1 引言
随着社会经济的快速发展，人们对快速、便捷、舒适的出行需求逐年增长，而磁悬浮作为一项高科技轨道交通技术正在悄然走进人们的生活。磁悬浮列车主要是通过电磁力来实现列车与轨道之间的无接触悬浮、导向、驱动，它具有加速快、噪声低、平稳度高、乘坐舒适等优势，能够避免轮轨式列车存在的诸多问题。磁悬浮应用于轨道交通的研究从上个世纪60年代开始，大致经历了常导磁浮列车、超导磁浮列车、超级高铁等几个研发阶段，参与该项技术研究的国家主要包括德国、日本、美国、中国等。2019年5月，中车青岛四方研制出600km/h高速磁浮实验样车，标志着我国在高速磁悬浮列车领域取得了重大突破，时速介于飞机与高铁之间，它能够为城际间的快速通勤提供更好的选择，节约出行时间的同时，还能带给乘客更好的乘坐体验。可以预见磁悬浮技术将会成为未来城际间高速轨道交通的主流技术[1]。
2 磁悬浮列车的组成
磁悬浮列车主要包括悬浮系统、导向系统和推进系统。
2.1 悬浮系统
与传统的轮轨交通方式不同，磁悬浮列车利用电磁铁所产生的同性斥力或异性吸力，将列车悬浮在轨面上方，两者之间无需接触即可运行，大大减少了列车运行时的摩擦损耗和噪声。
按照电磁悬浮力的不同，可将悬浮系统分为以下三类：
（1）电磁悬浮型（EMS）
利用装在车辆两侧转向架上的悬浮电磁铁和线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的电磁引力实现悬浮，也称常导磁吸式。
列车悬浮间隙受电磁铁电流大小影响，因此会通过传感器采集列车与轨面间的间隙数据，反馈至控制系统，经复杂的运算后，精确调整电磁铁中的电流，控制列车稳定悬浮在轨面上方10mm，以确保列车平稳、安全运行。在静止状态可以稳定悬浮，无需安装着地支撑装置。
（2）电动悬浮型（EDS）
利用安装在车辆底部的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动，产生电磁斥力实现悬浮，也称超导磁斥式。
EDS系统中产生的磁斥力与列车运行速度有关，当速度超过100km/h时，产生的磁斥力才能够让列车悬浮起来。速度越高，产生的感应磁场越强，悬浮力越大，列车距离轨面的高度也越高，悬浮高度可达100mm。列车静止时，无磁斥力，不能实现静止悬浮，需要在列车上安装着地支撑装置。
（3）高温超导悬浮型（HTS Maglev）
利用第Ⅱ类超导体磁通钉扎特性及抗磁性而实现稳定悬浮。将高温超导块材放置在永磁体上方，由于高温超导体电阻为0，因此会产生一个较大的、且一直存在的屏蔽电流，该电流形成的磁场会与引起屏蔽电流的磁场相反，生成磁斥力，从而实现悬浮，还有部分穿过超导体的磁通会形成横向的导向力。该类型列车悬浮和导向是不需要任何自动控制的自稳定悬浮系统[2,3]。
2.2 导向系统
导向系统主要是保障列车按照轨道方向安全行驶。常导磁吸式列车通常是在转向架的侧面安装导向电磁铁，其与导向轨侧面相互作用产生吸力，保证列车两侧与导向轨的间隙相等。车辆转弯时，车体偏离正常位置，控制系统通过调整导向电磁铁中的电流，增大导向电磁铁与导向轨的侧面作用力，恢复相等的侧向间隙，实现车辆导向。
2.3 推进系统
磁浮列车的推进系统与直线电机原理类似，但根据列车运行速度的不同，一般分为两类，一是长定子短转子同步直线电机，定子线圈安装在地面轨道，转子线圈安装在车体上，三相电直接供给轨道，适用于高速列车；二是长转子短定子异步直线电机，定子安装在列车转向架下面，转子线圈安装在轨道上，需要从地面供电系统给列车上的定子供电，适用于中低速列车。
3 磁悬浮列车的关键技术
磁浮列车的高速、安全、可靠运行离不开以下关键技术。
3.1 悬浮控制技术
