第56卷第8期5;;
电力机车技术
!
3&’4567&489:’45;-$，5;;
磁浮列车原理及技术特征
连级三
（西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所，四川成都F
摘
要：综述了斥力型和吸力型磁浮列车的悬浮原理、技术特征及适用范围，重点分析了两种不同的磁浮列车驱动方
式——长定子线性同步电机驱动及短定子线性同步电机驱动的技术特征和性能比较。
关键词：磁浮列车；悬浮；斥力；吸力；线性电机；定子；特征中图分类号：?5G54G
文献标识码：I
文章编号：
L+.%#.M’
/PI79.J2N%
（P%2-4&*>N(’
IT2-+N#-：B:00N+.U
W
目前世界上有三种磁浮列车：型号为>/?的日本超导斥力型磁浮列车；型号为!@的德国常导吸力型磁浮列车；型号为ABB!的日本常导吸力型磁浮列车。
以上三种磁浮列车在悬浮原理和驱动方式上存在着区别。按悬浮原理可分：斥力型磁浮列车，如日本>/?；吸力型磁浮列车，如德国!@和日本ABB!。悬浮原理不同，其技术特征亦不同，表
表’
性能悬浮气隙C00静浮能力C00技术难点是否需支撑轮悬浮磁体重量悬浮所需功耗对线路动力负荷
线路造价运行速度磁力线泄漏
没有单位研究过。
5斥力型磁浮列车原理及特征
从表’可看出，斥力型磁浮列车的特点是：列车运行速度等于零时不能静止悬浮。它依靠车辆上的磁体（超导磁体，永磁铁或常导线圈）在运动时割切线路上导体（短产生感应电流，该电流产生的路环或D字线圈或导体板）
磁力线，必然与产生它的磁力线相反，形成斥力。这类磁浮列车的垂直悬浮力和过曲线时的横向导向力都是利用这个原理实现的，所以在静止时没有悬浮力和导向力。关
于这点可以从图
斥力型与吸力型磁浮列车的技术特征比较
吸力型
斥力型
DE
不需重较大均匀分布较低高低均可几乎没有
;
低温超导制冷技术
需要轻较小较集中高只能高速很大
上海浦东机场至龙阳路站高速磁浮列车运营示范线完全引进德国!@型磁浮列车技术，我国西南交通大学和国防科技大学都正在开发日本常导吸力型ABB!磁浮列车，而日本超导（低温）斥力型磁浮列车在国内尚属空白，
收稿日期：5;;
作者简介：连级三，男，长期从事电力机车教学与科研工作，现为西FD岁，
南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所所长、教授、博士生导师，兼任交大青城磁浮列车工程发展有限公司总工，负责青城山磁浮列车试验线的技术工作。
图
!
电力机车技术・!
期
图#（表示速度为零时，没有悬浮力，但也没有磁力%）阻力；图#（表示低速时，开始产生悬浮力，而磁力阻力&）较大；图#（表示中速时，悬浮力继续增加，磁阻力开始’）表示高速时磁阻力很小。对于磁浮列车，车减小；图#（(）辆与线路有磁场耦合，在运动时必然会产生磁阻力。轮轨列车运行时有机械摩擦阻力，不存在磁阻力，且机械摩擦阻力随着速度线性增加。而斥力型磁浮列车磁阻力低速时大，但在高速时随着速度提高而下降，这也可以说是斥力型磁浮列车适用于高速运行的一个原因。在磁浮列车中，悬浮力（或导向力）与运行磁阻力之比值是一个重要指标。综上所述可知，这个比值对于斥力型磁浮列车是随着速度提高而增大的。
从以上分析已经可以看出：斥力型磁浮列车适用高速或超高速。速度愈高悬浮力愈大，而磁阻力下降，效率不能产生足够的悬浮提高。而在低速时（如#
日本专家认为，磁浮列车#个多小时就跑完全程。另外，
日本是个多地震国家，不宜采用德国/0吸力型高速磁浮列车，因为常导吸力型磁浮列车的悬浮气隙仅12#
图!为日本345超导斥力型磁浮列车槽型横断面示意图，车上前后两端有超导磁体，既作导向与悬浮用，又作为同步电机磁极。地面线路两侧垂向布置三相交流同步电机绕组和作悬浮与导向用的1字形线圈。地面三相交流绕组由变电所6667调频调压供电，得电时驱动列车前进，达到一定速度时收起轮子（图中未示出支撑轮）。
当线圈中通过直流电流时产生磁通沿上述磁路闭合，从而在两个气隙中产生磁拉力，磁拉力（吸力）与车辆重力平衡时就可使车辆悬浮起。在图$所示系统中，导向力也是由同一闭合磁路产生。垂直悬浮力和导向力是合二为一的，原因是图中气隙内磁通产生的电磁力是力图保持图中上下两个铁心的对中位置，即磁阻最小的位置。
图$吸力型磁浮列车原理图
在通过曲线时，由于离心力的作用使车辆横向移动，如图8所示，气隙内磁力线受到扭曲就会形成横向电磁分力。只要设计适当，在列车过弯道时，选择合理的线路超高和横向电磁力的大小，导向力就可以与离心力平衡。
图89::/的导向原理示意图
图$中悬浮力与导向力合二为一的系统，可用于中低速磁浮列车，如日本9::/系列车，但不适用于高速磁浮列车，如德国/0型车。其原因是其依靠上下两个铁心相对错位而产生的横向电磁力较小，高速时，因离心力随速度的增加急剧增加，已不能满足要求。因此德国/0型磁浮列车垂直悬浮力和导向力由两个独立系统产生，如图-示，在线路两侧垂直地布置有钢板（导向和制动轨），车辆
图!
