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第108期 磁浮交通技术应用与发展趋势

2020-11-25 14:04
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【52监测网】第108期 磁浮交通技术应用与发展趋势


52监测网专家报告分享-第108期

《磁浮交通技术应用与发展趋势》
林国斌 国家磁浮交通工程技术研究中心/研究员

目录

一、 背景与现状
二、 技术特点
三、 发展趋势
四、 展望

内容介绍

一、背景与现状

◇ 上海高速磁浮示范线2003年投入客运,已安全运营17年;
◇ 日本2014启动东京-大阪高速磁浮线建设,预计2027年东京-名古屋段投入运行;
◇ 2016-2017中低速磁浮长沙线、北京S1线相继投入运营;
◇ 国家“十三五”科技专项开展时速600公里高速磁浮系统工程化研究;
◇ 美国管道磁浮取得进展,近期试验速度目标将达600km/h;
◇ 国内多家单位开展1000km/h以上真空管道磁浮直驱预研。

上海高速磁浮示范运营线

30公里上海高速磁浮示范线是世界上第一条商业运行高速磁浮线路,目前仍是世界唯一商业运行的高速磁浮线,运营最高速度430km/h。

2003年初开始单线试运行,2004 年开始按时刻表运行,已安全运行17年多。

未发生过伤及人员的安全事故,正点率达到99.9%。

日本高速磁浮列车

2015年,在已延伸到42.8公里长的山梨实验线达到603km/h。2014年10月17日,日本宣布高速磁浮中部新干线开始建设。2027年建成东京-名古屋段,2045年延伸到大阪。全程运行时间从目前东海道新干线的138分钟减少到67分钟。除最高速度优势外,高速磁浮的加、减速性能明显高于轮轨高铁系统。


日本中低速磁浮


名古屋中低速磁浮(8.9公里),命名为Linimo,于2005年3月开始营运,最高时速100km/h,目前每天载客约2万人。


2006年10月决策仁川机场磁悬浮线(6.1公里),2012年8月线路竣工。
2013年9月开通试运行,2016年2月3日正式载客运行。

长沙磁浮

长沙中低速磁浮线连接机场和高铁车站,长全18.5公里,设3个车站,2016年5月6日开始运营。今年新车试验速度达到160km/h。


北京S1

北京中低速磁浮S1线,全长10.2公里,设8个车站。2017年底投入载客运行。


广东清远线


2017年底开工的清远磁浮线是一条旅游区连接线。线路全长8.03公里,设3个车站。原计划2020年投入运行,现有所延期。

湖南凤凰线

湖南凤凰磁浮线2019年8月开工。


二、技术特点

磁浮车特点:通过车轨间的磁力,实现车辆无接触的的支承、导向和驱动。


● 常导高速磁浮长定子直驱

TR常导高速磁浮列车悬浮导向与驱动原理
磁浮列车:支承-电磁力悬浮;导向-电磁力导向;牵引-同步直线电机;
轮轨列车:支承-车轮;导向-轮沿;牵引-旋转电机


● 低速常导磁浮短定子直驱

磁浮列车:支承-电磁力悬浮;导向-电磁力导向;牵引-短定子直线感应电机;


● 超导高速磁浮长定子直驱

低温超导磁浮列车原理:支承-超导磁体+8字形线圈;导向-超导磁体+8字形线圈;牵引-长定子同步直线电机;极距-1350mm,四级一组。


● 永磁电动磁浮长定子直驱

美国磁浮飞机原理:支承和导向-永磁体+铝/铜感应板;牵引-长定子(无铁芯)同步直线电机。


● 永磁电磁混合磁浮+长定子直驱

原创于美国,针对轨道交通的三要素:成本、旅行时间和环境影响降到最低限度(1999-
2012)。


悬浮﹑驱动和导向用同一组;磁体,结构轻巧;悬浮间距: 14~20mm;悬浮功率:吨/3W(静态)& 吨/150W(动态)

● 高温超导块材+永磁轨道


● 磁浮直驱类型汇总

磁浮及直驱类型
1、常导高速磁浮: 电磁悬浮+长定子直线电机(上海示范线)
2、超导高速磁浮: 电动悬浮+长定子直线电机(日本山梨线)
3、常导中低速磁浮:电磁悬浮+短定子直线感应电机(日本名古屋线,韩国仁川机场线,长沙机场线、北京S1线)
4、高温超导磁浮: 超导块材及永磁轨道悬浮+长定子直线感应或同步电机(西南交大、巴西里约大学、德国德累斯顿大学)
5、永磁电动磁浮:永磁体悬浮+长定子(无铁心)永磁同步直线电机(美国磁飞机)
6、常导中速混合磁浮: 永磁加电磁悬浮+长定子永磁同步直线电机(美国M3系统)

