磁悬浮列车的工作原理及技术经济特性

1、磁悬浮机车及技技术经济特性性 魏庆朝朝，冯雅薇（北北京交通大学学土木 HYPERLINK /article/sort019/list19_1.html 建筑工程学院院翃北京 1000044） 施翃翃（北北京城建 HYPERLINK /article/sort019/list19_1.html 设计计研究总院 北京 1000037)摘要：直线电机机已开始在磁磁悬浮铁路、城城市轨道交通通中应用。介介绍了直线电电机的分类、33种典型的磁磁悬浮铁路和和直线电机驱驱动的轮轨交交通，对上述述交通方式的的技术经济特特征进行了对对比，总结了了上述交通方方式的适用范范围。关键词词：直线电机机；磁悬浮；城市轨道交

2、交通；适用范范围The Moddes annd feaaturess of tthe Trransitt Systtems DDrivenn by LLinearr MotoorWEI Qingcchao1, FENGG Yaweei1, SSHI Hoong1,22(1.Schoool of Civill Engiineeriing annd Arcchiteccture, Beijjing Jiaottong Univeersityy2. Beijiing Urrban EEngineeeringg Desiign & Reseaarch IInstittute.)Abstracct: L

3、iinear motorr has been succeessfullly ussed inn Megllev trransitt systtem annd rappid raail trransitt systtem foor yeaars. TThe trransitt systtems ddrivenn by llinearr motoor aree classsifieed as Magleev sysstem aand whheel-rrail ssystemm. Thee typiical MMaglevv systtem inncludees Jappanesee MLX sys

4、teem, Geerman TranssRapidd systtem annd Jappanesee HSSTT systtem. TThe teechniccal annd ecoonomicc feattures of thhese ssystemms aree comppared and tthe suuitablle appplicattion ffieldss of tthese systeems arre summmarizzed inn the paperr.Keywwords: lineear mootor; Magleev; urrban rrapid rail transs

5、it; ssuitabble appplicaation fieldds1、引言 从11825年世世界第一条铁铁路出现算起起，轨道交通通已有近1880年的历史史。特别是上上个世纪中叶叶以来，随着着科技的进步步，轨道交通通运输方式不不仅在诸如速速度、密度、重重量等性能方方面有了很大大提高，而且且轨道交通方方式本身也发发生了巨大的的变革。快速速轨道交通有有地铁、轻轨轨、单轨等多多种方式。牵牵引方式历经经蒸汽牵引、内内燃牵引、电电力牵引等阶阶段，目前在在世界范围内内又发展出直直线电机牵引引的交通方式式，包括磁悬悬浮铁路、直直线电机轮轨轨交通、磁悬悬浮飞机等。该该交通方式目目前正在迅速速发展，将来来会

6、成为本世世纪的主要交交通方式之一一。 本文文介绍以直线线电机作为牵牵引方式的新新型客运交通通方式，主要要包括技术原原理和技术经经济分析，最最后对我国发发展轨道交通通系统提出发发展建议。22. 直线电电机及分类22.1 直线线电机原理 传统的轮轨轨接触式铁路路，车辆所获获得的牵引力力（或称驱动动力）、导向向力和支承力力均依靠轮轨轨相互作用获获得，电传动动内燃机车或或电力机车的的牵引动力来来自于传统的的旋转电机。直直线电机交通通系统不使用用传统的旋转转电机而使用用直线电机(linerr motoor)来获得得牵引动力。可可以想象将传传统的旋转电电机从转子中中心向一侧切切开并且展直直，这样旋转转电机

7、则变为为直线电机。或或者认为直线线电机是半径径无限大的旋旋转电机。这这时定子中的的旋转磁场将将变为直线移移动磁场，车车辆将随着直直线电机磁场场的移动而向向前运动。22.2直线电电机分类 直直线电机可以以根据磁场是是否同步、定定子长度及驱驱动方式等因因素进行分类类。2.2.1 按直线线电机定子长长度划分 根据定子子长度的不同同，直线电机机可以划分为为长定子直线线电机和短定定子直线电机机。 长定子子直线电机的的定子（初级级线圈）设置置在导轨上，其其定子绕组可可以在导轨上上无限长地铺铺设，故称为为“长定子”。长定子直直线电机通常常用在高速及及超高速磁悬悬浮铁路中，应应用在长大干干线及城际铁铁路领域。

