1、单 位：武汉大学电气工程学院办公室：大电网安全研究所2311室主讲人：彭晓涛 杨军,超导技术及应用,课程内容,超导技术导言超导磁悬浮技术超导电力系统及其设备 超导磁储能技术,磁悬浮列车技术,什么是磁悬浮,磁悬浮列车概述,目前存在的技术问题,磁悬浮列车原理,超导磁悬浮列车是利用超导磁体的完全排磁性(迈斯纳效应)，使列车悬浮在空中，以直流电动机作为推动力。他的优点是，不接触轨道，无摩擦，运行安全，无噪声，无任何有害气体排放，造价也只有地铁的三分之一。,1.概述,列车的最高时速不大于350公里，飞机的为1000公里。所以人们就想寻求一种时速介于两者之间的交通工具。磁悬浮列车正好满足了这个要求。最高时
2、速可达到500公里。,1922 德国人赫尔曼肯佩尔(Hermann Kemper)提出 电磁悬浮原理，1934年申请专利。,1970s,工业化发展,要求提高运输能力,轮轨极限速度,非接触式运输系统,V=350km/h,磁悬浮列车,1.概述,虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。,1.概述,1922年，德国人赫尔曼-肯佩尔（Hermann Kemper）提出了电磁悬浮原理，
3、并在1934年获得世界上第一项有关磁悬浮列车技术的专利。这位磁悬浮列车的发明人十分清楚，磁悬浮列车的目标速度，不仅比轮轨铁路快，而且应该超过飞机。他曾设想，该技术可作为发展新型高速长途运输工具的基础，以1000km/h以上的速度运行。为解决空气阻力和噪声问题，拟采用管道隧道抽真空的办法来实现其速度目标值。1938年，发布了关于真空管道线路设想的新闻报道。1953年，赫尔曼-肯佩尔写成科学报告，发表在电子杂志（ETZ）上，题为电子悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆。,1.1 磁悬浮技术的提出,1.概述,磁悬浮列车消除了机械摩擦阻力，能使车辆实现零高度飞行，是发展未来高速、超高速运输工具的基础。讫今，
4、世界上拥有能够实际运行磁悬浮线路的国家是德国、日本和中国，只有这三个国家较系统地掌握了磁悬浮列车技术与原理。按照现阶段流行的提法，磁浮交通有三种主要类型，即常导、低温超导和高温超导磁悬浮车。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状,三种基本的磁悬浮车技术模式格局如下表所示。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状,70年代德国研制的常导磁悬浮列车成功地进行了载人可行性试验。它是对车载的悬浮电磁铁励磁而产生可控制的电磁场，电磁铁与轨道上长定子直线电机定子铁芯相互吸引，将列车向上吸起，并通过控制悬浮励磁电流来保证稳定的悬浮间隙。电磁铁与轨道之间的间隙一般控制在812mm。,1.概述,1.2
5、 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,1971年，德国第一辆磁浮原理车MBB和一段660m长试验线 路投入试验运行。1976年德国研制的“彗星”号试验车，首次证明了磁浮车可以达 到400km/h以上的运行速度。1979年德国在汉堡交通博览会展出了TR（Transrapid）05号车 及示范线，车长26m，车重30.8t，68座位，最大速度75km/h，线路长908m，是世界上承认的第一条客运磁浮铁路。1988年，TR06试验速度达到412.6km/h。与此同时，1986 1989年，研制了面向应用的磁浮列车TR07。1993年，TR07型 磁浮列车在TVE试验线的最高速度达到450km/h，并
6、宣告TR 高速铁路系统技术已经成熟。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,1999年9月，德国试制完成TR08车头，并在埃姆斯兰试验线投 入运行，该车总长18.8m，宽3.7m，高4.2m，最高运行速度 500km/h。采用3 列编组列车的最高速度达到406km/h。TR08 是德国目前最新型的磁浮列车。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,日本的磁悬浮列车发展背景,1.概述,20世纪70年代初，德国磁悬浮列车研制工作开始不久，日本就盯上了这一前景广阔的新型交通技术。日本常导磁悬浮系统称为HSST（HighSpeed Surface Transport，高速
7、地面运输系统）。这项工作最初由日本航空公司投资，从当时的联邦德国引进技术基础，旨在开发一种联系机场和市区的速度快、噪声低、乘坐舒适的交通工具。,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,日本1975年试制成功第一辆磁悬浮试验车HSST-01，借助火箭 和直线电机驱动，在11.6km长的线路上达到了308km/h 的试验 速度。日本1987年研制HSST-04 磁浮车车重24t，长19.4m，可乘载70 人，设计速度为200km/h。日本HSST从设计思路来看，是一种中低速地面运输系统，结构轻型、简单，建造成本低，适合作为城市轨道交通使用。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮
8、,2000年6月，我国上海与德国磁浮国际公司合作进行中国高速 磁浮列车示范运营线可行性研究。2001年3月，上海磁浮线正 式开工建设，2002年12月31日，该线建成并顺利实现了单线试 运行，列车运行速度达到430km/h。2003 年11月12 日，试验速 度达到501km/h。2003年12月29日，上海磁悬浮线路正式投入 商业运营，这是世界上第一条商业运营的磁悬浮线路。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,磁悬浮列车,磁悬浮列车综述（二）,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,常导磁悬浮列车的研究历史最长，至今已经成熟并投入商业运营。其他磁悬浮列车技术都是在常导磁
