中低速磁浮鐵路在城市軌道交通中的應用

任景槐

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450000）

現代城市軌道交通隨著社會、經濟的快速發展、城市人口的急劇膨脹和交通需求的增加而得到大力發展，已逐漸成為城市公共交通的骨干。許多新型軌道交通類型如群星閃耀，相繼出現在各大城市的公共交通網。如2005年通車投運的日本愛知世博會磁浮線路，是采用HSST技術的第一條正式運營線路；采用直線電機輪軌交通系統的廣州地鐵4號線、首都機場線等于2005年至2010年間建成投運；2016年投運的長沙中低速磁浮快線，線路全長18.55km， 是迄今世界上最長的中低速磁浮軌道交通商業運營線。本文將以日本的HSST系統為例，介紹中低速磁浮鐵路技術在城市軌道交通中的應用。

1 HSST系統的優點

1.1 舒適、無公害。HSST系統不需要車輪，利用電磁鐵的吸引力作用懸浮走行，因此，沒有車輪與軌道接觸所產生的噪聲和振動。列車運行時車外的噪聲僅為64dB，低于地鐵車輛進站時的噪聲。HSST系統使用吸引型電磁鐵，不同于推斥型電磁鐵，磁場是被約束在預先設計好的閉合磁路中，無電磁輻射的危害。因此，HSST乘坐舒適、無公害，是一種對環境友好的系統。

1.2 安全。在構造上，HSST車輛環抱著軌道，不會出現脫軌、翻車等事故，列車的速度和位置受到實時監控，列車控制系統將保證不發生列車碰撞現象。即使在斷電情況下，HSST系統會提供幾種備用和安全系統，車載輔助電源會自動供電，使車輛繼續懸浮行駛。在極端事故情況下系統瞬間不能運行時，裝在車底的滑撬會使車體緩慢地下降到軌道上滑行，阻止列車繼續運行。

1.3 建設成本和養護維修費用低。和傳統的系統相比，HSST需要較低的初期投資和運行費用。由于HSST系統結構簡單、車體重量輕、軌道結構相對也較輕、構造物規模小，軌道的建設費用可以降低。因為無輪軌接觸，車輛振動引起的軌道變形和下沉引起的維修費用較之傳統系統有所減少。而且，它占用很小的土地空間，和傳統的高架系統相比，它的細長墩柱較易施工，對梁部作用的是均布載荷，整體的費用大幅下降。

由于HSST系統沒有可動部件、無接觸運行，使其動力消耗降低，車輛維修費用大約只為傳統輪軌系統的1/5。而且HSST系統可以實現無人駕駛或僅需一位乘務員服務，無需像傳統鐵路那樣投入巨額設備及養護資金。

1.4 快速，甚至可達高速范圍。傳統列車的驅動系統是依靠輪軌之間的黏著，并且存在一個速度極限。相反，磁浮電磁鐵和直線感應電動機相結合的列車，并不依賴輪軌黏著而使HSST列車懸浮運行，理論上也沒有最高速度的限制，試驗證明HSST系統有可能達到300km/h的速度，與輪軌高速鐵路的速度目標值相當。

1.5 效率高，能耗及阻力低。HSST系統無摩擦、無運動部件，提供了一個市內、市內至郊區或中距離的大眾化運輸工具，它的維修成本和運營費用很少。

1.6 不受距離因素限制，適用于眾多場所。使用直線電機驅動可以毫不費力地在陡坡區間走行，輕巧的車體即使在急轉彎處也能夠順暢通過。由于使用專用高架軌道，不會有堵車問題。能夠懸浮停車，適合于站間距離較短的城市交通系統。

HSST車輛在停止時也處于懸浮狀態，它的加速、減速、牽引和制動都很平穩，車站可以和建筑物結合在一起。HSST的爬坡能力和通過曲線半徑的性能，使它在復雜地形地貌地段能較自由地定線。由于沒有車輪，雪天不存在車輪打滑的問題，而且有優越的耐久性能，在潮濕地區、干旱地區、環境比較惡劣地區也能適應。由于它是安靜的系統，清晨、深夜對環境沒有很大的影響。

