鄧自剛 ，劉宗鑫 ，李海濤 ，張衛(wèi)華

（1.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)超高速真空管道磁浮交通研究中心，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué)力學(xué)與航空航天學(xué)院，四川 成都 610031）

軌道交通的發(fā)展一直以在安全舒適條件下實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行為目標(biāo).常規(guī)輪軌鐵路中，支撐力、牽引力和制動力都需通過輪軌接觸實(shí)現(xiàn)，因此輪軌黏著極限限制了其速度.而磁懸浮列車采用電磁力代替接觸力實(shí)現(xiàn)支撐、牽引和制動，突破了黏著極限的限制，更適用于高速運(yùn)行.2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》明確指出“發(fā)展時速600公里級高速磁懸浮系統(tǒng)”.另一方面，磁懸浮技術(shù)已應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)[1]、航天發(fā)射[2]、離心機(jī)[3]、電梯[4]、心臟泵[5]和磁懸浮軸承[6]等各個領(lǐng)域，積累了大量技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可供磁懸浮交通參考.

從社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展歷史來看，軌道交通運(yùn)輸速度總是伴隨著工業(yè)革命而實(shí)現(xiàn)飛躍.第一次工業(yè)革命以19世紀(jì)上半葉蒸汽機(jī)的使用為標(biāo)志.當(dāng)時，鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)輸能力以及“卓越的”運(yùn)輸速度（約80 km/h）極大地促進(jìn)了社會的發(fā)展.第二次工業(yè)革命發(fā)生在20世紀(jì)上半葉，伴隨著電力、化學(xué)品和石油的應(yīng)用，軌道交通的速度接近200 km/h.隨著科技的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步以及第三次工業(yè)革命的開始，使得輪軌高鐵的速度超過了300 km/h.伴隨著電子技術(shù)、信息和通信技術(shù)的引入，軌道交通系統(tǒng)擁有更好的便捷性與舒適性.同時，磁浮交通系統(tǒng)的速度超過了400 km/h.

由于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)的信息/通信技術(shù)、人工智能以及新材料和可再生能源的使用，新工業(yè)時代已經(jīng)到來，必然會促進(jìn)軌道交通發(fā)展，使運(yùn)營速度進(jìn)一步提升.

什么樣的軌道交通模式可以延續(xù)這一進(jìn)步，正是當(dāng)下探討的熱點(diǎn).就目前的技術(shù)而言，磁浮技術(shù)有潛力匹配新工業(yè)革命對速度的需求.從速度趨勢而言，新的發(fā)展需要研發(fā)接近飛機(jī)速度的地面運(yùn)輸系統(tǒng).然而，與高空飛行的飛機(jī)不同，地面運(yùn)輸系統(tǒng)面臨著更高的氣壓，限制了速度的提升.若進(jìn)一步將磁懸浮技術(shù)與真空管道技術(shù)相結(jié)合，則有望實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)飛行時相近甚至更低的氣壓環(huán)境，進(jìn)而獲得更高的運(yùn)營速度.

磁浮交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)的輪軌列車系統(tǒng)相比，具有顯著的優(yōu)勢[7]：

1） 列車與軌道之間沒有接觸，減少摩擦損耗，擺脫黏著限制，意味著更低的污染和碳排放，更少的維護(hù)成本[8]；

2） 列車沒有車輪，且齒輪、聯(lián)軸器、車軸、軸承等機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)輪軌列車相比更少，所以質(zhì)量較輕，增加了有效質(zhì)量比；

3） 列車的重量均布在軌道上，降低對軌道和橋梁的強(qiáng)度要求；

4） 轉(zhuǎn)彎曲線半徑更小，爬坡能力更強(qiáng)，具有更好的地形適應(yīng)性[8].

為了梳理磁浮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，本文結(jié)構(gòu)如下：回顧磁懸浮列車的發(fā)展歷史；梳理磁懸浮技術(shù)的分類、相應(yīng)的工作原理與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；闡述磁懸浮列車應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)；介紹真空管道運(yùn)輸（evacuated tube transportation，ETT）系統(tǒng)的潛力.

1 磁懸浮列車技術(shù)的發(fā)展歷史

歷史上第一個磁懸浮交通系統(tǒng)是由美國的Smith[9]于1907年提出.1912年，美國的Bachelet[10]獲得了一項(xiàng)有關(guān)“懸浮傳輸裝置”的專利.德國的Kemper[11]于1937年獲得了第一項(xiàng)由直線電機(jī)驅(qū)動磁懸浮列車的專利.1959年，美國的Richard[12]申請了一項(xiàng)有關(guān)磁懸浮交通系統(tǒng)的專利.此后，世界范圍內(nèi)就此主題開展了廣泛研究并申請了大量專利.圖1展示了有關(guān)磁懸浮列車技術(shù)的十大專利國家[13].

圖1 磁懸浮專利前十的國家Fig.1 Top ten countries with magnetic levitation patents

1.1 中國磁浮列車發(fā)展史

20世紀(jì)80年代初，中國開始進(jìn)行磁懸浮交通系統(tǒng)研究：1989年，國防科技大學(xué)研制出中國第一臺小型磁懸浮原理樣車[14]；1991年，我國自行研制的第一輛磁懸浮列車原樣在國防科技大學(xué)試驗(yàn)成功[15]；1994年，西南交通大學(xué)研制成功中國第一輛可載人常導(dǎo)低速磁懸浮車[16]，自重4 t、懸浮高度為8 mm；2001年，北京控股磁懸浮技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合國防科技大學(xué)等單位制造了中國第一輛全尺寸磁懸浮車[17]；2000年，上海市與德方聯(lián)合體（西門子、蒂森·克虜伯、磁浮國際公司）簽訂協(xié)議合作修建上海高速磁浮示范線[18-19]，于2001年正式開工，并于2003年進(jìn)行試運(yùn)營，如圖2所示，此試驗(yàn)線采用Transrapid 08（TR 08）磁懸浮系統(tǒng)，從浦東國際機(jī)場至龍陽路地鐵站，全長33 km，最高運(yùn)行速度達(dá)430 km/h；2006年，中國自行研制、設(shè)計、施工的首條中低速磁懸浮線路——青城山中低速磁懸浮列車工程試驗(yàn)線在都江堰市建成，全長420 m[20]；2009年，中低速磁懸浮列車唐山試驗(yàn)線工程在中國北車唐山軌道客車有限公司竣工并通過驗(yàn)收[21]；2012年，我國首列可投入商業(yè)運(yùn)營的中低速磁浮列車“追風(fēng)者”在中車株洲電力機(jī)車公司下線，我國由此成為世界第四個能夠自主研制中低速磁浮列車的國家[22]；2014年，西南交通大學(xué)牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合常州西南交大軌道交通研究院、同濟(jì)大學(xué)磁浮中心等單位，自主研制出速度可達(dá)140 km/h的磁懸浮列車[23]；2016年，長沙火車南站至黃花機(jī)場的18.55 km“長沙磁浮快線”開通運(yùn)行[24-25]，如圖3所示；2017年，采用國防科技大學(xué)磁浮交通核心技術(shù)建設(shè)的中低速磁浮交通示范線“S1”線正式商業(yè)運(yùn)營[26-27]，如圖4所示，該試驗(yàn)線一期工程長10.165 km，設(shè)計行車速度為100 km/h；2018年，中車四方股份公司牽頭，速度為600 km/h的高速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)方案通過專家評審，標(biāo)志著國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)“高速磁浮交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)”課題取得階段性成果[28]；2020年，高速磁浮試驗(yàn)樣車在上海同濟(jì)大學(xué)磁浮試驗(yàn)線上成功試跑；2021年7月，采用五節(jié)編組的列車系統(tǒng)在青島下線[29]，如圖5所示；2017年12月，新筑股份引進(jìn)了德國Transport System B?gl （TSB）內(nèi)嵌式中低速磁浮系統(tǒng)，在位于成都的生產(chǎn)基地興建了全長4.5 km（一期工程為3.5 km）的模擬運(yùn)營線[30]，該試驗(yàn)線可真實(shí)模擬軌道交通的運(yùn)營狀態(tài)，完成內(nèi)嵌式中低速磁浮的試驗(yàn)驗(yàn)證，2021年2月，該系統(tǒng)試驗(yàn)速度達(dá)到169 km/h.此外，我國還在進(jìn)行超導(dǎo)釘扎磁浮和超導(dǎo)電動懸浮技術(shù)的研究：2021年1月，作者所在團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)參與的高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)啟用；2021年11月，中國航天科工集團(tuán)第三研究院進(jìn)行了超高速磁懸浮電磁推進(jìn)試驗(yàn).中國磁懸浮列車技術(shù)申請了大量專利，專利占總體的27.11%，全球排名第一[13].

