日本超導超高速磁浮鐵路技術磁懸浮與直線驅動任務一日本磁浮鐵路技術的發(fā)展過程一、起步階段日本在世界上第一條高速鐵路——東海道新干線開通的前兩年（1962年）就開始進行了磁浮鐵路的開發(fā)研究。采用超導磁斥式懸浮系統(tǒng)。1972年，電動磁浮原理車ML100，60km/h。LSM200、ML100A試驗車。二、宮崎試驗線（倒“T”形導軌、地面懸浮方式）1975年，日本開始在九州半島上修建宮崎試驗線。1977—1999年，全長7km的試驗線分段投入使用。1977年7月，日本開始對ML500試驗車進行試驗。1979年5月專門在ML500車上進行車載液體氦制冷機試驗。1979年12月實現了517km/h的當時世界列車運行最高速度。三、“U”形導軌、地面懸浮方式由原先的“⊥”形斷面改進成“U”形斷面。MLU001三、“U”形導軌、地面懸浮方式1980年，新開發(fā)的箱形試驗車MLU001開始進行行走試驗。1987年，兩輛編組的磁浮列車的載人試驗速度達到400.8km/h。1987年，日本新的電動懸浮系統(tǒng)試驗車MLU002開始在宮崎試驗線路上運行。1989年，MLU002型磁浮車不載人試驗速度達到394km/h。1989年，MLU002磁浮車在運行試驗中發(fā)生火災事故被燒毀。1993年1月開始在宮崎試驗線進行試驗，并于1994年2月達到431km/h的試驗速度，載人運行最高速度達到411km/h。1996年10月，宮崎試驗線關閉。四、山梨試驗線（“U”形導軌、側壁懸浮方式）為接近應用條件的試驗需要，因此決定建設山梨磁浮試驗線。山梨試驗線18.4km長的試驗線路變電站實驗中心兩列試驗車輛四、山梨試驗線（“U”形導軌、側壁懸浮方式）1990年11月，日本開始修建山梨試驗線；1991年6月開始進行側壁懸浮方式的走行試驗；1995年開發(fā)出山梨試驗線車輛MLX01；1996年超導磁浮山梨試驗中心建成；1997年4月3號進行3輛MLX01編組的試驗；1997年12月24日不載人試驗速度達500km/h，創(chuàng)下了新的世界紀錄；四、山梨試驗線（“U”形導軌、側壁懸浮方式）1999年4月，5輛編組的MLX-01型車的載人試驗速度達552km/h；2002年6月，新型試驗車輛駛入車輛基地。新型車輛的最大特點是車頭流線部分的長高比例顯著增大，大大改善了列車頭部的空氣動力性能。MLX011999年12月進行磁浮雙向列車試驗，創(chuàng)造了會車相對速度超過1003km/h的最高世界紀錄，當時兩車運行速度分別為546km/h和457km/h；五、試驗研究的特點堅持不懈日本的高速鐵路40年來在世界范圍內一直處于領先水平。其原因是在于持續(xù)不斷地進行研究和開發(fā)，40年來沒有出現過大起大落的現象。五、試驗研究的特點勇于創(chuàng)新日本的高速鐵路是在不斷創(chuàng)新中發(fā)展起來的，日本的磁浮鐵路技術也是在不斷創(chuàng)新中發(fā)展起來的。在一種形式的導軌車輛系統(tǒng)達到理想的試驗結果之前，就已開始新的更好形式的導軌車輛系統(tǒng)的研究。由“⊥”形導軌改成“U”形導軌，由底面懸浮方式改為側壁懸浮方式，每次創(chuàng)新都使得技術更為先進、實用。五、試驗研究的特點重視試驗在進行新型導軌、車輛系統(tǒng)的試驗研究前，一般先修建相應的試驗線，在試驗線上驗證、發(fā)現問題，再進行改進。五、試驗研究的特點重視試驗由室內試驗到宮崎試驗線再到山梨試驗線，在不同的試驗場地驗證了磁浮鐵路相應的理論和技術，同時又發(fā)現了許多新問題，這些新問題再在下一次試驗或新的試驗線上進行試驗并研究解決。五、試驗研究的特點確保安全新型系統(tǒng)一般先進行無載人試驗，再進行載人試驗。這就保證了試驗人員的人身安全，同時可以使新技術達到實用化程度。