高速磁浮交通技術(shù)進(jìn)展與應用前景

摘要：高速磁浮交通技術(shù)是利用電磁理論，采用直線(xiàn)電機牽引和列車(chē)自動(dòng)控制等高科技技術(shù)，具有高速、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，在中長(cháng)距離城際客運交通領(lǐng)域具有比較優(yōu)勢，有一定的前景。本文簡(jiǎn)要地闡述磁浮的理論基礎、技術(shù)進(jìn)展和應用前景，并針對滬杭磁浮項目提出了建設性意見(jiàn)：要開(kāi)拓創(chuàng )新，進(jìn)一步消化吸收上海示范線(xiàn)的磁浮關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)技術(shù)談判和交流合作，力爭掌握核心技術(shù)，同時(shí)堅定不移走機電設備國產(chǎn)化道路，降低工程造價(jià)，提高市場(chǎng)競爭力。在目前滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進(jìn)行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統），并開(kāi)展相應的專(zhuān)題研究，廣泛征求意見(jiàn)和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創(chuàng )新體制機制，舉全社會(huì )力量，大力推進(jìn)磁浮項目的進(jìn)程。

前言

人類(lèi)對速度的不斷追求譜寫(xiě)了世界交通技術(shù)進(jìn)展的歷史畫(huà)卷，科技進(jìn)步推動(dòng)社會(huì )發(fā)展，現代交通技術(shù)為人類(lèi)“地面飛行”的理想插上了翅膀， 高速磁浮交通技術(shù)系統具有最高速度（約500公里/時(shí)），人類(lèi)在陸上飛行成為現實(shí)。從19世紀上半葉的電磁理論到實(shí)際應用走過(guò)了180多年。2002年，世界第一條磁浮商業(yè)線(xiàn)—上海浦東磁浮示范線(xiàn)的成功營(yíng)運，以及今年三月國家批準滬杭磁浮項目建議書(shū)，為我國探索高速客運系統提供了新的選擇，有望在中國大地形成與高速輪軌系統并存的城際地面高速客運網(wǎng)，形成城市綜合交通系統。通過(guò)引進(jìn)、吸收、消化、輸出，掌握具有自主產(chǎn)權的磁浮實(shí)用技術(shù)，有利于提高國家競爭力，促進(jìn)我國交通技術(shù)的跨越式發(fā)展，提高居民出行質(zhì)量和水平。

1 理論基礎

在長(cháng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們發(fā)現了天然的磁性物質(zhì)（如磁鐵礦或磁鐵等），由于特有的排斥或吸引特性，中國古代發(fā)明了“指南針”，并應用于航海。在漫長(cháng)的歲月里，人們對電磁一直處于感性認識，直到1820年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現了電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)，奠定了電磁科學(xué)基礎。隨后，法拉第發(fā)明了電磁感應定律，定量描述了感應電動(dòng)勢與磁通量（磁場(chǎng)強度）的變化關(guān)系。19世紀60年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋（1831-1879）建立了完整的電磁理論并提出了電磁波的猜想。20年以后，赫茲通過(guò)實(shí)驗驗證了電磁波的存在，為現代通訊和控制技術(shù)的應用奠定了基礎。

從基礎理論科學(xué)走向實(shí)踐應用，同樣經(jīng)歷了艱辛的探索，而且與當時(shí)的社會(huì )經(jīng)濟條件和科學(xué)進(jìn)步水平密切相關(guān)。1922年，德國科學(xué)家赫爾曼.肯佩爾（Hermann Kemper）發(fā)明了電磁浮鐵路原理，并于1934年8月獲得了世界上第一項磁浮技術(shù)專(zhuān)利。

磁浮技術(shù)從懸浮方式上可以分為電磁磁?。‥MS）和電動(dòng)磁?。‥DS）兩大類(lèi)[1]。

電磁磁浮技術(shù)是一種常導下的吸引式磁浮系統，即對車(chē)載的、置于導軌下方的懸浮電磁鐵通電勵磁而產(chǎn)生電場(chǎng)，磁鐵與軌道上的鐵磁構件相互吸引，將列車(chē)向上吸起懸浮于軌道上，磁鐵與鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般為8-12mm。列車(chē)通過(guò)控制懸浮磁鐵的勵磁電流來(lái)保證穩定的懸浮間隙，通過(guò)直線(xiàn)電機來(lái)牽引列車(chē)走行。電磁式磁浮列車(chē)以德國TRANSRAPID（簡(jiǎn)稱(chēng)TR）型和日本的HSST型為代表，結構原理見(jiàn)圖1。

