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内嵌式中低速磁浮系统的历史与展望

文/電子雲製櫻令狐

00写在前面

新筑股份引进了德国Transport System Bgl（TSB）内嵌式中低速磁浮系统，并在位于成都市的新筑股份轨道交通装备生产基地（成都长客车厂）附近，兴建了全长4.5 km（一期工程为3.5 km）的模拟运营线。试验线将真实模拟轨道交通的运营状态，完成整个内嵌式中低速磁浮的试验验证。

新筑股份将TSB内嵌式中低速磁浮系统命名为“超铁”，并宣称“将充分展示并证明内嵌式中低速磁浮系统的市场覆盖能力、技术性能优势、全生命周期成本竞争优势和可商业化运营优势，快速实现产业的100% 国产化和本地化”。

我们从卫星图以及公开的照片上可以清楚地看到，整条模拟运营线为单线设计，并设置有多座车站。援引Railway Gazette的消息，目前已经有两节供试验线使用的车厢，被从慕尼黑空运到了成都。根据起运时的照片和TSB官网公示的列车设计，这两节车厢将很有可能尾尾对接成一列试验列车。

成都的轨道梁施工现场

试验列车于慕尼黑起运

01内嵌式中低速磁浮系统的由来

不论是我国当前所拥有的国产中低速磁浮技术，还是与之相仿的日本中低速磁浮Linimo（HSST）系统，抑或是同样来源于德国的高速磁浮Transrapid（TR）系统，都无外乎采用了“车包轨”的结构。大家普遍对于内嵌式磁浮是陌生的。实际上内嵌式的历史非常悠久，比较具有代表性的是：西德开发的磁浮自动导轨运输系统Magnetbahn（M-Bahn）、日本航空主导开发的内嵌式早期HSST系统，以及日本中央新干线所采用的超导磁浮SCMaglev（SCM）系统。

上述的内嵌式磁浮系统

今天所讲的是中低速磁浮系统，以上三者中属于中低速级别的只有同样来自于德国的Magnetbahn（M-Bahn）。M-Bahn是西德于1973年提出，由同时参与Transrapid（TR）系统开发的AEG公司主导，并于1989年投入载客运行的内嵌式中低速磁浮系统。M-Bahn采用小型化的车厢，全自动运作，是一个名副其实的磁浮方式自动旅客捷运系统，与我们所熟悉的庞巴迪Innovia APM在功能上非常相似。然而由于两德合并，与之线位相重合的地铁线得到重开，M-Bahn短暂的生命走向了终结。

然而M-Bahn并不是由于技术原因导致了这样的结局，反之，M-Bahn有诸多的技术亮点被沿袭在了后续的技术上，并且直接促成了而今的新型内嵌式中低速磁浮系统Transport System Bgl（TSB）的诞生。

西柏林M-Bahn运营线

02 Magnetbahn（M-Bahn）的创新性技术

M-Bahn系统是全自动运行的，这得益于长定子直线同步电机牵引方式的采用，即“轨道驱动、地面控车”之模式。众所周知，同样采用了长定子直线同步电机牵引方式的Transrapid（TR）系统也是全自动运行的。

自动运行系统监控设施

作为世界上最早实现了商业运行的磁浮系统之一，M-Bahn系统并非完全悬浮运行，其车辆总重的85%由永久磁铁承担，剩余部分由支撑轮分摊。由于轮轨作用力很小，其依然被认为是一个运作高效，且维护需求量很低的磁浮系统。尤其是，永磁悬浮是不需要消耗能量的，而且可长期持续地保持车辆的悬浮状态，可谓是非常有前瞻性的。

磁悬浮驱动系统的原理

值得一提的是，永磁悬浮技术后来被移植给了Transrapid（TR）系统。其被整合进电磁悬浮技术中，形成了新型混合悬浮技术，并被首次应用于2006年诞生的末代TVE（德国TR试验线路）试验列车TR09上。此外，上海磁浮示范运营线有一列名为“电力飞车”的国产列车，就搭载了从德国进口的基于TR09列车技术的悬浮架，从而让国人见识到了混合悬浮技术的优势。最终笔者在中车时速600公里高速磁浮试验列车上，见识到了与TR09相似的混合悬浮技术。

