作者：谢海林
出版社：中国铁道出版社有限公司
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中低速磁浮交通系统工程化应用——长沙磁浮快线试读：
前言
磁悬浮技术是一种利用磁力克服重力使物体悬浮的技术，由于其无接触的特点，避免了物体间的摩擦和磨损，改善了设备的运行条件，减少了列车运行阻力，延长了设备的使用寿命，所以在交通、冶金、机械、电器、材料、生命科学等各个方面有着广泛的应用，如磁浮列车、磁力轴承、磁悬浮天平、磁悬浮高速电机及相关的技术应用已取得长足的发展并投入市场。
磁浮列车通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行，是一种新型的非接触式地面轨道交通运输工具，被誉为“地面上的飞行器”。由于磁浮列车无接触运行和直线电机牵引，与传统以“轮子”行进的交通工具相比具有诸多优势，如加减速快、转弯半径小、爬坡能力强、维修费用低、安全不脱轨、绿色环保、噪声小振动低（中低速情况下）等，在对资源、环境要求越来越高的今天，受到很多国家的青睐。
在经过了几十年的技术积累和试验验证，千禧年后磁浮交通技术逐渐走向成熟并投入商业化应用。2002年12月，世界第一条高速磁浮商业运营线——上海磁浮列车示范运营线建成通车；2005年3月，世界第一条中低速磁浮商业运营线——日本东部丘陵线建成通车；2013年6月，韩国仁川机场线投入试运行；2014年12月，日本举行了世界首条超高速磁悬浮列车轨道系统建设的开工典礼，预计2027年开通东京至名古屋段，速度超500km/h；2016年5月，中国第一条中低速磁浮商业运营线——长沙磁浮快线建成通车；2017年12月，北京S1线试运营；2017年12月，清远磁浮旅游快线开工；2018年2月，马斯克的超级高铁计划获批，在纽约至华盛顿特区间挖掘一个地下隧道，修建管道磁浮。磁浮交通推广势头如火如荼，人们的交通出行方式正在发生着又一次深刻变革。
我国在磁浮交通技术及产业发展也进入了快速时期。2016年，国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确指出：“推进时速500公里轮轨试验列车、时速600公里磁悬浮系统等新型列车研发和产业化，构建完整产业链。……构建时速200公里及以下中低速磁悬浮系统的设计、制造、试验、检测技术平台，建立完善产品认证制度，建立新型城市轨道交通车辆技术标准和规范，领跑国际技术标准。”同年，“磁浮交通系统关键技术”被列为国家重点研发计划先进轨道交通重点专项，并由科技部发布公开任务申报；国家发改委发布《增强制造业核心竞争力三年行动计划（2018—2020年）》，将磁浮列为核心制造业。中国铁建等国内各大央企均投身磁浮交通发展事业中。
中国第一条中低速磁浮商业运营线——长沙磁浮快线，是由中国铁建承建、目前世界运营里程最长的中低速磁浮运营线。长沙磁浮快线自2016年开通，已安全准点运营近两年，接待了来自全球约35个国家和地区的国外考察团、50多个城市的国内考察团，获得国内外媒体报道逾500次，掀起了阵阵磁浮热潮。为继续巩固磁浮交通领域的领先优势，提升企业核心竞争力，同时为国家磁浮轨道新型交通发展做出央企应有的贡献，中国铁建以长沙磁浮快线EPC总承包项目部为基本班底，注资20亿成立中铁磁浮交通投资建设有限公司（中文简称“中铁磁浮”，英文缩写CRMT），战略定位于城市新型轨道交通建设运营服务商；功能定位于高端经营与资本运作平台、核心技术研发合作平台、整合集成专业优势平台、吸引集聚高端专业人才平台。重点打造投资经营能力、关键技术研发能力、规划设计组织能力、资源整合集成利用能力、运营组织管理能力。
磁浮交通系统是一个系统工程，并不是单一的车辆、轨排、道岔的产品制造，以及土建的设计与施工，而是一个系统工程，各子系统间相互关联、相互影响。在长沙磁浮快线建设之初，我国尚无成熟的标准和规范可循，线路工程、轨道设备、车轨系统、机电工程、系统集成等都是全新课题，面临空前挑战。在湖南省委省政府、长沙市委市政府的指导和关怀下，中国铁建建设团队克服了旁人难以想象的重重困难，最终只用二十个月建成，实现了拥有完全自主知识产权的中国中低速磁浮技术产业化零的突破！同时，在建设过程中也积累了大量的经验教训。中铁磁浮结合市场需要，以长沙磁浮工程建设全过程为基本框架，并收集相关资料编撰成书，为工程技术人员、磁浮爱好者以及高校师生介绍磁浮交通在发展历程、工程设计、工程施工、建设管理、运营维护等内容，力求为读者展现一个完整、全面的磁浮交通世界。
全书分为四篇十二章，从磁浮交通技术研究与试验入手，结合长沙磁浮快线工程实践，系统全面地阐述了中低速磁浮工程方案设计、产品研究制造、施工、调试联调、验收与试运营全过程的关键技术，深入总结了各阶段的经验和教训。其中，“研发设计篇”，主要内容包括磁浮交通原理与关键技术、国内外磁浮交通技术研究与试验线建设现状、中低速磁浮车辆系统研究、长沙中低速磁浮交通主要技术标准与设计原则，以及测量、景观等专项设计；“建设管理篇”，详细总结了长沙磁浮工程背景、立项、决策、前期工作、工程建设和管理等方面的经验教训；“施工技术篇”，介绍了低置线路、桥梁、轨道、接触轨、通信信号等主要施工技术；“联调试运营篇”，介绍了长沙磁浮工程综合联调总体工作方案，总结了综合联调方案评审、实施、总结评估、问题库分析与落实等方面的经验教训，并阐述了磁浮工程验收和试运营工作情况。本书与国内外同类书籍相比不一样的地方主要突出体现在较强的系统性（涵盖工程全过程）、专业性（专注中低速磁浮交通）和实战性（紧密结合全国首条中低速磁浮工程）。
