2.3 中低速磁浮列车系统构成
2.3.1 车辆主要技术指标
按照编组位置的不同，中低速磁浮车辆可分为处于两端的端车（Mc）和位于中间的中车（M），二者的主要技术规格见表2.3.1。
表2.3.1 中低速磁浮车辆主要技术规格
2.3.2 车辆总体结构及尺寸
1.车辆结构组成
车辆结构由车体、悬挂结构、车辆走行部三部分组成，如图2.3.1所示。
图2.3.1 车辆结构
1—车体；2—中部结构（悬挂结构、导向机构）；3—下部结构（走行部）
2.车辆结构功能
①承载功能：车体承载乘客和工作人员、各类机械、电气和控制设备；走行部承载整车重量以及传递垂向和横向力。
②运动功能：走行部跟踪轨道走行，使车体和走行部保持一定的位置关系，并与走行部联动，如图2.3.2所示。目前成功运行的车辆结构大多适用于单轨道梁线路，其优点是成本较低，缺点是重心较高和车体下部设备空间受限。
图2.3.2 车辆走行部
1—防侧滚梁；2—悬浮电磁铁；3—悬浮梁模块；4—线形滚子导轨；5—迫导向机构；
6—牵引杆；7—液压支撑轮；8—空气弹簧；9—空簧横拉杆；10—直线电机；11—滑橇
3.车辆结构特征
①车辆整体的轻量化设计。
②悬浮架有足够的解耦能力。
③特殊的机械制动方式。
④独特的侧向承载方式。
⑤极端事故下车辆的着轨运行方式。
磁浮车辆总体结构尺寸详见表2.3.2。
表2.3.2 磁浮列车基本尺寸表
2.3.3 主要子系统
1.车体
（1）车体结构组成
车体结构为轻型、整体承载铝合金模块化全焊接结构；车体由顶盖、侧墙、底架、端墙，司机室骨架等组成；各大部件通过焊接的方式连接，如图2.3.3所示。
图2.3.3 车体骨架
（2）车体车厢内部布置和设备
磁悬浮列车车厢内布置有驾驶控制室、客车室、空调机组等，根据需要可设置卫生间，车厢平面布置如图2.3.4所示。车厢内的设备主要有：司机操纵台、控制柜、ATP柜、空调柜、电源电器柜、低压配电柜、综合柜。
图2.3.4 车厢平面布置
2.悬浮架
磁浮悬浮架与铁道车辆的转向架相当，磁浮列车的悬浮单元转向架并非独立运动，一般两悬浮架通过转向机构连接形成走行部，如图2.3.2所示。B1、B2和A1、A2分别为转向机构、悬浮架连接到车体的转轴，悬浮架模块端部装有线性导轨，模块可绕轴作小角度转动。显然两悬浮架是联动的。磁浮列车采用图2.3.5所示的磁浮悬浮架装置。
图2.3.5 磁浮悬浮架装置
1—磁浮轨道；2—悬浮架模块；3—空气弹簧；4—抗侧滚梁
磁浮悬浮架装置采用模块化结构，左、右模块通过防侧滚梁连接形成一台磁浮悬浮架。悬浮架模块是集悬浮、导向、牵引、制动功能于一体的功能组件。模块在车辆运行方向的两侧各配置5台，形成与车辆几乎等长的车体支撑。车体与模块之间有空气弹簧缓冲来自垂向和横向的冲击力。模块应可相对轨道作稳定的垂向、侧向、点头和偏转运动，而不应滚动。因此，左右模块之间用防滚梁连接，形成运动独立。这种成对的模块结构可被视为弹性的车辆转向架，在通过缓和或弯道曲线时，左、右模块分别独立跟踪轨道，具有一定的自由度。
磁浮悬浮架装置中的悬浮架模块结构零件如图2.3.6、图2.3.7所示，简单说明如下：
（1）空气弹簧：在各模块的两端各配置膜式空气弹簧2个，它仅承受垂向力。为了调节空气弹簧的刚度，每只空气弹簧配置了一个附加气室，气室与空气弹簧的连接管路配置了起阻尼作用的节流阀。
图2.3.6 悬浮架模块组件
1—空气弹簧；2—防翻钢丝绳；3—着轨支撑滑撬；4、14—侧导向滑块；5—悬浮电磁铁；
6—事故支撑轮；7—动力推杆；8—线性导轨；10—间隙传感器；11—机械制动器；12—直线电机
（2）着轨支撑滑橇：非悬浮状态时车辆落下，着地滑橇落轨支撑。
