磁懸浮的應(yīng)用

磁懸浮的應(yīng)用2023年國(guó)內(nèi)磁懸浮軌道列車話題已成為炙熱點(diǎn)，世界首創(chuàng)“紅軌”問世，廣東首條磁懸浮軌道列車，投資104億，全長(zhǎng)38公里，整整盼了5年，據(jù)說馬上差不多完工了，等等爆炸新聞在網(wǎng)上瘋轉(zhuǎn)。我先給大家普及一下現(xiàn)階段應(yīng)用的磁懸浮列車技術(shù)：現(xiàn)階段磁浮列車是一種利用磁場(chǎng)的“吸或斥力”實(shí)現(xiàn)非接觸支撐、導(dǎo)向，并利用直線電機(jī)推進(jìn)的軌道列車。上世紀(jì)六十年代初，日本、德國(guó)為探索未來地面大運(yùn)量高速交通方式，同時(shí)對(duì)輪軌、磁浮兩種技術(shù)路線開展研究。輪軌技術(shù)路線：1964年日本開通世界第1條輪軌高鐵，19年后法國(guó)開通了世界第2條輪軌高鐵(1983)、27年后德國(guó)成為第3個(gè)開通輪軌高鐵的國(guó)家(1991)，至2007年世界輪軌高鐵總里程約1.2萬公里。2008年中國(guó)首條輪軌高鐵的開通標(biāo)志著輪軌高鐵進(jìn)入了暴發(fā)式增長(zhǎng)期，至2020年7月底中國(guó)輪軌高鐵里程達(dá)3.6萬公里，占世界高鐵里程的近70%。磁浮技術(shù)路線：2004年中國(guó)基于德國(guó)技術(shù)開通世界第1條高速磁浮，日本擬于2027年開通世界第2條高速磁浮;2005年日本開通世界第1條中低速磁浮，2016年韓國(guó)開通世界第2條中低速磁浮，2016、2017年中國(guó)相繼開通了2條中低速磁浮。相比輪軌，磁浮交通顯現(xiàn)發(fā)展慢、應(yīng)用少的艱難歷程。一方面原因是磁浮交通發(fā)展時(shí)間相比輪軌少了約150年，另一方面也與各國(guó)國(guó)情有關(guān)(日、歐地域有限且已有完善鐵路網(wǎng);美國(guó)以航空和汽車立國(guó))。但輪軌方式客觀上速度域有限(400km/h以下)、對(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲影響大(如地鐵和市域鐵路)，而這些限制都可通過磁浮交通來突破，因此磁浮交通代表了未來技術(shù)方向，其研究及應(yīng)用探索一直受到德國(guó)、日本和美國(guó)等科技發(fā)達(dá)國(guó)家的重視。我國(guó)疆域遼闊、城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡，發(fā)展以磁浮為表征的新時(shí)代軌道交通是繼輪軌之后軌道交通為滿足“人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要”的努力方向，尤其是針對(duì)市域軌道交通短板，磁浮有望引發(fā)一輪暴發(fā)式發(fā)展。現(xiàn)階段3種懸浮方式的基本原理和特點(diǎn)磁浮列車分為電磁懸浮(EMS)、電動(dòng)懸浮(EDS)和高溫超導(dǎo)懸浮(HTS)三種不同的原理。目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁浮列車均為電磁懸浮式，分別是上海高速磁浮、以及中日韓中低速磁浮。西南交大、成都新筑股份采用電磁懸浮方式運(yùn)用于市域磁浮(時(shí)速160—200km/h)，均研制有工程樣車，西南交大還將高溫超導(dǎo)懸浮方式用于軌道交通，在這兩個(gè)方面四川技術(shù)均達(dá)到世界領(lǐng)先水平。(一)電磁懸浮(EMS，ElectroMagneticSuspension)電磁懸浮利用通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)吸力將車輛吸起，通過主動(dòng)控制保持8—12mm的懸浮間隙。電磁懸浮方式的列車會(huì)引起梁的振動(dòng)，而梁的振動(dòng)又影響懸浮間隙，兩者間的相互影響如果不能收斂，就不能穩(wěn)定懸浮。實(shí)現(xiàn)可靠懸浮的主要措施目前還是靠大剛度和大重量的軌道梁，西南交大提出的創(chuàng)新技術(shù)能有效地抑制這種振動(dòng)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性，有利于降低建設(shè)成本，具有良好的發(fā)展前景。