日本超導超高速磁浮鐵路技術主講老師：朱慧勇謝謝觀看任務一日本磁浮鐵路技術的發(fā)展過程日本超導超高速磁浮鐵路技術磁懸浮與直線驅動任務二山梨試驗線引言山梨省預見到位于甲府附近的新試驗線如果成功，將來會作為中央新干線的一部分使用，因此新設立了“磁浮鐵路推進局”，開展試驗線的申請活動。一、新試驗線擬建山梨試驗線位于日本首都東京西偏南方向的山梨縣。試驗線總長42.8km，其中中間部分為12.8km的復線區(qū)間。一、新試驗線擬建由地面段和隧道段構成，進行列車會車、加速、制動等試驗。復線區(qū)間的兩端設有高速道岔。80%為隧道（共13座）。有40‰的大坡度段、半徑為8000m的全線最小半徑的曲線段以及高架橋段等。隧道斷面與現在的新干線相比約大30%，高速路段達7.7m，為了緩解車輛超高速通過隧道時產生的空氣動力效應。二、導軌為“U”字形導軌支承車輛的質量（支承功能）防止車輛橫向滑動及水平方向擺動（導向功能）提供列車前進及制動時的縱向力（驅動功能）在“U”字形導軌的垂直部分（兩側）設置有驅動繞組、懸浮繞組及導向繞組，這些繞組與裝在車輛連接處的超導磁鐵之間產生引力和斥力，因此列車可以沿著導軌懸浮行駛。山梨試驗線的導軌為“U”字形，導軌的功能與通常的鐵路軌道一樣。三、18.4km的先行區(qū)間1997年，18.4公里的先行區(qū)間完成建設，標志著山梨試驗線進入了實質性的測試階段。其中隧道區(qū)段長16km，地面區(qū)段長2.4km。四、側壁懸浮形式將地上的驅動繞組、懸浮繞組、導向繞組設置在導軌側壁的側壁懸浮形式。側壁懸浮形式更利于超導磁浮列車穩(wěn)定高效地行駛。驅動繞組為車輛電機的一部分，當三相交流電在驅動繞組中流動時給車輛產生驅動力。懸浮繞組和導向繞組的作用與通常的鐵路軌道一樣，為車輛提供浮力并防止車輛的橫向擺動。日本超導超高速磁浮鐵路技術主講老師：朱慧勇謝謝觀看任務二山梨試驗線日本超導超高速磁浮鐵路技術磁懸浮與直線驅動任務三基本原理一、超導原理具有超導性質的材料在一定的溫度之下出現電阻幾乎為零的狀態(tài)，稱為超導狀態(tài)。在超導狀態(tài)下，由于超導材料的電阻為零，用它所制成的繞組一旦施加電流之后，其中的電流會永久地流動下去，由此可以得到數十倍永久磁鐵的磁場強度。一、超導原理高溫超導一般使用液氮作為冷凍液，將繞組線圈保持在-196℃之下，使線圈繞組達到超導狀態(tài)。一、超導原理ML系統(tǒng)使用低溫超導技術。用液氦作為冷凍液，讓線圈繞組達到-269℃的溫度時車載線圈繞組即進入超導狀態(tài)。為了提高磁浮車輛上超導材料的穩(wěn)定性，日本使用鈮鈦合金作為線圈繞組材料。二、超導磁鐵超導線圈放置在低溫容器內，上部為液氦冷凍機，每個容器需要100L液氦，每年液氦消耗量為百分之幾。一個超導磁鐵共產生4個N、S極交叉排列的磁場極性。三、驅動原理ML列車用長定子直線電機驅動（導軌及車輛兩側上）。日本在每節(jié)車輛兩端都安裝有超導磁鐵，超導磁鐵產生超導磁場N極和S極。電流通過地面推進繞組（日本ML的推進繞組位于“U”形導軌的側壁上）后，繞組逐級變成電磁鐵（N極和S極），即產生直線移動磁場。通過控制使得前方地面磁場與車輛超導磁場的極性相同而產生排斥力，使得車輛向前運動。三、驅動原理為了節(jié)約能源，超高速磁浮鐵路一般將地面上的若干推進繞組相互串聯為一個個的分區(qū)，各分區(qū)的地面繞組中一般情況下無電流通過，只在車輛通過該分區(qū)時繞組才接通電流。四、速度控制原理地面控制中心通過調節(jié)變電站送到導軌處驅動繞組的電流的周期（相位）和大小（振幅），改變磁場的強弱，來實現對驅動力的控制。五、導向原理側壁懸浮原理在導軌兩側的側壁上，排列著一組組導向繞組，當車輛高速通過時，車輛上的超導磁場會在導軌側壁的懸浮繞組中產生感應電流和感應磁場?？