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目前一般認(rèn)為傳統(tǒng)輪軌列車的最高營運(yùn)速度約為350km/h，輪軌黏著力及弓網(wǎng)關(guān)系等因素限制其速度進(jìn)一步提升，為達(dá)到更高效的運(yùn)輸要求，非接觸運(yùn)行的磁浮列車受到越來越多的關(guān)注。2019年9月，國家印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》提出研發(fā)“時(shí)速600km級(jí)的高速磁懸浮系統(tǒng)”。磁懸浮列車已成為未來高速軌道交通發(fā)展的一種趨勢。

根據(jù)懸浮原理的不同，磁懸浮技術(shù)目前可大致分為常導(dǎo)電磁懸?。‥lectromagnetic Suspension, EMS）和超導(dǎo)電動(dòng)懸浮（Electrodynamic Suspension, EDS）。

電磁懸浮是依靠車載常導(dǎo)電磁鐵與鐵磁軌道相互吸引而實(shí)現(xiàn)列車懸浮，雖然德國將該技術(shù)開發(fā)得較為成熟，但其閉環(huán)控制系統(tǒng)復(fù)雜，且懸浮氣隙較小（8～10mm），隨著列車速度的提高，控制難度相應(yīng)提高，且直線電機(jī)電樞繞組的電阻較大，在列車高速大推力運(yùn)行時(shí)，銅耗和鐵耗均較大，導(dǎo)致電機(jī)繞組發(fā)熱嚴(yán)重，運(yùn)行效率低。

而超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)是利用車載超導(dǎo)磁體與地面軌道線圈之間感應(yīng)耦合而產(chǎn)生的排斥性懸浮力使列車懸浮，雖然該種懸浮方式在靜止或低速下無法實(shí)現(xiàn)懸浮，但在高速下具有高浮阻比、懸浮間隙大（約100mm）、自穩(wěn)定等優(yōu)勢。因此，就未來軌道交通發(fā)展需要的高速運(yùn)行工況而言，超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)更具優(yōu)勢。

電動(dòng)磁懸浮列車由美國的J. R. Powell和G. T. Danby于1966年提出。隨后，世界多國紛紛投入到這種新穎懸浮方式的研究中。而日本自電動(dòng)磁懸浮列車概念提出至今，一直堅(jiān)持對(duì)超導(dǎo)電動(dòng)懸浮技術(shù)進(jìn)行研究。日本鐵科院不僅建立了電動(dòng)磁懸浮列車電磁力解析計(jì)算模型，還在此基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)力學(xué)方程，引入阻尼線圈對(duì)列車振動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究表明，半主動(dòng)控制的阻尼線圈在減小供電量的同時(shí)，可有效抑制電動(dòng)磁懸浮列車的振動(dòng)。

在工業(yè)應(yīng)用上，日本不斷對(duì)電動(dòng)磁懸浮列車進(jìn)行更新?lián)Q代，至今已研發(fā)了ML、MLU、MLX系列及基于MLX的L0車型。2015年，日本研發(fā)的L0系列電動(dòng)磁懸浮列車達(dá)到了603km/h的地面軌道交通最高速度，引起了媒體和國際鐵路行業(yè)的高度關(guān)注。另外，列車最高設(shè)計(jì)速度為500km/h的日本磁懸浮中央新干線（東京至名古屋區(qū)間，共286km）預(yù)計(jì)于2027年開通運(yùn)營。

而中國對(duì)電動(dòng)磁懸浮列車的研究目前只處于起步階段，尚停留于理論階段，實(shí)驗(yàn)論證較少，這難以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)磁懸浮列車在國內(nèi)的應(yīng)用化與運(yùn)營化。而對(duì)電動(dòng)磁懸浮列車進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最直接、最理想的方式是建立全尺寸或縮比實(shí)驗(yàn)線對(duì)列車工況進(jìn)行模擬，但由于電動(dòng)磁懸浮列車需要一定的速度才能起浮，其實(shí)驗(yàn)線存在占用空間大、建設(shè)時(shí)間長、投資成本高等問題。

因此，西南交通大學(xué)的研究人員提出了一種等效模擬零磁通式電動(dòng)懸浮系統(tǒng)，將車載磁體的直線運(yùn)動(dòng)等效為零磁通線圈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可在室內(nèi)完成對(duì)電動(dòng)懸浮列車的等效模擬實(shí)驗(yàn)。

圖1 電動(dòng)懸浮等效模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究人員結(jié)合有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測試對(duì)系統(tǒng)的電磁力特性進(jìn)行研究分析。建立三維有限元仿真模型，分析了懸浮力、導(dǎo)向力、磁阻力隨線圈轉(zhuǎn)速、懸浮高度、橫向偏移、線圈極距的變化規(guī)律。研制樣機(jī)并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)懸浮力的測試與對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

圖2 電動(dòng)懸浮等效模擬系統(tǒng)

圖3 永磁體懸浮

研究結(jié)果表明，零磁通電動(dòng)懸浮系統(tǒng)在高速領(lǐng)域具有高的浮阻比，在一定偏移范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性，線圈極距的減小可有效地提高懸浮力并減小其波動(dòng)幅值。最終，通過該等效模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了永磁體的懸浮。該研究成果將為電動(dòng)懸浮實(shí)驗(yàn)研究提供參考，同時(shí)為電動(dòng)懸浮的應(yīng)用與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

以上研究成果發(fā)表在2021年第8期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“零磁通式電動(dòng)懸浮等效模擬系統(tǒng)的特性分析與實(shí)驗(yàn)”，作者為王一宇、蔡堯、宋旭亮、李剛、馬光同。