唐文冰，肖立業(yè)，王 粟，張京業(yè)

(1.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190； 2.中國科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點實驗室，北京 100190； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引言

21世紀以來，隨著社會發(fā)展和人們對高速度和效率的追求，高鐵、地鐵等輪軌交通技術(shù)成熟應(yīng)用，極大地方便了人們的交通需求。然而，輪軌交通中輪轂和軌道之間的機械接觸，限制了輪軌交通的進一步提速，也造成了巨大的能量損耗和噪音。而磁懸浮軌道交通技術(shù)恰好實現(xiàn)了軌道和列車之間的無機械接觸，也正是因為這一技術(shù)特點，磁懸浮軌道交通技術(shù)引起了大眾廣泛關(guān)注和學(xué)術(shù)界的深入研究。

德國最早進行磁懸浮技術(shù)研究，并創(chuàng)造了磁懸浮列車發(fā)展史上多個里程碑[1,2]。1922年，德國人赫爾曼·肯佩爾最先提出了電磁懸浮的原理，并于1934年獲得了世界范圍內(nèi)磁懸浮技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的第一個專利[3]。1970年以后，德國、日本、英國、加拿大、美國、前蘇聯(lián)和中國相繼開展了磁懸浮軌道交通技術(shù)的研發(fā)工作[4，5]。磁懸浮軌道交通技術(shù)與輪軌交通技術(shù)的最大區(qū)別是列車和軌道之間的無機械接觸，故其具有六大優(yōu)勢：①無接觸摩擦，且運行能耗低。300 km/h速度下高速磁懸浮交通的單個座位能耗要比輪軌交通約低30%[6]；②爬坡能力強，且其轉(zhuǎn)彎半徑小。同等距離下磁懸浮交通的爬坡能力可達10%，比有軌交通高6%；且同一速度下磁懸浮交通的轉(zhuǎn)彎半徑更小，易于路線選定[6]；③安全性好，且舒適度高。電磁懸浮列車的磁懸浮車體振動小，且采用全抱軌結(jié)構(gòu)，安全性和舒適度更高；德國專家評價TR系列磁懸浮列車的安全性是輪軌列車的250倍[7,8]；④磁懸浮列車的速度設(shè)計可調(diào)范圍大，且適應(yīng)性強。中低速磁懸浮可用于城郊之間的短途交通，高速磁懸浮可為遠距離客運提供更高效的解決方案[7,8]；⑤污染小、環(huán)境友好程度高。磁懸浮軌道交通是基于磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)列車和軌道之間的無接觸式運行，故磁懸浮軌道交通的碳排量和噪音遠低于現(xiàn)有有軌交通[8]；⑥系統(tǒng)維護費用低。磁懸浮軌道交通正常工作時軌道、受電弓與列車之間無機械接觸，系統(tǒng)的維護費自然比較低[8]。

磁懸浮導(dǎo)向方式是磁懸浮軌道交通技術(shù)的核心，也是保證磁懸浮車和導(dǎo)軌無機械接觸的技術(shù)基礎(chǔ)。不同磁懸浮導(dǎo)向方式?jīng)Q定了磁懸浮軌道交通系統(tǒng)的磁懸浮高度、載重比、控制方法、運行損耗、造價比等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因此，研究磁懸浮軌道交通技術(shù)的磁懸浮導(dǎo)向方式，對磁懸浮交通的研發(fā)和推廣應(yīng)用具有重要意義。

2 磁懸浮軌道交通技術(shù)概述

2.1 基本原理和分類

磁懸浮軌道交通在輪軌交通的基礎(chǔ)之上去掉或弱化了輪軌系統(tǒng)的作用，基于磁極之間“同性相吸，異性相斥”的原理，利用電磁、超導(dǎo)或永磁等磁力克服列車重力或?qū)蛄Φ淖饔?，使磁懸浮列車和軌道之間達到無明顯機械接觸式(有部分類型磁懸浮列車會有供電弓形軌或?qū)蜉喎矫娴妮p微機械接觸)的平衡狀態(tài)，且一般采用直線電機進行驅(qū)動[9]。

磁懸浮軌道交通系統(tǒng)主要由軌道、磁懸浮列車、磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、電力電子裝置、集中控制系統(tǒng)組成[10，11]。根據(jù)磁懸浮原理的不同，磁懸浮交通技術(shù)主要可分為常導(dǎo)電磁懸浮(ElectroMagnetic Suspension, EMS)、電動磁懸浮(ElectroDynamic Suspension, EDS)、高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮(High-Temperature Superconductivity Pinning magnetic levitation, HTSP maglev)、永磁與電磁混合懸浮(Permanent Magnetic and ElectroMagnetic hybrid Suspension, PM-EMS)等；其中，EDS又可分為超導(dǎo)式電動磁懸浮(SuperConductivity EDS，SC-EDS)和永磁電動磁懸浮(Permanent Magnet EDS, PM-EDS)[9，12]。根據(jù)用途的不同，磁懸浮軌道交通技術(shù)可分為在載客磁懸浮和貨運磁懸浮。根據(jù)控制方式的不同，磁懸浮軌道交通技術(shù)分為主動式磁懸浮和被動式磁懸浮，也稱為有源式磁懸浮和無源式磁懸浮[13]。主動式磁懸浮是指系統(tǒng)通過連續(xù)或斷續(xù)地測量磁懸浮間隙的大小，通過某個有源變量來控制磁懸浮力，使磁懸浮列車維持在一個無接觸的磁懸浮穩(wěn)定范圍內(nèi)，如EMS和PM-EMS；而被動式磁懸浮不需要通過控制某個有源變量來控制磁懸浮力，磁懸浮列車能實現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮，如EDS和HTSP maglev。

2.2 六類典型磁懸浮軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀綜述

按2.1節(jié)中的磁懸浮原理分類，下面分別對EMS、EDS(SC-EDS、PM-EDS)、HTSP maglev和PM-EMS這四大類磁懸浮軌道交通的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀進行簡述。另外，考慮到兩類特殊磁懸浮軌道交通(暗軌/吊軌磁懸浮系統(tǒng)，其特殊之處在于用機械導(dǎo)向輪來實現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)向，采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機磁驅(qū)動；超級高鐵，其特殊之處在于并不是所有磁懸浮方案都是磁懸浮，還有氣動磁懸浮方案)的核心技術(shù)也是磁懸浮技術(shù)，與上述四大類磁懸浮軌道交通有類似共通之處，本文也對這兩種特殊的磁懸浮軌道交通進行總結(jié)簡述。

2.2.1 EMS型磁懸浮

EMS型磁懸浮在軌道交通上的典型應(yīng)用是EMS型磁懸浮列車，其主要類型有德國TR系列高速磁懸浮列車、日本HSST系列中低速磁懸浮列車、中國高速和中低速磁懸浮列車和韓國中低速磁懸浮列車。其中，高速磁懸浮列車的時速一般大于400 km/h，中低速磁懸浮列車的時速一般小于120 km/h。目前，時速在120～400 km/h之間的中高速磁懸浮尚未有工程應(yīng)用，而高鐵剛好在這一時速范圍有較大的競爭力[13]。

