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1、磁悬浮列车综述论磁悬浮技术原理，问题创新及现状一. 磁悬浮列车的起源磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。不 同于传统列车利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进。磁悬浮列车运行时与轨道保持 10mm或者100mm的间隙，从根本上克服了传统列车轮轨黏着限制、机械噪声和磨损等问题, 是一种新型的运载工具，其时速远远超过传动列车。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年Hermann Kemper先生就提出了电磁悬浮原理, 并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入70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、口
2、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。根据当时轮轨极限速度的理论, 科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这 一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。这种认识引起许多国家的科研部门的 兴趣，但后来都中途放弃，冃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。德国开发的磁悬浮列车Transrapid T 1989年在埃姆斯兰试验线上达 到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV (Magnetical 1 y Levitated Trains) 于1997年12月
3、在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高记录。徳国和日本两 国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入 运营。二、磁悬浮列车的种类磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以徳国高速常导磁浮 列车Transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气 隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里，适 合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以FI本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生 的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电
4、动斥力将列车悬起，悬浮气 隙较大，一般为100亳米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺 点和不同的经济技术指标，徳国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则看 好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。三. 工作原理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 别对这三分所采用的技术进行介绍。1. 悬浮系统冃前悬浮系统的设计，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）
5、。图4给出了 两种系统的结构差别。（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 生气隙吸引力1.5厘米左右常导磁悬浮列午工作时，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 道Z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。（RDS）将磁铁使
6、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”时进行有效支撐，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耍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。TOMMKLinear Motor原理图解超导
7、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市动力集成绕组、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吋,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
8、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。2. 推进系统磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撐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冇 电吋，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
9、实现非接触的牵引和制动。3. 导向系统导向系统是一种测向力來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。四磁悬浮列车的优势，存在的问题及创新作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟 的优势：第一，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第二，磁悬浮列车 速度高，常导磁悬浮可达到400500km/h,超导磁悬浮可达到500600km/h。第三，磁悬浮 列车能耗低，据日木研究与实际试验的结果，在同为500km
10、时速下，磁悬浮列车每作为公立 的能耗仅为飞机的1/3。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速道道400km时，其每座位公里 能耗与时速300km的高速轮轨列车持平：而当磁悬浮列车时速也降到300km时，它的每座位 公里能耗可比轮轨铁路低33%o尽管磁悬浮列车技术上有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：1、由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保 障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是耍解决的重要问题。其高速稳定性和可靠性还 盅要很长时间的运行考验。2、常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方 面的要求较超导技术更高。3、超导磁悬浮技术
11、由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，对冷却系统的要求高，强 磁场对人体与环境都有影响。此外还有工程上的问题。首先，磁悬浮铁路的造价十分昂贵，每公里造价约需34亿人 民币。其次，磁悬浮铁路无法利用已有的铁路，必须全部重新建设。由于磁悬浮列车与常规 铁路在原理、技术等方面完全不同，因此难以在原有设备的基础上进行利用和常规改造。第二，磁悬浮技术的应用磁悬浮技术主要应用在运载技术上，它不仅能够用于地面运载，也可以用于海上运载, 还能用于垂直发射，如美国就在实现用磁悬浮技术发射火箭。磁悬浮在直线驱动、低温超导、 电力电子、计算机控制与信息技术、更疗等多个领域都有极重要的价值。概括地说，它既是 一种能带动
12、众多高新技术发展的基础科学，乂是一种具有极广泛前景的应用技术。第三，创新要点传统列车是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的，它的粘着系数随着列车的速 度增加而减少，走行阻力随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走形阻力曲 线的交点吋就达到了极限。磁悬浮列车采用了无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统，减少了 噪音、振动、车轮和钢轨的磨损，故能达到更加高更加稳定的运行速度。磁悬浮列车的悬浮 系统，驱动系统和导向系统都是新型技术。五、创新技法磁悬浮列车的发明使用了变元发明法、形态分析法和信息交合法等创新技法。五.中国磁悬浮技术发展现状进入新世纪，业内专家们分析认为，我国小低速磁悬浮技术“理论
13、研究上已经达到或者 接近国际先进水平，差距主要在工程化”。中国科学院院士严陆光多次上书国务院指出，在技术已经比较成熟的情况下，应抓紧推动磁 悬浮技术的工程化和应用，以占领行业和产业的制高点。反之，我们将可能丧失在该技术领 域的优势地位。为了推进中低速磁悬浮列车技术工程化研发，科技部将其列入了 “十一五”科技支撐计划重 点项目。“发展高端产业，是北京产业发展的战略方向。而科技，正是促进产业结构优化升级的重要 着力点。”北京市科学技术委员会副主任朱世龙说。在磁浮列车技术研发及工程化所涉行业 和领域的国内17家优势资源单位中，北京占6家，约占工程量的40%。努力建设多功能综合性国际大都市的北京，攫住
14、了这个制造业发展不可多得的机遇，成为加 速中低速磁悬浮列车技术工程化的重要推手。自2001年开始，北京市科委先后4次立项持续支持中低速磁悬浮交通系统的产业化。“中 低速磁悬浮列车轨道交通系统技术及工程化研发”重大科技项目是其中关键一役。通过这个 项目，建成了中低速磁浮列车长沙试验线和试验基地，长沙磁浮工程线路示意图 完成了唐山1. 547公里试验线,建立 了中低速磁浮列车工程化研究、设计、生产、建设体系和知识产权保护体系。项目主持单位 北京控股磁悬浮技术发展有限公司为首的工程化体系掌握了中低速磁浮列车核心技术和系 统集成技术。2002年11月22日，由德国制造的磁悬浮列车第一次全程驶过了世界上
15、首条投入商业运行上海浦东机场至龙阳路的磁悬浮列车线全程29. 863km的线路,耗吋仅8分钟。但这种设计吋速达430公里，风驰电掣般的新型交通方式迎来的并不只有叫 好声。因为造价高，使用的关键技术并非来自本土一一我国的科研人员既没有设计权，也不 能擅自修改设计，有人称这是“依靠德国技术买来的喝彩”。“和上海的磁悬浮列车相比，我国这种口产的中低速磁悬浮列车具有完全口主知识产权。实 现国产化后，可大幅度降低车辆造价。”北京控股磁悬浮技术发展有限公司高级工程师丛春 水博士介绍。儿年前，当磁悬浮列车首次奔驰在中国大地上的时候，种种热议甚至是批判人们还记忆犹新。 值得庆幸的是，儿年后，在中低速磁悬浮列车
16、的问题上，中国没有遭遇“科技殖民”，而是 口己通过口主技术扼住了 “必然选择”的咽喉，我国具备完全自主知识产权的中低速磁悬浮 交通系统的产业化实施能力己经形成。【结论】磁悬浮列车的出现，是发明者们充分的利用创新技法，在原有的传统的列午的基础 上通过创新改变产生的新型的运载工具。磁悬浮列车通过悬浮技术，大大的增加了列车的行 驶速度，拥有很好的前景，但是在现在的现实情况看来，想大规模的使用还有一定的难度。 经过不断事件与实验，相信不久之后在科学家的努力之下，当磁悬浮列车的成本降低到能够 大规模使用的情况下，磁悬浮列车肯定会走进我们的生活。【致谢】感谢刘景军老师的教导，老师在前面辛苦的讲课，才让我们对新型城市轨道交通有 了一定的了解，老师辛苦了。
