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几种典型的高速磁悬浮列车方案比较张瑞华1 ,2 , 严陆光1 , 徐善纲1 , 武瑛1 ,2(1 . 中国科学院电工研究所 , 北京 100080 ; 2 . 中国科学院研究生院 , 北京 100039)摘要 : 由于高速磁悬浮列车的诸多优点 ,世界许多国家都在积极进行研究 ,目前以德 、日两国技术较为成熟 ,同时美国 、瑞士等国也有几种磁悬浮列车方案正在研究发展中 。因此 ,对这几个国家的 典型方案进行研究分析对我国的磁悬浮列车技术发展有很大的借鉴作用 。本文介绍了德国的Transrapid 磁浮列车 、日本 MLU 系列 、美国的 Magplane 等高速磁悬浮列车方案 ,并从原理 、车辆 、道岔 、造价等方面对这几种方案进行了比较 ,通过对各方案优缺点的综合分析 ,可以看出德国方案比 较成熟 。关键词 : 磁悬浮列车 ; 高速 ; 方案比较中图分类号 : U237文献标识码 : A文章编号 : 100323076 (2004) 0220046205生升力使车体与轨道脱离机械接触 ,即车体悬浮于轨道上 。按升力形成的电学机理 ,各种磁悬浮方案 又有很大的不同 。德国 的 Transrapid ( 简 称 TR) 属 于 电 磁 悬 浮 型( Electromagnetic suspension 简称 EMS) ,它利用悬浮架 两侧的可控直流电磁铁与导轨间的吸力来提升车体 ,为了保证悬浮的稳定性 ,必须外加反馈控制来调 节电磁铁的线圈电流 ,从而改变提升力的大小 ,使提 升力与车体重力保持动态平衡 。其悬浮原理如图 1 所示 ,在悬浮电磁铁中通入直流电流 ,悬浮电磁铁与 轨道中的铁芯之间产生电磁吸引力将车体浮起 。如果不加控制 ,悬浮电磁铁将牢牢吸附在轨道铁芯上 , 列车无法行走 。为此在悬浮电磁铁附近装有气隙传 感器 ,测量悬浮电磁铁与轨道铁芯之间的距离 (即悬 浮气隙) 。根据测量的距离不断调整悬浮电磁铁中 的电流 ,以保持悬浮气隙在十毫米左右 ,车上的导向电磁铁对轨道侧面产生侧向吸力以导向车辆 。该类 型悬浮的优点在于无论处于何种速度或停车 ,均能 保持车体悬浮状态 ,不需要辅助轮 。但其悬浮和导 向需要主动控制 。日本的 MLU 型系列磁悬浮列车属于电动悬浮型 ( Electro dynamic suspension 简称 EDS) ,其悬浮原理 如图 2 所示 ,该悬浮方式为侧壁零磁通悬浮式 。磁1引言由于高速磁悬浮列车具有快捷 、安全 、噪音小等 优点 ,世界很多国家都在进行高速磁悬浮列车的研究1。我国的高速磁悬浮列车技术也取得了重大进展 ,以引进德国技术为主的上海浦东机场至地铁 2号线龙阳路站全长 30 公里的高速磁悬浮列车示范 运营线 ,已进入全面调试阶段 , 达到了 430 公里小 时的高速度 ,很快将投入商业运营 。从世界范围来看 , 德国经过三十多 年 的 努 力 , Transrapid 常导磁悬浮列车技术 ,经过长期试验线试验的考验 ,为实际运营奠定了良好基础 ;日本是另一 个努力发展高速磁悬浮列车技术的国家 ,采用超导 电动式方案 , 载人运行速度已达 550 公里小时 , 悬 浮间隙达 10 厘米 ,因而适应性更强 ; 鉴于德国 Tran2 srapid 悬浮间隙小 、采用机械道岔等缺点 ,美国现有三个小组在积极进行新方案的研究 ,其中采用永久 磁体的 Magplane 方案引起了各国学者的 关 注 。