奔向世纪的磁悬浮列车

八、奔向21世纪的磁悬浮列车

1825年英国人乔治·斯蒂芬森设计的“旅行”号蒸汽机车行驶在斯托克顿至达林顿的铁路上，从此开创了蒸汽机车的新纪元，他本人也被尊为“蒸汽机车之父”。随着科学技术的不断发展，机车的设计制造也在不断进步。原始的蒸汽机车不断改进，内燃机的发明又开创了机车的内燃时代，与此同时还出现了电力机车，使铁路进入了电气时代。交通发展的历史是速度不断提高的历史，也是人类文明不断提升的历史。目前，磁悬浮列车的出现，更使铁路运输发生了一场空前的革命。

磁悬浮铁路是一种新型的陆上交通运输方式，列车在铁轨上由电磁推动和牵引，悬浮在铁轨上行驶，实现了人类陆上飞行的梦想！它无可比拟的优越性在于：更快、更省、更安全。按悬浮方式分类，它主要有两种类型。

（1）常导电磁吸引式（或称EMS式）磁悬浮列车。磁悬浮列车由车上常导电流产生的电磁吸引力，吸引轨道下方的导磁体，使列车浮了起来，再由线电动机驱动前进。这种方式又称“电磁式悬浮”。其技术特点是常导电流比较容易获得，通常由蓄电池或感应式发电线圈等设备产生电流，供给同步直线电动机的转子，不需要高精尖的超导体技术。但由于这种常导系统的电磁吸引力相对较小，列车悬浮的高度约10mm，故控制精度要求很高。这种列车以德国的TR型磁悬浮列车为代表。

（2）超导推斥型（或称EDS式）磁悬浮列车（如图6-35所示）。超导磁悬浮列车由车上强大的超导电流产生极强的电磁场，该电磁场相对线路侧墙上的8字形导电环（线圈）高速移动，使导电环感应出强大的环流，在8字形下半环中形成推斥磁场，上半环中形成吸引磁场，使列车悬浮。这种磁悬浮列车的超导系统电磁力强大，可使列车悬浮100mm，但超导技术相当复杂，并需屏蔽发散的强磁场。这种列车以日本山梨线的MLU型车为代表。此外还有永磁式悬浮型磁悬浮列车等，但没有得到充分的发展。

高速常导磁悬浮列车与超导磁悬浮列车核心技术可简述如下：

导磁悬浮列车磁悬浮列车都具有悬浮、驱动、导向三大功能。德国TR型车的三大功能装置如图6-36所示，其为车体右下方伸入线路T形梁下的结构示意图。悬浮电磁铁1的线圈通电后与T型梁下的导磁体，即图中直线电动机的长定子铁芯2相吸引，使车体浮起，产生8mm～10mm的悬浮气隙。导向电磁铁通电后吸引T形梁侧面的导磁体（钢梁），在左右两侧导向电磁铁的作用下，使两侧的导向气隙相等，从而实现导向。

图6-35　日本的磁悬浮列车，应用超导强磁体代替车轮运动

图6-36　TR型常导磁悬浮列车悬浮、驱动、导向机构示意图

1－悬浮电磁铁；2－直线电动机定子铁芯；3－直线电动机定子线圈；

4－导向电磁铁；5－导磁体l₁悬浮气隙l₂导向气隙

日本山梨线的超导磁悬浮列车横断面示意图如图6-37所示。它与德国常导磁悬浮列车技术上的重大差别在于悬浮、驱动与导向三大技术中引进了超导技术，其悬浮与导向为EDS制式，即电动推斥式。而驱动方式则与TR型车相同，也用同步直线电动机，但它的转子，即直流励磁线圈，兼有悬浮和导向作用，是一个超导线圈，安装在超导磁悬浮列车的转向架（磁浮架）前后端的两侧，如图6-37中的2所示。

图6-37　超导磁悬浮列车横断面示意图

1－车体；2－超导体电磁线圈；3－驱动线圈及悬浮与导向线圈（常导型）；4－支持轮走行路面；5－导向轮走行路面

利用侧墙安装的悬浮兼导向线圈的电磁力特别强大，这是超导磁悬浮列车系统的又一特点，从而可以降低车体高度。以前各种磁悬浮列车的悬浮线圈和电磁铁都是安置在线路的水平面上，悬浮力是垂直向上的。超导磁悬浮列车系统中兼有悬浮和导向两种功能的线圈由8字形线圈构成，在车上超导线圈磁场的高速切割感应下，上半个线圈对车体产生吸力，电流方向相反的下半个线圈则产生推斥力，而使列车悬浮，如图6-38所示。超导磁悬浮列车的轨道结构如图6-39所示。

图6-39　超导磁悬浮列车的轨道结构原理

1－侧壁梁；2－辅助导向轮走行路面；3－帮助支持轮走行路面；4－内装8字形线圈；5－直线电动机定子线圈

目前，磁悬浮铁路的单向试验速度最高已达到500公里/小时以上。因为它在运行时宛如一架飞机贴着地面，沿一定轨道做超低空飞行，所以给予了它“陆上飞行器”的美称。笔者2006年5月，在上海浦东国际机场乘坐磁悬浮列车（如图6-40所示）进入市区，看到铁路两旁房子都变倾斜，犹如进入了一个童话世界！当我坐在磁悬浮列车中，体会着那种因没有机械振动而带来的平稳而舒适的感觉，真是浮想联翩！

图6-40　上海磁悬浮列车

由于磁悬浮铁路无机械磨损，因而使维修任务大大减轻。对磁悬浮铁路的维修主要集中在电子技术方面，无需耗费大量的人力和物力资源。磁悬浮铁路以电力作为唯一的能源供应，不排放任何有害气体，十分干净、清洁。磁悬浮列车在行进中没有机械噪声产生，对周围环境的影响较小。磁悬浮铁路的这些优点引起了人们极大的兴趣。