日本345超导斥力型磁浮列车结构示意图
两侧相应地布置有如图$所示的导向电磁铁，它与线路的钢板形成闭合磁路。电磁铁线圈通电后产生横向导向力，两边横向气隙均为12#
$吸力型磁浮列车原理及特征
吸力型磁浮列车原理图见图$。7型钢轨铺设于线路两侧，带有常导线圈的电磁铁相应地位于车辆的两侧，电磁铁与7型钢轨经过两个12#
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连级三・磁浮列车原理及技术特征・!
期
小，使气隙小的一侧电流减小，电磁吸力减小，而气隙大的一侧电流增加，电磁吸力增大，合成产生导向恢复力与列车离心力相平衡。显然，这种独立的导向力系统所产生实质上，图%中导向力的导向力远大于图%中的导向力。
的形成是利用磁场的边缘效应，是垂向悬浮力的切向分力，故不会很大。但&’型磁浮列车这种独立导向是用专门的电磁铁与线路两侧钢板产生，所以车的重量和导向功耗以及线路成本都会增加，因此对于中低速磁浮列车，因其离心力不是很大，没必要采用这种独立导向系统。日本())&系列车和我国正在研制的磁浮列车就是这种结构，因为用于市内或城郊磁浮列车速度不需要很高。
%磁浮列车的驱动原理
磁悬浮与线性驱动是磁浮列车两大技术特点，现在从驱动角度来分析选型。
用线性电机取代轮轨机车中的旋转电机，纵向（列车运行方向）牵引力不受轮轨黏着力限制，这决定了磁浮列车具有牵引力大、爬坡能力强、起动快和速度高等一系列优点。
磁浮列车采用的线性电机有两种不同型式，它们的主要技术特征见表!。
德国&’和日本()*磁浮列车都采用长定子线性同步电机驱动，即电机定子三相交流绕组是铺设在地面线路两侧，动力电源+++,（变频变压变流器系统）也是在地面变电所内，列车运行控制要在地面运行控制中心完
图*
德国&’型磁浮列车结构简图
成，对同步电机的同步控制精度也很高，需要对列车的速度和位置进行精确测控，目前国内还没有这方面的技术。长定子方案，由于沿线铺设电机定子绕组，其造价必然很高。采用地面同步电机控制优点是功率大，功率因数高，适用于高速磁浮列车。
图-示意地表示了德国&’型磁浮列车长定子线性电机从传统旋转电机展开，铺设于地面定子铁心槽内的情况。
德国&’型磁浮列车垂向悬浮力，是由线路的同步电机铁心与车辆上同步电机的磁极之间形成气隙磁通产生的，其驱动力（纵向牵引力）与垂向悬浮力两个系统合二为一，这也是德国&’型磁浮列车优势所在。而日本不但不产生有())&磁浮车列车产生驱动力的线性电机，用的垂向悬浮力，而且产生有害的垂向干扰力。
与斥力型磁浮列车相同，吸力型磁浮列车在钢轨上运动时，也会产生运动磁阻力，因为车上磁体产生的磁力线，运动时在钢轨内会引起感应电流（涡流）而产生能耗，形成磁阻力。德国&’型磁浮列车的磁阻力主要由导向钢板中的涡流产生。而在垂向悬浮系统中，磁阻力可忽略不计，因为地面电机定子铁心是用矽钢片叠成的，涡流很小，可忽略不计。一个磁体沿着钢轨移动时，产生的运动磁阻力与运动速度有关，图+表示磁阻力与速度的关系：从静止开始，磁阻力随着运动速度的提高而增加，达到某一定速度后（与具体磁路结构有关）开始下降。
图+磁阻力与速度的关系示意图图-%%%长定子同步电机示意图
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电力机车技术・!