（3）侧导向滑块：非悬浮状态时电磁导向力丧失，导向滑块通过与轨道侧面接触提供导向。
（4）悬浮电磁铁：悬浮导向兼用电磁铁，同时也是模块结构的一部分。
（5）事故支撑轮：在非悬浮状态下，使车辆仍可行走的装置。通常非悬浮时滑橇着轨支撑车辆，支撑轮不接触轨道。但使用时可使其伸出，轮子支撑车辆在轨道上滚动，一般用于事故或维修状态。
（6）间隙传感器：为控制悬浮髙度的涡电流式间隙传感器。
图2.3.7 车体支撑机构—悬浮架
1—抗侧滚梁；2—空气弹簧；3—直线电机；4—线性导轨；
5—动力推杆；6—空簧横向拉杆；7—间隙传感器；
8—迫导向机构
（7）机械制动器：利用气、液压制动夹持钢轨。
（8）直线电机：直线形感应电动机。
（9）抗侧滚梁：左右模块用4片抗侧滚梁连接构成一台磁浮悬浮架。
（10）迫导向机构：用于转向架和车体侧向连接的装置，由转向操纵机构和线性导轨组成。车辆运行时使转向架与车体保持正确的位置关系，并传递车体的侧向力到悬浮架。转向操纵机构由成比例关系的T形杆、钢缆及转向推杆组成，它将两台磁浮转向架连接起来。
以上分析的是原始磁浮列车的走行部结构，实际上中低速磁浮列车的走行部结构没有大的改变，只是尺寸和外观有些变化，随着磁浮列车的不断改进和完善，原理和结构相同，只是在原基础上进行优化；以现在唐山和长沙中低速磁浮列车为例，它们与原磁浮车辆结构上的比较如下：
（1）滑台装置取代了原有的线形滚子导轨；
（2）现有的迫导向机构中的转臂装配取代了原有转向机构上的耐磨衬套结构，从而销轴与套筒转动更为灵活，避免了卡滞现象。
3.二系悬挂结构
二系悬挂由空气弹簧、高度调节阀、纵横向拉杆、线性滚子滑台、转向机构组成。二系悬挂的主要功能：将转向架提供的悬浮力传递给负载钢架；缓冲电磁铁动态运动对负载的冲击；调整悬浮模块相对于轨道的位置偏差；传递转向架与负载钢架之间的纵向力。
每辆车共20只空气弹簧，分成5组，分别安装了高度调节阀调节车高。空气弹簧的作用是使车体和走行部之间位置关系能适应运行中的变化，车辆在竖曲线上时，悬浮架拟合曲线呈弯曲状，由于车体底面为平面，这样20只空气弹簧的髙度将不一致（图2.3.5、图2.3.8），由于20只空气弹簧分组串接在一起，同组弹簧中的空气通路互通，保持压力均衡，防止对车体结构施加过大的力。这样能够缓和对车体抗弯曲强度的要求，有利于车体的轻量化。在缓和曲线上运行时，车体底面与转向架的位置也是变化的，各空气弹簧支撑点髙度也不一致，其调节原理与上类似。此外，空气弹簧在车辆运行时也有缓和车体垂向冲击的作用。
图2.3.8 车辆通过曲线运动
安装于车体底部和空气弹簧之间的线性轴承使滚动滑台可以做横向运动。横向与车体的转向机构如图2.3.9所示，它由T形杆和钢缆组成的平行四边形机构、横向推杆组成。转弯行驶时可使模块跟踪轨道运动，同时传递横向力。转弯时模块偏转，带动空气弹簧横拉杆将力传递到横向推杆，横向推杆运动使T形杆转动，T形杆的转动通过钢缆带动后一悬浮架T形杆转动，再经后一悬浮架横向推杆、横拉杆推动后一悬浮架模块偏转，完成转弯动作。
图2.3.9 模块及联结各模块的转向机构
二系悬挂在车体与悬浮架之间传递三个方向的力，传力路线如下：
垂向载荷通过磁浮轨↔电磁铁↔模块↔膜式空气弹簧↔滚动滑台↔车体的路径传递；
横向载荷通过车体↔T形杆↔钢缆、横向推杆↔下部滚动滑台↔空簧横拉杆↔模块↔电磁铁↔轨道的路径传递。
当使用直线电机推进或直线电机及液压制动时，纵向力从车辆走行部悬浮架经过纵向推杆传到车体。
以上分析的是磁浮列车的二系悬挂，所有中低速磁浮列车的二系悬挂原理和结构相同，唐山和长沙磁浮车辆也不例外，只是它们在原有中低速磁浮列车基础上把二系悬挂归入到磁浮悬浮架部件里面。如二系悬挂的空气弹簧、髙度调节阀、转向机构等。实际上磁浮列车结构几乎没有变化。
