引言
自2003年前后上海全长30公里的高速磁浮示范线通车至2006年5月23日德国总理默克尔访华结束乘坐上海磁浮列车，已安全运行超过1200天，载客接近700万人次。2005年3月，日本名古屋全长9.2里的中、低速磁浮列车“东部丘陵线”（The Eastern Hill Line）也顺利投入载客运营。（编者按：“丘陵线”资料可参见本刊2005年9月刊“爱知世博会上的联络纽带”一文）。可见磁浮列车已经从技术发展阶段进入实用阶段。2006年3月全长175km的沪杭磁浮线获得国务院批准，进入科研阶段。可以预见磁浮列车将在我国城市和城际快速轨道交通逐步占有一定的位置。
1 国外的磁浮技术
磁浮列车不依靠车轮驱动，采用直接通过电磁力驱动列车的直线电机。19世纪60年代以来，得益于电力电子技术的进步，采用交流调速技术的直线电机驱动磁悬浮列车技术得到了长足发展，其中日本的HSST中低速磁悬浮列车、MLX高速超导磁悬浮列车和德国的Transrapid高速常导磁悬浮列车相对成熟。
1.1 Transrapid高速磁浮列车
德国的磁浮列车研究始于1922年赫尔曼·肯佩尔提出电磁悬浮原理，历经1971年从采用车轨两侧短定子直线电机驱动的德国第一辆磁浮原理车MBB试验运行到采用线路侧长定子直线同步电机驱动的代表Transrapid最新技术的上海磁浮列车投入运营[1]。MBB原理车和上海Transrapid列车分别如图1和图2。
图1 德国磁悬浮原理车MBB
图2 驶入上海龙阳路车站的磁浮列车
Transrapid采用了车体环抱轨道的形式。在T形轨道梁的下侧安装长定子铁芯和三相线圈，它的正下方是固定在车体悬浮架上的悬浮和牵引电磁铁，在T形轨道梁的两侧安装有导向与制动轨，导向与制动轨的外侧是固定在车体悬浮架上的导向和制动电磁铁。Transrapid磁浮机构的构成如图3。
图3 Transrapid列车磁浮机构的组成
德国的Transrapid磁浮列车技术，采用的是长定子直线同步电机。车载的电磁铁由车载的谐波直线发电机和车载的电池组供电，成为转子。而沿轨道铺设的三相有铁芯线圈形成定子绕组。在定子绕组里，交流电产生行波磁场，与车载的电磁铁相互作用，使列车无接触前进，如图4。
图4 Transrapid的驱动原理
同时，磁浮车的励磁部件（转子）还通过与路轨上的定子线圈相互吸引，起着悬浮电磁铁的作用。而列车导向力则安装在车体悬浮架内侧的导向磁铁来提供。列车速度可以通过改变定子交流电流的频率和电压进行无级调节。
采用直线同步电机的Transrapid的87%效率相对于采用直线感应电机的日本HSST中低速磁浮列车的64%的效率都要高[2][3], 这一方面得益于同步电机双侧励磁的固有优点，另一方面是得益于长定子直线电机的分段供电。分段供电即轨道定子被分段，只有列车运行所处的定子段才被供电，这样有利于提高效率。而如何能够使得列车平稳的跨越行驶在各个定子段之间，就产生了Transrapid的长定子段换步馈电技术[4]。Transrapid的分段供电示意图如图5。
图5 Transrapid的分段供电示意图
德国Transrapid列车的优点在于效率高，采用有铁芯线圈，漏磁少，与地面无接触运行，噪音低，维护少，运营速度高。而缺点在为了减小激磁功率而采用较小的气隙，导致控制系统复杂，而起导轨精度要求高，造成较高的造价。
1.2 MLX超导磁悬浮
日本从20世纪60年代开始研究超导磁浮列车，MLX系列磁浮列车是日本超导高速磁浮技术的代表，用于实用性论证的山梨试验线的建设工程于1997年3月完成。图6所示为山梨试验线和MLX01实验车。
图6 山梨试验线和MLX01实验车
MLX采用的是轨道侧长定子直线同步电机驱动的方式，车体运行在U轨道槽内。MLX超导磁浮列车采用液氦冷却的低温超导线圈励磁。超导磁体布置在转向架的两侧上。而用于驱动的定子线圈和用于悬浮与导向的8字形短路线圈则布置在U形槽的两侧侧壁上。
当轨道槽上的定子线圈三相绕组中通入三相交流电时，产生沿线路的行波磁场，这个磁场与车体上的超导磁体所产生的磁场相互作用，产生牵引力。通过改变定子线圈中电流的强度和频率就可以调节车体所收到的牵引力。由于车上超导磁体与线路侧8字线圈之间的相对运动，8字线圈因而感应出电流和磁场，这个磁场与车体上的超导磁体的磁场相互作用而产生悬浮力和导向力。这个悬浮力和导向力的大小跟速度有关，车体在运动在150km/h以上时，列车完全悬浮起来，这是一种电动悬浮的原理，跟Transrapid和HSST的电磁悬浮原理是有区别的。在150km/h以下时，列车依靠橡胶车轮支撑和导向。MLX的截面示意图如图7。
图7 MLX列车的横截面示意图
在山梨试验线建成之后，日本研究人员对超导高速磁浮列车一直在进行后续研究，比如通过改进车体外形的空气动力特性来改善转向架附近的微压波和空气紊流，以降低车体内噪音和改善舒适度[5][6]。
MLX型超导磁浮列车运行速度高，可以达到500km/h以上，不需要复杂的悬浮和导向控制系统，电机效率高，可以达到91%。而缺点在于其路轨上的线圈安装复杂且造价高，采用无铁芯形式导致漏磁较高，安装有液氮和冷却系统的转向架技术重量大而且技术复杂。
