磁懸浮列車克服重力原理簡(jiǎn)析

蔣林洲

摘 要：磁懸浮列車是一種新型的高速有軌地面運(yùn)輸工具，具有高速、節(jié)能、清潔等優(yōu)點(diǎn)。本文通過發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)原理、懸浮方式、推進(jìn)方式等四個(gè)方面介紹磁懸浮列車的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其克服重力的技術(shù)原理。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車；重力；常導(dǎo)型；超導(dǎo)型；直線電機(jī)

在科技創(chuàng)新成為發(fā)展新動(dòng)能的今天，磁懸浮技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航天航空、醫(yī)療器械等方面。磁懸浮作為一種新穎的交通運(yùn)輸工程技術(shù)，最為大家所熟知，磁懸浮技術(shù)在磁懸浮列車、磁懸浮軸承等方面有著巨大的影響。本文主要研究磁懸浮列車如何克服重力，可以幫助中小學(xué)生更好的理解磁懸浮技術(shù)的原理。

1 磁懸浮列車的發(fā)展現(xiàn)狀

目前主流的磁懸浮列車有：高速常導(dǎo)，低速常導(dǎo)以及高速超導(dǎo)三種體制磁懸浮列車。高速常導(dǎo)磁浮車的典型代表是德國研制TR系列；低速常導(dǎo)磁浮車的典型代表是日本研制的HSST系列；高速超導(dǎo)磁浮車的典型代表是日本研制MLU系列。從建設(shè)里程，以及新技術(shù)的應(yīng)用來看。日本和德國兩國由于技術(shù)儲(chǔ)備時(shí)間，商業(yè)運(yùn)營驗(yàn)證時(shí)間長，擁有最先進(jìn)的懸浮技術(shù)，兩個(gè)國家在專利擁有量，轉(zhuǎn)化技術(shù)以及可靠性等方面有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位，同時(shí)建設(shè)里程也較長。我國也掌握了磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)，上海磁浮線尚無自有技術(shù)，但進(jìn)展迅速。至2015年10月自有技術(shù)磁懸浮線路長沙磁浮線成功試車。其技術(shù)主要在于中低速磁浮運(yùn)營線。2018年可以投入商業(yè)運(yùn)行的磁浮列車由中車株洲電力機(jī)車有限公司研制成功?？梢灶A(yù)期，隨著磁懸浮技術(shù)的不斷商業(yè)化和成熟化，我國將出現(xiàn)更多的商業(yè)磁懸浮線路。

2 技術(shù)原理

簡(jiǎn)單來說，就是同性相斥，異性相吸的電磁原理，用同名磁鐵之間的斥力平衡機(jī)車自身的自重，讓車輛保持懸浮在空氣中的狀態(tài)，一般來說，車與磁軌之間二點(diǎn)距離很小，在1cm以內(nèi)，這樣不僅可以忽略地面帶來的摩擦力，同時(shí)加速度更大，還能避免機(jī)車與軌道之間產(chǎn)生的內(nèi)能消耗，延續(xù)機(jī)車的使用壽命。

磁懸浮列車應(yīng)用中的三個(gè)主要機(jī)理在于：1）由電磁感應(yīng)效應(yīng)通過近距離非接觸，磁場(chǎng)感應(yīng)并形成電流；2）通過加電使線圈產(chǎn)生磁效應(yīng)，暫時(shí)的成為一塊磁鐵；3）利用異名磁間的反斥力，也就是同極相斥，異極相吸。當(dāng)磁鐵從一塊金屬導(dǎo)體上方經(jīng)過時(shí)，磁鐵會(huì)改變導(dǎo)體內(nèi)部的電子排列，磁場(chǎng)改變電子定向移動(dòng)形成電流，接著變產(chǎn)生了自身的磁場(chǎng)，也就是電流的磁效應(yīng)。在磁鐵定向移動(dòng)的過程中，若這塊磁鐵有清晰的方向性，便可實(shí)現(xiàn)兩塊磁鐵的同名磁極相斥的情況，繼而會(huì)對(duì)磁鐵產(chǎn)生磁力，因?yàn)閮蓧K磁鐵的斥力而產(chǎn)生斥力，結(jié)果便會(huì)對(duì)上方移動(dòng)中的磁鐵產(chǎn)生一股向上的支持力，如果磁鐵的移動(dòng)速度越快，這個(gè)支持力足以克服移動(dòng)中的向下的重力，舉起移動(dòng)中的磁體，所以磁懸浮列車運(yùn)動(dòng)的根本就是列車下方的磁體進(jìn)行快速移動(dòng)時(shí)，會(huì)使自身浮在金屬導(dǎo)軌上方，并靠著本身電子移動(dòng)產(chǎn)生的力保持懸浮狀態(tài)。