電動(dòng)磁浮技術(shù)是一種超導下排斥式電動(dòng)磁浮系統，即當列車(chē)運動(dòng)時(shí)，車(chē)載磁體（一般為低溫超導線(xiàn)圈或永久磁鐵）的運動(dòng)磁場(chǎng)，在安裝與線(xiàn)路上的懸浮線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應電流，兩者相互作用，產(chǎn)生一個(gè)向上的磁力將列車(chē)懸浮于路面一定高度（一般為100-150mm）。通過(guò)直線(xiàn)電機來(lái)牽引列車(chē)走行。與電磁式相比，電動(dòng)式懸浮系統在靜止條件下不能懸浮，必須達到一定速度（約150km/h）后才能懸浮。由于間隙大，一般無(wú)須主動(dòng)控制。電動(dòng)式磁浮列車(chē)以日本MLX型超導列車(chē)為代表。

2 磁浮技術(shù)進(jìn)展

1969年，在工業(yè)界和德國聯(lián)邦鐵路公司的大力推動(dòng)下，開(kāi)始了大運量高速鐵路研究（HSBStudien），隨后生產(chǎn)了第一代磁浮列車(chē)Transrapid-01，簡(jiǎn)稱(chēng)TR-01，車(chē)重5.86噸，4個(gè)座位，在試驗線(xiàn)（660m）上進(jìn)行了試驗，最大車(chē)速90km/h。根據試驗，對列車(chē)進(jìn)行了不斷改進(jìn)，研制了TR-02（1971）、TR-03（1972）、TR-04（1973）、HMB2（1976）、TR-05（1979）、TR-06（1984）、TR-07（1989）、TR-08（1999）。1999年研制的TR-08型列車(chē)，凈重92噸，長(cháng)51米，最大速度500km/h，并在埃姆斯蘭（Emsland，TVE）雙環(huán)形試驗線(xiàn)（31.5km）運行。1991年底，經(jīng)過(guò)第七代列車(chē)運行試驗和技術(shù)鑒定， 德國向世界宣布TR型高速磁浮交通技術(shù)已經(jīng)成熟，可投入商業(yè)應用。1997年7月計劃采用TR-07型列車(chē)投入柏林-漢堡線(xiàn)（292km）應用，由于客流量偏小等虧損原因而擱淺，2000年2月取消了該項目計劃。

1962年，日本開(kāi)始磁浮交通技術(shù)的研發(fā)工作。1972年研制了低溫超導電動(dòng)列車(chē)ML100型，時(shí)速60km/h。隨后，研制了ML500型（1979年，517 km/h），MLU001型（1980），MLX01、MLX02型（1997），最高速度分別達到546和457km/h。2003年12月，ML型列車(chē)在山梨試驗線(xiàn)（18.4km），創(chuàng )造了581km/h的世界記錄！

同時(shí)，日本還開(kāi)發(fā)中低速磁浮技術(shù)（速度約100 km/h）。1974年研制了第一代樣車(chē)HSST-01型，隨后又研制了HSST-02型（1978）、HSST-03型（1983）、HSST-04型（1987）HSST-05型（1989）、HSST 100S型（1990）、HSST 100L型（1995）。2001年開(kāi)始在名古屋市郊建造一條8.9公里的低速磁浮線(xiàn)路，2005年投入使用。

世界上其他國家在20世紀60年代開(kāi)始研究高科技的磁浮交通技術(shù)，如前蘇聯(lián)、美國、加拿大、法國、韓國、瑞士等。前蘇聯(lián)80年代研制了18噸的樣車(chē)；美國看好德國磁浮技術(shù)，還研制磁浮飛機，但是他們都處于實(shí)驗階段。

中國早在20世紀70年代開(kāi)始進(jìn)行磁浮交通技術(shù)的應用研究。如中國國防大學(xué)、西南交通大學(xué)、鐵道科學(xué)研究院和中科院電工所，并開(kāi)始了樣機的試制，分別在長(cháng)沙和成都青城山、北京八達嶺建立了中低速磁浮的試驗線(xiàn)。1999年科技部組織了“我國第一條高速磁浮列車(chē)試驗運行線(xiàn)的可行性研究，進(jìn)一步消化、吸收德國TR型常導磁浮交通技術(shù)1999年引進(jìn)時(shí)速450km/h的德國磁浮技術(shù)，提出了建設上海示范運營(yíng)線(xiàn)的建議。2000年6月，中德聯(lián)合開(kāi)展可行性研究，該項目全長(cháng)30公里，2個(gè)車(chē)站、2個(gè)牽引變電站、1個(gè)控制中心和1個(gè)維修基地，總投資約89億元。同年8月立項開(kāi)始浦東磁浮示范線(xiàn)工程的建設，2002年12月31日正式開(kāi)始商業(yè)運行，成為世界上第一條商業(yè)營(yíng)運線(xiàn)。經(jīng)過(guò)3年多的運行，2006年4月26日通過(guò)了國家驗收，已掌握了軌道梁等大部分磁浮技術(shù)，申請了了16項專(zhuān)利。

