电磁学在工程技术中的应用

电磁学原理在工程技术中的应用尚永军(11)(黑龙江科技学院电气与信息工程学院电气10-6班)摘要:电磁学在我们的生活中应用的十分广泛，电磁学在磁悬浮列车（MAGLEV）上的应用是电磁在工程技术上达到了一个新的高潮。磁悬浮列车是一种新型的高速有轨地面运输系统，开创了铁路运输史上的新时代。论述磁悬浮列车应用电磁学的基本原理，探讨一些有待进一步完善的方面，并给出相关建议，最终对其发展前景作出评价。关键词：磁悬浮，超导，摩擦，常导型，超导型TheprincipleofelectromagnetismapplicationsinengineeringShangYongjun（11）HeilongjiangInsituteofScienceandTechnologyInstituteofelectricalandinformationengineeringelectrical(6)classAbstract：Electromagnetisminourlifeapplicationisveryextensive,electromagnetisminMAGLEVtrain（磁悬浮列车）applicationinengineeringtechnologiesareelectromagneticmetanewhigh.Maglevtrainisanewhigh-speedrailgroundtransportationsystem,pioneeredtherailwaytransportinthehistoryofnewera.Discussesmaglevtrain,thebasicprincipleofapplicationelectromagnetismaboutsomeoftheaspectsshouldbefurtherimproved,andgivescorrespondingSuggestionsfinallythedevelopmentprospectisevaluated.Keywords：Maglev,superconducting,friction,normalconduction，supperconduction0引言：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。磁悬浮列车是目前陆地上最快的交通工具，它被认为是21世纪最有潜力的交通工具。关于它的研究一直处于世界科技领域前沿。1磁悬浮列车的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。1.1磁悬浮列车悬浮原理磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。目前磁悬浮列车依据吸力和斥力可分为两种。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排斥产生悬浮。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。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。（如图日本采用的斥力EDS系统和德国采用的吸力EMS系统）1.2磁悬浮列车推进原理通俗的讲就是，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。超导磁悬浮列车推进系统：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。常导磁悬浮列车推进系统：常导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象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，它就象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象电机的“转子”一样被推动做直线运动。减速：同推进原理相同，当列车需要减速时，就在相当于定子的悬浮电磁铁中通入反向交变电流，这样产生的与列车行进方向相反磁场就会给列车一制动力，使得列车减速。此时加速与减速所用时间相等。另外，如不通入反向电流而今停止供电，一样能达到减速刹车的效果，只是加速度较小。而根据法拉第电磁感应定律，这时轨道线圈会产生感应电流这样就可以回收列车的动能，从而达到节能的目的1.3磁悬浮列车导向原理。车辆的导向是将位于两侧的悬浮线圈和导向线圈分别用电缆相连，当车辆在平面上偏离了导轨中心位置时，系统会自动使得导轨两侧的悬浮线圈和导向线圈的极性相同，并使得偏离侧的地面磁场与车体的超导磁场产生吸力，而靠近侧的地面磁场与车体磁场产生斥力，从而保持车体不偏离导轨的中心位置。（磁悬浮列车运动原理图）2．磁悬浮列车面临的技术问题（1）由于磁悬浮是靠磁力来实现列车悬浮，导向，牵引和制动功能的，虽然列车运行时受到轨道的约束，但列车与导轨之间并无机械接触。因此，如何保证多点后的磁悬浮以及多点后列车的制动是一个很重要的问题。（2）常导磁悬浮列车的悬浮高度较低，月10mm左右，因此在行驶时对轨道的平整性，路基的质量及弯道半径等有较高的要求（3）对超导磁悬浮列车，其涡流效应是悬浮能耗较大，冷却系统重。此外，强磁场对人体和环境都会产生不良影响。3．磁悬浮列车的前景展望随着人类对电磁学就进一步的研究，以及计算机技术、自动控制技术和电子集成技术的发展，磁悬浮列车的技术性能将得到进一步的完善。超导材料和超低温技术的发展使建造磁悬浮列车成本可能大幅下降。作为一种安全、快速、舒适的“绿色交通工具”，随着国际社会对人类赖以生存的地球保护意识的不多加强，磁悬浮列车必将得到不断的普及。参考文献：【1】张三慧、大学物理、北京清华大学出版社【2】丁荣军、机车电传动、南车株洲电力机车研究所有限公司【3】蒋启龙、张昆仑、李嘉，单磁铁悬浮系统的数字控制【J】铁道学报，1999、21（增刊）