3 懸浮方式

常見的磁懸浮方式分為上方吸引原理的（EMS）和下方排斥原理的（EDS）兩種。其磁場(chǎng)力施加的對(duì)象相同，只是相對(duì)位置不同，都與重力平衡。

常導(dǎo)磁吸式（EMS），顧名思義，即采用了常加電的導(dǎo)體，利用一直存在的電磁間的相互作用，同時(shí)將裝在車輛的測(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵通電，它與磁鐵導(dǎo)軌上的天然磁極相互作用，在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生的吸引力將車輛浮起，此時(shí)，根據(jù)靜力學(xué)基本原理，車廂與地面之間的大小是由于吸引力引起，因此與其大小成反比，同時(shí)根據(jù)載客人數(shù)不同，直流電機(jī)需裝配較高的功率，必須精確到控制電磁鐵中的電流大小，考慮能量效率和同時(shí)減小摩擦，車廂與導(dǎo)軌之間的高度在商業(yè)磁懸浮立車中大致保持在10mm左右，通過在車廂裝配氣隙傳感器，傳感器通過采集的數(shù)據(jù)來進(jìn)行系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，這種懸浮方式車成本低廉，廣泛應(yīng)用于磁懸浮列車軸承上。

而超導(dǎo)磁懸浮列車技術(shù)則依賴于電動(dòng)磁浮方式，采用了新型超導(dǎo)材料，將其置于液態(tài)存儲(chǔ)槽中，軌道旁敷設(shè)有一系列的輔助裝置，再敷設(shè)一系列磁環(huán)線圈，列車運(yùn)行時(shí)通過給車上的線圈使之產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，再利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生一個(gè)反向磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生的相互斥力大于機(jī)車的重力時(shí)，車廂便會(huì)整個(gè)處于懸浮的狀態(tài)，由于超導(dǎo)材料的電阻理論上為0，再運(yùn)行過程中幾乎不消耗能量，故產(chǎn)生的能量幾乎會(huì)全部用在列車前進(jìn)所需的能量上，因此必須在車輛上裝進(jìn)機(jī)械輔助的支撐裝置，當(dāng)輔助支撐輪與相應(yīng)的彈簧支承，以保證列車的安全運(yùn)行與著地，此外，列車所搭載的控制系統(tǒng)主要作用為對(duì)啟動(dòng)與制動(dòng)進(jìn)行精確控制。

4 推進(jìn)方式

磁懸浮列車動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，在于通過電磁力將列車懸浮至一定的高度，達(dá)到機(jī)車車輪與導(dǎo)軌的物理非接觸，由于無接觸，無法形成摩擦力的必要條件，故不需要克服它們之間的摩擦力，也就不需要產(chǎn)生普通的牽引力使車輛前進(jìn)。

直線電機(jī)的原理是從旋轉(zhuǎn)電機(jī)發(fā)展而逐漸形成的。它的基本構(gòu)成和作用原理與普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)類似，將旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿半徑方向切開，其剖面圖就形成了直流電機(jī)，這種改變導(dǎo)致了磁場(chǎng)的變化。于是作用力的形式也發(fā)生了變化，其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。

直線同步電機(jī)隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了技術(shù)固化的階段。目前在超導(dǎo)磁斥式磁懸浮鐵路上多采用直線同步電機(jī)。處于超導(dǎo)狀態(tài)下的導(dǎo)體理論可保持通電狀態(tài)。其安裝方式在于將超導(dǎo)電磁體安裝在車輛上，由于楞次定律電磁在軌道沿線兩側(cè)設(shè)置不加點(diǎn)的閉合回路磁性線圈，或者采用非磁性金屬平行板。當(dāng)磁懸浮列車運(yùn)行時(shí)，其中的超導(dǎo)電磁體與地面閉路線圈或非磁性金屬板時(shí)發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，感應(yīng)電磁力而產(chǎn)生對(duì)機(jī)車的排斥力，這個(gè)排斥力使車體浮起。在磁懸浮列車上采用直線電機(jī)，分為兩種基本形式：