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日本%&&’磁浮列车采用短定子线性异步电机，线性异步电机定子三相绕组布置在车上两侧，而异步电机转子结构简单，由厚!$((左右的铝板铺设在线路与车上定子位置相应的两侧。所以，短定子磁浮线路的造价远低于长定子磁浮线路。由于电机绕组在车上，所以动力电源也必须装在车内，从地面供电轨（+,$-$./0$)）（)))*）
取得电能，地面与磁浮列车之间必须安装受流器。所以严格地说，这种短定子直线电机磁浮列车不是完全无机械接触的。有受流器这点就决定了这种磁浮列车不能用于很高速度，因为高速时受流性能恶化，从目前的技术水平来说，超过100$2($3$4的受流性能很难保证。
从运行控制方面来说，短定子磁浮列车控制是在车上完成的，相对比较容易。但是，对磁浮列车线性异步电机控制时，必须使线性异步电机的法向力（垂向力）的影响降至最小。
线性异步电机牵引力*5和法向力*6与滑差频率76
的关系曲线见图8。该图表明，法向力*6的极性在70前后在7
为吸力，这种变化对磁浮系统来说是有害的。因为设计磁悬浮系统时，除了要克服车辆重力以及在运动中所产生的动力作用外，还必须考虑这种由电机产生的法向干扰力，而且电机的法向力很大，它和电机牵引力有同样的数量级。为了避免这种干扰力，在设计电机和控制系统时，即*6#0。这就必须使磁浮列车电机工作在频率70附近，
要求对磁浮列车的速度进行精确测量，而直线运动速度
精确测量是项专门技术。
图8:$$$直线电机法向力与滑频的关系
参考文献
电子科技大学出版社，;-
@1AB
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电力机车技术
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磁浮列车原理及技术特征
连级三
（西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所，四川成都F
摘
要：综述了斥力型和吸力型磁浮列车的悬浮原理、技术特征及适用范围，重点分析了两种不同的磁浮列车驱动方
式——长定子线性同步电机驱动及短定子线性同步电机驱动的技术特征和性能比较。
关键词：磁浮列车；悬浮；斥力；吸力；线性电机；定子；特征中图分类号：?5G54G
文献标识码：I
文章编号：
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目前世界上有三种磁浮列车：型号为>/?的日本超导斥力型磁浮列车；型号为!@的德国常导吸力型磁浮列车；型号为ABB!的日本常导吸力型磁浮列车。
以上三种磁浮列车在悬浮原理和驱动方式上存在着区别。按悬浮原理可分：斥力型磁浮列车，如日本>/?；吸力型磁浮列车，如德国!@和日本ABB!。悬浮原理不同，其技术特征亦不同，表
表’
性能悬浮气隙C00静浮能力C00技术难点是否需支撑轮悬浮磁体重量悬浮所需功耗对线路动力负荷
线路造价运行速度磁力线泄漏
没有单位研究过。
5斥力型磁浮列车原理及特征
从表’可看出，斥力型磁浮列车的特点是：列车运行速度等于零时不能静止悬浮。它依靠车辆上的磁体（超导磁体，永磁铁或常导线圈）在运动时割切线路上导体（短产生感应电流，该电流产生的路环或D字线圈或导体板）
磁力线，必然与产生它的磁力线相反，形成斥力。这类磁浮列车的垂直悬浮力和过曲线时的横向导向力都是利用这个原理实现的，所以在静止时没有悬浮力和导向力。关
于这点可以从图
斥力型与吸力型磁浮列车的技术特征比较
吸力型
斥力型
DE
不需重较大均匀分布较低高低均可几乎没有
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低温超导制冷技术
需要轻较小较集中高只能高速很大
上海浦东机场至龙阳路站高速磁浮列车运营示范线完全引进德国!@型磁浮列车技术，我国西南交通大学和国防科技大学都正在开发日本常导吸力型ABB!磁浮列车，而日本超导（低温）斥力型磁浮列车在国内尚属空白，
收稿日期：5;;
作者简介：连级三，男，长期从事电力机车教学与科研工作，现为西FD岁，
南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所所长、教授、博士生导师，兼任交大青城磁浮列车工程发展有限公司总工，负责青城山磁浮列车试验线的技术工作。
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电力机车技术・!
