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1、对磁悬浮在未来生活中运用的分析11151032 王语凡在闲暇时间， 我比较喜欢用阅读来打发时间与陶冶情操，在这些年里多多少少也阅读了一些现代人对于未来的幻想与展望，而其中出现频率最高的就是磁悬浮，似乎大家在潜意识里都认为在几百年或千年后，人们的主要出行用交通工具就是磁悬浮机车，就像如今的私家车一样，也有人说，在未来，演员用的威压会用磁悬浮来控制，可上可下可左可右，方便使用且不易发生事故也不易穿帮。然而，在演示实验室里，我亲眼见到了有关磁悬浮的事实，有在网上所集了一些有关资料后，对于这种观点有着一些与众不同的看法。磁悬浮技术， magnetic suspension technique ，即利用
2、磁场力使物体沿着一个轴或几个轴保持一定位置的技术措施，在科学研究上常应用于航空科技（一级学科） ；飞行控制、 导航、显示、控制和记录系统（二级学科）。然而，在当今世界，对于磁悬浮的主要运用方向集中在磁悬浮列车上。而上海那条磁悬浮就是第一个被吃的螃蟹。一、磁悬浮的历史及现状磁悬浮技术是起源于德国，早在1922 年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934 年申请了磁悬浮列车的专利。1970 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。利用磁力使物体处
3、于无接触悬浮状态的设想是人类一个古老的梦，但实现起来并不容易。 因为磁悬浮技术是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化技术(高新技术)。随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进展，磁悬浮技术得到了长足的发展。磁悬浮技术的系统，是由转子、 传感器、 控制器和执行器4 部分组成， 其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置， 这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号， 然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控
4、制电流在执行磁铁中产生磁力， 从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此， 不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。此外国际上对磁悬浮轴承的研究工作也非常活跃。1988 年召开了第一届国际磁悬浮轴承会议，此后每两年召开一次。1991 年，美国航空航天管理局还召开了第一次磁悬浮技术在航天中应用的讨论会。现在，美国、法国、瑞士、日本和中国都在大力支持开展磁悬浮轴承的研究工作。国际上的这些努力，推动了磁悬浮轴承在工业上的广泛应用。国内对磁悬浮轴承的研究工作起步较晚，尚处于实验室阶段，落后外国约20 年。 1986年，广州机床研究所与哈尔滨工业大学首先对“磁力轴承的开发及其在FMS 中的
5、应用”这一课题进行了研究。此后，清华大学、西安交通大学、天津大学、山东科技大学、南京航空航天大学等都在进行这方面的研究工作。目前在工业上得到广泛应用的基本上都是传统的磁悬浮轴承(需要位置传感器的磁悬浮轴承 )，这种轴承需要5 个或 10 个非接触式位置传感器来检测转子的位移。由于传感器的存在，使磁悬浮轴承系统的轴向尺寸变大、系统的动态性能降低，而且成本高、可靠性低。此外，由于传感器的价格较高，从而导致磁悬浮轴承的售价很高，大大限制了它在工业上的推广应用。二、磁悬浮列车1、技术系统 （1）概述磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝
6、大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。（2）悬浮系统目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS ） 。（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互排斥产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下， 使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨
7、道之间的悬浮间隙为10 毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。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。（EDS ）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS 在机车速度低于大约25 英里 /小时无法保证悬浮。 EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。 超导磁铁是由超导
8、材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。 其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快