8、短短定子直线电电机的定子设设置在车辆上上。由于其长长度受列车长长度的限制，故故称为“短定子”。短定子直直线电机通常常用在中低速速磁悬浮铁路路及直线电机机轮轨交通中中，用在城市市轨道交通领领域。2.22.2 按直直线电机的磁磁场是否同步步划分 导轨轨磁场与车辆辆磁场可以同同步运行，也也可以不同步步运行。据此此可以将直线线电机划分为为直线同步电电机和直线感感应电机两大大类型。 直直线同步电机机LSM(LLiner Synchhronouus Mottor)一般般采用长定子子技术，定子子线圈（初级级线圈）安装装在导轨上，而而转子线圈（次次级线圈）安安装在车辆上上。导轨上的的转子磁场与与车辆上的定定子

9、磁场同步步运行，控制制定子磁场的的移动速度就就可以准确控控制列车的运运行速度。高高速、超高速速磁悬浮铁路路一般使用该该种长定子直直线同步电机机。德国的运运捷TR和日日本的MLXX系统均使用用这种直线同同步电机。其其原理见图11。图1 长定定子直线同步步电机原理图图 直线感应应电机LIMM(Lineer Indductioon Mottor) 一一般采用短定定子技术，与与LSM正好好相反，定子子线圈（初级级线圈）安装装在车辆上，而而转子部分则则安装在导轨轨上。转子磁磁场与定子磁磁场不同步运运行，故也称称为直线异步步电机。中低低速磁悬浮铁铁路（如HSSST）及直直线电机轮轨轨交通一般使使用该种电机

10、机。其原理见见图2。图2. 短定子直直线感应电机机原理图2.2.3 按按驱动方式划划分 列车的的运行工况（牵牵引、惰行、制制动）及运行行速度完全由由定子绕组中中的移动磁场场控制。按照照直线电机的的初级线圈（定定子线圈）的的安设位置不不同，直线电电机牵引的轨轨道交通可以以划分为导轨轨驱动和车辆辆驱动两种类类型。 导轨轨驱动也称为为路轨驱动或或地面驱动，采采用长定子直直线同步电机机LSM。直直线电机的初初级线圈（定定子线圈）设设置在导轨上上，采用长定定子同步驱动动技术。其列列车的运行工工况及运行速速度由地面控控制中心控制制，列车司机机不能直接控控制。导轨驱驱动技术一般般用于长大干干线铁路或城城际轨

11、道交通通。德国的运运捷TR和日日本的MLXX系统均使用用这种驱动技技术。 列车车驱动技术采采用短定子直直线感应电机机LIM。直直线电机的初初级线圈（定定子线圈）设设置在车辆上上，其列车的的运行工况及及运行速度由由列车司机控控制，故称为为列车驱动。列列车驱动技术术一般用于城城市轨道交通通，用于中低低速磁悬浮铁铁路（如HSSST）及轮轮轨直线电机机铁路。3.直线电机交交通模式 直直线电机交通通主要包括磁磁悬浮铁路和和直线电机牵牵引的轮轨交交通两种类型型。磁悬浮铁铁路的典型模模式包括日本本的超导超高高速磁悬浮MMLX、德国国的常导超高高速磁悬浮“运捷”TR和日本本中低速磁悬悬浮HSSTT。3.1 德

12、国常导磁磁悬浮TR系系统 德国常常导磁悬浮TTR系统采用用了长定子直直线同步电机机（LSM）驱驱动，悬浮和和导向采用电电磁悬浮EMMS原理，利利用在车体底底部的可控悬悬浮电磁铁和和安装在导轨轨底面的铁磁磁反应轨(定定子部件)之之间的吸引力力使列车浮起起，导向磁铁铁从侧面使车车辆与轨道保保持一定的侧侧向距离，保保持运行轨迹迹（图3）。高高度可靠的电电磁控制系统统保证列车与与轨道之间的的平均悬浮间间隙保持在110mm，两两边横向气隙隙均为8110mm。3.22 日本超导导磁悬浮MLLX系统 日日本超导磁悬悬浮MLX系系统采用了长长定子直线同同步电机（LLSM）驱动动，见图4。在在导轨侧壁安安装有悬