圖2 上海高速磁浮示范線Fig.2 Shanghai high-speed maglev demonstration line

圖3 長沙磁浮快線Fig.3 Changsha maglev express

圖4 北京“S1”磁浮示范線Fig.4 Beijing “S1” maglev demonstration line

圖5 青島高速磁浮交通系統(tǒng)Fig.5 Qingdao high-speed maglev transportation system

1.2 日本磁浮發(fā)展史

日本于20世紀(jì)60年代初期開始磁浮車研究，經(jīng)過60年的探索，已擁有了實(shí)用化的基礎(chǔ)技術(shù)，其研究的磁浮列車形式主要為電磁懸浮和超導(dǎo)電動懸浮.日本航空公司（Japan airlines，JAL）最早采用德國Kruss-Maffei （KM）公司技術(shù)開展磁懸浮技術(shù)的研究[31].在KM公司專利技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了high speed surface transport （HSST）系列電磁懸浮列車.1975年，日本航空公司推出HSST-01型磁浮試驗(yàn)車輛，于1978年，在東扇島試驗(yàn)線上達(dá)到307.8 km/h試驗(yàn)速度；同年，推出HSST-02型磁浮試驗(yàn)車輛，裝備了二系懸掛；1985年，推出HSST-03型磁浮試驗(yàn)車輛，采用了獨(dú)特的車體機(jī)械支承裝置；1987年，推出HSST-04型磁浮試驗(yàn)車輛，并于次年在琦玉國際博覽會展示；1989年，研制成功HSST-05型磁浮試驗(yàn)車輛，在橫濱國際展覽會上展示；HSST-100S是繼HSST-05之后研制的、適用于低速運(yùn)行的磁懸浮列車[32].并于1991年到1995年，在大江線對HSST-100S型磁浮列車進(jìn)行了100多項(xiàng)面向應(yīng)用的試驗(yàn)，在HSST-100S型磁浮列車的基礎(chǔ)上，推出加長型樣車——HSST-100L.2003年，該車輛在大江試驗(yàn)線進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，最高速度達(dá)100 km/h.2005年，以HSST-100L為基礎(chǔ)的東部丘陵線（Linimo線[33]）開通運(yùn)營，設(shè)計最高速度100 km/h[34]，如圖6所示.

圖6 日本中低速磁浮“Linimo”線Fig.6 Japan medium and low speed maglev “l(fā)inimo” line

除日本航空公司研究的電磁懸浮外，日本國有鐵道（Japanese National Railways，JNR）長期致力于高速超導(dǎo)電動懸浮列車研究[35].1972年，ML100原理車研制成功.1977年，JNR建成一條長7 km的宮崎試驗(yàn)線，并于1979年采用ML500試驗(yàn)車創(chuàng)造了不載人運(yùn)行速度517 km/h的世界紀(jì)錄[36].1990年開始，日本著手修建42.8 km長的山梨試驗(yàn)線，并于1993年完成了其中的18.4 km.1997年，在山梨試驗(yàn)線上，MLX01型列車不載人運(yùn)行速度達(dá)到550 km/h.2015年4月21日，日本低溫超導(dǎo)電動磁浮L0系車型[37]（圖7）在山梨試驗(yàn)線上跑出了載人603 km/h的世界紀(jì)錄[38].在磁浮列車的研發(fā)過程中，日本也申請了大量專利，占比24.66%，排行第二[13].

圖7 日本高速L0磁浮列車Fig.7 Japan high-speed L0 maglev train

1.3 德國磁浮列車發(fā)展史

除了以日本HSST為代表的中低速電磁懸浮技術(shù)外，還存在一種高速電磁懸浮技術(shù).兩者之間最顯著的區(qū)別是：中低速電磁懸浮技術(shù)無獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)，當(dāng)車體橫移時，懸浮磁場會發(fā)生畸變，依靠電磁吸引力產(chǎn)生橫向恢復(fù)分力抵抗偏移，實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)向[39]，但導(dǎo)向能力有限[40]；高速電磁懸浮技術(shù)則包含獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)，且一般為長初級驅(qū)動[41].高速電磁懸浮列車以德國TR為代表.德國經(jīng)過50年的努力，技術(shù)上已趨成熟.1969年，KM公司推出電磁懸浮模型車TR 01.1971年，KM公司推出TR 02并投入試驗(yàn)，車重11.3 t，試驗(yàn)速度達(dá)164 km/h.1975年，Thyssen Henschel公司首次將懸浮和直線驅(qū)動集成到一個單元中，開發(fā)了新型磁浮試驗(yàn)列車TR 05，區(qū)別于早期系列，該型號更具高速潛能，并于次年進(jìn)行試驗(yàn)基地建設(shè)，同期開始研發(fā)面向應(yīng)用的試驗(yàn)車TR 06.1982年，TR 06在埃姆斯蘭試驗(yàn)線（transrapid versuchsanlage emsland，TVE）上進(jìn)行試驗(yàn)[42].1988年，TR 06速度達(dá)到413 km/h.1993年，TR 07型磁浮列車在TVE試驗(yàn)線上的最高速度達(dá)到450 km/h[43].2003年，TR 08列車在上海磁浮線上達(dá)到了501 km/h的最高試驗(yàn)速度.2009年，TR 09新型磁浮列車在TVE試驗(yàn)線上進(jìn)行測試，最高速度達(dá)550 km/h.德國磁懸浮列車技術(shù)專利占總體的20.44%，排行第三[13].

1.4 其 他

韓國參考日本HSST技術(shù)，于2016年2月開通了仁川機(jī)場至仁川龍游站磁懸浮線路，如圖8[44]所示.美國關(guān)注于永磁懸浮技術(shù)，并應(yīng)用于短途線路，如美國試驗(yàn)車MagTube（圖9）[45].

圖8 韓國EcoBee磁懸浮線Fig.8 Korea EcoBee maglev line

圖9 MagTube （美國）Fig.9 MagTube (America)

除上述的日本低溫超導(dǎo)電動磁懸浮列車外，由美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的一組科學(xué)家研發(fā)的Inductrack方案[46]是一種永磁電動磁懸浮系統(tǒng).此系統(tǒng)使用軌道中的無源線圈和列車上的永久磁鐵（排列成Halbach陣列）作用實(shí)現(xiàn)磁懸浮[47]（圖10）.

圖10 美國中低速Inductrack系統(tǒng)Fig.10 American medium and low speed Inductrack system

除中、日、德三國外，美國、韓國、法國、英國、俄羅斯、意大利和加拿大在磁懸浮研究過程中也申請了大量專利：美國（10.69%）、韓國（4.37%）、法國（2.45%）、英國（2.23%）、俄羅斯（1.25%）、意大利（0.71%）和加拿大（0.57%）[13].這些數(shù)據(jù)顯示了不同國家在這一特定領(lǐng)域開展研究的活躍程度，具有重要意義.

2 磁懸浮技術(shù)分類

根據(jù)懸浮原理，作者將主要磁懸浮技術(shù)分為永磁懸?。╬ermanent magnet levitation，PML）、電磁懸浮（electromagnetic suspension，EMS）、電動懸浮（electrodynamic suspension，EDS）和超導(dǎo)釘扎懸浮（superconducting pinning levitation，SPL），如圖11所示.

圖11 磁浮方式的分類Fig.11 Classification of maglev modes

永磁懸浮技術(shù)原理簡單，但由于固有的不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用.如前文所述，電磁懸浮和電動懸浮技術(shù)應(yīng)用已達(dá)到較高的成熟度和可靠性.高溫超導(dǎo)釘扎懸浮起步較晚，正處于實(shí)驗(yàn)室研究和工程化樣車研發(fā)階段.

此外，直線電機(jī)因無機(jī)械接觸、結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)，是磁懸浮列車驅(qū)動系統(tǒng)中不可或缺的一部分.目前，應(yīng)用于磁懸浮列車驅(qū)動的直線電機(jī)主要類型有直線感應(yīng)電機(jī)、常導(dǎo)直線同步電機(jī)、超導(dǎo)直線同步電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)等.北京交通大學(xué)呂剛[48]對直線電機(jī)在軌道交通中的應(yīng)用與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述.

