高速磁浮軌道交通系統的分析與比較

任景槐

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 450000）

1 磁浮軌道交通的產生

1.1 傳統的輪軌黏著式鐵路，是利用車輪與鋼軌之間的黏著力驅動列車前進，同時列車車輪緊貼著鋼軌運行，鋼軌為車輛提供支承及導向功能，且輪軌間的黏著系數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，當列車的驅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。直線電機被認為是半徑無限大的旋轉電機，或者是把旋轉電機展開成平板狀，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，其他方面和旋轉電機大體相同。

2 兩種主要高速磁浮系統的分析比較

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

2.2 ML系統采用低溫超導、長定子直線同步電動機、導軌驅動的磁浮鐵路技術，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超導磁浮鐵路的懸浮力來自于車輛兩側，在U形導軌兩側的側壁上，排列著一組組的懸浮導向繞組（也稱短路繞組）。當車輛高速通過時，車輛上的超導磁場會在導軌側壁的“8”字形懸浮繞組中產生感應電流和感應磁場，控制每組“8”字形懸浮繞組上側的磁場極性與車輛超導磁場的極性相反從而產生引力，下側極性與超導磁場極性相同而產生排斥力，使得車輛懸浮起來，車速越高浮力越大。當車速達到120km/h以后，列車穩定懸浮高度在100mm以上。

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

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

2.3 TR系統采用常導、長定子直線同步電動機及導軌驅動的磁浮鐵路技術，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。

（1） TR磁浮鐵路導軌為“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生的吸引力使車輛浮起；導向磁鐵與軌道側面作用產生的吸引力使車輛沿著軌道中心無接觸運行；設有專用的制動電磁鐵來保證列車安全制動；沿軌道全長設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生的牽引力驅動列車前進。

（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性，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩定的強度和懸浮力，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、加速度等狀態信號后，控制系統根據狀態量來調節電磁力，保證穩定懸浮。TR磁浮鐵路額定氣隙為10mm，懸浮高度與車速無關。

（3）導向原理。在TR磁浮車輛兩個側面安裝用于導向的電磁鐵，在導軌端面安裝導向用鐵板，電磁鐵與導向鐵板保持一定的間隙。當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生橫向位移偏差，傳感器會檢測其變化，通過控制系統改變左右兩側電磁鐵線圈電流的大小，使氣隙小的一側電流減少，電磁吸力減少，而氣隙大的一側電流增加，車輛導向電磁吸力增大，與導軌端面的鐵板之間產生吸力，該導向恢復力與列車離心力相平衡，使得偏離中心線的車輛自動恢復到中心線位置。TR磁浮鐵路導向間隙為8～10mm。

（4）驅動原理。TR超高速磁浮鐵路采用長定子直線同步電機實現無接觸的驅動和制動，與旋轉電機相似，當軌道下面沿兩側向前展直并延伸的定子繞組通過三相交變電流時，會產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生的磁場相互作用，從而產生列車驅動力。通過改變交流電流的強度和頻率來調整驅動力，實現從靜止到額定運行速度之間的連續速度調節。

3 ML系統與TR系統的比較

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、環保性能好、減加速度高等優點。

（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，在速度優先、旅行時間優先選擇交通工具的時代具有不可替代的優勢。

（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點，在中短距離范圍內起停車性能和節約旅行時間方面具有優越性能，而它們的優勢更體現在長大干線旅客運輸方面，這是將來發展的重點。

3.2 懸浮特性比較

ML系統采用斥力型電動懸浮技術，列車速度超過大約150km/h時，實現無接觸懸浮和導向，在120km/h以下依靠輪軌支承和導向。由于磁浮車輛與導軌間有磁場耦合，在運動時必然會產生磁阻力，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生的，驅動力與垂向懸浮力兩個系統合而為一，也是其優勢所在。與斥力型磁浮列車相同，吸力型電懸浮列車在導軌上運行時，也會在鋼材內引起感應電流（渦流）而形成磁阻力，因為TR系統的磁阻力主要在導向鋼板中產生渦流，而在垂向懸浮系統中，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系統的適用速度范圍要寬一些、低一些，而ML系統的適用速度要高一些。

4 結論

（1）ML系統造價高、超導技術難度大；TR系統造價相對較低，雖然控制系統復雜、精確，但技術相對成熟，大部分零件具有通用性，市場供應方便。此外，TR系統線路占地和養護維修費用較少，而ML系統隧道限界較小，隧道工程造價更低，在隧道多的山區更具優勢。

（2）ML系統車輛懸浮氣隙較大，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系統與TR系統的噪聲與能耗相近。

（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）從經濟和效率來看，500km/h以上速度運行時，ML系統優于TR系統；在300km/h～500km/h的速度范圍內運行時，TR型磁浮鐵路系統比較優越；在300km/h以下速度范圍內，采用輪軌高速鐵路系統可能更好。