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图#（表示速度为零时，没有悬浮力，但也没有磁力%）阻力；图#（表示低速时，开始产生悬浮力，而磁力阻力&）较大；图#（表示中速时，悬浮力继续增加，磁阻力开始’）表示高速时磁阻力很小。对于磁浮列车，车减小；图#（(）辆与线路有磁场耦合，在运动时必然会产生磁阻力。轮轨列车运行时有机械摩擦阻力，不存在磁阻力，且机械摩擦阻力随着速度线性增加。而斥力型磁浮列车磁阻力低速时大，但在高速时随着速度提高而下降，这也可以说是斥力型磁浮列车适用于高速运行的一个原因。在磁浮列车中，悬浮力（或导向力）与运行磁阻力之比值是一个重要指标。综上所述可知，这个比值对于斥力型磁浮列车是随着速度提高而增大的。
从以上分析已经可以看出：斥力型磁浮列车适用高速或超高速。速度愈高悬浮力愈大，而磁阻力下降，效率不能产生足够的悬浮提高。而在低速时（如#
日本专家认为，磁浮列车#个多小时就跑完全程。另外，
日本是个多地震国家，不宜采用德国/0吸力型高速磁浮列车，因为常导吸力型磁浮列车的悬浮气隙仅12#
图!为日本345超导斥力型磁浮列车槽型横断面示意图，车上前后两端有超导磁体，既作导向与悬浮用，又作为同步电机磁极。地面线路两侧垂向布置三相交流同步电机绕组和作悬浮与导向用的1字形线圈。地面三相交流绕组由变电所6667调频调压供电，得电时驱动列车前进，达到一定速度时收起轮子（图中未示出支撑轮）。
当线圈中通过直流电流时产生磁通沿上述磁路闭合，从而在两个气隙中产生磁拉力，磁拉力（吸力）与车辆重力平衡时就可使车辆悬浮起。在图$所示系统中，导向力也是由同一闭合磁路产生。垂直悬浮力和导向力是合二为一的，原因是图中气隙内磁通产生的电磁力是力图保持图中上下两个铁心的对中位置，即磁阻最小的位置。
图$吸力型磁浮列车原理图
在通过曲线时，由于离心力的作用使车辆横向移动，如图8所示，气隙内磁力线受到扭曲就会形成横向电磁分力。只要设计适当，在列车过弯道时，选择合理的线路超高和横向电磁力的大小，导向力就可以与离心力平衡。
图89::/的导向原理示意图
图$中悬浮力与导向力合二为一的系统，可用于中低速磁浮列车，如日本9::/系列车，但不适用于高速磁浮列车，如德国/0型车。其原因是其依靠上下两个铁心相对错位而产生的横向电磁力较小，高速时，因离心力随速度的增加急剧增加，已不能满足要求。因此德国/0型磁浮列车垂直悬浮力和导向力由两个独立系统产生，如图-示，在线路两侧垂直地布置有钢板（导向和制动轨），车辆
图!
日本345超导斥力型磁浮列车结构示意图
两侧相应地布置有如图$所示的导向电磁铁，它与线路的钢板形成闭合磁路。电磁铁线圈通电后产生横向导向力，两边横向气隙均为12#
$吸力型磁浮列车原理及特征
吸力型磁浮列车原理图见图$。7型钢轨铺设于线路两侧，带有常导线圈的电磁铁相应地位于车辆的两侧，电磁铁与7型钢轨经过两个12#
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连级三・磁浮列车原理及技术特征・!
