磁悬浮火车原理

自 1825 年世界上第一条标准轨铁路出现以来，轮轨火车一直是人们出行的交通工具。然而， 随着火车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击引起列车的强烈震动，发出很强的噪 音，从而使乘客感到不舒服。由于列车行驶速度愈高，阻力就愈大。所以，当火车行驶速度 超过每小时300 公里时，就很难再提速了。如果能够使火车从铁轨上浮起来，消除了火车车轮与铁轨之间的摩擦，就能大幅度地提高火 车的速度。但如何使火车从铁轨上浮起来呢？科学家想到了两种解决方法：一种是气浮法， 即使火车向铁轨地面大量喷气而利用其反作用力把火车浮起；另一种是磁浮法，即利用两个 同名磁极之间的磁斥力或两个异名磁极之间磁吸力使火车从铁轨上浮起来。在陆地上使用气 浮法不但会激扬起大量尘土，而且会产生很大的噪音，会对环境造成很大的污染，因而不宜 采用。这就使磁悬浮火车成为研究和试验的的主要方法。当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式，一种是推斥式；另一种为吸力式。推 斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的 两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时，这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的 铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮 起来。但是，静止时，由于没有切割电势与电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮 子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到 80 公里小时以上时，车辆就悬浮 起来了。吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向 架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬 浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。这次，我国自行开发的中低速磁 悬浮列车就属于这个类型。“若即若离”，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而使 列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种“若即若离”的状态，磁悬浮间隙 约1 厘米，因而有“零高度飞行器”的美誉。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能耗 无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是 这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道交通。德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究的国家，德国开发的磁悬浮列车 Transrapid 于 1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时 436 公里的速度。日本开发的磁悬浮列车 MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550 公里的世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世 纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。磁悬浮列车运行原理磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进 行牵引，使列车悬浮在轨道上运行(悬浮间隙约 1 厘米)。其研究和制造涉及自动控制、电力 电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是 一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、 安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交 通工具，特别适合城市轨道交通。磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种， 按运行速度又有高速和中低速之分，这次国防科大研制开发的磁悬浮列车属于中低速常导吸力型磁悬浮列车。磁悬浮列车的种类磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车 transrapid 为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小， 一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里，适合于城市 间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利 用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列 车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬 浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技 术;而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。德国的常导磁悬浮列车常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两 侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使 车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导 向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。 此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入 悬浮状态。常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是 同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就 象同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有 电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动 绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子” 一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。日本的超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全 抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导 普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和 悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动 力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度 频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这 时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前 进。