在EMS型列车中，由于吸力较弱，悬浮间隙值在10mm左右，对悬浮控制系统的要求非常高，悬浮间隙传感器是其最重要的组成，它一般安装在车体转向架上，工作环境较为恶劣，温度计齿槽效应会导致悬浮间隙传感器输出的数据产生漂移，严重影响悬浮控制的准确性。研究间隙传感器输入输出数据的非线性特征，并借助于计算机的超强计算能力对输出进行精确补偿是悬浮控制技术研究的热点[4,5]。
3.2 牵引供电技术
牵引供电是指驱动列车运行所需电能的供电方式。对于“贴地飞行”的高速磁浮列车，如何给车稳定供电是一个难题，目前的主流做法就是采用长定子短转子同步直线电机方式实现车体的驱动[6]。
3.3 车体轻量化技术
车体轻量化有利于降低系统功耗、提升列车的运载能力。选择更轻量化的材料、优化列车的结构设计等方法是被验证有效的。大多数列车车体采用铝合金型材，目前正在推进向镁合金、高性能碳纤维复合材料等轻量化材料的转变升级。
4 磁悬浮列车的应用
电磁悬浮的概念出现在上个世纪20年代的德国，从1968年开始研究磁悬浮列车，主要侧重于EMS型列车研究，这也是目前较为成熟、且在国内应用较多的一种技术。我国在2003年引入德国电磁悬浮技术，开通运营了上海磁浮线，该线路全长30km，最高时速430km/h，它也是世界上第一条商业化运营的磁浮专线。2016年，中国具有完全自主知识产权的长沙磁浮快线开通，这是一条中低速磁悬浮线路，线路全长18.55千米，时速达120km/h。2018年6月，中国第2代商用磁浮列车下线，时速达到了160k/h，牵引功率计悬浮能力均比第1代列车有明显提升。不仅在中低速磁悬浮技术上实现了知识产权自主化，2019年5月，青岛四方研制出了600km/h的高速磁悬浮样车，在高速磁悬浮领域也实现了突破。中低速磁悬浮列车主要应用于近距离的城市轨道交通；而高速磁悬浮列车主要应用于远距离城市间的长大干线交通。
日本也是较早开展磁悬浮技术研究的国家，着重研究EDS型列车，2015年山梨县悬浮线测试的最高时速达到603km/h。中国研究磁悬浮列车已有30多年的历史，早期主要研究低速常导型磁浮列车，目前西南交通大学已在高温超导磁悬浮领域取得了很好的进展，2014年搭建了全球首个真空管道高温超导磁悬浮车试验平台，在真空管道内，高温超导磁悬浮列车理论时速将超过音速，而列车与轨道间的共振、管道内的散热等问题也亟待解决。
2020年11月8日维珍公司的超级高铁在美国内华达州完成了首次的载人测试，在500米长的真空测试管道内，列车最高时速达到了172km/h，测试用时15秒，而该超级高铁的目标是在真空管道内实现约1223km/h的行驶速度。
5 磁悬浮列车的前景展望
随着城际间交往的日益频繁，人们对快速、高效的异地通勤需求越来越迫切，高速磁悬浮列车大大缩短运行时间，且能够提供舒服、安全、环保、便捷的乘坐体验。可以预测，真空管道加高温超导技术实现的超级高铁，在低能耗、零污染的条件下将为乘客提供2000km/h甚至更高的运行速度，这将会深刻改变我们未来的交通方式。
参考文献
[1]于子良,任坤华,许文天.高速轨道交通发展趋势[J].装备制造技术,2020(03):230-232+240.
[2]王家素,王素玉.高温超导磁悬浮列车研究综述[J].电气工程学报,2015,10(11):1-10.
[3]刘文旭,李文龙,方进.高温超导磁悬浮技术研究论述[J].低温与超导,2020,48(02):44-49.
[4]乔林真.中低速磁浮列车悬浮传感器热稳定性研究[J].城市轨道交通研究,2020,23(09):80-82+88.
[5]顾艳华,彭涛,廖珍贞,张晨昊,靖永志.基于PSO-RBF神经网络的磁浮车悬浮间隙传感器非线性校正方法[J].城市轨道交通研究,2018,21(12):38-42.
[6]林云志,赖一雄.轨道交通无线供电技术的研究进展[J].科学技术与工程,2020,20(03):892-898.
作者简介：顾艳华（1980- ），女，河南太康人，硕士，副教授，研究方向：轨道交通技术、通信技术
