高速磁浮轨道交通系统的分析与比较

任景槐

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450000）

1 磁浮轨道交通的产生

1.1 传统的轮轨黏着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的黏着力驱动列车前进，同时列车车轮紧贴着钢轨运行，钢轨为车辆提供支承及导向功能，且轮轨间的黏着系数随着列车速度的增加而减小，运行阻力则随着列车速度的增加而增大，当列车的驱动力与运行阻力达到平衡时，也就达到了列车运行速度的上限。一般认为，轮轨铁路实用最高速度为350～400 km/h，因此，轮轨铁路的速度无法进一步提高。

1.2 高速磁浮列车因悬浮于轨道之上，与轨道无接触运行，使用直线电机作驱动装置，故也把磁浮铁路称为直线电机铁路或直线电机轨道交通。直线电机被认为是半径无限大的旋转电机，或者是把旋转电机展开成平板状，在初级线圈或者电枢和次级线圈或者磁场间产生推进力。无论哪种组合都将电机的一部分安装在车辆上，而另一部分安装在轨道上，实现车辆的无接触牵引。直线电机的基本工作原理和特性除了磁场是直线移动之外，其他方面和旋转电机大体相同。

2 两种主要高速磁浮系统的分析比较

2.1 日本的超导超高速磁浮铁路技术（ML）、德国的常导超高速磁浮铁路技术（TR）的技术共同之处在于依靠磁浮技术将列车悬浮起来，利用直线电机驱动列车行驶，但技术途径有所不同。

2.2 ML系统采用低温超导、长定子直线同步电动机、导轨驱动的磁浮铁路技术，最高试验速度为581km/h，适用于中长距离的超高速客运铁路。

（1）悬浮原理。ML超导磁浮铁路的悬浮力来自于车辆两侧，在U形导轨两侧的侧壁上，排列着一组组的悬浮导向绕组（也称短路绕组）。当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的“8”字形悬浮绕组中产生感应电流和感应磁场，控制每组“8”字形悬浮绕组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同而产生排斥力，使得车辆悬浮起来，车速越高浮力越大。当车速达到120km/h以后，列车稳定悬浮高度在100mm以上。

（2）驱动原理。ML超导磁浮列车每节车辆的两端都安装有超导磁铁，超导磁铁产生超导磁场N极和S极，通过控制使得前方地面磁场与车辆超导磁场的极性相反而产生吸引力，后面相邻地面磁场与车辆超导磁场产生的极性相同而产生排斥力，“推动”车辆向前运动，这与普通旋转电机中转子与旋转磁场相互作用使转子旋转的原理相同。

（3） 导向原理。磁浮车辆在高速运行过程中必须保证与导轨不能有任何接触，ML超导磁浮列车在导轨侧壁安装有悬浮及导向绕组，如果车辆位于导轨中心位置，导向线圈中无导向力；如果车辆在平面上偏离了导轨的中心位置，系统自动在导轨每侧的悬浮导向绕组中产生磁场，使得离开侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸引力，靠近侧的地面磁场与车体的超导磁场产生排斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置。由于导轨的导向磁场也为感应磁场，所以列车运行速度越高则导向力越大。在低速运行时，导向力较小，不足以使列车自动导向，列车依靠安装在转向架两侧的导向轮完成导向功能，ML的导向气隙为80mm。

2.3 TR系统采用常导、长定子直线同步电动机及导轨驱动的磁浮铁路技术，最高试验速度为501km/h，适用于中长距离的超高速客运铁路，已建成的上海浦东机场磁浮铁路即采用该项技术。

（1） TR磁浮铁路导轨为“T”形断面，车辆采用了“车抱轨”的形式。沿列车全长分布的悬浮电磁铁与轨道下表面作用产生的吸引力使车辆浮起；导向磁铁与轨道侧面作用产生的吸引力使车辆沿着轨道中心无接触运行；设有专用的制动电磁铁来保证列车安全制动；沿轨道全长设置的长定子直线同步电机定子铁心与车辆上励磁磁铁作用产生的牵引力驱动列车前进。

（2）悬浮原理。TR磁浮车辆与轨面之间的间隙与吸引力大小成反比，为保证车辆悬浮的可靠性和列车运行平稳性，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使间隙保持在额定值附近。其控制过程为，安装在悬浮电磁铁上的传感器接收到间隙、速度、加速度等状态信号后，控制系统根据状态量来调节电磁力，保证稳定悬浮。TR磁浮铁路额定气隙为10mm，悬浮高度与车速无关。

