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磁悬浮列车的原理及应用班级：1311401姓名：向振佼学号：1131140114摘要：本文对磁悬浮列车进行了简单的介绍，详细地叙述了磁悬浮列车的工作原理以及技术基础。简述当代磁悬浮列车发展的现状。最后，提出了目前磁悬浮列车存在和待解决的问题。关键词：电磁学磁悬浮列车电动式悬浮永磁斥力式悬浮正文：一、磁悬浮列车简介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。准确地说,磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车车厢托起悬浮于空中并进行导向,实现列车在离轨道10mm或100mm的高度快速“飞行”，再利用线性电机驱动列车运行，时速可达到500千米以上,是当今世界最快的地面客运交通工具。因为轨道采用高架方式,所以占地面积很小。与传统铁路相比，磁悬浮列车有以下优点。适于高速运行磁悬浮列车最大特点在于它没有通常的轮轨系统，由于消除了与轮轨之间的接触，不存在由于轮轨摩擦及黏着所造成的诸如极限速度等影响列车运行的问题，速度可达500km／h以上。稳定安全列车运行平稳，能提高旅客舒适度。由于磁悬浮系统采用导轨结构，不会发生脱轨和颠覆事故，提高了列车运行的安全性和可靠性。污染小易维护磁悬浮列车在运行中既不产生机械噪声，也不排放任何废气、废物，对周边环境的污染极小，有利于环境保护，加上磁悬浮列车由于没有钢轨、车轮、接触导线等摩擦组件，可以省去大量维修工作和维修费用。效率高能充分利用能源、获得较高的运输效率。另外，磁悬浮列车可以实现全自动化控制，因此将成为未来最具有竞争力的一种交通工具。二、磁悬浮列车的工作原理及其技术基础1悬浮原理磁浮有3个基本原理：⑴当靠近金属的磁场改变，金属上的电子会移动，并且产生电流；⑵电流的磁效应，当电流在电线或一块金属中流动时，会产生磁场；⑶磁铁间有相互作用，同极性相斥，异极性相吸。通常情况下磁浮是这样工作的：磁铁从一块金属的上方经过，金属上的电子因磁场改变而开始移动(原理⑴)。电子形成回路，所以接着也产生了本身的磁场(原理⑵)。如图1所示，移动中的磁铁使金属中出现一块假想的磁铁。这块假想磁铁具有方向性，因是同极性相对，因此会对原有的磁铁产生斥力。也就是说，如果原有的磁铁是北极在下，假想磁铁则是北极在上；反之亦然。因为磁铁的同极相斥(原理⑶)，让磁铁在一块金属上方移动，结果会对移动中的磁铁产生一股往上推动的力量。如果磁铁移动得足够快，这个力量会大得足以克服向下的重力，举起移动中的磁铁。所以当磁铁移动时，会使得自己浮在金属上方，并靠着本身电子移动产生的力量保持浮力。这个过程就是所谓的磁浮，这个原理可以适用在列车上。如图2，如果在列车的地板上安装一些磁铁，列车一开动(例如，可以收起的充气胎)，就可产生向上的力量。这个时候，列车就像飞机在跑道上加速准备起飞。当向上的力量足够时，就可使得列车离开地面，浮在金属导轨之上10～150mm处，这样列车就可以飞速前进了。如果观察一下列车是怎样行进的，你会发现，虽然同极性会相斥(用以产生浮力)，但异性可以相吸，磁浮列车就是运用这个原理前进的。当列车下方导轨因电子运动而产生浮力的同时，两侧导轨的线路开始通电，产生另一组比列车稍前的磁铁。经过特殊安排，导轨上的南极会靠近列车上的磁北极。由于这股吸力，列车得以往前移动。通过调整导轨两侧的电流，得以让这股吸引磁力恰好落在列车前方。事实上，列车是陷在所谓的磁波或磁场之中。可以想象导轨两侧移动的磁铁产生一股波浪，列车就像骑在这浪头的冲浪者一样(图3)。目前磁悬浮列车应用悬浮原理主要有两种形式：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,如图4所示。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。图4图5②超导磁斥式(EDS)在车辆底部安装超导磁体(放在液态氦储存槽内),在轨道两侧铺设一系列铝环线圈。列车运行时,给车上线圈(超导磁体)通电流,产生强磁场,地上线圈(铝环)与之相切割,在铝环内产生感应电流。感应电流产生的磁场与车辆上超导磁体的磁场方向相反,两个磁场产生排斥力。当排斥力大于车辆重量时,车辆就浮起来。因此,超导磁斥式就是利用置于车辆上的超导磁体,与铺设在轨道上的无源线圈之间的相对运动来产生悬浮力将车体抬起来的，如图5所示。由于超导磁体的电阻为零,在运行中几乎不消耗能量,而且磁场强度很大。在超导体和导轨之间产生的强大排斥力,可使车辆浮起。当车辆向下位移时,超导磁体与悬浮线圈的间距减小,电流增大,使悬浮力增加,又使车辆自动恢复到原来的悬浮位置。这个间隙与速度的大小有关,一般到100km/h时车体才能悬浮。因此,必须在车辆上装设机械辅助支承装置如辅助支持轮及相应的弹簧支承,以保证列车安全可靠地着地。控制系统应能实现起动和停车的精确控制。2导向原理磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向。