磁悬浮列车的原理及应用资料

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1、磁悬浮列车的原理及应用 陆一娣 众所周知 ， 传统 的铁路列车 都是依靠诸 如蒸汽 、 燃油、电力等各种类型机车作为牵弓 f 动力，车轮和 钢轨之 问的相互 作用作 为运 行导 向， 由铁路 线路承 受压 力，借助 于车轮沿着钢 轨滚动 前进 的。而磁悬 浮列车 则是一种 依靠 电磁场 特有 的 “ 同性相 斥 、异 性相吸 ”的特性将 车辆托起 ，使整个 列车悬 浮在线 路上 ，利用 电磁 力进行 导向 ，并利用 直线 电机 将 电 能直接 转换成推进 力 ，来推 动列车前 进 的最 新颖 的 第五代 交通运输 工具 。与传 统铁路相 比，磁 悬浮列 车有 以下优 点 。 适 于 高速运 行

2、 磁悬 浮 列 车 最大 特 点 在 于它 没有通 常的轮轨系 统 ，由于 消除 了与 轮轨之 间 的接 触 ，不存在 由于轮轨 摩擦及 黏着所造 成的诸如 极 限 速 度等影 响列车运行 的 问题 ， 速度可达 5 0 0 k m h以 上 。 稳 定 安全 列 车运 行 平 稳 ， 能提 高旅 客 舒 适 度 ，由于磁悬 浮系统 采用导轨 结构 ，不会发生 脱轨 和 颠覆事故 ，提高 了列 车运行 的安 全性和可 靠性 。 污染小，易维护 磁悬浮列车在运行中既不产 生机 械噪声 ，也不排放 任何废气 、废物 ，对周边 环 境 的污染极 小，有利于环 境保护 ，加上磁 悬浮列 车 由于 没有

3、钢轨 、车轮 、接 触导线 等摩擦组件 ，可 以 省去 大量维修工 作和维修 费用 。 效率高 能充分利用能源、获得较高的运输效 率 。另外 ，磁悬 浮列车可 以实现全 自动化控 制 ，因 此将成 为未来最具有 竞争力 的一种交通 工具 。 磁悬浮列车的发展史 磁 悬浮列车 是大约二 百年前斯蒂芬 森的“ 火箭 ” 号蒸汽机车 问世 以来 铁路技 术最根本 的突破 。磁悬 浮 列车在今 天看来似 乎还是一 个新鲜事物 ，其 实它 的理论准备 已有很长 的历史 。磁 悬浮技 术的研 究源 于德 国 ， 早在 1 9 2 2年德 国工程师赫尔 曼 肯佩尔就 提 出了 电磁悬浮 原理 ， 并于 1

4、9 3 4年 申请 了磁 悬浮列 车的专利。 进入 7 0年代以后，随着世界工业化国家 经济 实力的不 断加 强 ，为提 高交通 运输 能力 以适应 其经济 发展 的需要 ，德 国、 日本 、美 国、加 拿大 、 法 国、英 国等发达 国家相继 开始筹划 进行磁 悬浮运 输系统 的开发 。而 美 国和前 苏联则 分别在七 八十年 2 1 卷 第 6期 ( 总 1 2 6期) 代放 弃 了这 项研究计 划 ， 目前只有德 国和 日本仍在 继续 进行磁悬 浮系统 的研 究，并均取 得 了令 世人瞩 目的进 展 。下面把各 主要 国家对磁浮铁 路 的研 究情 况作 一简要介 绍 。 日本 于 1 9

5、 6 2年 开始研 究常导磁浮铁 路 。 此 后 由 于超 导技术 的迅 速发展 ， 从 7 O年代初 开始转而研 究 超导磁 浮铁路 。1 9 7 2年首 次成功地进 行 了 2 2吨重 的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时 5 0千米。 1 9 7 7年 1 2月在 宫崎磁浮铁 路试验线 上，最 高速 度 达到 了每小时 2 0 4千米 ，到 1 9 7 9年 l 2月又进一 步 提高到 5 1 7千 米 。1 9 8 2年 1 1月 ，磁浮 列车 的载 人 试验获得 成功 。1 9 9 5年 ，载人磁 浮列车 试验时 的最 高时速达 到 4 1 1千米 。为 了进行 东京至大 阪问修 建