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，德國磁懸浮列車從MBB原理車、TR04樣車發(fā)展為TR08型和TR09型商業(yè)樣車，運行速度也從100 km/h提升到500 km/h，形成了TR系列常導(dǎo)高速磁懸浮列車體系[10，14]。同時，日本為解決市區(qū)與郊區(qū)之間的短途客運問題，在研制高速磁懸浮列車的同時，先后研發(fā)了HSST-01至HSST-05型磁懸浮列車，其最高運行速度可達100 km/h，形成了HSST系列常導(dǎo)中低速磁懸浮列車體系[10，15]。韓國從1985年開始自主開發(fā)磁懸浮列車技術(shù)，韓國機械材料協(xié)會、韓國現(xiàn)代Hyundai、韓國大宇Daewoo和韓國軌道公司ROTEM，先后開發(fā)了HML型磁懸浮列車、UTM型磁懸浮列車和MLV型磁懸浮列車，均為EMS中低速磁懸浮列車[10，16]。我國磁懸浮軌道交通的研究工作起步較晚，20世紀80年代后期開始研究，但發(fā)展速度較快。20世紀末，西南交通大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所和中國鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合攻關(guān)，相繼研發(fā)了CMS03型實驗樣車、CMS03A型工程樣車、CMS04實用性工程化樣車，運行速度達到110 km/h，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CMS系列常導(dǎo)中低速磁懸浮列車體系[10,17]。同時在20世紀初，我國引入了TR08磁懸浮技術(shù)在上海投入商業(yè)運營，最高運行速度可達430 km/h[18]。在此基礎(chǔ)之上，我國開始了常導(dǎo)高速磁懸浮列車的研究，并于2019年青島四方宣布具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速磁懸浮列車研究取得了突破性進展，其設(shè)計時速為600 km/h。2021年4月，全球首套內(nèi)嵌式磁懸浮軌道交通系統(tǒng)在成都亮相，其測試時速達169 km/h。2021年7月，我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的時速600 km/h高速磁懸浮交通系統(tǒng)在青島下線。

除德國、日本、韓國和中國四個國家外，英國、加拿大、美國、前蘇聯(lián)等國家從20世紀中期起，均開展了EMS磁懸浮列車技術(shù)的研究[19，20]。然而到目前為止，我國在2002年底引進德國磁懸浮技術(shù)于上海建成的國內(nèi)首條高速磁懸浮線，仍是全球唯一商業(yè)運營的EMS高速磁懸浮線路。目前全球范圍內(nèi)仍在運營的EMS中低速型磁懸浮線一共有四條，分別是中國長沙磁懸浮線(其最高運行速度為100 km/h，2021年7月計劃提速至140 km/h)、中國北京S1號地鐵線(其最高運行速度為80 km/h)、日本名古屋磁懸浮線(其最高運行速度為100 km/h)和韓國仁川國際機場線(其最高運行速度為110 km/h)[10]。

2.2.2 EDS型磁懸浮

EDS型磁懸浮列車主要包括SC-EDS型磁懸浮列車和PM-EDS型磁懸浮列車兩種，下面分別對這兩種EDS型磁懸浮列車的研究現(xiàn)狀進行簡述。

(1)SC-EDS型磁懸浮列車

1962年，日本開始SC-EDS磁懸浮技術(shù)的研究，研發(fā)了ML100磁懸浮原理車，其載人測試時速60 km/h[21]。1979年日本國鐵研發(fā)了ML500R磁懸浮試驗車，并在宮崎試驗線上試跑的空載時速為517 km/h，創(chuàng)造了當(dāng)時的世界紀錄[9]。1980年，日本國鐵將宮崎試驗線的T型軌換成了U型軌，并研發(fā)出MLU001磁懸浮樣車(其載人測試時速為400 km/h)和MLU002N磁懸浮樣車(其空載測試時速431 km/h)[22，23]。1997年，研制出準(zhǔn)商業(yè)磁懸浮列車MLX01型樣車，并在山梨磁懸浮線上進行了載人實驗，最高載人測試時速為531 km/h，并于1999年完成時速552 km/h的載人實驗和時速1 003 km/h的會車實驗[24]。2003年改進后的MLX01-901樣車完成時速581 km/h的載人實驗和時速1 026 km/h的會車實驗，再次刷新世界紀錄[25]。2012年，日本東海鐵路公司公布了從MLX01樣車基礎(chǔ)之上研發(fā)的L0系列樣車，并計劃將其應(yīng)用在中央新干線上商業(yè)運營，并于2015年在山梨磁懸浮線上載人測試，其時速達590 km/h，載白鼠測試時速達603 km/h[26,27]。2014年，日本政府宣布計劃于2027年建成東京到名古屋的商業(yè)磁懸浮線，計劃速度為505 km/h，建成后東京到大阪可在1 h之內(nèi)直達[9]。另外，隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)和液氮制冷技術(shù)的快速發(fā)展，日本2000年左右將山梨磁懸浮線上的車載低溫超導(dǎo)磁體線圈替換成高溫超導(dǎo)Bi系線圈，實驗測試速度達553 km/h，但最后中央新干商業(yè)磁懸浮線并未采用高溫超導(dǎo)Bi系線圈磁體方案[28]。

(2) PM-EDS型磁懸浮列車

PM-EDS型磁懸浮在軌道交通方面的典型應(yīng)用是Magplane磁懸浮(也稱為磁懸浮飛機)和Inductrack磁懸浮。

磁懸浮飛機不是通常意義上的飛機，是一種新型永磁電動高速軌道交通。1960年，美國科學(xué)家Powell和Danby提出了永磁電動式磁懸浮列車方案[29]。隨后，美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)在此基礎(chǔ)之上提出了Magplane的概念，車載磁體用新型永磁材料制作而成，并進行車軌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，致力于發(fā)展簡捷、高效、低成本、穩(wěn)定性高的城內(nèi)和城間磁懸浮交通系統(tǒng)。20世紀70年代，美國科學(xué)部門按照麻省理工學(xué)院提出的Magplane原理建造了1∶25的模型，在100 m長的軌道上完成幾百次實驗運行和測試，并在1992年應(yīng)美國交通部的要求，為800 km的路段進行了工程設(shè)計和成本分析。1995年工程設(shè)計被采納，隨后進行了更細致的研究分析，并最終在大型運輸系統(tǒng)中進行測試使用[10]。2002年，美國商業(yè)合作銀行集團與成都四家公司合資成立了成都飛美磁懸浮飛機有限公司，投資8 000萬$建設(shè)成都磁懸浮飛機生產(chǎn)基地，總投資8億$建設(shè)磁懸浮飛機運營線路[10]。然而，從磁懸浮飛機概念提出到如今，世界上還沒有任何磁懸浮飛機商業(yè)運營線路。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)探索研究了Inductrack 永磁懸浮系統(tǒng)[30，31]。Inductrack 磁懸浮系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)與Magplane磁懸浮系統(tǒng)有類似之處，但在功能和部分結(jié)構(gòu)上做了改進和優(yōu)化。根據(jù)速度的不同，Inductrack磁懸浮系統(tǒng)可分為 Inductrack I型中低速磁懸浮系統(tǒng)和 Inductrack II高速磁懸浮系統(tǒng)。美國國家航空和宇宙宇航局曾考慮利用Inductrack I磁懸浮系統(tǒng)來發(fā)射火箭。Inductrack II 磁懸浮系統(tǒng)的浮重比與 Inductrack I 相比有大大的提高，因此它更適合于市區(qū)低速磁懸浮交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)也曾在美國聯(lián)邦運輸局的贊助下由 General Atomics 領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計和建造。之后，LLNL還推出了適用于重載貨物運輸?shù)腎nductrack III磁懸浮系統(tǒng)。