13、浮及及导向绕组。当当车辆高速通通过时，车辆辆上的超导磁磁场会在导轨轨侧壁的悬浮浮绕组中产生生感应电流和和感应磁场，控控制每组悬浮浮绕组上侧的的磁场极性与与车辆超导磁磁场的极性相相反从而产生生引力、下侧侧极性与超导导磁场极性相相同产生斥力力，使得车辆辆悬浮起来，悬悬浮高度为1100mm。如如果车辆在平平面上远离了了导轨的中心心位置，系统统会自动在导导轨每侧的悬悬浮绕组中产产生磁场，并并且使得偏离离侧的地面磁磁场与车体的的超导磁场产产生吸引力，靠靠近侧的地面面磁场与车体体磁场产生排排斥力，从而而保持车体不不偏离导轨的的中心位置（如如图5所示）。22002年66月在山梨试试验线新投入入试验运行的的M

14、LX011-901试试验车见图66，该试验车车最近创造了了580kmm/h的列车车最高试验速速度。3.3 日本中中低速磁悬浮浮HSST系系统 中低速磁磁悬浮系统以以日本的HSSST为代表表，主要应用用于速度较低低的城市轨道道交通和机场场铁路。日本本HSST为为地面交通系系统，采用列列车驱动方式式，电机为短短定子直线感感应电机（LLIM）。电电机的初级线线圈（定子）安安装在车辆上上，转子（或或称次级线圈圈）沿列车前前进方向展开开设置在轨道道上，见图22。在悬浮原原理方面，HHSST系统统与德国TRR相似，不同同之处在于HHSST系统统将导向力与与悬浮力合二二为一。我国国的磁悬浮铁铁路研究目前前大

15、都侧重于于中低速范围围，并且大都都参照HSSST技术研制制。将来用于于名古屋东部部丘陵线的车车辆及轨道见见图7。图7. HSSST车辆及及轨道3.44 直线电机机轮轨交通系系统 如前前所述，磁悬悬浮铁路与传传统轮轨铁路路在驱动、支支承（悬浮）和和导向三方面面的原理和所所采用技术完完全不同。在在轨道交通体体系中，直线线电机轮轨交交通系统是一一种新型的介介于上述二者者之间的轨道道交通形式。该种轨道交通利用车轮起支承、导向作用，这与传统轮轨系统相似。但在牵引方面却采用了短定子列车驱动直线感应电机（LIM）驱动，工作原理与HSST系统直线电机原理基本相同（见图2）。当初级线圈通以三相交流电时，由于感应

16、而产生电磁力，直接驱动车辆前进，改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改变。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙一般保持在10mm左右。该系统原理见图8，车辆见图9。迄今为止，该系系统已经在44个国家的99个城市建成成，总里程已已超过1800km。见表表1。表1 直线电机机轮轨交通系系统应用情况况统计表 另另外日本福冈冈地铁3号线线将于20006建成，韩韩国、美国华华盛顿、法国国巴黎等国家家和城市有可可能建设，我我国广州地铁铁4、5号线线已决定采用用该系统，首首都机场线也也在研究采用用该系统。44. 技术经经济比较4.1 德、日日高速磁浮铁铁路比较 德德国常导超高高速磁悬浮铁铁路TR与日日本

17、超导超高高速磁悬浮铁铁路MLX系系统的主要技技术性能方面面的比较见表表2。表2 德日磁浮浮系统主要技技术特点比较较综合对比分析日日本电动悬浮浮MLX与德德国电磁悬浮浮TR系统在在技术、经济济、环境三方方面的性能，可可以得出如下下结论。1、MMLX系统 HYPERLINK /soft/sort09/list9_1.html 造造价高、超导导技术难度大大；TR系统统 HYPERLINK /soft/sort09/list9_1.html 造价相对较低低，虽然控制制系统复杂、精精确，但技术术相对成熟，大大部分零部件件具有通用性性，市场供应应方便。2、MMLX系统车车辆悬浮气隙隙较大，对轨轨面平整度要