以 下分别从原理 、车辆 、轨道 、道岔等方面对上述三种 方案进行比较和分析 。2原理比较磁悬浮列车受电磁力或电动力的作用 ,可以产收稿日期 :2003210227基金项目 :国家 863“十五”攻关资助项目 (高速磁悬浮交通技术重大专项)作者简介 :张瑞华 (19752) ,女 ,陕西籍 ,博士研究生 ,研究方向为高速磁悬浮列车供电系统 ;严陆光 (19352) ,男 ,浙江籍 ,中国科学院院士 ,乌克兰科学院外籍院士 ,第三世界科学院院士 ,电工学家 。磁悬浮型 (permanent magnetic suspension 简称 PMS) 。Magplane 的悬浮磁铁和驱动磁铁皆为永磁体 , 间隙 可达 515cm 。如图 3 所示 , 在悬浮和导向上使用了 20 毫米厚的弧形铝板轨道 ,这种结构具有高速转弯的优点 。这种方案需要加辅助轮 ,为了安全起见 , Magplane 的设 计 者 计 划 在 行 驶 的 全 程 不 收 回 辅 助 轮 ,而是将其固定在列车下面 。整个列车技术相对简单 。图 1 德国 Transrapid 悬浮原理示意图Fig. 1 Levitation principle of German Transrapid图 2 日本 MLU 悬浮和导向原理示意图Fig. 2 Levitation and guide principle of J apan MLU图 3 美国 Magplane 原理图Fig. 3 Levitation principle of American Magplane浮车在静止或低速运行时不能起浮 ,靠类似飞机的橡皮轮支撑 , 此时 , 车载低温超导磁体的中心线 0v- 0v 与轨道侧壁“8”字形短路线圈中心线 0g - 0g 重 合 “, 8”字形短路线圈中上下半部线圈交链的磁通相 互抵消为零 ,因此在“8”字形短路线圈中无感生电流 和悬浮力产生 。当列车运行达到一定速度收起支撑 轮时 ,车载低温超导磁体下沉 ,低温超导磁体中心线0v - 0v 偏离“8”字 形 短 路 线 圈 中 心 线 0g - 0g , 因 而 “8”字形短路线圈中上半部线圈交链的磁通减少 ,下半部交链的磁通增大 。由楞次定律可知 ,上半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向 相同 ,下半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相反 。同极相斥产生的推力会形成 一个向上的分力 ,异极相吸产生的吸引力也会形成一个向上的分力 ,一推一拉形成磁浮车的悬浮力2 。列车运行速度越快 ,感应的磁场越强 ,悬浮力越大 , 直到把列车浮起来 。起浮速度约为 100150 公里 小时 。系统推进与 TR 系统相近 , 直线电机初级线 圈分布在 U 型槽侧壁上 ,励磁磁极则为车载超导体 磁体 。车上发电也与 TR 系统类似 。悬浮和导向不 需要主动控制 , 在高速时可将车体悬浮 10 15cm , 最大为 30cm 。适 用 于 高 速 行 车 , 需 要 低 温 超 导 技 术 ,技术难度较大 。美国的 Magplane 方案其实有两种形式 ,一种为 超导型 ,另一种为永磁型 ,均为电动推斥式 ,目前美 国正在积极推进应用的是永磁 Magplane , 它属于永Magplane 高速磁悬浮列车系统与其它磁悬浮列车系统相比 ,有许多的创新之处 ,最显著的特点就是 永磁悬浮 、电磁道岔 、自稳定的控制系统等 ,以下分 别介绍这几个创新点 。