从磁极的相互作用到磁悬浮列车

从磁极的相互 作用到磁悬浮列 车

磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同 性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁 具有抗拒地心引力的能力，即“磁性 悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统 上，使列车完全脱离轨道而悬

浮行驶， 成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。 磁

悬浮列车优点： 磁悬浮列车总的 来说，磁

悬浮列车具有高速，低噪音， 环保，经济和舒适等特点。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。磁 悬浮列车从北京运行到上海，不超过 4个小时，从杭州至上海只需2 3分 钟。在时速达2 0 0公里时，乘客几 乎听不到声响。磁悬浮列车采用电力 驱动，其发展不受能源结构，特别是 燃油供应的限制，不排放有害气体。 据专家介绍，磁悬浮线路的造价只是 普通路轨的8 5%，而且运行时间越 长，效益会更明显。因为，磁悬浮列 车的路轨寿命可达80年，而普通路 轨只有6

0年。磁悬浮列车车辆的寿 命是35年，轮轨

列车是20至25 年。此外，磁悬浮列车的年运行维修 费仅为总投资的1 .2%，而轮轨列

车高达4．4%。磁悬浮高速列车的 运行和维修成本约是轮轨高速列车的 1／4。磁悬浮列车和轮轨列车乘客 票价的成本比约为1：

2.8。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。

磁悬浮列车的发展史 : 德国曾在

80年代于柏林铺设磁悬浮列车系统。 该系统设有三个车站，长度 1.6 公里， 用的是无人驾驶列车，于 1989年8月开 始试验载客， 1991年7月正式服务。由 于政治原因，柏林

墙倒塌，该线于运 行两月后改为普通轮轨列车行走 . 英 国的伯明翰国际机场曾于 1984年至 1995年使用低速磁悬浮列车，全长 600 米。由于可靠性的问题，该线后来也 改用单轨列车行走 .2000 年，中国西南 交通大学磁悬浮列车与磁浮技术研究 所研制成功世界首辆高温超导载人磁 悬浮实验车。德国的

Transrapid 公司 于2001年于中国上海浦东

国际机场至 地铁龙阳路站兴建磁悬浮列车系统， 并于 2002年正式启用。该线全长 30公 里，列车最高时速达 430公里，由起点 至终点站只需八分钟。参见上海磁浮 示范运营线。 2003 年，四川成都青山 磁悬浮列车线完工，该磁悬浮试验轨 道长 420米，主要针对观光游客，票价 低于出租轿车费。日本现在的山梨县 试验线使用低温超导磁铁，可容纳更 大的缝隙，该线列车的最高速度达每 小时580公里，成为世界纪录。最近， 中国成功研制一种新技术 ------------------- 永磁技 术MAS-3其造价比德国及日本的技术 还要低.2005年5月，中国自行研制的 “中华06号”吊轨永磁悬浮列车于大 连亮相，据称其速度可达每小时 400公 里。 2005年9月，中国成都飞机公司开 始研制CM型“海豚”高速磁悬浮列车， 最高时速 500公里，预计会于 2006年7 月在上海试行。但到 目前为止还没有 消息公布。 2006年4月30日，中国第一 辆具有自主知识产权的中低速磁悬浮 列车，在四川成都青城山一个试验基 地成功经过室外实地运行联合试验。 磁悬浮列车的分

类： (1) 按电磁铁种 类 磁悬浮列车根据所采

用的电磁铁 种类可以分为常导吸引型和超导排斥 型两大类。常导吸引型常导吸引型磁 悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导 磁体，用气隙传感器来调节列车与线 路之间的悬浮间隙大小，在一般情况 下，其悬浮间隙大小在10

mm左右， 这种磁悬浮列车的运行速度通常在300?500 km / h范围内，适合于城际 及市

郊的交通运输。超导排斥型 超导 排斥型磁悬

浮列车是利用超导磁铁和 低温技术，来实现列车与线路之间悬 浮

运行，其悬浮间隙大小一般在 100 mm 左右，这种磁悬浮列车低速时并不悬 浮，当速度达到100 km / h时才悬浮起 来。它的最高运行速度可以达到 1 000km／h， 当然其建造技术和成本 要比常导吸引型磁悬浮列车高得多。

