磁悬浮的应用

磁悬浮的应用2023年国内磁悬浮轨道列车话题已成为炙热点，世界首创“红轨”问世，广东首条磁悬浮轨道列车，投资104亿，全长38公里，整整盼了5年，据说马上差不多完工了，等等爆炸新闻在网上疯转。我先给大家普及一下现阶段应用的磁悬浮列车技术：现阶段磁浮列车是一种利用磁场的“吸或斥力”实现非接触支撑、导向，并利用直线电机推进的轨道列车。上世纪六十年代初，日本、德国为探索未来地面大运量高速交通方式，同时对轮轨、磁浮两种技术路线开展研究。轮轨技术路线：1964年日本开通世界第1条轮轨高铁，19年后法国开通了世界第2条轮轨高铁(1983)、27年后德国成为第3个开通轮轨高铁的国家(1991)，至2007年世界轮轨高铁总里程约1.2万公里。2008年中国首条轮轨高铁的开通标志着轮轨高铁进入了暴发式增长期，至2020年7月底中国轮轨高铁里程达3.6万公里，占世界高铁里程的近70%。磁浮技术路线：2004年中国基于德国技术开通世界第1条高速磁浮，日本拟于2027年开通世界第2条高速磁浮;2005年日本开通世界第1条中低速磁浮，2016年韩国开通世界第2条中低速磁浮，2016、2017年中国相继开通了2条中低速磁浮。相比轮轨，磁浮交通显现发展慢、应用少的艰难历程。一方面原因是磁浮交通发展时间相比轮轨少了约150年，另一方面也与各国国情有关(日、欧地域有限且已有完善铁路网;美国以航空和汽车立国)。但轮轨方式客观上速度域有限(400km/h以下)、对环境振动噪声影响大(如地铁和市域铁路)，而这些限制都可通过磁浮交通来突破，因此磁浮交通代表了未来技术方向，其研究及应用探索一直受到德国、日本和美国等科技发达国家的重视。我国疆域辽阔、城乡发展不平衡，发展以磁浮为表征的新时代轨道交通是继轮轨之后轨道交通为满足“人民日益增长的美好生活需要”的努力方向，尤其是针对市域轨道交通短板，磁浮有望引发一轮暴发式发展。现阶段3种悬浮方式的基本原理和特点磁浮列车分为电磁悬浮(EMS)、电动悬浮(EDS)和高温超导悬浮(HTS)三种不同的原理。目前实现商业运营的磁浮列车均为电磁悬浮式，分别是上海高速磁浮、以及中日韩中低速磁浮。西南交大、成都新筑股份采用电磁悬浮方式运用于市域磁浮(时速160—200km/h)，均研制有工程样车，西南交大还将高温超导悬浮方式用于轨道交通，在这两个方面四川技术均达到世界领先水平。(一)电磁悬浮(EMS，ElectroMagneticSuspension)电磁悬浮利用通电导体产生磁场，磁场吸力将车辆吸起，通过主动控制保持8—12mm的悬浮间隙。电磁悬浮方式的列车会引起梁的振动，而梁的振动又影响悬浮间隙，两者间的相互影响如果不能收敛，就不能稳定悬浮。实现可靠悬浮的主要措施目前还是靠大刚度和大重量的轨道梁，西南交大提出的创新技术能有效地抑制这种振动，进一步提高了系统的可靠性，有利于降低建设成本，具有良好的发展前景。(二)电动悬浮(EDS，ElectroDynamicSuspension)电动悬浮具有车载强磁场和很高运动速度(>400km/h)等典型特征。原理是“车上的强磁场”相对轨道的运动速度足够大时，轨道上会感应出磁场，利用两个磁场间的斥力实现列车悬浮。日本用低温超导磁体获得车载强磁场，美国磁飞机方案和马斯克的真空管道磁浮小车用永磁体获得车载强磁场(比超导磁体的磁场要弱得多)，达到起浮速度前列车仍需要依靠车轮运行。电动悬浮低速段磁阻力非常大，运用速度不应低于400km/h，否则极不经济。车载强磁场以及利用磁力进行导向的技术有一定难度。该方式的列车有望于2027年投入运用(505km/h)。