磁悬浮列车车辆通过磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向，具有加速快、震动小、舒适性好等优势，有效避免了轮轨列车存在的问题。

1.磁悬浮列车机构原理

图7-1所示为一种常导磁吸式（electro magnetic-suction suspension，EMS）磁浮列车物理数学模型。图中的虚线（箭头与圆框）为抽象（虚拟）过程的“思维表达线”。图7-1（a）为EMS列车结构原理图，图7-1（b）中的上方为固定电磁铁，代表设置于轨道的长定子铁心电磁铁，下方为铁磁性球，代表列车模拟体。当电磁铁上的线圈绕组通入电流i时产生的电磁场对下方的铁磁性球便形成吸力F（i，x）。当产生的吸力与铁磁性球的重力相等时，铁磁性球就悬浮在空中，两者之间的间隙x为列车的悬浮高度。此时，铁磁性球处于不稳定的平衡状态，当铁磁性球受到外力fd干扰时，极易失去平衡。为了使系统维持稳定，势必需要加上反馈环节。为此，必须设计一种控制算法，以确保悬浮达到稳定控制的技术要求。

图7-1　EMS系统原理及其基础动力学模型

当列车达到设定的悬浮高度时，电磁吸力和列车重力相等，此时列车就被悬浮起来。可见，单点悬浮系统的控制等价于磁浮列车整车悬浮的控制基础。其动力学方程为

式中，m为铁磁性球的质量；x为铁磁性球的悬浮高度；g为地球重力加速度；fd为铁磁性球所受的外界干扰力；F即F（i，x），为铁磁性球所受到的吸力。其中，

式中，i为电磁线圈中的电流；K为定义常数，K=，μ0为空气磁导率，A为电磁铁磁通截面积，N为电磁线圈匝数。由式（7-1）和式（7-2）可得

忽略悬浮铁磁性球位置的变化对电感的影响，可以得到方程

式中，U为电磁铁两端电压；R为电磁铁等效电阻；L为电磁铁绕组等效电感。

当铁磁性球处于平衡状态时，重力和电磁吸力相等，由牛顿第二定律可得铁磁性球此时所受的合力为零，即

F（i0，x0）为铁磁性球悬浮高度为x0、平衡电流为i0时电磁铁对铁磁性球的电磁吸力。

联立式（7-3）、式（7-4）及式（7-5）后，得

式（7-6）为单点悬浮系统运动动力学方程。(www.daowen.com)

为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳性，采用具有较高功率的直线电机，并通过电磁铁中电流的精确控制，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，达到车体与导轨之间保持大约10 cm的间隙。EMS通常采用气隙传感器来实施系统的间隙反馈控制［86］。这就是磁悬浮列车相对轮轨列车的明显技术优势。

不过，常导磁吸式（EMS）为吸力磁浮，轨道与车辆端都需要通过电力线圈生磁相吸，使车辆处于悬浮状态，电力消耗较高。相对而言，车辆与轨道间隙小，高速安全性相比采用斥力悬浮的超导磁浮风险较高，更多人认为常导磁浮更适用于中低速磁浮线。

我国于2002年采用德国TR08技术建成的上海磁悬浮专线属于EMS的一种。日本的磁吸式悬浮（electro direct-repulsion suspension，EDS）列车，或称超导磁斥式列车，车辆端线圈通过超导效应产生磁力与轨道磁力相斥。超导磁斥式在车辆底部安装超导磁体（放在液态氦储存槽内），在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时，给车上线圈（超导磁体）通电流，产生强磁场，地上线圈（铝环）与之相切，且与车辆上超导磁体的磁场方向相反，两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆质量时，车辆就浮起来。因此，超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力将车体抬起来的（见图7-2）。

图7-2　EDS系统结构原理图

由于超导磁体的电阻为零，在运行中几乎不消耗能量，而且磁场强度很大，在超导体和导轨之间产生的强大排斥力，可使车辆浮起。当车辆向下移动时，超导磁体与悬浮线圈的间距减小，电流增大，使悬浮力增加，又使车辆自动恢复到原来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关，一般到100 km/h时车体才能悬浮。因此，必须在车辆上装设机械辅助支承装置，如辅助支持轮及相应的弹簧支承，以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制［87］。

2.磁悬浮列车导向方式

常导磁吸式的导向系统与悬浮系统类似，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。超导磁斥式的导向系统可以采用以下三种方式构成。

（1）在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。

这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导向轨侧面相互作用（滚动摩擦）以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。

（2）在车辆上安装专用的导向超导磁铁。

通过专用导向超导磁铁使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。

（3）利用磁力进行导引。

由“零磁通量”导向系铺设8字形的封闭线圈，当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，8字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。

3.推进方式

磁悬浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。直线电机又分为短定子异步直线电机和长定子同步直线电机两种形式。短定子异步直线电机牵引方式是在车上安装三相电枢绕组、牵引变压器及变流器等全套牵引装置，轨道上安装感应轨作为转子，车辆一般采用接触受流的方式从地面供电系统获取动力电源。这种方式结构比较简单，容易维护，造价低，适用于中低速城市运输及近郊运输以及作为短程旅游线系统；主要缺点是功率偏低，效率低，不利于高速运行。我国的长沙机场线与北京S1线磁悬浮列车，以及日本的HSST型磁悬浮列车都采用这种推进方式。超导磁斥式磁悬浮采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈，其为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统，或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。德国TR系列高速磁浮是在轨道上全线铺设定子线圈（称为长定子），车辆上的悬浮磁铁同时作为直线电机的转子，而所有的牵引供变电、变流控制、开关控制等设备均设在地面上。考虑到定子线圈的电能损耗、反电势等因素，将线路上定子线圈划分为多个区间（称为牵引分区），每个牵引分区均设有完整的牵引供变电系统。仅有列车行经的区间地面牵引系统在工作，列车在跨分区时相邻的牵引分区间进行自动交接。为减少地面牵引设备的数量，牵引分区的长度要尽可能长（长度为30～50 km）。为进一步减少定子线圈的损耗，又将一个牵引分区划分为多个更短的定子段（通常为数百至1千多米），各个定子段通过地面的开关站控制是否接通牵引电流，这样一个牵引分区内仅列车所在的定子段是供电的。为减少列车在段间切换时的冲动，将轨道左右两侧的定子段切换点相互错开，这样就保证同一时刻左右两侧至少一侧定子段是通电工作的。长定子直线电机的优势是牵引功率大、效率比短定子更高，能够实现更高的牵引速度。其缺点是地面设备多，系统复杂，工程造价高。但长定子直线电机是高速和超高速磁浮的必然选择。

4.性能评价

常导磁悬浮（EMS）列车速度可达500 km/h，超导磁悬浮（EDS）列车可达600 km/h。它的高速度使其在1 000～1 500 km之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车少耗电30%。在500 km/h速度下，每座位/千米的能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车也少耗能30%。

相对EMS，由于EDS的超导效应使车辆端线圈电阻为零，因此悬浮所需消耗的电能得到大幅度下降，为经济运行提供了可能。另外，EDS悬浮间隙大，也增加了系统的安全性［88］。