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原标题:铁流:中国为何选择了轮轨而不是磁悬浮

12月8日,由中国铁建铁四院设计施工总承包的湖南长沙中低速磁浮铁路工程全线疏散平台铺架完毕,将于近期开通试运行。每当中国取得技术突破之际,总有人会拿外国最先进的技术与之相比较。诚然中国目前在磁悬浮列车方面的技术成果和德国、日本依旧有一定差距,但已经取得的进步是显而易见的。另外,就下一代轨道交替而言,磁悬浮并非唯一的选择,长沙磁浮工程的意义更多的是技术储备和技术验证,以及积累运营经验,是国家两条腿走路的具体体现。

磁悬浮技术基本原理

磁悬浮列车能抵抗地球引力,悬浮于轨道上,根据工作原理不同,可以分为常导电磁吸引式悬浮和超导推斥型悬浮。

常导电磁吸引式磁悬浮是电磁力主动控制悬浮,由车上常导电流产生的电磁吸引力,吸引轨道下方的导磁体,使列车浮起,再由直线电动机驱动前进。具体来说,就是对置于导轨下方的悬浮电磁铁线圈提供电流产生电磁场,使之与轨道上的铁磁性导轨相互作用,利用他们之间的电磁吸力,使列车悬浮至一定的高度。但由于电磁吸引力与气隙大小近似成平方反比的非线性关系——气隙减小会使电磁吸力增大,导致气隙进一步减小;而气隙增大则使电磁吸力减小,导致气隙进一步增大。因此,这种悬浮系统本质上是不稳定的,加上这种列车悬浮的高度约10mm,必须通过精确快速的反馈控制,才能保证列车可靠稳定地悬浮。德国的TR型磁悬浮列车就是电磁吸力型悬浮的典型代表。

超导推斥型磁悬浮列车是利用同性磁极之间相互排斥的原理来实现车辆悬浮的,其原理是在磁悬浮列车的车体上安装超导线圈或永磁,而在轨道上分布有按一定规则排列的8字形线圈,当列车以一定速度前进时,超导线圈产生的强磁场就在轨道的8字形线圈内产生感应电流,感应电流进而产生强大电磁场,在8字形下半环中形成推斥磁场——上半环中形成吸引磁场,使列车悬浮。这种磁悬浮列车的超导系统电磁力强大,可使列车悬浮100mm,但超导技术相当复杂,并需屏蔽发散的强磁场。

由于抵抗地球引力的根源在于感应电流的磁场与超导线圈的磁场相互排斥而产生排斥力,因而列车速度愈大这个排斥力就愈大,当速度超过一定值时,列车就脱离路轨表面而实现悬浮。因此,超导推斥型磁悬浮列车往往是高速磁悬浮列车,日本山梨线的MLU型车即为超导推斥型磁悬浮列车的代表。

磁悬浮列车为何败于高铁

上世纪90年代,新建高速铁路成为业界共识,但在技术产生了分歧,磁浮派认为磁悬浮列车代表着未来技术发展趋势,轮轨派认为新建高铁才是当务之急。在此背景下,两派各建一条铁路,一条是上海龙阳路至浦东机场的磁悬浮实验线,另一条是秦沈客运专线。

上海磁悬浮线路

上海磁悬浮实验线于2002年底通车,而秦沈客运专线于2003年初开始试运行,在“中华之星”270公里时速动车组夭折之后,磁悬浮列车和高铁并未分出高下。

2006年,京沪高速铁路与沪杭磁悬浮交通项目的项目建议书先后获批,京沪高铁顺利建成,而沪杭磁悬浮却不见踪影。这当中既有决策者在技术选择上趋于保守,也有高铁可以兼容现有的铁路网络的优势,还有磁悬浮在造价方面数倍于高铁的因素。

从事后诸葛亮的视角去看,选择高铁未必不是明智之举:

就造价而言,当年的京沪磁悬浮报价是4000亿人民币,而高铁报价约1300亿,虽然实际造价达2200亿,但比起磁悬浮4000亿人民币的报价而言(如果实际建造的话,造价可能会高于4000亿),依旧具有成本优势。

