大学物理论文

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1、 中国农业大学课程论文（2012-2013 学年秋季学期）论文题目：论文题目：磁悬浮列车原理概述 课程名称：课程名称： 大学物理 A 任课教师：任课教师： 祁铮 班班 级：级： 试验 112 学学 号：号： 1108160207 姓姓 名：名： 刘春迪 成绩成绩磁悬浮列车原理概述及前景磁悬浮列车原理概述及前景一一. .演示实验展示演示实验展示步骤一 打开导轨电源并用泡沫盒收集一些液氮(-196 摄氏度度左右),用来制造超低温环境步骤二 将小车(周围围绕着超导体材料线圈)垫起一定的高度,并将液氮持续注入,直到一个 足够低的温度步骤三 撤掉小车下的垫片,小车悬浮.盖上车壳防止液氮洒出,给小车一个初

2、速的使其沿导轨 流畅运动.步骤四 可适当用力拉拽推小车,发现人力不能使小车向导轨方向以外的任何方向产生相对 位移.原理简要分析:当小车发生偏离轨道的位移时,产生,感生电动势 , = 而电流 I = E/R。 由于线圈处于低温超导状态 R0, I 所以 F = BIL 。 所以一个微小位移会产生一个无穷大的力让小车回到原位。 但是，如果小车沿着轨道前进后退时，超导线圈横截面内的磁通量不发生变化，而且因为 离开地面所以地面对于小车的阻力为零，所以小车能够较为流畅的运行。二二. .现代磁悬浮列车技术原理概述现代磁悬浮列车技术原理概述磁悬浮列车目前按照悬浮系统的设计，可以分为两个方向,。分别是德国所采

3、用的常导 磁吸式和日本所采用的超导磁斥式。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统( EMS) 和电力悬浮 系统( EDS) 。1. 悬浮原理悬浮原理常导磁吸式（EMS）, 是一种吸力悬浮系统。利用装在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, 在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起( 见 图 1) , 车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳, 以及使直线电机有较高的功率, 必须精确地控制电磁铁中的电流, 才能使 磁场保持稳定的强度和悬浮力, 使车体与导轨之间保持 10 15 毫米的间隙。通常采用测 量间隙用的气隙传感器来进行系统的

4、反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑 装置和辅助的着地车轮, 对控制系统的要求也可以稍低一些。此外由于悬浮和导向实际上 与列车运行速度无关, 所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。图 1图 2超导磁斥式(EDS), 此种形式应用了电磁感应的原理。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, 呈“8”字形) 与之相切割, 当一辆列车快速驶过时, 车两边的超导磁铁便会在线圈上感应出电流。巧妙的是, 超导磁铁在“8”字形的线圈中心 以下经过, 因此“8”字形线圈

5、下半部的磁通量改变比上半部大, 感应出如图 3( b) 所示的 电流。 “8”字形线圈下半部的磁极与超导磁铁的磁极相同, 上半部则与之相反, 结果是这两 部分的线圈对超导磁铁产生的磁力, 都有一个向上的分力。当向上分力大于车辆重量时, 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, 将车体悬浮起来的( 如图 3 所示) 。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 100 150 毫米,并能使列车运行保持平稳。当车辆向下位移时, 超导磁 体

6、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状态。 这个间隙与速度的大小有关, 由于“8”字形线圈只有在超导磁铁运动时才能感应出电流并 产生磁性, 因此当火车静止的时候, 便不能浮起。所以, 火车在启动时会首先靠轮子来滑行, 直到产生的磁力足以承托火车的重量, 才将轮子收起来, 就好像飞机起飞一样。并且控制系 统能实现起动和停车的精确控制。图 3图 42. 导向原理导向原理磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。现按常导磁吸式和超导磁斥式两种情况简述 如下。 ( 1) 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

7、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。( 2) 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, 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,

8、 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 利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。即沿线路中心线均匀地铺设“8” 字形的封闭圈, 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。 （如图 2）3. 推进原理推进原理概述： ( 1) 常导磁吸式磁悬浮 采用短定子异步直线电机。在车上安装三相电枢绕组, 轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。这种方式结构比较简

9、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, 不利于高 速运行。 ( 2) 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的采用, 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。 原理举例： 图 5 说明日本磁悬浮列车样机所采用的推- 挽型磁推进系统的原理. 列车上两侧放置的 由超导线圈制成的电磁铁简称列车电磁铁,在列车运行时,列车电磁铁的极性是恒定的.

10、沿轨 道两旁铁栅栏放置的、由超导线圈制成的电磁铁简称轨道电磁铁,仅当列车经过时,该处的轨 道电磁铁才按顺序接通和断开电流. 为简单起见,图 5 中只画出列车左侧的列车电磁铁和轨 道电磁铁. 每个图的上排为轨道电磁铁,下排为列车电磁铁.当列车到达图 5 中的位置(1) 时, 仅有两组轨道电磁铁接通电流,其极性如图所示. 由于列车电磁铁的相对位置,由图可见,存在 四组 N - S 拉力和三组 S - S 或 N - N 推力,所有这些推- 挽力的总功效是推动列车向前运动.当 列车到达位置(2) 时, 轨道电磁铁的电流被断开,当列车借助惯性到达位置(3) 时,轨道电磁铁 的电流被接通,但其极性与(1

11、) 相反,其结果仍导致推- 挽加速.当列车到达位置(4) 时, 轨道电 磁铁的电流被断开,列车借助惯性到达位置(5) . 此时,轨道电磁铁的电流又被接通,其极性与 (1) 相同. 但接通电流的两组轨道电磁铁与(1) 有所不同. 对比图(1) 与图(5) 可知,此时列车 已前进了图中车身长度的 2/ 3.图 5三三. .发展现状与未来发展现状与未来国际上有代表性的几种磁悬浮列车有：高速常导磁悬浮列车、低速常导磁悬浮列车以 及高速超导磁悬浮列车。高速常导磁浮车为德国研制的 TR(transrapid)系列；低速常导磁浮 车为日本研制的 HSST 系列；高速超导磁浮车为日本研制 MLU 系列。目前，

12、世界磁悬浮列 车技术领域中，日本和德国两个国家占据领先地位。我国也掌握了磁悬浮列车的关键技术, 比有影响力的有国防科技大学和株洲电力机车 所作准备用于八达岭旅游线, 长达2 km 的低速导磁悬浮; 由西南交通大学研制的应用于成 都城山旅游区的国内第一条磁悬浮列车试验线。不久的将来, “未来号”磁悬浮列车就可以 载着观光游客游览, 让国人亲身体验一下“飞”起来的滋味;另外还有铁道科学研究院, 在 磁悬浮技术研究方面也已初具规模。（如图6）图6 我国研制成功的磁悬浮列车 有人说：“磁浮列车是自大约 200 年前斯蒂芬森的火箭号蒸汽机车问世以来铁路 技术最惊人的突破” 。磁悬浮技术是一项高科技集成技术, 它不光应用于磁悬浮铁路, 还可 以有其他方面的应用。可以预期, 随着磁悬浮技术的不断普及, 更多的应用产品将会不断出 现。