從磁極的相互作用到磁懸浮列車

1、從磁極的相互作用到磁懸浮列車磁懸浮列車的原理是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，即“磁性懸浮”。這種原理運用在鐵路運輸系統(tǒng)上，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車，時速可達幾百公里以上。這就是所謂的“磁懸浮列車”。磁懸浮列車優(yōu)點：磁懸浮列車總的來說，磁懸浮列車具有高速，低噪音，環(huán)保，經(jīng)濟和舒適等特點。由于磁懸浮系統(tǒng)采用導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)， 不會發(fā)生脫軌和顛覆事故， 提高了列車運行的安全性和可靠性。污染小， 易維護 磁懸浮列車在運行中既不產(chǎn)生機械噪聲，也不排放任何廢氣、廢物，對周邊環(huán)境的污染極小，有利于環(huán)境保護，加上磁懸浮列車由于沒有鋼軌、車輪、接觸導(dǎo)線等摩擦組

2、件，可以省去大量維修工作和維修費用。效率高 能充分利用能源、獲得較高的運輸效率。磁懸浮列車從北京運行到上海，不超過個小時，從杭州至上海只需分鐘。在時速達公里時，乘客幾乎聽不到聲響。磁懸浮列車采用電力驅(qū)動，其發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu)，特別是燃油供應(yīng)的限制，不排放有害氣體。據(jù)專家介紹，磁懸浮線路的造價只是普通路軌的，而且運行時間越長，效益會更明顯。因為，磁懸浮列車的路軌壽命可達年，而普通路軌只有年。磁懸浮列車車輛的壽命是年，輪軌列車是至年。此外，磁懸浮列車的年運行維修費僅為總投資的，而輪軌列車高達。磁懸浮高速列車的運行和維修成本約是輪軌高速列車的。磁懸浮列車和輪軌列車乘客票價的成本比約為：。另外，磁懸浮列

3、車可以實現(xiàn)全自動化控制， 因此將成為未來最具有競爭力的一種交通工具。磁懸浮列車的發(fā)展史: 德國曾在80年代于柏林鋪設(shè)磁懸浮列車系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)有三個車站，長度1.6公里，用的是無人駕駛列車，于1989年8月開始試驗載客，1991年7月正式服務(wù)。由于政治原因，柏林墻倒塌，該線于運行兩月后改為普通輪軌列車行走.英國的伯明翰國際機場曾于1984年至1995年使用低速磁懸浮列車，全長600米。由于可靠性的問題，該線后來也改用單軌列車行走.2000年，中國西南交通大學(xué)磁懸浮列車與磁浮技術(shù)研究所研制成功世界首輛高溫超導(dǎo)載人磁懸浮實驗車。德國的Transrapid公司于2001年于中國上海浦東國際機場至地鐵龍

4、陽路站興建磁懸浮列車系統(tǒng)，并于2002年正式啟用。該線全長30公里，列車最高時速達430公里，由起點至終點站只需八分鐘。參見上海磁浮示范運營線。 2003年，四川成都青山磁懸浮列車線完工，該磁懸浮試驗軌道長420米，主要針對觀光游客，票價低于出租轎車費。日本現(xiàn)在的山梨縣試驗線使用低溫超導(dǎo)磁鐵，可容納更大的縫隙，該線列車的最高速度達每小時580公里，成為世界紀錄。最近，中國成功研制一種新技術(shù)永磁技術(shù)MAS-3，其造價比德國及日本的技術(shù)還要低.2005年5月，中國自行研制的“中華06號”吊軌永磁懸浮列車于大連亮相，據(jù)稱其速度可達每小時400公里。2005年9月，中國成都飛機公司開始研制CM1型“海

5、豚”高速磁懸浮列車，最高時速500公里，預(yù)計會于2006年7月在上海試行。但到 目前為止還沒有消息公布。2006年4月30日，中國第一輛具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中低速磁懸浮列車，在四川成都青城山一個試驗基地成功經(jīng)過室外實地運行聯(lián)合試驗。磁懸浮列車的分類：(1)按電磁鐵種類 磁懸浮列車根據(jù)所采用的電磁鐵種類可以分為常導(dǎo)吸引型和超導(dǎo)排斥型兩大類。常導(dǎo)吸引型常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車是以常導(dǎo)磁鐵和導(dǎo)軌作為導(dǎo)磁體，用氣隙傳感器來調(diào)節(jié)列車與線路之間的懸浮間隙大小，在一般情況下，其懸浮間隙大小在10 mm左右，這種磁懸浮列車的運行速度通常在300500 kmh范圍內(nèi)，適合于城際及市郊的交通運輸。超導(dǎo)排斥型 超導(dǎo)排斥型

6、磁懸浮列車是利用超導(dǎo)磁鐵和低溫技術(shù)，來實現(xiàn)列車與線路之間懸浮運行，其懸浮間隙大小一般在100 mm左右，這種磁懸浮列車低速時并不懸浮，當速度達到100 kmh時才懸浮起來。它的最高運行速度可以達到1 000kmh， 當然其建造技術(shù)和成本要比常導(dǎo)吸引型磁懸浮列車高得多。(2)按懸浮方式 磁懸浮列車按懸浮方式有電磁吸引式懸浮(electromagnetic suspension，EMS)和永磁力懸浮(permanent repulsivesuspension，PRS)及感應(yīng)斥力懸浮(electrodynamics suspension，EDS、。EMS 該方式利用導(dǎo)磁材料與電磁鐵之間的吸引力，絕大

