高速磁浮交通技術進展與應用前景摘要：高速磁浮交通技術是利用電磁理論，采用直線電機牽引和列車自動控制等高科技技術，具有高速、安全、環保等特點，在中長距離城際客運交通領域具有比較優勢，有一定的前景。本文簡要地闡述磁浮的理論基礎、技術進展和應用前景，并針對滬杭磁浮項目提出了建設性意見：要開拓創新，進一步消化吸收上海示范線的磁浮關鍵技術；通過技術談判和交流合作，力爭掌握核心技術，同時堅定不移走機電設備國產化道路，降低工程造價，提高市場競爭力。在目前滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統），并開展相應的專題研究，廣泛征求意見和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創新體制機制，舉全社會力量，大力推進磁浮項目的進程。前言 人類對速度的不斷追求譜寫了世界交通技術進展的歷史畫卷，科技進步推動社會發展，現代交通技術為人類“地面飛行”的理想插上了翅膀， 高速磁浮交通技術系統具有最高速度（約500公里/時），人類在陸上飛行成為現實。從19世紀上半葉的電磁理論到實際應用走過了180多年。2002年，世界第一條磁浮商業線—上海浦東磁浮示范線的成功營運，以及今年三月國家批準滬杭磁浮項目建議書，為我國探索高速客運系統提供了新的選擇，有望在中國大地形成與高速輪軌系統并存的城際地面高速客運網，形成城市綜合交通系統。通過引進、吸收、消化、輸出，掌握具有自主產權的磁浮實用技術，有利于提高國家競爭力，促進我國交通技術的跨越式發展，提高居民出行質量和水平。1理論基礎 在長期的生產實踐中，人們發現了天然的磁性物質（如磁鐵礦或磁鐵等），由于特有的排斥或吸引特性，中國古代發明了“指南針”，并應用于航海。在漫長的歲月里，人們對電磁一直處于感性認識，直到1820年丹麥物理學家奧斯特發現了電流能夠產生磁場，奠定了電磁科學基礎。隨后，法拉第發明了電磁感應定律，定量描述了感應電動勢與磁通量（磁場強度）的變化關系。19世紀60年代，英國物理學家麥克斯韋（1831-1879）建立了完整的電磁理論并提出了電磁波的猜想。20年以后，赫茲通過實驗驗證了電磁波的存在，為現代通訊和控制技術的應用奠定了基礎。 從基礎理論科學走向實踐應用，同樣經歷了艱辛的探索，而且與當時的社會經濟條件和科學進步水平密切相關。1922年，德國科學家赫爾曼.肯佩爾（Hermann Kemper）發明了電磁浮鐵路原理，并于1934年8月獲得了世界上第一項磁浮技術專利。 磁浮技術從懸浮方式上可以分為電磁磁浮（EMS）和電動磁浮（EDS）兩大類[1]。 電磁磁浮技術是一種常導下的吸引式磁浮系統，即對車載的、置于導軌下方的懸浮電磁鐵通電勵磁而產生電場，磁鐵與軌道上的鐵磁構件相互吸引，將列車向上吸起懸浮于軌道上，磁鐵與鐵磁軌道之間的懸浮間隙一般為8-12mm。列車通過控制懸浮磁鐵的勵磁電流來保證穩定的懸浮間隙，通過直線電機來牽引列車走行。電磁式磁浮列車以德國TRANSRAPID（簡稱TR）型和日本的HSST型為代表，結構原理見圖1。 電動磁浮技術是一種超導下排斥式電動磁浮系統，即當列車運動時，車載磁體（一般為低溫超導線圈或永久磁鐵）的運動磁場，在安裝與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于路面一定高度（一般為100-150mm）。通過直線電機來牽引列車走行。與電磁式相比，電動式懸浮系統在靜止條件下不能懸浮，必須達到一定速度（約150km/h）后才能懸浮。由于間隙大，一般無須主動控制。電動式磁浮列車以日本MLX型超導列車為代表。2 磁浮技術進展 1969年，在工業界和德國聯邦鐵路公司的大力推動下，開始了大運量高速鐵路研究（HSBStudien），隨后生產了第一代磁浮列車Transrapid-01，簡稱TR-01，車重5.86噸，4個座位，在試驗線（660m）上進行了試驗，最大車速90km/h。根據試驗，對列車進行了不斷改進，研制了TR-02（1971）、TR-03（1972）、TR-04（1973）、HMB2（1976）、TR-05（1979）、TR-06（1984）、TR-07（1989）、TR-08（1999）。1999年研制的TR-08型列車，凈重92噸，長51米，最大速度500km/h，并在埃姆斯蘭（Emsland，TVE）雙環形試驗線（31.5km）運行。1991年底，經過第七代列車運行試驗和技術鑒定， 德國向世界宣布TR型高速磁浮交通技術已經成熟，可投入商業應用。