(三)高温超导悬浮(HTS，HighTemperatureSuperconductingsuspension)将高温超导悬浮原理用于轨道交通是西南交大原创技术，中国、巴西、德国都研制了相似的试验小车。西南交大还将列车与真空管道相结合建立了环形实验线。该方式的原理是在“轨道磁场”中冷却“高温超导体”产生独有的物理特性把材料固定在冷却位置(“场冷高度”)。如果偏离该位置就有磁场变化，并感应出阻碍这种变化的超导强电流，使列车实现悬浮和导向。所以高温超导悬浮既不是吸力式悬浮也不是斥力式悬浮，而是“又吸又斥式悬浮”，悬浮高度约10—15mm。关键技术是提升悬浮承载能力(轨道磁场越强越好，冷却温度越低越好)、合理确定“场冷高度”以兼顾悬浮和导向。现阶段磁浮与轮轨的特点对比(一)传统轮轨的优势与挑战轮轨交通经历200多年发展，在高速、重载和城市轨道交通中发挥着不可替代的重要作用，具有成熟、经济、适用、可靠、绿色的显著优势。我国轮轨技术已居世界先进水平，高铁速度达到350km/h，高铁里程已达到3.6万km;重载货运形成了25t轴重和30t轴重技术体系；中国内地城市轨道交通日均客运量超6千万人次，总里程约8300km。但轮轨交通也面临以下挑战：一是实现400km/h左右的速度对环境振动噪声影响突出，运维成本高;二是都市圈、城市群内减少换乘、有机联通还不是很理想(市域轮轨相对薄弱)。(二)磁浮交通的优势与不足磁浮交通是非接触运行，列车重量均匀施加于线路，产生的振动冲击小，这些特点都意味着系统的运用维护成本很低。例如电磁悬浮式交通的运用维护成本约为轮轨交通的1/3。列车的加速能力、爬坡能力、弯道能力、速度能力都强于轮轨。但磁浮交通的不足也是显而易见的，一是线路基本结构缺乏通用性(例如上海高速磁浮与长沙中低速磁浮的线路结构不同，新筑引进的内嵌式磁浮列车与西南交大的市域磁浮列车速度等级相同但线路结构不同)；二是还未实现规模化运用，没有形成主流技术趋势。(三)磁浮与轮轨具有互补性磁浮、轮轨是综合交通中的不同方式，发展磁浮可以与轮轨互补，为社会提供更好的综合交通。高速磁浮将轨道交通的速度由400km/h拓展到600km/h(不考虑采用真空管道的情况下);市域磁浮(160—200km/h)可为都市圈、城市群内轨道交通提供单一制式的解决方案，轮轨方式则需要城际(160—200km/h)、市域(140—160km/h)、地铁/轻轨/单轨(60—120km/h)、有轨电车(60km/h)等多种制式组合完成；市域磁浮还为众多中小城镇轨道交通提供了解决方案，而面向中小城镇运用的线路长度、站间距、速度、坡道和弯道的差异很大，轮轨选型困难；磁浮对环境振动噪声影响小，可为精密测量、文物保护等敏感地区提供轨道解决方案。(四)磁浮列车的电磁辐射与能耗等问题电磁辐射普遍存在于日常生活中，如地铁、高铁、手机、通讯基站、家用电器等，电磁辐射不改变生物组织结构，但确实会产生影响，因此对电磁暴露水平制定有相关的规定。因为悬浮要靠磁力，所以公众对磁浮列车的电磁辐射尤其担忧。电磁悬浮的磁场(磁力线)是闭合的，其电磁暴露水平很安全，高速磁浮列车的电磁暴露水平与高速轮轨列车相当(但速度要高得多)，中低速磁浮(100km/h)的乘客暴露水平相当低，中科院电工所专题研究得到的结论为：“中低速磁浮是一种电磁环境友好的城市轨道交通系统”。市域磁浮(160—200km/h)与中低速磁浮技术路线相同，电磁暴露水平相近。高速磁浮节能减排优于轮轨;中低速磁浮(100km/h)牵引能耗比采用旋转电机的轻轨列车高，由于适合高架建设，环控与照明能耗略低于轻轨，坡道及弯道展线更短，维护成本低。