(二)電動(dòng)懸浮(EDS，ElectroDynamicSuspension)電動(dòng)懸浮具有車載強(qiáng)磁場(chǎng)和很高運(yùn)動(dòng)速度(>400km/h)等典型特征。原理是“車上的強(qiáng)磁場(chǎng)”相對(duì)軌道的運(yùn)動(dòng)速度足夠大時(shí)，軌道上會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，利用兩個(gè)磁場(chǎng)間的斥力實(shí)現(xiàn)列車懸浮。日本用低溫超導(dǎo)磁體獲得車載強(qiáng)磁場(chǎng)，美國(guó)磁飛機(jī)方案和馬斯克的真空管道磁浮小車用永磁體獲得車載強(qiáng)磁場(chǎng)(比超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)要弱得多)，達(dá)到起浮速度前列車仍需要依靠車輪運(yùn)行。電動(dòng)懸浮低速段磁阻力非常大，運(yùn)用速度不應(yīng)低于400km/h，否則極不經(jīng)濟(jì)。車載強(qiáng)磁場(chǎng)以及利用磁力進(jìn)行導(dǎo)向的技術(shù)有一定難度。該方式的列車有望于2027年投入運(yùn)用(505km/h)。(三)高溫超導(dǎo)懸浮(HTS，HighTemperatureSuperconductingsuspension)將高溫超導(dǎo)懸浮原理用于軌道交通是西南交大原創(chuàng)技術(shù)，中國(guó)、巴西、德國(guó)都研制了相似的試驗(yàn)小車。西南交大還將列車與真空管道相結(jié)合建立了環(huán)形實(shí)驗(yàn)線。該方式的原理是在“軌道磁場(chǎng)”中冷卻“高溫超導(dǎo)體”產(chǎn)生獨(dú)有的物理特性把材料固定在冷卻位置(“場(chǎng)冷高度”)。如果偏離該位置就有磁場(chǎng)變化，并感應(yīng)出阻礙這種變化的超導(dǎo)強(qiáng)電流，使列車實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向。所以高溫超導(dǎo)懸浮既不是吸力式懸浮也不是斥力式懸浮，而是“又吸又斥式懸浮”，懸浮高度約10—15mm。關(guān)鍵技術(shù)是提升懸浮承載能力(軌道磁場(chǎng)越強(qiáng)越好，冷卻溫度越低越好)、合理確定“場(chǎng)冷高度”以兼顧懸浮和導(dǎo)向?，F(xiàn)階段磁浮與輪軌的特點(diǎn)對(duì)比(一)傳統(tǒng)輪軌的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)輪軌交通經(jīng)歷200多年發(fā)展，在高速、重載和城市軌道交通中發(fā)揮著不可替代的重要作用，具有成熟、經(jīng)濟(jì)、適用、可靠、綠色的顯著優(yōu)勢(shì)。我國(guó)輪軌技術(shù)已居世界先進(jìn)水平，高鐵速度達(dá)到350km/h，高鐵里程已達(dá)到3.6萬km;重載貨運(yùn)形成了25t軸重和30t軸重技術(shù)體系；中國(guó)內(nèi)地城市軌道交通日均客運(yùn)量超6千萬人次，總里程約8300km。但輪軌交通也面臨以下挑戰(zhàn)：一是實(shí)現(xiàn)400km/h左右的速度對(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲影響突出，運(yùn)維成本高;二是都市圈、城市群內(nèi)減少換乘、有機(jī)聯(lián)通還不是很理想(市域輪軌相對(duì)薄弱)。(二)磁浮交通的優(yōu)勢(shì)與不足磁浮交通是非接觸運(yùn)行，列車重量均勻施加于線路，產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊小，這些特點(diǎn)都意味著系統(tǒng)的運(yùn)用維護(hù)成本很低。例如電磁懸浮式交通的運(yùn)用維護(hù)成本約為輪軌交通的1/3。列車的加速能力、爬坡能力、彎道能力、速度能力都強(qiáng)于輪軌。但磁浮交通的不足也是顯而易見的，一是線路基本結(jié)構(gòu)缺乏通用性(例如上海高速磁浮與長(zhǎng)沙中低速磁浮的線路結(jié)構(gòu)不同，新筑引進(jìn)的內(nèi)嵌式磁浮列車與西南交大的市域磁浮列車速度等級(jí)相同但線路結(jié)構(gòu)不同)；二是還未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)用，沒有形成主流技術(shù)趨勢(shì)。