Magplane 方案采用永磁方案 , 永磁体的使用比 起超导悬浮列车更经济 ,不存在一套精密的制冷系 统 ,简化了磁悬浮列车系统 ,同时不会出现日本超导 高速磁悬浮列车 MLU 在试验时曾出现的超导体失 超而引发的事故 ,使得磁悬浮系统可靠性大大提高 ,同时也使得原理更简单 ,建造更方便 。 对磁悬浮系统来说有一个震荡的过程 ,从安全角度 ,系统不需要防止与地面碰撞 。而对旅客来说 , 存在振动则会感觉不舒服 ,为阻尼这些振荡 ,磁铁不 是粘在列车上 ,而是有一个可以运动的装置 。磁铁在列车底部运动 ,可吸收掉能量以阻尼振荡 ,这个可 以运动的范围大约 2cm ,频率大约是 1 周 。磁铁在 车体下面只是径向运动 ,因为磁铁下面有一个稳定 机构 ,不能上下运动 ,列车动起来后 ,所有的磁块都 在不断地运动 。速度更高时 ,有象飞机一样的稳定翼 ,振动幅度 1cm 左右 , 用空气动力学原理来控制 列车系统的晃动 。列车在拐弯时允许倾斜 10,这样列车在通过半 径为 2 公里的曲线时 ,仍可保证 360 公里小时的速 度 ,而且乘客感觉和坐飞机一样舒适 ,该方案目前还在设计与改进过程中 。和传统的列车自动控制系统不同 ,Magplane 的控制系统除检测列车的位置外 ,还要检测列车的姿 态 。根据这些信号由控制系统处理后发出控制信号控制磁块 。而实现悬浮 。车体上除了紧急备用电池以外 ,没有其它电源 。所有推进的功率和车上用电都是由轨道 上的线圈提供的 。车上仅带有感应绕组以获得车厢用电以及列车的控制 。该方案目前还在设计与改进过程中 。3 车辆比较高速磁悬浮车辆 ,由于是超高速运行 ,所以减小 空气阻力是特别重要的 ,为此各种方案的高速磁悬 浮列车都在追求理想的车头形状 、中间部形状 ,缩小 车体截面 ,以及使车体 、机器设备彻底轻量化 。故几 种车辆存在较多相同的地方 ,例如都采用空气动力 学设计 ,都为全封闭式等 。德国的 Transrapid 列车 ,为了跟踪轨道 ,电磁铁 沿着车辆的长度形成链型排列相互搭接 。TR08 车 厢为铝材轻型弹性结构 ,流线型外形设计 。端车长27 . 5 米 、宽 3 . 7 米 、高 4 . 66 米 ( 含天线) ; 中间车长24 . 5 米 、宽 4 . 16 米 。车内净宽 3 . 43 米 、净高 2 . 28 米 。每节车包含 4 个悬浮架 。悬浮架由 4 个悬浮框 及相应的横梁和纵梁组成 。每个悬浮架有两个臂从 外面抱住导轨 ,这种结构可保证列车不会脱轨 。车 体采用阻燃材料 , 无可燃物 。即使意外着火 , 其舱 门 、车厢门及电气线路耐火至少 30 分钟 。日本的 MLU 型列车根据模型的风洞试验 ,车头 形状采用“双尖交角形”或“航空楔形”两种形状 ,车 体结构为铝合金制薄板半硬壳结构 。融合了飞机与 铁道车辆技术 ,获得了大幅度轻量化 ,车身重量比德 国常导列车轻 ,车宽 2 . 9 米 ,高 3 . 28 米 。车体 、转向 架是按铁道结构规程要求 ,采用耐燃 、不燃材料 ,并 设有能够早期发现和处理火灾的温度传感器和烟雾 检测装置 ,并在转向架部位设置自动灭火装置 ,以提 高安全性 。车上装有制动装置 ,组合地面的电阻制 动 、线圈短路制动及车上制动作为加强制动 ,这种车 上制动装置 ,具有能在 550 千米小时的速度下停车 的能力 。Magplane 的 车 体 像 一 个 中 等 的 喷 气 式 飞 机 大 小 ,并排有 5 个座位 。