(2) 按悬浮方式 磁悬浮列车按悬浮方 式有电磁吸引式悬浮 (electromagnetic suspen—sion，EMS)和永磁力悬浮 (permanent repulsivesuspension ， PRS)

及感应斥力悬浮 (electrody ．namics

suspension ， EDS、。 EMS 该方式利 用

导磁材料与电磁铁之间的吸引力， 绝大部分悬浮采用此方式。 PRS 这是 一种最简单的方案，利用永久磁铁同 极间的斥力，一般产生斥力为 0．1 MPa。其缺点为横向位移的不稳定因 素。 EDS 依靠励磁线圈和短路线圈的 相对运动得到斥力，所以列车要有足 够的速度才能悬浮起来，大约为 100 km／h， 它不适用于低速。

(3) 按列车的驱动方式长转子、短定子 异步直

线电机驱动 这种电机的 “定子” 安装在车辆的底部， “转子”线圈安装在 轨道上。它适合于低速运行。长定子、 短转子同步直线电机驱动 此方式是 将电机的 “转子 ”线圈装在车辆上， “定 子”线圈装在轨道上。它适合于高速运 行。

磁悬浮列车的原理： (1) 悬浮原理 磁浮有 3个基本原理。 第一个原理是当 靠近金属的

磁场改变，金属上的电子 会移动，并且产生电流。第二个原理 就是电流的磁效应。当电流在电线或 一块金属中流动时，会产生磁场。通 电的线圈就成了一块磁铁。磁浮的第 三个原理我们就再熟悉不过了， 磁铁 间会彼此作用， 同极性相斥， 异极 性相吸。现在看看磁浮是如何作用的： 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 一)。电子形成回路，所以接着也产生 了本身的磁场 (原理二)。图1以最简单 的方式来表达这个过程，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 (原理三)，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。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。事实上，列车经过特别 的设计，使得车厢在离地面 10? 150mm 处。这样列车就可以飞速前进 了。从以上的讨论可以发现磁浮列车 的第一个优点。因为没有轮子和铁轨， 它就没有轮轨间的摩擦力所造成的能 量损失。如此一来，就少了一个传统 列车的主要能量损耗来源。理论上， 就只剩下风阻会影响列车的行车速度 了。如果观察一下列车是怎样行进的， 就可以发现磁浮列车的第二个优点。 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）。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，见图 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 10 mm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。超导磁斥式 （EDS） 此种形式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。现按常导磁吸式和 超导磁斥式两种情况简述如下。常导 磁吸式的导向系统 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 的导向系统 可以采用以下 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。

磁悬浮列车面临困难： 磁悬浮列车 虽然具

有这么多的好处，但到目前为 止，世界上只有上海浦东磁悬浮铁路 真正投入商业运营。尽管日本和德国 已经有了实验路线，尽管2 0 0 5年 上海浦东机场到市区3 0公里长的线 路将投入正式运营，但磁悬浮列车要 想如同现今的普通轮轨式铁路那般， 成为民众日常交通工具，似乎还遥遥 无期。那么，究竟是什么原因呢？ 首先是安全方面。由于磁悬浮系统必 须辅之以电磁力完成悬浮、导向和驱 动，因此在断电情况下列车的安全就 不能不是一个要考虑的问题。此外， 在高速状态下运行时，列车的稳定性 和可靠性也需要长期的实际检验。还 有，则是建造时的技术难题。由于列 车在运行时需要以特定高度悬浮，因 此对线路的平整度、路基下沉量等的

要求都很高。而且，如何避免强磁场 对人体及环境的影响也一定要考虑 到。 参加修建上海磁悬浮快速列

车的电力专家介绍，敷设在磁浮工程 全线的电缆，是德国进口的一种普通 铝芯制高压电缆，受电后将产生20 KV高压。专家提醒有关部门，要注 意工程沿线周围施工安全，并加强对 沿线电缆的保护力度，以防止意外事 故发生。

即便有解决以上技术难

题的手段，但是又牵涉到另外一个问 题——