中低速磁悬浮与轻轨、地铁的比较

1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2三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 100300km/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。32.1 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。4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。52.4 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6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7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。8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。9105 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。 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