2.1 永磁懸浮

2.1.1 永磁懸浮工作原理

永磁懸浮利用車載永磁體與軌道永磁體之間的排斥力（圖12（a））或者吸引力實(shí)現(xiàn)懸浮，具有承載能力強(qiáng)等優(yōu)勢.當(dāng)使用排斥力進(jìn)行懸浮時，在垂直方向上穩(wěn)定，但在橫向上不穩(wěn)定，需增加導(dǎo)向輪（圖12（b））；當(dāng)利用吸引力進(jìn)行懸浮時，在橫向上穩(wěn)定，垂向上不穩(wěn)定，需增加主動控制的電磁鐵或其他方式來限制其運(yùn)動.此外，在通過曲線時，亦需要導(dǎo)向輪進(jìn)行輔助導(dǎo)向.

圖12 永磁懸浮原理Fig.12 PML schemes

對于兩個永磁體之間的力，可以用麥克斯韋張量法計算，如式（1）.

式中：Fz為懸浮力；Fy為導(dǎo)向力；By為磁通密度的橫向分量；Bz0為永磁體表面磁通密度的垂直分量；Lx為磁體沿車體運(yùn)動方向的長度； μ0為空氣磁導(dǎo)率.

2.1.2 永磁懸浮的優(yōu)缺點(diǎn)

近年來，隨著永磁材料尤其是稀土永磁材料的迅猛發(fā)展，單位體積永磁體產(chǎn)生的吸引力或排斥力大幅提升[49]，使得永磁懸浮也成為一種可行的磁懸浮交通方式.此系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

1） 永磁懸浮系統(tǒng)不需要通電，利用車載永磁體與磁軌之間的純磁斥力（或吸引力）進(jìn)行懸浮，可實(shí)現(xiàn)“零功率”懸浮.

2） 永磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無噪音、造價低、維修使用方便且載重能力強(qiáng)，在貨物運(yùn)輸領(lǐng)域具有一定的潛能.

然而，早在1842年，英國數(shù)學(xué)家Earnshaw[50]就證明了一個永磁體不可能僅由另一個永磁體來進(jìn)行穩(wěn)定的懸浮支撐，必須至少有一個自由度被其他方式所約束.在永磁懸浮系統(tǒng)中，當(dāng)懸浮模塊完全對中時，側(cè)向力為0；當(dāng)懸浮列車發(fā)生橫向偏移時，將產(chǎn)生側(cè)向力，方向與偏移方向一致，進(jìn)一步促使車體橫移翻滾，進(jìn)而帶來失穩(wěn)的風(fēng)險.所以，在此系統(tǒng)中必須加入導(dǎo)向輪或電磁懸浮控制.

2.2 電磁懸浮

2.2.1 電磁懸浮工作原理

電磁懸浮基于電磁鐵和鐵磁軌道之間產(chǎn)生的吸引力來實(shí)現(xiàn)懸浮（圖13（a））.該系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，所以在原理上不穩(wěn)定，需要精確的主動控制系統(tǒng)來保持車體與軌道間的均勻氣隙（10 mm左右）.

按照有無獨(dú)立導(dǎo)向系統(tǒng)，電磁懸浮系統(tǒng)可分為以下兩個方案：

1） 具有獨(dú)立懸浮和導(dǎo)向功能的高速電磁懸浮系統(tǒng)（圖13（b）），例如：德國高速 Transrapid[51]系統(tǒng).

2） 具有集成懸浮和導(dǎo)向功能的中低速電磁懸浮系統(tǒng)（圖13（c）），例如：日本 Linimo 線[52]、韓國EcoBee 線[53]、長沙線[54]和北京“S1”線[55].

圖13 電磁懸浮系統(tǒng)應(yīng)用Fig.13 EMS system application

電磁鐵和鐵磁軌道之間產(chǎn)生的吸引力可以通過式（2）計算.

式中：Fz(i,c)為電磁鐵與鐵磁軌道間的吸引力；N為電磁勵磁繞組的匝數(shù)；A為磁芯磁極面積；c(t)為氣隙；i(t) 為控制線圈的瞬時電流；t為時間.

吸引力與電流正相關(guān)，與氣隙負(fù)相關(guān)，如圖14所示.圖中：F0為初始吸引力；ΔF為吸引力的變化值；Z0為初始?xì)庀叮沪為氣隙的變化值.如果沒有控制系統(tǒng)，懸浮力與電流的平方成正比，與氣隙的平方成反比.所以，需在系統(tǒng)中加入合理設(shè)計的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使吸引力將變得穩(wěn)定.

圖14 開環(huán)和閉環(huán)情況下吸引力與電流和氣隙之間的關(guān)系Fig.14 Relationships between the attraction force and the current and air gap in the cases of open loop and close loop

2.2.2 電磁懸浮應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

電磁懸浮已應(yīng)用于多條線路，表明了該系統(tǒng)技術(shù)對于城市商業(yè)應(yīng)用是可靠的.

參考日本HSST技術(shù)建成的中低速電磁懸浮列車多采用短初級直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，例如，日本Linimo磁浮列車、韓國EcoBee磁浮列車和我國的長沙線磁浮列車.電機(jī)初級線圈安裝在車上，次級部分則安裝在軌道上，利用車上初級繞組的磁場與次級鋁板中感應(yīng)電流之間的電磁作用驅(qū)動列車行駛.其效率較低，推力較小，運(yùn)行速度有限，同時還需要通過導(dǎo)電軌向車輛輸送電流；但電機(jī)控制系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)造價較低[56].

常導(dǎo)低/高溫超導(dǎo)電動懸浮直線同步電機(jī)（又叫有鐵芯常導(dǎo)直線同步電機(jī)）因具有較高的效率和功率因數(shù)，多用于高速電磁懸浮列車，例如德國TR系列磁浮列車和我國時速600 km的高速磁浮列車.通常將長初級沿線鋪設(shè)在軌道上，次級安裝于車上.初級通過地面大功率變流器供電并調(diào)速；次級通過直線諧波發(fā)電機(jī)無接觸勵磁[48].但其電機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，系統(tǒng)造價更高.

高速磁浮列車多采用的直線同步電機(jī)為多相交流電供能.相較于三相電機(jī)，多相電機(jī)具有冗余特性[57]，當(dāng)故障發(fā)生時，只要剩余的正常相數(shù)大于3相，理論上可通過適當(dāng)?shù)目刂萍夹g(shù)，在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)容錯運(yùn)行.對高速磁浮列車而言，位置檢測至關(guān)重要，而一般傳感器易受外界溫度、濕度及振動等影響，導(dǎo)致測量精度變差，甚至影響系統(tǒng)的可靠性.此外，長初級分段供電技術(shù)也在高速電磁懸浮系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，需要進(jìn)一步研究.在高速運(yùn)行狀態(tài)下，如果控制延時，將會引起推力波動，甚至造成電機(jī)失步，影響高速磁浮系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性.

實(shí)踐應(yīng)用表明，電磁懸浮列車也有一些不足之處，對自身結(jié)構(gòu)、高架線路和控制系統(tǒng)都非常敏感.系統(tǒng)工作時的小懸浮間隙（約10 mm）要求運(yùn)行軌道的平順性精度非常高，從而使施工難度和成本變高.

磁浮列車、懸浮控制及橋梁之間存在特殊的強(qiáng)非線性耦合動力作用關(guān)系，可能影響列車的懸浮穩(wěn)定性.磁浮列車在輕型道岔梁上運(yùn)行或低速運(yùn)行時，列車-道岔耦合振動和車-軌耦合振動尤為嚴(yán)重，易導(dǎo)致懸浮失效.

目前抑制車-軌耦合振動的主要措施是加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)，使其具有較高的固有頻率，但會導(dǎo)致系統(tǒng)造價高昂.在施工之前，需要通過對車輛-軌道耦合振動的預(yù)防性分析，優(yōu)化懸浮控制系統(tǒng)以改善耦合振動.

