《磁悬浮交通概论》第一讲

磁悬浮交通概论

主讲刘景军

上海工程技术大学城市轨道交通学院

2020年10月5日

课程考核：

上课要求：

上课不迟到，不早退，上课期间不能去厕所；

上课认真听讲，不大声讲话，不玩手机和游戏机，不看报纸。

课程参考书：

《新型城市轨道交通》，周庆瑞、金峰编，中国铁道出版社。

《磁悬浮铁路系统与技术》，魏庆朝、孔永健著，中国科学技术出版社。

《磁悬浮交通文集》，严陆光著，中国电力出版社。

《新干线纵横谈日本高速铁路技术》，杨中平著，中国铁道出版社。

《高速铁路概论》，钱仲侯主编，中国铁道出版社。

：磁悬浮交通概论

第一讲

一、磁悬浮铁路发展史

二、磁悬浮铁路

三、磁悬浮列车

发展史

磁悬浮列车的发展史

1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔首次考虑电磁悬浮铁路（电磁对车道的吸引原则）1934年赫尔曼·肯佩尔获得制造磁悬浮铁路的基本专利（1934年8月14日德国国家专利643316）。

1935年赫尔曼·肯佩尔运用试验模型证实了磁悬浮。

1939年～1943年赫尔曼·肯佩尔在格丁根空气动力学研究所进行电磁悬浮铁路的基本研究工作。

1953年赫尔曼·肯佩尔写成科学报告《电子悬浮导向的电力驱动铁路机车车辆》。

1969年大通过能力高速铁路研究会开始基础性研究。克劳斯－马菲公司制造出电磁悬浮模型ＴＲ-０１。支承和导向系统按赫尔曼·肯佩尔原则设计，由一台短定子直线电动机驱动。

磁悬浮列车的发展史

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。

而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，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。下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。

日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。

1972年首次成功地进行了吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50公里。

1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204公里，到1979年12月又进一步提高到517公里。

1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里。

为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期公里长的试验线已于1996年全部建设完成。

2003年12月2日，日本的一列试验中的磁悬浮列车在山梨线创下581公里的最高时速纪录。

1986年在蒂森工业公司（亨舍尔）开发ＴＲ０７号样车。

德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。

1971年～1974年先后制造了ＴＲ０２、ＴＲ０３、ＴＲ０４号试验车。

1975年开发、研制和试验第一台长定子电磁行车技术功能的设备。由蒂森·亨舍尔在卡塞尔厂区内用试验平台ＭＢ１进行。

1976年生产第一台用长定子电磁行车技术的载人试验车ＨＭＢ２，在卡塞尔由蒂森·亨舍尔在厂区内进行。采用电磁式支承和导向系统，有10毫米空气间隙，车重为吨，4个座位，最大速度为36公里／小时。

研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到400公里。

后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，1977年联邦德国研究技术部作出以后只集中力量发展常导磁浮铁路（电磁悬浮驱动系统）的决定。赫尔曼·肯佩尔工程师逝世（1892年4月5日～1977年7月13日）。

1978年，决定在埃姆斯兰德修建全长公里的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。

1979年汉堡的国际交通展览会上展出５月１７日投产的ＴＲ０５号并引起轰动。

1980年开始建造ＴＲ０６号。

列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里，1984年又进一步增至400公里。

1984年埃姆斯兰磁悬浮列车试验设施投产，用ＴＲ０６号开始作行车试验。8月17日达到302公里／小时的速度。

1987年埃姆斯兰磁悬浮列车试验设施第二期施工最终完成并投入使用。ＴＲ０７号开始组装。11月11日ＴＲ０６号达到406公里／小时的速度。

1988年ＴＲ０６号的速度于1月22日达到公里／小时。在慕尼黑国际交通展览会上展出ＴＲ０７号。

1989年在埃姆斯兰磁悬浮列车试验设施上开始检验ＴＲ０７号。磁悬浮铁路快速列车技术已趋成熟。

2000年6月30日，中德两国政府正式签订合作开展上海磁悬浮快速列车运营线项目可行性研究的协议。8月，国家计委批准项目建议书；同月，上海申通集团等６家公司联合出资20亿元注册成立上海磁悬浮交通发展有限公司（后扩股为8家公司，注册资金30亿元），上海市委、市府批准成立上海市磁悬浮快速列车工程指挥部。

