中低速磁悬浮与轻轨、地铁的⽐较
中低速磁悬浮在城市轨道交通中的运⽤
磁悬浮技术的研究源于德国,1922年德国⼯程师赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理,1934年他申请了磁悬浮列车的专利,1953年完成科学报告《电⼦悬浮导向的电⼒驱动铁路机车车辆》。20世纪70年代以后，世界⼯业化国家经济实⼒不断加强，为提⾼交通运输能⼒以适应经济发展的需要，德国、⽇本、美国、加拿⼤、法国、英国等发达国家相继开始对磁悬浮运输系统进⾏开发，并取得令⼈瞩⽬的进展。
磁悬浮列车与传统轮轨列车不同，它⽤电磁⼒将列车浮起，导向和驱动。在运⾏时不与轨道发⽣摩擦，中低速磁悬浮列车（时速⼩于200km）在运⾏时发出的噪声⾮常低。此外，磁悬浮列车还具有速度⾼，制动快，爬坡能⼒强，转弯半径⼩，振动⼩，舒适性好等优点。在修建城市轨道交通线路的造价攀升的情况下，中低速磁悬浮线的性能价格⽐好的优势得以显⽰出来。
1 磁悬浮技术的种类
⽬前，载⼈试验获得成功的磁浮列车系统有3种，它们的磁悬原理和系统技术完全不同，不能兼容。
（1）⽤常导磁吸式（EMS）进⾏悬浮导向，同步长定⼦直线电机驱动的⾼速磁浮列车系统。以德国的TR（Trans rapid）磁浮列车系统为代表。TR采⽤常规电导吸引的⽅式进⾏悬浮和导向，悬浮的⽓隙较
⼩，⼀般为 10mm 左右；由地⾯⼀次控制的直线同步电机驱动。我国上海机场磁悬浮线就是引进的德国 TR系统
（2）采⽤超导磁斥式（EDS)进⾏悬浮和导向，同步长定⼦直线电机驱动的⾼速磁浮列车系统。
⾼速超导磁悬浮列车以⽇本的ML系统为代表。车上的超导线圈在低温下进⼊超导状态，通电后产⽣很强的磁场，列车运动时，超导磁体使线路上的导体产⽣感应电流，该电流也将产⽣磁场，并与车上的超导磁体形成斥⼒，使车辆悬浮（悬浮⾼度较⼤，⼀般为100mm左右）。列车由地⾯⼀次控制的线性同步电机进⾏驱动，同步电机定⼦三相绕组铺设在地⾯线路两侧，⽆需通过⼸⽹受电⽅式供电。
（3）采⽤常导磁吸式（EMS）进⾏悬浮和导向，异步短定⼦直线电机驱动的中低速磁浮列车系统。
以⽇本的HSST为代表，采⽤常规电导吸引的⽅式进⾏悬浮和导向，悬浮的⽓隙较⼩，⼀般为10mm左右，采⽤车载⼀次控制的直线感应电机驱动。由于需要通过导电轨和受流器向车辆供电⽽限制了提速，列车最⾼速度⽐上述两种磁浮列车低。⽇本于1974 年开始HSST 的开发，以最⾼速度以100~300km/h为⽬标速度，⽤于城市近郊运输以及市中⼼与机场之间的中转运输。
2 中低速磁悬浮交通系统组成
中低速磁悬浮交通系统主要由线路、车辆、轨道、道岔、供电、信号、站场、等⼦系统构成。城市轨
道交通系统都是以车辆为核⼼进⾏设计、运营，中低速磁悬浮车辆与轮轨车辆在驱动⽅式、技术特征⽅⾯的根本差异，导致其他⼦系统技术上也有很⼤的变化，某些技术已经超出传统轨道交通的技术领域。
