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1、校本课程高二物理2016年3月目录、 前言(3)二、超导技术及磁悬浮列车(4)1磁悬浮列车总概2. 磁悬浮列车是什么3. 磁悬浮列车发展史4. 磁悬浮列车技术基础5. 磁悬浮列车的优势6. 磁悬浮列车存在的问题7磁悬浮列车在中国前言新一轮的中学课程改革正在全国上下如火如图荼地开展。 这场课程改革旨在改变课程过于注重知识传授的倾向.强调形 成积极主动的学习态度.使获得基础知识与基本技能的过程同 时成为学会学习和形成正确价值观的过程。我校在学生全面发展的基础上.注重发展学生的个性特长。 高二物理科组自主开发校本课程.利用学校安排的学习时间开 设校本课程.培养学生的创新能力.成为学校一大办学特色。校
2、 本课程涉及现代科学与技术知识.“现代前沿科技”讲座.使学 生深刻地感受到学有所用.大大提高了学生学习物理的兴趣.拓 展了学生的知识面。超导技术及磁悬浮列车1、磁悬浮列车总概你一定听说过磁悬浮列车吧.最近它的上镜率可是居高不下.大家都在密切地关 注着它的发展态势。我们一直都在盼望着火车的提速.可经过几轮的努力.却总是达 不到心中理想的标准.就拿作者本人来说吧.家住西安.距北京1000多公里.原先回家 要17个小时.现在要14个小时.唉.只减少了区区3个小时.还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时.那么.回家就只需 要不到3个小时.跟飞机差不多了！其实.
3、在本世纪五、六十年代.铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对 航空、高速公路等运输对手的强劲挑战.它蜗牛般的爬行速度.已越来越不适应现代 工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来.特别是近几年.随着铁路 高速化成为世界的热点和重点.铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重 的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里飞速发展。 据1995年举行的国际铁路会议预测.到本世纪末.德国、日本、法国等国家的高速铁 路运营时速将达到360公里。但要使列车在如此高的速度下持续行驶.传统的车轮加钢轨组成的系统.已经无 能为力了。这是因为传统的轮轨粘着式铁路.是利用车
4、轮与钢轨之间的粘着力使列车 前进的。它的粘着系数随列车速度的增加而减小.走行阻力却随列车速度的增加而增 加.当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时.就达到了极限。据科研人员 推算.普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右。如果考虑到噪音、震动、车轮和 钢轨磨损等因素.实际速度不可能达到最大时速。所以.欧洲、日本现在正运行的高 速列车.在速度上已没有多大潜力。要进一步提高速度.必须转向新的技术.这就是超 常规的列车 磁悬浮列车。尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为铁路.但这两个字已经不够贴切了。就拿 铁轨来说.实际上它已不复存在。轨道只剩下一条而且也不能称其为轨道了.因为 轮子并没有从上面
5、滚过。事实上.磁悬浮列车连轮子也没有了。铁路上行驶的这种 超级列车并没有传统意义上的牵引机车.它运行时并不接触地面.只是在离轨道10厘 米的高度飞行。2、磁悬浮列车是什么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。它的时速可达到500公里以上.是当今世界最快的地面客运交通工具.有速度快、 爬坡能力强、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油.污染少等优点。并且它采用 采用高架方式.占用的耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电 磁力将整个列车车厢托起.摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声.实现与地面无
6、接触、无燃料的快速“飞行”。稍有物理知识的人都知道：把两块磁铁相同的一极靠近 它们就相互排斥.反之. 把相反的一极靠近.它们就互相吸引。托起磁悬浮列车的.那似乎神秘的悬浮之力.其 实就是这两种吸引力与排斥力。应用准确的定义来说.磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬 浮于空中并进行导向.实现列车与地面轨道间的无机械接触.再利用线性电机驱动列 车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统.并保留了轨道、道岔和车 辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点.但由于列车在牵引运行时与轨道 之间无机械接触.因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问 题.所以它也许会成为
7、人们梦寐以求的理想陆上交通工具。根据吸引力和排斥力的基本原理.国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以 德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统一一EMS系统.利用常规的电磁铁与一般铁性 物质相吸引的基本原理.把列车吸引上来.悬空运行.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400-500公里.适合于城市间的长距 离快速运输；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统一一EDS系统.它使用超导 的磁悬浮原理.使车轮和钢轨之间产生排斥力.使列车悬空运行.这种磁悬浮列车的 悬浮气隙较大.一般为100毫米左右.速度可达每小时500公里以上。这两个国家都 坚定地认为自己国家的系
8、统是最好的.都在把各自的技术推向实用化阶段。估计到下 一个世纪.这两种技术路线将依然并存。3、磁悬浮列车发展史磁悬浮列车是自大约200年前斯蒂芬森的“火箭”号蒸气机车问世以来铁 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。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、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
9、分别在七八十年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1962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 70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1972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50公里。1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上.最 高速度达到了每小时204公里.到1979年12月又进一步提高到517公里。1982年 11月.磁浮列车的载人试验获得成功。1995年.载人磁浮列车试验时的最高时速达到 411公里。为了进行东京至大阪
10、间修建磁浮铁路的可行性研究.于1990年又着手建设 山梨磁悬浮铁路试验线.首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期.常导和 超导并重.到1977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400公里。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。1978年.决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线.并于1980年开工兴 建.1982年开始进行不载人试验。列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300
11、公里.1984年又进一步增至400公里。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1973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。1984年4月.伯明翰机场至 英特纳雄纳尔车站之间一条600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90秒钟。令人遗憾的是.在1995年.这趟 一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了 11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。4、磁悬浮列车技术基础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.见图3。尽管
12、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。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。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）。图4给出了两种系 统的结构差别。磁悬浮导向悬浮电磁悬浮系统（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 的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时.首先调整车辆下部的悬浮和 导向电磁铁的电磁吸力.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
13、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。电力悬浮系统（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
14、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
15、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。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
16、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。通俗的讲就是.在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电.能将线圈变为电磁体。 由于它与列车上的超导电磁体的相互作用.就使列车开动起来。列车前进是因为列车 头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引.并且同 时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时.在线圈里流 动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈.现在变为N极线圈了. 反之亦然。这样.列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速.通过电 能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。推进系统可