刂泼拷M懸浮組上側的磁場極性與車輛超導磁場的極性相反從而產生引力，下側極性與超導磁場極性相同而產生斥力，使得車輛懸浮起來。五、導向原理磁浮列車在靜止或低速運行的時候，車載低溫超導磁體的中心線與軌道側壁的“8”字形短路線圈中心線重合，線圈中無感應電流和懸浮力產生；當列車運行達到一定速度收起支撐輪的時候，車載低溫超導磁體偏離“8”字形線圈中心線，在“8”字形線圈中感應電流，產生懸浮力與導向力。五、導向原理列車運行速度越高，則懸浮力越大。當列車運行速度低于120km/h之后，所產生的懸浮力較小，不足以支承車輛懸浮，依靠安裝在轉向架底部的車輪支承行駛。如果車輛在平面上遠離了導軌的中心位置，則系統(tǒng)會自動在導軌每側的懸浮繞組中產生磁場。使得偏離側的地面磁場與車體的超導磁場產生吸引力，靠近側的地面磁場與車體磁場產生排斥力，從而保持車體不偏離導軌的中心位置。五、導向原理由于導軌產生的導向磁場也為感應磁場，所以列車運行速度越高，產生的導向力越大。日本的超導磁浮車輛當列車低速運行時，所產生的導向力較小，不足以使車輛自動導向，與前述的懸浮情況類似，此時依靠安裝在轉向架兩側的導向車輪完成導向功能。五、導向原理日本超導超高速磁浮鐵路技術主講老師：朱慧勇謝謝觀看任務三基本原理日本超導超高速磁浮鐵路技術主講老師：朱慧勇磁懸浮與直線電機任務三車輛及列車編組一、車輛基地車輛基地負責進行車輛的日常保養(yǎng)與檢查、超導磁鐵檢修等工作。二、營業(yè)用的兩組列車編組中央新干線的長大干線形式與新千歲機場—札幌間及計劃中的大宮—成田機場間的短程往返形式。日本超導磁浮鐵路長大干線形式適用于大城市間的大容量高速運輸，短程往返形式適用于運行距離50～70km的范圍，可用于大城市圈的外環(huán)鐵路及市中心與機場的連接。三、山梨試驗線的列車編組第一編組(三輛編組)山梨試驗線使用的試驗列車第二編組(四輛編組)第三編組(五輛編組)新舊車輛混合編組三、山梨試驗線的列車編組車輛編號1995年7月以后使用的磁浮車輛使用新的名稱“MLX01”,編號用名稱后的第一位數或兩位數表示。位于車頭的車輛用一位或三位數表示，位于中間的車輛用兩位數表示。三、山梨試驗線的列車編組第一編組第一編組列車由三節(jié)車組成。兩個車頭形狀不同，甲府方向車頭為雙重尖點型(MLX01-01),東京方向車頭為流線型(MLX01-02),中間車輛為標準車輛(MLX01-11)。三、山梨試驗線的列車編組第一編組1996年12月由維修車輛牽引開始運行試驗，此試驗為綜合調試試驗的一部分。綜合試驗項目包括試驗線設備、安裝狀況的確定；地面設備及車輛性能的確定；導軌等地面構造物與車輛之間的間隙、車輛位置、速度檢測功能的確認與調整，以及兩種車頭的動力性能試驗?！癕LX01”型的轉向架配置在車輛連接處，為減小空氣阻力與空氣噪聲，依據風洞試驗結果將甲府方向的車頭設計成雙重尖點(DoubleCusp)形狀，整體為三輛編組四轉向架形式。三、山梨試驗線的列車編組第二編組第二編組由四輛組成，兩端車頭分別為MLX01-03和MLX01-04,中間車輛為標準中間車輛(MLX01-12)和新生產的加長中間車輛(MLX01-21)混合編組。三、山梨試驗線的列車編組新編組2002年6月新的試驗車輛駛入車輛基地后，使用新的列車編組并開始試驗。甲府方向的車頭為流線型更好的新車(MLX01-901)。東京方向車頭為選線的MLX01-04,中間車輛為加長車輛(MLX01-22)。四、轉向架新的磁浮列車在車輛的連接部設置“連接轉向架形式”。首先是常超導磁鐵設置在遠離座位的連接部，遮斷可能會對人體產生有害影響的磁場；與通常的新干線相比，這種形式可以降低座席的高度，這種“低置構造”可減少空氣阻力。四、轉向架安裝在車輛連接的轉向架，具有將超導磁鐵產生的驅動力與懸浮力傳遞到車體、保障旅客安全、減少振動(即緩沖)的功能。五、車輪及輪胎車輛低速行駛時使用車輪行駛和導向，輪上的高性能輪胎由高強度、高耐熱的橡膠制成，以層層疊加的方式增加各部分的強度。