本书对中低速磁浮工程化应用各阶段的关键技术及所积累的经验进行了系统全面地阐述，对中低速磁浮技术研究与设计改进具有重要参考价值，也希望对中低速磁浮技术标准体系的建立和磁浮交通产业发展起到推广、推动作用。本书可供从事城市轨道交通（中低速磁浮）研究、设计、建设、运营管理等技术人员和管理人员，以及大专院校相关专业师生借鉴参考。
本书编写过程中，钱清泉院士，翟婉明院士，中国铁建股份公司孟凤朝董事长、庄尚标总裁、夏国斌副总裁、雷升祥总工程师等给予了大量指导，中国铁建股份公司机关各部门、各兄弟单位给予了大力支持，中国铁道出版社相关领导也提出了许多宝贵意见，在此一并致以诚挚谢意！
由于时间仓促，编者水平有限，书中疏漏之处恳请读者批评指正。编者2018年1月研发设计篇1磁浮交通技术研究与试验1.1研究历程1.1.1 磁浮交通技术起源
1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮（以下简称“磁浮”）的概念，并指出：单靠永久磁铁可不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。1900年初，美国、法国等国的专家提出了物体摆脱自身重力束缚高效运行的若干猜想，并分析了无摩擦阻力的磁浮列车使用的可能性，这也就是磁浮交通的雏形。然而，受当时科学技术以及材料的局限，磁浮交通只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。
1922年，德国人赫尔曼·肯佩尔提出了电磁悬浮原理，并在1934年获得世界上第一项有关磁悬浮技术的专利。20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得轻巧，这就给磁浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁浮列车发展的第一个里程碑。
1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁浮运输系统，美国开始磁浮铁路的研究，1975年停止研究工作。1989年，铁路总署、陆军工兵总部、能源部牵头，数家公司和大学参加，美国又重新开始评估磁浮列车的实用价值，制定了设计时速500km磁浮列车方案，同时致力于推进应用永磁悬浮的磁浮车（Magplane）。
自20世纪60年代开始，除德国、美国外，日本、英国、加拿大、韩国、原苏联和中国也相继开展了磁浮铁路交通的研究。英国于1984年4月正式开通伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条620m长的磁浮铁路，这也是世界上第一条投入商业运营的磁浮铁路，令人遗憾的是，受英国整体经济下滑和体制的影响，1995年这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车，在运行了11年之后被宣布停止营业，英国也再没有致力于发展磁浮交通。1.1.2 国外磁浮交通技术研究
1.德国磁浮交通发展概况
德国真正开展磁浮交通的研究始于1968年。之前之所以没有系统地研究是因为关联技术以及工艺条件都比较低级，在很大程度上限制了磁悬浮技术的发展。从1968年开始，德国因环境和能源问题迫切要求开发新的高速交通体系。
1969年，德国联邦交通部、联邦铁路公司和德国工业界开展了“高运力快速铁路的研究”，磁浮高速铁路也在研究之列。在联邦政府的资助下，工业界开始了磁浮铁路的研发工作。
初期的研究包括常导技术和超导技术：
1971年，德国第一辆磁浮原理车在一段660m长的试验线路上进行试验运行，原理车采用车辆侧的短定子直线电机驱动。
1975年，Thyssen Henschel公司在卡塞尔（Kassel）的工厂中的HMB试验线上率先实现了线路侧长定子直线同步电机驱动的磁浮车运行。这一试验系统，将直线驱动与悬浮支承结合起来，奠定了今天TR（Transrapid）磁浮高速铁路发展的基础。1976年，Thyssen Henschel公司在HMB2号试验线上进行了载人长定子试验车的运行。
1977年，德国联邦技术研究与技术部经过系统地分析认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定集中力量发展长定子直线同步电机驱动的常导交通系统。
1978年，德国政府决定在埃姆斯兰德修建一条磁浮试验线。
1979年，汉堡国际交通博览会，展出了一段900m长的TR磁浮铁路示范线。人们真正意义上的接触、关注磁浮列车也是在这个时候开始的。汉堡市民对以75km/h速度运行的磁浮车产生了极大的兴趣。这次磁浮车的成功展出，促进了磁浮高速铁路的发展进程；更是促成了德国建造大型试验设施的决定。1980年，埃姆斯兰德的磁浮试验线正式开工。为了建造第一段线路，德国工业界组成了磁浮铁路联合体。第一期工程包括21.5km长的试验线路、试验中心和试验车TR06，该线路于1982年开始进行不载人试验，并于1983年6月30日投入试验运行。同年年底达到300km/h。为了提高试验速度，1984年决定扩建南环线。南环线1987年建成。至此，试验线总长达到31.5km，速度增至400km/h。
1991年12月以前，在德国联邦铁路中心局的领导下，用了近两年时间由联邦铁路和重要高校研究所的专家组成的一个工作组对磁浮高速铁路TR系统进行了全面的检验和评估，专家组得出该系统在“技术应用上已完全成熟”的结论。至此，TR成为世界上首次进入技术应用成熟阶段的磁浮高速铁路系统。