（1）長轉(zhuǎn)短定式。將電機(jī)的固定部分置于車輛的底部，活動(dòng)部分線圈置于軌道上稱之為長轉(zhuǎn)短定式；

（2）長定短轉(zhuǎn)式。和上述不同，此種方式是將電機(jī)的活動(dòng)部分線圈安裝在車輛上，固定部分線圈置于軌道上。

直線電機(jī)的原理是：當(dāng)固定部分線圈接入回路通過電流后，由于線電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，為切割磁力線提供了先決條件，運(yùn)動(dòng)方向上，沿軌道方向平行移動(dòng)，活動(dòng)部分中的線圈切割磁場(chǎng)產(chǎn)生電流，即感應(yīng)電流，或直接給活動(dòng)部分線圈通電流，活動(dòng)部分線圈與固定部分處于相互的磁場(chǎng)中，受電磁力作用固定部分和活動(dòng)部分間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，最終的結(jié)果就是列車產(chǎn)生位移，即推動(dòng)列車前進(jìn)。推進(jìn)力的大小的影響因素，取主要來自于固定部分磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、活動(dòng)部分線圈的電流以及線圈的匝數(shù)設(shè)置等因素。

同步異步電機(jī)的區(qū)別在于，兩者活動(dòng)部分速度與固定轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)速度是否同步上，如果活動(dòng)部分的旋轉(zhuǎn)速度與固定部分旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是同步，那就叫同步電機(jī)，如果是不同步的，就叫做異步電機(jī)。在磁懸浮鐵路上，道路是相對(duì)靜止的，因此將直線電機(jī)的固定部分設(shè)置在地面上，由于機(jī)車是運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)部分放置在車輛上。其運(yùn)動(dòng)部分選擇活動(dòng)部分或者固定部分，都依據(jù)不同形式的直線電機(jī)來確定。考慮到在實(shí)際應(yīng)使用環(huán)境的非理想性，直線電機(jī)的固定部分和活動(dòng)部分進(jìn)行了特殊的錯(cuò)位設(shè)計(jì)，在錯(cuò)位的情況下列車行進(jìn)過程中，使長的那一級(jí)相對(duì)盡可能地長，以此保證在所需行程范圍內(nèi)，保持一種較為理想的電磁耦合狀態(tài)，從而在全過程中獲得最大的推進(jìn)力。初始能量轉(zhuǎn)換效率為：

5 小結(jié)

本文總結(jié)了主要磁懸浮技術(shù)國家的現(xiàn)有技術(shù)，其原理上均通過磁場(chǎng)的排斥力將機(jī)車在軌道上舉起，同時(shí)將軌道與機(jī)車隔離一定的高度空間，保證無摩擦運(yùn)行，對(duì)產(chǎn)生斥力的原理進(jìn)行了分析，主要的原則是在跟隨運(yùn)動(dòng)的過程中，一直有相反的極性存在，使得斥力隨動(dòng)，而機(jī)車的運(yùn)行過程需要克服的主要阻力來自于空氣阻力，由于懸浮于軌道上要求的距離精確性，需要軌道保持極高的平整度，以及較大的轉(zhuǎn)彎半徑，作為機(jī)車安全運(yùn)行的技術(shù)保障。

通過控制通電電流的大小，以及磁場(chǎng)的周期，可以控制磁場(chǎng)施力的大小，控制機(jī)車在初始加速階段，平動(dòng)階段，以及減速階段，有與之相匹配的動(dòng)力，磁懸浮列車的技術(shù)發(fā)展和對(duì)磁場(chǎng)磁力的認(rèn)識(shí)與進(jìn)步相關(guān)，隨著利用磁力的能力提升，對(duì)磁泄露的技術(shù)水平的提升，可以提高能量轉(zhuǎn)化的效率，實(shí)現(xiàn)磁懸浮列車的商業(yè)化普及運(yùn)營。

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