2.2.3 HTSP maglev型磁懸浮

1997年，中國和德國聯(lián)合研制出高溫超導(dǎo)磁懸浮模型車，重20 kg，磁懸浮高度7 mm，軌道直徑3.5 m[32，33]。2000年底，西南交通大學(xué)王家素團隊成功研制了世界首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗車“世紀號”，可承載4名乘客，磁懸浮力達6 350 N，磁懸浮高度大于20 mm，軌道長15.5 m[32,34]。2004年，德國IFW研究所成功研制高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗車“SupraTrans I”，最大載重350 kg，直線軌道長7 m[32，35]。2011年，德國IFW研究所改進完成了第二代高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形實驗線“SupraTrans II”，可承載2人，環(huán)形軌道80 m長，速度可達20 km/h，最大加速度1 m/s2[32，36]。1998年，巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)開始從事高溫超導(dǎo)磁懸浮研究，并于2014年修建成長200 m的“Maglev Cobra”高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗線，可承載24人，車體采用輕質(zhì)纖維材料以減輕重量[32,37]。西南交通大學(xué)研究團隊在“世紀號”的基礎(chǔ)之上深入研究，2014年將真空管道技術(shù)和高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)相結(jié)合，研制成新一代高溫超導(dǎo)磁懸浮環(huán)形試驗線和真空環(huán)形軌道高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗系統(tǒng)“Super-Maglev”，該系統(tǒng)采用Halbach型永磁軌道，軌道全長45 m，最高車速50 km/h。2015年，西南交通大學(xué)成功研制了壁掛式高溫超導(dǎo)真空管道磁懸浮系統(tǒng)，空載時速82.5 km/h[32,38]。2021年1月，西南交通大學(xué)公布了完全由我國自主研發(fā)設(shè)計、制造的世界首臺高溫超導(dǎo)高速磁懸浮工程化樣車及其實驗線，設(shè)計時速620 km/h。另外，意大利、俄羅斯等國也相繼研制出各自的高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)[39，40]。

2.2.4 PM-EMS型磁懸浮

PM-EMS型磁懸浮的典型應(yīng)用是美國M3磁懸浮列車。M3磁懸浮列車系統(tǒng)是美國MagneMotion公司在Magplane的技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合考慮了TR系列和HSST系列磁懸浮列車的優(yōu)點而開發(fā)了中低速長定子直線同步驅(qū)動、永磁懸浮與導(dǎo)向的單磁懸浮架系統(tǒng)，以實現(xiàn)高效率、高靈活度和低成本的城市快捷運輸[41,42]。列車可兩輛編組，也可六輛或多輛編組，可專程直達，也可中轉(zhuǎn)而達，系統(tǒng)靈活度高且全自動控制。自2003年開始，MagneMotion公司與美國聯(lián)邦交通管理局合作驗證其專利技術(shù)的可行性。隨后，MagneMotion公司提出了M3磁懸浮系統(tǒng)的詳細初步方案，并在實驗室中建成了小尺寸原理車和試驗線[43,44]。2008年，MagneMotion公司宣布獲得FTA約630萬$的資助，開發(fā)時速100 mile/h的城市磁懸浮交通系統(tǒng)；M3全尺寸系統(tǒng)已在馬薩諸塞州丹弗斯克萊斯特的12 m長軌道進行了室內(nèi)測試，并在奧多明尼昂大學(xué)78 m的室外軌道上進行了測試。在文獻[44]中，發(fā)表了一張南京M3磁懸浮系統(tǒng)的實驗樣車和試驗線圖片，但未發(fā)現(xiàn)其他文獻和報道中有所提及。

另外，中國科學(xué)院電工研究所、國防科技大學(xué)、西南交通大學(xué)等國內(nèi)高校科研院所也在PM-EMS型磁懸浮方面做了深入的研究，并完成了模型車的研制和測試等重要工作[45,46]。

2.2.5 暗軌/吊軌永磁補償式磁懸浮列車

暗軌/吊軌永磁補償式磁懸浮是中國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新技術(shù)，并不是完全意義上的磁懸浮列車，因為其并未完全實現(xiàn)無機械接觸，依靠永磁補償式磁懸浮技術(shù)來提供主要的磁懸浮力和導(dǎo)向力、機械導(dǎo)向輪來提供輔助的磁懸浮力和導(dǎo)向力。李嶺群團隊歷經(jīng)17年的研發(fā)，申請了多項暗軌/吊軌磁懸浮方面的專利，并于2004年8月在中國大連市科技局主持的“永磁補償磁懸浮技術(shù)鑒定會”上進行鑒定，鑒定結(jié)果為：永磁補償式磁懸浮技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，經(jīng)過進一步地研究實驗，有望用于城內(nèi)和城際區(qū)域交通，并建議通過建設(shè)實驗線對相關(guān)技術(shù)進行驗證[47-50]。2004年10月，中國首輛具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的暗軌型磁懸浮樣車“中華01號”在大連磁谷科技研究所內(nèi)運行成功，軌道長56 m，車長、車寬和車高分別為10.3 m、3.12 m和2.86 m，設(shè)計時速110 km/h，單車載客人數(shù)32人，且造價低于1億元/km[51]。2005年5月，大連磁谷科技研究所研發(fā)出“中華06號”輕型吊軌磁懸浮技術(shù)驗證樣車，軌道長70 m，車長、車寬和車高分別為9.6 m、1.65 m和1.87 m，設(shè)計時速可達400 km/h，單車載客人數(shù)10人。“中華06號”輕型吊軌磁懸浮結(jié)構(gòu)受力簡單、材耗少，減輕了磁懸浮軌道和車體的重量，便于高速運行，有效降低了磁懸浮車運行成本，且造價約為0.8億元/km，僅相當(dāng)于TR系列磁懸浮造價的30%[52]。此外，吊軌磁懸浮列車鑲嵌在龍門吊軌中，杜絕了翻車、脫軌等現(xiàn)象，極大地提高了運行安全性。

2.2.6 超級高鐵(Hyperloop)

超級高鐵也不是完全意義上的磁懸浮列車，因為其車體磁懸浮有氣墊磁懸浮、磁懸浮等多種方案，但主流的超級高鐵系統(tǒng)是基于電磁懸浮原理所開發(fā)的[53]。超級高鐵的概念雛形是“真空管道運輸技術(shù)”，最初是由機械工程師達里爾·奧斯特在20世紀90年代提出，在1999年獲得該項技術(shù)專利，注冊成立了ET3公司，并提出在紐約和洛杉磯之間修建一條長為4 600 km的線路，最高時速為6 500 km/h，預(yù)計每公里成本125萬美元，每輛車體造價27萬美元[9，10]。2013年美國SpaceX公司埃隆·馬斯克將其豐富，正式提出超級高鐵的概念，稱其時速可達600～1 200 km/h，甚至有學(xué)者相信超級高鐵時速能遠超音速(音速為1 224 km/h)，達到400 km/h以上[54-56]。

