永磁磁浮空轨系统的研究与设计

杨 杰，高 涛，邓永芳,3,杨 斌,3

(1.江西理工大学 永磁磁浮技术与轨道交通研究院，江西 赣州 341000；2.江西省磁悬浮技术重点实验室，江西 赣州 341000；3.离子型稀土资源绿色开发与高值利用重点实验室，江西 赣州 341000)

磁悬浮系统是现代科技的集大成者，其概念最早于一百年前由德国工程师赫尔曼·肯佩尔提出，于20世纪70年代开始研制电磁悬浮列车。日本紧随其后，并借助超导材料的突破，成功建成时速达603 km的山梨试验线。近年来，随着永磁材料、电子信息、精密机械加工等学科领域的快速发展，使得永磁磁悬浮轨道交通系统成为了可能。

江西理工大学基于我国稀土资源优势，针对赣南稀土永磁材料产业产能过剩、附加值低的问题，积极探索永磁材料的重大工程应用领域，于2014年提出一种新型永磁磁浮轨道交通系统——“虹轨”，并于2019年建成试验线，系统组成如图1所示。

图1 “虹轨”交通系统

该系统具有节能环保、成本低、工期短、选线灵活、占地少等优势，特别适用于中小城市、景区、机场接驳、商务中心、特色小镇等人与自然和谐发展的生态型交通需求，对于沿江、环湖、海边、高寒、荒漠等常规轨道交通制式难以适用的场合也能很好地适用。同时，也可以作为地铁等大运量交通方式的末端接入，是大型城市最后一公里问题的理想解决方案。该系统不仅拓展了轨道交通运输新模式，成为观光旅游、区域接驳、城乡连接的新制式、新载体、新平台，也将成为“新基建”的有效投资载体。同时解决了稀土永磁材料产业面临的产能过剩、附加值低的问题，具有重要意义。

1 空轨列车发展现状

城市化进程的不断深入是人类文明不断向前的一个重要标志。随着城市规模的不断刷新，对交通运输的需求持续攀升。城市交通系统承载力与通勤需求的交互式增长是我国过去几十年城市基础设施建设的主旋律，而下一代公共交通运输系统逐步向绿色、智能、安全等可持续化发展方向迈进，这也为以“虹轨”为代表的一类空轨交通系统提供了新的发展高潮与时代机遇。

自1900年德国乌帕塔尔的胶轮式空中轨道列车开通至今，全球各地相继提出了多种悬挂式轨道交通制式(图2)，如国内中车机车公司的新能源悬挂式单轨列车[1]、比亚迪跨坐式云轨[2]以及中铁工业推出的“新时代号”空轨列车[3]。国外有以色列的SkyTran[4-6]、俄罗斯SkyWay轨道缆车[7]、德国多特蒙德的空轨专列[8]等。在众多空轨系列中，轮轨式悬挂和旋转电机驱动模式依然为主流方案，而SkyTran列车致力于发展个人快速公交系统(Personal Rapid Transit，PRT)，引入了较为前沿的磁悬浮技术，但结构复杂，设计、加工、实现难度较大，至今尚未在工程应用上取得实质性突破。

在永磁材料应用方面国内外先后提出多种制式。首先，将永磁体引入到电磁悬浮和超导悬浮结构中，形成永磁电磁混合悬浮技术(PEMS)[9-10]和具备钉扎效应的超导永磁悬浮技术(HTS-PM)[11-12]；催生了中国“世纪号”[13]、巴西MagLev-Cobra[14]、德国Supra Trans Ⅱ[15]等新制式相继登场亮相。其次，单纯凭借永磁磁场实现悬浮的永磁悬浮制式，例如MAS磁悬浮列车[16]、中华06号轻型吊轨磁浮列车[17]、美国Magtube[18]以及意大利Urban Maglev system[19]等；值得注意的是美国Magplane[20]也提出发展纯永磁悬浮方案。

