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1、微型磁悬浮公共交通工具系统的研究与设计驱动系统方案设计摘要 地面有轨铁路交通具有运量大、能耗低、污染少、全天候、安全可靠等优点，是城市交通的理想选择。在磁悬浮技术迅速发展的现状下，本文通过对现有各种驱动原理的比较分析，并进一步深入研究比较了直线电机驱动技术的种类及特点，在现阶段磁悬浮直线电机驱动仍未完全普及、实验条件有限的条件下，本文对驱动结构方面进行了创新，将旋转电机驱动技术应用到磁悬浮列车上，使得在满足性能的基础上减低了造价。关键词 磁悬浮，驱动系统，电动机，调速ABSTRACT The railway transportation system has merits such as ta
2、king more cargo, lower energy consumption, less pollution, all-weather, safe and reliable. For the reasons mentioned above, the railway system is a sensible choice of the city transportation. In under the technology of Maglev rapid development present situation, the thesis has made thorough comparis
3、on among kinds of theories and technology of drive. For the reason that the train which driven by linear-motor is not yet popular and the limited condition of experiment, this article made a creative design on the drive structure aspect. That means we adopted rotating machine to drive the Maglev tra
4、in in order to meet the demand of the performance and cut the cost.KEY WORD Maglev, drive system, electromotor, timing目录1 前言 41.1 磁悬浮城市公交系统研究的目的和意义 41.2 磁悬浮列车发展史 51.3 我国中低速磁悬浮列车发展情况 61.4 磁悬浮技术存在的主要问题 61.5 研究的范围和应解决的问题 72 问题的提出 83 驱动方案的研究分析 93.1 一般磁悬浮列车的驱动原理 93.1.1 常导磁吸式磁悬浮驱动 93.1.2 超导磁斥式磁悬浮驱动 93.2 各
5、种直线电机的分析和比较 103.2.1 直线感应电动机 103.2.2 直线同步电动机 113.2.3 直线磁阻电动机 134 驱动方案的确定及计算 154.1 初步方案确定154.2 旋转电机驱动方案154.2.1 旋转电机初步方案确定154.2.2 最终方案确定164.3 选取电机 174.4 空气阻力曲线和牵引力分析 184.5 加速度分析 194.6 加速时间分析 204.7 实际功率分析 224.8 实际最大转矩 234.9 直流电动机的调速 245 结论和展望 25致谢 25参考文献 26附录 27第3页 共27页1.前 言1.1 磁悬浮城市公交系统研究的目的和意义城市交通在城市的
6、发展过程中越来越重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具体特点选择交通系统的范围也更宽。通过引入新技术达到节能，保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，中低速磁悬浮列车高速、安全、舒适、无振动、低噪声、无污染，在技术、经济、环境方面有着明显的优势，特别适合于城市轨道交通，在城市交通发展中极具潜力。中低速磁悬浮系统的车辆和轨道结构比较简单，与其它城市轨道交通系统
7、相比，运量中等，加减速性能好，旅行速度高，能耗上也有一定优势。（1）磁悬浮线路设计自由度高由于磁悬浮列车爬坡能力强，转弯半径小，线路设计自由度高，很适合居民点、学校、医院、商业中心集中的大城市的线路设计。（2）对环境影响小随着城市建设的迅速发展，建筑物群愈加密集，轨道交通从地下、地面发展到地上高架。轮轨交通的振动波及到周围建筑物，噪声影响了周边居民的工作和日常生活。磁悬浮列车运行时，中低速下车辆空气动力噪声很低，因此列车运行时振动和噪声很小。不产生铁粉和闸瓦粉尘，无环境污染。（3）土建费用低地铁与轻轨载荷集中在车轮与轨道接触点，磁浮列车采用线性电机载荷均布，且车体轻，运行时对轨道冲击力较小，轨
8、道结构较简单，所以建设费用低。土建工程比轻轨便宜30%以上。（4）维修少磁悬浮列车属于无磨损运行，需要维修的主要是电气设备。随着电子工业的发展，电子元件的可靠性将不断提高。因此，磁悬浮列车的维修工作量较少。1.2 磁悬浮列车发展史磁悬浮列车是自蒸汽机车问世以来铁路技术最根本的突破。磁悬浮列车在今天看似乎还是一个鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。早在1922年德国工程师肯佩尔首次考虑电磁悬浮铁路（电磁对车道的吸引原则）。1934年肯佩尔申请了悬浮列车的专利（1934年8月14日德国国家专利643316）。1953年肯佩尔写出科学报告电磁悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆。进入70年代以后，随着
9、世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一是利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，称为常导型高速磁悬浮列车。主要是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统EMS系统。另一个是以日本为代表的排斥式悬浮系统EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得
10、成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411千米。德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到400千米。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开始。但是，英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家。1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间的磁浮铁路正式通车营业。令
11、人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上惟一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业。目前，美国正在研制地下真空磁悬浮超音速列车。这种神奇的“行星列车”设计最高时速为2125万千米，是音速的20多倍。它横穿美国大陆只需21分钟，而喷气式客机则需5小时。这项计划要求首先在地下挖出隧道，铺设2根至4根直径为12米的管道，然后抽出管道中的空气，使其接近真空状态，最后再用超导方式行驶磁悬浮列车。那时距离不再是阻碍人们团聚的因素。1.3 我国中低速磁悬浮列车发展情况我国对常导短定子磁浮列车的研究已有10多年的历史。1991年，铁道科学研究院牵头进行了“八五”国家科技攻关项目“磁悬浮列车技
12、术研究”课题，完成了在北京东郊环型道1km高架试验线的设计与部分施工，建有室内悬浮试验系统（含14t悬浮实验车）。西南交通大学最早研制出了磁浮实验车，目前正准备建设青城山磁悬浮列车（常导）试验示范线。国防科技大学也是我国“八五”期间研究磁悬浮技术的单位之一。为了建设北京八达岭磁悬浮列车旅游示范线，他们开展了磁浮车辆的实用研发工作，基本达到了实用程度，2001年11月磁浮列车样车通过了国家鉴定。八达岭磁悬浮系统在2005年试运行。国防科技大学的磁悬浮列车即完全由我国开发，其电气控制系统、铝合金车体和转向架都是在国内制造；供电系统立足于国内，主要供电系统设备目前基本可以在国内配套。1.4 磁悬浮技
13、术存在的主要问题（1）高风险，高投资。磁悬浮铁路所需的投入较大，利润回收期较长，投资的风险系数也较高，因而也在一定程度上影响了投资者的信心，制约了磁悬浮铁路的发展。磁悬浮铁路造价相当高，德国和日本分别认为磁悬浮铁路比轮轨铁路高117倍和2倍。柏林汉堡线，1997年预算为89亿马克，第2年就追加了10%，达到98亿马克。1999年重新核算后，起码还要追加30亿马克。日本的东京大阪线，预算为8兆亿日元。磁悬浮列车在应用中无实例可供借鉴，运营风险大。1998年8月，全长270km的悉尼堪培拉线竞标中，德国的磁悬浮方案比法国的TGV轮轨列车还要低。澳大利亚出于风险考虑，最终选择了TGV。（2）兼容性差。无法与既有铁路网连通，只适应于点对点的直通客流。（3）可靠性需检验。由于磁悬浮系统是以电磁（永磁）力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。（4）常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉
