磁浮高铁系统：从常导电到电磁悬浮的发展

常导电磁悬浮型（Electro Magnetic Suspension，EMS）系统，也叫电磁悬浮系统。电磁悬浮系统，是种电磁吸引式的主动控制型悬浮系统。这种磁浮高铁技术一般采用“车抱轨”的T字形轨道设计方案，让车辆“环抱”运行轨道行驶。其中由磁浮列车上的常导电流产生电磁吸引力，通过吸引轨道下方导磁体使列车获得足以抵抗自身重力的升力。在成功实现列车悬浮之后，由直线电动机驱动列车，实现列车的悬浮行驶功能，如图3.14所示。

图3.14　常导电磁式磁浮列车

1．基本原理

常导电磁悬浮高铁系统的基本原理主要包括列车悬浮原理、列车驱动原理、列车导向原理等。

原理一：列车悬浮原理　常导电磁吸引式磁悬浮是一种依靠电磁力的主动控制悬浮方式。常导电磁悬浮列车通过常导电流控制磁浮列车下部的常导电磁铁，从而形成磁浮列车下方与行驶轨道底部导磁体之间的电磁吸引力，并以此为列车向上的升力，用于抵抗磁浮列车自身的重力并最终实现列车的悬浮状态。常导电磁悬浮列车一般通过一个精确快速的自动闭环控制系统对常导励磁电流进行实时的反馈控制，从而保证列车与轨道之间的悬浮间隙稳定且可靠。常导电磁悬浮型列车悬浮与间隙调节系统的结构，如图3.15所示。

图3.15　常导磁浮列车磁间隙调节系统

原理二：列车驱动原理　在列车的驱动牵引方面，常导电磁悬浮列车一般采用长定子直线同步电机作为牵引装置。长定子直线电机既设有初级线圈，也设有次级线圈，并且初级线圈和次级线圈的磁场同步运行。长定子直线电机的定子一般设置在导轨上，由于其定子绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称其为“长定子”。常导磁浮列车一般采用导轨驱动技术，其运行速度和运行工况由地面控制中心直接控制。地面控制中心可以通过对定子（初级线圈、导轨侧）磁场移动速度的控制，实现对磁浮列车运行速度的精确把控，如图3.16所示。

图3.16　常导磁浮列车运行驱动原理

原理三：列车导向原理　高速常导电磁悬浮型列车在工作时，首先要调整车辆下部的悬浮与导向电磁铁的电磁排斥力，使其与地面轨道两侧上的线圈绕组产生电磁反作用力，从而将列车悬浮起来。在高速常导磁悬浮列车的行驶过程中，磁浮列车利用其车身下部的导向电磁铁与轨道侧边磁铁之间的反作用力，实现磁浮列车车身与导轨之间的侧向距离稳定。高速常导磁浮列车通过调节导向线圈与导向导轨之间的电磁作用力，实现其在高速运行过程中水平方向和垂直方向上的无接触支撑和无接触导向，如图3.17所示。

图3.17　高速常导磁浮列车悬浮导向原理

在磁浮高铁系统中，不同于高速磁浮列车的运行导向设计方案，基于常导电磁悬浮技术的磁浮列车一般不利用导向线圈对车体的行驶方向进行控制，而是利用抬起车身的悬浮磁吸力的侧向分力来实现磁浮列车的导向运行。以日本中低速常导电磁悬浮列车为例，其悬浮、驱动以及导向系统的设计原理，图3.18所示。

图3.18　日本中低速常导电磁悬浮列车系统结构(www.xing528.com)

2．属性特征

在磁浮高铁系统中，常导电磁悬浮列车具有巨大的市场应用价值，发展前景广阔。然而传统电磁悬浮系统由于采用常导线圈，导线自身的电阻及有限的通流能力导致其在运行中会产生大量的能量损耗，限制了悬浮气隙的进一步增大。德国TR磁浮列车以及中低速磁浮列车通常采用常导电磁悬浮系统，它具有结构简单、可靠性高、技术成熟、静止悬浮能力强、调速范围广等优点。

3．技术优点

在磁浮高铁系统中，常导电磁悬浮型系统的优点较多。

优点一：常导电磁悬浮型系统的噪声低、环保性好。由于列车在运行时没有轮轨的摩擦和震动，因此列车的噪声污染很小。常导电磁悬浮型系统不但没有机械磨损，而且没有电磁辐射污染以及废气污染。

优点二：常导电磁悬浮型系统的线路适应性强。爬坡能力强，转弯半径小，因此中低速磁浮用于城市轨道交通，可适应多弯、复杂的线路，绕过建筑物。

优点三：常导电磁悬浮型系统的乘坐平稳舒适。常导电磁悬浮型系统由于列车处于悬浮状态，与轨道无直接接触，振动小，运行平稳、乘坐舒适。

优点四：常导电磁悬浮型系统的运行安全可靠。常导电磁悬浮型系统是抱轨结构，所以不会发生脱轨的意外，安全可靠性高；采用电制动、机械制动、落车辅助制动等三重制动方式，有充分的安全保障。

优点五：常导电磁悬浮型系统的建设、维护成本低。转弯半径小、爬坡能力强，占地面积相应减少，降低工程综合成本；车体采用铝合金材质，质量较轻，且车辆振动小、承载均匀，因此桥梁和基础工程造价低；车辆运行时与轨道无接触，降低了维修成本。

优点六：常导电磁悬浮型系统的运营效益好。常导电磁悬浮型系统运输效率高，每小时可达3万人次；无机械磨损，使用寿命长；维修和管理人员少，提高运营效益；车辆自带动力，可根据客流灵活编组，达到节能效果。

4．存在不足

常导磁浮列车利用列车上的电磁铁和导磁轨道的吸引力实现悬浮，列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮间隙，由直线电机来牵引列车行走。这样一方面电磁悬浮式列车悬浮气隙较小，一般为8～10 mm，列车和轨道间相对状态不稳定，难于控制；另一方面，不需要辅助推进系统和导轮，静止时可以悬浮，带来了不确定性。

5．应用情况

在高速磁浮列车的实际应用方面，常导电磁悬浮型的典型代表不仅有德国的Transrapid型磁悬浮列车，还包括我国上海的磁浮运营线以及我国目前正在研发的高速磁浮项目；在中低速磁浮列车的应用方面，常导电磁悬浮型列车凭借其“转弯半径小、爬坡能力强、不易脱轨”等优点也有着广泛的应用，包括我国的长沙磁浮快线、北京磁浮S1线，以及美国的中低速磁悬浮列车。德国Transrapid型常导电磁悬浮型列车，如图3.19。

图3.19　德国Transrapid型常导电磁悬浮列车