2.3 電動懸浮

2.3.1 電動懸浮原理、特性及分類

1） 電動懸浮原理及特性

電動懸浮制式均可通過楞次定律來解釋，根據(jù)“磁生電”原理，車載磁體的運(yùn)動會在空間中產(chǎn)生時變磁場，而這又會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)渦流，由“電生磁”再產(chǎn)生感應(yīng)磁場與源磁場發(fā)生電磁作用，進(jìn)而產(chǎn)生電磁力，具體表現(xiàn)為懸浮力、磁阻力和導(dǎo)向力，如圖15所示.電磁力產(chǎn)生于導(dǎo)體中的渦流J[58]，可由3個方向的分量表示，即J=Jxi+Jyj+Jzk，根據(jù)洛倫茲定律F=J×B可知：渦流中的Jx分量能夠產(chǎn)生懸浮力和導(dǎo)向力；Jy可以產(chǎn)生懸浮力和電磁阻力；而Jz則產(chǎn)生電磁阻力和導(dǎo)向力，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度.

圖15 電動懸浮原理示意Fig.15 Schematic diagram of EDS

在電動懸浮制式中，浮重比（單位車載磁體重量的懸浮能力）和浮阻比（懸浮力與磁阻力比值）是兩個重要的評價指標(biāo)：前者用來評價整個系統(tǒng)的載重性能即懸浮能力，后者是評價系統(tǒng)能耗指標(biāo)之一.此外，電磁力的產(chǎn)生源于“相對運(yùn)動”，而軌道總是靜止固定在地面，相對運(yùn)動由車載磁體的速度決定.因此，電磁力會隨著車體運(yùn)行速度的變化而改變，在整個運(yùn)行速域內(nèi)存在幾個特征速度即起浮速度、臨界速度、飽和速度，不同的速度區(qū)間，呈現(xiàn)出不同的電磁特性，如圖16所示.當(dāng)列車從靜止開始加速到起浮速度階段，由于導(dǎo)體板中感應(yīng)電流的增大，懸浮力增加，當(dāng)與車重平衡時實(shí)現(xiàn)懸浮.磁阻力是軌道電阻耗能的表現(xiàn)，速度越大電阻耗能越大；當(dāng)超過臨界速度后，磁阻力將隨著速度的增大而減小.

圖16 電動懸浮系統(tǒng)浮阻特性Fig.16 Levitation and resistance characteristics of EDS system

2） 電動懸浮分類

電動懸浮按照磁場源可分為超導(dǎo)電動懸浮和永磁電動懸?。河来烹妱討腋≈械能壍佬问娇煞譃檫B續(xù)性導(dǎo)體板（鋁板、銅板等）和離散分布的閉合線圈（梯形短路線圈、窗形短路線圈）；又可按圖17所示進(jìn)行分類.

圖17 電動懸浮制式分類Fig.17 Classification of EDS system

3） 低/高溫超導(dǎo)電動懸浮

低溫超導(dǎo)電動懸浮和高溫超導(dǎo)電動懸浮，原理基本一致.日本低溫超導(dǎo)電動懸浮通過車載低溫超導(dǎo)磁體（簡稱為車載磁體）與“8”字形零磁通線圈相互作用，是目前唯一大懸浮間隙下（約100 mm）實(shí)現(xiàn)603 km/h載人運(yùn)行速度的技術(shù)，其懸浮導(dǎo)向自穩(wěn)定，不需要額外的懸浮控制系統(tǒng)，本節(jié)將重點(diǎn)介紹該制式.

如圖18所示為低溫超導(dǎo)電動懸浮列車截面示意圖，超導(dǎo)磁體是系統(tǒng)的核心，它提供了強(qiáng)大的磁場源.磁場越大，懸浮力和推進(jìn)力越大.U型軌道兩側(cè)鋪設(shè)“8”字形零磁通式線圈用于懸浮和導(dǎo)向.“8”字形線圈的結(jié)構(gòu)及連接如圖19所示，“8”字形排布保證了線圈上下環(huán)路磁極極性總是相反，交叉連接線提高了系統(tǒng)的導(dǎo)向性能.

圖18 低溫超導(dǎo)電動懸浮列車截面示意Fig.18 Diagram of LTS EDS train

圖19 “8”字形零磁通軌道線圈線路（含交叉連接線）Fig.19 Diagram of “8”- shaped null-flux track coil with cross-connected line

當(dāng)列車運(yùn)行時，基于零磁通原理，當(dāng)車載磁體中心線相對于線圈中心向下偏移一定距離后使得線圈上下部的磁通不一致，線圈上部對磁體產(chǎn)生吸引力，下部產(chǎn)生排斥力（上拉下推），克服車體重力實(shí)現(xiàn)懸浮，原理如圖20（a）[59].

圖20 低溫超導(dǎo)電動磁浮懸浮導(dǎo)向推進(jìn)功能原理Fig.20 Suspension, guidance, propulsion of LTS EDS

當(dāng)車體發(fā)生左、右偏移時，軌道左、右兩側(cè)線圈的磁通發(fā)生變化，軌道兩側(cè)“8”字形零磁通線圈采用交叉連接形式，由于電流守恒，橫向移動過程中左、右“8”字形零磁通線圈的磁通總和為0，一側(cè)產(chǎn)生排斥力，另一側(cè)產(chǎn)生吸引力，使車輛對中.如列車向左偏移時，左側(cè)的線圈對磁體產(chǎn)生排斥作用，使列車回到平衡位置，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，如圖20（b）所示.推進(jìn)系統(tǒng)為超導(dǎo)直線同步電機(jī)（又叫無鐵芯超導(dǎo)直線同步電機(jī)），次級為車載磁體，初級安裝于U型軌道的兩側(cè)，進(jìn)行推進(jìn)驅(qū)動.當(dāng)兩側(cè)線圈通以三相交流電后，沿著運(yùn)動方向的后側(cè)線圈產(chǎn)生斥力，前側(cè)“8”字形零磁通線圈電流產(chǎn)生的磁場與車載磁體磁場作用產(chǎn)生吸力.在兩個力的共同作用下，車輛具有向前的推進(jìn)力，如圖20（c）所示.因此，車載磁體可同時實(shí)現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)，整個系統(tǒng)具有自穩(wěn)定性.

以一個車載磁體和一個“8”字形零磁通線圈的基本單元為例，電路方程如式（3）所示.

式中：L為零磁通線圈的上、下環(huán)路的自感；R為上下環(huán)路的電阻；M12為上、下環(huán)路的互感；e1和e2分別為空間磁場在零磁通線圈的上、下環(huán)路中的感應(yīng)電動勢；ω為電流的角頻率，與運(yùn)行速度成正比；I為“8”字形零磁通線圈中的電流.

由式（3）求出I后，可采用能量法求出運(yùn)動的超導(dǎo)磁體和“8”字形零磁通線圈間的相互作用力,如式（4）.

式中：MU和MB分別為超導(dǎo)磁體和“8”字形零磁通線圈間上、下環(huán)路之間的互感；fx、fy和fz分別為磁阻力、導(dǎo)向力和懸浮力.

由式（4）可以看出，除懸浮力和導(dǎo)向力外，還存在阻礙列車移動的磁阻力.

將車載磁體中的低溫超導(dǎo)線圈更換為高溫超導(dǎo)線圈即為高溫超導(dǎo)電動懸浮，正逐漸成為研究熱點(diǎn)[60].

4） 直線型Halbach永磁電動懸浮

永磁電動懸浮系統(tǒng)的發(fā)展主要集中在美國，而永磁體的磁能難以達(dá)到超導(dǎo)體的水平，Halbach陣列排布方式的出現(xiàn)一定程度上緩解了這個問題.Halbach永磁陣列可產(chǎn)生單側(cè)濃縮型磁場，使得工作側(cè)磁場顯著加強(qiáng)，非工作側(cè)磁場明顯減弱，提高磁場利用率的同時還起到自動屏蔽的作用.根據(jù)軌道上采用導(dǎo)體不同，可分為良導(dǎo)體板式和線圈式.永磁電動懸浮中的Halbach永磁陣列一般是平面式的，若將Halbach永磁陣列設(shè)計為環(huán)形“輪式”結(jié)構(gòu)即為旋轉(zhuǎn)型永磁電動懸浮，則根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方向不同，又可分為軸向式[61]和徑向式[62].