其原理就象冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲 浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的 顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来 的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与 列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的 悬浮导向绕组与外部动力电源无关，当列车接近该绕组时，列车超导磁铁的强电磁感应作用 将自动地在地面绕组中感生电流，因此在其感应电流和超导磁铁之间产生了电磁力，从而将 列车悬起，并经精密传感器检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100 毫米的悬浮间隙。 同时，与悬浮绕组呈电气连接的导向绕组也将产生电磁导向力，保证了列车在任何速度下都 能稳定地处于轨道中心行驶。目前存在的技术问题尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：(1) 由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施， 尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的 运行考验。(2) 常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要 求较超导技术更高。(3) 超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环 境都有影响 其他回答制动装置一般可分为两大组成部分：(1) “制动机”产生制动原动力并进行操纵和控制的部分。(2) “基础制动装置”传送制动原动力并产生制动力的部分。 列车制动在操纵上按用途可分为两种。(1) “常用制动”一一正常情况下为调节或控制列车速度，包括进站停车所施行的制动。其 特点是作用比较缓和而且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的20%80%,多数情况 下只用 50左右。(2) “紧急制动”一一紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动(在我国，也称“非常制 动”)，其特点是作用比较迅猛，而且要把列车制动能力全部用上。从司机实施制动(将制动手柄移至制动位)的瞬间起，到列车速度降为零的瞬间止，列车所 驶过的距离，称为列车“制动距离”。这是综合反映列车制动装置的性能和实际制动效果的主 要技术指标。闸瓦制动，又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他 材料制成的瓦状制动块(闸瓦)紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将 列车的动能转变为热能，消散于大气，并产生制动力。其他制动方式除闸瓦制动外，铁路机 车车辆还有一些其他制动方式。（一）盘形制动盘形制动（摩擦式圆盘制动）是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制动盘，一般为铸铁圆盘， 用制动夹钳使合成材料制成的两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能 转变成热能，消散于大气。参看图414。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点：（1）可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。（2）可按制动要求选择最佳“摩擦副”（采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一方的车轮的构 造和材质不能根据制动的要求来选择），盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，旋转时它 具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸片创造了有利 的条件，适宜于高速列车。（3）制动平稳，几乎没有噪声。但是，盘形制动也有它不足之处：（1）车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化，所以，还要考虑加装踏面清扫器（或称清 扫闸瓦），或采用以盘形为主、盘形加闸瓦的混合制动方式，否则，即使有防滑器，制动距离 也比闸瓦制动要长。（2）制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率。 盘形制动的制动力（二）磁轨制动 磁轨制动（摩擦式轨道电磁制动）是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间，各 安置一个制动用的电磁铁（或称电磁靴），制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电 磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于大气。 参看图 415。磁轨制动的制动力式中K每个电磁铁的电磁吸力；（P 电磁铁与钢轨间的滑动摩擦系数。与闸瓦和盘形制动相比，磁轨制动的优点是，它的制动力不是通过轮轨粘着产生的，自然也 不受该粘着的限制。高速列车加上它，就可以在粘着力以外再获得一份制动力，使制动距离 不致于太长。磁轨制动的不足之处是，它是靠滑动摩擦来产生制动力的，电磁铁要磨耗，钢 轨的磨耗也要增大，而且，滑动摩擦力无论如何也没有粘着力大。所以，磁轨制动只能作 为紧急制动时的一种辅助的制动方式，用于粘着力不能满足紧急制动距离要求的高速列车上， 在施行紧急制动时与闸瓦（或盘形）制动一起发挥作用。（三）轨道涡流制动 轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道电磁制动。它与上述磁轨制动（摩擦式轨道电 磁制动）很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨 道涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和 钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车动能变为热能消散 于大气。轨道涡流制动既不通过轮轨粘着（不受其限制），也没有磨耗问题。但是，它消耗电能太多， 约为磁轨制动的 10 倍，电磁铁发热也很厉害，所以，它也只是作为高速列车紧急制动时的一 种辅助制动方式。（四）旋转涡流制动 旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）是在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形 成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发热消散于大气，从而产生制 动作用。 与盘形制动（摩擦式圆盘制动）相比，旋转涡流制动（涡流式圆盘制动）的圆盘虽然没有装 在轮对上，但同样要通过轮轨粘着才能产生制动力，也要受粘着限制。而且，与轨道涡流制 动相似，旋转涡流制动消耗的电能也太多。