图2 现有空轨列车系统

2 虹轨系统组成

“虹轨”系统采用悬挂式永磁悬浮结构，通过永磁体之间的斥力承载静态载荷，依靠永磁直线电机实现非接触式驱动。

悬挂式新型稀土永磁磁浮轨道交通系统主要围绕多领域创新集成工艺的车辆承载系统优化与性能评估和走行机构设计；系统供电与牵引控制的长定子牵引直线电机驱动技术和测速定位技术研究；系统通信与控制的车辆自动节能驾驶与多任务智能调度平台建设与优化；高性能材料的低磁偏角、高稳定性、高服役性永磁材料研发和轻量化铝合金材料结构与性能研究。系统断面结构如图3所示。

1-限高轮；2-受电轨；3-导向系统；4-悬浮系统；5-车厢吊杆；6-直线驱动系统；7-测速定位系统；8-天梁托臂。图3 “虹轨”截面结构示意图

2.1 悬浮导向控制系统2.1.1 永磁悬浮系统

永磁悬浮最大的特点就是可以实现零功率悬浮，但悬浮磁场不可控；而电磁悬浮可控性较好，但能耗高。“虹轨”系统将永磁悬浮与电磁悬浮的优势进行融合互补，采用“永磁Halbach阵列车载，电磁悬浮为稳态调控”的新型混合悬浮模式。可有效针对轿厢来自乘客、风阻、陡坡等不稳定扰动状态抑制与悬浮姿态调整。在文献[21]证实了永磁体结构磁场能力受磁体属性影响的同时，与磁体间位置关系保持严格的非线性关系，为本项目的结构选型提供了一定的借鉴价值。综合考量工程轨道宽度、磁体性能、轨道制作成本、悬浮高度及重量等因素，最终选用简版Halbach阵列作为本项目的悬浮磁轨与车载悬浮块，如图4所示。

图4 Halbach阵列磁轨样图

结合车辆悬浮架的基本结构，借助Ansof软件对永磁阵列产生的静态悬浮力进行有限元仿真。其中，永磁块按照4段式分布，每段保持150 mm长度，永磁体尺寸选用图4(b)中的标准尺寸，取长×宽×高为150 mm×30 mm×30 mm和150 mm×20 mm×20 mm，永磁块选取烧结钕铁硼N48型号(常温)，仿真结果如下：

如图5所示，永磁磁浮载荷能力与悬浮间隙呈非线性关系，且在悬浮间隙极小/极大的情况下，悬浮衰减率偏高，接近指数型递减。当列车悬浮高度控制在20 mm左右时，可以有效车载1.5 t左右的质量。

结合实验室样品测试与仿真数据进行对比验证，证实了仿真结果及设计方法真实有效。实验室样品由实际尺寸等比例缩减至60 mm×10 mm×10 mm(长×宽×高)的N45永磁体拼装组成。考虑到磁轨与磁轨几何中心偏差对悬浮力及侧向力的影响，在仿真计算中选取了多种位置关系予以覆盖。悬浮高度在[0,15]mm的范围内，水平偏差量在[0,2]mm的范围内，以步长为1 mm进行枚举，试验结果如图6所示。

图5 车载永磁体的悬浮力曲线与截面磁场分布图

图6 垂向悬浮试验与模拟样本数据对比

由图6可知，承载力的有限元仿真数据真实可靠，实际垂向悬浮力与仿真曲线基本保持一致，且仿真误差基本集中在悬浮间隙过小的时候。受实际磁体性能误差及磁场侧向力的非线性变化的影响，实际数据与模拟数据之间误差可以忽略不计，为后续的悬浮稳定控制提供了技术支撑。

在上述仿真基础上分别选取水平偏移量2 mm(样本数据4)和水平偏差量0 mm(样本数据3)状态下的垂向悬浮力(参考对象为试验样本)进行误差分析，对比结果见表1。

表1 试验样本与仿真样本数据对比

由表1可知，样本数据3的误差率随着悬浮间隙的降低逐步攀升，呈非线性递增，误差最高可达10.82%。而样本数据4的误差在悬浮间隙较大时呈递减趋势，而后基本维持在2%范围内波动。值得注意的是，在悬浮间隙为1 mm时刻均出现相对较大的误差波动。将两组数据进行对比不难发现，当悬浮间隙较大时，试验样本数据与水平偏差0 mm时刻数据基本保持一致，当悬浮间隙逐步缩小，试验样本数据呈现出向水平偏差2 mm的样本靠拢趋势。这也意味着，除去实际生产误差影响之外，永磁悬浮结构受水平偏差量的影响较大，且与悬浮间隙成反比关系。

