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【52監(jiān)測網(wǎng)】第108期 磁浮交通技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢
 52監(jiān)測網(wǎng)專家報(bào)告分享-第108期 《磁浮交通技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢》 林國斌 國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心/研究員 目錄 一、 背景與現(xiàn)狀 二、 技術(shù)特點(diǎn) 三、 發(fā)展趨勢 四、 展望 內(nèi)容介紹 一、背景與現(xiàn)狀 ◇ 上海高速磁浮示范線2003年投入客運(yùn)，已安全運(yùn)營17年； ◇ 日本2014啟動?xùn)|京-大阪高速磁浮線建設(shè)，預(yù)計(jì)2027年東京-名古屋段投入運(yùn)行； ◇ 2016-2017中低速磁浮長沙線、北京S1線相繼投入運(yùn)營； ◇ 國家“十三五”科技專項(xiàng)開展時(shí)速600公里高速磁浮系統(tǒng)工程化研究； ◇ 美國管道磁浮取得進(jìn)展，近期試驗(yàn)速度目標(biāo)將達(dá)600km/h； ◇ 國內(nèi)多家單位開展1000km/h以上真空管道磁浮直驅(qū)預(yù)研。 上海高速磁浮示范運(yùn)營線 30公里上海高速磁浮示范線是世界上第一條商業(yè)運(yùn)行高速磁浮線路，目前仍是世界唯一商業(yè)運(yùn)行的高速磁浮線，運(yùn)營最高速度430km/h。 2003年初開始單線試運(yùn)行，2004 年開始按時(shí)刻表運(yùn)行，已安全運(yùn)行17年多。 未發(fā)生過傷及人員的安全事故，正點(diǎn)率達(dá)到99.9%。 日本高速磁浮列車 2015年，在已延伸到42.8公里長的山梨實(shí)驗(yàn)線達(dá)到603km/h。2014年10月17日，日本宣布高速磁浮中部新干線開始建設(shè)。2027年建成東京-名古屋段，2045年延伸到大阪。全程運(yùn)行時(shí)間從目前東海道新干線的138分鐘減少到67分鐘。除最高速度優(yōu)勢外，高速磁浮的加、減速性能明顯高于輪軌高鐵系統(tǒng)。
日本中低速磁浮
名古屋中低速磁浮（8.9公里）,命名為Linimo，于2005年3月開始營運(yùn)，最高時(shí)速100km/h，目前每天載客約2萬人。
2006年10月決策仁川機(jī)場磁懸浮線（6.1公里），2012年8月線路竣工。 2013年9月開通試運(yùn)行，2016年2月3日正式載客運(yùn)行。 長沙磁浮 長沙中低速磁浮線連接機(jī)場和高鐵車站，長全18.5公里，設(shè)3個(gè)車站，2016年5月6日開始運(yùn)營。今年新車試驗(yàn)速度達(dá)到160km/h。
北京S1 北京中低速磁浮S1線，全長10.2公里，設(shè)8個(gè)車站。2017年底投入載客運(yùn)行。
廣東清遠(yuǎn)線
2017年底開工的清遠(yuǎn)磁浮線是一條旅游區(qū)連接線。線路全長8.03公里，設(shè)3個(gè)車站。原計(jì)劃2020年投入運(yùn)行，現(xiàn)有所延期。 湖南鳳凰線 湖南鳳凰磁浮線2019年8月開工。
二、技術(shù)特點(diǎn) 磁浮車特點(diǎn)：通過車軌間的磁力，實(shí)現(xiàn)車輛無接觸的的支承、導(dǎo)向和驅(qū)動。
● 常導(dǎo)高速磁浮長定子直驅(qū) TR常導(dǎo)高速磁浮列車懸浮導(dǎo)向與驅(qū)動原理 磁浮列車：支承-電磁力懸浮；導(dǎo)向-電磁力導(dǎo)向；牽引-同步直線電機(jī)； 輪軌列車：支承-車輪；導(dǎo)向-輪沿；牽引-旋轉(zhuǎn)電機(jī)
