科普 超導磁懸浮列車的原理



超導磁懸浮，是利用超導體的抗磁性可以實現磁懸浮。在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，在列車向前行駛時，超導磁體則向軌道產生強大的磁場，並和安裝在軌道兩旁的鋁環相互作用，產生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。高溫超導體在懸浮列車上應用的研究集中在日本。超導在運載上的其他應用可能還有用作輪船動力的超導電機、電磁空間發射工具及飛機懸浮跑道。

磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和排斥力）來推動的列車。由於其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不需接觸地面，因此只受來自空氣的阻力。磁懸浮列車的最高速度可達每小時500公裡以上，比輪軌高速列車的300多公裡還要快。磁懸浮技術的研究源於德國，早在1922年，德國工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，並於1934年申請了磁懸浮列車的專利。1970年以後，隨著世界工業化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發展的需要，德國、日本等發達國家以及中國都相繼開始籌划進行磁懸浮運輸系統的開發。

工作原理磁懸浮列車利用「同極相斥，異極相吸」的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1釐米處，騰空行駛，創造了近乎「零高度」空間飛行的奇蹟。

超導磁懸浮列車

由於磁鐵有同性相斥和異性相吸兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應的形式：一種是利用磁鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統的磁懸浮列車，它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力，使車體懸浮運行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異性相吸原理而設計的電動力運行系統的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側倒轉向上的頂部安裝磁鐵，在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設反作用板和感應鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導軌間保持10—15毫米的間隙，並使導軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮於車道的導軌面上運行。

通俗的講就是，在位於軌道兩側的線圈裡流動的交流電，能將線圈變為電磁體。由於它與列車上的超導電磁體的相互作用，就使列車開動起來。列車前進是因為列車頭部的電磁體（N極）被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體（S極）所吸引，並且同時又被安裝在軌道上稍後一點的電磁體（N極）所排斥。當列車前進時，在線圈裡流動的電流流向就反轉過來了。其結果就是原來那個S極線圈，現在變為N極線圈了，反之亦然。這樣，列車由於電磁極性的轉換而得以持續向前奔馳。根據車速，通過電能轉換器調整在線圈裡流動的交流電的頻率和電壓。

磁懸浮列車穩定性由導向系統來控制。「常導型磁吸式」導向系統，是在列車側面安裝一組專門用於導向的電磁鐵。列車發生左右偏移時，列車上的導向電磁鐵與導向軌的側面相互作用，產生排斥力，使車輛恢復正常位置。列車如運行在曲線或坡道上時，控制系統通過對導向磁鐵中的電流進行控制，達到控制運行目的。

常導型

磁懸浮列車的構想由德國工程師赫爾曼·肯佩爾於1922年提出。「常導型」磁懸浮列車及軌道和電動機的工作原理完全相同。只是把電動機的「轉子」布置在列車上，將電動機的「定子」鋪設在軌道上。通過「轉子」，「定子」間的相互作用，將電能轉化為前進的動能。我們知道，電動機的「定子」通電時，通過電磁感應就可以推動「轉子」轉動。當向軌道這個「定子」輸電時，通過電磁感應作用，列車就像電動機的「轉子」一樣被推動著做直線運動。 上海磁懸浮列車時速430公裡，一個供電區內只能允許一輛列車運行，軌道兩側25米處有隔離網，上下兩側也有防護設備。轉彎處半徑達8000米，肉眼觀察幾乎是一條直線；最小的半徑也達1300米。乘客不會有不適感。軌道全線兩邊50米範圍內裝有目前國際上最先進的隔離裝置。上海磁懸浮列車專線西起上海軌道交通2號線的龍陽路站，東至上海浦東國際機場，專線全長29．863公裡。由中德兩國合作開發的世界第一條磁懸浮商運線2001年3月1日在浦東挖下第一鏟，2002年12月31日全線試運行，2003年1月4日正式開始商業運營。是世界第一條商業運營的磁懸浮專線。這列當今世界上最酷的列車，帶車頭的車廂長27.196米，寬3.7米。中間的車廂長24.768米，14分鐘內能在上海市區和浦東機場之間打個來回。置身其中，您將親身體驗到這架「陸地客機」所帶來的奇異感受。它是21世紀理想的超級特別快車，世界各國都十分重視發展磁懸浮列車。目前，中國和日本、德國、英國、美國都在積極研究這種車。日本的超導磁懸浮列車已經過載人試驗，即將進入實用階段，運行時速可達500千米以上。

超導磁懸浮的原理

列車動能

概述

磁懸浮列車主要由懸浮系統、推進系統和導向系統三大部分組成，儘管可以使用與磁力無關的推進系統，但在目前的絕大部分設計中，這三部分的功能均由磁力來完成。下面分別對這三部分所採用的技術進行介紹。

懸浮系統

目前懸浮系統的設計，可以分為兩個方向，分別是德國所採用的常導型和日本所採用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統（EMS）和電力懸浮系統（EDS）。

（EMS）是一種吸力懸浮系統，是結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互排斥產生懸浮。常導磁懸浮列車工作時，首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁排斥力，與地面軌道兩側的繞組發生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側向距離，實現輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調整系統得以保證的。此外由於懸浮和導向實際上與列車運行速度無關，所以即使在停車狀態下列車仍然可以進入懸浮狀態。