2001年1月23日，上海磁悬浮交通发展有限公司与由德国西门子公司、蒂森快速列车系统公司和磁悬浮国际公司组成的联合体签署《上海磁悬浮列车项目供货和服务合同》，合同总金额亿德国马克；1月26日，又与德国线路及轨道梁技术联合体（ＴＧＣ）签署《磁悬浮快速列车混凝土复合轨道梁系统技术转让合同》，合同使用德国政府赠款共１亿德国马克。3月1日工程正式开始。５月专用道路全线贯通。７月轨道梁生产基地投产。

2002年2月28日，线路主体下部结构全线贯通并开始架梁。

目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。实验最高时速达 550km。

与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开始。

但是，英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟。

令人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的

磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业，其运送旅客的任务由机场班车所取代。

世界主要国家试验时速和商业运营时速（公里/小时）

中国：

磁悬浮：实验最高时速 502，商业运营最高时速 431

轮轨：实验最高时速 394，商业运营时速：350， 300， 250，200等

法国：

轮轨：实验最高时速 574，商业运营时速：320， 300， 280，210等

日本：

磁悬浮：实验最高时速 581，商业运营最高时速：无

轮轨：实验最高时速 422，商业运营时速：300， 250，200等

德国：

磁悬浮：实验最高时速 550，商业运营最高时速：无

轮轨：实验最高时速 406，商业运营时速：300，280， 250，230等

就商业运营最高时速而言，中国的两项都是世界最高。

二、磁浮铁路

?铁路的分类及优势范围

?磁浮铁路的分类及发展

?日本磁浮铁路技术

?德国磁浮铁路技术

?日本HSST系统

?我国的有关试验研究情况

?磁浮铁路线路设计

?其他种类直线电机轨道交通

1、铁路的分类及优势范围

?普通铁路

?高速铁路

?客运专线

铁路分类

?国家铁路

?地方铁路

?合资铁路

?专用铁路

?铁路专用线

1.1.1 国家铁路

?国家铁路是指由中国国务院铁路主管部门管理的铁路，简称国铁。

?在我国，铁道部对国家铁路实行高度集中、统一指挥的运输管理体制。

1.1.2 地方铁路

?地方铁路是指由地方人民政府管理的铁路。

?地方铁路主要是由地方自行投资修建或者与其他铁路联合投资修建，担负地方公共旅客、货物短途运输任务的铁路。

?我国地方铁路有准轨（1435毫米）和窄轨（762毫米）两种轨距。?地方铁路的经营管理方式大体上分为三种类型，一种是自营性质；第二种是自建联营，以标准轨距为主，第三种是地方建路。

1.1.3 合资铁路

?合资建设铁路，是在中国改革开放后出现的新事物。对于中国铁路建设和管理，建立适应市场经济的新体制，是一种有益的探索。

?“七五”期间，是合资铁路探索起步阶段。“七五”末期，在三茂铁路建设中，广东省政府与铁道部合作，组建了三茂铁路公司，共同出资建成了我国第一条中央与地方合资的铁路。

?“八五”期间，是合资铁路快速发展阶段。这一时期，先后有达成、广大、广梅汕、邯济、合九、石长、横南、金温等13个合资铁路项目开工建设，并建成了合资铁路中最长的集通铁路以及连接亚欧第二条铁路大陆桥的重要组成部分北疆铁路以及连接海南岛的粤海铁路。