6、 磁浮铁路 的可行性研 究 ， 于 1 9 9 0年又着手 建设 山梨 磁悬浮铁 路试验线 ，首期 1 8 4千 米长 的试 验线 已于 1 9 9 6年全部 建设完成 。 德 国对磁浮 铁路 的研 究始于 1 9 6 8年( 当时的联 邦 德 国) 。研究初 期 ，常导和超 导并重 ，到 1 9 7 7年 ， 先 后分别研 制 出常导 电磁铁 吸引式和超 导 电磁 铁相 斥 式试验车辆 ，试验 时的最高 时速 达到 4 0 0千 米 。 后 来经过分 析 比较认 为，超 导磁 浮铁 路所需 的技术 水平 太高 ，短 期 内难 以取得较 大进展 ，遂决 定以后 只集 中力量发展 常导磁浮铁 路

7、 。1 9 7 8年 ，决 定在 埃 姆斯兰 德修建全 长 3 1 5千米 的试 验线 ，并于 1 9 8 0 年开工 兴建 ，1 9 8 2年 开始进行 不载人试验 。列车 的 最高试验 速度在 1 9 8 3年底达 到每小 时 3 0 0千米 ， 1 9 8 4年又进 一步增至 4 0 0千米 。目前 ，德国在常 导 磁 浮铁 路研 究方面 的技术 已趋 成熟 。 与 日本和德 国相 比， 英 国对磁 浮 铁路 的研 究起 步较 晚 ，从 1 9 7 3年 才开 始 。但 是 ，英 国则是 最 早 将 磁 浮铁 路投 入 商业 运营 的国家 之 一 。 1 9 8 4年 4 月 ， 伯 明

8、翰机 场至 英特 纳雄 纳 尔 车站 之 问一 条 6 0 0 米长的磁浮铁路正式通车营业 。旅客乘坐磁浮列 车从伯 明翰机场到英特纳雄 纳尔火车站仅需 9 0 秒 钟。令人遗憾的是，在 1 9 9 5年 ，这趟一度是世冕 上 唯一 从 事商业 运 营 的磁浮 列 车 在运 行 了 1 1 年之 后被 宣 布 停 止营 业 ， 其运 送 旅 客 的任 务 由机场 班 车所 取 代 。 43 磁悬浮列车的分类 ( 1 )按 电磁 铁 种类 磁 悬浮 列车 根据 所 采用 的 电磁 铁种类 可 以分为常 导吸 引型和超 导排 斥型 两 大类 。 常导吸引型 常导吸引型磁悬浮列车是以常导 磁铁和 导

9、轨作 为 导磁 体 ，用气 隙传感器 来调 节列 车 与线 路之 间的悬 浮间 隙大小 ，在一般 情况 下 ，其 悬 浮间隙大小在 1 0 mm左右，这种磁悬浮列车的运行 速度通 常在 3 0 0 5 0 0 k m h范 围 内， 适合于 城 际及 市 郊 的交通 运输 。 超导排斥型 超导排斥型磁悬 浮列车是利用 超 导磁铁 和低温 技术 ，来 实现列 车与线路 之 间悬浮 运行，其悬浮间隙大小一般在 1 0 0 m m左右，这种 磁 悬浮 列车低速 时并不 悬浮 ，当速度 达到 1 0 0 k m h 时才悬 浮起来 。它 的最高运 行速度 可 以达到 1 0 0 0 k m h ， 当

10、然 其建造 技术和 成本要 比常 导吸 引型磁悬 浮列车高得多。 ( 2 )按 悬浮 方 式 磁 悬 浮列 车 按悬 浮方 式有 电磁吸 引式悬 浮( e l e c t r o ma g n e t i c s u s p e n s i o n ，E MS ) 和永磁力悬浮( p e r ma n e n t r e p u l s i v e s u s p e n s i o n ，P RS ) 及 感 应 斥 力 悬 浮 ( e l e c t r o d y n a m i c s s u s p e n s i o n， EDS、 。 E MS 该 方 式 利用 导 磁材 料 与

11、 电磁 铁 之 间 的 吸 引力 ，绝 大部分 悬浮采 用此方 式 。 P RS 这 是一 种最 简单 的方 案 ，利用 永久 磁铁 同极间 的斥力 ，一般产 生斥力 为 0 1 MP a 。其缺 点 为横 向位 移 的不 稳定 因素 。 E DS依靠 励磁线 圈和 短路线 圈的相对 运动得 到斥力，所以列车要有足够的速度才能悬浮起来 ， 大约为 1 0 0 k m h ，它 不适用 于低速 。 ( 3 )按列车 的驱动 方 式 长转 子 、短 定子异 步直 线 电机驱 动 这种 电机 的 “ 定 子 ”安装在 车辆 的底部 ，“ 转 子 ”线 圈安装在 轨道上 。它适 合于低 速运 行 。