M-Bahn车辆的悬浮架尚没有摆脱轮轨车辆的影响，依然拥有独立的转向架。在其转向架上，安装有悬浮磁铁、主支撑轮、主引导轮，以及用于通过道岔的辅助支撑轮和辅助引导轮。

M-Bahn车辆的悬浮架

M-Bahn系统的道岔装置拥有极其简单的结构。其仅通过一根活动导轨，就能控制车辆驶入不同的进路。这个机构如下图所示，原理上与横滨新交通Seaside线所用的道岔装置非常相似。而当车辆通过道岔的时候，在辅助引导轮的引导下，一侧的辅助支撑轮将替代悬浮磁铁和主支撑轮，承载着车辆行进。

横滨新交通Seaside线所采用的道岔装置

M-Bahn所采用的道岔装置

由于采用了永磁悬浮技术，并将驱动系统布置于轨道内侧，M-Bahn车辆的耗电量非常之低。因此，M-Bahn系统采用了与Transrapid（TR）系统相仿的接力式供电方式。其将接触式供电轨布设于车站附近，用意于满足乘降时的车上用电量激增。而在无接触式供电轨的路段，车辆的电源由车载电池担当。

M-Bahn车辆的基础制动装置为对轨作用的制动夹钳，而常规制动方式为再生制动。在控制足够精准的情况下，M-Bahn系统的路轨因制动磨损的区域将能集中于站区。这一点从上海磁浮示范运营线上可以清楚地看到——在龙阳路站站区的轨道上，因支撑滑橇（TR系统的辅助承载和基础制动装置）造成的磨损总在固定的几处。这是有助于低成本线路养护的。在突发状况下，位于M-Bahn车辆前后方的应急逃生门将可以打开，并使得旅客可以沿着轨道进行疏散。

可以说M-Bahn展现出的诸多优势，是奠定德系内嵌式中低速磁浮技术的重要基础。

M-Bahn车辆的外景、内景，以及维保车辆和站台安全门

M-Bahn试验线路及试验车辆

M-Bahn车辆的诸多外观设计构想

03 Transport System Bgl（TSB）的革新

德系内嵌式中低速磁浮后续的发展，正是本文开头就提到的那个，新筑股份刚刚引进的Transport System Bgl（TSB）系统。TSB系统是由Max Bgl公司研发并推广的新型磁浮系统。Max Bgl是一家建筑公司，其在混凝土预制件的生产方面首屈一指。它还是德国Transrapid（TR）方面指定的建设承包商，曾经先后参与了TVE试验线和上海磁浮示范运营线的建设工作。

Max Bgl公司所生产的磁浮混凝土预制梁在TVE安装

以及被涂刷上Max Bgl公司标识的TR07磁浮试验车

与前文所述的M-Bahn一样，Transport System Bgl（TSB）系统也是全自动运行的，并且也采用了相似尺寸的车辆。为了扩大运量，其车辆由M-Bahn的可重联单车厢，变更为了2~6节可量身定制的固定编组列车。但是TSB并没有采取“轨道驱动、地面控车”的模式，而是将驱动系统装备于车辆上，使用了短定子直线异步电机。而其悬浮系统也采用了如今非常成熟的电磁悬浮方式，以确保100%无接触悬浮运行。并且得益于前人对悬浮控制技术的探索，如今的悬浮磁铁也可以做到无接触导向功能。值得注意的是，TSB系统将悬浮与牵引相融合，在这点上，其与Transrapid（TR）系统是一脉相承的。

TSB系统的运用场景效果图

而就之所以没有延续M-Bahn和TR系统的，长定子直线同步电机驱动方式，笔者猜测可能有以下两个原因：

首先，中低速磁浮的基础建设成本应当被严格控制，才能具备极大的经济性。倘若采取“轨道驱动”的模式，将电机定子铺设于轨道上，并且达到与线路全长相一致的长度，势必会增加基础建设成本。而我国的国产中低速磁浮系统，又或者与之相仿的日本中低速磁浮Linimo（HSST）系统，皆采用了短定子方案。要与这些系统相竞争，则不能在基础建设成本上缺乏优势。

