我國磁懸浮軌道交通自主研制之路

12月26日，我國軌道交通事業迎來歷史性一刻：中國首條完全自主設計、自主制造、自主施工和管理的中低速磁懸浮商業運營示范線“長沙磁浮快線”正式試運行。

作為世界上第三條商業運行的中低速磁浮列車線路，也是目前全球最長的一條中低速磁浮客運線路，這條承載著我國緊跟并超越世界尖端軌道交通水平的“夢想列車”，更承載著西南交通大學幾代科研工作者30年來敦篤勵志、果毅力行的磁浮交通工程化之路。

從1986年，西南交通大學召開磁浮技術與磁浮列車研究大會，確定磁浮技術科學研究方向，起動磁浮技術研究；到1994年，研制成功我國首臺4噸載人磁浮車系統，實現我國在磁浮列車懸浮、導向和驅動等系統首次突破。

從2006年“青城山磁浮列車工程試驗線”實現中低速磁浮車工程試驗線聯調，到全面參與上海、株洲中低速磁浮列車的研制；再到如今，主導“長沙磁浮快線”磁浮列車懸浮控制系統、直線電機驅動系統、懸浮架結構等科研攻關。

30年來，西南交通大學從零起步到全面掌握磁浮交通系統工程化技術，形成可推廣應用能力，走出了一條我國磁浮軌道交通自主研制之路。

從“漂起”小鐵球到懸浮數噸列車

磁浮列車是20世紀的一項技術發明，其原理并不深奧：它運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質,使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”。科學家將“磁性懸浮”運用在鐵路運輸系統上,使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“浮”在空中的列車，這就是“磁浮列車”。

早在1986年，西南交大就率先召開了磁浮技術與磁浮列車技術研究大會，成為國內較早啟動該領域研究的高校科研單位。在1988年，交大磁浮團隊完成了單自由度鐵球懸浮實驗，對電磁吸力懸浮原理有了本質的認識。

今年82歲的連級三教授，如今已是我國磁浮領域的著名專家，作為那次“鐵球懸浮實驗”的親歷者，他回想起當年的研究起步不無感慨：“一個鐵球僅重幾十克，而小球也僅浮在空中8至10毫米。這看似不起眼，但電流是波動的、磁力是波動的，要讓鐵球相對穩定懸浮，就必須有一個控制系統不斷地調整。在當時完全從零起步、實驗條件比較簡單的情況下，科研人員做了很多基礎工作。”

而西南交大的磁浮交通攻關也正是從這個“漂浮”鐵球，邁出了第一步。

1990年，交大磁浮團隊研究成功了由4臺小電磁鐵構成的磁浮模型車，并實現了模型車的穩定懸浮和基于直線電機的驅動。

1994年10月，連級三教授帶領的研究團隊成功地研制出了我國第一輛可載人4噸磁浮車及其試驗線，并實現了系統的穩定懸浮與運行，這是我國在磁浮列車領域的首次突破，標志著我國開始擁有自主知識產權的磁浮列車技術。該項目1996年通過科技成果鑒定，并獲該年度鐵道部科技進步二等獎和1997年度國家科技進步三等獎。

此后，西南交通大學開始正式啟動磁浮列車的工程化研究：1997年3月，青城山磁浮車工程試驗線的可行性研究通過國家科委工業科技司組織的專家評審；1998年，青城山磁浮列車工程試驗示范線工程立項，并開始籌備建設青城山磁浮列車工程試驗線；2001年，開始動工修建長430m的青城山磁浮列車工程試驗線。

期間在鐵道部、教育部、科技部等部門關注支持下，在兩期國家863磁浮交通系統重大專項支撐下，西南交大先后完成了中低速磁浮列車的車輛結構設計、軌道及線路設計、懸浮控制器研制、懸浮傳感器研制、電磁鐵設計、直線電機設計等一系列全面可行的磁浮列車相關技術——2006年4月30日，我國磁浮交通科研又一次在西南交大取得進展：采用三懸浮架結構，長11.2米，寬2.6米，高3.3米，軌距1700mm的“青城山中低速磁浮車工程實驗線”聯調成功，一輛具有自主知識產權的中低速磁浮列車實地正式實驗運行，這標志西南交大初步掌握磁浮列車系統設計技術，驗證并初步掌握中低速磁浮交通系統關鍵技術，為以后的中低速磁浮車工程化和應用打下必要的技術基礎。

至此，歷經數年持之以恒的探索研究，“磁浮列車”這個過去僅停留在理論上的“空中花園”，終于在我國初步具備產業化的能力。

瞄準產業前沿助推“中國磁浮”之路

磁浮列車，由于擺脫了輪軌關系的限制，具有了快速、低噪和環境適應性強等獨特優勢，也是世界交通強國競爭制高點之一。自20世紀60年代以來，以德國和日本為代表的發達國家無不競相啟動該領域研究，2005年日本8.9千米中低速磁浮商業線路通車運營，其高速磁浮運營線也正在建設中。

面對激烈國際競爭，在完成了理論研究與?理試驗、系統研究與功能試驗兩個科研階段后，未來我國自己的“磁懸浮”該怎么建、又如何走？西南交通大學再次“領命”。而與過去的埋頭“實驗室”做基礎攻關不同，這一次交大磁浮團隊將攻關目標瞄準在了產業需求“第一線”。