列車出現異常時，從速度550km/h的懸浮行駛狀態(tài)緊急著地，進入停車或地上行駛狀態(tài)，輪胎的性能能夠滿足需求。因此長大的磁浮列車在進入懸浮行駛之前或降落到導軌之后也可以像飛機一樣利用輪胎安全行駛。六、車輛甲府方向車頭(MLX01-01)長28m,車體最大寬度2.9m,轉向架部分的最大寬度為3.22m,懸浮行駛時的高度為3.28m,車輪著地行駛時的高度為3.32m,載人時重29t,車輛斷面面積8.91m2。車體的設計融合了飛機與鐵路車輛的技術，為鋁合金半硬殼結構實現了輕量化，提高了耐久性?？紤]到車內的舒適性，車體外板的內側貼隔熱防音材料，一部分使用了磁場遮斷材料。CFRP遠離超導磁鐵七、新型試驗車輛1.車輛形狀新型車輛的最大特點是使得車頭流線型的特點更為突出。頭車(甲府方向)頭部的長度由原來的9.1m增加到23m。七、新型試驗車輛2.車體構造中間車輛的車體盡量使用“擠出成型材”,實現外板與支撐骨架的一體化，減少了車輛制造工時，降低了制造費用。七、新型試驗車輛3.車載設備空氣翼制動裝置為緊急制動裝置，原先使用油壓驅動設在車頂的開閉板片。新型車輛則采用氣缸驅動裝置，上下滑動板片，簡化了構造，減輕了質量。八、未來感覺與傳統(tǒng)協(xié)調車廂在一部分車輛內，采用日本傳統(tǒng)的和紙花色，將未來感覺和傳統(tǒng)融于一體。室內換氣系統(tǒng)巧妙地利用高速行駛時的空氣流，開發(fā)出節(jié)能輕量的換氣裝置，將新鮮的空氣送入車內，使車內既安靜又舒適。車輛的形象設計(外部涂裝等)以淺白色為基調，以淺藍色線條作陪襯，與大城市圈及中部山岳的沿線風景相協(xié)調，充滿未來世界的感覺。JR東海、JR鐵道綜合研究所減少空氣阻力、確保形式安全九、改進后的超導磁鐵作為新試驗車輛心臟部分的超導磁鐵的性能，與宮崎試驗線相比有了大幅度提高。超導磁鐵裝置可以說是磁浮鐵路系統(tǒng)中最關鍵的技術。新開發(fā)的超導繞組由內槽、外槽以及裝有冷卻用液體氦的車載制冷機組成。處于超導狀態(tài)的繞組只要通電一次，電流將流動不息，產生比普通永久磁鐵強度高幾十倍的強磁場。為了提高超導狀態(tài)的穩(wěn)定性，使用了將超導物質鈮鈦合金的極細多芯線埋設于銅制母材的方法制成繞組。十、失超問題也有所改善指安裝車輛上的磁鐵在運行中由于振動及摩擦而發(fā)熱，進而喪失磁力的現象，也稱為失磁現象。技術人員與繞組制造商協(xié)力進行了巨型計算機模擬、電磁加振等試驗，經過近十年的研究發(fā)現了失超現象的發(fā)生機制，從根本上消除了失超的可能性。通過進一步選優(yōu)繞組材料、改善結構、采用新的繞組固定措施，使繞組的耐振性能提高了8倍以上，發(fā)熱量減少到原來的1/10以下。失超(Quench)現象十一、制動裝置試驗車輛的制動裝置為常用的電力再生制動裝置。為保障從超高速到停車的各級速度范圍都具有穩(wěn)定的制動力，車上還裝有兩類制動裝置。車輪盤型制動使用輕量C/C復合材料(碳素纖維/碳素樹脂復合材料),制動盤的能量吸收能力很高。另外一類為空氣翼制動。在車體上部向上豎立空氣制動翼(或稱空氣制動板),平常它不向外伸出，當需要空氣制動時它伸向上部，產生空氣阻力。十二、障礙物排除裝置障礙物排除裝置指列車與障礙物相撞時防止車體損壞的緩沖器。它不但吸收碰撞時的能量，還能借助緩沖材料的變形將障礙物帶走。日本超導超高速磁浮鐵路技術主講老師：朱慧勇磁懸浮與直線電機任務五供電及控制一、變電站故主變壓器完全滿足列車行駛要求，將送來的154kV電壓降為66kV。因為是雙路供電，所以可以確保用電需要。超導磁浮鐵路的變電站與普通鐵路的變電站不同，需按列車運行控制要求及時改變輸入電流及頻率，使磁浮列車嚴格按照設定程序自動行駛，實現列車無人駕駛運行，同時使列車能準確地停在指定的位置。