中低速磁悬浮交通系统供电、信号、线路、站场的设计与现运营的轨道交通系统理念、技术路线相同，可采⽤已有的成熟可靠的技术，仅针对磁悬浮车辆的技术特点进⾏专项设计和改进即可。但车辆、轨道、道岔的设计策略由于磁悬浮技术的引⼊产⽣了根本性的变⾰，需要专业的研发、验证。国内外研究机构、⼚商已经进⾏了⼤量的前期⼯作，其中⽇本HSST中低速磁悬浮系统已经商业运营近10年，运⾏情况良好，充分展⽰了其技术成熟，独具特点和优势；国内也修建了实验线路，已证明是安全可靠的。
2.1 车辆技术
从功能⾓度上看轨道车辆都是⼈员从⼀个地点安全、舒适地运送到另⼀个地点，车辆与⼈的⼈机界⾯都是⼀样的，与之对应的车体、座椅、门、空调、灯、PIS系统在技术层⾯不存在差异，可采⽤轨道车辆成熟技术甚⾄产品。但如何开发运输装载⼈的车体则采⽤了不同的思路，⽤磁悬浮技术代替了车轮，随之必须⽤直线电机替代旋转电机和轮对组成的驱动系统，接着形成了承载车辆、悬挂电磁铁和
直线电机的悬浮架，与之配合的轨道也变成了F轨形状。从系统上看，正是磁悬浮技术的应⽤改变了整个系统的技术形态。
2.2磁悬浮技术
磁悬浮系统有常导电磁吸⼒悬浮（Electrical Magnetic Suspension,EMS)、超导电动斥⼒悬浮、永久磁铁悬浮3种基本的悬浮⽅式。这⾥讲述的车辆采⽤EMS技术。磁悬浮系统由控制器、传感器、电磁铁、F轨道构成。控制器采⽤⼆电平的H型斩波电路、电流环和位置双环PID控制策略。测量间隙的传感器采⽤电涡流原理，冗余设计，以适应轨缝和提⾼可靠性。电磁铁采⽤铝制导线绕制，选择具有导磁性好、强度⾜够⾼的钢材作为铁⼼和极板。F轨道⽤耐候钢轧制⽽成。国内乘凉磁悬浮系统的关键部件技术、控制技术已经得到充分验证，成熟可靠，技术⽔平完全满⾜⼯程化应⽤的需要。
电磁吸⼒型悬浮、导向原理⽰意图
2.3直线电机牵引技术
中低速磁悬浮列车采⽤短定⼦直线电机驱动⽅式，电机定⼦安装在车辆左右两侧，转⼦（铝材感应板）沿列车前进⽅向铺设在F轨道上。受到悬浮架安装空间的限制，直线电机长度⽐较短，⼯程上每节
车辆采⽤5串2并的⽅案实现电机三相平衡。逆变主电路与地铁牵引系统采⽤相同技术，由⾼压电器箱、电抗器和牵引逆变器构成。
直线电机产⽣的垂直法向⼒对磁悬浮系统稳定有重要的影响。⼀⽅⾯法向⼒增加了磁悬浮重量，法向⼒的变化还会影响磁悬浮系统控制的稳定性；另⼀⽅⾯磁悬浮⽓隙的变化会影响到直线感应电机牵引⼒的发挥。为保证磁悬浮系统的稳定性和⽓隙的相对稳定，牵引控制采⽤恒滑差频率控制，使法向⼒控制调节随速度变化时⽐较平稳，实现牵引系统与磁悬浮系统的解耦，从⽽保证磁悬浮和直线电机牵引系统都能稳定运⾏，充分发挥各⾃的性能。
2.4 悬浮架技术
悬浮架是磁悬浮车辆的⾛⾏机构，相当于轮轨车辆转向架，是列车实现悬浮、导向、牵引、制动的执⾏机构。
与轮轨车辆转向架相⽐，柔性悬浮架具有其特有的技术特征：
1）通过电磁吸⼒实现⽀撑和导向
中低速磁悬浮车辆悬浮架上电磁铁与轨道之间的电磁吸⼒⽀撑相当于轮轨转向架的⼀系悬挂，为车辆提供⽀撑和导向⼒。
2）左右模块相互解耦