12、长定子、短转子同步直线电机驱动 此方式是 将 电机的 “ 转子”线圈装在车辆上，“ 定子”线圈装 在 轨道上 。它适合 于 高速 运 行 。 磁悬浮列车的原理 ( 1 ) 悬浮 原理 磁浮有 3个 基本 原理 。第一个 原理 是当靠近 金 属 的磁 场改变 ，金 属上 的 电子 会移动 ，并 且产 生 电 流。第二个原理就是电流 的磁效应。当电流在 电线 44 或 一块 金属 中流动 时 ，会 产生 磁场 。通 电 的线 圈就 成 了一 块磁铁 。磁 浮 的第 三个 原理 我们 就再 熟悉不 过 了，磁铁 间会彼 此作 用 ，同极性 相斥 ，异极 性相 吸。现在看看磁浮是如何作用的：磁铁从一块

13、金属 的上方 经过 ，金 属上 的 电子 因磁场 改变 而开始 移动 ( 原理 一 ) 。电子形 成回路 ，所 以接 着也 产生 了本身 的磁 场 ( 原 理二 ) 。图 1以最简单 的方 式来表达 这个 过程 ， 移动 中的磁铁 使金 属 中出现一块假 想 的磁铁 。 这块 假想磁 铁具 有方 向性 ，因是 同极性 相对 ，因此 会对 原有 的磁铁 产生 斥力 。也就 是说 ，如 果原有 的 磁铁是北极在下，假想磁铁则是北极在上；反之亦 然 。因为磁铁 的同极相斥 ( 原理三 ) ，让磁铁 在一 块 金属 上方 移动 ，结果会 对移 动 中的磁铁 产生 一股往 上推 动 的力量 。如 果磁铁

14、 移动得 足够 快 ，这个力 量 会大得足 以克服向下的重力，举起移动中的磁铁。 所 以当磁铁移动时，会使得 自己浮在金属上方，并 靠着本身电子移动产生的力量保持浮力。这个过程 就是所 谓 的磁 浮 ，这个 原理可 以适 用在 列车上 。如 图 2 ，如果 在列 车的地 板上 安装一 些磁铁 ，列 车一 开动 ( 例 如 ，可 以收起 的充气胎 ) ，就 可产生 向上 的 力量 。这 个时候 ，列 车就像 飞机 在跑道 上加 速准备 起 飞 。当 向上 的力量足 够 时 ，就 可使得 列 车离开地 面 ，浮在 金属 导轨之 上 。事实上 ，列 车经过 特别 的 设计，使得车厢在离地面 1 0

15、1 5 0 m m 处。这样列车 就 可 以飞速前进 了。从 以上 的讨 论可 以发现 磁浮 列 车 的第 一个优 点 。因为没 有轮 子和铁 轨 ，它就没 有 轮 轨 间的摩擦 力所 造成 的能量损 失 。如此 一来 ，就 少 了一 个传 统列 车 的主 要 能量损耗 来源 。理 论上 ， 就只剩 下风 阻会 影响列 车 的行车速 度 了 。如 果观察 一 下 列车 是怎样 行进 的，就 可 以发现磁 浮列 车 的第 二个优点。虽然同极性会相斥 ( 用 以产生浮力) ，但 异性 可 以相吸 。 磁 浮列 车就 是运 用这 个原 理前进 的 。 当列车下 方 导轨 因 电子运 动而产 生 浮力

16、 的同 时，两 侧 导轨 的线路 开始通 电，产生 另一 组 比列 车稍前 的 磁铁。经过特殊安排，导轨上的南极会靠近列车上 的磁北 极 。 由于这 股吸 力 ，列 车得 以往前 移动 。通 过调整 导轨 两侧 的 电流 ，得 以让这 股吸 引磁 力恰好 落在列车前方。事实上，列车是陷在所谓的磁波或 磁场 之 中。可 以想象 导轨两 侧移 动 的磁 铁产 生一股 波浪 ，列 车就像骑 在这 浪头 的冲浪 者一样 ( 图 3 ) 。 下 面 介 绍 常 导 磁 吸 式 ( E MS)和超 导 磁 斥 式 ( E DS )列车的具体运行原理 。 现代 物理 知识 f j 斥 ， 图 l 悬浮 原理 图 2磁 浮列车 磁铁 1 S N S N S N 金属导轨 l 图 3磁浮 列车周 围的磁波 常导磁吸式( E MS ) 利用装在车辆两侧转向架 上 的常导 电磁铁 ( 悬 浮 电磁 铁) 和铺 设在 线路 导轨 上 的磁铁 ，在磁场 作用下产