其次，如今的自动运行技术已经超越了M-Bahn所诞生的时代。长定子方案固然有助于降低自动运行控制技术的门槛，但在传统轮轨铁道系统都能达到GOA4最高级别自动运行水平的今天，长定子方案已经不再是实现全自动运行的必由之路。此外，如今的牵引系统已经可以做到前所未有的小型化和轻量化，其安装在车辆上并不会成为累赘。因此如今短定子方案正变得可行。

从TSB系统的结构原理图中可见，悬浮磁铁是与直线电机定子相融合的结构（magnet with integrated linear motor）；而在悬浮架的底部安装有支撑滑橇（skid）和集电靴（current collector），其可与滑动／供电轨（slide rail／power rail）相接触。

TSB列车的悬浮架跳脱了转向架的结构，其五模块方式的走行部与我国国产中低速磁浮车辆相一致。而TSB悬浮架上的悬浮磁铁，是与短定子直线电机的初级整合为一体的；遂在轨道上与之相应的结构，亦是集成了磁场反馈与电机次级两个功能的。

TSB列车不仅没有支撑轮，也没有制动夹钳。其采用的是来源于Transrapid（TR）相关技术的固定式支撑滑橇装置。这种支撑滑橇装置使用了设定摩擦系数材料制作的接触面，既可以充当列车的辅助支撑装置，又可以充当基础制动装置。列车还将可以在突发个别悬浮架失灵的情况下，通过该支撑滑橇的承载，拖曳着失灵的悬浮架，继续行驶至最近的停靠点。

为确保牵引耗电以及车上用电，TSB的轨道梁底部设置了接触式供电轨。该供电轨亦是支撑滑橇落下后与轨道接触的部分。这样的设计既集成了供电系统与支撑结构，又有效地避免了紧急状况下，摩擦制动所产生的热量，对轨道形变的不良影响。

此外，TSB系统采取了与M-Bahn系统相一致的，通过位于列车前后方的应急逃生门，沿轨道进行旅客疏散的应急策略。

TSB所采用的轨道方式

TSB系统的轨道为混凝土预制梁，这正是开发该系统的Max Bgl公司所最为擅长的。这既降低了施工难度，又满足了低成本基础建设的需要。然而，非常可惜的是，笔者至今没有看到该公司拿出配套的道岔方案来。就目前位于慕尼黑和成都的两条试验线来说，全程为单线的设计确实尚不需要道岔装置。然而由于运营线的需求多变，单线拉风箱运作方式恐怕不能满足绝大部分项目的需要。故笔者推断，如若Max Bgl公司或是新筑股份意图大规模推广该系统，则必定会拿出道岔设计。而根据目前已经成熟的技术推测，TSB系统将很可能会采用移车台或者分段式道岔的方案。当然，若能实现连续可弯曲钢梁结构肯定会更好。

由笔者的朋友参与设计的长沙磁浮快线项目中所使用的分段式道岔

04内嵌式中低速磁浮系统的优势

新筑股份引进德国Transport System Bgl（TSB）系统，肯定不止于想分得国内中低速磁浮市场的一杯羹，更在于内嵌式中低速磁浮技术本身的优势。

TSB系统最大的优势在于其轨道本身。由于是内嵌式的，在两根混凝土预制梁之间设置了供人行走的栅格板，并由轨道梁本身作为该通道的护栏。这将可以避免修建单独的逃生疏散平台，并且也给轨道维护作业提供了安全的工作空间。基于内嵌式所采用的C型轨道梁，把悬浮和牵引的工作面都置于轨道梁内侧，以至于供电轨（包括应急支撑面）也被包裹于轨道梁内侧，将从根源上提升系统的环境适应性。此外，由于采用了混凝土预制梁方案，路轨本身就可以起到承载作用，无须在轨道层下方再增设桥梁结构。这与单轨系统非常近似，而与我国的国产中低速磁浮系统，抑或是与之相仿的日本中低速磁浮Linimo（HSST）系统大相径庭，将有助于进一步降低基础建设成本。