（EDS）將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產生電流。由於機車和導軌的縫隙減少時電磁斥力會增大，從而產生的電磁斥力提供了穩定的機車的支撐和導向。然而機車必須安裝類似車輪一樣的裝置對機車在「起飛」和「著陸」時進行有效支撐，這是因為EDS在機車速度低於大約25英裡/小時無法保證懸浮。EDS系統在低溫超導技術下得到了更大的發展。

超導磁懸浮列車的最主要特徵就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料製成的超導線圈構成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這種特性使其能夠製成體積小功率強大的電磁鐵。

超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體並構成感應動力集成設備，而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側，車輛上的感應動力集成設備由動力集成繞組、感應動力集成超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時，就會產生一個移動的電磁場，因而在列車導軌上產生磁波，這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車前進。其原理就像衝浪運動一樣，衝浪者是站在波浪的頂峰並由波浪推動他快速前進的。與衝浪者所面對的難題相同，超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此，在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據探測儀傳來的信息調整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運行。

推進系統

磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈，地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用，它就像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道，當作為定子的電樞線圈有電時，由於電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣，當沿線布置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時，由於電磁感應作用承載系統連同列車一起就像電機的「轉子」一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態下，列車可以完全實現非接觸的牽引和制動。

導向系統

導向系統是一種測向力來保證懸浮的機車能夠沿著導軌的方向運動。必要的推力與懸浮力相類似，也可以分為引力和斥力。在機車底板上的同一塊電磁鐵可以同時為導向系統和懸浮系統提供動力，也可以採用獨立的導向系統電磁鐵。

磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統組成的新型交通工具，磁懸浮列車分為超導型和常導型兩大類。

簡單地說，從內部技術而言，兩者在系統上存在著是利用磁斥力、還是利用磁吸力的區別。

實用型

2009年6月15日，國內首列具有完全自主智慧財產權的實用型中低速磁懸浮列車，在中國北車唐山軌道客車有限公司下線後完成列車調試，開始進行線路運行試驗，這標誌著我國已經具備中低速磁懸浮列車產業化的製造能力。中低速磁懸浮列車是一種新近發展起來的軌道交通裝備，性能卓越，適用於大中城市市內、近距離城市間、旅遊景區的交通連接，市場前景廣闊。中低速磁懸浮列車利用電磁力克服地球引力，使列車在軌道上懸浮，並利用直線電機推動前進。與普通輪軌列車相比，具有噪聲低，振動小，線路敷設條件寬鬆、建造成本低，易於實施，易於維護等優點，而且由於其牽引力不受輪軌間的粘著係數影響，使其爬坡能力強，轉彎半徑小，是舒適、安全、快捷、環保的綠色軌道交通工具，在各種交通方式中具有獨特的優勢。中低速磁懸浮列車項目是唐車公司與北京控股磁懸浮技術發展有限公司、國防科學技術大學等共同開展的磁懸浮技術工程化應用研發項目，被科技部列入國家「十一五」科技支撐計劃。

2005年7月，首輛中低速磁懸浮工程化樣車在唐車公司問世，並投入試驗運行。

2008年5月，唐車公司建成了長達1.547公裡的國內首條中低速磁懸浮列車工程化試驗示範線，科技部將其確立為國家科技支撐計劃中低速磁懸浮交通試驗基地。

2009年5月13日，國內首列具有完全自主智慧財產權的實用型中低速磁懸浮列車在唐車公司完成組裝，順利下線，並隨即開始進行列車調試。該車在原有工程化樣車基礎上進行了大量實用化改進，整列車為3輛編組模式，由2輛結構相同的端車和1輛中間車組成，運行時速為100到120公裡，首尾車定員為每輛100人，中間車為120人，使用壽命在25年以上。 該車採用鋁合金車體、寬幅車身，供電電壓由直流750伏提高到直流1500伏，噪音低、無輻射、運行安全可靠，爬坡能力達到70‰的水平，更加適合在城市複雜線路運行，並大幅降低了線路建設拆遷成本。

其他類型

利用磁鐵吸引力使車輛浮起來的磁懸浮列車，用的是「T」形導軌，車輛的兩側下部嚮導軌的兩邊環抱。在車輛的下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵，導軌底部設有鋼板。鋼板在上，電磁鐵在下。 所謂電磁鐵，就是一個金屬線圈，當電流流經線圈時，能產生磁力吸引鋼板，因而車輛被向上抬舉。當吸引力與車輛重力平衡，車輛就可懸浮在導軌上方的一定高度上。改變電流，也就改變磁場強度，使懸浮的高度得到調整。另一種磁懸浮列車，採用相斥磁力使車輛浮起。它的軌道是「U」形的。當列車向前運動時，車輛下面的電磁鐵就使埋在軌道內的線圈中感應出電流，使軌道內線圈也變成了電磁鐵，而且它與車輛下的磁鐵產生相斥的磁力，把車輛向上推離軌道。

利用相斥磁力懸浮的列車，一開動很快就可以加速到時速50公裡，跑了50—60米的距離之後，便在軌道上懸浮起來。列車沿著地面越「飛」越快，目前最高可以達每小時550公裡（理論上可以到更高速）。

磁懸浮列車的發展，將使地面交通發生革命性的變化。它速度快，運行安全、平穩舒適、無噪聲，可以實現全自動化運行。

（文章整理自百度文庫）

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