4.悬浮系统
（1）悬浮系统原理与特性
中低速磁浮列车悬浮系统采用电磁吸力悬浮原理，对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生磁场，悬浮电磁铁与导轨上的F轨相互吸引，电磁吸力克服悬浮电磁铁自身重力和车辆重力，将列车向上吸起悬浮于轨道上，悬浮电磁铁与F轨之间的悬浮间隙一般约8～12mm。
悬浮系统通常由悬浮电磁铁悬浮传感器、悬浮控制器组成。F形铁磁导轨构件和悬浮电磁铁产生电磁吸力。悬浮传感器用于检测电磁铁与F轨间的气隙和电磁铁的加速度，检测信号通过电缆送到悬浮控制器。悬浮控制器主要由控制电路和主电路两部分组成。悬浮控制器控制电路主要实现车辆的悬浮控制算法，使用传感器传送上来的信号通过算法计算出电磁铁需要的电流，根据实际反馈的电流输出PWM脉冲给悬浮控制主电路，从而输出给定电流到电磁铁。此外，悬浮控制器控制电路还具有车载诊断控制接口、主电路的控制保护等功能。
图2.3.10 中低速磁浮列车悬浮系统原理图
中低速磁浮列车悬浮系统结构如图2.3.10所示。
中低速磁浮列车悬浮系统作为电磁吸力悬浮系统首先具有一般电磁吸力悬浮系统的普遍特性，即电磁吸力悬浮系统是不稳定系统，需要采用闭环控制实现悬浮间隙的稳定。悬浮系统首先检测悬浮电磁铁与F轨之间的距离（称为气隙值），通过对气隙值的判断来调整电磁铁电流，实时的调节电磁力，使得系统可以在动态平衡中稳定悬浮。
（2）悬浮电磁铁
在悬浮系统中，悬浮电磁铁与F轨共同产生电磁吸力，这种电磁吸力使得车辆悬浮，悬浮电磁铁是悬浮系统的重要组成部件。对于中低速磁浮列车来说，悬浮电磁铁采用同时具备悬浮和导向功能的U形磁铁。每节车每个转向架通常采用左右两组悬浮电磁铁模块，每组悬浮电磁铁模块采用4个相同的电磁铁线圈。
悬浮电磁铁主要采用模块安装模式，对一侧的单组悬浮电磁铁的4个电磁铁线圈分别安装在两块长侧板和一块长底铁上，形成一个悬浮电磁铁模块，模块作为整体安装于悬浮转向架上。
（3）悬浮传感器
悬浮传感器是悬浮控制系统的重要部件，为悬浮控制系统提供悬浮数据，每个悬浮控制器对应一个悬浮传感器。因为运行时电磁铁模块与轨道之间无接触，因此气隙测量需要采用无接触的测量方式进行，并准确可靠检测悬浮气隙的真实大小，排除轨道接缝等干扰的影响。由于悬浮传感器测量的是悬浮电磁铁磁板与轨道面的距离，因此其必须安装在电磁铁旁边。悬浮传感器需要在恶劣磁场干扰下正常工作，因此中低速磁浮列车对悬浮传感器功能及性能的要求较高。另外，为提高中低速磁浮列车的悬浮系统可靠性，关键信号的获取需要采用冗余设计，当有任意一路信号出现故障时，列车的悬浮系统仍然能够正常工作，保证列车运行安全。当同时考虑冗余与过缝问题时，最少需要三套悬浮传感器，悬浮传感器实物如图2.3.11所示。
图2.3.11 悬浮传感器
（4）悬浮控制器
悬浮控制器是悬浮系统的关键电气部件，负责处理悬浮系统的信号，并且控制悬浮电磁铁的电流；从功能上可以分成控制电路和主电路两部分，其中控制电路主要用于信号处理、控制算法实现等，属于弱电系统；主电路用于控制悬浮电磁铁电流以及输入功率电源的管理等，属于强电系统。
悬浮控制器主电路通常也称为悬浮斩波器，它是电磁悬浮系统中的功率控制部分。悬浮斩波器本质上是一种DC/DC变换器，它能够按照输入的控制指令输出合适的PWM电压，在电磁铁上得到一个合适的电流值，从而调节电磁铁吸力的大小。悬浮斩波器必须具有较高的输出精度和稳定度才能保证悬浮间隙的稳定度和精度。同时磁悬浮列车从空载至满载，从平道至坡道，从直道到弯道都要保持悬浮间隙稳定不变，而悬浮系统本身却是一个不稳定系统，为了保持系统稳定，电磁铁电流需要不断地进行快速调节，尤其当系统受到干扰时，电磁铁要求的调节速度更高，所以悬浮斩波器需要有很快的电流调节性能，才能满足悬浮系统的需求。
