德國(guó)M-bahn。
目前的磁懸浮列車(chē)主要分成德國(guó)和日本兩派。按抬車(chē)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）和永磁懸浮（PMS）三種，表1-1中列出了性能和比較。
表 1-1
磁懸浮列車(chē)主要由懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組成。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。下面分別對(duì)這三部分所采用的技術(shù)進(jìn)行介紹。
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。從懸浮技術(shù)上講就是電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電力懸浮系統(tǒng)（EDS），以及在早期采用的永磁懸浮（PMS），但由于簡(jiǎn)單的控制手段難以保證良好的平穩(wěn)性，已經(jīng)淘汰，在此故不作細(xì)論。圖4給出了兩種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差別。
電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）是一種吸力懸浮系統(tǒng)，是結(jié)合在機(jī)車(chē)上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的鐵磁軌道相互吸引產(chǎn)生懸浮。常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)工作時(shí)，首先調(diào)整車(chē)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(chē)浮起。在車(chē)輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車(chē)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。車(chē)輛與行車(chē)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。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車(chē)運(yùn)行速度無(wú)關(guān)，所以即使在停車(chē)狀態(tài)下列車(chē)仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。
電力懸浮系統(tǒng)（EDS）將磁鐵使用在運(yùn)動(dòng)的機(jī)車(chē)上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。由于機(jī)車(chē)和導(dǎo)軌的縫隙減少時(shí)電磁斥力會(huì)增大，從而產(chǎn)生的電磁斥力提供了穩(wěn)定的機(jī)車(chē)的支撐和導(dǎo)向。然而機(jī)車(chē)必須安裝類(lèi)似車(chē)輪一樣的裝置對(duì)機(jī)車(chē)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(chē)速度低于大約25英里/小時(shí)無(wú)法保證懸浮。EDS系統(tǒng)在低溫超導(dǎo)技術(shù)下得到了更大的發(fā)展。
作為目前最快速的地面交通工具，磁懸浮列車(chē)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。第一條輪軌鐵路出現(xiàn)在1825年，經(jīng)過(guò)140年努力，其運(yùn)營(yíng)速度才突破200公里/小時(shí)，由200公里/小時(shí)到300公里/小時(shí)又花了近30年，雖然技術(shù)還在完善與發(fā)展，繼續(xù)提高速度的余地已不大，而困難卻很大。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。與之相比世界上第一個(gè)磁懸浮列車(chē)的小型模型是1969年在德國(guó)出現(xiàn)的，日本是1972年造出的。可僅僅十年后的1979年，磁懸浮列車(chē)技術(shù)就創(chuàng)造了517公里/小時(shí)的速度紀(jì)錄。目前技術(shù)已經(jīng)成熟，可進(jìn)入500公里/小時(shí)實(shí)用運(yùn)營(yíng)的建造階段。
第二，磁懸浮列車(chē)速度高，常導(dǎo)磁懸浮可達(dá)400-500公里/小時(shí)，超導(dǎo)磁懸浮可達(dá)500-600公里/小時(shí)。對(duì)于客運(yùn)來(lái)說(shuō)，提高速度的主要目的在于縮短乘客的旅行時(shí)間，因此，運(yùn)行速度的要求與旅行距離的長(zhǎng)短緊密相關(guān)。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。專(zhuān)家們對(duì)各種運(yùn)輸工具的總旅行時(shí)間和旅行距離的分析表明，按總旅行時(shí)間考慮，300公里/小時(shí)的高速輪軌與飛機(jī)相比在旅行距離小于700公里時(shí)才優(yōu)越。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。
