高速磁浮軌道交通系統(tǒng)的分析與比較

任景槐

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 磁浮軌道交通的產(chǎn)生

1.1 傳統(tǒng)的輪軌黏著式鐵路，是利用車輪與鋼軌之間的黏著力驅(qū)動列車前進，同時列車車輪緊貼著鋼軌運行，鋼軌為車輛提供支承及導(dǎo)向功能，且輪軌間的黏著系數(shù)隨著列車速度的增加而減小，運行阻力則隨著列車速度的增加而增大，當(dāng)列車的驅(qū)動力與運行阻力達到平衡時，也就達到了列車運行速度的上限。一般認(rèn)為，輪軌鐵路實用最高速度為350～400 km/h，因此，輪軌鐵路的速度無法進一步提高。

1.2 高速磁浮列車因懸浮于軌道之上，與軌道無接觸運行，使用直線電機作驅(qū)動裝置，故也把磁浮鐵路稱為直線電機鐵路或直線電機軌道交通。直線電機被認(rèn)為是半徑無限大的旋轉(zhuǎn)電機，或者是把旋轉(zhuǎn)電機展開成平板狀，在初級線圈或者電樞和次級線圈或者磁場間產(chǎn)生推進力。無論哪種組合都將電機的一部分安裝在車輛上，而另一部分安裝在軌道上，實現(xiàn)車輛的無接觸牽引。直線電機的基本工作原理和特性除了磁場是直線移動之外，其他方面和旋轉(zhuǎn)電機大體相同。

2 兩種主要高速磁浮系統(tǒng)的分析比較

2.1 日本的超導(dǎo)超高速磁浮鐵路技術(shù)（ML）、德國的常導(dǎo)超高速磁浮鐵路技術(shù)（TR）的技術(shù)共同之處在于依靠磁浮技術(shù)將列車懸浮起來，利用直線電機驅(qū)動列車行駛，但技術(shù)途徑有所不同。

2.2 ML系統(tǒng)采用低溫超導(dǎo)、長定子直線同步電動機、導(dǎo)軌驅(qū)動的磁浮鐵路技術(shù)，最高試驗速度為581km/h，適用于中長距離的超高速客運鐵路。

（1）懸浮原理。ML超導(dǎo)磁浮鐵路的懸浮力來自于車輛兩側(cè)，在U形導(dǎo)軌兩側(cè)的側(cè)壁上，排列著一組組的懸浮導(dǎo)向繞組（也稱短路繞組）。當(dāng)車輛高速通過時，車輛上的超導(dǎo)磁場會在導(dǎo)軌側(cè)壁的“8”字形懸浮繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)磁場，控制每組“8”字形懸浮繞組上側(cè)的磁場極性與車輛超導(dǎo)磁場的極性相反從而產(chǎn)生引力，下側(cè)極性與超導(dǎo)磁場極性相同而產(chǎn)生排斥力，使得車輛懸浮起來，車速越高浮力越大。當(dāng)車速達到120km/h以后，列車穩(wěn)定懸浮高度在100mm以上。

（2）驅(qū)動原理。ML超導(dǎo)磁浮列車每節(jié)車輛的兩端都安裝有超導(dǎo)磁鐵，超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生超導(dǎo)磁場N極和S極，通過控制使得前方地面磁場與車輛超導(dǎo)磁場的極性相反而產(chǎn)生吸引力，后面相鄰地面磁場與車輛超導(dǎo)磁場產(chǎn)生的極性相同而產(chǎn)生排斥力，“推動”車輛向前運動，這與普通旋轉(zhuǎn)電機中轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的原理相同。