目前中低速磁浮列车悬浮系统供电电压以DC 330V为主，对于悬浮系统供电电压来说其越高，电流响应速度越快。但是高电压会造成开关管器件的应力增大，中间电容的耐压值增加，所以该电压也受到器件性能的限制，应该根据实际需要的电流响应速度，选择较低的电压。
悬浮斩波器主要由开关阵列、驱动电路和保护电路等组成。悬浮控制器的主电路在工作时，悬浮电磁铁作为大电感以很高的频率不断地充电放电，为了减小对电源的冲击需要加入支撑电容以及相应的充放电电路。
悬浮控制器的控制电路主要负责传感器信号处理、悬浮控制算法的实现、主电路的控制和保护以及外部接口信号的处理等。
（5）导向原理与导向特性
中低速磁浮列车导向系统与高速磁浮列车导向系统原理并不相同。在中低速磁浮列车系统中，导向力由U形电磁铁与F轨共同提供，悬浮系统与导向系统有机地统一起来。
图2.3.12为中低速磁浮列车导向原理示意图。中低速磁浮列车导向力的形成是利用磁场的边缘效应，是垂向悬浮力的切向分力，故不会很大，通常不会超过悬浮力的20％。对于中低速磁浮列车来说，其速度并不高，因为线路等原因产生的离心力不是很大，电磁力产生的导向力通常可以满足实际需要，而不需要采用独立的导向系统。
图2.3.12 中低速磁浮列车导向原理示意图
5.牵引制动系统
（1）牵引系统
牵引系统组成：采用DC 1500V/DC 750V供电，由高压柜、滤波电抗器、牵引逆变器、制动电阻、受流器、高压分线箱和直线感应电机组成。牵引系统采用恒滑差频率控制方式，每节车的电机采用5串（相序交错）2并方式连接，其电路图如图2.3.13所示。
图2.3.13 磁浮牵引系统
牵引系统功能：通过受流器得电，在库用电源与第三轨供电之间实现供电转换，为列车提供牵引力与电制动力，对列车提供牵引控制和系统保护。
牵引系统过程：由变电站提供的直流电，通过列车受流器，经滤波电抗器后进入牵引逆变器，再经过牵引逆变器逆变成频率和电压幅值都可变的VVVF电源，给直线感应电动机初级三相绕组供电，由直线感应电动机产生列车前进的牵引力或电制动力。
根据牵引系统的组成，牵引设备说明如下：
①高压电器柜
高压电器柜在牵引系统主电路结构上位于高压分线箱之后，电抗器和牵引逆变器之前，主要由高速断路器、接触器以及相关的辅助器件组成，如图2.3.14所示。它的基本功能是作为牵引逆变器直流回路的预充电和快速放电单元，对牵引逆变器以及整个交传系统进行保护。
设计参数：额定输入电压为DC 1500V；输入电压范围为DC 1000～1800V（再生制动时不能超过DC 1980V）；额定输入电流为DC 450A。
图2.3.14 高压电器柜
②滤波电抗器
如图2.3.15所示，电抗器与支撑电容等一起组成直流滤波电路，其主要作用是实现对牵引系统主电路直流侧电压波动的限制，避免高次谐波对电网及轨道信号的影响。此外在逆变器发生故障时，电抗器限制直流电流的上升率，以便在检测到逆变器故障时，保障高速断路器能在电流限值内进行分断，以避免逆变器短路而对电网产生冲击。当出现过流时也可以通过熔断主熔断器进行保护。当线路中出线尖峰电压时，通过滤波电抗器吸收。
设计参数：额定工作电压为DC 1500V；额定工作电流为DC 250A；最大工作电流为DC 860A；电感值为4mH。
图2.3.15 滤波电抗器
③牵引逆变器
