江冀海

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

0 引言

運(yùn)行速度在80km/h～200km/h 的磁懸浮列車統(tǒng)稱為中低速磁懸浮列車[1]，其適合城市市區(qū)、近距離城市間和旅游景區(qū)的交通連接，具有綠色環(huán)保、安全性高、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)。 中低速磁懸浮交通系統(tǒng)供電、信號(hào)、站場(chǎng)的設(shè)計(jì)與現(xiàn)運(yùn)營(yíng)軌道交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)路線相同，可采用已有的成熟技術(shù)，僅針對(duì)磁懸浮列車的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)即可。 但與傳統(tǒng)輪軌車輛在驅(qū)動(dòng)方式與技術(shù)特征方面存在的根本差異，導(dǎo)致其部分子系統(tǒng)在技術(shù)上發(fā)生了很大的變化，甚至某些技術(shù)已經(jīng)超出傳統(tǒng)軌道交通的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是磁懸浮車輛的懸浮系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)。

磁懸浮列車仍然屬于陸上有軌交通運(yùn)輸系統(tǒng)，列車運(yùn)行時(shí)保持懸浮狀態(tài)，與軌道間無(wú)直接接觸，不存在傳統(tǒng)列車輪軌黏著限制的問(wèn)題[2]，同時(shí)懸浮運(yùn)行的特征極大地減小了車體設(shè)備之間的機(jī)械噪聲與磨損，基于這些優(yōu)勢(shì)，磁懸浮列車有可能成為未來(lái)理想的陸上交通工具。 目前的中低速磁懸浮列車通常采用常導(dǎo)磁吸式（EMS）進(jìn)行懸浮和導(dǎo)向，異步短定子直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，懸浮的氣隙較小，一般為10mm 左右。目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)沙磁浮線和北京S1 磁浮線均采用了這種技術(shù)方案。

1 中低速磁懸浮列車懸浮原理

磁懸浮列車保持懸浮的力，從本質(zhì)上講就是電磁鐵產(chǎn)生的電磁吸力或者是同磁極間產(chǎn)生的排斥力來(lái)實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車的懸浮和導(dǎo)向，再利用線性電機(jī)初級(jí)和次級(jí)可以分開(kāi)安裝的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的驅(qū)動(dòng)。 目前國(guó)內(nèi)中低速磁懸浮列車的軌道基本都采用了“F”形軌，“F”軌朝下凸起部分相當(dāng)于軌道端的磁極，與電磁鐵上的磁極相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生電磁吸力使得列車懸浮起來(lái)，如圖1 所示。 目前國(guó)內(nèi)的中低速磁懸浮列車沒(méi)有配置專門的導(dǎo)向電磁鐵，當(dāng)列車轉(zhuǎn)彎時(shí)，“F”軌上的磁極與懸浮電磁鐵磁極之間產(chǎn)生錯(cuò)位形成側(cè)向?qū)蛄?，電磁鐵導(dǎo)向力配合列車上的迫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)懸浮架的曲線擬合。

圖1 中低速磁懸浮列車懸浮與導(dǎo)向原理

列車懸浮系統(tǒng)依靠間隙傳感器采集控制數(shù)據(jù)并反饋到懸浮控制器，經(jīng)過(guò)懸浮控制器的運(yùn)算給出控制指令到斬波器，調(diào)整輸出到電磁鐵上電流的大小來(lái)調(diào)整懸浮力的大小，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整懸浮間隙并使其始終保持在允許波動(dòng)范圍值之內(nèi)[3]。 中低速磁懸浮列車懸浮系統(tǒng)的控制原理流程圖如圖2 所示。

圖2 懸浮系統(tǒng)控制原理流程圖

間隙傳感器一般固定在電磁鐵上，用于測(cè)量電磁鐵磁極極板上表面與“F”軌道下表面之間的間隙以及車輛的垂向加速度。 間隙傳感器探頭面應(yīng)與軌道面盡量保持平行。 間隙傳感器設(shè)置有冗余功能，單個(gè)間隙傳感器對(duì)應(yīng)輸出多路間隙信號(hào)和加速度信號(hào)[4]，各路信號(hào)都通過(guò)各自的一個(gè)串行通信接口傳送給懸浮控制器。

