悬浮列车技术
悬浮列车技术
20世纪下半叶铁路的电气化使常规轮轨铁路的运营时速提高到了200多公里。为了进一步提高时速，磁悬浮列车技术受到关注，它是一种采用磁悬浮，直线电动机驱动的新型无轮高速地面交通工具，具有速度高、客运量大、对环境影响（噪音、振动等）小、能耗低、维护便宜、运行安全平稳、无脱轨危险、很强的爬坡能力等一系列优点。
高速磁悬浮列车有常导与超导两种技术方案，采用超导的优点是悬浮气隙大、轨道结构简单、造价低、车身轻。随着高温超导技术的发展与应用，将具有更大的优越性。经过近30年的持续努力，常导高速磁悬浮列车已达到500km/h的试验时速，达到实用化试验阶段。我国上海引进德国的捷运高速磁悬浮系统已经投入运营，时速达到400km/h以上。磁悬浮列车的实现要解决磁悬浮、直线电动机驱动、车辆设计与研制、轨道设施、供电系统、列车检测与控制等一系列高、新技术的关键问题，推动着电工新技术登上新的高峰。
磁悬浮铁路系统是一种新型的有导向轨的交通系统。磁悬浮列车主要依靠电磁力实现传统铁路中的支承、导向和牵引功能。由于运行的磁悬浮列车和线路之间无机械接触或大大避免机械接触.从根本上突破了轮轨铁路中轮轨关系和弓网关系的约束，因而磁悬浮列车可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度（400-550 km/h），且对环境的影响较小。低速运行的磁悬浮列车，在环境保护方面也比其他公共交通工具有优势。
任何磁悬浮列车都需要解决三个问题，即悬浮、驱动与导向。磁悬浮的方式目前主要有三种，即电磁式（EMS）、电动式（EDS）和永磁式。而由于在运行时没有轮轨之间的接触，驱动都采用直线电动机。驱动直线电动机主要分为两类;同步直线电动机和异步直线电动机。导向分为主动（有源）导向与被动（无源）导向。
图所示为目前已经运行的磁悬浮列车的分类
长定子同步电机∶同步机的转子在车上，由谐波发电机与电池给转子磁场供电或采用超导线圈，避免了接触网/轨，可实现高速。同步电机定子（铁心与电枢绕组）在地面，需要地面供电，结构复杂，成本高。由于速度高，既可以采用可静态悬浮的电磁式，也可以采用高速运动条件下悬浮的电动式。典型代表是德国Transrapid（电磁悬浮）与日本超导磁悬浮（电动悬浮）。
由于同步电机是双边激磁，长定子与短定子在材料成本上相差不大，但如果采用短定子就必须向车上大功率供电，必须采用接触网/轨，或额外的直线变压器供电。采用接触式供申将限制列车的速度。直线变压器则需要额外的投资，而血长定子则仅需要向在地面上的线圈供电，因此，高速磁悬浮列车都采用长定子同步电机驱动。
短定子异步电机;异步电机定子在车上，因此需要接触网/轨供电，或采用额外的直线变压器供电。速度受到限制。转子在地面，采用感应板（无转子绕组），单边激磁，结构简单，经济。由于速度低，悬浮一般采用可静态悬浮的电磁式（如日本 HSST）。如果采用无接触的直线变压器供电，速度也可提高到 400 km/h 以上，也可以采用电动式磁悬浮（瑞士 Swiss Metro 的一个方案）。由于异步电机功率因数与效率都较低，悬浮需要另外的电磁铁，所以对于大功率的高速列车，一般不采用异步电机。
由于异步电机是单边激磁，转子不需要供电，长定子比短定子在材料成本上要高得多，经济性能明显不如短定子，，除非有特殊需要（如列车无法供电），一般不采用长定子方案。
一、日本超导磁悬浮列车
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。地面轨道两侧的驱动绕组加三相交流电时，产生行波电磁场，列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，推动列车前进。电动式（EDS），无静止悬浮力，故有轮子。2003年，日本高速磁悬浮列车达到581 km/h的时速。
