磁悬浮列车工作原理解析

下面我们主要以德国常导超高速磁悬浮系统（TR）的磁悬浮列车为例，介绍磁悬浮列车的工作原理。

（一）悬浮原理

常导磁吸式EMS型的磁悬浮列车，在T形梁翼底部为同步直线电机的定子，其下方为安装在车体上的悬浮电磁铁，该电磁铁同时兼作同步直线电机的转子。悬浮电磁铁通电时产生磁场，成为电磁铁，与直线电机定子的铁心产生吸引力，把磁悬浮车往上拉向定子。利用距离传感器控制悬浮电磁铁与定子的距离（即悬浮气隙），保持在10 mm左右。

超导磁斥式EDS型的磁悬浮列车，是在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦贮存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆就浮起。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力，将车体抬起的（如图8-2-6所示）。

图8-2-6　磁悬浮原理比较图

德国的磁吸式磁悬浮车（EMS型）：1—前导磁铁；2—导向与制动轨；3—磁悬浮与推进电磁铁。日本的磁斥式磁悬浮车（EDSG型）；
4—前导轨；5—磁悬浮磁铁；6—支撑轮；
7—推进磁铁；8—超导磁铁。

（二）导向原理

轮轨列车的导向是靠车轮缘与钢轨之间的相互作用实现的，而磁悬浮列车是利用电磁力的作用来进行导向。

1．导磁吸式导向系统

它是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。当车辆运行发生左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生一种排斥力，使车辆恢复到正常位置，并和导轨侧面之间保持一定的间隙。当车辆的运行状态发生变化时，例如：运行在曲线或坡道上时，控制系统通过控制导向磁铁中的电流来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。德国TR系统采用的就是这种方式。

2．超导磁斥式导向系统

超导磁斥式导向系统一般采用以下三种方式（导向原理如图8-2-7所示）。

（1）通过安装在车辆上的机械导向装置实现列车的导向。该装置采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导轨侧面相互作用（滚动摩擦）以产生复原力，使这种力与列车沿曲线运行时的侧向力相平衡，从而使列车始终保持沿着导轨中心线运行的状态。

（2）安装导向超导磁体在车辆上，使之与导轨侧向的地面线圈或金属带产生磁斥力，并使该力与列车侧向作用力相平衡，从而使列车始终保持正确的运行方向。该导向方式只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙，避免了机械摩擦。

图8-2-7　超导磁悬浮车的导向原理图

（3）“零磁通量”导向系统。即沿线路中心线均匀铺设“8”字形的封闭线圈，当列车上超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈磁场为零；而当列车发生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场不为零，并产生一个用以平衡列车侧向力的反作用力，使列车回到线路中心线的位置。

图8-2-8　利用磁力导引的磁悬浮列车导向原理图

（三）牵引原理

由于磁悬浮列车是悬浮在一定的高度，使车轮与导轨脱离，故不再依靠它们之间的摩擦力产生的牵引力来使车辆前进，而是采用一种叫作直线电机的牵引装置作为列车的牵引动力。这种无接触的牵引工作原理类似于转动的同步电动机，只是它将旋转的电机的定子切开，并且沿着线路方向展开，这样，在定子上产生的就不再是一个旋转的行波磁场，而是一个移动的行波磁场。列车的悬浮电磁铁通电后，就成为电动机的转子（励磁磁极）。路轨上的定子中三相绕组产生的移动行波磁场，作用在车上的悬浮磁铁（转子）上，产生同步的电磁牵引力，引导磁悬浮列车前进或后退。同步直线电机驱动（如图8-2-9所示）。调节定子供电的频率与电压，即可改变磁悬浮列车的运行速度。(www.xing528.com)

图8-2-9　HSST直线电机原理图

（四）供电原理

1．非接触式的供电原理

由于TR系统的磁悬浮列车运行时与轨道完全无接触，其列车车载控制、照明、空调等设备的用电，以及导向电磁铁和悬浮电磁铁的供电，均来自车载电源（镍镉可充电电池组和整流设备）和直线发电机。车载电源的充电，在列车运行时是由直线发电机提供；停站时由车站的供电轨（列车到站后受流器与供电轨接触） 供电。直线发电机是将三相绕组固定放在悬浮磁铁上。当列车运行时，由于速度的变化以及定子槽电压的作用，装在悬浮磁铁上的三相绕组将产生感应交流电，经整流后可供列车用电。这些高频磁场分量因列车运行时惯性较大，对列车悬浮控制的影响不大，直线度电机结构如图8-2-10所示。

图8-2-10　直线发电机结构示意图

2．同步直线电机定子的供电原理

如前所述，TR系统的磁悬浮列车的动力和其他用电全部从同步直线电机定子上获取。定子分段铺设于线路上，且每段的长度不等，视列车在该段的运行速度、加速度、爬坡、转弯等情况及车体长度而定，一般为300～2 000 m（如图8-2-11所示）。定子线圈的供电来自沿线的变电站，一般变电站相隔在25～40 km。两个变电站之间只允许有一个列车运行，而且仅对列车所在的那一段定子供电，其他线路段则无电。

图8-2-11　常导长定子磁悬浮列车定子供电示意图

由于定子安装在线路上，因而可以根据该段线路的具体情况（例如爬坡或加速），确定该段直线电机的功率，再确定为这段线路供电变电站的功率与距离，而无须像轮轨列车那样按整个线路可能出现的最大功率需求来确定列车上的电机功率。直线同步电机的控制，采用VVVF变压变频高速方式如图8-2-12所示。

图8-2-12　长定子直线电机容量确定示意图

（五）制动原理

常导磁悬浮列车的正常制动方式均利用同步直线电机作为发电机进行控制。当列车高速运行时，采用再生制动方式，即直线电机的工作方式由牵引改为发电，将列车的动能转化为电能回馈给电网，以降低列车速度。当列车速度较低时，再生制动改为电阻制动，即电能不再反馈给电网，而是消耗在变电站的特殊电阻上以热的形式散发，当列车的速度很低时，直线电机改为反接制动，即电机的牵引方向与列车的运行方向相反，直到列车停止。当长定子供电产生故障导致直线电机制动失灵或需要紧急制动时，采用涡流制动方式。即车上的涡流制动磁铁励磁，使侧向导轨上产生涡流，形成对列车的涡流制动力。

（六）控制原理

传统的轮轨列车依靠轮轴短路两根钢轨上传输的电信号来确定列车的位置，而磁悬浮列车无轮轨系统，不能采用这种方式。TR系统的磁悬浮列车的定位，由两部分构成：一是在线路上的定子下方每隔大约500 m设置有电磁性标志板，列车经过时，即读取标志板上绝对地址；二是标志板之间的定位靠记录经过的定子齿槽数而获得，定子齿槽间距为8.6 cm。因此，TR系统的磁悬浮列车定位精度较高如图8-2-13所示。

图8-2-13　常导磁悬浮列车的通信示意图

磁悬浮列车以无线通信方式与地面进行联系。沿线路大约每隔300 m（视线路具体情况而定）有一根无线电，采用38 MHz的高频专用信道以安全编码的方式与列车进行双向通信，传输所有与行车安全有关的指令及数据。与安全无关的信号则通过其他频道传输。

TR系统的磁悬浮列车自动控制系统由三级构成：第一级为中央控制中心；第二级为分区控制中心（设在变电站）；第三级为列车控制系统。每一级都由高可靠独立冗余（三取二）安全计算机系统构成，其中列车两端各有一套独立的计算机系统。正常情况下由一套计算机系统工作，另一套热机备用。一旦工作系统出现异常，备用系统立即自动投入工作，并实现列车安全停车。