由于高铁可以兼容现有轨道网络,普通机车也能跑高铁的线路,而磁悬浮列车只能跑专线;一条高铁线路可以跑多列列车,而磁悬浮只能跑单列……在运营成本方面,高铁的成本要大幅低于磁悬浮列车,由于京沪磁悬浮仅仅存在图纸上,就只能以建成的上海磁悬浮实验线为例。上海磁悬浮实验线全程29.8公里,即使在票价高达数十元且次次满载,也很难收回运行成本,据估算,若要收回成本票价应该为240元左右。而从温州到上海,若乘高铁二等座,票价也不过226元。

当高速磁悬浮列车在制动时,磁悬浮列车的频率与人体频率相近,会引起人体的共振,而五脏六腑与列车共振显然不会是令人愉悦的感受。在舒适度方面,高铁虽然在很多情况下,未必优于磁悬浮列车,但不会出现因列车制动,引发人体共振的情况。

在知识产权方面受制于人也是关键因素。由于中国只在中低速磁悬浮列车技术上拥有自主知识产权,而引进的高速磁悬浮产权主要在德国,若选择磁悬浮列车,那中国上万公里的铁路都将受制于人,在建设、维护、运营等方面将被外商无限抽血。而高铁中国具有完全的知识产权,选择高铁不仅免于受制于人,还使南车、北车茁壮成长,将西门子、阿尔斯通、庞巴迪等昔日的老师逐一超越。

此外,磁悬浮列车车速定位比较尴尬——磁悬浮列车在车速上不比高铁快多少,但却比下一代轨道交通系统慢了五倍左右——中国正在研发的下一代真空运输系统理论时速达2900公里,甚至在理论上有提速到5000公里极限时速的潜力。据了解,该系统采用真空管道技术,而且在这两年进步很快。

长沙磁浮工程的意义

长沙磁悬浮线路

长沙磁浮工程全线长18.5公里,完成投资约35亿元,最高时速100公里,乘客从长沙高铁南站搭乘磁浮列车,只需约10分钟即可到达黄花机场。该工程最大的亮点是中国首条自主研发的磁悬浮线(向中车和中南大学致敬),使用中车株洲电力机车公司自主研发生产的中低速磁浮列车“追风者”。该款列车于2012年1月诞生,多项成果达到国际领先水平,中国也由此成为世界少数几个掌握中低速磁悬浮列车技术的国家之一。

相对于发挥类似于轻轨的实际作用,长沙磁浮工程更像是花小钱赚吆喝,顺带做磁悬浮技术储备和技术验证。另外,在实现列车能够悬浮之后,列车能高速行驶就必须依赖另一项技术——直线电机,而该技术也可以被用于航母电磁弹射。

虽然电磁弹射器的直线电机与磁悬浮列车用的直线电机有一定区别——磁悬浮列车的直线电机大多做匀速工作,而电磁弹射器却是加速度工作。电磁弹射器的感应动子比较短,而含有线圈的定子长;磁悬浮列车的直线电机带线圈定子短,而动子很长……但最基本的原理是相通的。

直线电机工作原理图

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能,而不需要任何中间转换机构的传动装置。

日常所见的电动机都是旋转型的,它是由定子包围着圆筒形的转子,当通过三相交流电的时候,定子形成旋转磁场,旋转磁场会因感应在转子中流过电流,而转子产生的电流与定子磁场作用从而使转子产生旋转力矩。

直线电机

而直线电机可以看成是一台旋转电机按径向剖开,并展成平面而成。对应旋转电机定子的部分叫初级,对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通多相交流电,便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力,从而实现运动部件的直线运动。相对于适用于磁悬浮列车的直线电机,电磁弹射所使用的直线电机的技术难点是尽可能提高它的功率密度和能量效率,以及针对海洋环境的强悍适宜能力。

可以说,电磁弹射器和磁悬浮列车所使用的直线电机在技术原理上具有相似性,磁悬浮列车技术的发展与电磁弹射器的进步可以起到相辅相成的作用。因此,长沙磁浮工程除了验证磁悬浮列车技术之外,还能对电磁弹射器的发展有一定促进和借鉴作用。

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