1.3 HSST中低速磁浮列车
HSST(High Speed Surface Transport)是日本开发的基于短定子直线感应电机的中低速磁浮列车，速度可达130km/h左右，代表其最高水平的磁浮列车是HSST100L型，如图8所示。
HSST列车采用类似Transrapid列车的环抱轨道形式。列车轨道梁两侧为悬空的倒U形铁磁性轨道，轨道上铺设了铜质或铝质的反应极板。倒U形轨道上反应板的正上方是安装在车体上的直线电机定子，在倒U形轨道的正下方是固定在车体上的悬浮导向磁铁。HSST的磁浮机构结构图如图9所示。
图8 日本HSST 100L型磁浮列车
图9 HSST列车的磁浮机构示意图
HSST的车体上的悬浮磁铁通电时就会与铁磁性轨道之间产生引力，使得车体向上抬起脱离轨道，在悬浮电磁铁上安装有轨道间隙传感器，根据传感器送回的信号，通过调节电磁铁的励磁电流，可以调整这个引力以保持电磁铁与轨道之间的间隙稳定在8mm左右，此时定子与反应板的间隙大约为12mm。
HSST的牵引电机是短定子直线电机，电机初级也就是定子，是安装在车体上的，牵引功率的转换和控制是在车上实现的。磁浮列车通过地面供电系统的供电轨道和电刷实现接触取电。车体上安装直线电机的定子，其正下方的轨道上安装有感应板，当定子通过三相电流后产生一个移动的磁场，这个磁场在感应板上的感应出电流和感生磁场，两个磁场相互作用就产生了推力。
HSST列车的导向是自动的，不需要导向电磁铁的主动控制，这是由于安装在车体上的电磁铁铁芯和铁磁性反U形轨道是正对的，如果两者有一定的错位，两者间的磁力线就会产生一个反方向的横向力，使得列车回到中心线。
采用这种短定子直线感应电机的优点是轨道结构简单，造价较低，缺点是电机功率因数和效率都较低，小于0.7。这是由于列车的定子与反应板间在运行时保持了12mm左右的间隙，远大于旋转电机定子和转子间不到1mm的间隙，使得励磁功耗大，因而导致较低的功率因数。低功率因数意味着牵引功率设备的容量要远大于电机输出功率，导致设备上的较高的热损和电磁辐射损耗。直线感应电机在较高速度下效率和功率因数还要更低，而且在高速下机械接触供电会变得困难，因而限制了它的运行速度。
2 国内的磁浮列车研究
早在20世纪70年代我国科技工作者就开始对磁浮交通新技术关注和展开研究。国家科委在“八五”期间组织了“磁浮列车关键技术”攻关。由铁道科学研究院的牵头，国防科技大学，西南交通大学，中科院电工所等单位参加，主要的研究对象是低速常导磁浮。通过项目的实施，基本掌握了低速电磁吸引式（EMS）磁浮列车的关键技术。
西南交通大学最早于1994年研制成功我国第一辆可载人的电气解耦双转向架4t磁浮列车及其试验线，并通过科技成果鉴定。2006年4月由西南交大、长春客车厂及株洲电力机车研究所联合制造的“CFC-01”号磁悬浮列车在青城山中低速磁悬浮列车工程试验线联调成功。“CFC-01”号长11.2米、宽2.6米、高3.3米，车厢面积约20平方米，可以容纳60人，图10为CFC－01号实验车在青城山试验基地的轨道上。
图10 CFC-01在青城山试验基地
国防科大最早于1995年研制成功6t单转向架磁浮列车系统。2001年5月在长沙建成磁浮列车中试基地，并于2001年7月研制成功CMS-03型实验车，首车长15m，宽3m，可承载100人左右，图11是CMS－03型实验车在中试基地的试验线上。2005年8月由国防科技大学，唐山机车车辆厂研制的工程化样车在唐山下线，图12是磁浮工程样车的下线仪式现场。
大连磁谷科技研究所在永磁悬浮列车的研究上取得突破，其开发的“中华01号”
图11 CMS-03在中试基地试验线上
图12 国防科大研制的磁浮工程样车下线
磁浮试验车于2004年8月18日开幕的“二○○四中国专利技术与产品交易会”上亮相。大连研制的“永磁补偿式悬浮技术”是一种完全自主知识产权的磁悬浮技术，其创新点在于轨磁与翼磁形成斥力悬浮工作机构，补磁与导磁板轨形成吸悬浮工作机构，两者协同工作，提供悬浮力。
3 结论
总结国内外的磁浮列车研究情况可以发现，德国的Transrapid列车和日本的HSST列车已分别由中国上海线和日本东部丘陵线投入商业运营，技术成熟度高，有较好的商业运营经验，日本的MLX超导磁浮列车还在向建设实用运营线过渡的阶段，国内以国防科大和西南交大为代表的磁浮研发机构已经取得可喜的成果，其开发的技术类型与日本的HSST磁浮列车近似。
德国的Transrapid相对于高速轮轨列车具有能耗低、速度高、噪声小、有害物质排放少、土地占用量小的优点，适合作为较长距离的城际轨道交通的选择。而HSST中低速磁浮列车的运营速度在100km/h左右，在较小站间距离的市内轨道交通上可以发挥其噪声低、速度高、无污染的优点，而且国内在常导低速磁悬浮方面有了较好的研究基础。所以我们可以在城际交通和市内交通两个方向上推动磁浮列车技术的应用，走引进吸收和自主研发齐头并进的路线。