● 低速常導(dǎo)磁浮短定子直驅(qū) 磁浮列車：支承-電磁力懸浮；導(dǎo)向-電磁力導(dǎo)向；牽引-短定子直線感應(yīng)電機(jī)；
● 超導(dǎo)高速磁浮長定子直驅(qū) 低溫超導(dǎo)磁浮列車原理：支承-超導(dǎo)磁體+8字形線圈；導(dǎo)向-超導(dǎo)磁體+8字形線圈；牽引-長定子同步直線電機(jī)；極距-1350mm,四級一組。
● 永磁電動磁浮長定子直驅(qū) 美國磁浮飛機(jī)原理：支承和導(dǎo)向-永磁體+鋁/銅感應(yīng)板；牽引-長定子(無鐵芯)同步直線電機(jī)。
● 永磁電磁混合磁浮+長定子直驅(qū) 原創(chuàng)于美國，針對軌道交通的三要素：成本、旅行時(shí)間和環(huán)境影響降到最低限度（1999- 2012）。
懸浮﹑驅(qū)動和導(dǎo)向用同一組；磁體，結(jié)構(gòu)輕巧；懸浮間距： 14~20mm；懸浮功率：噸/3W（靜態(tài)）& 噸/150W(動態(tài)） ● 高溫超導(dǎo)塊材+永磁軌道
● 磁浮直驅(qū)類型匯總 磁浮及直驅(qū)類型 １、常導(dǎo)高速磁浮： 電磁懸浮+長定子直線電機(jī)（上海示范線） ２、超導(dǎo)高速磁浮： 電動懸浮+長定子直線電機(jī)（日本山梨線） ３、常導(dǎo)中低速磁浮：電磁懸浮+短定子直線感應(yīng)電機(jī)（日本名古屋線，韓國仁川機(jī)場線，長沙機(jī)場線、北京S1線） ４、高溫超導(dǎo)磁浮： 超導(dǎo)塊材及永磁軌道懸浮+長定子直線感應(yīng)或同步電機(jī)（西南交大、巴西里約大學(xué)、德國德累斯頓大學(xué)） ５、永磁電動磁浮：永磁體懸浮+長定子（無鐵心）永磁同步直線電機(jī)（美國磁飛機(jī)） ６、常導(dǎo)中速混合磁浮: 永磁加電磁懸浮+長定子永磁同步直線電機(jī)（美國M3系統(tǒng)） 三、發(fā)展趨勢 ● 真空管道磁浮直驅(qū) 2013年美國埃隆馬斯克發(fā)布真空管道運(yùn)輸概念
1200 km/h 以上高速地面交通系統(tǒng)；軌道：高架真空管道
2017年12月15日，在拉斯維加斯試驗(yàn)達(dá)到240mph（387km/h）（非足尺模型） ◇ Hyperloop One 前身為Hyperloop Technologies，成立于2014年，現(xiàn)有各類人員300余人。至2017年12月，累計(jì)籌措資金約3億美元，更名為Virgin Hyperloop One。 ◇ 在內(nèi)華達(dá)州斯維加斯建成一條500m長真空管道，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。 ◇ 2017年5月12日進(jìn)行了全世界首次真空管道全系統(tǒng)測試， 包括：真空、驅(qū)動、懸浮、密封、控制系統(tǒng)、管道結(jié)構(gòu)等。 ◇ 2017年12月18日，進(jìn)行了第三階段測試，最高速度達(dá)到387km/h。
系統(tǒng)優(yōu)勢：爬坡能力強(qiáng)，隧道半徑小，轉(zhuǎn)彎半徑小，路權(quán)要求低 HTT公司 ◇ Hyperloop Transportatioin Technology公司2015年成立。2018年在法國圖盧茲建立實(shí)體-Hyperloop創(chuàng)新中心。計(jì)劃建造試驗(yàn)線。 ◇ 驅(qū)動：直線感應(yīng)電機(jī)。 ◇ 懸浮：Halbach陣列永磁電動懸浮。 ◇ 車體：智能Carbon-fiber材料，強(qiáng)度是鋁的8倍，重量是鋁的70%。 ◇ 最高目標(biāo)速度：1223km/h。 HTT概念設(shè)計(jì)
Vacuum 真空度
非電懸浮驅(qū)動，成本底較易維護(hù)； 基礎(chǔ)設(shè)施建造成本低； 空氣動力牽引系統(tǒng)，安全壓力水平； 可持續(xù)的基礎(chǔ)設(shè)施降低基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜性是關(guān)鍵目標(biāo)，降低運(yùn)行成本；