第三，磁懸浮列車(chē)能耗低，據(jù)日本研究與實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果，在同為500公里／時(shí)速下，磁懸浮列車(chē)每座位公里的能耗僅為飛機(jī)的1／3。據(jù)德國(guó)試驗(yàn)，當(dāng)TR磁懸浮列車(chē)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(chē)持平；而當(dāng)磁懸浮列車(chē)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％。
1. 5 本文研究的主要內(nèi)容、目標(biāo)與方法
本文的研究方法是由淺入深地介紹超導(dǎo)/常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的工作原理及控制原理。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。結(jié)合這些基本原理，再根據(jù)我所學(xué)的知識(shí)，我設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，用來(lái)實(shí)現(xiàn)懸浮現(xiàn)象，同時(shí)也對(duì)比真實(shí)的磁懸浮系統(tǒng)，進(jìn)一步的對(duì)磁懸浮系統(tǒng)的控制原理進(jìn)行解釋。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。
第二章 常導(dǎo)磁懸浮的物理模型
在常導(dǎo)磁懸浮中，應(yīng)用最為廣泛，也最為人所知的也就是磁懸浮列車(chē)了。所以在以下的常導(dǎo)磁懸浮研究部分，我就以最常見(jiàn)的常導(dǎo)吸力式磁懸浮列車(chē)做為模型，研究和分析磁懸浮的控制原理和方法。
2．1 常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的物理模型
懸浮技術(shù)是低速磁浮的關(guān)鍵技術(shù)之一,懸浮能力的大小直接決定了客運(yùn)能力,而懸浮能力則取決于懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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2-1所示
1. 勵(lì)磁線圈;2.磁極鐵芯;3.軌道鐵芯;4.感應(yīng)導(dǎo)體板
圖2-1 懸浮系統(tǒng)的近似物理模型
懸浮系統(tǒng)的基本原理就是利用電磁鐵對(duì)鐵磁物質(zhì)有吸引作用這一性質(zhì),通過(guò)對(duì)勵(lì)磁線圈通電勵(lì)磁在磁極鐵芯跟軌道之間產(chǎn)生懸浮力。
2.1.1 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;B為氣隙磁通密度;p為磁極寬度;l為磁極長(zhǎng)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; 為勵(lì)磁線圈安匝數(shù)，由于空氣磁導(dǎo)率是一個(gè)定值,從式(2)可以看出,懸浮力主要取決于磁極的物理參數(shù)!勵(lì)磁線圈安匝數(shù)以及氣隙長(zhǎng)度。
2.1.2 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?。磁極側(cè)向偏移時(shí)懸浮力和導(dǎo)向力的近似計(jì)算公式:
式中, 為磁極側(cè)向偏移時(shí)的懸浮力為側(cè)向偏移量; 為磁極側(cè)向偏移時(shí)的導(dǎo)向力; 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取0.8~0.9。
2.1.3 磁浮列車(chē)的驅(qū)動(dòng)原理
磁懸浮與線性驅(qū)動(dòng)是磁浮列車(chē)兩大技術(shù)特點(diǎn)，現(xiàn)在從驅(qū)動(dòng)角度來(lái)分析選型。用線性電機(jī)取代輪軌機(jī)車(chē)中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，縱向（列車(chē)運(yùn)行方向）牽引力不受輪軌黏著力限制，這決定了磁浮列車(chē)具有牽引力大、爬坡能力強(qiáng)、起動(dòng)快和速度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。
磁浮列車(chē)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(jiàn)下表。
長(zhǎng)定子線性同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)
德國(guó)TR和日本MLU磁浮列車(chē)都采用長(zhǎng)定子線性同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即電機(jī)定子三相交流繞組是鋪設(shè)在地面線路兩側(cè)，動(dòng)力電源VVVF（變頻變壓變流器系統(tǒng)）也是在地面變電所內(nèi)，列車(chē)運(yùn)行控制要在地面運(yùn)行控制中心完成，對(duì)同步電機(jī)的同步控制精度也很高，需要對(duì)列車(chē)的速度和位置進(jìn)行精確測(cè)控，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這方面的技術(shù)。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。采用地面同步電機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)是功率大，功率因數(shù)高，適用于高速磁浮列車(chē)。
