高铁磁浮技术：知识趣谈

磁浮铁路是一种新型的交通运输系统，主要是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁浮原理，以磁铁对抗地心引力，让车辆悬浮起来，然后利用电磁力引导，推动列车前行。即利用电磁系统产生的排斥力将车辆托起，使整个列车悬浮在导轨上，利用电磁力进行导向，利用直线电机将电能直接转换成推动列车前进。它消除了轮轨之间的接触，没有了轮轨之间的摩擦阻力，线路垂直负荷小、时速高、无污染、安全、可靠、舒适。但技术不成熟，其应用前景依然不如轮轨高铁。磁悬浮列车如图 2.17。

图2.17　磁悬浮列车

1.磁悬浮列车系统构成

磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。车辆是磁悬浮铁路的重要组成部分，是一种不与地面接触的运载工具，随着时代的发展和制式的不同要求，车辆也不断地更新。磁悬浮车辆的车体外形酷似一个甲壳虫，跨坐在轨道上。车辆主要由三部分构成，即：客室、操纵室和动力室。客室占的比重较大，内设若干排座椅。动力室中设有辅助动力装置、冷冻机空调器和冷却风扇等设备。此外还设有车辆转向架，在车辆未浮起或减速停车着地时的辅助支持车轮。

2.磁悬浮列车分类

悬浮系统可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。目前有三种典型的磁悬浮技术：第一种是德国发明的电磁悬浮技术，如上海磁悬浮列车；第二种是日本发明的低温超导磁悬浮技术，如日本在建的中央新干线磁浮线；第三种是高温超导磁悬浮，与低温超导磁悬浮的液氦冷却（零下 269 °C）不同，高温超导磁悬浮采用液氮冷却（零下196 °C），工作温度得到了提高。

第一类型：德国的常导型磁悬浮技术。常导磁悬浮（Normal conducting magnetic levitation）是用于高速磁悬浮列车的一种技术。常导磁悬浮采用直流电磁铁与良导磁材料之间的电磁吸力，借助自动闭环控制实现。常导电磁吸引式磁悬浮，主要是电磁力主动控制悬浮，由车上常导电流产生的电磁吸引力，吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起，再由直线电动机驱动前进。如图 2.18。(www.xing528.com)

图2.18　德国常导型磁悬浮技术

常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁悬浮列车 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 mm 左右。常导型高速磁悬浮列车的速度为 400～500 km/h。1922 年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔（Hermann Kemper）提出了电磁悬浮原理，随着工业化国家经济实力不断增强，为提高交通运输能力以适应其经济发展和民生的需要，德国开展了磁悬浮运输系统的研发。德国的Transrapid公司于2001年在中国上海浦东国际机场至地铁龙阳路站兴建磁悬浮列车系统，并于2002年正式启用。该线全长 30 km，列车最高速度达430 km/h，由起点至终点站只需 8 min。

第二类型：日本的超导型磁悬浮技术。超导磁悬浮（Superconducting maglev）是利用超导磁体使车体上浮，通过周期性地变换磁极方向而获取推进动力的列车。超导型磁悬浮列车是利用同性磁极之间相互排斥的原理来实现车辆悬浮的。因而列车速度愈大这个排斥力就愈大，当速度超过一定值时，列车就脱离路轨表面实现悬浮。超导磁悬浮就不是列车包轨道了，而是轨道包列车，它是利用车载超导磁体在运动过程中与轨道的感应磁场产生相互排斥力，而悬浮于轨道上，列车在一个U 形槽内运营，如图 2.19。

图2.19　日本超导型磁悬浮技术

超导型又称超导磁斥型，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 mm 左右，速度可达 500 km/h以上。日本东海铁路公司创造的 603 km/h 速度山梨线的 MLU 型车即为超导推斥型磁悬浮列车的代表。超导磁浮列车除速度快之外，还具有无噪声、无震动、省能源的特点，有望成为今后交通工具的主力。东京品川站至名古屋站之间的路段预定在2027年开始运营山梨磁悬浮试验线，今后将转为运营线路，作为磁悬浮中央新干线使用，最高速度定为 550 km/h。