◇ 低真空常導(dǎo)磁浮關(guān)鍵問題-主要部件熱平衡
三種懸浮磁極中，端磁極的換熱面積最小，散熱量最小，溫度相對最高。故以端磁極為主要研究目標(biāo)，以端磁極內(nèi)部最高溫度150℃為最高溫度界限。 如按最高600km/h運(yùn)行速度設(shè)計(jì)低真空管，考慮到列車加速、減速和停站，列車平均速度假定為500km/h，在磁鐵系統(tǒng)發(fā)熱量及傳熱方式?jīng)]有明顯改進(jìn)情況下，管道內(nèi)氣壓最低約為0.3atm。 ◇ 低真空常導(dǎo)磁浮關(guān)鍵問題-氣動外形
低真空管內(nèi)圓形列車氣動計(jì)算
新斷面列車在內(nèi)徑10米0.3atm氣壓低真空管道內(nèi)和明線大氣條件下運(yùn)行的阻力相當(dāng)。 ◇ 低真空常導(dǎo)磁浮關(guān)鍵問題-電氣設(shè)備適應(yīng)性
當(dāng)氣壓不低于0.3atm時(shí)，低真空管（隧）道內(nèi)磁浮列車車上電氣設(shè)備的電氣間隙應(yīng)為目前設(shè)計(jì)值的2.6倍。 ◇ 低真空常導(dǎo)磁浮關(guān)鍵問題-噪聲特性 600km/h常導(dǎo)制式高速磁懸浮系統(tǒng)加全封閉聲屏障前后噪聲對比分析
600km/h下磁浮列車源強(qiáng)預(yù)測值為104.8dB(A)，管道及（全封閉或半封閉）聲屏障的隔聲量需要達(dá)到20.8dB，600km/h速度下高速磁浮30m處排放噪聲可達(dá)標(biāo)。 ◇ 低真空常導(dǎo)磁浮關(guān)鍵問題-懸浮系統(tǒng)適應(yīng)性問題 傳感器氣隙響應(yīng)（最大范圍0-18.5mm）
仿真分析表明： 1. 300km/h到430km/h，氣隙波動峰谷差值增加1.1mm。 2. 600km/h的氣隙波動峰谷差值為9.7mm。 3. 上海線軌道平順度可以適應(yīng)列車按600km/h無接觸懸浮運(yùn)行。 ● 美國磁飛機(jī)Magplane
Magplane概念設(shè)計(jì)， 永磁體電動懸浮技術(shù)有可能通過Hyperloop試驗(yàn)計(jì)劃推向應(yīng)用。目標(biāo)速度1200km/h以上。 ● 真空管道+超導(dǎo)+永磁 2014年，西南交通大學(xué)建成高溫超導(dǎo)磁浮環(huán)形試驗(yàn)線并完成調(diào)試。 2016年1月，西南交通大學(xué)研制成真空管道高溫超導(dǎo)側(cè)掛懸浮試驗(yàn)系統(tǒng)。
四、展望 1、5-10年內(nèi)我國高速（600km/h）和中速(160-200km/h)磁浮工程化技術(shù)將取得顯著進(jìn)步； 2、中低速磁浮（100-160km/h）系統(tǒng)未來研究重點(diǎn)為：降噪、提速、減重和提升可靠性、經(jīng)濟(jì)性； 3、160-200km/h中速磁浮有可能在我國城市、城郊和區(qū)域交通中推廣應(yīng)用，有利于提高城市公交旅行速度； 4、10年內(nèi)日本超導(dǎo)高速磁浮(505km/h)的運(yùn)營，將改變地面高速交通國際競爭格局； 5、我國高速磁浮發(fā)展的“十四五”重點(diǎn)是建設(shè)一條驗(yàn)證600km/h常導(dǎo)磁浮系統(tǒng)的工程試驗(yàn)線或示范線。 6、15年后有可能通過低真空管道磁浮使地面交通進(jìn)入600km/h以上速度級時(shí)代。
《磁浮交通技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢》 林國斌 國家磁浮交通工程技術(shù)研究中心/研究員 |
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