中低速磁懸浮列車的懸浮電磁鐵采用U 型結(jié)構(gòu)，懸浮電磁鐵磁極與“F”軌上磁極之間產(chǎn)生電磁吸力，在實(shí)現(xiàn)懸浮的同時(shí)兼具導(dǎo)向的作用。 懸浮電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 同時(shí)中低速磁懸浮列車設(shè)置有懸浮電源和懸浮蓄電池。懸浮電源直接從直流高壓側(cè)獲得DC1500V 電源輸入，輸出DC330V 電源，其輸出供懸浮電磁鐵、懸浮控制器、緊急通風(fēng)及懸浮蓄電池使用。 懸浮蓄電池額定電壓為DC330V，為車輛懸浮系統(tǒng)電源運(yùn)用過(guò)程中提供補(bǔ)償電源能量及穩(wěn)定/調(diào)節(jié)電壓。 當(dāng)車輛懸浮電源系統(tǒng)失效時(shí)作為后備電源使用。

圖3 懸浮電磁鐵結(jié)構(gòu)

2 中低速磁懸浮列車牽引原理

中低速磁懸浮列車牽引系統(tǒng)主電路主要由受流器、高壓電器柜、高壓分線箱、電抗器、牽引逆變器、交流直線電機(jī)等組成。 牽引系統(tǒng)主電路主要功能是受流器得電，在庫(kù)用電源與第三軌供電之前實(shí)現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換，為列車提供牽引力與電制動(dòng)力，對(duì)列車提供牽引控制和系統(tǒng)保護(hù)。

交流直線感應(yīng)電機(jī)與三相異步電機(jī)在工作原理上基本一樣，但是在結(jié)構(gòu)形式上產(chǎn)生了很大的變化。 通?？煽醋魇菍⒁慌_(tái)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿軸向剖開(kāi)，定子和轉(zhuǎn)子平鋪成直線，原先的定子部分稱為初級(jí)，原先的轉(zhuǎn)子部分稱為次級(jí)，如圖4 所示。

圖4 由旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的過(guò)程

直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)（定子）接通對(duì)稱的三相交流電源后產(chǎn)生沿“F”軌方向的行波磁場(chǎng)，中低速磁懸浮列車直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)（定子）一般安裝在車輛底架部分的兩側(cè)，如圖5 所示，次級(jí)（轉(zhuǎn)子鋁材感應(yīng)板）沿列車前進(jìn)方向鋪設(shè)在F 軌道上。 動(dòng)態(tài)的行波磁場(chǎng)與鋁材感應(yīng)板間形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，依據(jù)左手定則，動(dòng)態(tài)的行波磁場(chǎng)與鋁材感應(yīng)板中產(chǎn)生的電流之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿軌道方向的電磁力，從而驅(qū)動(dòng)列車沿軌道方向運(yùn)行。 以長(zhǎng)沙磁懸浮列車為例，每輛車的牽引系統(tǒng)包括1 臺(tái)逆變產(chǎn)生電壓、頻率可調(diào)三相交流電的牽引逆變器，牽引逆變器給當(dāng)前車輛上的10 臺(tái)直線感應(yīng)電機(jī)供電，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)三相間負(fù)載的平衡，10 臺(tái)直線感應(yīng)電機(jī)一般采用5串2 并的方案。

牽引逆變器是牽引系統(tǒng)的核心，它的基本功能是把從供電電網(wǎng)獲得的DC1500V 電壓變換成頻率和幅值都可調(diào)的三相交流電壓，給直線感應(yīng)電機(jī)供電。 逆變器主電路采用兩電平電壓型三相逆變電路，功率器件采用IGBT，主要由啟動(dòng)限流模塊、濾波模塊、三相逆變器模塊、過(guò)壓保護(hù)斬波器模塊等組成，采用恒滑差頻率控制方式[5]。牽引逆變器裝置采用獨(dú)立安裝方式，即使其中一臺(tái)逆變器發(fā)生故障，其余逆變器還可以保持正常工作。中低速磁懸浮列車制動(dòng)過(guò)程中，列車速度較高時(shí)采用可回收電能的再生制動(dòng)模式，列車速度較低時(shí)再生制動(dòng)無(wú)法產(chǎn)生足夠的制動(dòng)力從而切換到反向制動(dòng)，此時(shí)受流軌為直線感應(yīng)電機(jī)提供電能。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)中低速磁懸浮車輛的懸浮系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)的主要部件功能及其工作原理。 從中可以發(fā)現(xiàn)，直線電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子無(wú)機(jī)械連接并可以分開(kāi)安裝的特性剛好契合了磁懸浮車輛運(yùn)行時(shí)懸浮的特性，中低速磁懸浮車輛采用短定子異步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案，該方案建設(shè)成本相對(duì)低廉，但由于采用接觸軌受流也限制了車輛的速度上限。 磁懸浮車輛懸浮運(yùn)行的特性，較之傳統(tǒng)輪軌車輛，很好地克服了輪軌黏著、運(yùn)行噪聲等問(wèn)題，可以有效延長(zhǎng)磁懸浮車輛的使用年限，減少日常的維護(hù)檢修。