（3） 導(dǎo)向原理。磁浮車輛在高速運行過程中必須保證與導(dǎo)軌不能有任何接觸，ML超導(dǎo)磁浮列車在導(dǎo)軌側(cè)壁安裝有懸浮及導(dǎo)向繞組，如果車輛位于導(dǎo)軌中心位置，導(dǎo)向線圈中無導(dǎo)向力；如果車輛在平面上偏離了導(dǎo)軌的中心位置，系統(tǒng)自動在導(dǎo)軌每側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組中產(chǎn)生磁場，使得離開側(cè)的地面磁場與車體的超導(dǎo)磁場產(chǎn)生吸引力，靠近側(cè)的地面磁場與車體的超導(dǎo)磁場產(chǎn)生排斥力，從而保持車體不偏離導(dǎo)軌的中心位置。由于導(dǎo)軌的導(dǎo)向磁場也為感應(yīng)磁場，所以列車運行速度越高則導(dǎo)向力越大。在低速運行時，導(dǎo)向力較小，不足以使列車自動導(dǎo)向，列車依靠安裝在轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的導(dǎo)向輪完成導(dǎo)向功能，ML的導(dǎo)向氣隙為80mm。

2.3 TR系統(tǒng)采用常導(dǎo)、長定子直線同步電動機及導(dǎo)軌驅(qū)動的磁浮鐵路技術(shù)，最高試驗速度為501km/h，適用于中長距離的超高速客運鐵路，已建成的上海浦東機場磁浮鐵路即采用該項技術(shù)。

（1） TR磁浮鐵路導(dǎo)軌為“T”形斷面，車輛采用了“車抱軌”的形式。沿列車全長分布的懸浮電磁鐵與軌道下表面作用產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起；導(dǎo)向磁鐵與軌道側(cè)面作用產(chǎn)生的吸引力使車輛沿著軌道中心無接觸運行；設(shè)有專用的制動電磁鐵來保證列車安全制動；沿軌道全長設(shè)置的長定子直線同步電機定子鐵心與車輛上勵磁磁鐵作用產(chǎn)生的牽引力驅(qū)動列車前進。

（2）懸浮原理。TR磁浮車輛與軌面之間的間隙與吸引力大小成反比，為保證車輛懸浮的可靠性和列車運行平穩(wěn)性，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩(wěn)定的強度和懸浮力，使間隙保持在額定值附近。其控制過程為，安裝在懸浮電磁鐵上的傳感器接收到間隙、速度、加速度等狀態(tài)信號后，控制系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)量來調(diào)節(jié)電磁力，保證穩(wěn)定懸浮。TR磁浮鐵路額定氣隙為10mm，懸浮高度與車速無關(guān)。

（3）導(dǎo)向原理。在TR磁浮車輛兩個側(cè)面安裝用于導(dǎo)向的電磁鐵，在導(dǎo)軌端面安裝導(dǎo)向用鐵板，電磁鐵與導(dǎo)向鐵板保持一定的間隙。當(dāng)車輛正好在中心線位置時，兩邊的氣隙和橫向電磁力大小相等、方向相反、互相平衡；通過曲線時車輛一旦產(chǎn)生橫向位移偏差，傳感器會檢測其變化，通過控制系統(tǒng)改變左右兩側(cè)電磁鐵線圈電流的大小，使氣隙小的一側(cè)電流減少，電磁吸力減少，而氣隙大的一側(cè)電流增加，車輛導(dǎo)向電磁吸力增大，與導(dǎo)軌端面的鐵板之間產(chǎn)生吸力，該導(dǎo)向恢復(fù)力與列車離心力相平衡，使得偏離中心線的車輛自動恢復(fù)到中心線位置。TR磁浮鐵路導(dǎo)向間隙為8～10mm。

（4）驅(qū)動原理。TR超高速磁浮鐵路采用長定子直線同步電機實現(xiàn)無接觸的驅(qū)動和制動，與旋轉(zhuǎn)電機相似，當(dāng)軌道下面沿兩側(cè)向前展直并延伸的定子繞組通過三相交變電流時，會產(chǎn)生一個沿直線運動的磁場，這個磁場與車上懸浮電磁鐵流過電流產(chǎn)生的磁場相互作用，從而產(chǎn)生列車驅(qū)動力。通過改變交流電流的強度和頻率來調(diào)整驅(qū)動力，實現(xiàn)從靜止到額定運行速度之間的連續(xù)速度調(diào)節(jié)。