9、速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此， 在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。（3）推进系统磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时， 由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样， 当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调
10、幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。（4）导向系统导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似， 也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。2、优点与缺点 （1）优点总的来说，磁悬浮列车具有高速，低噪音，环保，经济和舒适等特点。磁悬浮列车从北京运行到上海，不超过4 个小时，从杭州至上海只需23 分钟。在时速达 200 公里时， 乘客几乎听不到声响。磁悬浮列车采用电力驱动，其发展
11、不受能源结构，特别是燃油供应的限制，不排放有害气体。据专家介绍，磁悬浮线路的造价只是普通路轨的85%，而且运行时间越长，效益会更明显。因为，磁悬浮列车的路轨寿命可达80 年，而普通路轨只有60 年。磁悬浮列车车辆的寿命是35 年，轮轨列车是20 至 25 年。此外，磁悬浮列车的年运行维修费仅为总投资的12%，而轮轨列车高达44%。磁悬浮高速列车的运行和维修成本约是轮轨高速列车的1/4。磁悬浮列车和轮轨列车乘客票价的成本比约为1：28。（2）缺点1.磁悬浮有一大缺点，它的车厢不能变轨，不像轨道列车可以从一条铁轨借助道岔进入另一铁轨。 这样一来， 如果是两条轨道双向通行，一条轨道上的列车只能从一个
12、起点驶向终点，到终点后，原路返回。而不像轨道列车可以换轨到另一轨道返回。因此，一条轨道只能容纳一列列车往返运行，造成浪费。磁悬浮轨道越长，使用效率越低。2.由于磁悬浮系统是凭借电磁力来进行悬浮，导向和驱动功能的，一旦断电，磁悬浮列车将发生严重的安全事故，因此断电后磁悬浮的安全保障措施仍然没有得到完全解决。3.强磁场对人的健康，生态环境的平衡与电子产品的运行都会产生不良影响。3、2006 年，德国磁悬浮控制列车在试运行途中与一辆维修车相撞，报道称车上共29 人，当场死亡23 人，实际死亡25 人， 4 人重伤。这说明磁悬浮列车突然情况下的制动能力不可靠， 不如轮轨列车。 在陆地上的交通工具没有轮
13、子是很危险的。因为列车要从动量很大降到静止，要克服很大的惯性， 只有通过轮子与轨道的制动力来克服。磁悬浮列车没有轮子，如果突然停电，靠滑动摩擦是很危险的。4、磁悬浮列车又是高架的，发生事故时在5 米高处救援很困难，没有轮子，拖出事故 现场困难；若区间停电，其他车辆、吊机也很难靠近。5、磁悬浮列车需要高架，高架梁的挠度必须小于1 毫米，因此，高架桥跨一般要小于25 米，桥墩基础要深30 米以上。由于运行动力学的影响，轨道两侧各100 米内是不允许有其他建筑物的，所以修建磁悬浮列车轨道必将面对其占地多，对环境影响比较大的问题三、我的分析从以上资料我们可以看出，目前磁悬浮技术还不是很完善，主要发展方
14、向，尤其是 磁悬 浮列车 的发 展方向 集中 在德国 的常 导磁悬 浮于 日本的 超导 磁悬浮 或者 还可以包括中国的永磁悬浮。目前的磁悬浮列车的主要种类为常导磁悬浮与超导磁悬浮。常导磁悬浮通过电磁铁之间不断变化的吸力与斥力来带动机车前进，所以无论是否 是未 来注定 了这 种方法 无法 运用于 汽车 否则两 辆车 之间的 复杂 磁场关 系极 有可能导致不断的车毁人亡，而且即使到了终点，能否及时断电姑且不论，能否迅速停车还是问题。毕竟磁悬浮的优点是快，是现代汽车速度的几倍，所以很难停稳，也是一个严重的问题。用电能来驱动还有一个问题便是能源，常导磁悬浮是用电能来驱动的必然问题便是未来煤，汽油，天然
15、气等的全面退役，由此带来的能源更迭，甚至是政治动荡不是一个小问题。 这一系列的问题制定了常导磁悬浮只可能在小范围内使用而非取代汽车成为主要交通方式。超导磁悬浮目前使用的不多，但主要问题也很明显，就是超导体本身的限制，目前的超导材料的“工作范围”相当狭窄，即几K 最多几十K，这意味着正常情况下，超导体的工作范围很受限制，人体无 法忍受如此低的温度意味着超导无法成为日常是能够获得必需品。我无法预测未来是否可能出现常温超导，以及由此引发来的超导磁悬浮， 但很明显有三相交流电的磁场带来脉冲式的磁场推动的车有着与常导磁悬浮相同的缺点，即在路上，不同车辆间的磁场会相互碰撞，相互改变，其结果就是每一辆车都无法到达正常目的地。而且车辆速度过快导致的刹车问题也无法解决。其他种类的磁悬浮我不是很了解，但其结果相似，所以我认为在未来的世界，磁悬浮可能会取代火车的存在，但绝不可能会取代汽车，而成为每家每户的必需品。至于像威压一样更是笑话，磁悬浮的悬浮方位有限，范围也有限，不可能达到威压那种上下左右前后三维空间无障碍移动。综上所述，我认为磁悬浮在未来民生中应用程度不会太大。