常导磁吸式导向系统与悬浮系统类似，是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。超导磁斥式导向系统由以下3种方式构成：①在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。这种装置通常采用车辆上的侧向导向辅助轮，使之与导向轨侧面相互作用(滚动摩擦)以产生复原力，这个力与列车沿曲线运行时产生的侧向力相平衡，从而使列车沿着导向轨中心线运行。②在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。③利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8”字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置。3推进原理磁悬浮列车推进系统最关键的技术是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。常导磁吸式磁悬浮采用短定子异步直线电机。在车上安装三相电枢绕组，轨道上安装感应轨。采用车上供电方式。其中TR型快速动车和上海引进的Transrapid06号磁悬浮列车，以及日本的HSST型磁悬浮列车都采用这种形式。超导磁斥式磁悬浮采用长定子同步直线电机。其超导电磁体安装在车辆上，在轨道沿线设置无源闭合线圈或非磁性金属板。作为磁浮装置的超导电磁线圈的采用，为直线同步电机的激磁线圈处于超导状态提供了方便条件。它们可以共存于同一个冷却系统，或者同一线圈同时起到悬浮、导向和推进的作用。高速长定子同步直线电机牵引系统的构成相对复杂。地面牵引系统，供电一个区间(长约30km)区间又分成许多段(约300-1000m)，每段只有列车通过时供电，各段切换由触点真空开关完成。为使列车在段间不冲动，需两组逆变器轮流供电。三、磁悬浮列车的现状目前,国际上有代表性的几种磁悬浮列车有高速常导磁悬浮列车,低速常导磁悬浮列车以及高速超导磁悬浮列车。世界磁悬浮列车技术领域中,日本和德国两个国家占据领先地位。德国现拥有一条长34.5km哑铃式的载人磁悬浮列车试验线,其最高运行速度可达450km/h,载客时车速则为420km/h。目前,该条试验线上运行的磁悬浮列车是最新研制成功的TR-08型磁悬浮列车,它从启动到加速、减速直至停车绕试验线两圈不到10min,平均速度为300km/h,人们乘坐时没有丝毫不舒服的感觉。日本在研制低速常导磁悬浮系列HSST之外,着重探索高速超导磁悬浮。目前已建成一条长度为18.4km的超导磁悬浮列车试验线,其最高运行速度可达到550km/h。我国也掌握了磁悬浮列车的关键技术,比较有影响力的有国防科技大学和株洲电力机车所合作准备用于八达岭旅游线,长达2km的低速常导磁悬浮;由西南交通大学研制的应用于成都青城山旅游区的国内第一条磁悬浮列车试验线。四、磁悬浮列车存在和待解决的问题尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点,但仍然存在一些不足:(1)由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的,断电后磁悬浮的安全保障措施,尤其是列车停电后的制动问题仍然有待解决。其高速稳定性和可靠性还需考验。(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低,因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。(3)超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大,冷却系统重,强磁场对人体与环境都有影响。此外还有工程上的问题。首先,磁浮铁路的造价十分昂贵，据估计每千米造价约需3～4亿人民币。其次,磁浮铁路无法利用既有的线路,必须全部重新建设。参考文献：1、赵文华、陈熙谋《电磁学（新概念物理教程）》（第二版），2006-12高等教育出版社2、刘琳《磁悬浮技术与磁悬浮列车》，《现代物理知识》，2004-5-183、彭晓平《磁悬浮列车的原理及技术基础探讨》，《内江科技》，2006-8-304、张金平、张奕黄《磁悬浮列车的原理及现状》，《交通科技》，2002-12-125、陆一娣《磁悬浮列车的原理及应用》，《现代物理知识》，2009-12-186、徐安,李永善.磁悬浮技术在德国的发展.城市轨道交通研究,2001(2)7、HiroshiYOSHIOKA(Japan).DynamicPerformanceofMLX01CaronYamanashiMagneticLevitationTestLine.GUOWAITIEDAOCHELIANGFOREIGNROLLINGSTOCK2000Vol.37No.058、田晓岑,张萍.磁悬浮列车原理简介.大学物理期刊.2000,19(8)