（五）电阻制动 电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的 自励的牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动它发电，并将电流通往专门设置的电阻器， 采用强迫通风，使电阻发生的热量消散于大气，从而产生制动作用。（六）再生制动 与电阻制动相似，再生制动也是将牵引电动机变为发电机。不同的是，它将电能反馈回电网， 使本来由电能或位能变成的列车动能获得再生，而不是变成热能消散掉。显然，再生制动比 电阻制动在经济上合算，但是技术上比较复杂，而且它只能用于由电网供电的电力机车和电 动车组，反馈回电网的电能要马上由正在牵引运行的电力机车或电动车组接收和利用。 上述各种制动方式中，除磁轨制动和轨道涡流制动外，都要通过轮轨粘着来产生制动力并受 粘着限制，所以习惯上统称为“粘着制动”，并把不通过粘着者统称为“非粘（着）制动”。 制动机种类 按制动原动力和操纵控制方法的不同，机车车辆制动机可分类为：手制动机、空气制动机、 真空制动机、电空制动机和电（磁）制动机。（一）手制动机 手制动机的特点是以人力为原动力，以手轮的转动方向和手力的大小来操纵控制。它构造简 单、费用低廉，是铁路上历史最悠久、生命力最顽强的制动机。铁路发展初期，机车车辆上 都只有这种制动机，每车或几个车配备一名制动员，按司机的笛声号令协同操纵。由于它制 动力弱、动作缓慢、不便于司机直接操纵，所以很快就被非人力的制动机所代替。非人力的 制动机成了主要的制动机，手制动机退居次要地位，成了辅助的备用的制动机。但是它的这 个“配角”的地位很牢固。在调车作业、车站停放或者主要制动机突然失灵时，手机仍然是 一个简单有效的救急的制动手段。（二）空气制动机 空气制动机的特点是以压力空气（它与大气的压差，即压力空气的相对压强）作为原一以改 变空气压强来操纵控制。它的制动力大、操纵控制灵敏便利。我国铁路上习惯于把压力空气简称为“风”，把空气制动机简称为“风闸”。依此类推风缸、 风泵、风管、风压、风表等名称均由此而来。直通式空气制动机的基本特点是：列车管直接 通向制动缸（“直通”），列车管充气（增压）时制动缸也充气（增压），发生制动；列车管排 气（减压）时制动缸也排气碱压），发生缓解。它的优点是构造简单，并且既有阶段制动，又 有阶段缓解，操纵非常灵活方便。缺点是当列车发生分离事故、制动软管被拉断时，将彻底 丧失制动能力，而且，列车前后部发生制动作用的时间差太大，不适用于编组较长的列车。 因此，列车操纵后来就改用了自动式空气制动机。2自动式空气制动机 自动空气制动机包括机车制动机和车辆制动机，分别安装在机车和车辆上，构成制动机的一 个整体。自动空气制动机由下列主要部件组成，并分别用管路连接。（1）空气压缩机一般称为风泵。利用机车的蒸汽或柴油机、电动机作动力，将空气压缩成 压力空气，供制动系统及其他风动装置使用。在制动机中称压力空气为风或气。（3）总风缸机车贮存压力空气的容器。因没有压力调整器，能自动控制空气压缩机的运转 或停止，使总风缸的空气压力始终保持为89kgf / cm2。（3）给风阀为调节压力空气的部件，总风缸的高压空气经给风阀调整为规定的风压后，送 入制动管。我国规定货物列车制动管风压（简称定压）为5kgf / cm2，旅客列车为6kgf / cm2。（4）自动制动阀简称大闸或自阀，是司机操纵列车制动机的部件。机车上还装设单独调动 阀（或称小闸、单阀），单机运行时，司机使用单独制动阀操纵机车制动机。（5）副风缸是每个车辆贮存压力空气的容器。机车上因有总风缸，不另设副风缸。（6）制动缸是将空气压力转变为制动原动力的部件。利用压力空气推动制动缸活塞，压缩 缓解弹簧，使活塞杆推出产生制动作用；如排出制动缸的压力空气则缓解弹簧推回活塞，使 制动机缓解。机车车辆都装有制动缸。（7）三通阀装设在车辆上，是依靠制动管风压的变化使制动机形成制动或缓解等作用的部 件。机车上使用的是分配阀，它控制机车（及深水车）的制动和理解等作用。与直通式相比，在组成上每辆车多了一个三通阀6 和一个副风缸 8。“三通”指的是：一通列 车管，二通副风缸，三通制动缸。（四）电空制动机 电空制动机为电控空气制动机的简称。它是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部 件而形成的。它的特点是制动作用的操纵控制用电，但制动作用的原动力还是压力空气（它 与大气的压差）。在制动机的电控因故失灵时，它仍可以实行空气压强控制（气控），临时变 成空气制动机。（五）电磁制动机 操纵控制和原动力都用电的制动机称为电磁制动机，简称电制动机。例如轨道涡流制动和旋 转涡流制动，其操纵控制和原动力都用电，所以，采用这两种制动方式的制动机都属于电磁 制动机的范畴（其实，对于这种制动方式，制动机和基础制动已很难截然分开了）。磁悬浮列车总概：你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率可是居高不下，大家都在密切地关注着它的发 展态势。我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努力，却总是达不到心中理想的标 准，就拿作者本人来说吧，家住西安，距北京1000多公里，原先回家要17 个小时，现在要 14 个小时，唉，只减少了区区 3 个小时，还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮 列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，回家就只需要不到3 个小时，跟飞机差不多了！其实，在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对航空、高速 公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人 流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和 重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国 等国家列车时速由200公里向300公里飞速发展。据1995年举行的国际铁路会议预测，到本 世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到360公里。但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。 这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的。它的粘着 系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数 曲线和走行阻力曲线的交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为 350-400 公里左右。如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能达到 最大时速。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步 提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车磁悬浮列车。尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为铁路，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说， 实际上它已不复存在。轨道只剩下一条，而且也不能称其为轨道了，因为轮子并没有从上 面滚过。事实上，磁悬浮列车连轮子也没有了。铁路上行驶的这种超级列车并没有传统意 义上的牵引机车，它运行时并不接触地面，只是在离轨道10 厘米的高度飞行。什么是磁悬浮列车：磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时 速可达到500 公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能 耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。