另外，需要指出的是，TSB系统继承了Transrapid（TR）的技术成果，集成了悬浮系统和驱动系统，系统的整合度更高将意味着能耗的降低；而支撑滑橇的使用，不仅仅是减少了额外的基础制动装置，更是避免了当下国产中低速磁浮所使用的液压收放支撑轮，大幅度提高了系统的可靠性和安全性。

【参数对照】

Magnetbahn（M-Bahn）和Transport System Bgl（TSB）的

主要技术参数：

【M-Bahn】Magnetbahn

车辆尺寸：12×2.3 m（长×宽）

车辆空重：9 t

满载质量：17 t

载客总量：115人

最大速度：100 km/h

最小半径：50 m

最大坡度：100‰（理论上可达250‰）

供电方式：750 V DC

系统容量：≧ 25,000人／小时／方向

【TSB】Transport System Bgl

车辆尺寸：12×2.85 m（长×宽／节，2~6节编组）

车辆空重：9.5 t

满载质量：18 t

载客总量：127人／节（2~6节编组）

最大速度：150 km/h

最小半径：45 m

最大坡度：100‰（理论上可达140‰）

加速度：1.0 m/s

减速度：1.0 m/s

各中低速磁浮系统的技术比较，

并单列出Transrapid（TR）系统以示对照：

注释：

Magnetbahn（M-Bahn）系统并非完全悬浮运行，其车辆总重的85%由永久磁铁承担，剩余部分由支撑轮分摊。由于轮轨作用力很小，其依然被认为是一个运作高效，且维护需求量很低的磁浮系统。

本表中不包含爬坡能力、曲线通过能力、加减速性能以及载客能力的比较。笔者认为这些项目可以针对具体实施的线路进行特化性设计，其指标亦能够随着技术改进而获得提升，故对比的意义并不大。

本表加入Transrapid（TR）系统是因为其具备应用于机场快线等城市轨交线路的条件，且上海磁浮示范运营线亦是上海市内轨道交通线。由于该制式并不属于中低速磁浮系统，故而将其单列于右侧。

在Transport System Bgl（TSB）系统中，直线电机与悬浮磁铁为一体化设计；而在TR系统中，直线发电机亦被整合于悬浮驱动系统中。与此二者不同的是，国产中低速磁浮系统，采用了直线电机与悬浮磁铁上下分置的另一种方案。

05写在最后

本文虽然大篇幅阐述了内嵌式中低速磁浮系统的优势，但这并不代表着，其可以完胜当下的国产中低速磁浮系统。内嵌式只是一个亟待可靠性验证和技术性革新的非常新锐的磁浮方式。与之相比，国产中低速磁浮从最初的探索到投入运营，其积累的技术基础和经验都是弥足珍贵的，将可以帮助其继续稳扎国内的中低速磁浮市场。

另外，关于德国Transrapid（TR）与日本SCMaglev（SCM）两系统，同为能将铁路运输最高速度大幅提升的磁浮技术，却在工程结构、运行原理上完全不同，想必大家对于两者的对比非常感兴趣。笔者不做过多的阐述，但非常想说的是，这俩系统都是非常先进和独特的，它们各具特色与优势。SCM作为一个凹槽形无控悬浮系统，其更容易达成较高的试验速度，而针对车辆进行气动优化也更为容易；而德国TR作为有控悬浮技术的佼佼者，在实现完全悬浮运行的同时，于安全冗余方面也做到了极致，并且其所拥有的高速道岔技术，将有助于未来TR在中国铺就成网以后，高速磁浮列车的不降速跨线运行。所谓适合的就是最好的，日本研发的SCM技术必然非常适合于日本，但笔者认为相比于SCM，还是德国TR更为适合于中国。

德国Transrapid（TR）

日本SCMaglev（SCM）

【全文作者】令狐アルルゥ

【资料搜集】亚特兰蒂斯、Officer Car

【参考文献】

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2. https://de.wikipedia.org/wiki/M-Bahn

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