圖2-2示意地表示了德國(guó)TR型磁浮列車(chē)長(zhǎng)定子線性電機(jī)從傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)，設(shè)于地面定子鐵心槽內(nèi)的情況。
圖2-2 長(zhǎng)定子同步電機(jī)示意圖
短定子線性異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)
日本HSST磁浮列車(chē)采用短定子線性異步電機(jī)，線性異步電機(jī)定子三相繞組布置在車(chē)上兩側(cè)，而異步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4mm 左右的鋁板鋪設(shè)在線路與車(chē)上定子位置相應(yīng)的兩側(cè)。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。由于電機(jī)繞組在車(chē)上，所以動(dòng)力電源（VVVF）也必須裝在車(chē)內(nèi)，從地面供電軌（DC1500V）
取得電能，地面與磁浮列車(chē)之間必須安裝受流器。所以嚴(yán)格地說(shuō)，這種短定子直線電機(jī)磁浮列車(chē)不是完全無(wú)機(jī)械接觸的。有受流器這點(diǎn)就決定了這種磁浮列車(chē)不能用于很高速度，因?yàn)楦咚贂r(shí)受流性能惡化，從目前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，超過(guò)200km/h 的受流性能很難保證。
從運(yùn)行控制方面來(lái)說(shuō)，短定子磁浮列車(chē)控制是在車(chē)上完成的，相對(duì)比較容易。但是，對(duì)磁浮列車(chē)線性異步電機(jī)控制時(shí)，必須使線性異步電機(jī)的法向力（垂向力）的影響降至最小。
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(jiàn)圖B。該圖表明，法向力Fz的極性在Fo前后是變化的，在F≤Fo時(shí)，F(xiàn)z表現(xiàn)為斥力；在F≥Fo時(shí)，則表現(xiàn)為吸力，這種變化對(duì)磁浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是有害的。因?yàn)樵O(shè)計(jì)磁懸浮系統(tǒng)時(shí)，除了要克服車(chē)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)。為了避免這種干擾力，在設(shè)計(jì)電機(jī)和控制系統(tǒng)時(shí)，必須使磁浮列車(chē)電機(jī)工作在頻率Fo附近，即Fz≈0。這就要求對(duì)磁浮列車(chē)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(zhuān)門(mén)技術(shù)。
圖2-3 直線電機(jī)法向力與滑頻的關(guān)系
2.1.4 參數(shù)
圖2-1所示物理模型的基本參數(shù):單個(gè)勵(lì)磁線圈得匝數(shù)N為360;單個(gè)氣隙長(zhǎng)度D為10;磁極寬度p為28;磁極長(zhǎng)度l為1250。
ANSYS磁場(chǎng)分析
ANSYS是一個(gè)有限元分析軟件,能夠用于力學(xué)、熱學(xué)、流體、電磁場(chǎng)等場(chǎng)域的分析,本文中主要是在二維電磁場(chǎng)中分析受力關(guān)系。
磁極無(wú)側(cè)向偏移時(shí)的磁場(chǎng)分析
根據(jù)圖2-1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2-4所示的磁力線分布圖以及圖2-5所示的氣隙磁通密度曲線。
2.1.5 懸浮力損失的原因分析
（1）磁極側(cè)向偏移
在運(yùn)行過(guò)程中,由于受空氣阻力的影響,列車(chē)會(huì)產(chǎn)生側(cè)向的擺動(dòng),這就使得懸浮磁極和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生側(cè)向偏移。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。與此同時(shí)，側(cè)移后磁極和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生導(dǎo)向力,將磁極拉回到中心位置。表2-1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。
（2）列車(chē)通過(guò)彎道
當(dāng)列車(chē)通過(guò)彎道的時(shí)候，由于磁鐵模塊不能彎曲，所以就會(huì)出現(xiàn)磁極極面跟導(dǎo)軌極面不重合的現(xiàn)象。這種不重合可以近似認(rèn)為是磁極的側(cè)移。同上所述，這種情況下也會(huì)產(chǎn)生懸浮力的損失。圖2-6給出了列車(chē)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(huà)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。圖中
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