1993年，TR07型磁浮列车在TVE试验最高速度达到450km/h。
1996年5月9日到6月14日，联邦议院和联邦参议院制订出了“磁悬浮需求法规”。
1997年4月，德国决定在柏林和汉堡之间建一条全长292km的磁浮线，原计划1998年下半年动工，2005年投入商业运行。为此开发了拟用于柏林至汉堡线的TR08型磁浮列车。该车于1999年10月开始在试验线上进行试验。后来由于新的预测表明建设新线将面临亏损的危险，遂于2000年2月取消建设计划。
2.日本磁浮交通发展概况
日本的磁浮列车悬浮系统既有电磁吸力型悬浮（EMS，Electromagnetic Suspension）技术的中低速系统，也有电动斥力型悬浮（EDS，Electrodynamic Suspension）技术的高速列车系统。其采用电磁吸力型悬浮技术的代表是HSST（High Speed Surface Transport）磁浮铁路系统。
20世纪70年代中期，为了开发一种连接机场至市区的速度快、噪声低、乘坐舒适的交通工具，日本航空公司组织专家对磁浮技术进行研究。1974年4月，小型磁浮试验装置浮起试验成功；1975年试制成电磁支承和导向的第一辆试验车HSST-01型，电磁浮和直线电机驱动的磁浮车运行试验取得成功；借鉴火箭和直线电机驱动原理，试验车HSST-01在11.6km长试验线路上达到了308km/h的试验速度。
1978年向公众展出了HSST-02型车，最高速度约为100km/h，共有9个座位，为了改善舒适性，在车厢和悬浮框架间采用了二系弹簧悬挂系统。
为了向公众展示新的磁浮交通技术，并在接近应用的条件下试验新的磁浮交通技术最重要部分的功能，日本从1983年开始建造试验和展览车HSST-03型。该车于1985年在筑波国际工艺博览会上展出。试验和展览设施由一条300m长线路、一个进出站、一套供电设备和一个维修站组成。该车有48个座位，车速限制在30km/h。展览会期间，60万人次乘坐了磁浮列车。1986年，HSST-03号车被送到温哥华国际博览会展出，速度达到40km/h。
1987年研制成HSST-04型磁浮车，车重24t、长19.4m，可容纳约70名乘客，设计速度200km/h。1990年，日本HSST磁浮铁路系统与德国磁浮铁路系统进行了比较和评估，得出HSST和TR接近实用的结论，并计划研制HSST100S型磁浮列车。HSST磁浮车悬浮导向原理如图1.1.1所示。图1.1.1 日本HSST磁浮车悬浮导向原理图
1991年，日本在名古屋附近的大江，建成了一条新的面向应用试验的试验线。试验线总长1530m，最小曲线半径为100m（主线）和25m（分支线）。从1991年开始至1995年，对HSST100S型磁浮列车进行了100多项面向应用要求的试验。其最高运行速度可达130km/h。测试结果表明，HSST100S型磁浮列车是成功的。1993年3月，以东京大学技术系正田英介教授为主席，日本运输省、建设省和其他单位的专家学者组成的可行性研究委员会对对试验结果进行了最后论证，考察了噪声、振动、磁场影响等，结论是：HSST磁浮铁路系统是舒适的低污染系统，能够应对紧急情况，长期的运营试验证明它是可靠的，并且其悬浮的特点使得其维修量降低；作为城市交通系统，HSST磁浮铁路系统已进入实用阶段。
1995年，在HSST100S型基础上，日本又研制了一台新的样车，称为HSST100L型，其模块由6个增加到10个，长度由8.5m/辆增加到14.4m/辆，一些器件在HSST100S型试验结果基础上进行了改进。HSST100L型是一列两辆编组商业运营车的样车，从1995年开始，在大江的试验线上进行了运行试验。2002年为了爱知世博会开始建造用于商业运营的TKL线（东部丘陵线）：全长9.2km（复线），运营长度8.9km，除1.4km为隧道外，其余均为高架线路，共设9个车站和1个车辆段。列车采用3辆编组运行，速度为100km/h，单程运行约需15min，该系统2005年3月6日正式商业运行，如图1.1.2所示。图1.1.2 日本东部丘陵线
3.英国磁浮交通发展概况
如前所述，在英国就曾有一条连接伯明翰机场和英特纳雄纳尔火车站的磁浮线路，620m长的距离，旅客只需90s就能到达目的地。虽然这条磁浮线已经不继续运营，但是它带来的磁浮冲击波无疑是震撼的。
4.韩国磁浮交通发展概况
韩国从1986年开始开展低速磁浮列车的研究，在1990年至1993年先后研制了样车HML-01、HML-02及HML-03，并在1993年韩国世博会上展示了HML-03。1996年韩国研制了UTM-01，截止到2003年，该车已经在1300m的试验线上运行了60000km。2004年起，韩国开始面向商业化运行展开研究，2006年3月韩国启动了EXPO科学公园995m低速磁浮列车运营线工程，采用最新研制的UTM-02。1.1.3 国内磁浮交通技术研究
在我国语境中，大家倾向将“磁悬浮”交通称为“磁浮”交通，谐音“赐福”交通。
相对而言，我国对磁浮列车的研究工作起步较晚，1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮原理试验概念车。1995年，中国第一条磁浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为30km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经掌握了制造磁浮列车的技术。