并且它采用采用高架方式，占用的 耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨 道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵 锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。稍有物理知识的人都知道：把两块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的 一极靠近，它们就互相吸引。托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种 吸引力与排斥力。应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进 行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮 列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多 传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服 了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想 陆上交通工具。根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表 的常规磁铁吸引式悬浮系统一一EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本 原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为10 毫米左右。常导型高速磁悬 浮列车的速度可达每小时400-500 公里，适合于城市间的长距离快速运输；另一个是以日本 的为代表的排斥式悬浮系统一一EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产 生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度 可达每小时500 公里以上。这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自 的技术推向实用化阶段。估计到下一个世纪，这两种技术路线将依然并存。磁悬浮列车的发展史：磁悬浮列车是自大约200 年前斯蒂芬森的“火箭”号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突 破。磁悬浮列车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。磁悬 浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并 于 1934年申请了磁悬浮列车的专利。进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不 断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国 英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。而美国和前苏联则分别在七八十 年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得 了令世人瞩目的进展。下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。日本于1962 年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转 而研究超导磁浮铁路。1972年首次成功地进行了2.2 吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到 每小时50 公里。1977年 12 月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204 公里， 到 1979 年 12 月又进一步提高到 517 公里。1982 年 11 月，磁浮列车的载人试验获得成功。 1995 年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到 411 公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮铁 路的可行性研究，于1990 年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4 公里长的试验线 已于 1996 年全部建设完成。德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期，常导和超导并重，到 1977 年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达 到 400 公里。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得 较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。1978 年，决定在埃姆斯兰德修建全长 31.5公里的试验线，并于1980 年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。列车的最高试验 速度在 1983 年底达到每小时300 公里，1984 年又进一步增至400 公里。目前，德国在常导 磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从 1973 年才开始。但是，英国则是最 早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年 4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间 一条 600 米长的磁浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火 车站仅需90 秒钟。令人遗憾的是，在1995 年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮 列车在运行了11 年之后被宣布停止营业，其运送旅客的任务由机场班车所取代。磁悬浮列车技术基础：磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，见图 3。尽管可以使用与 磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面 分别对这三部分所采用的技术进行介绍。悬浮系统：目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所 采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。图4给出 了两种系统的结构差别。电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相 互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸 力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁 铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接 触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10 毫米，是通过一套高精度电子调 整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态 下列车仍然可以进入悬浮状态。