为防止列车振动引起乘客的 不舒服 ,而采用了相应的阻尼振动的方式 ,磁铁在车 辆的下面可以运动 ,以吸收掉能量 ,速度更高时 ,采 用像飞 机 一 样 的 稳 定 翼 , 列 车 在 拐 弯 时 允 许 倾 斜10,这样列车在通过半径为 2 公里的曲线时 , 仍可 保证 360 公里小时的速度 ,而且乘客感觉和坐飞机 一样舒适 。它采用独立无源车辆 ,车辆运动时 ,车上 的永久磁体在圆弧型铝板导轨内产生感应电流 ,从4 轨道比较高速磁悬浮列车的轨道线路不仅是载重体 ,而且还是用于驱动的直线电机主要部分的载体 ,同时 又兼有悬浮与导向等四大功能 。尽管轨道所起的作 用是基本相同的 ,由于各国方案不同的结构特点 ,轨 道形状相差很大 。德国方案为 T 型轨道 ,单线或复线的磁悬浮高 速铁路由每段 25 米或 50 米长的钢结构或混凝土支 承梁构成 。支承梁可设在地面或高架上 ,也可设在 桥上或隧道中 。轨道主要由两个相关的部分组成 : 主支承梁和两侧的悬臂梁 ,悬臂梁将局部的悬浮 、推 进和导向力传给主支承梁 ,长定子铁芯及线圈 、导向 元件等都固定在悬臂梁上 。车辆包在线路外面的防 脱轨系统对线路上部边缘以下的建筑接近界限有一 定的要求 ,因此线路支承梁必须有一定的高度 ,支承 梁在支座间应处于不受预应力的状态 。由于悬浮间 隙很小 ,要求轨道有很好的刚性从而保证在温度变 化和受到冲击力时不变形 。日本混凝土结构的线路断面呈 U 字形 ,在侧壁 内侧安装用于悬浮和导向的 8 字形线圈及用于牵引的直线电机线圈 ,由于线路呈 U 形 ,列车运行时 ,辐射噪声较低 ,由于应用超导 ,轨道不需要铁芯 ,仅为 空气芯铝线圈 。美国 Magplane 方案的轨 道 横 截 面 为 近 似 的 弧 形 ,半径为 2 . 1 米 ,轨道 4 . 5 米宽 。轨道被分为 3 部分 ,如图 3 所示 ,左右两侧为用于悬浮的铝板 ,大约2cm 厚 ,160cm 宽 , 悬 浮 力 是 通 过 列 车 上 磁 铁 的 运 动 ,在铝板里感应电流而产生 。中间为推进绕组 ,作 为直线电机的定子绕组 ,车载磁体为永磁铁 。由于 悬浮气隙较大 ,轨道的精度要求较低 。轨道采用整体高架结构 ,在必要的地方采用大跨度 ,用钢筋或水 泥加固 。在轨道设计中考虑了在任意位置的突然停 车和重新起动 。由于悬浮气隙较大 ,铝板导轨重量 轻 ,故轨道的加工精度要求较低 ,可以大幅度降低导 轨的造价 。5 道岔比较随着磁浮铁道交通系统的发展 ,需要车辆运行的道岔 。磁浮列车的道岔要比轮轨铁路结构复杂 ,还有待于进一步的改进 。其中 ,日本和德国磁浮高 速线路道岔的构造实质为同一模式 ,均为机械移动 式 ,鉴于机械道岔的缺点 , 美国 Magplane 方案正在积极研究新的道岔形式 ,拟采用电磁道岔 。 德国磁悬浮铁路系统的道岔基本构造为在正线分岔处设一段可弯曲的钢梁 ,定位于正线 。要开通 侧线时 ,以液压传动或机电驱动将钢梁逐孔推移 ,使 之横向弯曲成为一座曲线道岔梁桥 ,与侧线衔接并 锁定 ,此时列车可通向侧线 ,但正线成为断开 ,不能 再走行通过车辆 。采用的是钢结构可弯曲连续梁结 构 ,采用机电驱动或液压驱动的方式 , 道岔由 75 150m 长 、连续的钢结构梁构成 ,各支点上设置数台 横向同步液压千斤顶 ,通过自控系统遥控操纵将梁 顶弯成设计的曲线以实现侧向过渡 。在德国柏林 汉堡线的设计中已设计了高速道岔 、低速道岔 、双 岔 、三岔 、车库道岔以及停车台等 ,其中有些已在实验线试验运行 。