新能源与磁悬浮在未来交通中的应用毕业设计(编辑修改稿)

新能源与磁悬浮在未来交通中的应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

需23 分钟。 在时速达 200 公里时，乘客几乎听不到声响。 磁悬浮列车采用电力驱动，其发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制，不排放有害气体。 据专家介绍，磁悬浮线路的造价只是普通路轨的 85%，而且运行时间越长，效益会更明显。 因为，磁悬浮列车的路轨寿命可达 80 年，而普通路轨只有 60 年。 磁悬浮列车车辆的寿命是 35 年，轮轨列车是 20 至 25 年。 此外，磁悬浮列车的年运行维修费仅为总投资的 1． 2%，而轮轨列车高达 4． 4%。 磁悬浮高速列车的运行和维修成本约是轮轨高速列车 的 1/4。 磁悬浮列车和轮轨列车乘客票价的成本比约为 1:。 磁悬浮列车的原理 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 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 10 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。 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 , 是一种新型的载运工具 ,其速度介于轮轨高速列车 (400 km /h) 与飞机 (700km / h)之间 , 而造价比地铁低。 如上海地铁造价为每公里人民币 8 亿元 , 而上海磁悬浮试验线的造价约每公里人民币 3 亿元。 磁悬浮列车按悬浮方式可分为常导磁吸型和超导排斥型两大类。 常导磁吸型以德国高速常导磁悬浮列车为代表。 它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理 , 由车上常导电流产生电磁引力 , 吸引轨道下的导磁体 , 使列车浮起。 常导磁吸型技术较简单 , 产生的电磁吸力相对较小 , 悬浮的气隙较小 , 一般为 8 mm～ 10mm。 常导型高速磁悬浮列车的速度可达 400 km/h～500 km/h, 适合于城市间的长距离快速运输。 超导排斥型磁悬浮列车以日本为代表。 它是利用超导磁体产生的强磁场在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 ,悬浮气隙较大 , 一般为 100 mm 左右 , 技术相当复杂 ,并需屏蔽发散的电磁场 , 速度可达 500 km/ h 以上。 根据行驶速度的不同 , 又可 分为高速型和中低速型。 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。 超导体由超导材料制成的超导线圈构成 , 它不仅电阻为 0, 而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流。 磁悬浮列车的研究和制造涉及自动控制、 电力电子技术、 直线推进技术、 机械设计制造、 故障检测与诊断、 通讯与信号控制等众多学科 , 技术十分复杂。 悬浮与推进原理 磁悬浮 列车利用 “ 同性磁极相斥，异性磁极相吸 ” 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 10mm 处，腾空行驶。 磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。 在位于轨道俩侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。 由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。 列车前进是因为列车头部的电磁体（ N 级）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（ S 级）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 11 （ N 级）所排斥。 当列车到达下一位置，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。 其结果就是原来那个 S 级线圈，现在变为 N 级线圈了，反之亦然。 这样，列车由于电磁铁极性的转换而得以持续向前奔驰。 根据车速，通过电能转换器调整在线圈里 流动的交流电的频率和电压。 同推进原理相同，当列车需要减速时，就在相当于定子的悬浮电磁铁中通入反向交流电流，这样产生的与列车行进方向相反的磁场就会给列车一制动力，使得列车减速。 此时加速与减速作用时间相等。 另外，如不通入反向电流而停止通电，一样能得到减速刹车的效果，只是加速度较小。 磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。 由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，磁悬浮列车因此也有两种相应工作形式：一种是 以德国为代表的常规磁铁吸引时悬浮系统 ━━━ EMS 系统 ,它利用常规的电磁铁与一般铁磁性物质相 吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行。 另一种是以日本为代表的排斥悬浮系统━━━ EDS 系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮与钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。 不同的悬浮系统，其悬浮原理不同。 磁悬浮列车上装有 电磁体 ，铁路底部则安装线圈。 通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者 “ 同性相斥 ” ，排斥力使列车悬浮起来。 铁轨两侧也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。 它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。 列车头的电磁体（ 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，结果是一 “ 推 ”一 “ 拉 ”。 这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。 系统悬浮原理 电磁悬浮系统（ EMS）是一种常导吸力悬浮系统，它是结合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。 常导磁悬浮工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道俩侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。 