磁浮鐵路也稱磁浮軌道交通，是依靠直線電機驅動、磁力懸浮、電磁導向的一種鐵路方式。優越的技術性能使磁浮鐵路具有諸多優勢，如速度高、能耗低、噪音小、啟停快、安全可靠等。
基本介紹
- 中文名：磁浮鐵路
- 外文名：magnetic levitation railway
- 別稱：磁浮軌道交通
- 起源時間：1914年
- 特點：速度高、能耗低等
- 學科：鐵道科學技術
發展,技術原理,分類,技術優勢,
發展
磁浮鐵路的產生和發展是與世界科學技術進步以及鐵路的發展密不可分的。世界鐵路的發展大體上經歷了初創時期、築路高潮時期、停滯不前時期和現代化時期。
(1)初創於鐵路停滯不前時期
1825年英國在大林頓到斯托克頓之間修建了21km的世界上第一條鐵路。從此以後，歐、美等比較發達的國家競相仿效，開始修建鐵路。
第一次世界大戰後到20世紀60年代初，由於戰後公路和航空運輸的快速發展，主要資本主義國家的公路、航空與鐵路的競爭更為激烈，鐵路客貨運量的比例逐漸減少，世界鐵路進入了停滯不前時期。
為了提高鐵路旅客列車的運行速度，提高鐵路的競爭力，1914年Bachelet在英國進行了基於電磁感應相斥原理的直線電機模型試驗。
1922年，德國的赫爾曼·肯佩爾(Hermann Kemper)提出了電磁懸浮理論。1934年申請了“無輪車輛懸浮鐵路”專利(DRP No．643316)。一年之後，它還提出了原型車輛，展示該系統的承載能力(承載能力為210kg)。1936年Kemper發表的論文闡述了電磁吸引式(EMS)的磁浮鐵路的概念。
20世紀40年代，美國等國家進行了磁懸掛系統的開發，20世紀50年代，開發了磁性支撐(軸承)和風洞模型的磁性支撐，1959年，Polgreen提出了帶導向輪的採用永久磁鐵相斥懸浮方式的磁浮鐵路。
到了1960年，德國、英國、美國、日本等國家幾乎同時通過用氣墊方式和磁浮方式進行了高速鐵路的開發。在這些國家的許多大學，也對磁懸浮的基本原理和推進用的直線電機進行了學術研究，從側面支持了磁浮鐵路的研究。
(2)發展於鐵路現代化時期
在電磁懸浮理論誕生之後的近40年間，由於戰後經濟不景氣、世界鐵路的停滯不前和當時科技水平的制約，磁浮鐵路技術幾乎沒有什麼大的發展。
以1964年世界上第一條高速鐵路(東海道新幹線)建成通車為標誌，世界鐵路進入了現代化時期，其明顯的標誌是列車運行速度的提高。在這種形勢下，一些比較發達的國家開始重視磁浮鐵路技術的研究。
1969年德國的克勞斯-馬菲公司KM(Krauss-Maffei)採用短定子直線電機列車驅動技術，研製了“運捷01”(TransRapid 01，簡稱TR01)號磁浮試驗車。兩年後，德國使用TR02號試驗車達到164km/h的試驗速度。1984年德國建成了埃姆斯蘭(Emsland)試驗線。在該試驗線上，採用德國的第一個原型車TR06，最高試驗速度達到412km/h(1983年)；採用第二個原型車TR07，最高試驗速度達到450km/h(1993年)。1999年德國試製完成了準備用於實際的套用型列車TR08。
1972年日本磁浮試驗車輛懸浮走行成功，試驗速度為60km/h，1999年4月載人試驗速度達552km/h，1999年11月雙向列車會車速度1003km/h。