9、悬浮车基础上的延伸和拓展，其磁悬浮基本原理和思想都来自常导磁悬浮列车。常导磁悬浮列车有着复杂完备的悬浮、导向和运行控制系统，在漫长的研究发展中积累了丰富的经验。无论磁浮交通技术如何发展，常导磁悬浮车原理与技术都将是磁浮交通发展的基石，对其他更先进磁悬浮技术的研究开发具有指导意义和借鉴作用。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状常导磁悬浮,超导磁悬浮列车的概念由美国的J.R.Powell 和G.T.Danby 于1966年提出，但超导磁浮列车的实验车是日本人在1972年实现的。这一时期起步的超导磁悬浮车需要在接近绝对零度的4.2K低温下工作，所以相对于后来的高温超导，把它称为低温超导磁悬浮
10、车。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状低温超导磁悬浮,1977年，日本建成“磁悬浮铁路宫崎试验中心”，同年7月，低温超导磁悬浮车ML-500 在宫崎试验的倒“T”形轨道上开始走行试验。1979年，试验车ML-500R的最高试验速度达到517km/h。1980 年，宫崎试验线上开始了“U”形导轨走行试验。1986 年12 月，MLU-001 试验车3 辆编组载人走行速度达到352.4km/h。1991年，双线模式的山梨试验线开工建设，1996年7月，“超导磁悬浮铁路山梨试验中心”建成，开始MLX01试验车的走行试验。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状低温超导磁悬浮,1977年
11、，日本建成“磁悬浮铁路宫崎试验中心”，同年7月，低温超导磁悬浮车ML-500 在宫崎试验的倒“T”形轨道上开始走行试验。1979年，试验车ML-500R的最高试验速度达到517km/h。1980 年，宫崎试验线上开始了“U”形导轨走行试验。1986 年12 月，MLU-001 试验车3 辆编组载人走行速度达到352.4km/h。1991年，双线模式的山梨试验线开工建设，1996年7月，“超导磁悬浮铁路山梨试验中心”建成，开始MLX01试验车的走行试验。1999年，5 辆编组的载人MLX01 试验车走行速度达到552km/h。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状低温超导磁悬浮,1.概述,
12、1.2 国内外磁悬浮列车发展现状高温超导磁悬浮,我国研制的高温超导磁悬浮试验车基本工作机理源自神奇的超导磁浮钉扎特性，是一个自稳定系统，悬浮高度和左右导向稳定，不需控制。结构简单，运行可靠性、安全性得到很大提高。载重量大，自重量轻，体积小，适合超高速“飞行”，跟未来真空管道运输系统结合后，理论速度可达到2.5万km/h，建设造价和运行成本低，只相当于城市轻轨的成本。能耗低，噪声低，舒适环保。高温超导磁浮车使用的“能源”是占大气成分78%的氮，这是一个真正意义上的易于获得、低成本的“取之不尽，用之不竭”的能源宝库。,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状高温超导磁悬浮,高温超导磁悬浮车的研究
13、与发展进程如表,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状高温超导磁悬浮,世界第一辆载人高温超导磁悬浮试验车“世纪号，由西南交通大学主持研制。高温超导磁悬浮试验车的研制成功，标志着我国在高温超导磁悬浮车研究领域的研发水平已经超过德国、日本、美国等发达国家，进入世界的前列，至今仍处于世界领先地位，在国际上引起了强烈的反响。高温超导磁悬浮实验车的核心是超导技术，它是一个十分复杂的系统工程，是众多学科和技术的综合。该车的研制成功不仅是我国超导界数十年努力研究的结果，也是我国科技界共同努力、多方合作的集体智慧结晶。,在磁悬浮列车方面的应用,西南交通大学研制成功的高温超导磁悬浮列车，最高设计时速达500
14、公里,1999年12月，日本研制的低温超导磁悬浮列车时速已达552公里,1.概述,1.概述,1.2 国内外磁悬浮列车发展现状,高温超导、低温超导与常导磁悬浮列车性能比较如表,大家知道：把两块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引。磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，大大减小运行阻力，达到高速运行的目的。,2.磁悬浮列车的原理,磁悬浮列车采用长定子同步直流电机将电供至地面线圈，驱动列车高速行驶。磁悬浮列车主要依靠电磁力来实现传统铁路中的支撑、导向、牵引和制动功能。列车在运行过程中，与轨道保持一定
15、距离，处于一种“若即若离”的状态。,2.磁悬浮列车的原理,2.1 磁悬浮列车的种类,由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的种类。常导磁吸型和超导磁斥型这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。,2.磁悬浮列车的原理,2.2 常导磁吸型悬浮原理,常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的间隙较小，一般为10mm左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400500km/h，适合于城市间的长距离
16、快速运输。,2.磁悬浮列车的原理,在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015mm的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。,2.2 常导磁吸型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图),2.2 常导磁吸型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,常导磁悬浮列车的驱动运用同步直流电动机的原理。车辆下部
17、支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直流电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象同步直流电动机的长定子绕组。当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。,2.3 常导磁吸型驱动原理,2.磁悬浮列车的原理,超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮间隙较大，一般为100mm左右，速度可达500km/h以上。磁斥型磁浮列车的特点是：列车运行速度等于零时不能静止悬浮。它依靠车辆上的磁