单悬浮架模块装配是直线电机、悬浮电磁铁、空⽓弹簧悬挂等多个重要部件的安装基础，由结构和功能相同的左右模块连接装配，采⽤螺栓、螺母、吊杆、抗侧滚梁、关节轴承等零部件装配⽽成，可以实现相互解耦。这样车辆在起浮时悬浮架的垂向运动不会相互⼲扰，通过抗侧滚梁和关节球轴承可以实现纵向相对平动，使模块装配产⽣菱形变形。当悬浮架模块通过曲线时，在电磁吸⼒的导向作⽤下，菱形变形后的左右模块沿曲线轨道径向排列，使模块与F轨道重合度达到最⼤，以保证车辆悬浮、导向和牵引能⼒损失最⼩，仅在预定的允许范围内波动。
3）采⽤迫导向径向机构和线性轴承
当车辆进⼊曲线时，在离⼼⼒的作⽤下，先进⼊曲线的端部模块相对F轨道最先发⽣横向偏离，此时电磁吸引⼒⽴即产⽣横向分
⼒，将模块拉向F轨道。横向⼒通过滑台迫使该径向机构运动，带动中间滑台横向运动，迫使后进⼊曲线的中间模块沿曲线⽅向径向排列。这种迫使导向机构显著降低了滑台的横移量，并将悬浮架所承担
的横向⼒均匀地分配到各滑台上，提⾼了悬浮架曲线通过能⼒。同时，线性轴承使车辆经过最⼩曲线时，悬浮架与车体之间的位移不会造成车体与悬浮架的脱离，保证平稳地经过最⼩曲线。
2.5 制动技术
中低速磁悬浮列车的制动系统借鉴了成熟的地铁车辆制动技术，采⽤微机控制，具有以电制动优先、空⽓制动补充且能平滑过渡等特性。由于磁悬浮列车没有车轮，所以采⽤⽓-液转换技术，将低⽓压转化为中⾼液压，以液压驱动制动夹钳抱紧F轨，有效解决因空间限制，制动夹钳结构尺⼨⼩⽽不能满⾜制动⼒要求的问题。
制动夹钳
2.6测速系统
由于没有车轮，脉冲转速传感器测速⽅式⽆法在中低速磁悬浮列车上应⽤，常⽤⾮接触式的测速⽅法，如交叉感应环线和枕轨计数测速法。
交叉感应环线测速是通过在轨道上铺设交叉环线，在列车上安装
车载感应线圈实现。对交叉环线输⼊⼀定频率的交流信号，当列车线圈处于交叉环线正上⽅时，会产⽣最⼤感应电压，⽽位于相邻环线的交叉部分时，产⽣最⼩感应电压。由此，当车辆运⾏时，感应线圈将产⽣按⼀定规律变化的感应电压，感应电压经处理形成脉冲信号，再经过适当的算法处理，可以得到列车当前的速度。
轨枕计数测速，采⽤接近感应式传感器检测轨枕的⽅法进⾏测速。当列车运⾏经过轨枕时，相邻2个传感器都会产⽣脉冲信号，采集系统会⾃动记录2个脉冲信号上升沿的时间差，依据传感器之间的距离就可以计算出列车的速度。
3 轨道
磁悬浮系统中的轨道是承载磁悬浮列车的钢轨，其作⽤与轮轨交通中的钢轨相同，但形式上有很⼤的差别。轨道主要由感应板、F轨、紧固件、轨枕、扣件系统、混凝⼟承台组成。其整条线路为有缝线路。感应板采⽤铝型材感应板；F轨采⽤经济耐候钢，并进⾏防腐处理；轨枕可采⽤热轧H型钢轨枕或⽅钢轨枕，刚轨枕常采⽤经济耐候钢，并进⾏防腐处理；扣件是连接钢轨枕和承台的重要部件，结构较复杂，针对路基沉降、F轨形变实现三维调节，保证轨道的平顺度。在实际铺设过程中，受到最⼤轨缝、热胀冷缩值的限制，还需要增加多种轨道接头，来保证轨道平滑顺畅。
系统需要传感器检测极板与轨道的间隙进⾏⾃动控制，对F轨道检测⾯的要求较⾼，若接缝处错位超差或出现折⾓，会对磁悬浮系统带来冲击，严重时会在接缝处响应异常，影响车辆运⾏。F轨的磁极⾯与电磁铁构成磁回路，F轨2个磁极⾯的平⾏度、磁极⾯的平顺度都会影响磁悬浮系统性能及列车的运⾏性能。
4 道岔