據報道，成都飛機公司還研制了高速磁浮列車(chē)，時(shí)速高達500公里、擁有完全自主知識產(chǎn)權的中國第一輛高速磁浮列車(chē)，預計將于今年7月在上海試驗線(xiàn)上進(jìn)行首次試運行。2005年9月29日，備受各界關(guān)注的國家“863計劃”高新技術(shù)項目--CM1“海豚”高速磁浮車(chē)輛組件在成飛公司正式開(kāi)鉚生產(chǎn)。此次研制的車(chē)輛設計時(shí)速為500公里，預計載客90人，主要由車(chē)體結構、懸浮導向制動(dòng)控制、電網(wǎng)、診斷控制、定位測速、磁鐵、氣路、空調、車(chē)輛照明、逃生系統等集合而成。由于其與軌道無(wú)接觸高速運行，又被業(yè)內人士稱(chēng)之為“零高度飛行器”。 3 磁浮技術(shù)特點(diǎn)

3.1 驅動(dòng)原理特殊

利用電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，讓列車(chē)懸浮在軌道上，并用直性電機產(chǎn)生的電磁力實(shí)現推進(jìn)牽引。而輪軌系統，利用導軌支撐鋼輪，電力驅動(dòng)靠輪軌之間的粘滯摩擦力推進(jìn)。

3.2 高速

由于磁浮列車(chē)沒(méi)有機械阻力，只有在高速時(shí)產(chǎn)生空氣阻力，最高速度達到500km/h（上海磁浮商業(yè)運行速度430km/h），具有“陸上飛行器”之美稱(chēng)；而高速輪軌一般在330km/h，因為速度極限以后，速度與粘滯力成反比。

3.3 安全、可靠、舒適

由于采用當代先進(jìn)的信號技術(shù)和列車(chē)自動(dòng)控制系統，并吸取了輪軌系統的先進(jìn)理念，上海磁浮運行3年來(lái)，累計行程超過(guò)250萬(wàn)公里，運送乘客650萬(wàn)人次，并經(jīng)歷了風(fēng)霜雨雪等惡劣氣候的考驗，今年4月通過(guò)了國家驗收。由于啟動(dòng)和制動(dòng)加速度、座位設計合理，振動(dòng)小、運行時(shí)間短，乘客舒適度高。

3.4 占地少

磁浮線(xiàn)一般采用高架和全隔離形式，磁浮限界寬度小于輪軌系統，因此占地遠遠少于高速公路，也比高速輪軌系統占地少，符合構建節約型社會(huì )的要求。

3.5 轉彎半徑小，爬坡能力強

由于磁浮列車(chē)與軌道無(wú)接觸、無(wú)磨損的支撐和導向，無(wú)接觸的牽引和制動(dòng)特性，線(xiàn)路轉彎半徑小，而爬坡能力大。如速度在300km/h的同等條件下，輪軌系統最小轉彎半徑4000-5000m，而磁浮系統1590m；爬坡能力輪軌系統最大4%，而磁浮10%。

3.6 環(huán)境友好

由于采用電力（二次能源）驅動(dòng)，不會(huì )產(chǎn)生廢氣和廢水等污染；能耗低，由于磁浮系統特有的驅動(dòng)和支撐原理，據研究報道，在同等速度下，TR磁浮列車(chē)單位能耗低于德國ICE高速輪軌列車(chē)。噪聲小，在300km/h條件下， 輪軌91 分貝，而磁浮83 分貝。由于車(chē)/軌道之間間隙?。s10mm），磁力線(xiàn)處于閉合狀態(tài)，磁場(chǎng)泄漏量小。地球磁輻射強度為50 微特，彩電500，而磁浮為100。

3.7 造價(jià)高

高速磁浮系統由線(xiàn)路、道岔基礎系統、列車(chē)控制系統和供電與驅動(dòng)系統組成，通過(guò)運行控制中心實(shí)現系統運轉，與40多年歷史的高速輪軌系統相比，技術(shù)系統更加復雜，雖然我國掌握了軌道梁等16項專(zhuān)利技術(shù)，但是核心技術(shù)仍然在德國手中。據上海磁浮線(xiàn)資料，全長(cháng)30公里，造價(jià)89億元，約3億元/公里；滬杭磁浮項目由于規模效應，全長(cháng)175公里，造價(jià)約350億元，約2 億元/公里；由于商業(yè)應用剛開(kāi)始，運營(yíng)費用估計不低于輪軌系統。而磁浮系統造價(jià)大體是輪軌系統的2倍。