1997年7月計劃采用TR-07型列車投入柏林-漢堡線（292km）應用，由于客流量偏小等虧損原因而擱淺，2000年2月取消了該項目計劃。 1962年，日本開始磁浮交通技術的研發工作。1972年研制了低溫超導電動列車ML100型，時速60km/h。隨后，研制了ML500型（1979年，517 km/h），MLU001型（1980），MLX01、MLX02型（1997），最高速度分別達到546和457km/h。2003年12月，ML型列車在山梨試驗線（18.4km），創造了581km/h的世界記錄！ 同時，日本還開發中低速磁浮技術（速度約100 km/h）。1974年研制了第一代樣車HSST-01型，隨后又研制了HSST-02型（1978）、HSST-03型（1983）、HSST-04型（1987）HSST-05型（1989）、HSST 100 S型（1990）、HSST 100L型（1995）。2001年開始在名古屋市郊建造一條8.9公里的低速磁浮線路，2005年投入使用。 世界上其他國家在20世紀60年代開始研究高科技的磁浮交通技術，如前蘇聯、美國、加拿大、法國、韓國、瑞士等。前蘇聯80年代研制了18噸的樣車；美國看好德國磁浮技術，還研制磁浮飛機，但是他們都處于實驗階段。 中國早在20世紀70年代開始進行磁浮交通技術的應用研究。如中國國防大學、西南交通大學、鐵道科學研究院和中科院電工所，并開始了樣機的試制，分別在長沙和成都青城山、北京八達嶺建立了中低速磁浮的試驗線。1999年科技部組織了“我國第一條高速磁浮列車試驗運行線的可行性研究，進一步消化、吸收德國TR型常導磁浮交通技術1999年引進時速450km/h的德國磁浮技術，提出了建設上海示范運營線的建議。2000年6月，中德聯合開展可行性研究，該項目全長30公里，2個車站、2個牽引變電站、1個控制中心和1個維修基地，總投資約89億元。同年8月立項開始浦東磁浮示范線工程的建設，2002年12月31日正式開始商業運行，成為世界上第一條商業營運線。經過3年多的運行，2006年4月26日通過了國家驗收，已掌握了軌道梁等大部分磁浮技術，申請了了16項專利。 據報道，成都飛機公司還研制了高速磁浮列車，時速高達500公里、擁有完全自主知識產權的中國第一輛高速磁浮列車，預計將于今年7月在上海試驗線上進行首次試運行。2005年9月29日，備受各界關注的國家“863計劃”高新技術項目--CM1“海豚”高速磁浮車輛組件在成飛公司正式開鉚生產。此次研制的車輛設計時速為500公里，預計載客90人，主要由車體結構、懸浮導向制動控制、電網、診斷控制、定位測速、磁鐵、氣路、空調、車輛照明、逃生系統等集合而成。由于其與軌道無接觸高速運行，又被業內人士稱之為“零高度飛行器”。3磁浮技術特點3.1 驅動原理特殊 利用電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，讓列車懸浮在軌道上，并用直性電機產生的電磁力實現推進牽引。而輪軌系統，利用導軌支撐鋼輪，電力驅動靠輪軌之間的粘滯摩擦力推進。3.2 高速 由于磁浮列車沒有機械阻力，只有在高速時產生空氣阻力，最高速度達到500km/h（上海磁浮商業運行速度430km/h），具有“陸上飛行器”之美稱；而高速輪軌一般在330km/h，因為速度極限以后，速度與粘滯力成反比。3.3 安全、可靠、舒適 由于采用當代先進的信號技術和列車自動控制系統，并吸取了輪軌系統的先進理念，上海磁浮運行3年來，累計行程超過250萬公里，運送乘客650萬人次，并經歷了風霜雨雪等惡劣氣候的考驗，今年4月通過了國家驗收。由于啟動和制動加速度、座位設計合理，振動小、運行時間短，乘客舒適度高。3.4 占地少 磁浮線一般采用高架和全隔離形式，磁浮限界寬度小于輪軌系統，因此占地遠遠少于高速公路，也比高速輪軌系統占地少，符合構建節約型社會的要求。3.5 轉彎半徑小，爬坡能力強 由于磁浮列車與軌道無接觸、無磨損的支撐和導向，無接觸的牽引和制動特性，線路轉彎半徑小，而爬坡能力大。如速度在300km/h的同等條件下，輪軌系統最小轉彎半徑4000-5000m，而磁浮系統1590m；爬坡能力輪軌系統最大4%，而磁浮10%。3.6 環境友好 由于采用電力（二次能源）驅動，不會產生廢氣和廢水等污染；能耗低，由于磁浮系統特有的驅動和支撐原理，據研究報道，在同等速度下，TR磁浮列車單位能耗低于德國ICE高速輪軌列車。噪聲小，在300km/h條件下， 輪軌91 分貝，而磁浮83 分貝。