7、部分懸浮采用此方式。PRS 這是一種最簡單的方案，利用永久磁鐵同極間的斥力，一般產(chǎn)生斥力為01 MPa。其缺點為橫向位移的不穩(wěn)定因素。EDS 依靠勵磁線圈和短路線圈的相對運動得到斥力，所以列車要有足夠的速度才能懸浮起來，大約為100 kmh， 它不適用于低速。(3)按列車的驅(qū)動方式長轉(zhuǎn)子、短定子異步直線電機驅(qū)動 這種電機的“定子”安裝在車輛的底部，“轉(zhuǎn)子”線圈安裝在軌道上。它適合于低速運行。長定子、短轉(zhuǎn)子同步直線電機驅(qū)動 此方式是將電機的“轉(zhuǎn)子”線圈裝在車輛上，“定子”線圈裝在軌道上。它適合于高速運行。磁懸浮列車的原理：(1) 懸浮原理磁浮有3個基本原理。第一個原理是當靠近金屬的磁場改變，金屬

8、上的電子會移動，并且產(chǎn)生電流。第二個原理就是電流的磁效應(yīng)。當電流在電線或一塊金屬中流動時，會產(chǎn)生磁場。通電的線圈就成了一塊磁鐵。磁浮的第三個原理我們就再熟悉不過了， 磁鐵間會彼此作用， 同極性相斥， 異極性相吸。現(xiàn)在看看磁浮是如何作用的：磁鐵從一塊金屬的上方經(jīng)過， 金屬上的電子因磁場改變而開始移動(原理一)。電子形成回路，所以接著也產(chǎn)生了本身的磁場(原理二)。圖1以最簡單的方式來表達這個過程，移動中的磁鐵使金屬中出現(xiàn)一塊假想的磁鐵。這塊假想磁鐵具有方向性，因是同極性相對，因此會對原有的磁鐵產(chǎn)生斥力。也就是說，如果原有的磁鐵是北極在下，假想磁鐵則是北極在上；反之亦然。因為磁鐵的同極相斥(原理三)

9、，讓磁鐵在一塊金屬上方移動，結(jié)果會對移動中的磁鐵產(chǎn)生一股往上推動的力量。如果磁鐵移動得足夠快， 這個力量會大得足以克服向下的重力，舉起移動中的磁鐵。所以當磁鐵移動時，會使得自己浮在金屬上方，并靠著本身電子移動產(chǎn)生的力量保持浮力。這個過程就是所謂的磁浮，這個原理可以適用在列車上。如圖2， 如果在列車的地板上安裝一些磁鐵，列車一開動(例如，可以收起的充氣胎)，就可產(chǎn)生向上的力量。個時候，列車就像飛機在跑道上加速準備起飛。當向上的力量足夠時，就可使得列車離開地面，浮在金屬導(dǎo)軌之上。事實上，列車經(jīng)過特別的設(shè)計，使得車廂在離地面10150mm 處。這樣列車就可以飛速前進了。從以上的討論可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的

10、第一個優(yōu)點。因為沒有輪子和鐵軌，它就沒有輪軌間的摩擦力所造成的能量損失。如此一來，就少了一個傳統(tǒng)列車的主要能量損耗來源。理論上，就只剩下風阻會影響列車的行車速度了。如果觀察一下列車是怎樣行進的，就可以發(fā)現(xiàn)磁浮列車的第二個優(yōu)點。雖然同極性會相斥(用以產(chǎn)生浮力)，但異性可以相吸。磁浮列車就是運用這個原理前進的。當列車下方導(dǎo)軌因電子運動而產(chǎn)生浮力的同時， 兩側(cè)導(dǎo)軌的線路開始通電，產(chǎn)生另一組比列車稍前的磁鐵。經(jīng)過特殊安排，導(dǎo)軌上的南極會靠近列車上的磁北極。由于這股吸力，列車得以往前移動。通過調(diào)整導(dǎo)軌兩側(cè)的電流，得以讓這股吸引磁力恰好落在列車前方。事實上，列車是陷在所謂的磁波或磁場之中。可以想象導(dǎo)軌兩側(cè)

11、移動的磁鐵產(chǎn)生一股波浪，列車就像騎在這浪頭的沖浪者一樣(圖3)。常導(dǎo)磁吸式(EMS) 利用裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設(shè)在線路導(dǎo)軌上的磁鐵， 在磁場作用下產(chǎn)生的吸引力使車輛浮起，見圖4所示車輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的可靠性和列車運行的平穩(wěn)，使直線電機有較高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，使磁場保持穩(wěn)定的強度和懸浮力，使車體與導(dǎo)軌之間保持大約10 mm的間隙。通常采用測量間隙用的氣隙傳感器來進行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸浮方式不需要設(shè)置專用的著地支撐裝置和輔助的著地車輪，對控制系統(tǒng)的要求也可以稍低一些。超導(dǎo)磁斥式(EDS) 此種形式在車輛底