2.3.2 電動懸浮應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

1） 低溫超導(dǎo)電動懸浮應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

低溫超導(dǎo)電動懸浮系統(tǒng)的“8”字形零磁通線圈不連續(xù)鋪設(shè)，導(dǎo)致電磁力的波動，且系統(tǒng)一系懸掛的被動電磁阻尼較小，所以需要減振控制[63-64].目前，國內(nèi)以等效實(shí)驗(yàn)和仿真研究為主[65].在仿真研究中最為突出的一個問題是電磁系統(tǒng)中的磁-電耦合計算與動力學(xué)系統(tǒng)中的力-運(yùn)動耦合計算是相互獨(dú)立的，難以相互匹配.一般在動力學(xué)計算中將車載磁體與“8”字形零磁通線圈之間的磁-電耦合作用等效為一個定剛度和定阻尼的振動系統(tǒng)會帶來誤差，不能很好反映超導(dǎo)電動懸浮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中的動態(tài)特性，具有明顯的局限性[66].出于精細(xì)化仿真需求，要考慮車載磁體與“8”字形零磁通線圈之間的磁、電、力等多場參量的耦合作用，建立更為精確、全面反映車-軌耦合超導(dǎo)電動懸浮列車動力學(xué)計算模型.此外，對國內(nèi)研究者來說，車載磁體的低溫保持系統(tǒng)也是設(shè)計研究的難點(diǎn)之一.

2）永磁電動懸浮研究應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

1972年，以麻省理工學(xué)院Montgomery教授為首的一些專家提出Magplane的設(shè)計概念，以弧形的鋁板結(jié)構(gòu)為軌道，車載磁體為Halbach永磁體陣列，懸浮高度在50～150 mm之間[67].采用長初級直線電機(jī)驅(qū)動，初級沿軌道連續(xù)分布，車載永磁體次級（Halbach陣列）安裝在車體中央，由軌道上初級繞組（驅(qū)動繞組）的高頻交流電供能[68].該方案結(jié)構(gòu)簡單，載重能力強(qiáng)，懸浮間隙大，對軌道的平整度要求較低.但是，該方案的導(dǎo)向力是通過懸浮力的分力來提供，這種導(dǎo)向是不穩(wěn)定的，難以支撐高速運(yùn)行的需求；軌道采用整塊鋁板使得渦流發(fā)熱較為嚴(yán)重，從而使得軌道阻抗發(fā)生變化，附加的冷卻裝置又會使得結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜.最重要的是，該方案會產(chǎn)生很大的磁阻力，再考慮到氣動阻力損耗、供變電系統(tǒng)的效率及漏磁損耗等問題，Magplane的能量損耗相對于其他形式的磁懸浮列車的能量損耗都是較高的[67].

基于Halbach永磁陣列，美國通用原子公司設(shè)計了兩套Inductrack懸浮系統(tǒng)，分別為高速Inductrack I方案和低速 Inductrack II方案（圖10）[46]：a） Inductrack I的軌道鋪設(shè)窗形短路線圈，車載磁體采用Halbach排列的永磁體，短路線圈型軌道使系統(tǒng)的浮阻比提高，特別在高速狀態(tài)下更顯著，適用于高速交通.b）Inductrack II方案著眼于低速交通，采用雙排Halbach陣列永磁體的布置方式，使得垂直磁場相互抵消，水平磁場相互疊加，降低了低速運(yùn)行時的磁阻力，提高了浮阻比.該方案同樣采用永磁直線同步電機(jī)推進(jìn)，長初級鋪設(shè)于軌道沿線，永磁結(jié)構(gòu)次級安裝于車輛的懸浮臂上，實(shí)現(xiàn)牽引[48].

此外，目前沒有一種很好的永磁電動懸浮制式能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定導(dǎo)向，這也是阻礙該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素.

2.4 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮

2.4.1 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮工作原理

常用于高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的高溫超導(dǎo)材料—塊狀YBaCuO，是一種非理想第二類超導(dǎo)體.這類具有釘扎性能的材料無法被其他材料替代，具有唯一性[69].這類超導(dǎo)體具有超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)共存的混合態(tài)，可以承受更強(qiáng)的電流和外磁場.因具有“釘扎能力”，能把磁通線“釘住”[70]，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮.

高溫超導(dǎo)體在零磁場下冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的冷卻過程為零場冷.此時的超導(dǎo)體再與永磁體接近，會產(chǎn)生電流，由于超導(dǎo)性，電流不會消失.電流產(chǎn)生的電磁場與外磁場相反，達(dá)到排斥作用，如圖21所示[71].根據(jù)Earnshaw[50]的理論，此種懸浮方式不穩(wěn)定.

圖21 零場冷懸浮方式Fig.21 Zero field cooling suspension mode

高溫超導(dǎo)體在磁場環(huán)境下冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的冷卻過程稱為場冷.冷卻前，磁場可以穿過處于正常態(tài)的高溫超導(dǎo)體.高溫超導(dǎo)體冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，由于釘扎中心的影響，量子磁通線被高溫超導(dǎo)體的缺陷或其他各種勢阱所束縛，形成“磁通釘扎”效應(yīng).此時，高溫超導(dǎo)體系統(tǒng)既可以產(chǎn)生排斥力又可以產(chǎn)生吸引力，此種力的組合決定了高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮，不需要主動控制，如圖22（a），所以實(shí)際高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)一般采用場冷懸浮方式.在實(shí)際運(yùn)輸應(yīng)用中，高溫超導(dǎo)釘扎懸浮（HTSPL）系統(tǒng)（圖22（b））可以達(dá)到 10～30 mm 的懸浮高度.

在高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)中，用液氮（77.0 K）代替低溫超導(dǎo)電動懸浮系統(tǒng)中的液氦（4.2 K）來冷卻超導(dǎo)體，該方案結(jié)構(gòu)簡單且更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.

在高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的懸浮導(dǎo)向二維模型中（圖22（a）），懸浮力Fz和導(dǎo)向力Fy可以分別通過式（5）和（6）來計算.

圖22 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮方案Fig.22 HTSPL scheme

式中：Bz分別為垂直方向上的磁通密度分量；V為超導(dǎo)體的體積.

由于軌道磁場沿著運(yùn)行方向均勻分布，高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)在運(yùn)行方向上無固有磁阻力，更易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行.

2.4.2 高溫超導(dǎo)釘扎磁浮研究進(jìn)展

早在1997年，中國和德國聯(lián)合研制出一輛高溫超導(dǎo)釘扎懸浮模型車[72]，該車重20 kg，懸浮高度7 mm，軌道直徑3.5 m.隨后，其他各國也相繼加入研究：在德國德累斯頓建造的SupraTrans[73]、在意大利拉奎拉建造的UAQ4[74]、在巴西里約熱內(nèi)盧建造的Cobra[75]、在日本東京建造的AIST[76]和在俄羅斯建造的磁懸浮車等[77].

2000年12月31 日，西南交通大學(xué)王家素團(tuán)隊(duì)研制出世界首輛載人高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車，取名“世紀(jì)號”[78].“世紀(jì)號”采用長初級直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動[79]，初級線圈安裝于軌道中央，感應(yīng)板次級安裝于車輛底部.圖23為“世紀(jì)號”高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車照片[80].2013年2月，一條45 m長的高溫超導(dǎo)釘扎懸浮環(huán)形試驗(yàn)線在中國成都研制成功[81]（圖24）.磁懸浮車長2.2 m，寬1.1 m，懸浮高度為10～20 mm；永磁導(dǎo)軌（長45 m，軌距0.77 m）為跑道形狀，曲線半徑為6 m；最高運(yùn)行速度為50 km/h[81].該環(huán)行線采用與“世紀(jì)號”類似的長初級直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動，但直線電機(jī)鋪設(shè)長度只有3 m，試驗(yàn)車每次經(jīng)過的時候加速/減速一次.