2、磁浮铁路分类及发展

?按应用范围划分

?按运行速度划分

?按导体材料划分

?按直线电机的定子长度划分

?按直线电机的磁场是否同步划分

?按驱动方式划分

?按导轨结构形式划分

?按悬浮方式划分

?几种典型磁浮系统的分类特征

?磁浮铁路的发展

按应用范围划分

主要体现在线路长度、在路网中的作用、最高运行速度及所属管理部门等方面。

?干线磁浮

?城际磁浮

?城市磁浮

2.1.1 干线磁浮

?包括特别繁忙干线、繁忙干线和干线

?线路长度一般超过500km

?在国家重要的交通运输大通道担当客运主力

?连接经济发达地区、经济大区或大中城市

?在路网中起重要的骨干作用

?该铁路的最高运行速度一般要达到高速或超高速铁路的速度范围?一般归铁路部门或交通部门经营管理。

2. 1.2 城际磁浮

?其线路长度在500km以下

?连接客运繁忙的相邻两大城市

?运行速度一般达到中高速铁路的速度范围

?一般归铁路部门或交通部门经营管理

2.1.3 城市磁浮

?其线路长度一般不超过100km

?承担市内交通、机场内交通或机场与市区间交通的任务?由于运行距离较短，列车的运行速度一般是在中低速的速度范围内

?一般归市政部门或民航部门管理

按运行速度划分

?根据铁路速度划分标准，磁浮铁路可以分为：

?低速（常速）磁浮(V<120km/h)

?中速磁浮(120

?高速磁浮(200

?超高速磁浮(V>350km/h)

?一般将低速和中速磁浮统称为中低速磁浮，主要适用于城市轨道交通（包括机场内交通）

?一般将高速和超高速磁浮统称为高速磁浮，主要适用于干线和城际交通。

按导体材料划分

?超导磁浮

高温超导磁浮

低温超导磁浮

?常导磁浮

2.3.1 超导磁浮

?超导磁浮的线圈绕组使用超导材料。

?超导材料在周围环境温度低于其临界温度后就处于超导状态，即超导绕组内的电阻几乎为零。

?超导电磁铁能产生强大的磁场，具有极高的工作效率，因此可以使列车获得较大的悬浮高度和更快的运行速度。

?其缺点主要为，超导磁铁结构复杂，体积庞大，并且为了使超导绕组始终处于超导状态，在列车上还要配置制冷装置。

?日本的ML技术属于超导磁浮的范畴。

2.3.1 超导磁浮

?超导磁浮铁路依靠制冷剂使超导绕组维持在超导状态?目前超导磁浮常用的制冷剂为液氮和液氦

?根据二者工作温度的不同，磁浮铁路又可划分为高温超导磁浮和低温超导磁浮两类

2.3.1.1 低温超导磁浮

?液氦的工作温度为(-269℃)。

?采用适合于该工作温度的超导材料制作绕组并且采用液氦作为超导绕组制冷剂的磁浮称为低温超导磁浮，简称超导磁浮。

?日本的ML磁浮系统是低温超导磁浮系统，超导绕组使用铌钛(NbTi)合金制造。

2.3.1.2 高温超导磁浮

?采用工作温度高于-269℃的超导材料制作绕组的磁浮称为高温超导磁浮

?目前正进行试验的高温超导磁浮交通系统有两类：

1.硼高温超导

2.钇高温超导

1. 硼高温超导

?日本之前的低温超导磁铁使用NbTi合金，需要冷却到-269℃才能达到超导状态。?新开发的超导磁铁使用氧化铜的硼Bi系列材料，可以在-253℃达到超导状态，比原来高出16℃。

?由于不需要液氦、液氮之类的冷却媒质，直接使用冷冻机冷却，可以简化超导电磁铁的构造，提高其可信度。

?在此基础上，如果高温超导线材的导电性能进一步提高、价格降低，可作为高可信度、低造价的超导磁浮营业线路的超导电磁铁使用。

?日本于2005年11月至12月在山梨试验线上成功进行了试验，试验速度达到h。

2. 钇高温超导

?我国西南交通大学研制出了高温超导磁浮系统，超导材料使用以钇(Y)为主的钇钡铜氧(YBaCuO)高温超导体块材。

?使用液氮作为制冷剂,工作温度为77K(-196℃)。

?值得注意的是，高温超导磁浮的工作温度未必是固定的。随着超导技术的发展，磁浮铁路所使用的高温超导工作温度可能会升高。将来也有可能使用常温超导磁浮材料。到那时还可能会出现常温超导磁浮铁路。