日本的山梨实验线正在分别研究 3 种方式道岔 的性能 :电动移车台方式 、液压移车台方式 、侧壁移 动方式 。其中 ,电动移车台方式和液压移车台方式 的道岔 ,正线部分也能超高速悬浮走行 ,其原理是移 动 U 型桁架 。该方式可靠性高 ,但需要一套复杂的 控制系统 ,以便能在短时间内将庞大的装置和数个 桁架移走 。驱动方式有电动和液压两种方式 。电动 方式已应用于独轨铁路 。液压方式则在宫崎实验线 上得到了验证 。对于侧壁移动方式 ,移动的是侧壁 而不是桁架 ,和移车台方式相比较为简单经济 。但 由于存在侧壁强度的问题 ,正线和侧线均无法高速 悬浮走行 ,因而只能用于终点站 。美国的永磁磁悬浮列车拟采用电磁道岔 ,免去 笨重复杂的机械道岔 ,不仅使得换线变得简单可靠 , 而且还可以降低线路和车站的建设费用 。如图 4 所 示 ,它的工作原理是 : 导轨的两边被逐渐分开 ,直到 两侧之间的距离大到两个平行导轨宽 ,一个是正线 , 一条是侧线 。在导轨完全分为两条之前 ,列车必须 运行一个道岔的区间 ,这时总有一边的导轨壁是不 完整的 ,道岔上的磁性材料必须能够提供稳定的悬 浮并且确保列车在任何可能的转弯半径情况下靠着 一边壁行走 , 直行的列车通过道岔时可以不减速 。 这种电磁道岔能保证磁悬浮车可以频繁地在中间车 站进入或离开正线 。图 4 Magplane 道岔示意图Fig. 4 Switching principle of American Magplane6 救援措施比较磁悬浮列车超高速运行 ,确保列车的运行稳定 性是特别重要的 ,由于采用了防火设计 、高可靠度设 计等措施 , 整体而言 , 磁悬浮列车是比较安全可靠 的 。磁浮列车的安全性来自两个方面 : 一是磁浮列 车与轨道的一体化结构 ,即常导磁浮列车从外侧抱 住导轨 ,超导磁浮列车在 U 型导向槽内运行 , 因而 排除了列车脱轨的可能 ; 二是磁浮列车的动力在轨 道上 ,而每一段轨道只能有一列磁浮车运行 ,从而排 除了列车追尾或撞车的可能 。德国的 Transrapid 列车从外侧将导轨抱住 ,车厢 较宽 ,但外侧悬空 。在紧急情况下 ,列车必须运行到 救援点才能停车并疏散旅客 ,因此每隔一定的距离 要建一个救援点 ,救援点每隔十到几十公里一个 ,视 线路具体情况而定 。TR 磁浮列车的运行速度是预 先计划好的 ,且规定了每两个救援点之间的最高和 最低运行速度 ,列车不允许在该速度范围之外运行 。 当出现紧急情况时 ,列车靠车载电源和自身的惯性 可安全滑行到下一个救援点 。万一列车停在救援点 之间 ,旅客需使用紧急扶梯或逃生软管疏散 。日本的超导磁悬浮列车在 U 型导向槽内运行 , 不会发生类似于高速铁路因轨道和轮子的不规则性 引起轮子振动加剧的蛇行运动 ,以致造成列车脱轨事故 。由于列车非悬空 ,超导磁悬浮列车在任何位 置都可以紧急停车并疏散旅客 ,但其超导磁场是发 散的 ,需要防护系统 。美国的 Magplane 尚在设计中 ,关于安全救护措 施的考虑尚不具体 。术角度来看 ,德国方案较为成熟 ,己接近实用 。本文对这三国方案的比较分析结果对我国磁悬浮列车技 术的发展和磁浮铁路选型决策均具有一定的参考价值 。参考文献 ( References) :7 经济性比较磁悬浮列车技术还包括其它很多方面 ,甚至各 个方案之间的经济比较也是我们必须考虑的问题 , 由于世界上还没有一条高速磁悬浮列车的商业运营 线 ,只有几条实验线路 ,故造价问题还有很多不确定 的因素 ,由我国上海磁悬浮示范运营线的建设可以 看出 ,线路单位造价还会因线路长短 、国产化程度等 因素而变动 ,故目前还很难做出哪种方案最经济的 判断 。