圖23 “世紀(jì)號”高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車Fig.23 “Century” HTSPLvehicle

圖24 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮環(huán)形試驗(yàn)線Fig.24 HTSPL ring test line

2004年，德國固體與材料研究所Leibniz-Institut für Festk?rper-und Werkstoffforschung Dresden（IFW）[73]研制成功高溫超導(dǎo)釘扎懸浮實(shí)驗(yàn)車“Supra Trans I”，最大載重能力為350 kg.改進(jìn)后的第二代高溫超導(dǎo)釘扎懸浮環(huán)形試驗(yàn)線“SupraTrans II”于2011 年完成[82]（ 圖25），可承載 2 人，速度為 20 km/h，軌道為80 m的環(huán)形線，采用短初級直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動[83]，初級安裝在車輛底部，次級感應(yīng)板鋪設(shè)在線路上.“世紀(jì)號”以及兩代“SupraTrans”的軌道磁場均為單峰分布結(jié)構(gòu).巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)于2014年研制完成高溫超導(dǎo)釘扎懸浮試驗(yàn)車“Maglev-Cobra”和一條長度為200 m的試驗(yàn)線[75，84]（ 圖26）.“Maglev-Cobra”應(yīng)用短初級直線感應(yīng)電機(jī)，電機(jī)初級繞組安裝于車體上，次級感應(yīng)板鋪設(shè)在軌道中央，可以減少鋪設(shè)線圈的費(fèi)用，但是需在車體上安裝受電裝置.

圖25 “SupraTrans II”高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車Fig.25 “Supratrans II” HTSPL vehicle

圖26 “Maglev-Cobra”高溫超導(dǎo)釘扎懸浮試驗(yàn)線Fig.26 “Maglev-Cobra” HTSPL test line

隨著研究的不斷推進(jìn)，2021年，西南交通大學(xué)成功研制高溫超導(dǎo)釘扎懸浮的工程化樣車（圖27）.車身由碳纖維復(fù)合材料制成，長21 m，寬3.2 m.車輛可載客30人，懸浮高度10 mm，最大懸浮重量15 t；由空芯永磁同步直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，初級繞組為空芯線圈，鋪設(shè)在線路上，永磁體次級安裝在車輛底部.

圖27 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮的工程化樣車Fig.27 Engineering prototype of HTSPL

2006年前后，西南交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)[85]、北京航空航天大學(xué)[86-87]團(tuán)隊(duì)將高溫超導(dǎo)釘扎懸浮與電磁彈射相結(jié)合，分別搭建了磁浮助推模型并針對相關(guān)動態(tài)性能開展了諸多實(shí)驗(yàn)研究.

對于高速磁懸浮列車來說，研究其動態(tài)性能至關(guān)重要，學(xué)者們針對高溫超導(dǎo)釘扎懸浮的動態(tài)性能進(jìn)行了大量研究.首先，利用有限元法研究了高溫超導(dǎo)塊材中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、內(nèi)部電流密度和懸浮力之間的關(guān)系[88]；為了研究高溫超導(dǎo)塊體在外加磁場作用下的運(yùn)動規(guī)律，建立了懸浮力和導(dǎo)向力的數(shù)學(xué)模型[89-91]；基于這些模型，系統(tǒng)地研究了高溫超導(dǎo)塊材在永磁Halbach軌道場中的非線性振動特性[92]，并引入最小二乘法辨識懸浮力模型中的參數(shù)[93]；采用遺傳算法對超導(dǎo)塊材和Halbach型永磁軌道系統(tǒng)進(jìn)行整體智能優(yōu)化[94]；針對高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)的弱阻尼特性，引入電磁分流阻尼器，成功地抑制了非線性振動[95]；此外，還引入渦流阻尼器抑制振動[96]；通過實(shí)驗(yàn)和仿真對車輛動力學(xué)進(jìn)行了研究[97].近年來，高溫超導(dǎo)釘扎懸浮車-橋耦合動力學(xué)得到了廣泛的研究[98-99].

為便于工程應(yīng)用，還開展了其他一些研究工作.例如，對永磁軌道進(jìn)行優(yōu)化以增強(qiáng)懸浮力[100].設(shè)計了電磁道岔以使車輛實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎[101]，并引入永磁混合懸浮以提高懸浮性能[102].解決了高溫超導(dǎo)釘扎懸浮高速運(yùn)行時的部分主要問題，進(jìn)一步證明高溫超導(dǎo)釘扎懸浮列車具有超高速運(yùn)行的潛力.

3 高速磁浮列車應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

磁浮交通雖有諸多技術(shù)優(yōu)勢，面向高速，也還有諸多的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵科學(xué)問題需要解決.

3.1 高速懸浮技術(shù)驗(yàn)證

磁懸浮交通系統(tǒng)是一種高速的地面運(yùn)輸系統(tǒng)，可填補(bǔ)時速400～800公里領(lǐng)域的空缺，為出行提供更便捷、更多樣的選擇.但目前，對于此類系統(tǒng)高速度域（時速600公里級）載人運(yùn)行的驗(yàn)證，僅有日本低溫超導(dǎo)電動懸浮系統(tǒng)于2015年試驗(yàn)成功.目前，本課題組研制了一臺圓盤型超高速磁懸浮試驗(yàn)臺[103]，但還缺少直線型磁懸浮高速試驗(yàn)平臺.所以，現(xiàn)如今全世界范圍內(nèi)都亟需實(shí)驗(yàn)臺或試驗(yàn)線來驗(yàn)證磁浮交通系統(tǒng)高速載人運(yùn)行的可靠性與可實(shí)施性.

3.2 直線同步電機(jī)的控制策略

無論采用何種高速磁浮制式，均可采用直線同步電機(jī)牽引.在高速下，如果位置檢測偏差，或者數(shù)據(jù)傳輸延時，可能引起推力波動，甚至造成電機(jī)失步，影響高速磁浮系統(tǒng)運(yùn)行安全.另一方面，車輛的振動也可能引起懸浮間隙的變化，進(jìn)而引起驅(qū)動不連續(xù).部分學(xué)者正在研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)的永磁直線同步電機(jī)控制方法[104].

3.3 緊急制動策略與實(shí)施

隨著速度的提升，列車安全制動能力也是核心問題之一.面向時速600公里，需要考慮渦流制動與摩擦制動相結(jié)合的方式，通過合理的控制策略調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同制動手段的共同作用，保證緊急制動下的精確停車.在此過程中，對渦流制動感應(yīng)板發(fā)熱與損耗等問題的研究需重點(diǎn)關(guān)注.

3.4 磁浮線路的狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)

作為高速磁浮的重要組成部分，軌道的精度控制也是施工與維護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)之一.為保證磁浮列車運(yùn)行的高速、平穩(wěn)和長使用壽命，對磁浮軌道狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)的研究不可或缺.可基于車線橋耦合動力學(xué)研究，以車輛運(yùn)行品質(zhì)為控制目標(biāo)，反向?qū)蛄?、軌道提出技術(shù)要求，并長期監(jiān)測車輛運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測橋軌結(jié)構(gòu)，掌握長期服役下軌道線形劣化規(guī)律.并開展線路維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與策略研究，為問題線路的維護(hù)與調(diào)整打下基礎(chǔ).

3.5 高效無線傳能技術(shù)

面向高速應(yīng)用，采用受流軌或受電弓供電已不再適用，所以非接觸式無線傳能成為選擇.德國新一代TR 09高速磁浮列車和日本L0系統(tǒng)改進(jìn)型樣車都采用基于磁場耦合的高速磁浮非接觸供電系統(tǒng).目前，這一技術(shù)尚有部分問題亟待解決，如高速磁浮非接觸系統(tǒng)動態(tài)高頻電磁耦合機(jī)理及能量傳輸規(guī)律和高速運(yùn)行狀態(tài)下非接觸供電電磁場分布規(guī)律、電磁干擾抑制與屏蔽等.此外，部分學(xué)者已開始著眼于將超導(dǎo)線圈應(yīng)用于無線傳能領(lǐng)域.然而，超導(dǎo)接頭、開關(guān)等尚需進(jìn)一步的應(yīng)用驗(yàn)證.

3.6 高速車地通信技術(shù)

高速磁懸浮列車安全、高效地運(yùn)行離不開無線通信系統(tǒng)的支持.面向時速600公里高速磁浮應(yīng)用，對車地之間的通信穩(wěn)定性、可靠性要求隨之變高.高速移動會帶來頻繁的越區(qū)切換和多普勒效應(yīng)問題[105].高速磁浮列車牽引與懸浮控制系統(tǒng)一般要求列車位置信息的傳輸延遲在5 ms以內(nèi)，對無線通信系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn).如果采用真空管道傳輸?shù)姆绞?，金屬密閉管道內(nèi)還會存在波導(dǎo)現(xiàn)象，導(dǎo)致管道內(nèi)無線覆蓋困難[106].所以，須對車地綜合通信系統(tǒng)開展前瞻性研究，在漏泄電纜或漏泄波導(dǎo)覆蓋方式下無線接入5G技術(shù)形成系統(tǒng)解決方案[107].