2. 3.2 常导磁浮

?使用普通材料制成线圈绕组，采用普通导体通电励磁，产生电磁悬浮力和导向力。

?该种直线电机具有结构简单、养护维修方便等优点。

?其主要缺点是线圈绕组中电阻较大。因此该种直线电机的功率损失较大，并且线圈绕组容易发热，列车的运行速度也会受到一定的限制。?德国的运捷TR、日本的HSST及我国的大部分磁浮研究都属于常导磁浮的范畴。

按直线电机的定子长度划分

?长定子直线电机

?短定子直线电机

?分段长定子直线电机

2.4.1 长定子直线电机

?长定子直线电机的定子设置在导轨上，其定子绕组可以在导轨上无限长地铺设，故称为“长定子”。

?长定子磁浮一般采用导轨驱动技术，列车的运行速度和运行工况由地面控制中心直接控制。

?长定子直线电机通常用在高速及超高速磁浮铁路中，应用在干线及城际铁路领域。

2.4.2 短定子直线电机

?短定子直线电机的定子设置在车辆上。由于其长度受列车长度的限制，故称为“短定子”

?短定子磁浮一般采用列车驱动技术，列车的运行速度和运行工况由司机直接控制

?短定子直线电机通常用在中低速磁浮铁路中，用在城市轨道交通领域

2.4.3 分段长定子直线电机

?直线电机的定子设置在导轨上，其定子绕组在导轨上分段铺设，故称为“分段长定子”。

?长定子磁浮一般采用导轨驱动技术，列车的运行速度和运行工况由地面控制中心直接控制。

?列车不需要供应动力电源。

?应用在干线及城际铁路领域。

按直线电机的磁场

是否同步划分

?直线同步电机(LSM)

?直线感应电机(LIM)

?直线电机的特点

2.5.1 直线同步电机(LSM)

?LSM(Liner Synchronous Motor)直线电机一般采用长定子技术

?转子磁场与定子磁场同步运行，控制定子（初级线圈，导轨侧）磁场的移动速度

就可以准确控制列车的运行速度

?高速、超高速磁浮铁路一般使用该种长定子直线同步电机

?技术复杂，一般用于长大干线交通或城际交通系统之中

?德国的运捷TR和日本的ML系统均使用这种直线同步电机

2.5.2 直线感应电机(LIM)

?LIM(Liner Induction Motor)直线电机的转子磁场与定子磁场不同步运行，故也称为直线异步电机

?次级线圈（导轨侧）的磁场移动速度低于初级线圈磁场的移动速度

?短定子LIM结构比较简单，制造成本较低

?缺点是效率和功率因数相对较低，运行中需要地面供电装置对磁浮列车接触供电，不能实现车辆、线路之间完全无接触地运行

?适合中低速磁浮铁路使用

?一般用于城市轨道交通

?日本的HSST系统及目前我国自行研制的磁浮系统大部分使用这种直线感应电机

2.5.3 直线电机的特点

?爬坡能力强

?曲线通过能力强

?加速性能好

?造价较低

?低噪声运行，保养维修简单

?直线电机所需冷却功率小

?直线电机本身的效率低，功率因数低

?安装精度要求高

按驱动方式划分

?导轨驱动

?列车驱动

2.6.1 导轨驱动

?导轨驱动也称为路轨驱动

?直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在导轨上，采用长定子同步驱动技术

?其列车的运行工况及运行速度由地面控制中心控制，列车司机不能直接控制

?一般用于干线或城际交通

?德国的运捷TR和日本的ML系统均使用这种导轨驱动技术

2.6.2 列车驱动

?直线电机的初级线圈（定子线圈）设置在车辆上，故称为列车驱动

?其列车的运行工况及运行速度由列车司机控制

?一般用于城市轨道交通

?用于中低速磁浮铁路

?目前我国自行研制的磁浮系统大都使用这种列车驱动的技术

按导轨结构形式划分

?“T”形导轨

?“⊥”形导轨

?“U”形导轨

?“一”形导轨

2.7.1 “T”形导轨

?导轨梁直接安装在桥墩上, 梁的横断面为“T”形

?直线电机的驱动绕组及悬浮绕组均安装在导轨梁两侧翼的下方，导向绕组安装在两侧翼的外端

?德国高速磁浮运捷和日本中低速HSST系统采用这种导轨结构形式?由于这种磁浮列车“抱”着导轨运行，故遇突发事故时的安全性更好一些，并且线路设计中的最小曲线半径也可以更小一些