1999年，国家在进行京沪高速铁路预可行性论证的过程中，部分专家提出：鉴于高速磁浮交通系统具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点，同时考虑安全运行里程超过60万km，而且德国政府也宣布高速磁浮交通系统技术已经成熟等情况，认为要充分运用发展中国家的技术后发效应，实现轨道交通跨越式发展，建议国家在京沪干线上采用高速磁浮铁路技术。
与此同时，大部分铁路专家则提出了相反的意见，认为高速轮轨系统技术经过几十年的实践已经完全成熟，我国国内对高速轮轨系统技术的开发也已经取得了重大进展；尽管高速磁浮技术拥有诸多优点，世界上不少国家也都在开展研究，但均停留在试验阶段，磁浮列车缺乏商业化运行实践，它的技术性、安全性经济性尚未进一步验证，相对于高速轮轨系统技术，在技术上经济上都存在着很大风险。在论证过程中，两种意见一度相持不下。
经过激烈地争论，专家们最终形成共识，建议先建设一段商业化运行示范线，以验证高速磁浮交通系统的成熟性、可用性、经济性和安全性。此建议得到了国务院领导的关注与支持，随即在对北京、上海、深圳三个地区进行比选后于2000年6月确定在上海建设。2000年6月，中国上海市与德国磁浮国际公司合作进行中国高速磁浮列车示范运营线的可行性研究。同年12月，中国决定建设上海浦东龙阳路地铁车站至浦东国际机场高速磁浮交通示范线，总投资为89亿元人民币的上海磁浮列车示范运营线2001年3月正式动工建设，西起上海龙阳路地铁车站，东至浦东国际机场，正线长30km，上下行折返运行，全线设2个站，2个牵引变电站，1个运行控制中心（设在龙阳路车站内）和1个维修中心，设计最大时速达460km，单向运行时间为8min，发车间隔为10min，按设计水平，9节车厢可坐959人，每小时发车12列，按每天运行18小时计，年客运量双向可达1.5亿人次。2002年12月31日上海磁浮列车示范运营线建成通车，如图1.1.3所示。图1.1.3 上海高速磁浮线
西南交通大学在2000年研制了世界第一辆载人高温超导磁浮列车“世纪号”，随后又研制了载人常温常导磁浮列车“未来号”。据介绍，早在1994年，西南交大就研制成功中国第一辆可载人常导低速磁浮列车，但那是在完全理想的实验室条件下运行成功的。
2003年，西南交大在四川成都建成青城山磁浮列车线，该磁浮试验线轨道长420m，主要针对观光游客，票价低于出租车费。1.2磁浮交通原理与关键技术1.2.1 磁悬浮原理
磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术，伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步研究，磁悬浮才随之揭开了其神秘一面。
1937年，赫尔曼·肯佩尔最先提出了磁悬浮原理，随后他又根据磁悬浮原理提出了磁浮列车这个概念并申请了专利。磁浮列车英文简写为MAGLEV（Magnetic Levitation），是一种利用电磁吸力或斥力来悬浮和导向车体，并采用直线电机进行牵引的列车。磁浮列车可分为电磁悬浮（EMS）和电动悬浮（EDS）两种。
磁悬浮原理如图1.2.1所示，通过对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生磁场，磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般约8～12mm。图1.2.1 磁悬浮原理示意图
磁浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁浮列车”，亦称之为“磁垫车”。1.2.2 磁浮导向与驱动技术
磁浮列车发展到今天，日本和德国的技术在国际上领先一步，代表了两种完全不同的发展方向，归纳起来有EMS与EDS两大系统：EMS是一种吸引式电磁悬浮系统；EDS是一种排斥式电动悬浮系统。德国磁浮列车的发展经历了从长定子同步直线电动机的EDS，到短定子异步直线电动机的EMS，再到长定子同步直线电动机的EMS的过程，并最终确定了长定子EMS的发展路线。日本着重于研究超导高速磁悬浮技术并取得了成功。德国人的一贯严谨作风，他们在权衡利弊之后，认为超导高速磁悬浮技术未来发展很困难，于是全身心投入到常导高速磁悬浮技术的研发中，最终，日本和德国分别在超导和常导超高速磁悬浮技术上都取得了巨大突破，并在商业运营上取得了成功。
经过世界各国几十年的研发，现在形成了以日本为代表的超导超高速磁悬浮ML技术、以德国为代表的常导超高速磁悬浮TR技术和以日本研发的主要用于中短途运输的中低速磁悬浮HSST技术。1.2.3 磁浮列车技术原理综述
磁浮列车工作时主要利用了电磁铁同性排斥异性吸引的基本原理，从而使得列车悬浮在车轨上方，列车在磁力的牵引下高速前行，同时通过设置在车厢两侧的磁铁自动调整姿势以避免倾斜。下面以超高速磁悬浮列车为例，看看磁悬浮铁路需要解决哪几项技术难题。
1.电磁铁
电磁铁一般分为常导磁铁和超导磁铁，常导磁铁是在常温下给电导体充电，从而产生电磁力。超导磁铁是在一定温度下让导体的电阻变成零的状态下，再充电从而产生电磁力。在超导状态下，由于超导材料的电阻为零，用它制成的绕组一旦施加电流之后，会永不衰竭，可以得到数十倍于永久磁铁的磁场强度。很明显超导磁铁因为没有电阻，电流通过时不会产生热量，进而减少了电力的损耗，是一种最理想的电磁铁。
2.直线电机
传统的电机是圆形的，通过转子绕着固定轴（定子）旋转产生电力，而磁悬浮铁路采用非轮轨接触的牵引技术，它使用的直线电机沿着轨道一字铺开，就相当于将圆形电机展开成平面，从而获得牵引动力。由于车辆上超导磁铁的磁场方向极性是固定的，因此车辆将随着地面直线电机磁场的向前移动而前行。
