项目基本知识拓展
知识点一 磁悬浮列车及类型
磁悬浮列车是直线电机实际应用的最典型的例子，目前，美、英、日、法、德、加拿大等国都在研制直线悬浮列车，其中日本进展最快。
1.什么是磁悬浮列车？
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，再利用线性电机驱动列车运行。
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的轮轨黏着限制、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。
2.磁悬浮列车类型
磁悬浮列车均使用同步直线电机作为驱动器。根据磁悬浮列车上电磁铁的使用方式，磁悬浮铁路的基本制式可分为两大类，即常导磁吸型（ElectroMagneticSuspension，EMS）和超导磁斥型（ElectroDynamicSuspension，EDS）。两种制式的基本结构和工作原理各有不同。常导磁吸型也称常导型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表；超导磁斥型也称超导型，以日本MAGLEV为代表。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。
知识点二 德国常导型高速磁悬浮交通（TR）
1.德国的常导磁悬浮列车简介
常导磁悬浮列车是利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁（悬浮电磁铁）和铺设在线路导向轨上的磁铁，在磁场的作用下产生吸引力使车辆浮起，车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳性以及使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，才能使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导向轨之间保持10～15mm的间隙。
通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。此种悬浮方式不需设置专用的着地支撑装置和辅助的着地轮。
它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400～500km，适合于城市间的长距离快速运输。
常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆侧面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，实现轮轨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间隙为10mm，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，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电机的长定子绕组。
从电机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，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，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。
2.驱动系统
磁悬浮车的初级驱动部分即具有三相移动磁场绕组的定子，不是安装在列车里，而是安装在轨道里。速度可以通过改变三相电流的频率从停车状态到运行速度进行无级调整。
如图3-35所示为磁浮列车的解剖图。
常导型磁悬浮列车利用电磁吸力实现悬浮，其悬浮原理如图3-36所示。常导型磁悬浮列车的推进原理和支撑导向原理如图3-37和图3-38所示。
3.制动
改变移动磁场方向的时候，电动机变成发电机，无任何接触地把列车刹住。刹车能量可以反馈到电网里去。
图3-35 磁悬浮列车解剖图(https://www.daowen.com)
图3-36 磁悬浮列车悬浮原理图
图3-37 推进原理示意图
图3-38 支撑导向原理示意图
知识点三 日本超导型高速磁悬浮交通（MLX）
1.日本超导磁斥式磁悬浮列车简介
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，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100mm左右，速度可达每小时500km以上。
该车辆侧部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切割，在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时，车辆浮起。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体，与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力，将车体抬起的。
轨道里面的长定子线性发动机是分为一段一段的，所以它们当中只要有列车所在的一段被供电。配电分站之间的距离及其装机功率视不同驱动要求而定。在需要巨大推力的路段（如上坡、加速度或者制动阶段），分站的设计装机功率比匀速行驶的平缓路段更大。因为驱动装置的初级驱动部分被安装在轨道里，所以磁悬浮列车就不必像其他交通工具那样总是携带着最大荷载所需的全部电动机功率。支撑和导向系统是无接触地通过安装在支撑磁铁里的线性发电机供电的。磁悬浮列车不需要接触线。在电源中断的情况下有车上的蓄电池供电，这些蓄电池在运行过程中通过线性发电机供电。
由于车体内装有处于低温下的强大超导磁体，导向轨导体中的磁通随着车辆的向前运动而改变，从而感应出强大的电流。由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起100～150mm，并能使列车运行保持平稳。当车辆向下位移时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小，电流增大，浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮高度。这个间隙与速度的大小有关。
2.磁动悬浮概念
一般起始升举速度为50km／h。低于这个速度，即列车在低速运行或停车启动时，悬浮力大大减弱以至消失。因此，必须在车辆上装设机械辅助支撑装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支撑，以保证列车安全可靠地运行。控制系统应能实现启动和停车的精确控制。
日本新建的山梨磁悬浮铁路，改变了在地面装设线圈、“垂直悬浮”的宫崎方式，而采用“侧壁悬浮”方式。即在U形导轨的侧面装设“8”字形线圈。这种方式的优点是阻力小，悬浮效果好。
3.磁悬浮列车的推进系统
图3-39为日本超导磁斥式磁悬浮列车推进原理示意图。在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将推进线圈变为电磁体。它与列车上的超导电磁体的相互作用使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。前进一步后，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。
图3-39 磁悬浮列车的推进原理示意图
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。
图3-40为日本超导磁斥式磁悬浮列车悬浮和导向原理示意图。
图3-40 磁悬浮列车的悬浮和导向原理示意图