在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轨道在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。 车辆与行车轨道之间的悬浮信息间隙为 10mm,s 是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。 此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在列车停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 12 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。 系统悬浮原理 电力悬浮系统（ EDS）是一种斥力悬浮 系统，它利用了超导体的完全导电性和完全抗磁性。 超导体的完全导电性。 超导体的完全导电性是指在相当低的温度下超导态电阻为零的特性，当电阻为零时，可以传导超大电流。 超导态的另一个基本性质是抗磁性，即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。 也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面。 因而超导体能够支撑体积小功率强大的电磁铁，利用超导的抗磁性可以实现磁悬浮。 如果把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，超导盘跟磁铁之间有排斥力，就可以使磁铁悬浮在超导 盘的上方。 超导磁悬浮就是利用了这一悬浮原理。 由于导轨产生的悬浮磁场为感应磁场，列车运行速度越高则悬浮力越大。 当列车运行速度低于 120km/h 之后，所产生的悬浮力较小，不足以支撑车辆悬浮。 故当运行速度低于 120km/h 时，日本的超导磁悬浮车辆需依靠安装在转向架底部的车轮支撑行驶，当速度高于 120km/h 时，车辆就自动悬浮起来。 车辆以 500km/h的速度运行时，其悬浮高度约为 10cm。 导向原理 导向系统是用一种侧向力来保证悬浮的机车能够沿着轨道的方向运动的系统。 必须的推力与选福利类似，在 机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。 新型磁悬浮列车原理与设计 为了克服现有磁悬浮列车普遍存在投资大、造价高、轨道路面平整度要求高、技术要求高等缺点，本人设计了一种悬浮和导向简单、并且节能效果明显的 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 13 新型磁悬浮列车。 该新型磁悬浮列车综合利用德国 EMS 制的磁吸力原理、日本EDS 制的磁斥力原理以及美国 magplane 和 Urban Maglev 方案中的悬浮原理。 以下具体分析其结构及工作原理： 该磁 悬浮列车 主要有 车载悬浮磁体 悬浮铝板 推进 磁体 驱动绕组 车体 8 和路轨 9。 该实施例的 悬浮铝板 2 分别敷设在路轨竖直轨道面面上悬浮阵列。 其中两列悬浮阵列呈竖直放置，左右各一列， 具体来说就是： 悬浮铝板 2敷设在路轨的两条竖直的平行轨道面壁上，悬浮铝板 2 与悬浮铝板 2 左右相向排列， 车载悬浮 磁体 1 竖直地 非接触性地插入路轨悬浮铝板 2 之间形成悬浮阵列，车载悬浮磁体 1 表 面积最大的面与 悬浮铝板 2 表 面积最大的面相向平行， 其磁轴垂直于悬浮铝板表 面积最大的面。 该 悬浮系统和导向系统合二为一，悬浮系统既用于列 车悬浮又用于列车导向 （如下图 3 所示） ,图 3 中 车载悬浮磁体 1 采用铷铁硼 等强力永久磁体，也可采用电磁体、超导磁体等。 图 53 1为车载悬浮磁体、 2为悬浮铝板、 6为推进磁体、 7为驱动绕组、 8为车体、 9为路轨。 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 14 新型磁悬浮列车 综合利用德国 EMS制的磁吸力原理、日本 EDS制的磁斥力原理以及美国 magplane和 Urban Maglev方案中的悬浮原理 ， 将车载 悬浮磁体 非接触性地插入悬浮铝板之间，利用 磁体与 铝板 作相对运动在 铝板 内产生感应电流及感应磁场的原理来实现列车的悬浮和导向 ， 其性能比其他磁悬浮系统更为优越， 是一种很有发展潜力的新一代磁悬浮列车。 ： 当列车处于整个轨道的正中央运行时， 由于车载 悬浮磁体 1非接触性地插入悬浮铝板 2之间，根据 磁体与导体作相对运动将在导体内产生感应电流的原理（楞次定律） ， 当 车载 悬浮磁体 1与悬浮铝板 2作相对运动时，悬浮 铝板 2里产生感应电流， 感应电流的磁场与 车载 悬浮磁体 1的磁场方向相反，悬浮铝板 2与 车载 悬浮磁体 1之间出现磁斥力。 在 竖直的悬浮阵列中， F1和 F3分别代表磁悬浮列车的车载悬浮磁体 1和悬浮铝板 2相对运动产生的磁斥力， F1和 F3沿竖直方向的合力起着列车悬浮的作用， F1和 F3沿水平方向的合力起着列车导向的作用。 该悬浮列车的悬浮力随列车速度增大而变大，列车在启动时有最低的悬浮速度，因而它有小辅助轮，当列车低于该速度运行时，车体由轮子支撑运行，当列车达到某一个速度时，列车起浮， 车速达到两、三百公里，悬浮非常明显，达到四、五百公里，悬浮更高。 总之，车速越快悬浮越高。 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 15 图 54 实施方案的悬浮力示意图 ： 当列车处于整个轨道的正中央运行时，列车左 悬浮阵列沿水平方向的合力与 列车右 悬浮阵列沿水平方向的合力都为零。 但当 列车不处于轨道正中央时，则 左右 合力不为零。 当列车向左偏移时，列车右 悬浮阵列 的 车载悬浮磁体 1 会向 该悬浮阵列的左 悬浮铝板靠近而远离 该悬浮阵列的右 悬浮铝板，此时，F1 大于 F3，列车右 悬浮阵列沿水平方向的合力向右；同样原理可以得出 列车左悬浮阵列沿水平方向的合力也向右，这样列车被迫右移。 当列车向右偏移时 情况正好相反 ，列车受到 沿水平方向的总合力向左，这样列车被迫左移。 因此，只有列车在整个轨道的正中央位置时，列车 受到 沿水平方向 的 合力才为零 ，这样就保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。 ： 实施方案的 推进系统主要有驱动绕组 和推进磁体，该推进系统分两种（即长定子和短定子）：第一种推进系统由轨道路面中间的驱动绕组和列 武汉纺织大学 2020 届 毕业设计论文 16 车底部中间的车载推进磁体构成，作为直线电机的定子（即驱动绕组）沿着轨道连续分布，而作为车载推进磁体的转子固定在列车上，推力由轨道上驱动绕组 的交流 电流产生；该推进系统系统采用分段供电，大约 2～ 3km 为一个供电区，每个供电区通过 沿线分布 的供电柜供电，使驱动绕组 与列车下面的 车载推进磁体或者 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 ， 由于列车推进系统的驱动绕组 (定子电枢 )安装在路轨上，功率电源放置在地面，用接力的方 式驱动车辆运行，运行更加可靠。 由于不需要受流轨供电，所以列车运行无须馈电线和集电弓。 第二种 推进系统由轨道路面中间的推进磁体和列车底部。