3.磁浮列车驱动技术
一般的电力机车利用受电弓从接触网接受电力，然后传送给设在车辆转向架上的传统旋转电机，从而让车轮与轨道之间产生黏着力进而驱动列车行驶。而磁浮列车在每节车辆两端和两侧均安装有电磁铁，通电之后产生磁场N极和S极。通过某种控制手段，使得前方地面磁场与车辆磁场的极性相反而产生牵引力，后面相邻地面磁场与车辆磁场产生的极性相同而产生推力，使得车辆向前运动。
4.磁浮列车悬浮技术
磁浮铁路比轮轨铁路的优越性就在于，它利用了电磁铁同性相斥、异性相吸的原理而产生悬浮，将列车悬浮在导轨上方，从而消除了轮轨接触所产生的摩擦力。
5.磁浮列车导向技术
传统的轮轨接触型铁路，列车的导向是通过轮缘与钢轨的相互作用实现的。而磁悬浮铁路在导轨侧壁安装有悬浮及导向绕组。如果车辆在平面上远离了导轨的中心位置，则系统会自动在导轨每侧的悬浮绕组中产生磁场，并且使得偏离侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸引力，靠近侧的地面磁场与车体磁场产生排斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置。
6.磁浮列车速度控制技术
普通的轮轨列车由司机驾驶，司机可以通过调度中心的指令进行加速、减速或者停车。超高速磁浮列车牵引动力在地面，且由于速度太快，为保证列车安全准确行驶，对车辆的加速、减速、停车等控制不能依靠司机，必须依靠地面控制中心远程控制。地面控制中心通过调节变电站送到导轨驱动绕组的电流频率和大小，改变磁场的强弱，来实现对列车的控制。1.3中低速磁浮交通技术1.3.1 中低速磁浮列车的基本原理
中低速短定子磁浮列车，在支承梁上铺设电机转子，采用F轨实现导向。线路引导列车前进方向，同时承受列车荷载并将之传至地基。供电系统，主要包括变电站、沿线供电轨等供电设备。运行控制系统包括所有用于安全保护、控制、执行和计划的设备以及用于设备之间相互通信的设备。
磁浮车辆主要由悬浮架及其上安装的电磁铁、二次悬挂系统和车厢构成，此外还有车载蓄电池、应急制动系统和悬浮控制系统等电气设备。其中车辆悬浮、导向技术是整个车辆技术的核心，是使列车悬浮至一定高度，且与轨道间无机械接触，并安全导向的关键技术。其原理如图1.1.1所示。
中低速磁悬浮技术包含悬浮技术、驱动技术和导向技术，在技术原理上也与超高速磁悬浮技术迥然不同。这种磁悬浮技术采用磁铁吸引铁板的原理。整个轨道全部采用钢板铸成，在两侧端部向下弯曲，形成一个倒“U”形的磁性轨道结构。列车的车厢上跨并环抱轨道，车辆底部安装有电磁铁，也向下弯曲到轨道的“U”形结构下方，并与其相对，呈正“U”字结构。两个“U”字相对，就像两个磁极相反的“U”形磁铁两两相对一样。因为异性相吸，车辆底部的电磁铁对轨道产生向上的吸引力，车辆便随之向上悬浮。磁铁和轨道之间还要保持一定的间隙，因为如果没有间隙，轨道就和电磁铁吸附在一起，车辆便会被锁死而不能运行，因此必须采取一种感应设备，时刻检测电磁铁和轨道之间的距离，通过调节电磁铁中的电流强度，来调节磁力大小，进而调整轨道和电磁铁的间距，使之保持在8mm左右。
要让磁浮列车稳定运行，就需要采用导向技术让其沿着轨道中心线前行。中低速磁浮列车也是通过“U”形轨道和“U”形电磁铁的相互吸力，来调节列车左右的摆动量，让列车保持在固定的线路上。中低速磁浮列车的驱动方式也和超高速的磁浮列车不同，后者因为速度高，司机不能直接控制车辆，而是通过地面控制中心调整磁力的大小实现速度控制的目的，是一种地面驱动方式。而中低速磁悬浮列车速度不高，司机完全可以控制行车，无需地面中心直接控制，因此采取的是列车驱动方式。中低速磁浮列车采用短定子直线电机供电。电机的定子安装在车辆上，转子铺设在轨道上，通过感应磁场实现列车的牵引。
中低速磁浮列车需要外部供电才能让电磁铁产生磁力，让直线电机产生牵引力。列车上的电力直接从导轨一侧的直流供电器获得1500V的直流电，在车辆的底部设置有电刷，在列车运行过程中通过电刷接触供电，就像高铁动车组顶部的受电弓从接触网上受电一样。
与普通的轮轨系统列车相比，中低速磁浮列车采用悬浮架抱轨运行，没有脱轨风险，具有安全可靠、建设周期短、建设成本低等特点，造价只是地铁的三分之二。运营管理成本低，转弯半径小、最小转弯半径50m，爬坡能力强，线路走向选择灵活，低碳环保，电磁辐射甚至比手机对人体的辐射还小。中低速磁悬浮列车最大运行速度达120km/h，能实现全天运营，不受任何恶劣天气的影响，是最适合城市内部交通的一种理想方式。1.3.2 中低速磁浮交通系统组成
中低速磁浮交通系统与其他城市轨道交通系统相同，主要由列车系统、线路与车站系统、供电系统、列车运行控制系统和其他辅助系统组成，如图1.3.1所示。图1.3.1 中低速磁浮交通系统组成
列车系统又包括悬浮与导向系统、直线电机驱动系统、测速定位系统、机械制动系统和辅助电源系统。
线路与车站系统主要包括承轨系统（土建）、轨道系统、道岔系统及车站建筑系统。
供电系统主要包括牵引供变电系统、接触轨系统和动力照明系统。
上述系统中，磁浮列车系统、轨道系统、道岔系统为中低速磁浮交通系统所特有，另外，由于磁浮系统车轨一体但又无接触运行的特殊性，接触轨系统以及电磁环境下的列车运行控制系统有别于轮轨交通体系，其余系统与城市轨道交通系统类似，直接或适度改造后即可用于中低速磁浮交通。1.4中低速磁浮工程试验1.4.1 国外中低速磁浮工程试验线情况
1.日本东部丘陵线TKL（Tobu Kyuryo Line）（1）项目概况
