大学物理论文

大学物理论文院系：信息电子技术学院班级：电气工程及其自动化3班姓名&学号：何世坦15109641630朱祺：15109641523游高冲：15109640801超导磁悬浮列车信息电子技术学院电气工程及其自动化3班何世坦：15109641630朱祺：15109641523游高冲：15109640801摘要：超导磁悬浮列车是利用超导磁体使车体上浮，通过周期性地变换磁极方向而获取推进动力的列车。超导磁浮列车除速度快之外，还具有无噪音、无震动、省能源的特点，有望成为21世纪交通工具的主力。关键词：超导磁悬浮列车引言：磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不需接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度可达每小时500公里以上，比轮轨高速列车的300多公里还要快。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。1970年以后，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、日本等发达国家以及中国都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。原理：把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的，超导悬浮列车就是一例。让列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿轨道“飞行”的速度可达500公里/小时。高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区(零下196度以上)出现，超导悬浮的装置更为简单，成本也大为降低。我国的西南交通大学于1994年成功地研制了高温超导悬浮实验车。1911年荷兰科学家翁纳斯在测量低温下水银电阻率的时候发现，当温度降到零下269度附近，水银的电阻竟然消失了！图1复制了当时的实验曲线。电阻的消失叫做零电阻性。所谓“电阻消失”，只是说电阻小于仪表的最小可测电阻。也许有人会产生疑问：如果仪表的灵敏度进一步提高，会不会测出电阻呢？用“持久电流”实验可以解决这个问题。由正常导体组成的回路是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗，即电能转化为热。这样，如果没有电源不断地向回路补充能量，回路中的电能在极短时间(以微秒计)里全部消耗完，电流衰减到零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量，电流可以持续地存在下去。工作原理磁悬浮列车利用“同极相斥，异极相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。日本JR磁悬浮MLX01-2实验车由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。种类:1.常导磁吸式(EMS)利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。2.超导磁斥式日本磁悬浮铁路ML系统使用低温超导技术。它用液氮作为冷冻液，当线圈绕组达到-269摄氏度的温度时车载线圈绕组即进入超导状态。为了提高磁悬浮车辆上超导材料的稳定性，日本使用铌钛合金作为线圈绕组材料。日本超导磁悬浮系统的悬浮力来自于车辆两侧。在导轨两侧的侧壁上，排列着一组组的导向绕组。当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮绕组中产生感应电流和感应磁场。控制每组悬浮绕组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同同而产生斥力，使得车辆悬浮起来。由于导轨产生的悬浮磁场为感应磁场，列车运行速度越高则悬浮力越大。当列车运行速度低于120km/h之后，所产生的悬浮力较小，不足以支撑车辆悬浮。故当运行速度低于120km/h时，日本的超导磁悬浮车辆需依靠安装在转向架底部的车轮支撑行驶。悬浮列车前行的原理:磁悬浮列车的高速前进也是利用电磁体间的磁力完成的。简单的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁铁。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。具体地讲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。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。同时，列车的稳定由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。总结：作为一种新型高速交通类工具，超导磁悬浮列车已经融入到我们的生活之中。它在我们的生活中扮演者重要的角色，学习好它的结构和工作原理，能让我们更加深入对超导现象和超导磁悬浮列车的理解，使我们更好的发展并改造，使人们的生活得到更大的便捷。参考文献《高速磁悬浮牵引供电系统》王力天，李正鹏著《电学与磁学》凯尔·柯克兰德著；王瑶译