三、发展趋势

● 真空管道磁浮直驱

2013年美国埃隆马斯克发布真空管道运输概念


1200 km/h 以上高速地面交通系统;轨道:高架真空管道


2017年12月15日,在拉斯维加斯试验达到240mph(387km/h)(非足尺模型)

◇ Hyperloop One 前身为Hyperloop Technologies,成立于2014年,现有各类人员300余人。至2017年12月,累计筹措资金约3亿美元,更名为Virgin Hyperloop One。
◇ 在内华达州斯维加斯建成一条500m长真空管道,并进行了实验。
◇ 2017年5月12日进行了全世界首次真空管道全系统测试, 包括:真空、驱动、悬浮、密封、控制系统、管道结构等。
◇ 2017年12月18日,进行了第三阶段测试,最高速度达到387km/h。


系统优势:爬坡能力强,隧道半径小,转弯半径小,路权要求低

HTT公司
◇ Hyperloop Transportatioin Technology公司2015年成立。2018年在法国图卢兹建立实体-Hyperloop创新中心。计划建造试验线。
◇ 驱动:直线感应电机。
◇ 悬浮:Halbach阵列永磁电动悬浮。
◇ 车体:智能Carbon-fiber材料,强度是铝的8倍,重量是铝的70%。
◇ 最高目标速度:1223km/h。

HTT概念设计


Vacuum 真空度


非电悬浮驱动,成本底较易维护;
基础设施建造成本低;
空气动力牵引系统,安全压力水平;
可持续的基础设施降低基础设施复杂性是关键目标,降低运行成本;


◇ 低真空常导磁浮关键问题-主要部件热平衡


三种悬浮磁极中,端磁极的换热面积最小,散热量最小,温度相对最高。故以端磁极为主要研究目标,以端磁极内部最高温度150℃为最高温度界限。

如按最高600km/h运行速度设计低真空管,考虑到列车加速、减速和停站,列车平均速度假定为500km/h,在磁铁系统发热量及传热方式没有明显改进情况下,管道内气压最低约为0.3atm。

◇ 低真空常导磁浮关键问题-气动外形


低真空管内圆形列车气动计算


新断面列车在内径10米0.3atm气压低真空管道内和明线大气条件下运行的阻力相当。

◇ 低真空常导磁浮关键问题-电气设备适应性


当气压不低于0.3atm时,低真空管(隧)道内磁浮列车车上电气设备的电气间隙应为目前设计值的2.6倍。

◇ 低真空常导磁浮关键问题-噪声特性
 
600km/h常导制式高速磁悬浮系统加全封闭声屏障前后噪声对比分析


600km/h下磁浮列车源强预测值为104.8dB(A),管道及(全封闭或半封闭)声屏障的隔声量需要达到20.8dB,600km/h速度下高速磁浮30m处排放噪声可达标。

◇ 低真空常导磁浮关键问题-悬浮系统适应性问题

传感器气隙响应(最大范围0-18.5mm)


仿真分析表明:
1. 300km/h到430km/h,气隙波动峰谷差值增加1.1mm。
2. 600km/h的气隙波动峰谷差值为9.7mm。
3. 上海线轨道平顺度可以适应列车按600km/h无接触悬浮运行。

● 美国磁飞机Magplane


Magplane概念设计, 永磁体电动悬浮技术有可能通过Hyperloop试验计划推向应用。目标速度1200km/h以上。

● 真空管道+超导+永磁

2014年,西南交通大学建成高温超导磁浮环形试验线并完成调试。
2016年1月,西南交通大学研制成真空管道高温超导侧挂悬浮试验系统。


四、展望

1、5-10年内我国高速(600km/h)和中速(160-200km/h)磁浮工程化技术将取得显著进步;
2、中低速磁浮(100-160km/h)系统未来研究重点为:降噪、提速、减重和提升可靠性、经济性;
3、160-200km/h中速磁浮有可能在我国城市、城郊和区域交通中推广应用,有利于提高城市公交旅行速度;
4、10年内日本超导高速磁浮(505km/h)的运营,将改变地面高速交通国际竞争格局;
5、我国高速磁浮发展的“十四五”重点是建设一条验证600km/h常导磁浮系统的工程试验线或示范线。
6、15年后有可能通过低真空管道磁浮使地面交通进入600km/h以上速度级时代。

《磁浮交通技术应用与发展趋势》
林国斌 国家磁浮交通工程技术研究中心/研究员


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