早在1992年1月，日本运输部政策委员会就计划到2008年完成名古屋爱知地区中等运量的快速运输系统HSST。1999年4月，日本政府最后选择了磁浮系统。2000年2月，借助爱知世博会的机会，爱知快速运输有限公司成立，随即开始实施环境评价、线路图及制定相关的铁路法规等，2002年4月启动了全线工程，于2005年3月6日提前3年实现该线商业运营。
名古屋东部丘陵线TKL（Tobu Kyuryo Line）是世界上第一条正式的中低速磁浮商业化运营线路，如图1.4.1所示。线路起于名古屋地铁的藤丘站，止于爱知环线铁路的八草站，全长8.9km，正线数目为双线，其中隧道1.4km，高架线7.5km；设有车站9座，其中地下站1座，地面站1座，高架站7座；全线设包含运行控制中心、电力供应、车库、维修场地和办公室在内的综合基地1处。列车最高运行速度为100km/h，定员244人。单线运行时间只有15min，高峰期每5min发一趟车。图1.4.1 日本东部丘陵线（2）线路主要技术标准
正线数目：双线；线间距3850mm。
最小曲线半径：平曲线半径75m，竖曲线半径1500m。
最大坡度：纵坡6％，最大横坡角6°。2
最高运行速度：100km/h，最大加减速度1.1m/s ，紧急制动减2速度1.25m/s 。（3）轨道基本结构
本线标准轨道由轨道梁、钢轨枕、导轨和反应板组成，铝制反应板安装在导轨上部，如图1.4.2所示。导轨由耐火钢焊接而成，宽375mm，长9575mm，平均重125kg/m。钢轨水平倾角0～6°，可以克服0.075g的离心力。钢轨装配限制非常严格，HSST每10m长偏差不得大于5mm。在车速100km/h情况下要维持6mm悬浮间隙。图1.4.2 轨道基本结构（4）车辆基本参数
车辆外观根据轻松、明快的理念进行设计，车体为铝合金焊接结构，每辆车每侧设有两个宽1200mm双扇对开的侧门。列车由3辆车（Mc1+M+Mc2）组成，共有9列27辆。首车和尾车车体长均为14m，中间车为13.5m，车宽2.6m，高3.45m，自重17.3t，设计最大质量（满载）28.0t。驱动方式是常导磁悬浮系统，由直线异步感应电机推进。（5）牵引供电技术
供电制式为DC 1500V，供电线路以适当的高度和间隔分布在轨道梁一侧，通过绝缘支架安装供电轨。（6）列车运行控制技术
由于磁浮列车运行时车辆与轨道无接触，就列车运行控制系统而言，磁浮系统与轮轨系统有着较大的区别：一是轮轨系统中轨道电路集判断区间占用、检查列车完整性和断轨保障于一体的基础不复存在；二是列车位置检测也难以使用轨道电路和轮轨列车的转速表（或里程表）来实现；三是列车运行数据的发送和采集无法通过轨道媒介来完成。因此，TKL线采用了在轨间敷设交叉感应环形线圈进行车地数据通信和测速定位。
在解决了车地数据通信和测速定位方式后，TKL线采用的列车运行控制系统与轮轨列车自动控制系统（ATC）的技术性能和构成模式相近，通常完成列车自动监视系统（ATS）、列车超速防护系统（ATP）和列车自动驾驶系统（ATO）三部分功能，如图1.4.3所示。其中列车超速防护系统（ATP）在磁浮列车的运行中承担确保行车安全的重要职责，是列车运行控制系统的关键一环，它的主要功能有速度监督和超速防护、列车间隔控制、列车检知、速度检出等。该系统包括ATP地面设备和ATP车载设备。
车载ATO设有列车自动启动、停止，开门指令系列，列车在每一个站点的出站控制等功能。这些都是通过ATO数据通信系统和无线发射接收器联合完成的。
2.韩国仁川机场线（1）项目概况
韩国政府于2006年10月敲定磁浮列车商业化项目计划，此后9年4个月共投入4000亿韩元（约合人民币21.78亿元）。2012年8月，仁川机场磁浮列车试运行路线竣工。按原计划，列车经过1年的试运行后于2013年9月正式开通，但在试运行中出现多种问题，加上完善安全对策，开通日期推迟至2016年。
线路长度为6.1km，从仁川国际机场站出发，经由长期停车场站、联合办公大楼站、国际业务地区站、水上乐园站，最后到达龙游站，如图1.4.4所示。图1.4.3 列车运行控制系统图1.4.4 韩国仁川机场线（2）线路主要技术标准
正线数目：双线。
最小曲线半径：平曲线半径50m，竖曲线半径1500m。
最大坡度：纵坡7％，最大横坡角6°。2
最高运行速度：110km/h；加速度：1.11m/s ；减速度：1.11m/22s （运营时），1.25m/s （紧急情况下）。（3）轨道基本结构
本线标准轨道与日本TKL线基本相同，仅在轨道细部尺寸上略有差别，轨距1850mm。（4）车辆基本参数
本线列车由2辆车（Mc1+Mc2）组成，共有5列10辆。车体长均为12m，车宽2.7m，高3.45m。驱动方式是常导磁悬浮系统，由直线异步感应电机推进，如图1.4.5所示。图1.4.5 韩国中低速磁浮车辆（5）牵引供电技术
供电制式为DC 1500V，第三轨受流。（6）列车运行控制技术
列车运行控制系统与日本TKL线基本相同。1.4.2 国内中低速磁浮工程试验情况
1.工程试验线
截止到2012年，我国中低速磁浮交通领域的科研、试验已有近25年的历史，先后形成了3条工程化试验线。即：
①唐山中低速磁浮试验线长1.5km。
②上海临港中低速磁浮试验线长1.7km。
③株洲中低速磁浮试验线长1.5km。