18、体（超导磁体，永磁铁或常导线圈）在运动时割切线路上导体（短路环）产生感应电流，该电流产生的磁力线，必然与产生它的磁力线相反，形成斥力。这类磁浮列车的垂直悬浮力和过曲线时的横向导向力都是利用这个原理实现的，所以在静止时没有悬浮力和导向力。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,随着超导和高温超导热的出现，推动了超导磁悬浮列车的研制。这种超导磁悬浮列车利用超导磁石使车体上浮，通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无
19、法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,电力悬浮系统（Electro Dynamic System）：将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流，进而产生电磁斥力以支撑和导向列车。属斥力悬浮系统，并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列。(右图),2.4 超导磁斥型悬浮原
20、理,2.磁悬浮列车的原理,当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生电磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,磁悬浮列车大体可分为三个部分:,2.导向系统：主要依赖于轨道侧壁线圈和车载电磁铁相互作用来实现。,悬浮系统：主要依靠轨道底部线
21、圈和车载电磁铁之间产生电动斥力来实现。,3.动力系统:根据Maxwell电磁场动力学理论,采用直线电机作为动力系统，并借助于在运行过程中产生电磁推力来推动和维持列车运行。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,Meissner效应:当金属处在超导状态时,超导体表面产生感应电流,进而产生附加磁场与外部磁场抵消,内部的磁感应强度为零。此时附加场和外部场相作用产生的电磁斥力可以将超导体悬起。,超导体的两个重要特性：零电阻和抗磁性。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,实际模型,在列车每节车厢两侧底侧，装载有68个超导磁体，并通过液氦作为冷却系统。,悬浮系统,当列车启动或进站
22、时,列车依靠车轮行驶,随着列车加速,导轨线圈通电，根据Meissner效应,车与轨之间产生电动斥力,(数量级为103N/m2)从而实现悬浮。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,导向系统依靠轨道两侧的线圈,按照实际所需的横向倾角的大小，对线圈中的交变电流进行调节，进而提供所需的导向力。,导向系统,假设转子受到扰动，偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，控制器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将信号转换成控制电流，并在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到哪个方向的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。,2.4 超导磁斥型悬浮原
23、理,2.磁悬浮列车的原理,动力推进系统,直观模拟:轨道两侧装有线圈，交流电使线圈变为电磁体，它与列车上的磁铁相互作用。列车行驶时,车头的磁铁（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引,同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥,使列车前进。然后在线圈里流动的电流反向,其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,直线电机,直线同步电机:其初级绕组沿轨道铺设,次级绕组安装在车体上,在初级绕组中通入三相交流电,气隙中产生平移磁场，该磁场切割次级导体,产生电磁感应,诱发磁场，该磁场与原
24、有平移磁场方向相反，最终在路轨和车体间产生电磁推力。,动力推进系统,2.4 超导磁斥型悬浮原理,2.磁悬浮列车的原理,3.磁悬浮列车的优点,一、快速二、低耗、经济三、舒适、安全四、无污染五、爬坡能力强,汽车的速度为50-150km/h，高速列车为250-350km/h；常导磁悬浮列车可达400-500km/h超导磁悬浮列车可达500-600km/h。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。,3.磁悬浮列车的优点,由于没有轮子、无磨擦等因素，运行成本和能耗低是它的又一优点。其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修
25、费用也大大减少。,3.磁悬浮列车的优点,磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。列车的整个安全系统可以相互检测，自动替补，这在其它交通工具是不具备的，因而它是一种高安全度的交通工具。,3.磁悬浮列车的优点,当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪声只有656分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小；它的磁感应强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于它以电为
26、动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。,3.磁悬浮列车的优点,磁悬浮列车的爬坡能力为100%，而一般铁路的最高坡度只有40%。,3.磁悬浮列车的优点,4.目前存在的技术问题,由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、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。常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。,