磁悬浮道岔系统作为磁悬浮交通线路中的重要组成部分，是实现车辆在线路或车场内进⾏换线、避让等操作的基本装置，为磁悬浮车辆⾼效运营管理提供了必要条件。
传统铁路道岔只移动尖轨和⼼轨，基本轨保持不动。因为中低速磁悬浮车辆是抱轨形式，⽀撑⽅式使得磁悬浮道岔必须采⽤整体移梁的⽅式实现线路转换。按照线路转换的需求，中低速磁悬浮道岔可以分为单开道岔、对开道岔、多开道岔、单渡线道岔组合和交叉渡线道岔组合。道岔的转换控制分为远程控制、现场控制和⼿动控制3种模式。在远程控制模式下，由运控系统向道岔控制系统发出转换指令，道岔系统⾃动完成解锁、转换、锁闭，并判断是否到位，当确认转换到位后，向运控系统输出位置表⽰信号，切断给定信号，完成转换过程。在实际运营线路中，《中低速磁悬浮道岔系统设备技术条件》规定道岔转辄时间不⼤于15s。
5 供电系统
中低速磁悬浮交通供电系统的结构及设备配置与其他形式的城市轨道交通系统⼀致，但在受流⽅式、接地⽅式和漏电保护装置等⽅⾯存在差异。
大众自造磁悬球形车
1）三轨受流四轨回流的侧部受流⽅式
中低速磁悬浮列车运⾏时与⾛⾏轨⽆接触，且⾛⾏轨被作为直线电机的⼀极，不能再承担牵引负荷回流的作⽤。系统必须为车辆提供供电与回流2个通道，若采⽤接触⽹--受电⼸形式，则必须架设2条接触线路，车辆上配置2个受电⼸，这样系统复杂，也会影响景观效果，所以磁悬浮交通线路均使⽤第三轨受流、第四轨回流的接触轨--集电靴⽅式，这样结合车辆抱轨形式节约空间，同时负极轨回流从源头上杜绝杂散电流的产⽣，对地下设施和⾦属构筑的腐蚀降到最低。
2）接地⽅式和漏电保护装置
由于中低速磁悬浮列车与⼤地⽆连接，电⽓设备产⽣的静电⽆处释放，电荷积累引起的⾼压对车上设备尤其是电磁兼容性要求较⾼的设备⼗分不利。⽬前的做法是将车体与负极轨连接，负极轨在牵引变电所设置嵌位装置限制电位，同时为了避免轨地间电位对乘客安全产⽣威胁，在车站设置接地轨。当
牵引变电所外部发⽣⾮⾦属性接地短路故障时，由于接地过渡电阻很⾼，接地电流很⼩，位于牵引变电所内的直流馈线保护很难动作，因此必须在负极母线接地回路中接⼊漏电保护装置。
6 与其他轨道交通的⽐较
1）运⾏速度
地铁最⾼速度80（km/h），轻轨最⾼运⾏速度70（km/h），中低速磁悬浮最⾼速度100（km/h）
2）载客量
地铁单向最⼤⾼峰⼩时客流量为3-6万⼈次；轻轨单向最⼤⾼峰⼩时客流量为1-3万⼈次，
磁悬浮；已建成的长沙磁悬浮列车为3辆固定编组，最⼤载客约363⼈。
3）转弯半径
地铁的转弯半径不⼩于300⽶，轻轨转弯半径⼀般在100⽶到200⽶之间，中低速磁悬浮最⼩转弯半径50⽶。
优点
1）项⽬建设成本：磁悬浮爬坡能⼒是地铁的两倍，最⼩转弯半径只有50⽶，线路建设更加灵活，造价略⾼于轻轨，⽽远低于地铁，已建成的长沙磁悬浮快线总造价仅为地铁的三分之⼀。
2）绿⾊环保：噪声低，是它的最⼤优势，在10⽶⼋⼗公⾥或⼀百公⾥噪⾳只有六⼗⼏分贝。是现有的轻轨、地⾯轨道交通所⽆法⽐拟的。列车在铁轨上⽅悬浮运⾏，铁轨与车辆不接触，⽆噪⾳，不排出有害的废⽓，有利于环境保护。