在聯合企業推進中低速磁浮列車工程化中，西南交大于2005年，就與上海磁浮交通工程技術中心簽訂了“上海城軌磁浮列車車輛總體設計”合同，并于次年3月又簽訂了“上海低速（城軌）磁浮交通試驗線工程懸浮控制設備供貨及服務”合同，全面參加上海城軌磁浮試驗線磁浮列車研制。該試驗列車為三節編組，為全新結構設計并創下多個“首次”：國內首次采用整體電磁鐵結構，首次采用五懸浮架結構，首次采用DC330V懸浮電源，首次采用三選二懸浮傳感器，列車最高運行速度100km/h。

2008年和2009年，西南交大又與中國南車股份有限公司簽訂“中低速磁浮交通系統方案設計研究”合同，與南車株洲電力機車有限公司簽訂“中低速磁浮列車方案設計研究”合同。攻關中，交大團隊在系統設計首次提出了適用于中國國情的1860mm軌距和2800mm車寬。這標志著西南交通大學在聯合企業推進中低速磁浮列車產業化的工作中又邁進一步。

為進一步推動中低速磁浮列車工程化，交大與南車株洲電力機車有限公司于2011年又簽訂了“常導短定子異步驅動懸浮架試驗車懸浮控制系統研制”和“常導短定子異步驅動中低速磁浮列車系統設計與試驗研究”合同；于2011年簽訂了“常導短定子異步驅動中低速磁浮列車懸浮控制系統”，全面參加了株洲中低速磁浮列車的研制。2012年1月20日，中低速磁浮列車在南車株洲電力機車有限公司內下線，這是一條按商業運行條件設計的磁浮列車及試驗線路，磁浮列車運行速度100km/h，能適應試驗線各種曲線及坡道的要求。

為推動中低速磁浮交通的發展與應用，2013年由錢清泉院士牽頭的中國工程院“中低速磁浮交通技術與系統發展戰略研究”項目立項，項目研究匯聚國內磁浮領域的院士專家，包括電氣工程學院和牽引動力實驗室相關專家教授，對我國中低速磁浮交通的發展戰略進行了深入研究，論證了我國發展中低速磁浮必在性和戰略意義，進一步推動了長沙中低速磁浮工程應用線的建設。

“正是這一系列與企業的合作，以及國內磁浮專家的聯合，使我們慢慢找到了符合我國國情、交通需求特點的中低速磁懸浮產業化應用之路。”西南交通大學電氣工程學院張昆侖教授，是磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室副主任，也是西南交大中低速磁浮列車項目的負責人。在他看來，緊跟產業需求“第一線”不斷攻關與突破，成功為我國首條中低速磁浮列車的商業應用提供了保障。

據了解，26日試運行的長沙高鐵南站至黃花機場的18.55km“長沙磁浮快線”采用了此前西南交大與南車株洲電力機車有限公司研制的中低速磁浮列車系統技術，該列車懸浮系統核心技術由西南交通大學提供。

“比如長沙磁浮列車運營線，是目前國內外最長的中低速磁浮列車運營線，磁浮列車懸浮控制系統在適應列車在庫線、直線、道岔、70‰坡道、50米半徑曲線，以及各種軌道接縫等不同線路條件下實現平穩懸浮。這就需要理論結合實踐的不斷摸索。”他以團隊獨創的“電磁懸浮控制系統技術”舉例說，過去的金屬球是單點懸浮，如今總重20頓的列車要保持8毫米的穩定懸浮，每列車都設有60懸浮控制器，要保證懸浮穩定，涉及到系統設計、電磁兼容、控制理論和控制算法等技術問題；而針對道路的直線、道岔、坡道和軌縫等問題，“間隙傳感器”，需要每秒鐘感應數千次甚至上萬次道路情況，并傳輸給懸浮控制系統進行調整。

不懈追求打造“交大磁浮”名片

此次“長沙磁浮快線”的試運行，標志著歷經30年的不懈追求，西南交通大學磁浮技術已經成熟，并已率先走向工程化，“交大磁浮”已真正成為西南交通大學的名片。

目前，西南交大已參與建立了中低速磁浮交通工程的基礎、通用和專用等三類標準體系，參與頒布了《中低速磁浮交通車輛通用技術條件》、《中低速磁浮交通軌排技術條件》等國家、行業標準5項；《中低速磁浮交通設計規范》、《中低速磁浮交通運行控制技術規范》等相關國家、行業標準亦將陸續頒布；擁有授權專利259項，其中發明專利114項，實用新型專利145項。

此外，我國另一種最有可能商用、采用新型懸浮架和連續直線電機概念和運行時速達140公里的中低速磁浮列車，擬在上海臨港1.7公里的中低速磁浮列車系統試驗線進行試驗，也將采用西南交大的多項核心成果。

而為了進一步擴大磁浮技術的影響力，培養相當規模的磁浮技術相關人才，西南交通大學已于2000年設立了“磁浮與城市軌道交通自動化”本科生專業方向并開始招收本科生；2004年，西南交通大學電氣工程學院申報并獲批準自主設置“電磁懸浮與超導工程”碩士點和博士點，至此建立了國內唯一的從本科、碩士到博士的磁浮技術的人才培養體系。

目前，在錢清泉院士牽頭下，西南交大正組織電氣工程學院和牽引動力實驗室的研究團隊，聯合同濟大學團隊和深圳大學團隊，開展高速磁浮交通技術戰略研究。在已掌握中低速磁浮交通核心技術、特殊技術、試驗驗證技術和系統集成技術的基礎上，進一步開展高速磁浮交通系統技術研究，主要包括真空管道軌道交通技術、高溫超導磁浮列車技術研究和電動斥力磁浮列車技術研究等。西南交通大學正在磁浮列車系統設計與集成、軌道與線路設計、牽引與供電系統設計與制造、通信信號系統裝備設計與制造、工程建設與管理等方面，形成完整的磁浮交通產業發展能力。