中国永磁补偿式磁悬浮列车

徐长发，华中科技大学，2018.4.30

德国常导式电磁悬浮技术以及日本超导式电磁悬浮技术都已基本成熟（有时还出现一些问题），理论运行时速可达500 千米以上；但为了实现稳定悬浮，必须靠复杂的探测、导向和控制技术，所以这两种磁悬浮列车造价很高，技术含量高，精度要求高，制作要求高，控制要求高。

德国常导式磁悬浮研究了几十年，第一条商业运行线还是在中国上海建成，中国从中可学习到磁悬浮技术。

日本的超导式磁悬浮也研究了几十年，一直在本土试运行，现在基本上接近商业运行。

我国的磁悬浮列车起步较晚，进步很快，走了另一条具有自主知识产权的路子，采用“永磁补偿式磁悬浮技术”，制造中低速的磁悬浮列车，而且在很短的时间内就开始实用。该技术于2016年5月在长沙试运营，2017年9月在北京S1线试运营。另外还在湖南株洲、上海临港、河北唐山在建。到2020年，中国要建成5条中低速磁悬浮列车线路。我国已成为世界上中低速磁浮交通技术工程化领先的国家。

中国准备把“永磁补偿式磁悬浮技术”打造成全部国产化的中国技术、中国制造的中国品牌。

一.永磁补偿式磁悬浮的原理

常导式和超导式，要实现磁悬浮就需要电力，而且悬浮和速度之间需要精密地控制和调节。中国的中低速永磁补偿式，不需要电力就能让列车悬浮，这就减少了专门为电磁悬浮而设的其它装置和控制系统。

对于中低速永磁补偿式磁悬浮列车的悬浮方式有2种，第一种是引力悬浮，第二种是斥力悬浮。

第一种，引力悬浮原理如图1所示，T型梁中部安置用于驱动的定子，整个轨道都铺设定子线圈（仅一条，沿轨道展开）；与定子对应的是永磁转子，它安装在车体上；长动子和短定子用于直线牵引。另外，T型梁两臂下部安置永磁体，与之对应的车体转向架上安装电磁体，调节电流大小，实现车体悬浮。这里，悬浮系统和驱动系统是相互独立的。这样的悬浮系统结构简单，也节省能源。停车时，车轮搁在T型梁上，转向架通电，车体就悬浮。

第二种，斥力悬浮原理如图2所示，“V”型梁中部安置用于驱动的定子，整个轨道都铺设定子线圈（仅一条，沿轨道展开）；与定子对应的是永磁转子，它安装在车体上；长动子和短定子用于直线牵引。另外，“V”型梁两翼是铝板，与之对应的车体位置安装强磁体。当停车时，车体利用滚轮搁在梁上，车体滚动启动，永磁体相对于铝板快速移动，铝板上产生涡流磁场，与永磁体相斥产生悬浮力。车体是悬浮在“V”型槽中行驶的。

附带说明，人们不用担心永磁体的悬浮能力，有两个原因:一是钕铁硼永磁体，它在20℃～150℃环境下永磁力优异；二是科学家们发现了永磁体块按照Halbach列阵排列，可以按照需要产生更强的磁场。例如按照图3的方式排列永磁体，就可以在单边产生强大的磁场，这对永磁同步直线电动机牵引和对永磁悬浮都带来很大的方便。

图3.多个永磁体块的一种排列可产生单边磁场

这种“永磁补偿式磁悬浮技术”不需要电力或是仅需很少的电力就能悬浮车体，悬浮高度一般控制在10-15mm。

二.永磁补偿悬浮列车的驱动和导向原理

对于高速的磁悬浮列车，都采用长定子短转子的直线电动机驱动，转子安装在车辆上，定子安装在轨道上。

对于中低速磁悬浮列车，都采用长转子短定子的直线电动机驱动。长转子可采用常规的直线电机转子的绕组结构，也可以直接采用两条直线排列的Halbach磁铁。长转子安装在车辆的底部，定子线圈安装在轨道上，只需要一条。

永磁补偿悬浮列车没有强有力的导向设备，只能中低速运行，只能采用长转子短定子模式，运行时的电力供应与常导式和超导式相同，变频变压，分段供电。

我国永磁补偿悬浮列车运行速度目前是每小时100-150公里，将来还可以提到高铁的速度。我国这种中低速磁浮列车有应急支撑轮，当发生停电事故或悬浮控制系统失效时，列车还有最后一道保障措施，列车滚轮可在轨道上低速牵引前行。

我国现行的永磁补偿悬浮列车还是采用交流异步直线电动机牵引，当然也可以采用交流同步直线电动机牵引，也可采用直流同步直线电动机牵引，不过我国目前还没有这样做。

由于悬浮系统和驱动系统是独立的，是相互不用协调的，所以，导向系统就要特殊设计。采用的办法是，短定子沿着轨道方向固定，长转子对定子的感应能力强，在车体底部可以随磁力自动调节方向，这种导向机构是不能让车速太快的。 