3.7 氣動噪聲與列車?yán)@流問題

高速磁浮列車氣動噪聲的大小主要取決于運(yùn)行速度，氣動噪聲正比于運(yùn)行速度的6次方至8次方[108].明線運(yùn)行的高速磁浮列車氣動噪聲產(chǎn)生機(jī)理可歸納為由湍流流動產(chǎn)生的噪聲和氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)部件表面產(chǎn)生的噪聲.因此，面向高速運(yùn)行，需優(yōu)化高速磁浮列車車頭及車身外部形狀.有學(xué)者已將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于車型優(yōu)化中.此外，也需增加車身和隧道結(jié)構(gòu)的隔聲性能.如采用雙層浮筑地板增強(qiáng)車廂地板的隔聲性能，調(diào)整車廂夾芯板厚度增強(qiáng)車廂板材的隔聲性能.但是，目前我國磁浮列車缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)線與600 km/h的聲學(xué)風(fēng)洞，還需對磁浮列車氣動聲學(xué)設(shè)計進(jìn)一步研究.

列車外部繞流問題也需重點(diǎn)關(guān)注，尤其是在隧道中運(yùn)行時，車尾渦流脫落頻率可能接近于懸浮系統(tǒng)的固有頻率，進(jìn)而帶來共振的風(fēng)險.

3.8 磁浮道岔的設(shè)計

磁浮道岔是磁浮道路子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對磁浮列車的穩(wěn)定運(yùn)行有重大影響，設(shè)計不合理極易引起車-岔耦合振動等問題.道岔是一個結(jié)構(gòu)、機(jī)械和電氣控制一體化的系統(tǒng)，各個部分之間密切關(guān)聯(lián)，需要建立一體化的性能分析和評估模型.需要對各類故障組合下道岔的運(yùn)行狀態(tài)及其影響后果作出判斷，最大限度地幫助改進(jìn)設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性.針對超導(dǎo)釘扎磁浮而言，有學(xué)者正在探索將電磁道岔應(yīng)用其中[109].

4 超高速磁懸浮真空管道運(yùn)輸

牽引列車所需的能量是由列車和環(huán)境之間的相互作用決定的，主要用于克服摩擦力和空氣阻力.當(dāng)列車在空氣條件下高速運(yùn)行時，氣動阻力是總阻力的主要部分，與速度的平方成正比.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)列車速度超過400 km/h時，氣動阻力最少占總阻力的80%[110].特別是高速列車在常壓隧道中行駛時，氣動阻力甚至超過總阻力的90%[111].因此，為了降低牽引列車所需的能量，進(jìn)一步提高運(yùn)行速度，首先要解決的是消除所有機(jī)械接觸，其次是減少列車高速運(yùn)行時占主導(dǎo)的氣動阻力.磁懸浮技術(shù)可以避免與軌道接觸，但仍須考慮列車在超高速下產(chǎn)生的氣動阻力.

為了避免這種物理限制，一種替代技術(shù)方案是在低氣壓管道內(nèi)運(yùn)行磁懸浮列車，并優(yōu)化其外形.在這樣的環(huán)境條件下，列車的速度可以達(dá)到亞音速，甚至是超音速[112].

4.1 超高速磁懸浮真空管道運(yùn)輸研究進(jìn)展

1945年，美國的Goddard提出了“真空管道運(yùn)輸”的設(shè)想[113].英國的Foa教授對這一研究方向做出了重大貢獻(xiàn)，領(lǐng)導(dǎo)了一個名為“TubeFlight”的項(xiàng)目，設(shè)計一種形狀像飛機(jī)機(jī)身的飛行器，由氣墊裝置支撐，并選取了一種流動感應(yīng)裝置來推動飛行器通過管道[114].

然而，因?yàn)橄到y(tǒng)核心基礎(chǔ)的磁懸浮技術(shù)一直沒有突破，這個想法已經(jīng)沉寂了一百多年.隨著磁懸浮技術(shù)的日益成熟，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始重拾該項(xiàng)研究.2013年，美國Musk提出了Hyperloop的概念，旨在設(shè)計一種時速可達(dá)1 200公里的超高速度、遠(yuǎn)距離并具有真空管道特征的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，隨即在全球掀起了超級高鐵的研究熱潮，中國、美國、德國、荷蘭、加拿大、西班牙、韓國等國紛紛加入這場速度競賽.

SpaceX公司從2016年開始連續(xù)舉辦了四屆超級高鐵設(shè)計大賽，2019年7月，來自德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的“TUM超級高鐵”團(tuán)隊(duì)在1.6 km長的真空管試驗(yàn)線上創(chuàng)造了463 km/h的試驗(yàn)速度[115].

目前，致力于將Hyperloop技術(shù)設(shè)想工程化的主要美國公司有Virgin Hyperloop One和Hyperloop Transportation Technologies（HTT）.2017年，美國Virgin Hyperloop One研究團(tuán)隊(duì)采用永磁電動懸浮，在500 m真空管試驗(yàn)線上實(shí)現(xiàn)了387 km/h[116]（目標(biāo)速度1 200 km/h）的速度，并于2020年11月9日，進(jìn)行了首次載人（兩人）試驗(yàn)，最高速度為172 km/h，如圖28所示[117].2018年，美國HTT公司在西班牙展示了其首款超級高鐵全尺寸車.

圖28 “Maglev-Cobra”高溫超導(dǎo)釘扎懸浮試驗(yàn)線Fig.28 "Maglev-Cobra" high temperature superconducting pinning suspension test line

此外，KRRI于2017年提出了目標(biāo)速度為1 200 km/h的HyperTube管道列車項(xiàng)目；荷蘭Hardt Hyperloop超級高鐵公司于2019年開發(fā)了一套Hyperloop全尺寸試驗(yàn)系統(tǒng)；加拿大TransPod公司（2015年成立）與西班牙Zeleros Hyperloop管道磁浮公司（2016年成立）均提出以航空發(fā)動機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)開展Hyperloop的研發(fā)，如圖29所示[118].

圖29 Zeleros Hyperloop概念圖Fig.29 Zeleros Hyperloop concept

在中國，2004年底，兩院院士沈志云教授在成都組織包含6名院士在內(nèi)的20余名學(xué)者舉辦了“高速真空管道運(yùn)輸”研討會.與會學(xué)者就沈院士的觀點(diǎn)進(jìn)行了廣泛的探討，論證了低真空高速軌道交通的必要性和可行性[119].

作者所在團(tuán)隊(duì)于2014年6月將高溫超導(dǎo)釘扎懸浮與真空管道概念相結(jié)合，成功搭建并調(diào)試了世界上第一套集懸浮、導(dǎo)向、牽引、通信于一體的超導(dǎo)釘扎磁浮-真空管道試驗(yàn)系統(tǒng)“Super-Maglev”[120-121]，如圖30所示.2014年7月，美國IEEE Spectrum針對真空管道高溫超導(dǎo)釘扎懸浮試驗(yàn)平臺“Super-Maglev”以“A SUPER CHUTE”為題進(jìn)行了報道，引起了人們對高溫超導(dǎo)釘扎懸浮列車技術(shù)和真空管道交通發(fā)展趨勢及其對社會和商業(yè)影響的關(guān)注和探討.

圖30 高超導(dǎo)釘扎懸浮-真空管道運(yùn)輸原型“Super-Maglev”Fig.30 HTSPL-ETT prototype“Super-Maglev”

表1列出了“Super-Maglev”平臺的關(guān)鍵性能參數(shù)[121].

表1 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮-真空管運(yùn)輸原型“Super-Maglev”參數(shù)Tab.1 Parameters of HTSPL-ETT prototype“Super-Maglev”

2016年，西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心建立了一輛側(cè)面懸掛的high temperature superconducting-permanent magnet guideway （HTSPMG）磁懸浮原型車[122]，該車在密封真空管中的環(huán)形軌道上運(yùn)行.在第一階段調(diào)試中，抽掉了管道中99%的空氣，并在常壓下磁浮實(shí)驗(yàn)車最大瞬時速度達(dá)到了87.5 km/h[123].2018年，當(dāng)真空管道壓力降至5 kPa時，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了160 km/h的最高運(yùn)行速度[124].

