高速磁浮交通技术进展与应用前景

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内容摘要:

摘要:高速磁浮交通技术是利用电磁理论,采用直线电机牵引和列车自动控制等高科技技术,具有高速、安全、环保等特点,在中长距离城际客运交通领域具有比较优势,有一定的前景。本文简要地阐述磁浮的理论基础、技术进展和应用前景,并针对沪杭磁浮项目提出了建设性意见:要开拓创新,进一步消化吸收上海示范线的磁浮关键技术;通过技术谈判和交流合作,力争掌握核心技术,同时坚定不移走机电设备国产化道路,降低工程造价,提高市场竞争力。在目前沪杭磁浮工程可行性阶段,一定要进行多方案比选(高速轮轨与高速磁浮系统),并开展相应的专题研究,广泛征求意见和建议,采取多元化投资策略,充分利用中央、省市地方资源,创新体制机制,举全社会力量,大力推进磁浮项目的进程。

前言

1 理论基础

在长期的生产实践中,人们发现了天然的磁性物质(如磁铁矿或磁铁等),由于特有的排斥或吸引特性,中国古代发明了“指南针”,并应用于航海。在漫长的岁月里,人们对电磁一直处于感性认识,直到1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流能够产生磁场,奠定了电磁科学基础。随后,法拉第发明了电磁感应定律,定量描述了感应电动势与磁通量(磁场强度)的变化关系。19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦(1831-1879)建立了完整的电磁理论并提出了电磁波的猜想。20年以后,赫兹通过实验验证了电磁波的存在,为现代通讯和控制技术的应用奠定了基础。

从基础理论科学走向实践应用,同样经历了艰辛的探索,而且与当时的社会经济条件和科学进步水平密切相关。1922年,德国科学家赫尔曼.肯佩尔(hermann kemper)发明了电磁浮铁路原理,并于1934年8月获得了世界上第一项磁浮技术专利。

磁浮技术从悬浮方式上可以分为电磁磁浮(ems)和电动磁浮(eds)两大类[1]。

电磁磁浮技术是一种常导下的吸引式磁浮系统,即对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场,磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引,将列车向上吸起悬浮于轨道上,磁铁与铁磁轨道之间的悬浮间隙一般为8-12mm。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,通过直线电机来牵引列车走行。电磁式磁浮列车以德国transrapid(简称tr)型和日本的hsst型为代表,结构原理见图1。

电动磁浮技术是一种超导下排斥式电动磁浮系统,即当列车运动时,车载磁体(一般为低温超导线圈或永久磁铁)的运动磁场,在安装与线路上的悬浮线圈中产生感应电流,两者相互作用,产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度(一般为100-150mm)。通过直线电机来牵引列车走行。与电磁式相比,电动式悬浮系统在静止条件下不能悬浮,必须达到一定速度(约150km/h)后才能悬浮。由于间隙大,一般无须主动控制。电动式磁浮列车以日本mlx 型超导列车为代表。

2 磁浮技术进展

1969年,在工业界和德国联邦铁路公司的大力推动下,开始了大运量高速铁路研究(hsbstudien),随后生产了第一代磁浮列车transrapid-01,简称tr-01,车重5.86吨,4个座位,在试验线(660m)上进行了试验,最大车速90km/h。根据试验,对列车进行了不断改进,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型列车,净重92吨,长51米,最大速度500km/h,并在埃姆斯兰(emsland,tve)双环形试验线(31.5km)运行。

1991年底,经过第七代列车运行试验和技术鉴定,德国向世界宣布tr型高速磁浮交通技术已经成熟,可投入商业应用。1997年7月计划采用tr-07型列车投入柏林-汉堡线(292km)应用,由于客流量偏小等亏损原因而搁浅,2000年2月取消了该项目计划。

1962年,日本开始磁浮交通技术的研发工作。1972年研制了低温超导电动列车ml100型,时速60km/h。随后,研制了ml500型(1979年,517 km/h),mlu001型(1980),mlx01、mlx02型(1997),最高速度分别达到546和457km/h。2003年12月,ml型列车在山梨试验线(18.4km),创造了581km/h的世界记录!

同时,日本还开发中低速磁浮技术(速度约100 km/h)。1974年研制了第一代样车hsst-01型,随后又研制了hsst-02型(1978)、hsst-03型(1983)、hsst-04型(1987)hsst-05型(1989)、hsst 100 s型(1990)、hsst 100l型(1995)。2001年开始在名古屋市郊建造一条8.9公里的低速磁浮线路,2005年投入使用。

世界上其他国家在20世纪60年代开始研究高科技的磁浮交通技术,如前苏联、美国、加拿大、法国、韩国、瑞士等。前苏联80年代研制了18吨的样车;美国看好德国磁浮技术,还研制磁浮飞机,但是他们都处于实验阶段。

中国早在20世纪70年代开始进行磁浮交通技术的应用研究。如中国国防大学、西南交通大学、铁道科学研究院和中科院电工所,并开始了样机的试制,分别在长沙和成都青城山、北京八达岭建立了中低速磁浮的试验线。1999年科技部组织了“我国第一条高速磁浮列车试验运行线的可行性研究,进一步消化、吸收德国tr型常导磁浮交通技术1999年引进时速450km/h的德国磁浮技术,提出了建设上海示范运营线的建议。2000年6月,中德联合开展可行性研究,该项目全长30公里,2个车站、2个牵引变电站、1个控制中心和1个维修基地,总投资约89亿元。同年8月立项开始浦东磁浮示范线工程的建设,2002年12月31日正式开始商业运行,成为世界上第一条商业营运线。经过3年多的运行,2006年4月26日通过了国家验收,已掌握了轨道梁等大部分磁浮技术,申请了了16项专利。