1974年英國在德比進行磁浮試驗，後在伯明罕建成620m磁浮線路，1984年運營，1996年關閉。這是到20世紀末為止在世界範圍內唯一一條曾經投入商業運營的磁浮鐵路線路。
其他國家如前蘇聯、美國、加拿大、法國、韓國、澳大利亞、羅馬尼亞、中國等國也曾開展過試驗研究。
(3)成熟於21世紀
20世紀末，經過多個國家長期的試驗研究，逐漸形成了以日本為代表的超導超高速磁浮鐵路ML技術、德國常導超高速磁浮鐵路TR技術以及日本主要用於中短途客運的中低速地面運輸系統HSST技術。這三種磁浮鐵路技術都修建了相應的試驗線，並在試驗線上進行了充分的試驗研究，相應的車輛、軌道、供電、運行控制等設施及相關技術經過多次改進日趨完善，已經建成或正在準備修建實用化的線路。
日本ML技術已經在山梨試驗線上進行了兩個階段的試驗，對試驗成果的評估結論為“已確立實用化的基礎技術”。2003年12月在山梨試驗線上創造了581km/h的陸路交通最高試驗速度。
德國TR技術已在我國上海成功得到套用，上海磁浮線已成功運營5年。TR08磁浮車於2003年11月在其上創造了501km/h的最高試驗速度。
日本HSST技術已在東部丘陵線得到套用，該線在2005年3月投入運營，已成功運營4年。
技術原理
1.懸浮、導向原理
磁浮鐵路從懸浮機理上可分為電磁懸浮和電動懸浮。
電磁懸浮EMS(Electromagnetic Suspension)就是對車載的、置於導軌下方的懸浮電磁鐵(或永久磁鐵加勵磁控制線圈)通電勵磁而產生電磁場，電磁鐵與軌道上的鐵磁性構件(鋼質導軌或長定子直線電機定子鐵芯)相互吸引，將列車向上吸起懸浮於軌道上，電磁鐵和鐵磁軌道之間的懸浮間隙(稱為氣隙)一般約8～10 mm。列車通過直線電機來牽引運行，通過控制懸浮電磁鐵的勵磁電流來保證穩定的懸浮氣隙。
電動懸浮EDS(Electrodynamic Suspension)就是當列車運動時，車載磁體(一般為低溫超導線圈或永久磁鐵)的運動磁場在安裝於線路上的懸浮線圈中產生感應電流，兩者相互作用，產生一個向上的磁力將列車懸浮於路面一定高度(一般為10～15 cm)。列車運行靠直線電機牽引。與電磁懸浮相比，電動懸浮系統在靜止時不能懸浮，必須達到一定速度(約120 km/h)後才能懸浮。
2.直線電機驅動原理
磁浮列車的牽引電機都是直線電機。直線電機可以認為是半徑無限大的旋轉電機，這時轉子的旋轉運動就可以看作為直線運動。若將直線電機的定子和轉子分別裝在車輛和軌道上，則可實現驅動車輛的目的。直線電機一般可分為兩種形式，即長定子直線同步電機和短定子直線感應電機。
分類
按照不同的角度可以將磁浮鐵路分成不同的種類。下面是常見的幾種分類方式：
(一)按套用範圍劃分
套用範圍主要體現線上路長度、在路網中的作用、最高運行速度等方面。據此磁浮鐵路可以劃分為幹線磁浮鐵路、城際磁浮鐵路和城市磁浮鐵路三種類型。
(1)幹線磁浮鐵路。這裡的幹線包括特別繁忙幹線、繁忙幹線、主要幹線和一般幹線，線路長度一般超過500km，在國家重要的交通運輸大通道擔當客運主力，連線經濟發達地區、經濟大區或大中城市，在路網中起重要的骨幹作用。
(2)城際磁浮鐵路。其線路長度在500km以下、連線客運繁忙的相鄰兩大城市。運行速度一般達到中高速鐵路的速度範圍。
(3)城市磁浮鐵路。其線路長度一般不超過50km，承擔市內交通、機場內交通或機場與市區間交通的任務。由於運行距離較短，列車的運行速度一般是在中低速的速度範圍內。