2018年，作者所在團(tuán)隊(duì)開始搭建時速400公里級的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮高速試驗(yàn)平臺[125]，如圖31所示[126].該線路全長140 m（雙線），磁浮車為1/10縮比模型，最高實(shí)驗(yàn)速度可達(dá)430 km/h，應(yīng)用常導(dǎo)雙邊同步直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，由次級勵磁線圈與其兩側(cè)沿線路鋪設(shè)的初級線圈構(gòu)成，加速段加速度可達(dá)8g～15g，減速段加速度可達(dá)15g～20g，為后續(xù)更高速度的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮試驗(yàn)臺研制奠定了基礎(chǔ).該平臺現(xiàn)可以進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

圖31 時速400公里級的高溫超導(dǎo)釘扎懸浮-真空管道高速試驗(yàn)平臺Fig.31 400 km/h class HTSPL-ETT high-speed test platform

1） 管道運(yùn)輸系統(tǒng)以及高速助推等相關(guān)實(shí)驗(yàn)；

2） 高溫超導(dǎo)釘扎懸浮系統(tǒng)高速動態(tài)特性相關(guān)實(shí)驗(yàn)；

3） 多功能高溫超導(dǎo)釘扎懸浮-真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計驗(yàn)證.

在此基礎(chǔ)上，2020年5月，由西南交通大學(xué)牽頭的“多態(tài)耦合軌道交通動態(tài)試驗(yàn)平臺”項(xiàng)目正式啟動.該項(xiàng)目計劃于2023年完成建成1 620 m長、最高試驗(yàn)速度1 500 km/h的多態(tài)耦合軌道交通動態(tài)試驗(yàn)平臺，如圖32所示.這將成為超高速軌道交通領(lǐng)域最先進(jìn)的綜合研究測試平臺.將為真空管道超高速軌道交通的基礎(chǔ)科學(xué)問題和共性關(guān)鍵技術(shù)，以及大功率軌道助推技術(shù)和飛行器動力學(xué)仿真、空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供超高速低氣壓的試驗(yàn)環(huán)境.

圖32 多態(tài)耦合軌道交通動態(tài)試驗(yàn)平臺示意Fig.32 Schematic diagram of multi-state coupling rail transit dynamic test platform

4.2 現(xiàn)階段需要研究的課題

超高速真空管道磁懸浮是一項(xiàng)新技術(shù)，目前尚處于探索驗(yàn)證階段，離工程應(yīng)用還有很長的路要走.即使真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)因其在速度、節(jié)能和環(huán)保方面的潛在優(yōu)勢而具有巨大的未來潛力，但此系統(tǒng)仍處于早期階段，因此仍有必要開展進(jìn)一步的研究，以解決主要涉及車-軌耦合作用、推進(jìn)、能源供應(yīng)、車載儲能、空氣動力學(xué)、管道散熱、管道密封、管內(nèi)通信、噪聲、車站、救援和應(yīng)用領(lǐng)域的一系列技術(shù)問題[56,126].

1） 超高速磁懸浮列車牽引和制動技術(shù)：超高速磁浮真空管運(yùn)輸?shù)淖畲罄щy是大牽引功率的需求，必須發(fā)展速度為1 500 km/h的直線驅(qū)動.該機(jī)械要求具有高效率、高可靠性、牽引穩(wěn)定、電機(jī)法向力小等特點(diǎn)[68].采用大功率同步直線電機(jī)施加牽引力已成為共識.在低真空環(huán)境下電機(jī)的電、熱特性、解耦機(jī)理、暫態(tài)能量轉(zhuǎn)換控制規(guī)律等方面，都有一些亟待解決的科學(xué)問題.

2） 超高速磁懸浮列車懸浮和導(dǎo)向技術(shù)：對于超高速磁懸浮列車，大載重和強(qiáng)導(dǎo)向力可以保證運(yùn)行和轉(zhuǎn)向過程中的可靠性和安全性，是一個亟待研究的技術(shù).

3） 管道-列車-氣流-熱耦合：由于低真空管道的密閉低壓環(huán)境，管道內(nèi)流動和傳熱行為異常復(fù)雜，管道內(nèi)氣動熱環(huán)境隨列車運(yùn)行距離、車/管阻塞比、車速、管道壓力等多種因素發(fā)生劇烈變化.因此，有必要開展以下方面的研究工作：a） 管道直徑、列車輪廓、真空度和阻塞比等參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化；b） 管內(nèi)激波產(chǎn)生、傳播及相互作用機(jī)理；c） 氣動熱效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理及散熱策略；d） 管內(nèi)氣動噪聲分布特征及降噪控制技術(shù)；e） 基于系統(tǒng)能源利用效率的熱管理技術(shù)和布局.

4） 超高速低真空管道通信及運(yùn)控技術(shù)：超高速磁浮低真空管道運(yùn)輸系統(tǒng)間耦合性強(qiáng)、速度快、控制復(fù)雜且可靠性要求高，需要精密的運(yùn)行控制技術(shù)和大覆蓋度、高傳輸速度和傳輸精準(zhǔn)度的車地?zé)o線通信技術(shù).

5） 長距離管道建設(shè)和抽真空效率：長、大管道需要高性能、抽速快、壽命長的真空設(shè)備.抽氣設(shè)備安裝位置也需要優(yōu)化設(shè)計，以降低抽氣成本.此外，管道內(nèi)逐步調(diào)壓技術(shù)還有待進(jìn)一步探索.

6） 過渡艙技術(shù)與中間站端口對接技術(shù)：如何保證旅客上下車的過渡艙和中間站端口的密封性是一個很大的技術(shù)難題.一旦對接密封性不好，超強(qiáng)的真空度會產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力，產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想.對于高密封技術(shù)與對接技術(shù)可以參考較成熟的空間站對接技術(shù).

7） 低氣壓適應(yīng)性技術(shù)：列車行駛在低氣壓管道內(nèi)，需要考慮低氣壓環(huán)境對列車牽引制動、懸浮導(dǎo)向、供電系統(tǒng)等的影響，還需考慮列車的密封性、材料服役性能、失效機(jī)制及防護(hù)技術(shù).因此，對于磁懸浮交通各個子系統(tǒng)的低氣壓適應(yīng)性技術(shù)亟須研究.

8） 安全與救援：與傳統(tǒng)的交通形式不同，超高速磁懸浮列車完全密閉在真空管道內(nèi)，這對安全救援帶來了極大的挑戰(zhàn).真空管道外壁能承受高壓，不易被破壞，如果在行駛過程中遇到事故，如何進(jìn)行人員解救是一個不得不考慮的重要問題，因此真空管道磁浮列車安全救援技術(shù)亟需開展研究.

5 結(jié)束語

磁懸浮交通系統(tǒng)是一種非接觸式運(yùn)輸技術(shù)，通過電磁力來實(shí)現(xiàn)懸浮、導(dǎo)向和牽引.由于優(yōu)越的高速環(huán)保潛能，磁懸浮列車被認(rèn)為是目前鐵路行業(yè)重點(diǎn)研發(fā)的方向之一.

本文系統(tǒng)地闡述了磁懸浮交通系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，簡要地梳理了其應(yīng)用中的技術(shù)難點(diǎn)，并對近年來世界范圍內(nèi)磁懸浮交通系統(tǒng)和真空管道磁浮交通的發(fā)展?fàn)顩r和研發(fā)活動進(jìn)行綜述.

磁浮交通具有卓越的高速潛能和環(huán)保優(yōu)勢，面向時速600 公里的應(yīng)用，研究者們需在高速懸浮驗(yàn)證、直線牽引、緊急制動、車線橋耦合、線路監(jiān)控維護(hù)、無線傳能、車地通信、氣動噪聲、電磁道岔等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究.為了追求更高的速度，包含作者所在團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的多家研究機(jī)構(gòu)將真空管道與磁浮技術(shù)相結(jié)合，開展了理論分析和試驗(yàn)探索.面向工程應(yīng)用，還需在高速列車牽引制動技術(shù)、懸浮導(dǎo)向技術(shù)、管道內(nèi)流固熱耦合機(jī)理、空氣動力學(xué)、管道散熱、管內(nèi)通信、長距離抽真空效率、過渡艙和中間站端口對接、低氣壓適應(yīng)性技術(shù)、救援和應(yīng)用等方面進(jìn)行持續(xù)深入的研究.