18、要求较低、抗抗震性能好、速速度快并且还还有进一步提提高速度的可可能性，它还还具有低速时时不能悬浮的的特点，因此此更适合于大大运量、长距距离、更高速速度的客运。3、从经济和效率来看，在450km/h以上速度运行时，日本MLX系统优于德国TR系统；在300450km/h的速度范围内运行时，TR系统比较优越；300km/h以下速度时，采用轮轨高速可能更好。4.2 磁悬浮铁路与轮轨高速铁路比较近年来，高速铁路发展迅猛，高速列车试验速度已经达到515.3km/h，实际运营速度也达到250300km/h。表3列出了磁浮铁路和轮轨高速铁路的主要技术指标。表3 磁浮铁路和轮轨高速铁路主要技术指标 通通过上表分

19、析析可以认为：磁浮高速铁铁路和轮轨高高速铁路各自自有突出的优优点和适用范范围，任何非非此即彼的看看法都是不科科学的。在高高速的速度范范围内(20003500km/h)，地面轨道道交通应以高高速铁路为主主体；在需要要3506600km/h超高速特特定条件下，磁磁浮高速铁路路优于轮轨高高速铁路。长长大干线、复复杂地形条件件下修建磁浮浮铁路具有一一定优势，在在短途客运方方面、地形平平坦条件下高高速磁浮系统统并无太大优优越性。4.3 城市轨轨道交通不同同模式比较 在城市轨道道交通中比较较成熟的直线线电机交通系系统包括中低低速磁浮系统统（HSSTT）和直线电电机轮轨交通通系统，为了了便于比较，表表4中也

20、列出出了传统轨道道交通（地铁铁、轻轨）的的综合技术经经济指标。表表4 城市轨轨道交通系统统综合技术指指标 通通过上表分析析可以认为：城市轨道交交通（包括市市中心到机场场之间的铁路路）距离较短短，一般为十十几千米至几几十千米，沿途途需要停靠的的车站比较密密集。目前国国内城市（包包括机场内）轨轨道交通主要要以地铁为主主，但是由于于工程 HYPERLINK /soft/sort09/list9_1.html 造价、环境等等诸多原因，延延缓了地铁的的发展速度；中低速磁悬悬浮技术先进进，但工程费费用和运营费费用较高，且且目前尚无商商业运营经验验，存在风险险；直线电机机轮轨交通技技术先进，系系统成熟、安安

21、全可靠、工工程 HYPERLINK /soft/sort09/list9_1.html 造价低、运营营费用低、环环保性能好，适适合市内和市市郊的中等运运量运输，值值得大力发展展。4. 结论和建建议通过如上上分析，对我我国发展轨道道交通系统提提出如下建议议：1、在超超高速铁路速速度范围内(3505550km/h)应重点点发展磁悬浮浮铁路。但选选用MLX系系统还是选用用TR系统主主要看对速度度的要求，德德国TR技术术的应用速度度范围比较宽宽，从3000km/h到到450kmm/h，日本本的ML技术术在更高的速速度范围(4400k/hh到550kkm/h)内内更具有优势势。2、在高高速铁路(2200

22、3550km/hh)范围内应应重点发展轮轮轨高速铁路路。我国即将将构建快速客客运专线网，高高速轮轨技术术具有广阔的的发展前景。在在此速度范围围内也可考虑虑发展高速磁磁悬浮铁路(MLX或TTR系统)。3、高速铁路在未来的一段时间内仍然是高速轨道交通的主要方式，但超高速磁悬浮的发展也是不可阻挡的。他们的应用速度范围各不相同，无法相互替代，应该共同发展、共同繁荣。4、在中速(120200km/h)范围内应重点发展传统轮轨铁路。在该速度范围内，目前还没有其他的轨道交通方式与中速铁路形成竞争力。5、在低速(120km/h)范围内有较多的技术可供选择。在铁路范围内主要采用传统轮轨铁路技术，在城市轨道交通中有传统轮轨地铁或轻轨、中低速磁悬浮系统、直线电机轮轨交通等方式可供选择，选择何种交通方式应在进行技术经济比较后确定。6、我国的磁悬浮技术及研究大都属于中低速磁悬浮技术的范畴，但目前还达不到实用化程度。故