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(dòng)列車前進(jìn)，同時(shí)列車車輪緊貼著鋼軌運(yùn)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(yùn)行阻力則隨著列車速度的增加而增大，當(dāng)列車的驅(qū)動(dòng)力與運(yùn)行阻力達(dá)到平衡時(shí)，也就達(dá)到了列車運(yùn)行速度的上限。一般認(rèn)為，輪軌鐵路實(shí)用最高速度為350～400 km/h，因此，輪軌鐵路的速度無(wú)法進(jìn)一步提高。

1.2 高速磁浮列車因懸浮于軌道之上，與軌道無(wú)接觸運(yùn)行，使用直線電機(jī)作驅(qū)動(dòng)裝置，故也把磁浮鐵路稱為直線電機(jī)鐵路或直線電機(jī)軌道交通。直線電機(jī)被認(rèn)為是半徑無(wú)限大的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，或者是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)成平板狀，在初級(jí)線圈或者電樞和次級(jí)線圈或者磁場(chǎng)間產(chǎn)生推進(jìn)力。無(wú)論哪種組合都將電機(jī)的一部分安裝在車輛上，而另一部分安裝在軌道上，實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)接觸牽引。直線電機(jī)的基本工作原理和特性除了磁場(chǎng)是直線移動(dòng)之外，其他方面和旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(guó)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(lái)，利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)定子直線同步電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的磁浮鐵路技術(shù)，最高試驗(yàn)速度為581km/h，適用于中長(zhǎng)距離的超高速客運(yùn)鐵路。

（1）懸浮原理。ML超導(dǎo)磁浮鐵路的懸浮力來(lái)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(guò)時(shí)，車輛上的超導(dǎo)磁場(chǎng)會(huì)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(chǎng)，控制每組“8”字形懸浮繞組上側(cè)的磁場(chǎng)極性與車輛超導(dǎo)磁場(chǎng)的極性相反從而產(chǎn)生引力，下側(cè)極性與超導(dǎo)磁場(chǎng)極性相同而產(chǎn)生排斥力，使得車輛懸浮起來(lái)，車速越高浮力越大。當(dāng)車速達(dá)到120km/h以后，列車穩(wěn)定懸浮高度在100mm以上。

（2）驅(qū)動(dòng)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(chǎng)N極和S極，通過(guò)控制使得前方地面磁場(chǎng)與車輛超導(dǎo)磁場(chǎng)的極性相反而產(chǎn)生吸引力，后面相鄰地面磁場(chǎng)與車輛超導(dǎo)磁場(chǎng)產(chǎn)生的極性相同而產(chǎn)生排斥力，“推動(dòng)”車輛向前運(yùn)動(dòng)，這與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)中轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(yùn)行過(guò)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(wú)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(dòng)在導(dǎo)軌每側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得離開(kāi)側(cè)的地面磁場(chǎng)與車體的超導(dǎo)磁場(chǎng)產(chǎn)生吸引力，靠近側(cè)的地面磁場(chǎng)與車體的超導(dǎo)磁場(chǎng)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(chǎng)也為感應(yīng)磁場(chǎng)，所以列車運(yùn)行速度越高則導(dǎo)向力越大。在低速運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)向力較小，不足以使列車自動(dòng)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(zhǎng)定子直線同步電動(dòng)機(jī)及導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)的磁浮鐵路技術(shù)，最高試驗(yàn)速度為501km/h，適用于中長(zhǎng)距離的超高速客運(yùn)鐵路，已建成的上海浦東機(jī)場(chǎng)磁浮鐵路即采用該項(xiàng)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(zhǎng)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(wú)接觸運(yùn)行；設(shè)有專用的制動(dòng)電磁鐵來(lái)保證列車安全制動(dòng)；沿軌道全長(zhǎng)設(shè)置的長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)定子鐵心與車輛上勵(lì)磁磁鐵作用產(chǎn)生的牽引力驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。

（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(yùn)行平穩(wěn)性，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場(chǎng)保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和懸浮力，使間隙保持在額定值附近。其控制過(guò)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(hào)后，控制系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)量來(lái)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(wú)關(guān)。

（3）導(dǎo)向原理。在TR磁浮車輛兩個(gè)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(shí)，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(guò)曲線時(shí)車輛一旦產(chǎn)生橫向位移偏差，傳感器會(huì)檢測(cè)其變化，通過(guò)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(dòng)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(dòng)原理。TR超高速磁浮鐵路采用長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，與旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(guò)三相交變電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿直線運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與車上懸浮電磁鐵流過(guò)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生列車驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)改變交流電流的強(qiáng)度和頻率來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)從靜止到額定運(yùn)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(jī)相同。ML列車與 TR列車均采用直線同步電機(jī)牽引，都具有爬坡能力強(qiáng)、曲線半徑小、環(huán)保性能好、減加速度高等優(yōu)點(diǎn)。

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

（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(diǎn)，在中短距離范圍內(nèi)起停車性能和節(jié)約旅行時(shí)間方面具有優(yōu)越性能，而它們的優(yōu)勢(shì)更體現(xiàn)在長(zhǎng)大干線旅客運(yùn)輸方面，這是將來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

3.2 懸浮特性比較

ML系統(tǒng)采用斥力型電動(dòng)懸浮技術(shù)，列車速度超過(guò)大約150km/h時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chǎng)耦合，在運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生磁阻力，且斥力型磁浮列車的磁阻力在低速時(shí)大，在高速時(shí)隨速度增加而下降，因而斥力型磁浮列車更適于高速運(yùn)行。

TR系統(tǒng)的垂向懸浮力是由線路上的直線同步電機(jī)鐵心與車輛上的直線同步電機(jī)的磁極之間形成電磁吸力產(chǎn)生的，驅(qū)動(dòng)力與垂向懸浮力兩個(gè)系統(tǒng)合而為一，也是其優(yōu)勢(shì)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(yùn)行時(shí)，也會(huì)在鋼材內(nèi)引起感應(yīng)電流（渦流）而形成磁阻力，因?yàn)門R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?yàn)榈孛嬷本€電機(jī)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(jì)。

因此，從懸浮特征、磁阻力來(lái)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(jià)高、超導(dǎo)技術(shù)難度大；TR系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較低，雖然控制系統(tǒng)復(fù)雜、精確，但技術(shù)相對(duì)成熟，大部分零件具有通用性，市場(chǎng)供應(yīng)方便。此外，TR系統(tǒng)線路占地和養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用較少，而ML系統(tǒng)隧道限界較小，隧道工程造價(jià)更低，在隧道多的山區(qū)更具優(yōu)勢(shì)。

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

（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(huì)對(duì)乘客健康造成危害。

（5）從經(jīng)濟(jì)和效率來(lái)看，500km/h以上速度運(yùn)行時(shí)，ML系統(tǒng)優(yōu)于TR系統(tǒng)；在300km/h～500km/h的速度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，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。