(三)磁浮與輪軌具有互補(bǔ)性磁浮、輪軌是綜合交通中的不同方式，發(fā)展磁浮可以與輪軌互補(bǔ)，為社會(huì)提供更好的綜合交通。高速磁浮將軌道交通的速度由400km/h拓展到600km/h(不考慮采用真空管道的情況下);市域磁浮(160—200km/h)可為都市圈、城市群內(nèi)軌道交通提供單一制式的解決方案，輪軌方式則需要城際(160—200km/h)、市域(140—160km/h)、地鐵/輕軌/單軌(60—120km/h)、有軌電車(60km/h)等多種制式組合完成；市域磁浮還為眾多中小城鎮(zhèn)軌道交通提供了解決方案，而面向中小城鎮(zhèn)運(yùn)用的線路長(zhǎng)度、站間距、速度、坡道和彎道的差異很大，輪軌選型困難；磁浮對(duì)環(huán)境振動(dòng)噪聲影響小，可為精密測(cè)量、文物保護(hù)等敏感地區(qū)提供軌道解決方案。(四)磁浮列車的電磁輻射與能耗等問題電磁輻射普遍存在于日常生活中，如地鐵、高鐵、手機(jī)、通訊基站、家用電器等，電磁輻射不改變生物組織結(jié)構(gòu)，但確實(shí)會(huì)產(chǎn)生影響，因此對(duì)電磁暴露水平制定有相關(guān)的規(guī)定。因?yàn)閼腋∫看帕?，所以公眾?duì)磁浮列車的電磁輻射尤其擔(dān)憂。電磁懸浮的磁場(chǎng)(磁力線)是閉合的，其電磁暴露水平很安全，高速磁浮列車的電磁暴露水平與高速輪軌列車相當(dāng)(但速度要高得多)，中低速磁浮(100km/h)的乘客暴露水平相當(dāng)?shù)停锌圃弘姽に鶎ｎ}研究得到的結(jié)論為：“中低速磁浮是一種電磁環(huán)境友好的城市軌道交通系統(tǒng)”。市域磁浮(160—200km/h)與中低速磁浮技術(shù)路線相同，電磁暴露水平相近。高速磁浮節(jié)能減排優(yōu)于輪軌;中低速磁浮(100km/h)牽引能耗比采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的輕軌列車高，由于適合高架建設(shè)，環(huán)控與照明能耗略低于輕軌，坡道及彎道展線更短，維護(hù)成本低。深圳軌道交通8號(hào)線前期能耗研究結(jié)論：“中低速磁浮交通方案與地鐵B型車方案相比，全年綜合能耗基本相當(dāng)”;市域磁浮(160—200km/h)按中低速磁浮的推算優(yōu)于輪軌。電磁懸浮技術(shù)成熟但發(fā)展慢、規(guī)模小的原因在概況中已有介紹，除此之外，高速磁浮在國(guó)內(nèi)的推廣還受技術(shù)自主化和建設(shè)成本的制約，中低速磁浮在國(guó)內(nèi)的發(fā)展則受到系統(tǒng)本身綜合競(jìng)爭(zhēng)力偏弱的影響。西南交大的磁浮研究針對(duì)發(fā)展瓶頸取得了突破性進(jìn)展，將中低速磁浮提升為市域磁浮，打開了發(fā)展空間。磁浮交通與國(guó)家戰(zhàn)略黨的十八大以來，我國(guó)圍繞經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展發(fā)布了一系列發(fā)展戰(zhàn)略，軌道交通始終是相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略中的重要內(nèi)容，謀劃新時(shí)代軌道交通滿足人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要受到黨中央高度重視。中國(guó)工程院、科學(xué)院相繼開展了5項(xiàng)磁浮交通相關(guān)戰(zhàn)略研究(涉及中低速、高速磁浮交通及產(chǎn)業(yè)發(fā)展、超高速磁浮、管道磁浮、大灣區(qū)磁浮)，科技部同時(shí)設(shè)立了2項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃開展時(shí)速600km/h、200km/h磁浮關(guān)鍵技術(shù)研究，這說明繼輪軌之后磁浮是新時(shí)代軌道交通創(chuàng)新發(fā)展的技術(shù)方向。