在悬浮特定高度下，对不同侧向偏差对侧向力和悬浮力的影响进行了讨论。悬浮高度保持在20 mm时，侧向偏差在[-50,50]mm范围内枚举，侧向力和悬浮力仿真如图7所示。

图7 车载永磁悬浮系统横向力

结合两组曲线变化可知，永磁悬浮结构的导向力整体上呈对称的正弦变化。当车载磁轨与轨道磁轨处于对中情况(横向位移为0 mm)，悬浮力保持最大，且导向力为零。然而，随着横向位移的逐步变大，悬浮力呈正弦波动，偏导力呈正弦变化。侧向偏差为5 mm时，侧向力约为4.5 kN，悬浮力约为14 kN；侧向偏差为10 mm时，侧向力约为9 kN，悬浮力约下降20%。因此，侧向偏差的控制是永磁悬浮的关键。

2.1.2 机械导向系统

在2.1.1节对车辆负载能力的分析中，阐明了永磁悬浮结构的可行性。同时，永磁悬浮结构具备的无阻尼特性，也影响到列车导向结构的设计与控制精度要求。为此，将借助图6的试验样本数据通过数值拟合分析悬浮力与间隙之间的动态特性。

永磁悬浮力f与间隙h的拟合函数[22](取95%的置信区间)可表示为

f(h)=a×e(b×h)+f(0)

( 1 )

式中：a=675.8；b=-0.142 5；f(0)=0

由牛顿第二定律可得永磁悬浮系统在垂直方向的状态方程(忽略其他扰动因素)为

( 2 )

式中：v为位移速度；m为总质量；g为重力加速度。

根据列车在平衡状态下的动力学特性，可得

( 3 )

将式( 2 )在平衡点处泰勒展开，可得线性化的状态方程为

( 4 )

式中：K=b·g。

设x=h-h0；y=v，可得系统状态空间方程为

( 5 )

由式( 5 )可得该悬浮系统的特征方程为

λ2+k=0

针对永磁悬浮结构的不稳定特性，以及较强的非线性偏导力，采用集机械导向与电磁导向为一体的混合导向系统。在项目一期工程中，结合天梁的半开口结构，在转向架上设置如图8所示的水平导向轮系统。水平导向轮系统主要由导向轮、弹簧和阻尼器组成，导向轮直接作用于天梁侧壁，实现导向和回稳功能。每个转向架上设置8组水平轮，8组水平导向轮对称分置于前、后及上、下位置。水平导向轮通过销连接安装在导向臂上，导向臂铰接于框架结构上，通过弹簧施加作用力，将水平导向轮压在梁内侧导向平面上，左右为对称结构。

图8 水平导向轮结构

2.2 测速定位系统

为了适应城市轨道交通运营环境，在车辆测速定位系统中，沿用双向定位配置，结合网络通信系统构成以“载波交叉感应回线技术为主、磁极绝对定位策略为辅”的车辆定位系统。该系统主要由交叉环线、载波发生器、磁浮天线单元、地面地址(速度)检测单元(地面站机柜内)、通信单元、段间箱、终端箱等组成，用于检测车辆绝对位置和速度，如图9所示。