3 ML系統(tǒng)與TR系統(tǒng)的比較

3.1 二者共同之處

（1）牽引電機相同。ML列車與 TR列車均采用直線同步電機牽引，都具有爬坡能力強、曲線半徑小、環(huán)保性能好、減加速度高等優(yōu)點。

（2）適用速度范圍相同。ML列車與 TR列車均為超高速鐵路，運營速度范圍在400～550km/h的范圍內(nèi)，在速度優(yōu)先、旅行時間優(yōu)先選擇交通工具的時代具有不可替代的優(yōu)勢。

（3）適用距離范圍相同。ML列車與 TR列車均具有減加速性能良好的優(yōu)點，在中短距離范圍內(nèi)起停車性能和節(jié)約旅行時間方面具有優(yōu)越性能，而它們的優(yōu)勢更體現(xiàn)在長大干線旅客運輸方面，這是將來發(fā)展的重點。

3.2 懸浮特性比較

ML系統(tǒng)采用斥力型電動懸浮技術(shù)，列車速度超過大約150km/h時，實現(xiàn)無接觸懸浮和導(dǎo)向，在120km/h以下依靠輪軌支承和導(dǎo)向。由于磁浮車輛與導(dǎo)軌間有磁場耦合，在運動時必然會產(chǎn)生磁阻力，且斥力型磁浮列車的磁阻力在低速時大，在高速時隨速度增加而下降，因而斥力型磁浮列車更適于高速運行。

TR系統(tǒng)的垂向懸浮力是由線路上的直線同步電機鐵心與車輛上的直線同步電機的磁極之間形成電磁吸力產(chǎn)生的，驅(qū)動力與垂向懸浮力兩個系統(tǒng)合而為一，也是其優(yōu)勢所在。與斥力型磁浮列車相同，吸力型電懸浮列車在導(dǎo)軌上運行時，也會在鋼材內(nèi)引起感應(yīng)電流（渦流）而形成磁阻力，因為TR系統(tǒng)的磁阻力主要在導(dǎo)向鋼板中產(chǎn)生渦流，而在垂向懸浮系統(tǒng)中，因為地面直線電機定子鐵心是用矽鋼片疊制而成的，渦流很小，磁阻力可忽略不計。

因此，從懸浮特征、磁阻力來看，TR系統(tǒng)的適用速度范圍要寬一些、低一些，而ML系統(tǒng)的適用速度要高一些。

4 結(jié)論

（1）ML系統(tǒng)造價高、超導(dǎo)技術(shù)難度大；TR系統(tǒng)造價相對較低，雖然控制系統(tǒng)復(fù)雜、精確，但技術(shù)相對成熟，大部分零件具有通用性，市場供應(yīng)方便。此外，TR系統(tǒng)線路占地和養(yǎng)護維修費用較少，而ML系統(tǒng)隧道限界較小，隧道工程造價更低，在隧道多的山區(qū)更具優(yōu)勢。

（2）ML系統(tǒng)車輛懸浮氣隙較大，對軌面平整度要求低，抗震性能好，速度快，并還有進一步提高速度的可能性。它還具有低速不能懸浮的特點，更適于大運量、長距離、更高速度的客運。

（3）ML系統(tǒng)與TR系統(tǒng)的噪聲與能耗相近。

（4）ML車輛屏蔽后的電磁輻射雖然高于TR車輛，但不會對乘客健康造成危害。

（5）從經(jīng)濟和效率來看，500km/h以上速度運行時，ML系統(tǒng)優(yōu)于TR系統(tǒng)；在300km/h～500km/h的速度范圍內(nèi)運行時，TR型磁浮鐵路系統(tǒng)比較優(yōu)越；在300km/h以下速度范圍內(nèi)，采用輪軌高速鐵路系統(tǒng)可能更好。