发展城市磁浮交通的思考

1. 中国城市轨道交通可持续发展战略及建设论坛 发展城市磁浮交通的思考 严陆光 武瑛 中国科学院电工研究所 二OO五年七月

2. 内 容 • 发展的基础与意义 • 已有系统的分析 1）成熟实用的系统——电磁铁电磁式悬浮 Transrapid 与 HSST 2）正在研发的系统——永磁铁电动式悬浮与永磁-电磁混合式 Magplane, Urban Maglev 与 Magnemotion 3）看来无望的系统——将永磁铁铺在路上形成磁性轨道 高温超导块材车，大连磁谷公司，上海师范大学 • 需深入研究的问题 1）对各种需求的适用性 2）允许的加速度与合理的运营速度 3）过载能力与大流量运输能力 4）经济性能 • 结束语

3. 发展的基础与意义 • 从20世纪60年代起，经过长期持续努力，磁浮列车技术已成熟到可建实用运营线，最高运营速度可达550公里/小时，已经证实它的主要优点是： （1）是当今唯一能达到400公里/时以上运营速度的地面交通工具 （2）噪音小，启动停车快（达1-3米/秒2），爬坡能力强（坡度大7-10%），转弯半径小（可至50-70米） （3）安全、舒适、维护少 （4）能耗低、采用电力驱动，不燃油 • 2003年初 开始我国上海浦东机场进城的全长30公里高速磁浮运营线投入调试运营，至2005年5月31日，已安全可靠运行883天，行驶156万公里，载人351万人次。2005年3月日本名古屋全长9.2公里中低速磁浮列车“东部丘陵线”也顺利投入载客运营。说明作为人类第六种运输方式的磁浮交通已经诞生。

4. 磁浮列车的高速优点使其最适用于长距离，大流量的客运线，但这种长大干线的需求全世界都很有限。从世界与我国快速交通的发展看，城市交通的需求要大得多，如我国的长江，珠江与京津唐三角洲地区。作为磁浮交通，美国、德国在积极研究这方面应用的可能性，上海示范线也为此奠定了良好的基础。磁浮列车的高速优点使其最适用于长距离，大流量的客运线，但这种长大干线的需求全世界都很有限。从世界与我国快速交通的发展看，城市交通的需求要大得多，如我国的长江，珠江与京津唐三角洲地区。作为磁浮交通，美国、德国在积极研究这方面应用的可能性，上海示范线也为此奠定了良好的基础。 • 作为城市交通应用，磁浮列车的低噪音、高加速度的优点使在相同站间距离条件下，可以达到更高的运营速度及旅行速度，减少旅行时间，从而成为一种有竞争力的交通方式。 • 磁浮列车的爬坡能力强（7-10%）及转弯半径小（至50-70米）的优点又特别适用于城市中空间狭小，起伏大的地区。

5. 磁浮与轮轨列车驶过的噪声水平比较 注：（1）德国噪声研究所的测试结果。 （2）德国蒂森-克虏伯公司在德国TVE试验线上的测试结果。

6. 加速距离L与运行速度V及加速度a之间的关系

7. a=0.4m/s2 a=0.8-1.0m/s2 磁悬浮列车与轮轨列车加速能力比较

8. 我国近年来城市轨道交通需求急剧增长，很多城市均在积极规划有关发展，建设高潮即将到来。磁浮交通以其技术优越性，理应积极扶植发展，在综合交通系统中占据应有的位置。我国近年来城市轨道交通需求急剧增长，很多城市均在积极规划有关发展，建设高潮即将到来。磁浮交通以其技术优越性，理应积极扶植发展，在综合交通系统中占据应有的位置。 • 城市磁浮交通的发展由于需求大，面广，一般不要求高的运行速度，从而一个系统的研制至实用周期不会很长（3-5年），允许在不同城市采用不同系统，有利于不同方案竞争发展，并带动相应产业的发展，从而有利于各方面积极性的充分发挥。 • 目前估计，城市磁浮交通的投资远低于地铁，也可能略低于轻轨，经济上是合理的。