图9 载波交叉感应回线技术结构示意图

测速定位系统的工作原理为：运行中的车上载波发生器产生48 kHz的载波信号，通过磁浮天线单元发送给交叉环线。地面地址速度检测单元通过交叉环线感应到不同相位变化的绝对位置地址信号和速度信号，将运算转换为绝对位置地址值和速度值并通过通信接口提供给地面控制系统。其中，交叉环线铺设在轨道适当位置，每1段环线(15 m)配1台段间箱，共配置3台段间箱，电缆末端安装1台终端箱，始端与地址检测单元并接，地面信号接收框架、地面地址速度检测单元装于地面站机箱内，与牵引系统相配套，每一台牵引控制柜配一套地面位置、速度检测单元；载波发生器装于车上的控制机箱内，磁浮天线单元(载波信号发射天线箱)安装在车辆顶部，位于交叉环线之上，列车浮起后距离交叉环线垂直高度约 30±5 mm，实现了列车定位精度2.6 mm的预设目标。载波信号发生器采用独立电源和功放组成设备冗余工作模式，具有自诊断功能，在一套出现故障时自动切换至另一套工作，提高了系统的可靠性，如图10所示。

图10 地面站子系统组成结构示意图

磁极绝对定位策略主要依赖于一类磁码信息编辑手段的信息识别与读取方法。在磁码信息识别和读取过程中，充分利用磁性材料的磁场作用力效应/电磁感应原理进行识别磁码牌上的磁极，依次还原磁码编辑序列，获取原有存储信息，从而实现为列车的运行控制提供较为精准的位置、路况等信息。作为对交叉回线的冗余和校正，并通过位置的变化(对时间求导数)得到速度信息。在硬件上主要由车载磁码识别器和磁极编码牌构成，其中磁极编码牌利用磁极进行信息编码存储，并依次沿轨道铺设，由车辆携带车载磁码识别器进行沿途扫描识别和读取位置、路况等信息，具备便捷、高效和经济性高等优势。在应用领域方面，该方法可以用于中低速磁悬浮列车的车辆定位测速、路况信息获取等功能，也适用于常规轨道交通系统，如管/洞道运输设备的绝对位置/速度的实时监测等。

2.3 牵引驱动系统

在系统总体需求的基础上，牵引驱动系统的具体指标依据牵引力计算和容量估算确定。系统采用长定子永磁同步直线电机，以及西门子SINAMICS S120系列单轴驱动器CU310DP、PM340功率模块及CF卡构成牵引驱动系统。

驱动电机的三相定子绕组安置于天梁顶层，与车载永磁体相互对应，采用分段式安装；电机动子由按一定结构顺序排列的永磁体构成，安置于悬浮架最上侧的基座上，与电机定子板间隔一定气隙，如图3所示。定子板的电枢绕组在驱动逆变器的控制下产生行波磁场，电机动子在行波磁场的作用下形成非接触牵引驱动，拖动悬浮架前行。为了降低损耗，提高牵引驱动系统效率，将沿线路铺设的直线电机定子分成2段(即分段式供电方式)，实现直线电机高效分区牵引驱动。按照牵引优化理论分启动、加速、匀速、惰行和制动五大模态进行牵引控制。

永磁同步直线电机的数学模型可表示为

( 6 )

通过交直轴坐标转换和理论推导，其中磁链包括绕组电流磁通ψ及永磁体磁通ψpm，可以得到d-q坐标系中的电压方程为

( 7 )

d-q坐标系中的磁链方程为

( 8 )

式中：Lmpm、ipm分别为永磁磁场穿越绕组线圈的电感和感应电流。

电磁功率方程为

( 9 )

对于直线电机，输出功率Pe=Fev，永磁体电角度速率ω=(π/τ)×v,可得电机牵引方程为

(10)

令id=0，如此将id与iq实现完全解耦，使得Fe与iq呈现出线性控制关系，可得

(11)

结合试验线设计要求，在Ansys仿真环境下建立三维有限元模型，进一步论证分析验证车辆牵引驱动能力。沿永磁体前进方向激励6.24 m/s的初始速度，电源同步频率为20 Hz，结果如图11所示。

图11 永磁同步直线电机牵引驱动曲线

电机驱动力在水平方向保持在约2.13 kN的水平上，且在垂向与水平偏向力方向几乎维持在“0”附近，基本满足车辆额定牵引的需求。悬浮模块及驱动电机设计参数见表2、表3。