1989年，国防科技大学在我国第一次研制出小型磁浮试验车CMS-01。1992年，“磁浮列车关键技术研究”列入国家“八五”攻关计划，由中国铁道科学研究院（以下简称“铁科院”）牵头，国防科技大学、西南交通大学、株洲电力机车研究所参与。1994年，西南交通大学建成43m钢结构实验线，研制了双转向架4t磁浮车。1995年，国防科技大学研制成功6t磁浮转向架。1998年，铁科院研制的6t单转向架磁浮车实现稳定悬浮。1999年，“常导短定子磁浮列车工程关键技术研究”作为“八五”攻关项目的延续列入“九五”攻关计划继续予以支持，该项目由西南交通大学承担，随即启动了青城山磁浮列车工程试验示范线项目，建成线路420m，并投入试验。2001年11月，国防科技大学研制的中低速磁浮列车CMS-03，通过专家评审，实现了在204m轨道上以20km/h试运行速度。（1）唐山中低速磁浮试验线
2008年5月，唐山中低速磁浮试验基地建成，利用国防科技大学研制的长沙试验车进行CMS-03试验。2008年11月，实用型中低速磁浮列车CMS-04首辆车总体总成在唐山轨道客车有限公司完成制造，并开始试验，各项指标试验和检测结果表现优良。唐山试验线如图1.4.6所示。2009年6月15日，实用型中低速磁浮列车在唐山轨道客车有限公司正式下线，北京市决定将该系统运用于S1线的建设，以期作为后来中低速磁浮交通的运营示范线。图1.4.6 唐山试验线
唐山中低速磁浮试验线正线全长1.547km，高架单线结构，设有车站1座，出站端设磁浮单开道岔1组。线路上设置了半径为50m的平曲线和坡度为7％的上下坡道。“F”形导轨采用一次性热轧成型的钢轨条，轨距为2000mm。供电制式为DC 1500V，“工”字形供电轨。（2）上海临港中低速磁浮试验线
2005年2月，上海磁浮中心向上海市政府提出“关于开展低速交通技术研究的请示”，2005年8月17日，上海电气集团公司与上海磁浮交通工程技术研究中心签订项目合作协议，确定将试验线设在电气集团临港重装备基地内。2005年12月28日，投资2.5亿的上海低速磁浮试验线在电气集团临港重装备产业园内开工建设。2006年底，试验线土建工程和机电设备安装工程全面完成并开始车辆组装与调试，试验线如图1.4.7所示。2007年9月13日，上海市科委主持召开“低速磁浮交通系统集成技术研发及试验线工程”项目中期评估会，项目完成中期评估目标，列车最高调试速度达到75km/h。2008年4月21日，试验速度达到102km/h。图1.4.7 上海临港试验线
上海临港中低速磁浮试验线正线全长1.7km，高架单线结构，设有车站1座，线路中部设磁浮单开道岔1组。线路上设置了半径为50m的平曲线和坡度为7％的上下坡道。“F”形导轨（以下简称“F轨”）采用轨坯机加工成型的钢轨条，轨距为1900mm。供电制式为DC 1500V，“C”字形供电轨。（3）株洲中低速磁浮试验线
2010年，原南车集团株洲电力机车有限公司（现中车株洲电力机车有限公司，简称“中车株机公司”）携手西南交通大学等单位，开始研发中低速磁浮。2011年在株洲市石峰区中车株机公司内，建成一条1572m长的中低速磁浮试验线。2012年1月21日，中车株机公司在磁浮交通系统中心举行了磁悬浮车辆下线典礼，首列实用型磁浮列车被命名为“追风者”号，列车开始在试验线上全面运行调试，试验速度最高达到92km/h，如图1.4.8所示。图1.4.8 株洲试验线车辆
株洲中低速磁浮试验线正线全长1572m，高架单线结构，设有停车库1座，库内设磁浮单开道岔1组，配线1条。线路上设置了半径为50m的平曲线和坡度为7％的上坡道。“F”形导轨采用一次性热轧成型的钢轨条，轨距为1860mm。供电制式为DC 1500V，“C”字形和“工”字形供电轨混合使用。
2.国内中低速磁浮系统研究试验小结
综上所述，中低速磁浮轨道交通系统在我国经历了理论研究、专项技术研发和积累、原理性和功能性验证、原型车研制、以及工程化试验线和实用性磁浮列车的建造，所有该领域的科研、试验等，均以100％自主知识产权和国产化为原则开展工作。唐山、上海、株洲中低速磁浮试验线多年的试验验证表明：（1）中低速磁浮轨道交通系统在我国已具备100％自主知识产权和完全国产化能力。（2）国内三条中低速磁浮试验线均采用了实用性磁浮车辆在线上试验，试验运行安全性好，可靠性高，初步具备工程化、商业示范建设条件。（3）中低速磁浮车辆技术、轨道和道岔技术、线路技术、牵引供电技术、列车运行控制技术等磁浮关键技术的研发和建造可全部实现本地化。（4）中低速磁浮作为中运量的新型轨道交通系统，具有转弯半径小、爬坡能力强、经济性好、节能环保、运行平稳安全等独特优势，具有良好的推广价值和运用前景。
基于此，2009年，北京市决定将唐山中低速磁浮试验线系统运用于S1线的建设，以期作为中低速磁浮交通的运营示范线。2013年底，在株洲中低速磁浮试验线试验运行近两年后，湖南省政府以打造湖南自己的磁浮装备制造产业为终极目标，决定在长沙建设连接高铁枢纽和航空港的中低速磁浮快线，自2014年5月至2016年5月，在短短两年时间内，完成了从工程研究设计、征地拆迁、工程建造、系统设备制造安装、车辆制造及组装调试、系统综合联调直至工程正式载客试运营，创造了我国轨道交通工程建设史上的奇迹。
值得注意的是，由于在我国到目前为止尚未正式公开颁布有关磁浮轨道交通系统技术标准的规范性文件，国内三条中低速磁浮试验线均采用了各研发单位自定的企业标准，其中的轨道结构和轨距、车辆限界尺寸和荷载、悬浮控制逻辑电路和控制软件等都各不相同。唐山试验线和建设中的北京S1线轨道采用2000mm轨距，车辆由唐山轨道客车有限公司（现中车唐山机车车辆有限公司）制造，选用国防科技大学研制的悬浮控制器和控制软件。上海临港试验线轨道采用1900mm轨距，车辆由大连机车车辆厂（现中车大连机车车辆有限公司）制造，选用同济大学研制的悬浮控制器和控制软件。株洲试验线和已建成通车的长沙中低速磁浮工程示范线轨道采用1860mm轨距，车辆由中车株机公司制造，全部5列运用车中有3列选用了西南交通大学研制的悬浮控制器和控制软件，1列选用了国防科技大学研制的悬浮控制器和控制软件，1列选用了同济大学研制的悬浮控制器和控制软件。