（3）导向原理。在TR磁浮车辆两个侧面安装用于导向的电磁铁，在导轨端面安装导向用铁板，电磁铁与导向铁板保持一定的间隙。当车辆正好在中心线位置时，两边的气隙和横向电磁力大小相等、方向相反、互相平衡；通过曲线时车辆一旦产生横向位移偏差，传感器会检测其变化，通过控制系统改变左右两侧电磁铁线圈电流的大小，使气隙小的一侧电流减少，电磁吸力减少，而气隙大的一侧电流增加，车辆导向电磁吸力增大，与导轨端面的铁板之间产生吸力，该导向恢复力与列车离心力相平衡，使得偏离中心线的车辆自动恢复到中心线位置。TR磁浮铁路导向间隙为8～10mm。

（4）驱动原理。TR超高速磁浮铁路采用长定子直线同步电机实现无接触的驱动和制动，与旋转电机相似，当轨道下面沿两侧向前展直并延伸的定子绕组通过三相交变电流时，会产生一个沿直线运动的磁场，这个磁场与车上悬浮电磁铁流过电流产生的磁场相互作用，从而产生列车驱动力。通过改变交流电流的强度和频率来调整驱动力，实现从静止到额定运行速度之间的连续速度调节。

3 ML系统与TR系统的比较

3.1 二者共同之处

（1）牵引电机相同。ML列车与 TR列车均采用直线同步电机牵引，都具有爬坡能力强、曲线半径小、环保性能好、减加速度高等优点。

（2）适用速度范围相同。ML列车与 TR列车均为超高速铁路，运营速度范围在400～550km/h的范围内，在速度优先、旅行时间优先选择交通工具的时代具有不可替代的优势。

（3）适用距离范围相同。ML列车与 TR列车均具有减加速性能良好的优点，在中短距离范围内起停车性能和节约旅行时间方面具有优越性能，而它们的优势更体现在长大干线旅客运输方面，这是将来发展的重点。

3.2 悬浮特性比较

ML系统采用斥力型电动悬浮技术，列车速度超过大约150km/h时，实现无接触悬浮和导向，在120km/h以下依靠轮轨支承和导向。由于磁浮车辆与导轨间有磁场耦合，在运动时必然会产生磁阻力，且斥力型磁浮列车的磁阻力在低速时大，在高速时随速度增加而下降，因而斥力型磁浮列车更适于高速运行。

TR系统的垂向悬浮力是由线路上的直线同步电机铁心与车辆上的直线同步电机的磁极之间形成电磁吸力产生的，驱动力与垂向悬浮力两个系统合而为一，也是其优势所在。与斥力型磁浮列车相同，吸力型电悬浮列车在导轨上运行时，也会在钢材内引起感应电流（涡流）而形成磁阻力，因为TR系统的磁阻力主要在导向钢板中产生涡流，而在垂向悬浮系统中，因为地面直线电机定子铁心是用矽钢片叠制而成的，涡流很小，磁阻力可忽略不计。

因此，从悬浮特征、磁阻力来看，TR系统的适用速度范围要宽一些、低一些，而ML系统的适用速度要高一些。

4 结论

（1）ML系统造价高、超导技术难度大；TR系统造价相对较低，虽然控制系统复杂、精确，但技术相对成熟，大部分零件具有通用性，市场供应方便。此外，TR系统线路占地和养护维修费用较少，而ML系统隧道限界较小，隧道工程造价更低，在隧道多的山区更具优势。

（2）ML系统车辆悬浮气隙较大，对轨面平整度要求低，抗震性能好，速度快，并还有进一步提高速度的可能性。它还具有低速不能悬浮的特点，更适于大运量、长距离、更高速度的客运。

（3）ML系统与TR系统的噪声与能耗相近。

（4）ML车辆屏蔽后的电磁辐射虽然高于TR车辆，但不会对乘客健康造成危害。

（5）从经济和效率来看，500km/h以上速度运行时，ML系统优于TR系统；在300km/h～500km/h的速度范围内运行时，TR型磁浮铁路系统比较优越；在300km/h以下速度范围内，采用轮轨高速铁路系统可能更好。