磁悬浮列车综述

磁悬浮列车综述磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年HermannKemper先生就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV(MagneticallyLevitatedTrains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。什么是磁悬浮列车磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。磁悬浮列车的种类磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400～500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。德国的常导磁悬浮列车常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。日本的超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就象冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。目前存在的技术问题尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：(1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。(3)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。中国磁悬浮列车的研究状况目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过铁科院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。继1994年西南交大成功地进行了4个座位、自重4吨、悬浮高度为8毫米、时速为30公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为2米、长36米、设计时速为100公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。6吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。磁悬浮列车飞速驶来从1998年全国人代会宣布建设京沪高速铁路，到去年建国五十年成就展览会上展出我国自行设计的磁悬浮式列车模型，到今年初我国和德国公司就磁悬浮列车技术合作事宜签署意向书，再到7内业界和专家对磁悬浮技术是否适用于中国的激烈争论，这些原因使得“磁悬浮”技术成为今年国内最火爆的热点话题之一，其受媒体重视的程度丝毫不比现在风头正劲的“纳米”技术逊色。而最近一则似乎是众望所归的消息给磁悬浮热潮又增添了一把火。9月25日在沪举行的?5公里磁悬浮列车示范运营线的项目建议书，目前正在抓紧时机，进行可行性方案设计论证，计划在2003年建成这一全世界首条商业新技术线路。这一消息意味着，两年后上海的老百姓可以亲身感受“悬浮”的列车；同时，它也意味着，围绕中国高速铁路是采用轮轨技术还是磁悬浮技术而展开的激烈辩论和争执，可以暂停一段时间。磁悬浮技术到底成熟不成熟，可靠不可靠，先进不先进？这些问题随着上海磁悬浮项目的一步步深入实施，将被一一找到答案。我国为何要发展磁悬浮列车？磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时速可达到500公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低的优点，每个坐位的能耗仅为飞机的三分之一、汽车的70％。它运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少。采用高架方式，占用耕地很少。有关专家介绍说，日本的高速轮轨列车多年经营管理经验表明，时速250公里的新干线高速轮轨列车，在运输距离为800公里时，市场占有率最高，达70％；若距离继续增加，多数旅客则选择飞机，高速轮轨占有率急剧下降，距离为1200公里时，降至30％。这是因为在500?00公里距离内，高速轮轨铁路运行时间和飞机运行时间（含到机场和火车站时间）大致相当，因而可以和民航竞争。但是，我国幅员广大，不同于日、德和法等国，主要城市间距离为1500?000公里，在这种条件下，高速轮轨铁路在运行时间上将无法与飞机竞争，只有应用磁悬浮列车，将时速增至500公里/小时，才能建成我国大城市间有市场竞争力的地面交通干线网，以缓解大城市高速交通主要依赖航空所带来的经济、安全和环境等问题。特别是，我国目前还没有完整的高速公路系统，民航也处在发展阶段，可以发挥后发优势。另外，高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为传统工业进行结构调整和新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。因此，在部署21世纪我国有轨、公路和飞机交通系统时，发展磁悬浮列车是重要的战略选择。“磁派”“轮派”争论何时休？然而，伴随着磁悬浮列车问题的日渐升温，磁悬浮方案在国内也遇到了不小的反对声浪。力主轮轨高速铁路的专家指出：高速铁路已经是成熟的技术。而磁悬浮技术至今还不成熟。从1962年开始，日本建成山梨实验线，已经耗资2400亿元，许多技术问题未解决。美国60年代研究磁悬浮，1975年停止。世界上惟一投入商业运营的英国伯明翰低速磁悬浮列车，在620米的距离内运营8年之后，于1996年被取消。今年2月，德国宣布放弃修建筹备已久的柏林至汉堡的磁悬浮列车项目。迄今为止，世界上还没有一个国家建成商业运营的高速磁悬浮铁路。由此，这些专家认为，虽然这是中国实现技术跨越的好时机，但是采用轮轨方案的京沪高速铁路研究工作已经进行了近10年，并且铁道部已正式向国家提出立项申请。而磁悬浮作为介于航空和铁路之间的新型运输方式，速度赶不上飞机，运量远低于火车，成本却更昂贵，在技术成熟程度上还远不能与轮轨高速系统相比，中国不要贸然让磁悬浮列车驶向中国京沪高速铁路。京沪线位于我国东部经济发达地区。这条铁路已经超负荷运转，亟需一条高速的客运专线。京沪高速铁路的前期研究工作已经进行了近10年，数以千计的科技人员取得了200多项科技成果。98年全国人代会宣布建设京沪高速铁路后两年多时间过去了，这条铁路至今还没有上马。而在今年九届人大三次会议上，又有30多位代表联名提案，呼吁京沪铁路尽快立项上马。有鉴于此，有报道指出，这场争论不亚于当年是否修三峡大坝之争。更有媒体认为，是这场关于“磁悬浮与轮轨”的学术之争延误了该工程开工。实际上，不管磁悬浮列车和高速轮轨列车孰优孰劣，它们都是现代高技术的综合集成。凭心而论，这中间并不存在谁更先进，谁落后的定论。它们都是以不同的运行方式，实现同一个目标棗高速、快捷地点到点移动。磁悬浮列车实际上是轨道运输中的一种特殊形式，它与轮轨列车有着扯不断的血缘关系。轮轨列车的每一个阶段的技术进步，都为它注入了极大的活力。如果可以这样打比方的话，依据科技发展的历史来换算，轮轨列车犹如一位已达到成熟期的青年人，而磁悬浮列车还只是正在成长的少年。两兄弟相貌和性格不同，却是血脉相连的亲兄弟。因此，在这样一种背景下，尽快建设一条试验运营线便成为研究和选择适合我国的高速轨道交通方式的当务之急。通过该项目来带动国际合作，引进与消化国际先进技术与经验，逐步实现国产化与创新，掌握与积累设计、工程建设经验，为我国尽早建设长距离高速磁悬浮客运专线奠定坚实的技术基础提供开发试验基地，建立科技骨干队伍。中国科学院理论物理所研究员、中科院院士何祚庥谈到磁悬浮列车时，将上海建造磁悬浮列车看成是一个好的信号。