深圳轨道交通8号线前期能耗研究结论：“中低速磁浮交通方案与地铁B型车方案相比，全年综合能耗基本相当”;市域磁浮(160—200km/h)按中低速磁浮的推算优于轮轨。电磁悬浮技术成熟但发展慢、规模小的原因在概况中已有介绍，除此之外，高速磁浮在国内的推广还受技术自主化和建设成本的制约，中低速磁浮在国内的发展则受到系统本身综合竞争力偏弱的影响。西南交大的磁浮研究针对发展瓶颈取得了突破性进展，将中低速磁浮提升为市域磁浮，打开了发展空间。磁浮交通与国家战略党的十八大以来，我国围绕经济社会发展发布了一系列发展战略，轨道交通始终是相关发展战略中的重要内容，谋划新时代轨道交通满足人民日益增长的美好生活需要受到党中央高度重视。中国工程院、科学院相继开展了5项磁浮交通相关战略研究(涉及中低速、高速磁浮交通及产业发展、超高速磁浮、管道磁浮、大湾区磁浮)，科技部同时设立了2项重点研发计划开展时速600km/h、200km/h磁浮关键技术研究，这说明继轮轨之后磁浮是新时代轨道交通创新发展的技术方向。(一)城镇化、都市圈与城市群轨道交通《国家新型城镇化规划(2014-2020年)》《培育发展现代化都市圈的指导意见》和4个主要城市群(京津冀、粤港澳、大湾区、长三角区域、成渝地区双城经济圈)《规划纲要》的发布，为城镇化、都市圈与城市群轨道交通发展提供了指导。2013年新型城镇化战略实施以来，中国内地城市轨道交通总里程预计在2020年底达到8298km，比2013年增长2倍(含2条新增磁浮线)，相比规模，形成以1小时通勤圈为基本范围的城镇化空间形态、提升城市群轨道交通水平还差得很远，其中160—200km/h的轨道交通是关键。在这个速度域轮轨目前有“绿巨人”“和谐号”动车组，动车组方式主要是点到点，沿线带动效果有限，运营、装备、工程等对区域经济贡献度较小。依靠轮轨的同时，推动市域磁浮(160—200km/h)应用，实现城市群内单一制式一轨联通，使市域磁浮成为打造“轨道上的城市群”的利器。(二)交通强国与轨道装备为加快制造业三个转变，提升核心竞争力，国家相继发布了《中国制造2025》《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》《交通强国建设纲要》。对新时代轨道交通出行、科技创新和装备制造作出了战略谋划。磁悬浮技术的未来：磁悬浮本身是一种技术，而非一种产品。需要找到合适的产业化落地场景，为传统行业赋能，才能体现出这种技术的价值。合适的落地场景有两类：第一类，经济性合适。例如鼓风机、压缩机等应用场景，随着低端磁悬浮轴承的成本下降，以及能源成本、人工成本等的上升，使用磁悬浮设备的回收周期逐渐变得可以接受，客户可以从中得到实在的经济价值。又例如磁悬浮输送线，当其为客户提高的生产效率足以弥补客户为其多付的价钱时，客户也可从中得到经济价值。第二类，解决行业痛点，为客户减少风险。例如传统传送方式无法满足真空清洁车间对于洁净度的要求，又例如磁悬浮血泵可大大减少血融血栓发生的几率。此类场景，对于成本虽然也有要求，但只要痛点够痛，客户可以接受较为昂贵的成本。磁悬浮技术产业化主要的阻碍：第一是成本，第二是技术成熟度。成本：随着传感器、永磁材料、数字电路技术的不断发展，低端磁悬浮设备的成本逐渐下降，一些以前因为成本过高而无法落地的场景，近些年可能会出现机会。（如风电，目前来说无法落地，仅仅是因为成本过高）技术成熟度：目前来说，磁悬浮想要落地到某些场景，仍要突破关键技术，如磁悬浮输