磁悬浮列车论文

磁悬浮列车的原理及应用
一、磁悬浮列车的概述
传统的铁路列车都是依靠诸如蒸汽、燃油、电力等各种类型机车作为牵引动力，车轮和钢轨之间的相互作用作为运动导向，由车轮沿着钢轨滚动而前进的。

而磁悬浮列车则是一种依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性将车辆托起，使整个列车悬浮在线路上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换成推进力，来推动列车前进的交通工具。

按电磁铁种类
磁悬浮列车根据所采用的电磁铁种类可以分为常导和超导两大类
按悬浮方式
磁悬浮列车分为电磁吸引式悬浮（EMS）和永磁力悬浮（PRS）及感应斥力悬浮（EDS）。

二、基本原理
磁悬浮列车利用电磁体“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。

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形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是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10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥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。

三、结构及数据计算
磁悬浮车辆结构主要是由车体（也称为车厢）夹层结构和悬浮架组成。

车厢与走行机构的悬浮架之间通过二系悬挂以及牵引拉杆相互连接。

夹层要连接车厢和安装走行机构，以及安装信号和电力设备等。

悬浮架是车辆的走行机构，其作用是装载电磁铁，且将悬浮力、导向力、牵引力和制动力通过二系悬挂系统传递给车厢。

磁悬浮车辆的整个模型可以认为包括 6 个自由度 , 即车厢的 3 个位移自由度和夹层结构的 3 个位移自由度。

通常体坐标系定义如下: X 轴代表磁悬浮车辆沿轨道前进的方向，相切于轨道的表面；Y 轴在导轨平面内，从车辆的右向左，相切于轨道的表面；Z 轴完全是遵循右手法则，垂直于导轨的表面。

vB = (u, v , w) B 和ωB = (p , q, r) B 分别代表车辆车体结构的速度和角速度（这里主要用车体说明，夹层结构的速度和角速度也可以如此表示，如vC 和ωC。

)下角标B 表示体坐标系。

在体坐标系统中根据牛顿的第二法则，车辆车体的惯性加速度可以表达为
式中：u, v , w 分别为速度在 x，y，z方向上的3个分量；p，q，r 分别是与速度和曲线轨道相关的参数；(F) B = FX , FY , FZ是作用在车体上的矢量力；m 是质量。

夹层作用力
悬浮车辆的夹层结构主要承受电磁牵引驱动力、导向力和磁悬浮力等。

1)沿 X 轴的作用力
式中：Fp1 为直线同步电机产生的驱动力；Gx为重力加速度在 X方向的分量，主要取决于夹层重量以及车辆的侧滚角等因素；FCB-X为夹层和车厢之间沿X轴方向的耦合作用力；FP2 为车辆和前车之间的耦合作用力，首车没有；Ff 为车辆和跟随车辆之间的耦合作用力，尾车没有；Fa 为气动阻力，它和车辆前进速度的平方成正比。

2)沿 Y 轴作用力
式中: GY 为重力加速度沿 Y 方向的分量；侧导向力FG=FG/Ri - FG/Le，FG/Ri和FG/Le分别是由车辆夹层结构右侧和左侧的侧导向系统产生的导向力；FCB-Y为夹层和车厢之间沿 Y 轴方向的耦合力。

3)沿 Z 轴作用力
悬浮力
式中：GZ为重力加速度沿 Z 方向的分量，主要依赖于夹层结构的重量以及车辆的滚动；FCB-Z为夹层和车厢之间沿 Z 轴的耦合力; 其他变量的具体含义见文献 [1]。

车体上的作用力
作用在车体上的力基本是由重力(含安装的设备)、空气阻力以及车厢和夹层之间的耦合作用力等组成。

可以简单的通过如下公式表示:
通过分析结构载荷受力状况，在进行磁悬浮车辆多体动力学研究的时候，就可以考虑如何准确简化系统多体模型。

一般在结构设计中，除了弹性部件外，当结构部件的弹性变形和刚性位移量级相当时, 需将其中某些实体（车体、夹层或悬浮架的挠曲）视为弹性体来研究，而且在一个真实典型的情况中, 对于载荷、应力、材料疲劳、振动或噪声的分析都应考虑结构的弹性变形。

这就要求在复杂多体系统研究时，有时要考虑研究对象的弹性问题。

在磁悬浮车辆多体系统中，车体和夹层结构一般作为刚体考虑，并根据它们的质量和几何特性分别进行定义。

在行驶过程中，空调等动力源由于高速回转会产生剧烈的振动，将成为激励源。

如果不忽略这些动力源引起的振动成分，最后得到的磁悬浮车辆激励源就是轨道激励和动力总成激励的共同作用的结果。

由于各部件的振动与整个车体振动很容易产生耦合，从而会产生复杂结构的振动非线性的变化，系统就很难识别。

因此在磁悬浮系统的一般动力学研究中，常假定空调这些动力源在行驶过程中不产生振动，只视为刚度较大的刚体。

四、磁悬浮列车与当今的高速列车相比，具有许多无可比拟的优点：
1、由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，时速高达几百公里；
2、磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；
3、噪音小，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；
4、由于它以电为动力，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
参考文献：
《磁悬浮列车工作原理》西南交通大学超导技术研究开发中心；
《上海磁悬浮列车的工作原理》中国磁悬浮网站；
《磁悬浮列车：行驶无轨飞行无翅》卢丹青中国知网。