3）运⾏成本：磁悬浮列车运⾏时与轨道保持⼀定的间隙（⼀般为1—10cm），由于⽆需车轮，不存在轮轨摩擦⽽产⽣的轮对磨损，减少了维护⼯作量和经营成本。磁悬浮列车的使⽤寿命可达35年，⽽普通轮轨列车只有20—25年。磁悬浮列车路轨的寿命是80年，普通路轨只有60年。
缺点及争议：
1）制动问题：要克服很⼤的惯性，只有通过轮⼦与轨道的制动⼒来克服。对于磁悬浮，当遭遇突然停电，采取的是机械臂锁死轨道强制停车，这正是磁悬浮相对于轮轨滑动摩擦制动⽅式⽽⾔会更加危险。 2）救援不便：磁悬浮列车⼜是⾼架的，发⽣事故时在5⽶⾼处救援很困难，没有轮⼦，拖出事故现场困难；若区间停电，其他车辆、吊机也很难靠近。
3）辐射问题：磁悬浮的安全距离和电磁辐射对⼈体的具体影响⽬前并⽆定论。中国铁道科学院出具的
《中低速磁悬浮环境影响报告书》中显⽰：中低速磁悬浮系统对环境的影响轻微，距离轨道10⽶外的电磁影响，已经⼩于电视、冰箱等普通家⽤电器对房间的影响，⼏乎可以忽略不计。沿线民众对于这样的评估结果并不相信。
4）载客量太少，运⼒低：磁悬浮列车对载重量的要求⽐传统轨道列车要严格得多，如果载客量超过⼀定限额，将使列车与轨道距离过
近，根本⽆法开动。上下班⾼峰期经常看到后⾯的⼈推着前⾯的⼈上车的场⾯，若是在磁悬浮列车上，这样超载是⾏不通的。如果乘客等了很长时间，来了车还上不了，那磁悬浮列车就显得不那么实⽤了。磁悬浮列车因载重量的⼤⼩与悬浮电磁铁和定⼦铁的宽度尺⼨的⼤
⼩相关，当设计确定后是不能改变的运量也被固定。每⼀组电机能够牵引的机车是固定的，如果客流量增加，磁悬浮列车既⽆法缩短发车时间，也不能增加车。这些决定了磁悬浮建成后的运输能⼒是很难提⾼的，除⾮重新设计修建。
5）不兼容，道岔结构复杂：磁悬浮技术没有轮⼦，列车也轮轨列车不同、与现有地铁轮轨技术不能兼容成⽹。磁浮转乘站很难和轮轨转乘站兼容在⼀起，旅客换乘较难，降低整个交通⽹络的运⾏⽔平。
磁悬浮道岔结构复杂，庞⼤，该道岔昂贵，锁定困难，可靠性差，转撤⼒⽐轮轨⼤86倍，轨道移动距离多22倍，区间上应每隔20～30km，需设置渡线道岔⼀处，造价和难度很⼤。
7 ⼯程化应⽤
以上内容主要简述了中低速磁悬浮交通系统中不同于传统城市轨道交通的技术，也是⼯程化应⽤中重点关注的部分。由于磁悬浮车辆与其他⼦系统紧密相关，⼯程化应⽤中必须坚持顶层设计，确定好车辆与其他系统的技术接⼝和关键技术指标：1）线路设计必须适应轨道施⼯拟合性；2）选择适合的桥梁及道岔的垂向、横向刚度；3)确定合理的轨道安装误差及不平顺度，选择合适的轨缝与接头；4）运⾏组织、渡线设计、系统救援⽅案充分考虑车辆特点；5）车辆段针对磁悬浮列车的检查、维护要求进⾏专门设计；6）F轨道结构尺⼨对悬浮稳定有重要影响，需配备专门的检测装置。
国内已经修建了上海、唐⼭、株洲3条实验线路，并形成了相应的技术团队和完整的产业链，这为中低速磁悬浮交通系统的商业化运营扫清了技术和产业障碍。作为⼤众关⼼的电磁辐射，在不同实验线路上，经过多家单位多次检测均低于国际、国家标准限值，对居民没有影响。国际上除了⽇本正在运营的线路外，韩国修建了仁川国际机场磁悬浮⽰范线，全场约6.1km，全线共设6个车站和⼀个车辆基地，现已经向媒体开放，进⾏了试运⾏。国内除了上海磁悬浮外，长沙也修建了中低速磁浮⼯程，连接⾼铁长沙南站和长沙黄花国际机场，线路全长18.54公⾥，初期设车站3座，预留车站2座，设计速度为每⼩时100公⾥。项⽬于2014年5⽉16⽇开⼯，2015年12⽉26⽇试运⾏，计划2016年上半年正式通