3.长沙中低速磁浮工程示范线（1）工程概况
长沙磁浮工程（又名长沙磁浮快线），位于长沙市东部，连接高铁站与黄花机场。线路途经长沙市雨花区和长沙县黄兴镇、梨镇、干杉镇，全长18.54km，其中高架线路（含车站）总长17.636km，低置线路总长0.904km。全线设磁浮高铁站、磁浮梨站、磁浮机场站三个车站和车辆综合维修基地一处，如图1.4.9所示。初步设计批复总概算46.03亿元。图1.4.9 长沙中低速磁浮工程线路图（2）长沙磁浮工程建设模式
长沙中低速磁浮工程为我国首条自主设计、自主施工、自主制造、自主管理的具备完全自主知识产权的磁浮轨道交通线路，也是湖南省头号重点工程。此前国内没有完整的中低速磁浮运营线案例，相关技术在国内高等院校、科研单位仍处于研究阶段，因此，项目极具挑战性。
在无施工设备制造实例、无联调联试及运营维护经验的诸多困难下，湖南省方面鉴于本项目的设计、施工、建设管理等各方面的复杂性，最终决定采用“股权投资+设计施工总承包+采购+研发+制造+联调联试+运营维护”的独创性模式，一揽子将长沙磁浮工程所有建设及后续工作委托一家具有中低速磁浮技术储备的企业组织实施。湖南省综合多方因素，决定采取邀请招标的方式通过竞争性谈判选择真正“具备中低速磁浮技术储备”的合作伙伴，最终中国铁建赢得竞争性谈判承揽了长沙磁浮工程设计施工总承包（EPC）任务（注：本项目实际上不属于PPP合作，财政部关于PPP合作的前提条件是社会资本投资占比超过50％，长沙磁浮工程为政府资本控股）。
股权投资方面，湖南磁浮交通发展股份有限公司由5家股东合资成立，资本金12.8亿元，各股东及出资情况为：长沙轨道集团（出资4.2亿元，占比32.81％），湖南铁路建设投资公司（出资3.8亿元，占比29.69％），中国铁建（出资2.8亿元，占比21.88％），湖南机场集团（出资1亿元，占比7.81％），中车株机公司（出资1亿元，占比7.81％），总注册资本金12.8亿元。公司主要承担项目的投资、建设、经营、运营、开发管理等。（3）长沙磁浮工程实施情况
本项目的工程建设管理由总承包方中国铁建完成，中国铁建向湖南省提供了中低速磁浮轨道交通一站式解决方案，提供了设计、研发、施工、产品制造安装、运营维护、联调联试等全产业链优质服务。有如下特点：
一是“快速”。项目于2014年5月16日开工，2014年7月底初步设计批复，2014年10月8日完成全线80％征拆，真正具备全面开工建设条件，至2015年10月6日磁浮列车试运行，实际建设期1年左右。2015年12月26日全线开通试运行，2016年5月6日正式开通试运营。项目推进速度极其之“快”，这也是总承包建设模式的显著优势，其重大事件一览表见表1.4.1。表1.4.1 重大事件一览表
二是“优质”。在传统意义上讲，长沙磁浮工程是“小项目”，但中国铁建考虑其是新型产业予以高度重视，以股份公司名义直接承揽总包任务，并在项目中进行管理生产“大运作”。在建设过程中，多次大规模调集系统内骨干技术力量，进行科研技术攻关，充分发挥出了大集团的优势资源，为项目顺利建成起到决定作用。例如，在临近联调联试的最后一周，根据现场需要无条件紧急调遣全系统各局550余名技术骨干及岗位能手支援安装工程收尾工作并最终按期、优质、高效完成“收官”工作。中国铁建在长沙磁浮工程上不计成本、不计代价，研发新工法、新工艺，申报专利300余项，最终优质高效顺利完成此项空前艰巨的建设任务。
三是“安全”。作为总包单位，中国铁建在本项目中身兼股东（业主）、建设单位、设计单位、研发单位、施工单位、采购单位、制造单位等多个“角色”。基于中国铁建系统内自身成熟的标准化管理体系，中国铁建首次有效整合并推行了对项目建设全产业链的标准化管理，制订了“投资、工期、质量、环境、安全”五位一体目标，并结合本项目的重难点，重点突出质量、安全目标。（4）中低速磁浮关键技术与技术难点突破
根据磁浮交通系统技术原理及系统构成，中低速磁浮交通系统必须突破五大关键技术：一是磁浮线路技术；二是列车牵引供电技术；三是列车运行控制技术；四是轨道及道岔技术；五是磁浮车辆技术。
磁浮线路技术又包括基础桥梁、隧道、低置路基和车站土建等关键技术。磁浮线路技术、列车牵引供电技术及列车运行控制技术，同为轨道交通系统通用技术，技术相对成熟。就磁浮交通系统而言，上述三大技术需结合磁浮交通系统车轨一体且无接触运行、精度要求高、列车竖向激振频率大、电磁环境复杂等特点，合理选择土建工程结构及相应的设计参数，严格控制桥梁、路基等线下工程的沉降。在复杂电磁环境下，合理选用供电接触轨方案和列车运行控制系统设备，确保列车安全平稳运行。
磁浮轨道及道岔技术，包括轨排及道岔制造、轨排铺设及道岔安装，是磁浮交通系统的特殊关键技术。磁浮车辆电磁铁与轨道间保持8mm间隙运行，悬浮系统对轨道较高的激振频率，要求轨道铺设精度控制在1mm范围内。道岔除保持自身稳定运行外，尚需克服列车在不同运行速度下的高频振动，给轨道和道岔的制造、安装及辅助减振措施提出了极高的要求。
磁浮列车车辆技术包括悬浮与悬浮控制系统、直线电机驱动系统、测速定位系统、机械制动系统和辅助电源系统。其中悬浮与悬浮控制系统是磁浮交通系统的核心技术。
针对中低速磁浮交通系统五大关键技术和特殊技术要求，长沙磁浮工程在设计研发阶段针对桥梁、路基、车站结构等土建工程、机电设备选型等均进行了多方案比选和试验，工程过程中大量研发新工
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