9. 国内部份城市轨道交通规划及资金需求

10. 已有系统的分析 • 当今世界上有三个系统具备了成熟性与可用性的基本条件，即德国Transrapid高速磁浮列车，日本HSST中低速磁浮列车，日本MLX超导磁浮列车。可在近期内进行城市交通建设的是Transrapid与HSST。 • 三个成熟的磁浮交通系统的研发开始于六十年代后期，那时现实可用的磁体系统只有电磁铁和低温超导磁体，经过几十年努力，两者均已达到了成熟可用的程度，但在此期间，永磁体的发展，特别是NdFeB的出现，以及高临界温度超导材料的发现，人们就开始研究采用永久磁体及高温超导体的可能性，取得了一定进展。 • 采用永久磁体的磁浮系统有三个方案，即（1）在Transrapid或HSST系统的电磁铁中加入一定的永磁材料提供部份激磁所需的安匝，以减小电磁铁所消耗的功率或增大间隙。（2）车上与地面上均敷设永久磁体，依靠两者之间的吸力或斥力实现悬浮与导向。（3）车上装有永久磁体，地面导轨上铺设悬浮用导电板，车辆运动时，依靠磁体与导电板中感生电流相互作用使车悬浮。已进行研制的Magplane,Urban Maglev与Magnemotion系统经过努力有可能近期得到应用。 • 采用高温超导体也有三个方案，即（1）使用高温超导线绕制磁体取代MLX系统中的低温超导磁体，使工作温度可以显著提高。（2）使用高温超导块材经充磁后形成超导永久磁体，取代MLX系统中的低温超导磁体，为此要在块材的性能提高与尺寸增大方面做大量工作。（3）在车上用高温超导块材，地面铺设永久磁体，利用超导体的反磁性产生的排斥力实现悬浮。看来达到实用要做大量研究发展工作。 • 采用永久磁体沿线路铺设的方案，经多次讨论，大多数同志认为工程上是不能实施的，因为，磁浮列车不是磁浮轴承，磁浮轴承可将磁场放在地面上，磁浮列车若将磁场放在地面上，形成几十公里至上千公里长的有磁轨道，其造价与运行都将难于接受。

11. 德国Transrapid高速磁悬浮列车的基本结构 T-形导向轨（安装有铁磁芯片） 车上常规电磁铁用于悬浮和导向控制 传统长定子同步直线电机推进 悬浮和推进用同一组电磁铁 运行速度由地面调频电源控制

15. 电机供电段 电机段控制 开关切断 电机段控制 开关切断 能量供给

16. 开关控制 无线传输 车辆控制 无线传输 轨道控制

17. TR07在EMSLAND

18. 德国高速磁悬浮列车的主要优缺点 • 优点 高速度 完全无接触，噪音小 传统电机原理，工艺成熟 使用铁芯，运行效率高，漏磁小 稳定性好，乘坐舒适 • 缺点 悬浮气隙较小1cm 导向轨精度要求高，造价高 车体较重，约每座位500公斤 需要较复杂的控制系统

19. 上海磁浮线上运行的磁浮列车

20. 上海磁浮列车维修基地

21. 上海磁浮线达到430公里/时

22. 日本HSST中低速磁浮列车沿革 日本航空公司作为机场交通工具着手进行了开发 HSST-01悬浮行驶成功 在科学万国博览会、交通博览会、横滨万国博览会等博览会上，HSST-03~05号车辆运行，累计输送人员大约三百万人次 成立了中部HSST开发株式会社 在名古屋市大江实验线的试验行驶开始 东部丘陵线采用机型选定委员会提出了HSST最为合适的意见 成立了爱知高速交通株式会社 1972年6月 1975年11月 1985年3月~ 1989年11月 1989年8月 1991年4月 1999年7月 2000年2月

23. 悬浮方式 对设置在车上的线圈使用直流电流进行励磁，通过对固定在地面的铁板的吸引力实现悬浮。 通过监控电磁铁与铁板之间的间隙控制电磁铁电流，将间隙保持在8±3mm。

24. 驱动方式采用线性感应电机 定子是设置在车辆上的线圈 流过频率可调的3相交流电产生移动磁场。 转子是固定在地面上的铝板 与通过感应电流磁化的车在磁铁产生排斥和吸引，对车辆实现驱动。

25. 供电方式 提供行驶和悬浮的电力与通常的电车同样，通过金属铝与不锈钢一体化形成的刚体接触网向车辆供电，称为“车辆一次方式”。