在馬斯克提出超級高鐵的概念之后，HTT公司、Hyperloop One公司等開始跟進。2013年，HTT與Ansys、加州大學(xué)洛杉磯分校、Aecom和Oerlikon達成合作協(xié)議，分別進行流體力學(xué)、建筑設(shè)計和真空管道技術(shù)方面的合作[54]。2016年5月，Hyperloop One在內(nèi)達華沙漠公開演示了其推進系統(tǒng)原型，推進裝置在1.1 s內(nèi)從0加速到97 km/h，最高時速187 km/h[54]。2017年5月，Hyperloop One首次在真空環(huán)境中對超級高鐵進行了全面測試，時速113 km/h，7月再次測試，時速達310 km/h[57，58]。同年8月，中國航天科技集團公司宣布，已啟動了100 km/h “高速飛行列車”研發(fā)項目，將開發(fā)最高運行速度2 000 km/h、4 000 km/h的超高速列車[59]。2018年4月，HTT與阿爾達爾簽署合同，將在迪拜與阿布扎比間修建一條10 km的試驗線，計劃2020年完成，未來將修建150 km的全程，時速將達1 123 km/h。2018年6月，在世界交通運輸大會“高速鐵路發(fā)展技術(shù)論壇”上，西南交通大學(xué)向外界宣布，世界上時速最快的真空高溫超導(dǎo)磁懸浮比例模型試驗線正在成都搭建調(diào)試，試驗線直徑4.2 m，長140 m，液氮制冷，磁懸浮高度10 mm，承重200 kg，最高測試時速可達400 km/h[54]。同月，HTT與烏克蘭簽署協(xié)議，在烏克蘭開始建設(shè)商業(yè)高級高鐵系統(tǒng)，隨后公布其超級高鐵乘客艙的尺寸為紐約市地鐵車廂的兩倍，最高時速達1 233 km/h。2018年10月，HTT在西班牙展示了其首個全尺寸乘客艙，該乘客艙長32 m，重5 t，由復(fù)合材料制成，展出之后將轉(zhuǎn)移到法國的圖盧茲市進行重新組裝，之后將被部署到首批超級高鐵商用軌道上。2020年11月，Hyperloop超級高鐵項目在美國拉斯維加斯附近的沙漠中完成了首次載人實驗，載人時速160 km/h。2021年5月，中國中鐵和中國航天科工聯(lián)合打造的超高速低真空磁懸浮高速飛車試驗平臺落地，這是國內(nèi)首個建成的全尺寸真空管梁試驗平臺。

3 各類磁懸浮導(dǎo)向方式的原理結(jié)構(gòu)

3.1 EMS型磁懸浮導(dǎo)向

EMS型磁懸浮導(dǎo)向也稱為常導(dǎo)吸力型磁懸浮。根據(jù)運行時速的不同，EMS磁懸浮列車可分為EMS中低速磁懸浮和EMS高速磁懸浮，其對應(yīng)的車軌結(jié)構(gòu)有些不同，分別如圖1和圖2所示。

圖1 EMS中低速磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of EMS medium-low speed maglev train

圖2 EMS高速磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of EMS high speed maglev train

如圖1所示，EMS中低速磁懸浮列車主要由車體、軌道、磁懸浮系統(tǒng)和直線驅(qū)動系統(tǒng)四部分組成，其中磁懸浮系統(tǒng)也即導(dǎo)向系統(tǒng)，軌道采用“T”形導(dǎo)軌，磁懸浮列車抱軌運行，磁懸浮高度為8～12 mm。在靜止?fàn)顟B(tài)下，車載磁懸浮電磁鐵通電，與軌道梁上的導(dǎo)軌形成閉合磁場回路，從而在導(dǎo)軌與車體之間形成一個向上的磁吸力，吸力與車體重力平衡，使車體靜止磁懸浮。由于EMS型中低速磁懸浮的運行速度小于120 km/h，故在運動狀態(tài)下不需要獨立的導(dǎo)向系統(tǒng)提供導(dǎo)向力，在列車轉(zhuǎn)彎或有橫向擾動情況下，磁懸浮電磁鐵與導(dǎo)軌之間將產(chǎn)生橫向偏移，橫向偏移的存在會使車體磁懸浮力減小、磁懸浮氣隙增大、車體磁懸浮高度減小，并受到一個橫向阻尼力的作用阻止其做橫向偏移運動，磁懸浮控制系統(tǒng)通過實時檢測磁懸浮氣隙進行反饋控制，調(diào)節(jié)磁懸浮電磁鐵的電流來增大磁回路磁場和磁懸浮力，使磁懸浮列車回到磁懸浮的平衡狀態(tài)。

如圖2所示，EMS高速磁懸浮列車和EMS低速磁懸浮列車的磁懸浮系統(tǒng)類似，但EMS高速磁懸浮列車往往用磁極面積更大的E型電磁鐵。由于EMS高速磁懸浮列車運行速度較高，當(dāng)其受到橫向擾動或通過曲率較大彎道時，需提供較大的導(dǎo)向力，故其具有一套獨立的導(dǎo)向系統(tǒng)。EMS高速磁懸浮列車的車體從兩側(cè)將T形梁的翼邊緣抱住，T形梁的翼邊緣兩側(cè)為導(dǎo)向軌，布置在磁懸浮列車上的導(dǎo)向電磁鐵通電后與之產(chǎn)生電磁吸力，導(dǎo)向控制器通過傳感器實時測量得到的導(dǎo)向氣隙信號，控制導(dǎo)向電磁鐵的電流大小，即可將列車控制在中間位置的平衡狀態(tài)。

3.2 EDS型磁懸浮導(dǎo)向

(1)SC-EDS型磁懸浮導(dǎo)向

SC-EDS型磁懸浮列車也稱為超導(dǎo)電動磁懸浮列車，其最高時速可達603 km/h，其對應(yīng)的車軌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SC-EDS高速磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of SC-EDS high speed maglev train

如圖3所示，SC-EDS高速磁懸浮列車主要由車體、軌道、磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)、直線驅(qū)動系統(tǒng)四部分組成，其中磁懸浮和導(dǎo)向為同一系統(tǒng)。軌道系統(tǒng)采用“U”形導(dǎo)軌，列車在U形軌道中運行，磁懸浮導(dǎo)向繞組安裝在U形導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)壁，驅(qū)動線圈安裝在U形導(dǎo)軌的外側(cè)壁。與T形軌道相比，U形軌道對最小曲率半徑的要求更高，但其對軌道梁的加工精度、對列車的磁懸浮控制和導(dǎo)向控制的要求較低，其磁懸浮氣隙一般為100～150 mm，適合日本地震多發(fā)的實際國情，這也是日本大力研發(fā)EDS型高速磁懸浮列車的原因。

由于SC-EDS磁懸浮基于電磁感應(yīng)原理進行磁懸浮和導(dǎo)向，故其不能實現(xiàn)靜態(tài)磁懸浮，必須達到磁懸浮速度(一般在大于等于120 km/h)后才能實現(xiàn)動態(tài)磁懸浮，故其車體系統(tǒng)中裝配有一套用于低速運行的輪軌。SC-EDS磁懸浮列車的車載磁體為低溫超導(dǎo)磁體，工作溫度為液氦溫度(4.2 K)，其磁懸浮原理是車載低溫超導(dǎo)磁體(磁體由低溫超導(dǎo)帶材繞制而成，由于超導(dǎo)體沒有電阻，當(dāng)電流流過超導(dǎo)繞組后不發(fā)生熱損耗，線圈中的強電流可產(chǎn)生超強磁場)的N極和S極沿列車的運行方向交替分布，在列車向前行駛時，低溫超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場與導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)壁中的“8”字形線圈產(chǎn)生相對位移，使安裝在導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)的“8”字形線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流；超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場和感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場相互作用，導(dǎo)軌兩側(cè)壁的“8”字形繞組產(chǎn)生上下極性不同的磁場，“8”字形繞組上部對磁懸浮車體產(chǎn)生磁吸力，下部對磁懸浮車體產(chǎn)生磁斥力，磁吸力和磁斥力的合力與磁懸浮列車重力平衡，使磁懸浮列車穩(wěn)定磁懸浮。當(dāng)磁懸浮列車受到橫向擾動或通過具有一定曲率半徑彎道時，產(chǎn)生橫向偏移，被偏移側(cè)的導(dǎo)軌側(cè)壁線圈會自動產(chǎn)生磁吸力，偏移側(cè)的導(dǎo)軌側(cè)壁線圈會自動產(chǎn)生磁斥力，克服橫向偏移，實現(xiàn)磁懸浮列車的穩(wěn)定導(dǎo)向，具有較強的自穩(wěn)定性。