12、部安裝超導(dǎo)磁體(放在液態(tài)氦儲存槽內(nèi))，在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線圈。列車運行時，給車上線圈(超導(dǎo)磁體)通電流，產(chǎn)生強磁場，地上線圈(鋁環(huán))與之相切割，在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與車輛上超導(dǎo)磁體的磁場方向相反，兩個磁場產(chǎn)生排斥力。當排斥力大于車輛重量時，車輛就浮起來。因此，超導(dǎo)磁斥式就是利用置于車輛上的超導(dǎo)磁體與鋪設(shè)在軌道上的無源線圈之間的相對運動， 來產(chǎn)生懸浮力將車體抬起來的。如圖5所示由于超導(dǎo)磁體的電阻為零，在運行中幾乎不消耗能量，而且磁場強度很大。在超導(dǎo)體和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的強大排斥力，可使車輛浮起。當車輛向下位移時，超導(dǎo)磁體與懸浮線圈的間距減小電流增大，使懸浮力增加，又使車輛自

13、動恢復(fù)到原來的懸浮位置。這個間隙與速度的大小有關(guān)，一般到100kmh時車體才能懸浮。因此，必須在車輛上裝設(shè)機械輔助支承裝置，如輔助支持輪及相應(yīng)的彈簧支承，以保證列車安全可靠地著地?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)起動和停車的精確控制。(2)導(dǎo)向原理：磁懸浮列車利用電磁力的作用進行導(dǎo)向?，F(xiàn)按常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)磁斥式兩種情況簡述如下。常導(dǎo)磁吸式的導(dǎo)向系統(tǒng) 與懸浮系統(tǒng)類似，是在車輛側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向的電磁鐵。車體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持一定間隙。當車輛左右偏移時，車上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用，使車輛恢復(fù)到正常位置。控制系統(tǒng)通過對導(dǎo)向磁鐵中的電流進行控制來保持這一側(cè)向間隙，從而達到控制列車運行方向的目的。超

14、導(dǎo)磁斥式的導(dǎo)向系統(tǒng) 可以采用以下3種方式構(gòu)成：在車輛上安裝機械導(dǎo)向裝置實現(xiàn)列車導(dǎo)向。這種裝置通常采用車輛上的側(cè)向?qū)蜉o助輪，使之與導(dǎo)向軌側(cè)面相互作用(滾動摩擦)以產(chǎn)生復(fù)原力，這個力與列車沿曲線運行時產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡，從而使列車沿著導(dǎo)向軌中心線運行。在車輛上安裝專用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵，使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力，該力與列車的側(cè)向作用力相平衡，使列車保持正確的運行方向。這種導(dǎo)向方式避免了機械摩擦，只要控制側(cè)向地面導(dǎo)向線圈中的電流，就可以使列車保持一定的側(cè)向間隙。利用磁力進行導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系鋪設(shè)“8”字形的封閉線圈。當列車上設(shè)置的超導(dǎo)磁體位于該線圈的對稱中心線上時，線圈內(nèi)的磁

15、場為零；而當列車產(chǎn)生側(cè)向位移時，“8”字形的線圈內(nèi)磁場為零，并產(chǎn)生一個反作用力以平衡列車的側(cè)向力， 使列車回到線路中心線的位置。(3)推進原理：磁懸浮列車推進系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機展開成直線電機。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機類似，展開以后，其傳動方式也就由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。磁懸浮列車面臨困難：磁懸浮列車雖然具有這么多的好處，但到目前為止，世界上只有上海浦東磁懸浮鐵路真正投入商業(yè)運營。盡管日本和德國已經(jīng)有了實驗路線，盡管年上海浦東機場到市區(qū)公里長的線路將投入正式運營，但磁懸浮列車要想如同現(xiàn)今的普通輪軌式鐵路那般，成為民眾日常交通工具，似乎還遙遙無期。那么，究竟是什么原因呢？ 首

16、先是安全方面。由于磁懸浮系統(tǒng)必須輔之以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動，因此在斷電情況下列車的安全就不能不是一個要考慮的問題。此外，在高速狀態(tài)下運行時，列車的穩(wěn)定性和可靠性也需要長期的實際檢驗。還有，則是建造時的技術(shù)難題。由于列車在運行時需要以特定高度懸浮，因此對線路的平整度、路基下沉量等的要求都很高。而且，如何避免強磁場對人體及環(huán)境的影響也一定要考慮到。 參加修建上海磁懸浮快速列車的電力專家介紹，敷設(shè)在磁浮工程全線的電纜，是德國進口的一種普通鋁芯制高壓電纜，受電后將產(chǎn)生高壓。專家提醒有關(guān)部門，要注意工程沿線周圍施工安全，并加強對沿線電纜的保護力度，以防止意外事故發(fā)生。 即便有解決以上技術(shù)難題的手段，但是又牽涉到另外一個問題錢。上海段約公里的線路設(shè)計投資為100億元人民幣，而德國