电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝 隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车 必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为 EDS 在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的 发展。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全 抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导 普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和 悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动 力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度 频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这 时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前 进。其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲 浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的 顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来 的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用 就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用， 它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线 圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的 驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的 转子一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列 车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（ N 极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后 一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其 结果就是原来那个S极线圈，现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的 转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和 电压。推进系统可以分为两种。“长固定片”推进系统使用缠绕在导轨上的线性电动机作为高速磁悬 浮列车的动力部分。由于高的导轨的花费而成本昂贵。而“短固定片”推进系统使用缠绕在 被动的轨道上的线性感应电动机（LIM）。虽然短固定片系统减少了导轨的花费，但由于LIM 过于沉重而减少了列成的有效负载能力，导致了比长固定片系统的高的运营成本和低的潜在 收入。而采用非磁力性质的能量系统，也会导致机车重量的增加，降低运营效率。导向系统：导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力 与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系 统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。磁悬浮列车的优势：作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优 势：首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在 1825年，经过140 年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200 公里/小时到 300 公里 /小时又花了近30 年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难却很 大。还应注意到，轮轨铁路提高速度的代价是很高的，300 公里/小时高速铁路的造价比200 公里/小时的准高速铁路高近两倍，比 120 公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度， 其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是 1969 年在德国出现 的，日本是1972 年造出的。可仅仅十年后的1979 年，磁悬浮列车技术就创造了517 公里/ 小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500 公里/小时实用运营的建造阶段。第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达 400-500 公里/小时，超导磁悬浮可达 500-600 公里/小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度 的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身速度、安全、舒适与经济的特 点，分别在不同的旅行距离中起骨干作用。专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离 的分析表明，按总旅行时间考虑，300 公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700 公里时才优越。而500 公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以 上。第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500 公里时速下，磁悬 浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1/3。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公 里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到 300 公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33。磁悬浮列车存在的问题：尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：1. 由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施， 尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的 运行考验。2. 常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要 求较超导技术更高。3. 