超導磁浮鐵路的軌道設有控制信號(軌道電路)。因此，為保證列車安全準確地運行，將驅動繞組按一定間隔分段(試驗線的間隔為453m,將來商用運營線路的間隔為40～50m),按列車的位置切換供電開關，確保前后列車的運行安全。二、變流器山梨試驗線南、北線分別裝有3組變流器(Inverter),提供20MV·A、38MV·A的電力。該變流器將電力公司提供的商用頻率的電力轉換為控制列車速度所需要的頻率。為了調節(jié)列車的運行速度，北線變流器提供的電力頻率范圍為0～56Hz,對應的列車速度為0～550km/h;南線的頻率范圍為0～46Hz,對應的列車速度為0～450km/h。二、變流器變流器的控制過程為：根據控制中心的運行管理系統(tǒng)先生成運行曲線，根據這個運行曲線的指示，再通過變電站的驅動控制系統(tǒng)控制變流器的動作。三、非接觸式供電形式對于超高速磁浮鐵路，這種電力不可能像城市軌道交通那樣靠供電軌或架空線提供，只能采用無接觸供電方式。非接觸車內供電形式原理及結構見圖。非接觸式車內供電原理圖感應發(fā)電裝置結構四、運行控制系統(tǒng)集中控制子系統(tǒng)、沿線分散的控制子系統(tǒng)和移動的車上控制子系統(tǒng)。集中控制子系統(tǒng)即控制中心，控制和監(jiān)視整個線路和運行設備。沿線路分散的控制子系統(tǒng)的分段與變電站的供電區(qū)段一致，控制和監(jiān)測相應的供電區(qū)段的線路和磁浮列車的運行情況。超導磁浮鐵路控制系統(tǒng)的總體結構四、運行控制系統(tǒng)分散控制子系統(tǒng)受控制中心控制，并實現與移動子系統(tǒng)的通信。磁浮列車的運行是由地面自動控制的。磁浮列車上移動的控制子系統(tǒng)對車上的重要設備和系統(tǒng)進行監(jiān)控。在緊急情況下，車上的控制系統(tǒng)應具有不依賴線路牽引系統(tǒng)和線路側控制系統(tǒng)獨立實現安全保護功能。移動子系統(tǒng)與沿線路的子系統(tǒng)之間，通過漏泄同軸電纜或無線電毫米波通信。漏泄同軸電纜敷設在線路“U”形槽側壁頂部。四、運行控制系統(tǒng)車上設有發(fā)射天線，發(fā)射一定頻率的脈沖信號，沿線路凹槽底部中心有6股每隔45cm交叉一次的感應回線，能感應車上天線發(fā)出的脈沖信號，由此可確定磁浮列車的行駛方向、位移和速度。列車與線路間的安全信號也通過交叉感應回線來傳輸。此外，在線路上每隔400m還設有標明線路絕對位置的編碼標志，磁浮列車經過時，可得到磁浮列車相對線路的絕對位置，并由此校正交叉感應回線定位系統(tǒng)通過相對技術可能產生的累計定位誤差。五、試驗中心超導磁懸浮列車無人駕駛，它的起動、加速、高速行駛、減速、停止、開關車門、上下車裝置的操作均由設在地面的運行控制中心自動控制。日本中低速磁浮HSST系統(tǒng)主講老師：付娟謝謝觀看任務二工作原理日本超導超高速磁浮鐵路技術磁懸浮與直線電機任務七“U”型常導高速磁浮鐵路系統(tǒng)設計一、國內外磁浮發(fā)展現狀世界上高速磁浮有德國常導高速磁浮TR系列，日本低溫超導高速磁浮ML系列，美國特斯拉超級高鐵Hyperloop，青島四方時速600Km常導高速磁浮，西南交通大學時速620Km高溫超導高速磁浮等，高速磁浮鐵路技術研究方興未艾。一、國內外磁浮發(fā)展現狀德國常導高速磁浮TR的懸浮高度為10mm，因此對制造和施工精度要求較高。日本超導高速磁浮ML的超導繞組使用鈮（Nb）鈦（Ti）合金制造，用液氦來冷卻，造價高昂且容易失超。德國TR和日本ML可否結合？二、系統(tǒng)結構圖2轉向架安裝多個電磁鐵圖3“U”形軌安裝驅動導向線圈，“8”字形懸浮線圈圖1磁浮列車編組三、系統(tǒng)原理三、系統(tǒng)原理三、系統(tǒng)原理四、本系統(tǒng)與TR、ML的對比項目德國TR日