(2)PM-EDS型磁懸浮導(dǎo)向

PM-EDS型磁懸浮的典型應(yīng)用是Magplane和Inductrack磁懸浮系統(tǒng)。Magplane磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 Magplane磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of Magplane

如圖4所示，Magplane的結(jié)構(gòu)與磁懸浮列車類似，主要由車體、軌道、磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。與磁懸浮列車相比多了邊翼和尾翼，采用電動磁懸浮導(dǎo)向原理，軌道為扁U型導(dǎo)軌。磁懸浮飛機在車體下部兩側(cè)裝有永磁體，與車載永磁體位置相對的是軌道扁U型金屬板，當(dāng)磁懸浮飛機運動時，金屬板上感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場方向和車載永磁體產(chǎn)生的磁場方向相反，兩個相反磁場的相互作用產(chǎn)生磁懸浮力，使車體磁懸浮。與EDS高速磁懸浮列車類似，磁懸浮飛機在靜止?fàn)顟B(tài)和低速運行時通過輪軌支撐和加速，當(dāng)其時速大于20 km/h后，車體開始穩(wěn)定磁懸浮和導(dǎo)向。

另外，磁懸浮飛機與SC-EDS高速磁懸浮的主要區(qū)別有兩點[10]：①SC-EDS高速磁懸浮列車的車載磁體為低溫超導(dǎo)磁體，而磁懸浮飛機的車載磁體為永磁體，磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)更為簡單；②SC-EDS高速磁懸浮的磁懸浮速度大約為120 km/h，而磁懸浮飛機在側(cè)翼和尾翼的輔助下，磁懸浮速度大約為20 km/h，更易磁懸浮。

Inductrack磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要由車體、磁懸浮導(dǎo)向感應(yīng)軌、磁懸浮導(dǎo)向Halbach陣列磁體、直線驅(qū)動系統(tǒng)四部分組成。其磁懸浮導(dǎo)向原理與Magplane磁懸浮系統(tǒng)有類似之處，但做了三點重要改進：①采用Halbach的永磁陣列作為車載磁體，解決了之前永磁磁懸浮系統(tǒng)浮重比不足的問題；②采用閉合線圈或閉合疊片作為導(dǎo)軌，有效提高浮重比的同時降低了渦流損耗；③可采用兩層Halbach永磁陣列進一步提高系統(tǒng)的浮重比。

圖5 Inductrack磁懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of Inductrack

3.3 HTSP Maglev型磁懸浮導(dǎo)向

HTSP Maglev型磁懸浮的典型代表是高溫超導(dǎo)磁懸浮，是一種新型磁懸浮。主要由高溫超導(dǎo)磁體及其制冷系統(tǒng)、車體、永磁軌道和驅(qū)動系統(tǒng)組成。車載超導(dǎo)磁體的高溫超導(dǎo)塊材(一般為YBCO塊材，第二類非理想超導(dǎo)體)采用熔融織構(gòu)法制備成圓柱形或方形磁體，工作溫度為液氮溫度(77 K)。永磁軌道一般用NdFeB系列永磁單體和聚磁鐵軛按特定的Halbach結(jié)構(gòu)陣列而成，有單邊型永磁軌道和雙邊型永磁軌道。高溫超導(dǎo)磁懸浮對應(yīng)的車軌結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 高溫超導(dǎo)磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of high temperature superconductor maglev train

高溫超導(dǎo)磁懸浮的磁懸浮導(dǎo)向基于高溫超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)，具有較強的自穩(wěn)定性，磁懸浮高度一般為10～30 mm。磁懸浮導(dǎo)向基本原理從宏觀上可簡述為：在永磁軌道的外磁場中，高溫超導(dǎo)體具有獨特的釘扎和抗磁特性，使得已經(jīng)被高溫超導(dǎo)體的釘扎中心俘獲的磁力線難以逃離束縛，而對于未被釘扎中心俘獲的磁力線也難以滲透進入高溫超導(dǎo)體內(nèi)；因此，當(dāng)外磁場發(fā)生變化或高溫超導(dǎo)體與外磁場產(chǎn)生相對運動時，高溫超導(dǎo)體能夠感應(yīng)出阻礙相對運動或外磁場變化的超導(dǎo)強電流，這種電流與外磁場的相互作用產(chǎn)生電磁力，這種電磁力在宏觀上表現(xiàn)為與超導(dǎo)體自身重力平衡的磁懸浮力和提供橫向穩(wěn)定所需的導(dǎo)向力[9，32]。從微觀上可簡述為：高溫超導(dǎo)體在生長制備過程中產(chǎn)生的位錯等缺陷形成了位能勢阱，將未進入超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)塊材放入外磁場中時，外磁場的磁力線可自由穿過超導(dǎo)塊材，而超導(dǎo)塊材經(jīng)過低溫冷卻進入超導(dǎo)態(tài)后，位能勢阱會阻止原本自由的磁力線自由移動。當(dāng)處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)塊材向永磁體軌道方向慢慢靠近時，永磁外磁場將以磁通量子束的形式開始進入超導(dǎo)體內(nèi)，并將遇到分布在超導(dǎo)體內(nèi)各處的釘扎中心，釘扎中心周圍的超導(dǎo)區(qū)域?qū)a(chǎn)生渦流鎖定磁通量子束，這個過程在宏觀上表現(xiàn)為自穩(wěn)定磁懸浮和導(dǎo)向[9，32]。

3.4 PM-EMS磁懸浮導(dǎo)向

PM-EMS磁懸浮是一種電磁和永磁混合磁懸浮，典型應(yīng)用是M3磁懸浮系統(tǒng)，其車軌結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示[44]。

圖7 永磁電磁混合磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of PM-EMS maglev train

圖7中磁懸浮系統(tǒng)的磁懸浮磁體、導(dǎo)向磁體和驅(qū)動磁體為同一套混合磁體[60]。單個磁懸浮架的每側(cè)各有 4個混合磁體，它們橫向錯位排列，第1號混合磁體和第4號混合磁體對齊，中間2個混合磁體對齊，而且中間2個混合磁體與第1號、第4號混合磁體之間留有一定的偏移量[44]。在磁懸浮方面，混合磁體的電磁力和永磁力的合力與車體的重量大小相等，使磁懸浮列車穩(wěn)定磁懸??；其中電磁部分的功能和控制方式與EMS型磁懸浮列車一致。在導(dǎo)向方面，通過調(diào)節(jié)第1號和第4號混合磁體與中間2個混合磁體中電流的比例進行反饋控制，使車體向電流較高的磁極方向移動，以實現(xiàn)穩(wěn)定導(dǎo)向。