牵引逆变器作为整个牵引系统的重要组成部分，它的基本功能是把从供电电网获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电压，给直线感应电机供电。逆变器主电路采用两电平电压型三相逆变电路，功率器件采用IGBT。VVVF逆变器由三相逆变器模块与过压保护斩波器模块组成。采用恒滑差频率控制方式。每辆车的牵引系统包括1台VVVF逆变器，每台逆变器给多台直线感应电机供电。VVVF逆变器装置在各节车辆独立安装，即使其中一个发生故障，也可保证列车继续减速运行。VVVF逆变器设计参数见表2.3.3。
表2.3.3 VVVF逆变器设计参数
④直线感应电机
直线感应电机初级采用分布式三相绕组，安装在车上，与磁浮列车一起运动，如图2.3.16所示；次级采用铁铝/铁铜复合整体式结构，并沿轨道辅设。直线感应电机参数见表2.3.4。
图2.3.16 直线感应电机
表2.3.4 直线感应电机参数
6.制动系统
制动系统组成：主要制动控制装置、基础制动装置、救援支撑装置、鸣笛装置等组成。
制动系统功能：具有常用制动、紧急制动、快速制动、载荷补偿、冲动极限限制、故障检测故障记录等功能。
制动系统设备布置图如图2.3.17所示。
图2.3.17 制动系统设备布置图
（1）制动控制装置
制动控制装置主要包括制动控制单元（BCU，Brake Control Unit）、辅助制动控制单元（PCU）、微机制动控制单元（BECU，Brake Electronic Control Unit）、制动隔离塞门（B09）、主管截断塞门、主管软管、制动风缸、双针压力表等组成。其中制动控制单元（BCU）和辅助制动控制单元（PCU）的气路板上集成安装零部件，通过接口板安装在整体框架上，并通过接口板进行管路连接，以方便安装和维护。制动控制装置设备布置图如图2.3.18所示。
（2）基础制动装置
每车中间三个悬浮架左右悬浮模块各安装一套制动夹钳和闸片，由增压缸驱动，制动器夹持轨道对运行的磁浮列车产生阻力，使其制动停止；机械制动仅作为辅助制动，即用于事故时紧急制动和低速运行时的制动和驻车制动。
图2.3.18 制动控制装置设备布置图
制动夹钳采用非铁磁性材料，闸片采用粉末冶金材料，满足车辆制动性能。基础制动装置如图2.3.19所示。
图2.3.19 基础制动装置
（3）空气悬挂装置
空气悬挂组成：主要由悬挂风缸、载荷单元、高度阀、差压阀、测试接头等组成。
空气悬挂功能：通过空气悬挂装置，保证二次悬架系与车体和走行部的柔性连接，隔断走行部对车体的垂向冲击。
空气悬挂布置图如图2.3.20所示。
图2.3.20 空气悬挂布置图
（4）救援支撑装置
救援支撑装置组成：由增压缸、支撑轮油缸、弹性垫片、软管等组成。
救援支撑装置功能：增压缸驱动悬浮模块上的救援支撑轮，防止磁浮车辆出现意外故障，保证磁浮列车的安全，救援支撑装置如图2.3.21所示。
7.车载通信和乘客信息系统
车载通信和乘客信息系统能够采集列车的相关信息，并将这些有用的信息以直观、更加形象的方式发布给乘客。它主要由列车广播及对讲系统、乘客信息显示系统和车载视频监控系统三个子系统组成，其布置图如图2.3.22所示。
图2.3.21 救援支撑装置
图2.3.22 车载通信和乘客信息系统
8.辅助系统
磁浮列车辅助系统主要由辅助逆变器、悬浮电源、DC 110V蓄电池及充电机、DC 330V蓄电池等组成。辅助系统为整列车提供DC 330V、AC 380V和DC 110V三种电源，两端Mc车的辅助电源配置完全一致。DC 330V和AC 380V电源均经高压电器柜通过DC 1500V变换得到，DC 110V由AC 380V整流得到，其电路图如图2.3.23所示。
图2.3.23 磁浮列车辅助系统