磁懸浮列車工作時主要利用了電磁鐵同性排斥異性吸引的基本原理,從而使得列車懸浮在車軌上方,列車在磁力的牽引下高速前行,同時通過設置在車廂兩側的磁鐵自動調整姿勢以避免傾斜。下面以超高速磁懸浮列車為例,看看磁懸浮鐵路需要解決哪幾項技術難題。
▲電磁鐵的選擇。電磁鐵一般分為常導磁鐵和超導磁鐵,常導磁鐵是在常溫下給電導體充電,從而產生電磁力。超導磁鐵是在一定溫度下讓導體的電阻變成零的狀態下,再充電從而產生電磁力。在超導狀態下,由於超導材料的電阻為零,用它製成的繞組一旦施加電流之後,會永不衰竭,可以得到數十倍於永久磁鐵的磁場強度。很明顯超導磁鐵因為沒有電阻,電流通過時不會產生熱量,進而減少了電力的損耗,是一種最理想的電磁鐵。
▲採用直線電機提供牽引力。傳統的電機是圓形的,通過轉子繞著固定軸(定子)旋轉產生電力,而磁懸浮鐵路採用非輪軌接觸的牽引技術,它使用的直線電機沿著軌道一字鋪開,就相當於將圓形電機展開成平面,從而獲得牽引動力。由於車輛上超導磁鐵的磁場方向極性是固定的,因此車輛將隨著地面直線電機磁場的向前移動而前行。
▲磁懸浮列車的驅動技術。一般的電力機車利用受電弓從接觸網接受電力,然後傳送給設在車輛轉向架上的傳統旋轉電機,從而讓車輪與軌道之間產生粘著力進而驅動列車行駛。而磁懸浮列車在每節車輛兩端和兩側均安裝有電磁鐵,通電之後產生磁場N極和S極。通過某種控制手段,使得前方地面磁場與車輛磁場的極性相反而產生牽引力,後面相鄰地面磁場與車輛磁場產生的極性相同而產生推力,使得車輛向前運動。
▲磁懸浮列車的懸浮技術。磁懸浮鐵路比輪軌鐵路的優越性就在於,它利用了電磁鐵同性相斥原理而產生電磁懸浮,將列車懸浮在導軌上方,從而消除了輪軌接觸所產生的摩擦力。
▲磁浮列車的導向技術。傳統的輪軌接觸型鐵路,列車的導向是通過輪緣與鋼軌的相互作用實現的。而磁懸浮鐵路在導軌側壁安裝有懸浮及導向繞組。如果車輛在平面上遠離了導軌的中心位置,則系統會自動在導軌每側的懸浮繞組中產生磁場,並且使得偏離側的地面磁場與車體的超導磁場產生吸引力,靠近側的地面磁場與車體磁場產生排斥力,從而保持車體不偏離導軌的中心位置。
▲磁浮列車的速度控制技術。普通的輪軌列車由司機駕駛,司機可以通過調度中心的指令進行加速、減速或者停車。超高速磁懸浮列車由於速度太快,為保證列車安全準確行駛,對車輛的加速、減速、停車等控制不能依靠司機,必須依靠地面控制中心遠程控制。地面控制中心通過調節變電站送到導軌驅動繞組的電流的周期和大小,改變磁場的強弱,來實現對列車的控制。