但对各种资料进行初步分析显示 ,3 种方案 在造价上还有较大的差别 。与德国的常导磁悬浮列车相比 ,日本的超导方 案由于要采用液氦对超导线圈制冷 ,低温超导体和 制冷设备的耗费较大 ,故多数专家认为日本方案的 造价要高些 ,但部分专家认为 ,超导磁浮列车在构成 方案上 ,以及今后采用高温超导磁体上尚有发展余 地 ,可能在以后发展中达到更好特性和更低造价的 结果 。比较而言 ,美国的 Magplane 方案采用了一些折 中的办法可使造价降低 。但由于板内涡流大一些 , 故损耗高一些 ,效率低一些 ,电消耗略大 。设计者认 为 :对一条线路来说 ,电的价格不是主要的 ,最主要 的是要降低造价 ,而不是用电量 。1严陆光 ,徐善纲 ,孙广生 ,等 ( Yan Luguang , Xu Shangang ,et al . ) . 高速磁悬浮列车的战略进展与我国的发展战略( Strategic progress of high2speed maglev and the developmentstrategy in China) J .电 工 电 能 新 技 术 ( Adv. Tech. ofElec . Eng. & Energy) , 2002 , 21 (4) : 1212.严陆光 ,徐善纲 ,孙广生 ,等 ( Yan Luguang , Xu Shangang , et al . ) . 高速磁悬浮列车的战略进展与我国的发展战略 (下) ( Strategic progress of high2speed maglev and the develop22ment strategy in China ( II) ) J .电工电能新技术 (Adv.Tech. of Elec . Eng. & Energy) , 2003 , 22 (1) : 128.张永 ( Zhang Yong) . 高温超导磁悬浮车悬浮导向及驱动 的研究 ( Study of levitation and guidance of Maglev) D . 北 京 : 中国科学院电工研究所 (Beijing : IEE CAS) , 1999. 刘华清 (Liu Huaqing) 译 . 德国磁悬浮列车 (Maglev train of Germany2Transrapid) M . 成都 : 电子科技大学出版社( Chengdu : Xinan Univ. of S & T Press) , 1995.池田 ,春男 (日) . 日本磁悬浮铁路 山梨实验线 (Magnet2ic levitated railway in J apan Yamanashi experimental track) J . 国外铁道车辆 ( Foreign Railing Stock) , 2000 , 37 (4) :28230.武瑛 ,严陆光 ,黄常纲 ,等 ( Wu Ying , Yan Luguang , Huang Changgang , et al . ) . 新型无接触电能传输系统的性能分 析 ( Performance analysis of new contactless electrical energy transmission system) J . 电工电能新技术 (Adv. Tech. ofElec . Eng. & Energy) , 2003 , 22 (4) : 10213.34568 结论世界上很多国家都在进