3.5 暗軌/吊軌永磁補償式磁懸浮

吊軌永磁補償式磁懸浮列車的車軌結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。吊軌永磁補償式磁懸浮列車主要由車體、軌道、磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。還有一種暗軌永磁補償式磁懸浮列車，其結(jié)構(gòu)與吊軌永磁補償式磁懸浮列車相似，兩者的區(qū)別是暗軌磁懸浮列車的載客車廂位于地面之上，動力艙埋嵌在地下涵道內(nèi)，而吊軌磁懸浮列車的載客車廂和動力艙均吊掛在軌道梁上。暗軌/吊軌永磁補償式磁懸浮列車是基于永磁補償式磁懸浮技術(shù)研制出的磁懸浮軌道交通，其軌道底部永磁體與車體頂部導(dǎo)磁板之間形成閉合的磁回路，產(chǎn)生主磁吸力，導(dǎo)軌兩翼磁體與車體兩翼導(dǎo)磁板形成閉合磁回路，產(chǎn)生補償磁吸力，兩部分磁吸力共同提供磁懸浮力，實現(xiàn)磁懸浮列車的穩(wěn)定磁懸浮。側(cè)向的導(dǎo)軌上裝有機械導(dǎo)向輪，以保證磁懸浮列車穩(wěn)定導(dǎo)向。另外，這種磁懸浮列車與EMS和EDS型磁懸浮在驅(qū)動方式上有本質(zhì)區(qū)別，其采用傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電機磁驅(qū)動。與EMS高速磁懸浮相比，吊軌永磁磁懸浮有四大優(yōu)勢[49，50]：造價低，相當(dāng)于TR系列磁懸浮的1/4；節(jié)能，相當(dāng)于TR系列磁懸浮的70%；載重比大，相當(dāng)于TR系列磁懸浮的5倍；自重輕，僅0.8 t/m。

圖8 吊軌永磁補償式磁懸浮列車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of hanging rail permanent magnet compensation type maglev train

3.6 超級高鐵

超級高鐵主要由真空管道、真空泵機組、磁懸浮車體、軌道、磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成。根據(jù)不同磁懸浮原理，超級高鐵有多種系統(tǒng)方案，不便統(tǒng)一性的表述和構(gòu)圖。在這里只簡單地表示其車軌結(jié)構(gòu)，示意圖如圖9所示。

圖9 超級高鐵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of hyperloop

HTT研發(fā)的超級高鐵采用被動磁懸浮技術(shù)，被動磁懸浮系統(tǒng)是Richard Post與同事在勞倫斯利福摩爾國家實驗室工作時開發(fā)。該技術(shù)的基本原理是在軌道中安裝無動力線圈環(huán)路，將永磁鐵植入到列車的“豆莢”狀車廂中，從而創(chuàng)造出磁懸浮效應(yīng)。從安全角度看，被動磁懸浮系統(tǒng)擁有很大的優(yōu)勢，它的磁懸浮效應(yīng)純粹通過運動產(chǎn)生，即使電源出現(xiàn)故障，超級高鐵“豆莢”狀車廂也可以繼續(xù)磁懸浮，直到速度降到最低才接觸到地面。另外，也有學(xué)者和研究單位提出用壓縮空氣磁懸浮(即氣動磁懸浮)，雖然氣動磁懸浮與磁懸浮能實現(xiàn)大尺寸的載重磁懸浮，但其存在運行不穩(wěn)定、可控性差等問題，目前為止該技術(shù)研究工作停滯不前[54]。中國西南交通大學(xué)和航天科工在超級高鐵方面的研究是分別基于HTSP Maglev技術(shù)、SC-EDS技術(shù)和真空管道技術(shù)為基礎(chǔ)開展的?？偨Y(jié)而言，上述三種超級高鐵磁懸浮導(dǎo)向方案均是被動磁懸浮和導(dǎo)向技術(shù)，其目的是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，盡可能減少超高速運行狀況下的控制難度，增強超級高鐵系統(tǒng)的自穩(wěn)定性。

3.7 幾種磁懸浮軌道交通的技術(shù)特征總結(jié)

目前世界范圍內(nèi)有過深入研究且技術(shù)相對成熟的磁懸浮類型有EMS型中低速磁懸浮、EMS型高速磁懸浮、SC-EDS型高速磁懸浮、PM-EDS型高速或中低速磁懸浮、HTSP-Maglev型磁懸浮和PM-EMS型磁懸浮，另外還有兩類較為特殊的磁懸浮應(yīng)用——永磁補償式磁懸浮和超級高鐵。各種磁懸浮類型對應(yīng)的試驗線或商業(yè)線分別為中國長沙中低速磁懸浮線、中國上海高速磁懸浮線、日本新干磁懸浮線、美國磁懸浮飛機試驗線、中國成都高溫超導(dǎo)磁懸浮實驗線、M3磁懸浮系統(tǒng)、中國大連永磁懸浮試驗?zāi)Ｐ秃偷习莩壐哞F試驗線。這里需要重點說明的是永磁補償式磁懸浮僅進行過1∶10縮放模型車和極短距離試驗線的試跑，未曾成功建設(shè)1∶1尺寸的樣車或完整的試驗線來測試其設(shè)計時速、載重比等關(guān)鍵參數(shù)，不能有效地說明永磁補償式磁懸浮列車系統(tǒng)的整體性能，不宜與其他磁懸浮列車系統(tǒng)直接比較。因此，在文中后續(xù)將不再將其與各類磁懸浮的運營線或?qū)嶒灳€路一同比較。以上述七條磁懸浮試驗/示范/商業(yè)運營線(除去永磁補償式磁懸浮)為代表，對磁懸浮軌道交通的技術(shù)特征總結(jié)見表1[10,32,54]。在這里需要說明的是表1中的載重比指標(biāo)是每單位長度下磁懸浮列車自重和載客重量的總和。

表1 七條典型磁懸浮軌道交通運營線或試驗線的技術(shù)特征簡表Tab.1 Technical characteristics of seven typical maglev rail transit operating lines or test lines

分析表1可以得出以下結(jié)論：①目前技術(shù)成熟且商業(yè)運營的磁懸浮軌道交通是EMS中低速、高速磁懸浮和EDS高速磁懸浮，其中EMS磁懸浮能實現(xiàn)靜態(tài)磁懸浮，且綜合造價比低、列車時速靈活可調(diào)，但控制復(fù)雜、運行能耗大；EDS磁懸浮控制簡單、對軌道要求低，但綜合造假比高、運行能耗大，不能實現(xiàn)靜態(tài)磁懸浮。②目前技術(shù)成熟且商業(yè)運營的磁懸浮軌道交通載重比普遍較小，其中EDS型高速磁懸浮載重比相對較大的原因是車載液氦低溫冷卻系統(tǒng)和輪軌系統(tǒng)，也正是由于低溫系統(tǒng)和輪軌系統(tǒng)的存在，致使其造價比EMS型高速磁懸浮高出近4倍。③美國的Magplane和Inductrack磁懸浮系統(tǒng)與EMS磁懸浮、EDS磁懸浮相比，在磁懸浮高度、載重比和造價比的設(shè)計上優(yōu)勢明顯，但近年來研究工作停滯不前，還未曾有商業(yè)應(yīng)用。④在綜合造價可接受范圍內(nèi)，現(xiàn)有磁懸浮軌道交通很難同時滿足高載重比和高時速兩大要求，這一特性決定了現(xiàn)有磁懸浮軌道交通技術(shù)僅限于客運交通方面應(yīng)用，無法應(yīng)用于高載重比、高時速的客運或貨運交通。⑤現(xiàn)有磁懸浮軌道交通技術(shù)的造價比基本決定于磁懸浮系統(tǒng)的磁懸浮導(dǎo)向方式、列車時速和載重比，磁懸浮導(dǎo)向方式、列車時速和載重比的合理優(yōu)化設(shè)計是未來磁懸浮軌道交通技術(shù)的研究重點。⑥比較超級高鐵和其他磁懸浮軌道交通可發(fā)現(xiàn)，磁懸浮技術(shù)和真空管道技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是進一步提高軌道交通時速的必然選擇，但具體選用哪種磁懸浮方案和真空管道結(jié)合應(yīng)用還未有成熟的方案。