三．中国为什么只发展中低速的磁悬浮列车

高速的磁悬浮列车有很多优点，快速、平稳、节能、无噪音、环保，为什么中国只搞中低速的? 中国的永磁补偿式悬浮技术有什么优势？

中国的设计者们认为，高速的常导式和超导式磁悬浮技术有一些不足之处，不太适合中国的国情。一是过于“高、大、精、尖”，对悬浮、导向、驱动、制动、可靠性方面都要求很高，包括线路的平整度、路基下沉量、道岔结构等方面的要求都很高。二是造价太高。三是高速度加上悬浮会带来安全性和可靠性方面的问题。事实也正是如此，国外研究这种高速磁悬浮列车已经很久了，但总是会出一些问题，总处在试运营阶段，至今总是让人们担忧。

中国的“中低速永磁补偿式磁悬浮技术”，把磁悬浮列车变为一般技术、造价低、容易实施、容易普及推广、稳定性好、可靠性高、便于维修，是一种实现大众化的交通工具的实用技术。具体地，这项技术具有8个方面的优势。

1）悬浮力强，每米悬浮力4吨，也就是说可以把整个轮轨列车悬浮起来，这种大悬浮力既可以载人也可以载货，运量大，适应性强。

2）经济性好，造价仅为高速常导式的一半，如果采用吊轨磁悬浮，其造价还要低很多，造价低容易在短期内产生经济效益。

3）节能性强，综合耗能仅是高速常导式的40%，符合中国的持续发展要求。

4）安全性好，高速常导式和超导式在稳定性和安全性方面仍有一些担忧，至今不敢放手实用，中国的在安全性和稳定性方面都很好，也不受电流和传感器的影响。

5）平衡稳定性好，每节车体的重心低，在纵横两个方向都很稳定，不会发生偏侧。

6）爬坡能力强、转弯半径小。

7）中国的稀土资源丰富，占全世界的85%，既有知识产权优势，也有资源垄断优势。

8）具有自主知识产权，不受治于人。

中低速磁悬浮是我国具有自主知识产权的新技术。上述优势表明，它是点对点的快捷交通工具，适用于近距离城市间和旅游景区的交通连接；也适用于城市市区，建成环形线，多挂车体，加大运载量，可替代轻轨和地铁。

中国要把中低速永磁补偿式磁悬浮列车打造成中国技术、中国制造、中国品牌。我国正在自主建设“沪杭磁浮交通工程”，全长约199公里，要把杭州与浦东国际机场和虹桥机场相互连接起来。中国还正在试建吊轨式永磁悬浮列车。

四.国内关于中低速磁悬浮列车的争议

国内群众对国外的高速磁悬浮列车不放心，一是安全问题，二是磁辐射问题；对自主生产的中低速磁悬浮列车，不担心安全问题，但是怀疑其必要性，也担心磁辐射。

国内群众担心电磁辐射已经有很长一段时间了，总是担心手机、微波炉、个人计算机等的电磁辐射会不会伤及身体，因为关于电磁辐射对人体的具体影响目前并无权威的科学定论，因此以讹传讹的消息也特别多。为此，作者还专门写过一篇科普文章“微波炉加热食品是安全的”，文中提醒大家：电磁辐射无处不在，不要辐射恐惧，要区别辐射频率、辐射强度和持续辐射的时间。

我国磁悬浮的高级工程师说:检测结果证明，磁悬浮列车内的磁场仅相当于吹风机、剃须刀等家用电器产生的磁场，甚至更低，车外也有安全防护带,不用担心电磁辐射影响身体健康。

轮轨高铁好还是高速永磁悬浮好，也是国内专家们争论的问题。例如，我国要建设一条现代化的“京沪线”，因为其沿线人口最密集、经济总量最大、运输需求最旺盛。然而从1998年起，关于采用高速轮轨技术还是采用高速磁悬浮技术的问题，持续争论了8年，最终，还是采用造价低、技术成熟的“高速轮轨”技术。其理由大概有以下几个方面。

1）轮轨高铁全部的关键技术都成熟，有自主的知识产权。

2) 轮轨高铁的建造成本低。高铁的建造成本仅为高速磁悬浮的1/3。

3）轮轨高铁的运营成本低。高铁可以兼容现有轨道网络，普通机车也能跑高铁的线路，而且多列齐跑，发车间隔时间短；磁悬浮列车只能点对点地跑专线；只能单列跑来回，发车时间间隔长。

4）轮轨高铁的舒适度也较高。

5）轮轨高铁有自主知识产权，不受制于人。

6）轮轨高铁的速度已经处在实用的理想状态；现在正常运营时速300多公里，最快可达450公里，比现在的快速磁悬浮时速400-500公里慢不了多少。

7）如果要建造更快的列车，就应该建新一代的真空管道运输系统，其理论时速可达2900公里-5000公里，中国在这方面的研究进展也很快。

8）对于城市交通，近距离城际交通，点对点交通，还可发展“永磁中低速磁悬浮列车”和“吊轨磁悬浮列车”，这些都是很好的选择，不必建造外国知识产权的高速的常导式和超导式磁悬浮列车。

目前，对于近距离点对点交通，市内环形交通，中国把“中低速永磁磁悬浮列车”作为自主品牌；正在发展吊轨式磁悬浮列车，轨道在上车体在下，磁悬浮直线电动机牵引；正在发展真空运输系统；对于网络交通，中国大力发展自主品牌“轮轨高铁”，还大力发展同步电动机驱动的高铁。走自己的路，中国的选择是务实的，明智的。 

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