真空管道HTS磁浮列車實驗系統環(huán)形加速器設計

　　在真空管道高溫超導磁浮實驗系統中，采用圓環(huán)形單邊長初級直線感應電機驅動磁浮列車做高速環(huán)形運動，為了提高驅動系統的效率和功率因素，降低系統能耗及電源容量，直線電機采用分段供電技術。本文針對真空管道高溫超導磁浮實驗系統的高速運行，分析研究了直線電機分段供電原理及列車的安全運行狀況，設計完成了用于真空管道高溫超導磁浮實驗系統的環(huán)形分段供電加速器，并對加速器的響應速度和安全監(jiān)控功能進行了測試，結果表明該加速器具有較高的響應速度，控制系統能對小車的運行狀態(tài)做出準確的判斷和保護，為真空管道高溫超導磁浮交通系統的應用提供設計參考。

　　當列車行駛速度超過400 km/h 后，會產生巨大的氣動阻力、振動和噪聲，不適宜載人運輸，為了克服空氣阻力及傳動摩擦帶來的影響，進一步提高列車的行駛速度，于是將真空管道與磁浮列車結合在一起形成了真空管道磁浮交通系統，該系統最早由美國佛羅里達的機械工程師戴睿·奧斯特研究設計并申請了專利( 美國專利號: 5950543) ，2006 年初，西南交通大學以超導與新能源研究開發(fā)中心( 以下簡稱超導中心) 和電氣學院為依托，組建“磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室”，開始了真空管道交通運輸系統的實驗探索研究，真空管道磁浮交通優(yōu)勢在于具有快速( 理論速度可達第一宇宙速度) 、方便、節(jié)能、安全和現實可行等特點。超導中心磁浮實驗室，自主設計搭建了第一代真空管道高溫超導( HTS) 磁浮列車實驗系統，該磁浮系統采用直徑為3 m 的圓環(huán)形永磁單軌，為HTS 列車提供導向和懸浮，使用單段直線感應電機對列車進行驅動，通過該實驗平臺，進行了相關研究并初步獲取了一系列有價值的成果，由于受軌道半徑限制，列車實際只能在低速下運行，包括國內相關單位報道的類似低速實驗環(huán)線，對于真空管道交通運輸系統研究而言，是沒有太大意義的，而目前對高速真空管道運輸的相關研究均以仿真模擬為主，未見有相關實驗和設備報道，所以為了進一步研究真空管道磁浮列車在高速下的運行特性，在原系統的基礎上開展了第二代真空管道HTS 磁浮實驗系統的設計研究，為了克服環(huán)形實驗線給列車帶來的強大離心力，考慮采用直徑6 m 的側掛圓環(huán)形永磁雙軌，為HTS 列車提供導向和懸掛，使懸浮力提供向心力，并采用圓環(huán)形閉合長初級單邊直線電機對列車進行連續(xù)驅動，使列車在真空管道內高速行駛。

　　為了使單邊長初級直線電機初級便于安裝和維護，對電機初級進行分段加工組裝，當電機采用雙層繞組時，其半填充槽可以通過相鄰初級段進行互補級聯，為了提高整個加速系統的效率和功率因素，降低系統對電源容量的要求，對直線電機進行分段并聯供電控制，通過傳感器檢測列車的位置，對列車行駛經過的直線電機單元段進行供電控制，我們將供電部分的單元段認為是直線電機的有效部分，其它未供電定子鐵心僅作為電機的邊界，這樣的分段供電單邊長初級直線電機就可以等效為一個與列車保持相對靜止，而沿著圓環(huán)形側掛雙軌做高速環(huán)形運動的加速器。

　　1、直線電機分段供電原理

　　如圖1 所示，是長初級直線電機分段供電系統原理示意圖，整個系統由電機正反轉模塊、三相固態(tài)繼電器陣列、光電開關陣列和長初級直線電機組成。一個三相固態(tài)繼電器(SSR) 、一段直線電機(P) 和一個光電開關(S) 構成一個電機模組，光電開關檢測列車的行駛位置，三相固態(tài)繼電器控制直線電機段的供電，若干模組拼接組合構成完整的加速系統。

圖1 長初級直線電機分段供電原理圖

　　4、結論

　　本文研究設計了用于高速真空管道磁浮實驗系統的環(huán)形加速器，分析了直線電機分段供電原理，給出了加速控制器原理框圖及軟件流程，完成了控制系統的集成和實驗測試，結果表明，在模擬磁浮列車高速行駛下，系統能準確快速的響應，并能對列車的運行狀態(tài)進行安全監(jiān)控，同時能對故障電機段和非正常供電進行報警和保護，實現了主要的軟件功能，最后分析討論了磁浮列車在更高時速運行下對控制系統的硬件要求。

　　環(huán)形加速器可以對磁浮列車進行高效、穩(wěn)定的連續(xù)驅動，為第二代高速真空管道HTS 磁浮實驗系統的搭建奠定了基礎，通過這個實驗平臺，將繼續(xù)探索真空管道磁浮列車在高速運行下的規(guī)律和特性，為真空管道磁浮交通系統的設計應用提供參考。