(二)按繞組材料劃分
根據直線電機線圈繞組是否使用超導材料，磁浮鐵路可以劃分為超導磁浮和常導磁浮。
(1)超導磁浮。超導磁浮的線圈繞組使用超導材料。超導材料在周圍環境溫度低於其臨界溫度後就處於超導狀態，即超導繞組內的電阻幾乎為零。超導磁浮根據工作溫度的不同還分為高溫超導磁浮和低溫超導磁浮兩種類型。超導電磁鐵能產生強大的磁場，具有極高的工作效率，因此可以使列車獲得更大的驅動力、懸浮高度和更快的運行速度。
(2)常導磁浮。常導磁浮使用普通材料製成線圈繞組，採用普通導體通電勵磁，產生電磁浮力、驅動力、導向力。該種直線電機及線圈繞組具有結構簡單、養護維修方便等優點。其主要缺點是線圈繞組中電阻較大，線圈繞組容易發熱，懸浮功耗較大，列車的運行速度也會受到一定的限制。
(三)按驅動方式劃分
列車的運行工況(啟動、牽引、惰行、制動)及運行速度完全由定子繞組中的移動磁場控制。按照直線電機的初級線圈(定子線圈)的安設位置不同，磁浮鐵路可以劃分為導軌驅動和列車驅動兩種類型。
(1)導軌驅動。導軌驅動也稱為路軌驅動、地上一次式驅動。直線電機的初級線圈(定子線圈)設定在導軌上，車上安裝次級或勵磁部分。導軌驅動方式一般採用長定子直線同步電機LSM驅動技術。其列車的運行工況及運行速度完全由地面控制中心控制，列車上的司機不能直接控制。
(2)列車驅動。列車驅動也稱車上一次方式，一般採用直線感應電機LIM驅動，即把電機的初級線圈(定子線圈)部分安裝在車輛上，把次級部分安裝在軌道上。列車驅動方式的列車運行工況及運行速度可由列車司機控制。
另外，按照車輛懸浮原理及方式不同，磁浮鐵路可以劃分為永磁懸浮、電磁懸浮、電動懸浮等三種類型；磁浮鐵路所使用的導軌結構有多種形式。常用的有“T''、“⊥”、“U”和“一”形導軌等。
技術優勢
(1)速度高：高速磁浮列車速度可達到430～550 km/h，在1 000 km左右的中程和遠程線路上，乘坐高速磁浮列車旅行所耗用的時間比乘坐飛機所用的總旅行時間要少(見第9章第l節)，填補了高速鐵路與航空運輸之間的速度斷檔。
(2)選線靈活：磁浮鐵路利用電磁作用來實現車輛的啟動、制動以及走行，不受輪軌黏著限制，理論上限制坡度可以達到100‰。磁浮鐵路由於不存在輪軌接觸，不會脫軌，也不會對軌道造成磨耗，因而可以採用較大的超高值，從而實現小半徑曲線。
(3)對環境影響較小：磁浮鐵路通過無接觸方式實現支承、導向、啟動、制動和供電，避免了車軌界面的接觸，不產生機械噪聲。在相同速度下，磁浮鐵路的噪聲比輪軌鐵路噪聲要低得多。磁浮鐵路的強磁場存在於車輛與線路界面的間隙處，對人體的影響來自從間隙處泄漏的磁通量。電磁懸浮系統由於間隙很小，且磁力線通過間隙閉合，故磁通的泄漏量很少，與地球磁場相當，遠低於家用電器，電磁污染強度非常低。
(4)安全性能好：高速磁浮列車和軌道梁之間相互抱合，即使較大的超高也不會發生脫軌。先進的運行控制系統能夠保證每一段長定子範圍內只有一列車運行，防止了列車相撞和追尾事件的發生。冗餘措施能保證在外部電網發生故障時，列車能藉助自身動能，在安全制動模式下行駛到下一車站或輔助停車區。
(5)能耗較低：磁浮列車無接觸運行，使用現代的大功率電力電子技術，驅動、導向和車上供電均採用了先進的節能技術，相同速度下，磁浮鐵路是低能耗的。隨著列車速度提高，能耗主要用於克服空氣阻力做功。