超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环 境都有影响。磁悬浮铁路在一些国家里取得了较大的发展，有的甚至已基本解决了技术方面的问题而开始 进入实用研究乃至商业运营阶段，但是随着时间的推移，磁浮铁路并没有出现人们所企望的 那种成为主要交通工具的趋势，反而越来越面临着来自其它交通运输方式，特别是高速型常 规（轮轨粘着式）铁路的强有力的挑战。首先，磁浮铁路的造价十分昂贵。与高速铁路相比，修建磁浮铁路费用昂贵。根据日本方面 的估计，磁浮铁路的造价每公里约需60 亿日元，比新干线高20。如果规划中的从东京到 大阪之间的中央新干线修建为磁浮铁路，全线造价约需3 万亿日元，而为了对建造磁浮铁路 这一方案进行可行性研究而计划建造的一条42.8公里长的试验线，其初步预算就达3000 亿 日元。德国也认为磁浮铁路的造价远远高于高速铁路。根据德国在80 年代初的这一项估算认 为，修建一条复线磁浮铁路其造价每公里约为659 万美元，而法国的巴黎至里昂和意大利的 罗马至佛罗伦萨的高速铁路每公里的造价只分别为226 万和236万美元。现在，德国规划中 的汉堡至柏林292 公里长的铁路如果建造成为磁浮铁路，其初步预算就达59亿美元，约合每 公里 2000万美元。磁浮铁路所需的投入较大，利润回收期较长，投资的风险系数也较高，从 而也在一定程度上影响了投资者的信心，制约了磁浮铁路的发展。其次，磁浮铁路无法利用既有的线路，必须全部重新建设。由于磁浮铁路与常规铁路在原理、 技术等方面完全不同，因而难以在原有设备的基础上进行利用和改造。高速铁路则不同，可 以通过加强路基、改善线路结构、减少弯度和坡度等方面的改造，某些既有线路或某些区段 就可以达到高速铁路的行车标准。如，日本1964 年投入运营并大受欢迎的东京至大阪的新干 线，在没有对机车做重大改进的情况下，仅通过修建曲线半径较大，即没有急转弯和陡坡较 小的铁路等方法，从而使列车速度大大提高。再如德国的汉堡至柏林既有铁路线，经过技术 改造后，某些区段的最高速度每小时可达230 公里。此外，欧洲一些国家如德国、瑞典、意 大利等国的设计人员，还采用使车厢在转向架上转动和倾斜的升降技术来对付铁路弯道（即 采用摆式车体），这样在无须对既有线路进行改造和更新的情况下，也使列车行驶速度提高到 每小时220 公里。在对既有线路进行高速铁路改造的过程中，还可以实现高、中速混跑，列 车根据不同区段的最高限速以不同的速度行驶。因而，与磁浮铁路的全部重新建设相比，高 速铁路的线路和运行成本就大大降低了。再次，磁浮铁路在速度上的优势并没有凸显出来。30 多年前，许多人认为轮轨粘着式铁路的 极限速度为每小时250 公里，后来又认为是300-380公里。但是现在，法国的“高速列车” （TGV）、德国的“城际快车”（ICE）和穿越英吉利海峡的“欧洲之星”列车以及日本的新干线, 其运行速度都达到或接近每小时300公里。1990年，在巴黎西部地区运行的法国第二代高速 列车TGVA “大西洋”号更是创下了试验时速515.3公里的世界纪录。更何况，既便是磁浮 铁路的行车速度达到每小时450-500公里，在典型的500公里区间内的运行中，也只比时速 为 300 公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。中国的磁悬浮列车： 我国第一条铁路建成在1876 年，经过七十多年的发展，全国解放时总长2.18 万公里，承担 着全国 65的客运量和约85的旅客周转量，是主要的客运交通工具。建国以来，我国铁路 得到了迅速发展，营业里程迅速增长，达到当前的6.5 万公里，直到七十年代中后期，仍然 保持着全国客运中的骨干地位。八十年代以来，由于公路与民航的迅速发展，以及经济发展 对客运速度提高的需求日益增大，导致了铁路在客运中的地位明显下降，1997 年铁路在全国 客运量中的份额降至7，在旅客周转量中份额降至35。人们已经认识到，必须大力致力 于列车客运提速，才能保持和发展铁路作为重要客运工具的地位。中科院院士严陆光是我国发展高速磁悬浮技术的热心支持者之一。他认为，我国需要发展高 速磁悬浮列车，就在于它最适合于我国高速客运专线网的发展。理由主要有以下三点：1. 我国幅员辽阔，人口众多。目前考虑的主要客运专线（京沪1320 公里，京广港澳2550 公 里，哈大940 公里，徐州宝鸡1030公里，浙赣940公里，京沈703 公里，沪杭194 公里）大 多在 1000公里以上。500 公里/小时的磁悬浮列车比300 公里/小时的高速轮轨列车在旅客选 择民航或铁路中具有显著的优越性。2. 我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努力，恰恰成为我们在 交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的重要机遇。虽然高速磁悬浮技术不 如高速轮轨技术成熟，但只要我们统一认识，下定决心，认真抓紧工作，完全可能在近期内 即达到成熟，并付诸实施。3. 高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为新 兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。我们之所以对磁悬浮运载技术感兴趣，也是由于我们认识到，它代表着一种先进的趋势和先 进的发展方向。目前，中国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中国铁道科学研 究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推 进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常导低速 磁悬浮稳定悬浮的控制技术。继1994年西南交大成功地进行了4 个座位、自重4吨、悬浮高 度为 8 毫米、时速为30 公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院电 工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5 米、宽为3 米、自重4 吨、内设15个座位的 6 吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为 2 米、长 36 米、设计时速为 100 公 里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于1998年12 月通过了铁道部科技成果鉴 定。6 吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础， 填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。上海磁悬浮是中国第一条投入运行的磁悬浮铁路， 全长 29863 公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430 公里；由中国与德国合作， 2002年 12月31日，中国总理朱鎔基和德国总理施罗德成为上海磁悬浮的第一批乘客体会首 次试运行。当时采用的是已通过安全认证的比较简单的单线折返运行方式。双列车会车实验 在2003年7月18 日已经完成。根据中德的协议，双线折返试运行原计划今年9 月完成并接 受安全认证，12月底工程验收，全线正式通车进行商业运行。但是，由于中国遭遇SARS疫 情导致工程进度停止近两个月，估计正式商业运行可能延至2004年1 月。其实，磁悬浮运载技术它不仅能够用于陆上平面运载，也可以用于海上运载，还能用于垂直 发射，美国就在试验用磁悬浮技术发射火箭；它在磁悬浮、直线驱动、低温超导、电力电子、 计算机控制与信息技术、医疗等多个领域都有极重要的价值概括的说，它是一种能带动 众多高新技术发展的基础科学，又是一种具有极广泛前景的应用技术。我们可以预见，随着超导材料和超低温技术的发展，修建磁浮铁路的成本、技术及性能都有 可能会大大降低。到那时，磁浮铁路作为一种快速、舒适的“绿色交通工具，”将会飞驰在祖 国的大地，这样，距离就不再会是阻隔