4 兩種新型磁懸浮導(dǎo)向車軌結(jié)構(gòu)

高溫超導(dǎo)磁懸浮、Magplane和Inductrack磁懸浮系統(tǒng)、M3磁懸浮系統(tǒng)、永磁補償式磁懸浮等磁懸浮系統(tǒng)在設(shè)計上試圖集成高載重比、高時速、易控制和低運行能耗等特性，這幾種磁懸浮的磁懸浮導(dǎo)向方式及其對應(yīng)車軌結(jié)構(gòu)均融入了永磁體的特性和優(yōu)勢，間接體現(xiàn)了未來磁懸浮導(dǎo)向方式及其對應(yīng)車軌結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。為此，本文以永磁力為主要磁懸浮導(dǎo)向力、電磁力或高溫超導(dǎo)釘扎力為輔助磁懸浮導(dǎo)向力，提出兩種新型車軌結(jié)構(gòu)，試圖解決現(xiàn)有磁懸浮軌道交通技術(shù)難以集成高載重比、易控制和低運行損耗等問題，也為磁懸浮動能儲能提供一定新思路。

4.1 基于永磁斥力式和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)

基于永磁斥力式和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)以永磁斥力為主要的磁懸浮導(dǎo)向力、電磁吸力為輔助的磁懸浮導(dǎo)向力，以實現(xiàn)磁懸浮車在各自由度的靜態(tài)和動態(tài)受力平衡。該車軌結(jié)構(gòu)的磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)如圖10所示。由于本文主要研究磁懸浮軌道交通中的磁懸浮導(dǎo)向方式及其對應(yīng)車軌結(jié)構(gòu)，故磁懸浮列車的驅(qū)動系統(tǒng)不是本文研究的重點，將不在示意圖中表示。

圖10 永磁斥力和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Hybrid suspension-guide structure of permanent magnetic repulsion and electromagnetic attraction

圖10中的PM代表永磁體，EM代表電磁鐵。軌道側(cè)壁和底部的永磁體極性與對應(yīng)方位的磁懸浮車體永磁體極性相同，故根據(jù)磁極之間異性相吸、同性相斥原理，軌道左側(cè)壁對磁懸浮車體的斥力與軌道右側(cè)壁對磁懸浮車體的斥力大小相等，軌道底部壁對磁懸浮車體的斥力與磁懸浮車體的重力大小相等。恩紹定理表明，點粒子集不能被穩(wěn)定維持在僅由電荷的靜電相互作用構(gòu)成的一個穩(wěn)定靜止的力學(xué)平衡結(jié)構(gòu)中[61,62]。那么將恩紹定理擴展到磁場領(lǐng)域，也就意味著在僅有永磁力的作用下磁懸浮車不能實現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定磁懸浮，而其動態(tài)穩(wěn)定磁懸浮是有可能實現(xiàn)的，但其動態(tài)穩(wěn)定平衡點很難找到。為此，分別在磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)中加入了電磁鐵提供輔助的磁懸浮導(dǎo)向力，以提高磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)的阻尼，保證磁懸浮車的靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定磁懸浮和導(dǎo)向。當(dāng)磁懸浮車運行在曲線軌道時，離心力的作用將使磁懸浮車體向軌道外側(cè)壁產(chǎn)生一定的橫向位移，橫向位移的產(chǎn)生將使軌道外側(cè)壁對磁懸浮車體的永磁斥力增加、軌道內(nèi)側(cè)壁對磁懸浮車體的永磁斥力減小；與此同時，軌道內(nèi)側(cè)壁對磁懸浮車體的電磁吸力增加、軌道外側(cè)壁對磁懸浮車體的電磁吸力減小。永磁斥力和電磁吸力的共同作用，以克服離心力的作用，使磁懸浮車體重新達到動態(tài)平衡狀態(tài)，這一過程有效地說明了基于永磁斥力式和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)具有較強的自穩(wěn)定性。

永磁體可采用五塊(或多塊)永磁體單體組合而成的Halbach陣列，這樣可大幅提高兩塊永磁體之間的磁斥力，但同時也不可避免地增大了磁懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)的磁耦合程度，提高了裝配和控制難度。另外，磁懸浮永磁體和導(dǎo)向永磁體也可直接采用永磁單體，該種結(jié)構(gòu)永磁體的斥力大小雖然遠小于Halbach陣列永磁體，但可在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)磁懸浮和導(dǎo)向系統(tǒng)的解耦，有效降低了磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)的控制難度和安裝難度，其自穩(wěn)定性較高。

基于永磁斥力式和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點：①采用永磁斥力為主、電磁吸力為輔的磁懸浮導(dǎo)向方式可大幅提高磁懸浮車的載重比，大幅降低磁懸浮系統(tǒng)的運行損耗；②磁懸浮車的磁懸浮系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)可在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)電磁解耦，可大幅降低磁懸浮系統(tǒng)的控制難度；③永磁斥力為主、電磁吸力為輔的磁懸浮導(dǎo)向方式類似于被動磁懸浮和被動導(dǎo)向，優(yōu)化設(shè)計電磁吸力與永磁斥力的比值，是降低系統(tǒng)運行損耗和提高系統(tǒng)自穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

4.2 基于永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)

基于永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)以永磁斥力為主要的磁懸浮導(dǎo)向力、高溫超導(dǎo)釘扎力為輔助的磁懸浮導(dǎo)向力，以實現(xiàn)磁懸浮車在各自由度的靜態(tài)和動態(tài)受力平衡。該車軌結(jié)構(gòu)的磁懸浮導(dǎo)向系統(tǒng)如圖11所示。

圖11 永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Hybrid suspension-guide structure of permanent magnetic and high-temperature superconducting

圖11中的PM代表永磁體，HTS代表高溫超導(dǎo)磁體。永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與永磁斥力和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是將用以提供輔助電磁吸力的電磁鐵換成了提供輔助釘扎力的高溫超導(dǎo)磁體，其中高溫超導(dǎo)磁體是由非理想第二類高溫超導(dǎo)塊材制成。由于高溫超導(dǎo)磁體具有磁通釘扎特性，故在永磁體的梯度磁場中高溫超導(dǎo)磁體將產(chǎn)生一個釘扎力，底部軌道對磁懸浮車體的永磁斥力和側(cè)壁軌道對磁懸浮車體的釘扎力的合力與車體重力平衡，左、右側(cè)壁軌道對磁懸浮車體的磁斥力和釘扎力的合力平衡，使磁懸浮車體實現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)穩(wěn)定磁懸浮和導(dǎo)向。

基于永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)與基于永磁斥力式和電磁吸力式磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢和不足主要體現(xiàn)在三個方面：①轉(zhuǎn)彎半徑更小，其原因是當(dāng)磁懸浮車通過彎道時，導(dǎo)軌外側(cè)壁中的永磁體對磁懸浮車體的磁斥力和導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)壁中的高溫超導(dǎo)磁體對磁懸浮車體的釘扎力方向相同，能提供更大的向心力以克服離心力的作用；②磁懸浮導(dǎo)向的穩(wěn)定性更高，其原因是導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)壁中的高溫超導(dǎo)磁體對磁懸浮車體的釘扎力的方向靈活多變，能更大程度上阻礙磁懸浮列車向下向上、向左向右偏移；③由于使用了高溫超導(dǎo)塊材，且配備了低溫制冷系統(tǒng)，基于永磁斥力式和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向車軌結(jié)構(gòu)的綜合造價和運行損耗相對較高。