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小，使气隙小的一侧电流减小，电磁吸力减小，而气隙大的一侧电流增加，电磁吸力增大，合成产生导向恢复力与列车离心力相平衡。显然，这种独立的导向力系统所产生实质上，图%中导向力的导向力远大于图%中的导向力。
的形成是利用磁场的边缘效应，是垂向悬浮力的切向分力，故不会很大。但&’型磁浮列车这种独立导向是用专门的电磁铁与线路两侧钢板产生，所以车的重量和导向功耗以及线路成本都会增加，因此对于中低速磁浮列车，因其离心力不是很大，没必要采用这种独立导向系统。日本())&系列车和我国正在研制的磁浮列车就是这种结构，因为用于市内或城郊磁浮列车速度不需要很高。
%磁浮列车的驱动原理
磁悬浮与线性驱动是磁浮列车两大技术特点，现在从驱动角度来分析选型。
用线性电机取代轮轨机车中的旋转电机，纵向（列车运行方向）牵引力不受轮轨黏着力限制，这决定了磁浮列车具有牵引力大、爬坡能力强、起动快和速度高等一系列优点。
磁浮列车采用的线性电机有两种不同型式，它们的主要技术特征见表!。
德国&’和日本()*磁浮列车都采用长定子线性同步电机驱动，即电机定子三相交流绕组是铺设在地面线路两侧，动力电源+++,（变频变压变流器系统）也是在地面变电所内，列车运行控制要在地面运行控制中心完
图*
德国&’型磁浮列车结构简图
成，对同步电机的同步控制精度也很高，需要对列车的速度和位置进行精确测控，目前国内还没有这方面的技术。长定子方案，由于沿线铺设电机定子绕组，其造价必然很高。采用地面同步电机控制优点是功率大，功率因数高，适用于高速磁浮列车。
图-示意地表示了德国&’型磁浮列车长定子线性电机从传统旋转电机展开，铺设于地面定子铁心槽内的情况。
德国&’型磁浮列车垂向悬浮力，是由线路的同步电机铁心与车辆上同步电机的磁极之间形成气隙磁通产生的，其驱动力（纵向牵引力）与垂向悬浮力两个系统合二为一，这也是德国&’型磁浮列车优势所在。而日本不但不产生有())&磁浮车列车产生驱动力的线性电机，用的垂向悬浮力，而且产生有害的垂向干扰力。
与斥力型磁浮列车相同，吸力型磁浮列车在钢轨上运动时，也会产生运动磁阻力，因为车上磁体产生的磁力线，运动时在钢轨内会引起感应电流（涡流）而产生能耗，形成磁阻力。德国&’型磁浮列车的磁阻力主要由导向钢板中的涡流产生。而在垂向悬浮系统中，磁阻力可忽略不计，因为地面电机定子铁心是用矽钢片叠成的，涡流很小，可忽略不计。一个磁体沿着钢轨移动时，产生的运动磁阻力与运动速度有关，图+表示磁阻力与速度的关系：从静止开始，磁阻力随着运动速度的提高而增加，达到某一定速度后（与具体磁路结构有关）开始下降。
图+磁阻力与速度的关系示意图图-%%%长定子同步电机示意图
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电力机车技术・!
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日本%&&’磁浮列车采用短定子线性异步电机，线性异步电机定子三相绕组布置在车上两侧，而异步电机转子结构简单，由厚!$((左右的铝板铺设在线路与车上定子位置相应的两侧。所以，短定子磁浮线路的造价远低于长定子磁浮线路。由于电机绕组在车上，所以动力电源也必须装在车内，从地面供电轨（+,$-$./0$)）（)))*）
取得电能，地面与磁浮列车之间必须安装受流器。所以严格地说，这种短定子直线电机磁浮列车不是完全无机械接触的。有受流器这点就决定了这种磁浮列车不能用于很高速度，因为高速时受流性能恶化，从目前的技术水平来说，超过100$2($3$4的受流性能很难保证。
从运行控制方面来说，短定子磁浮列车控制是在车上完成的，相对比较容易。但是，对磁浮列车线性异步电机控制时，必须使线性异步电机的法向力（垂向力）的影响降至最小。
线性异步电机牵引力*5和法向力*6与滑差频率76
的关系曲线见图8。该图表明，法向力*6的极性在70前后在7
为吸力，这种变化对磁浮系统来说是有害的。因为设计磁悬浮系统时，除了要克服车辆重力以及在运动中所产生的动力作用外，还必须考虑这种由电机产生的法向干扰力，而且电机的法向力很大，它和电机牵引力有同样的数量级。为了避免这种干扰力，在设计电机和控制系统时，即*6#0。这就必须使磁浮列车电机工作在频率70附近，
要求对磁浮列车的速度进行精确测量，而直线运动速度
精确测量是项专门技术。
图8:$$$直线电机法向力与滑频的关系
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电子科技大学出版社，;-
@1AB