由于車/軌道之間間隙小（約10mm），磁力線處于閉合狀態，磁場泄漏量小。地球磁輻射強度為50 微特，彩電500，而磁浮為100。3.7 造價高 高速磁浮系統由線路、道岔基礎系統、列車控制系統和供電與驅動系統組成，通過運行控制中心實現系統運轉，與40多年歷史的高速輪軌系統相比，技術系統更加復雜，雖然我國掌握了軌道梁等16項專利技術，但是核心技術仍然在德國手中。據上海磁浮線資料，全長30公里，造價89億元，約3億元/公里；滬杭磁浮項目由于規模效應，全長175公里，造價約350億元，約2 億元/公里；由于商業應用剛開始，運營費用估計不低于輪軌系統。而磁浮系統造價大體是輪軌系統的2倍。3.8 運量大 磁浮列車的運能與列車定員、列車編組、發車間隔和和運行時間密切相關。德國磁浮TR08型列車5節編組，總座位446個（上海磁浮車總座位464個），發車間隔理論2.5min，實際推薦5min；而ICE3型高鐵8節編組，總座位415個。磁浮列車可以考慮10節編組，運量可以比5節編組增加1倍。按5 min 發車間隔，每天運行7：00-22：00計，以10節編組成1列車，磁浮運能為12000人次/h，每天可運送18萬人次左右。4應用前景 目前世界上有三條磁浮線投入運營：上海浦東磁浮示范線（30公里，高速，2002年通車）、日本名古屋丘陵線（8.9公里，中低速，2005年通車）和英國伯明翰線（600米，中低速，1984-1996年）。 規劃建設線路有：中國滬杭磁浮線（175公里，350億，2010年建成）；德國慕尼黑機場線（36.8公里，16億歐元，2008年建成），魯爾線（杜塞爾多夫-多特蒙德，78.9公里，32億歐元）；美國東北線（巴爾的摩-華盛頓特區，60公里，33億美元），匹茲堡機場線（78公里，27億美元）； 荷蘭機場環線（170公里）和北部線（180公里）。5 結論與建議5.1磁浮交通技術是人類科學史一項重大發明，其運行原理完全有別于傳統的輪軌系統。 目前世界上掌握磁浮核心技術的國家是德國和日本，我國上海磁浮是世界上第一條商業應用的示范線，具有后發技術優勢和劃時代的意義。 磁浮交通技術有電磁式（EMS）和電動式（EDS）懸浮兩種類型，又可以分常導高速磁浮（如德國TR08型， 約500km/h）和低溫（4K）超導或永磁低速磁浮（如日本HSST型，約100km/h）。5.2磁浮交通技術具有速度快、運能大、占地少、安全、節能、環保、噪聲小、爬破能力強等特點，但是投資大、商業應用不夠成熟等缺點。5.3應用前景廣闊，但是有一定風險。 磁浮交通技術的主要功能是城際快速客運，能否得到廣泛應用，取決于技術、經濟和環境效益的綜合比較。常導高速磁浮技術具有更廣泛的應用前景，如上海示范線。尤其約500km/h的高速度特別適合中長距離（200-1000公里）的城際客運市場，部分替代飛機，以節省燃油。目前，磁浮項目投資大、技術復雜、運營成本高（如英國線因故障率和維修成本高，運行12年后于1996年停用）等將成為制約磁浮商業應用的瓶頸。5.4中國磁浮項目必須堅持技術創新，確保安全可靠。 中國已經有50多年的磁浮研發歷史 ，又通過引進消化，建成了上海磁浮示范線（30公里），成為世界上擁有16項專利的磁浮技術的大國之一。滬杭磁浮項目已經立項，將極大地促進磁浮技術在中國生根、開花和結果，走上引進-消化-吸收-創新-應用-技術輸出的良性軌道。同時，豐富城際高速客運專線的交通模式，提高運輸水平，惠及大眾出行，創建同城效應，提高區域綜合競爭力。 因此，要開拓創新，進一步消化吸收上海示范線的磁浮關鍵技術；通過談判和技術合作，力爭掌握核心技術，同時堅定不移走機電設備國產化道路，降低工程造價，提高市場競爭力。在滬杭磁浮工程可行性階段，一定要進行多方案比選（高速輪軌與高速磁浮系統），并開展相應的專題研究，廣泛征求鐵道部、上海市、浙江省及杭州市、嘉興市的意見和建議，采取多元化投資策略，充分利用中央、省市地方資源，創新體制機制，舉全社會力量，大力推進磁浮項目的進程。參考文獻[1] 吳祥明主編，磁浮列車，上海科學技術出版社，2003[2] 劉華清等譯，德國磁懸浮列車，電子科技大學出版社，1995[3] 孫章等，高速鐵路與磁浮技術的發展歷程及展望，《科學》，2006（3）[4] Weckerlein, G.J Transrapid: high-tech for “flying on the ground”,The 3rd annual China urban rail summit 2005, P173-179[5] 章云泉，德國軌道交通考察報告，2001，12