1.7 發展前景廣闊。HSST系統不僅適合低速懸浮運行，隨著技術進步，也可能適合高速懸浮運行。在城際交通運輸、機場鐵路等中短距離需要速度高達200～300km/h的高速運輸場合也有可能發揮作用。

2 HSST系統的工作原理

2.1 懸浮原理。 HSST采用磁吸式電磁懸浮工作原理，軌道梁的兩側為懸空的倒“U”形鋼質鐵磁性軌道，固定在磁浮列車上的懸浮兼導向電磁鐵正好置于導軌下方，且鐵心呈正“U”形，與“U”形的軌道相對，安裝在車體的電磁鐵從下方產生吸引導軌的吸力，列車利用此吸力而懸浮。通過調節電磁鐵的勵磁電流，調整電磁鐵與軌道之間的吸力，以保持電磁鐵與軌道之間的距離（氣隙）穩定在8mm左右，實現列車穩定懸浮。

2.2 導向原理。列車運行過程中產生左右偏離，使得正“U”形電磁鐵的鐵心與倒“U”形軌道錯位，兩者之間的引力傾斜，產生一個與偏離方向相反的橫向分量，利用導軌與磁鐵之間的吸力相互作用進行糾正，使列車回到中心線。即，HSST磁浮列車的導向力可自動產生，通常該橫向恢復力（導向力）約為懸浮力的20%。

2.3 驅動原理。HSST采用列車驅動方式，電機為短定子直線感應電動機，電機的初級線圈（定子）安裝在車輛上，二次側（轉子、感應板、次級）沿列車前進方向展開設置在軌道上。當定子通入三相交流電流后，產生一個運動磁場，該磁場在感應板上感應出電流和磁場，由于磁場的相互作用產生推力，牽引列車向前或后退。由于直線電機定子在車上，HSST系統牽引功率的控制和轉換由車上設備來完成。

2.4 采用短定子直線電機牽引的優點是軌道結構簡單（線路上無鐵芯和線圈），控制方便（車上控制），發車頻率高，采用類似輪軌鐵路區間閉塞的方式防止列車追尾，造價較低。其缺點是電機功率因數較低（低于0.7）和效率較低（低于0.7），因為當列車處于懸浮狀態時，定子與感應板的距離（氣隙）約為6～10mm（而旋轉電機的氣隙不到1mm），勵磁功耗較大。若當直線感應電機牽引的磁浮列車以較高速度（如300km/h以上）運行時，效率和功率因數還會更低，且在高速下，通過機械接觸向車上供電也相當困難，因此，HSST磁浮列車更適合在較低的速度（低于120km/h）下應用。

3 系統應用與發展

3.1 HSST-100系統屬于低速（或稱普速）鐵路范疇，其HSST-100系列是主力車型，運行速度達到100km/h。HSST-200系列適用于城市與近郊的連接交通線，設計速度為200km/h，實際上已達高速鐵路的速度范圍，有比較廣泛的適用范圍，包括都市圈近郊、機場與市區的連接線路等，對應的線路最小曲線半徑為100m，限制坡度為70‰。在設計上，HSST-200系列列車將直線電機驅動和電磁懸浮合并在一起。HSST-200直線電機中心之間的設計標準軌距寬為2.0m，增加軌距以提高橫向穩定性，并為模塊之間的設備安裝提供所需增加的空間，尤其是為更大功率的變流器提供空間，這是為達到200km/h的速度能力所必需的。HSST-200車輛的重量與HSST-100相似，大約28t。

3.2 HSST-300系列列車適用于城市之間的大運量交通線路，其設計車速為300km/h，也達到了高速鐵路的速度。此外，由于HSST系統采用第三軌供電方式，實際上并未實現列車完全無接觸行駛，這使得其最高運行速度無法達到超高速磁浮列車的水平，還有待進一步改進。