2.4 车载系统及其他辅助设施

在车载系统中成功引入了AI智能技术，主要体现在人脸识别、关键物体检测和行人统计以及智能车载系统，见图12。

表2 悬浮模块设计参数

表3 驱动电机设计参数

图12 智能管理系统与车载运控系统

可通过摄像头进行面部识别，也可由站台闸机的人工刷卡端、移动终端的预约二维码等方式进行客户信息验证，进而开启轿厢车门，启动车载服务系统；由声控(语音输入等)、按键等启动车载服务设备，并将智能化服务集中在车载GUI触摸屏上，可由客户自由调试不同模式，包括路线选取与优化、运控状态、候车娱乐、新闻、视频等。为了提高乘车体验感，虹轨系统具备移动终端预约、查询车次、路线规划等，通过APP、微信客户端等移动终端设备通过云服务连接地面服务系统，完成更优质的个性化远端服务，适合城市白领、企业高管等时间敏感性人群。

在系统的整体结构中，主要由钢柱通过横向托臂支撑轨道天梁，并衔接于站房等部分立柱的顶部由弧形结构形成悬挂接口，天梁通过挂板固定于立柱顶端。立柱底部通过固定螺栓固定于水泥桩基柱上，支撑钢结构悬于空中，使得系统具备占地面积小、施工周期短、不影响地面交通等优势。间隔一定距离设置车辆停泊站台。每个轿厢按照“水平电梯”的自主运行模式，具备无人驾驶功能，由地面中央控制单元的统一协调实现运输组织的调度与协同控制。另外，轿厢内部设有紧急制动、逃生软梯、烟雾报警器等应急设施，以提高车辆安全性以及服务质量，确保舒适度以及乘客的出行安全。

3 总结与展望

“虹轨”致力于发展未来高品质小型中低速磁浮交通新模式，是通勤需求得以缓解后提升交通出行品质的下一代个性化、智能化运输载体；推动了永磁磁浮技术的应用与发展，并成功融合了无人驾驶、精确定位、传感融合、云计算等新理论、新技术、新方法，形成了一系列关键技术、产品标准、技术规范。目前，项目在国内第一次完成了一条60 m悬挂式全永磁悬浮制式的轨道运输技术验证线，实现了一站一线的技术验证，研制了一台全尺寸永磁磁浮车，开发了一套牵引和运行控制系统，实现了载人稳定运行。

目前，“虹轨”尚处于基础理论研究至工程化验证的阶段。下一步，系统将围绕技术核心和成果转化两个层次展开技术升级完善与应用推广。

(1)营造全方位运控环境。当前工程实现仅仅是涵盖直线与弯道的1∶1车轨试验线，主要为验证与支撑虹轨系统所涉及的基础理论与可行性。搭建全面复杂的运控环境将是进一步的必要工作，也是技术升级与完善的前提基础。其中，包括线路的坡度、平缓、长直道、山间风口等全尺寸轨道线。

(2)悬浮导向模块的优化。在发挥永磁悬浮优势的同时，系统依然面临永磁模块的不稳定与侧偏力较强等不足，进一步对结构的升级与优化将是课题组亟待解决的问题之一。而电磁悬浮技术具备的可控性与稳定性为课题组提供了技术参考，发展一种并联式永磁电磁混合悬浮结构结合非对中机械结构对车载悬浮与导向是一种理想的方案。

(3)车辆道岔结构的落实。考虑永磁悬浮块对侧偏量的敏感性，对于现有机械被动道岔结构，依然面临较大的技术挑战，且自身体积偏大、笨重等不足；这就需要进一步探索出适合永磁悬浮一类的道岔结构。

(4)成果转化。系统已成功在江西兴国县落地转化，并吸引了中铁磁浮科技、金力永磁等行业龙头企业参股，形成了实体化运营公司，按照市场化的要求组织工程示范应用、成果推广、商业运营等工作。进一步，将围绕兴国县7.4 km示范线展开成果转化与技术升级。

(5)技术拓展。以“虹轨”为代表的永磁悬浮制式开启了稀土永磁材料的新市场、新领域、新载体。对于未来发展大中型运量载体、智能货运体系等具有一定的借鉴价值与开发意义。