4.3 對比分析

為了有效地說明文中所提兩類新型混合磁懸浮導(dǎo)向車軌結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用價值，這里以圖10中的永磁斥力和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向車軌結(jié)構(gòu)為例，在ANSYS Maxwell中搭建了電磁鐵和永磁鐵模型，得出了單位磁極面積電磁力和永磁力與磁懸浮氣隙之間的變化規(guī)律，如圖12所示。需要說明的是，電磁鐵模型采用E型電磁鐵結(jié)構(gòu)，銅線圈匝數(shù)為500匝，線圈電流為3 A；永磁鐵模型為NeFeB38型永磁塊帶鐵軛的結(jié)構(gòu)。

圖12 單位磁極面積電磁力和永磁力與磁懸浮氣隙之間的變化規(guī)律Fig.12 Relationship between magnetic force of per unit pole area and floating air gap

從圖12中可以看到單位磁極面積的永磁力遠大于電磁力，尤其是當(dāng)磁懸浮氣隙較大時這一現(xiàn)象更加明顯。當(dāng)然，可以增大電磁鐵的電流大小，但電流的增加不會明顯改變電磁力隨磁懸浮氣隙增大而衰減的速度和總體趨勢。相反，永磁力隨磁懸浮氣隙的增大而衰減的速度明顯小于電磁力，這也說明了永磁體更適合應(yīng)用在大磁懸浮氣隙的磁懸浮應(yīng)用中，這與實際情況是相符的。因此，有充分的理由相信基于永磁主磁懸浮導(dǎo)向、電磁輔助磁懸浮導(dǎo)向的車軌結(jié)構(gòu)在提升載重比和降低運行損耗這兩方面是有明顯優(yōu)勢的。

與永磁斥力和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向方式相比，永磁斥力和高溫超導(dǎo)釘扎力式混合磁懸浮導(dǎo)向方式也有其獨特的優(yōu)勢。這里在4.1節(jié)和4.2節(jié)的論述基礎(chǔ)之上，對兩種新型磁懸浮導(dǎo)向方式的部分技術(shù)指標(biāo)進行總結(jié)并做出一定預(yù)期(供參考)見表2。

表2 兩種新型混合磁懸浮導(dǎo)向方式特點的總結(jié)對比Tab.2 Summary and comparison of characteristics of two new types of hybrid suspension guiding methods

5 磁懸浮軌道交通技術(shù)中的磁懸浮導(dǎo)向方式研究展望

現(xiàn)有技術(shù)成熟、且商業(yè)應(yīng)用的磁懸浮導(dǎo)向方式僅有EMS電磁懸浮和EDS電動磁懸浮，隨著新材料的發(fā)展、制造工藝的提升和軌道交通市場的需求推動，磁懸浮軌道交通技術(shù)中的磁懸浮導(dǎo)向方式未來或?qū)囊韵聨讉€方面發(fā)展：

(1)具有高載重比、低造價比特性的磁懸浮導(dǎo)向方式。目前商業(yè)運營的磁懸浮軌道交通載重比普遍較低，EMS磁懸浮列車的載重比僅2 t/m，搭載了低溫制冷系統(tǒng)的EDS高速磁懸浮列車的載重比也只有3.52 t/m，遠低于現(xiàn)有高鐵和普通列車?，F(xiàn)有磁懸浮軌道交通低載重比的特點一定程度上限制了載客量，更加限制了其在貨運交通方面的應(yīng)用。因此，提出并研究高載重比的磁懸浮導(dǎo)向方式是未來的研究方向之一，也是磁懸浮軌道交通實現(xiàn)商業(yè)盈利和大范圍推廣的關(guān)鍵所在。

(2)適用于超高速運行的磁懸浮導(dǎo)向方式。隨著科技的發(fā)展和進步，軌道交通朝著“更快速、更安全、更舒適、更環(huán)保”的方向發(fā)展是必然趨勢，而真空管道技術(shù)和磁懸浮技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用是實現(xiàn)“更快速”這一目標(biāo)的最有效途徑。然而，中、高真空度管道內(nèi)空氣稀少，對流散熱失效，只能采取輻射和傳導(dǎo)散熱方式，若將目前技術(shù)成熟的EMS電磁懸浮和EDS被動磁懸浮技術(shù)應(yīng)用在真空管道磁懸浮軌道交通中，磁懸浮車在高速運行過程中產(chǎn)生的大量熱損耗將堆積，給系統(tǒng)的熱平衡設(shè)計增大了難度和成本。因此，提出并研究適用于超高速運行的磁懸浮導(dǎo)向方式是未來的研究趨勢之一。

(3)高溫超導(dǎo)型磁懸浮導(dǎo)向方式。高溫超導(dǎo)磁懸浮是一種被動磁懸浮導(dǎo)向的磁懸浮導(dǎo)向方式，具有磁懸浮導(dǎo)向穩(wěn)定性高、運營成本低、控制簡單、無電磁輻射等特性優(yōu)勢。高溫超導(dǎo)磁懸浮采用永磁導(dǎo)軌，在載重比方面與現(xiàn)有成熟磁懸浮軌道交通相比優(yōu)勢也比較明顯。未來隨著材料制造工藝的提高，永磁材料、超導(dǎo)塊材、液氮和低溫杜瓦等設(shè)備成本的進一步降低，在綜合造價方面高溫超導(dǎo)磁懸浮造價比的優(yōu)勢也將越來越明顯。另外，高溫超導(dǎo)磁懸浮導(dǎo)向方式應(yīng)用在真空管道磁懸浮軌道交通中有明顯優(yōu)勢，其原因是高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)自帶的低溫制冷系統(tǒng)能在真空環(huán)境中有效帶走系統(tǒng)熱損耗，能更加有效地解決高、中真空度管道內(nèi)散熱難的問題。

(4)新型混合磁懸浮導(dǎo)向方式。EMS型、EDS型和HTSP Maglev型磁懸浮都有各自的優(yōu)勢和現(xiàn)階段的不足，而未來磁懸浮軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用場景也必將越來越多元化。在不同應(yīng)用場景的特性需求下，提出對應(yīng)的混合磁懸浮導(dǎo)向方式在系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性方面將更有優(yōu)勢。

6 結(jié)論

本文對磁懸浮軌道交通技術(shù)中磁懸浮導(dǎo)向方式的研究現(xiàn)狀做一個較為全面的總結(jié)介紹，提出兩種新型磁懸浮導(dǎo)向車軌結(jié)構(gòu)，并探討未來進一步的研究方向。首先概述了磁懸浮軌道交通技術(shù)的種類、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)成熟度，并對各種磁懸浮軌道交通技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)特征進行了總結(jié)。其次，對磁懸浮軌道交通技術(shù)中的各類磁懸浮導(dǎo)向方式進行了歸納總結(jié)，分析了各種磁懸浮導(dǎo)向方式的具體結(jié)構(gòu)、原理和優(yōu)缺點。接著，提出了基于永磁斥力式和電磁吸力式混合磁懸浮導(dǎo)向的新型車軌結(jié)構(gòu)、基于永磁和超導(dǎo)混合磁懸浮導(dǎo)向的新型車軌結(jié)構(gòu)，分析論述了兩種新型車軌結(jié)構(gòu)的原理和優(yōu)勢。最后，展望了磁懸浮軌道交通技術(shù)中磁懸浮導(dǎo)向方式的未來發(fā)展趨勢，為磁懸浮導(dǎo)向方式的研究和發(fā)展提供了一些新思路。