车运营。长沙中低速磁浮⼯程是中国国内第⼀条⾃主设计、⾃主制造、⾃主施⼯、⾃主管理的中低速磁悬浮，是继上海以来⼜⼀个开通磁悬浮的城市，也是湖南省践
⾏“⼀带⼀路”的重点项⽬。
此外，北京、深圳都提出了修建中低速磁悬浮线路的规划，已经开展了⼤量前期⼯作，完成了⼯程可⾏性研究、环境评估，预计今后⼏年国内将有线路投⼊实际商业运营，向⼈们展⽰其独有的技术特征和舒适性。
8 发展前景
对中低速磁悬浮交通系统技术及⼯程实践的现状分析表明，该系统中的供电、信号、线路、站场等⼦系统完全可以参考或借鉴传统城市轨道交通系统的成熟技术；⽽对于该系统中的车辆、道岔、轨道等磁悬浮专有技术，在⼤量技术⼈员多年研究努⼒下已经被攻克，通过试验线的运⾏考核表明该系统安全可靠，完全具备了⼯程化应⽤条件。当前，中低速磁悬浮交通系统发展已经进⼊加速阶段，通过⽰范线展⽰，将会有⾮常⼴阔的应⽤前景。
中低速磁悬浮系统是轻量化的城市轨道交通运输系统, 最⾼速度约为100⼀150 km/h, 具有安全舒适、环保、快速、便捷、易于修建、维护⽅便等多⽅⾯的特点，既适⽤于中低运量中⼼城市客流不太⼤的
快速延伸线, 诸如与机场、城市郊区、产业区、⼤型娱乐场所等联系的专⽤快速线路上, 也适⽤于建筑物拥挤、线路布置困难的
⼤中城市的交通缓解辅助线路。
(1)⽬前磁悬浮车辆的长度较短，载客量少，如果要将其应⽤于
城市内部和市郊快速线，发挥噪声低、环保、适应路况能⼒强的优点，在运量上略显不⾜。因此，对城市内部运输线路应着重研究提⾼⾏车密度，保证系统的可靠性；对于郊区快线，应着重研究适当加长车辆长度
来提⾼车辆载客量，以及随之⽽来的系统控制更加复杂的问题。
(2)磁悬浮系统线路结构虽然减轻，但是对于桥梁、结构以及供电系统的要求更加严格；虽然系统省去了复杂的轮轨机构的设备维护，但是其耗电量有所增加。由于缺乏实际线路的建设和运营数据，因此对于系统节约与增加部分⽀出的⽐率，车辆的全寿命周期成本，需要进⼀步收集相关数据。
（3）如果能够采⽤我国⾃主研制的磁悬浮技术，将显著降低磁悬浮系统的建设和运营成本，我国的磁悬浮技术虽然在设计参数上和⽇
本HSST基本相当，但还需要经过长实验线的运⾏测试，以确定其是否能够达到相关技术指标⽽满⾜运营要求。同时，可以考虑对悬浮、牵引、制动等关键技术先引进，再消化的逐步国产化的策略。
参考⽂献：
【1】戴政.磁悬浮技术综述【J】中⼩型电机，2000,27（2）：24-26. 【2】刘恒坤，常⽂森.磁悬浮列车的双环控制【J】.控制⼯程，2007,14（2）：198-200.
【3】张辉.上海磁浮列车速度控制系统【J】.都市快轨交通,2005,18(3). 【4】张兴昭.对磁悬浮交通直流牵引供电系统有关技术的探讨【J】.铁道标准设计.2010（3）