?但它对轨道梁的加工精度和列车的悬浮及导向的控制要求很高

2.7.2 “⊥”形导轨

?这种导轨结构类似于城市轨道交通中的跨座式独轨交通?日本在早期磁浮试验线曾经采用过这种结构形式

?由于这种导轨的凸出部分侵占车辆的底部空间，影响车厢的载客率，所以目前一般不再采用这种导轨结构形式

2.7.3 “U”形导轨

?导轨梁的横断面为“U”形，列车在U型槽中运行

?地面的驱动、悬浮及导向绕组均安装在U型槽的内侧壁

?可以采用高架结构架设在桥墩上，也可以采用无碴轨道形式铺设在路基上

?与“T”形导轨的要求相比，“U”形轨道梁的加工精度及对列车的悬浮控制、导向控制的要求较低，但对最小曲线半径的要求更高一些?日本的ML目前采用这种导轨结构形式

2.7.4 “一”形导轨

?导轨梁的横断面为“一”形，地面绕组均安装在导轨梁的正上方，车辆绕组均安装在车辆的正下方，列车在导轨梁上方运行

?这种导轨梁一般架设在桥墩上，采用高架结构，特点是结构简单，但导向功能稍差一些

?因此主要适用于中低速磁浮

?我国西南交通大学研制的“世纪号”高温超导磁浮采用这种导轨结构形式

按悬浮方式分

?电磁悬浮(EMS)

?电动悬浮(EDS)

2.8.1 电磁悬浮(EMS)

?电磁悬浮(EMS)也称为磁吸式悬浮

?一般采用“T”形导轨，车辆环抱导轨运行

?导轨上的驱动、悬浮绕组安装在导轨侧翼底部，车辆上的驱动、悬浮绕组安装在车辆下翼的上缘，通过电磁作用将列车向上吸起悬浮于轨道上

?磁铁和铁磁轨道之间的悬浮气隙一般约为8-12mm

?通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙

?德国的TR系统及日本的HSST系统均采用这种悬浮方式

?这种悬浮方式由于采用磁铁异性相吸的原理，磁场在直线电机的初级、次级线圈之间基本上可以形成闭合回路，磁场向外界扩散较少，电磁污染程度很低，磁场对人的影响可以忽略不计

2.8.2 电动悬浮(EDS)

?电动悬浮(EDS)也称为磁斥式磁浮

?当列车运动时，地面绕组产生的磁场与车辆绕组产生的磁场同性相斥将车辆悬浮起来

?电动悬浮的悬浮高度一般约为100-150mm

?与电磁悬浮相比，电动悬浮系统在静止时不能悬浮，必须达到一定的运行速度（120-150km/h）后才能起浮

?电动悬浮系统在应用速度下，悬浮间隙较大，不需要进行主动控制

?电动悬浮可以采用“⊥”形、“一”形、“U”形导轨

?EDS采用磁铁同性相斥的原理，初、次极线圈所产生的磁场在直线电机内部不能闭合，故其电磁污染比磁吸式磁浮要大许多

磁浮铁路的发展

?世界铁路的发展时期

?初创于铁路停滞不前时期

?发展于铁路现代化时期

?成熟于新世纪

2.9.1世界铁路的发展时期

?初创时期(1825-1870)

?筑路高潮时期(1870-1913),110万km

?停滞不前时期(1913-1964）

?现代化时期(1964-今）

2.9.2 初创于铁路停滞不前时期?1922年，德国的Hermann Kemper提出了电磁悬浮理论，拟采用真空隧道技术实现1000km/h的速度

?1934年申请了“无轮车辆悬浮铁路”专利(DRP

?一年之后，它还提出了原型车辆，展示该系统的承载能力（承载能力为210kg）

2.9.3 发展于铁路现代化时期

?1972年日本磁浮试验车走行成功,60

?1997年建成山梨试验线，，552km/h

?2003年12月2日，达到581km/h目前世界最快纪录

?1984年德国建成了Emsland试验线，

?最高试验速度430km/h

?2003年11月上海磁浮示范线501km/h。

?1974年英国在德比试验，后在伯明翰建成620m线路，1984运营，1996年关闭

?80年代前苏联在莫斯科建成600m试验线

?美国、加拿大、法国、韩国、澳大利亚、罗马尼亚、中国等国也曾开展过试验研究

2.9.4 成熟于新世纪

?三种制式:

?日本超导超高速磁浮铁路ML技术

?德国常导超高速磁浮铁路TR技术

?日本主要用于中短途客运的中低速地面运输系统HSST技术

?都修建了相应的试验线，并在试验线上进行了充分的试验研究，相应的车辆、轨道等设施及相关技术经过多次改进日趋完善，并且已经开始修建或正在准备修建实用化的线路

?磁浮铁路技术目前正逐渐成熟

几种典型磁浮系统

日德车线横断面比较

德国TR发展过程

三、磁浮列车

日本常导型常速磁浮交通（HSST）

德国常导型高速磁悬浮（TR）

日本超导型高速磁悬浮(MLU)(MLX)

上海磁浮交通

什么是磁悬浮列车：

21世纪先进的绿色地面交通工具

神奇的地面“飞行器”

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、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。

并且它采用高架方式，占用的耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。

磁悬浮列车准确定义

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。

根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。

一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，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；

另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。

磁悬浮列车技术基础

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。

悬浮系统：目前悬浮系统的设计，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）。

电磁悬浮系统（EMS）

电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。

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。

电力悬浮系统（EDS）

电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电

流。

由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。

然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。

EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。

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。

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。

推进系统

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像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，它就像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像电机的"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。

牵引力

使用线性电机（直线电机）—Linear Moto

如果“想象”有一定直径R的电机，直径R扩大、扩大……直至无穷，则转子和定子均成为直线，两者之间的相对运动就由旋转运动变为直线相对运动。

三相感应异步电机原理

三相感应异步电机的原理在中学物理中已作过介绍：

电机外壳是定子，线圈绕在外壳的矽钢片铁芯上，定子只有绕组。

定子线圈通入三相交流电后，感应转子绕组线圈产生感应电动势，带动转子旋转。

三相感应电机

线性电机的转子和定子

线性电机的定子是装有线圈绕组的，并需要接入三相交流电源。转子则是由“感应板”组成。定子结构复杂，转子简单。

转子“感应板”和定子“绕组”分别装在车和轨道或轨道和车上。定子装在车上必须要能接通交流电。

高速磁浮列车无法使用架空线或第三轨向车上送电，采用了长定子的结构，把定子绕组安装在轨道全线。车上装有定子感应板。

短定子线性电机车

长定子线性电机车

安装在轨道梁上的定子绕组原理图

长定子

装在车上的短定子绕组

装在轨道上的感应板转子

通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

导向系统

导向系统：导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。

磁悬浮列车的优势

首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。

第一条轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很大。

还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。

与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。

目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营的建造阶段。

第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400-500公里/小时，超导磁悬浮可达500-600公里/小时。

对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度

的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。

专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。

第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里／时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1／3。

据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33％

四、磁浮列车需要解决的问题

其一：需要将车浮起来

其二：需要解决导向列车的力

其三：需要解决推动列车前进的牵引力

磁浮原理

电磁浮原理

电磁浮原理

1

电磁浮原理2

英国的磁浮列车示意

伯明翰机场磁浮列车线

伯明翰机场磁浮列车

德国TR电磁悬浮列车结构

日本HSST型磁浮列车悬浮结构

日本磁浮列车导向原理

日本山梨县HSST磁浮试验线

日本山梨县HSST磁浮试验车

上海磁悬浮浦东机场线

上海磁浮列车及道岔

牵引力的产生

（一）应用背景

（二）磁悬浮系统类型

电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列.(左图)

电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列.(右图)

(三)工作原理

磁悬浮列车大体可分为三个部分:

悬浮系统:主要依靠轨道底部线圈和车载电磁铁之间产生电动斥力来实现.

导向系统:主要依赖于轨道侧壁线圈和车载电磁铁相互作用来实现.

动力系统:根据Maxwell电磁场动力学理论,采用直线电机作为动力系统,并借助于在运行过程中产生电磁推力来推动和维持列车运行.

1.悬浮系统