日本超导磁悬浮系统的悬浮力来自于车辆两侧。在导轨两侧的侧联上，排列着一组组的悬浮-导向线圈。当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮线圈中产生感应申流和层瓜应修场。控制每约悬浮线圈上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同产生斥力，使得车辆悬浮起来.同时起到导向作用。
二、德国常导磁悬浮列车Transrapid
Transrapid 磁悬浮列车系统的悬浮和导向系统是按照电磁悬浮原理，即利用在车体底部的可控悬浮电磁铁和安装在路轨底面的铁磁反应轨（定子部件）之间的吸引力工作的.悬浮磁铁从路轨下面利用吸引力使列车浮起，导向磁铁从侧面使车辆保持运行轨迹。每一节车拥有15个独立的悬浮磁铁和13个独立的导向磁铁。悬浮磁铁和导向磁铁安装在列车的两侧，驱动和制动靠同步长定子直线电动机实现。列车的悬浮磁铁与电动机的转子是一体的。三相绕组的铁磁定子部件安装在路轨上，沿全长分布。
由于电磁式悬浮是不稳定的，必须在磁铁和轨道之间设置传感器，通过闭环控制将它们的间距控制在一定范围内。
因此，德国高速磁悬浮列车 Transrapid 本质上也是一台"悬浮转子大型直线同步电动机"，转子磁极兼悬浮磁铁、同步电机励磁和齿谐波发电机电枢（图6-32中未绘出）的三项功能于一身。我国已经引进Transrapid，用于上海浦东机场线。
三、日本常导磁悬浮列车HSST
HSST的工作原理与德国的Transrapid 原理类似，均使用磁吸式工作原理。HSST 将电磁铁安装在车辆上，导轨的下部是吸附用的轨道。安装在车体的电磁铁从下方产生吸引轨道的吸力.列车利用此吸力而悬浮。磁铁和轨道的间距也必须采用闭环控制。
HSST与德国Transrapid 的主要不同在于驱动电机，Transrapid采用长定子同步电机，而HSST采用短定子异步电机。HSST的电机定子绕组安装在车辆上，电机的铝制长转子（反应轨）沿列车前进方向铺设在轨道上。利用车辆上的磁铁的磁场与导轨磁铁铝板之间的电磁作用驱动列车行驶，车辆上装有电源，需要通过导电轨向车辆输送电流。因此限制了车速。日本在名古屋市建设了一条运营线，为2005年世界博览会服务。
我国和韩国等，也研制了类似的磁悬浮列车，但目前还没有正式运营线。
四、永磁磁悬浮列车
永久磁铁虽然可以产生吸力和斥力，但完全采用永久磁铁不能独立实现稳定磁悬浮--—除非在空间的6个自由度中有至少一个其他约束——这已经在19世纪就得到证明，称为"Earnshaw定律"。但采取其他措施后，仍可以利用永磁材料来实现稳定悬浮，一般有以下几种方法∶
（1）定转子全用永久磁铁，利用同性相斥或异性相吸产生悬浮，但不稳定，需采用机械导向轮或限位轮。因为定转子之间存在机械接触，不属于完全的磁悬浮，称为"半磁悬浮"，所（2）定转子全用永久磁铁，利用同性相斥或异性相吸产生悬浮;或转子用永久磁铁，定子用铁板，，但均需在转子（车辆）上安装补偿电磁铁，形成稳定的磁悬浮。
（3）用永磁材料代替磁悬浮的超导磁铁，与地面感应线圈作用，产生悬浮力（属于电动式磁悬浮，是美国"磁飞机"的方案之一）。
（4）用永磁材料作为一边（一般为定子，即轨道一边），与超导材料互相作用，产生稳定的完全抗磁性悬浮力（高温超导车）。
（5）在车上安装用永磁材料做成的高速自转磁轮，与地面导电材料轨面产生悬浮力，也可以实现稳定悬浮。
五、其他磁悬浮列车
各国正在研究开发的磁悬浮列车种类很多.如美国的城市磁悬浮列车（Urhan Maglev）和磁飞机（Magplane）、瑞士的 SwissMetro等，但这些方案目前还没有运营线或样车，不再一一介绍。另外，美国在短程磁悬浮轨道发射装置的开发上投入了很大力量，主要是为将来航天飞机或导弹的电磁发射做准备。