3.8 運量大

磁浮列車(chē)的運能與列車(chē)定員、列車(chē)編組、發(fā)車(chē)間隔和和運行時(shí)間密切相關(guān)。德國磁浮TR08型列車(chē)5節編組，總座位446個(gè)（上海磁浮車(chē)總座位464個(gè)），發(fā)車(chē)間隔理論2.5min，實(shí)際推薦5min；而ICE3型高鐵8節編組，總座位415個(gè)。磁浮列車(chē)可以考慮10節編組，運量可以比5節編組增加1倍。按5 min 發(fā)車(chē)間隔，每天運行7：00-22：00計，以10節編組成1列車(chē)，磁浮運能為12000人次/h，每天可運送18萬(wàn)人次左右。

4 應用前景

目前世界上有三條磁浮線(xiàn)投入運營(yíng)：上海浦東磁浮示范線(xiàn)（30公里，高速，2002年通車(chē)）、日本名古屋丘陵線(xiàn)（8.9公里，中低速，2005年通車(chē)）和英國伯明翰線(xiàn)（600米，中低速，1984-1996年）。

規劃建設線(xiàn)路有：中國滬杭磁浮線(xiàn)（175公里，350億，2010年建成）；德國慕尼黑機場(chǎng)線(xiàn)（36.8公里，16億歐元，2008年建成），魯爾線(xiàn)（杜塞爾多夫-多特蒙德，78.9公里，32億歐元）；美國東北線(xiàn)（巴爾的摩-華盛頓特區，60公里，33億美元），匹茲堡機場(chǎng)線(xiàn)（78公里，27億美元）； 荷蘭機場(chǎng)環(huán)線(xiàn)（170公里）和北部線(xiàn)（180公里）。

5 結論與建議

5.1磁浮交通技術(shù)是人類(lèi)科學(xué)史一項重大發(fā)明，其運行原理完全有別于傳統的輪軌系統。

目前世界上掌握磁浮核心技術(shù)的國家是德國和日本，我國上海磁浮是世界上第一條商業(yè)應用的示范線(xiàn)，具有后發(fā)技術(shù)優(yōu)勢和劃時(shí)代的意義。

磁浮交通技術(shù)有電磁式（EMS）和電動(dòng)式（EDS）懸浮兩種類(lèi)型，又可以分常導高速磁?。ㄈ绲聡鳷R08型， 約500km/h）和低溫（4K）超導或永磁低速磁?。ㄈ缛毡綡SST型，約100km/h）。

5.2磁浮交通技術(shù)具有速度快、運能大、占地少、安全、節能、環(huán)保、噪聲小、爬破能力強等特點(diǎn)，但是投資大、商業(yè)應用不夠成熟等缺點(diǎn)。

5.3應用前景廣闊，但是有一定風(fēng)險。

磁浮交通技術(shù)的主要功能是城際快速客運，能否得到廣泛應用，取決于技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境效益的綜合比較。常導高速磁浮技術(shù)具有更廣泛的應用前景，如上海示范線(xiàn)。尤其約500km/h的高速度特別適合中長(cháng)距離（200-1000公里）的城際客運市場(chǎng)，部分替代飛機，以節省燃油。目前，磁浮項目投資大、技術(shù)復雜、運營(yíng)成本高（如英國線(xiàn)因故障率和維修成本高，運行12年后于1996年停用）等將成為制約磁浮商業(yè)應用的瓶頸。

5.4中國磁浮項目必須堅持技術(shù)創(chuàng )新，確保安全可靠。

中國已經(jīng)有50多年的磁浮研發(fā)歷史 ，又通過(guò)引進(jìn)消化，建成了上海磁浮示范線(xiàn)（30公里），成為世界上擁有16項專(zhuān)利的磁浮技術(shù)的大國之一。滬杭磁浮項目已經(jīng)立項，將極大地促進(jìn)磁浮技術(shù)在中國生根、開(kāi)花和結果，走上引進(jìn)-消化-吸收-創(chuàng )新-應用-技術(shù)輸出的良性軌道。同時(shí)，豐富城際高速客運專(zhuān)線(xiàn)的交通模式，提高運輸水平，惠及大眾出行，創(chuàng )建同城效應，提高區域綜合競爭力。

因此，要開(kāi)拓創(chuàng )新，進(jìn)一步消化吸收上海示范線(xiàn)的磁浮關(guān)鍵技術(shù)；通過(guò)談判和技術(shù)合作，力爭掌握核心技術(shù)，同時(shí)堅定不移走機電設備國產(chǎn)化道路，降低工程造價(jià)，提高市場(chǎng)競爭力。在滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進(jìn)行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統），并開(kāi)展相應的專(zhuān)題研究，廣泛征求鐵道部、上海市、浙江省及杭州市、嘉興市的意見(jiàn)和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創(chuàng )新體制機制，舉全社會(huì )力量，大力推進(jìn)磁浮項目的進(jìn)程。

參考文獻

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