(一)城鎮(zhèn)化、都市圈與城市群軌道交通《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》《培育發(fā)展現(xiàn)代化都市圈的指導(dǎo)意見》和4個(gè)主要城市群(京津冀、粵港澳、大灣區(qū)、長(zhǎng)三角區(qū)域、成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈)《規(guī)劃綱要》的發(fā)布，為城鎮(zhèn)化、都市圈與城市群軌道交通發(fā)展提供了指導(dǎo)。2013年新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略實(shí)施以來，中國(guó)內(nèi)地城市軌道交通總里程預(yù)計(jì)在2020年底達(dá)到8298km，比2013年增長(zhǎng)2倍(含2條新增磁浮線)，相比規(guī)模，形成以1小時(shí)通勤圈為基本范圍的城鎮(zhèn)化空間形態(tài)、提升城市群軌道交通水平還差得很遠(yuǎn)，其中160—200km/h的軌道交通是關(guān)鍵。在這個(gè)速度域輪軌目前有“綠巨人”“和諧號(hào)”動(dòng)車組，動(dòng)車組方式主要是點(diǎn)到點(diǎn)，沿線帶動(dòng)效果有限，運(yùn)營(yíng)、裝備、工程等對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)度較小。依靠輪軌的同時(shí)，推動(dòng)市域磁浮(160—200km/h)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)城市群內(nèi)單一制式一軌聯(lián)通，使市域磁浮成為打造“軌道上的城市群”的利器。(二)交通強(qiáng)國(guó)與軌道裝備為加快制造業(yè)三個(gè)轉(zhuǎn)變，提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)家相繼發(fā)布了《中國(guó)制造2025》《增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力三年行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》。對(duì)新時(shí)代軌道交通出行、科技創(chuàng)新和裝備制造作出了戰(zhàn)略謀劃。磁懸浮技術(shù)的未來：磁懸浮本身是一種技術(shù)，而非一種產(chǎn)品。需要找到合適的產(chǎn)業(yè)化落地場(chǎng)景，為傳統(tǒng)行業(yè)賦能，才能體現(xiàn)出這種技術(shù)的價(jià)值。合適的落地場(chǎng)景有兩類：第一類，經(jīng)濟(jì)性合適。例如鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)景，隨著低端磁懸浮軸承的成本下降，以及能源成本、人工成本等的上升，使用磁懸浮設(shè)備的回收周期逐漸變得可以接受，客戶可以從中得到實(shí)在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。又例如磁懸浮輸送線，當(dāng)其為客戶提高的生產(chǎn)效率足以彌補(bǔ)客戶為其多付的價(jià)錢時(shí)，客戶也可從中得到經(jīng)濟(jì)價(jià)值。第二類，解決行業(yè)痛點(diǎn)，為客戶減少風(fēng)險(xiǎn)。例如傳統(tǒng)傳送方式無法滿足真空清潔車間對(duì)于潔凈度的要求，又例如磁懸浮血泵可大大減少血融血栓發(fā)生的幾率。此類場(chǎng)景，對(duì)于成本雖然也有要求，但只要痛點(diǎn)夠痛，客戶可以接受較為昂貴的成本。磁懸浮技術(shù)產(chǎn)業(yè)化主要的阻礙：第一是成本，第二是技術(shù)成熟度。成本：隨著傳感器、永磁材料、數(shù)字電路技術(shù)的不斷發(fā)展，低端磁懸浮設(shè)備的成本逐漸下降，一些以前因?yàn)槌杀具^高而無法落地的場(chǎng)景，近些年可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)會(huì)。（如風(fēng)電，目前來說無法落地，僅僅是因?yàn)槌杀具^高）技術(shù)成熟度：目前來說，磁懸浮想要落地到某些場(chǎng)景，仍要突破關(guān)鍵技術(shù)，如磁懸浮輸