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磁懸浮列車工作原理 自1825年世界上第一條標準軌鐵路出現以來，輪軌火車一直是人們出行的交通工具。然而，隨著火車速度的提高，輪子和鋼軌之間產生的猛烈沖擊引起列車的強烈震動，發出很強的噪音，從而使乘客感到不舒服。由于列車行駛速度愈高，阻力就愈大。所以，當火車行駛速度超過每小時300公里時，就很難再提速了。 如果能夠使火車從鐵軌上浮起來，消除了火車車輪與鐵軌之間的摩擦，就能大幅度地提高火車的速度。但如何使火車從鐵軌上浮起來呢？科學家想到了兩種解決方法：一種是氣浮法，即使火車向鐵軌地面大量噴氣而利用其反作用力把火車浮起；另一種是磁浮法，即利用兩個同名磁極之間的磁斥力或兩個異名磁極之間磁吸力使火車從鐵軌上浮起來。在陸地上使用氣浮法不但會激揚起大量塵土，而且會產生很大的噪音，會對環境造成很大的污染，因而不宜采用。這就使磁懸浮火車成為研究和試驗的的主要方法。 當今，世界上的磁懸浮列車主要有兩種“懸浮”形式，一種是推斥式；另一種為吸力式。推斥式是利用兩個磁鐵同極性相對而產生的排斥力，使列車懸浮起來。這種磁懸浮列車車廂的兩側，安裝有磁場強大的超導電磁鐵。車輛運行時，這種電磁鐵的磁場切割軌道兩側安裝的鋁環，致使其中產生感應電流，同時產生一個同極性反磁場，并使車輛推離軌面在空中懸浮起來。但是，靜止時，由于沒有切割電勢與電流，車輛不能產生懸浮，只能像飛機一樣用輪子支撐車體。當車輛在直線電機的驅動下前進，速度達到80公里／小時以上時，車輛就懸浮起來了。吸力式是利用兩個磁鐵異性相吸的原理，將電磁鐵置于軌道下方并固定在車體轉向架上，兩者之間產生一個強大的磁場，并相互吸引時，列車就能懸浮起來。這種吸力式磁懸浮列車無論是靜止還是運動狀態，都能保持穩定懸浮狀態。這次，我國自行開發的中低速磁懸浮列車就屬于這個類型。 “若即若離”，是磁懸浮列車的基本工作狀態。磁懸浮列車利用電磁力抵消地球引力，從而使列車懸浮在軌道上。在運行過程中，車體與軌道處于一種“若即若離”的狀態，磁懸浮間隙約1厘米，因而有“零高度飛行器”的美譽。它與普通輪軌列車相比，具有低噪音、低能耗、無污染、安全舒適和高速高效的特點，被認為是一種具有廣闊前景的新型交通工具。特別是這種中低速磁懸浮列車，由于具有轉彎半徑小、爬坡能力強等優點，特別適合城市軌道交通。 德國和日本是世界上最早開展磁懸浮列車研究的國家，德國開發的磁懸浮列車Transrapid于1989年在埃姆斯蘭試驗線上達到每小時436公里的速度。日本開發的磁懸浮列車MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨縣的試驗線上創造出每小時550公里的世界最高紀錄。德國和日本兩國在經過長期反復的論證之后，均認為有可能于下個世紀中葉以前使磁懸浮列車在本國投入運營。 磁懸浮列車運行原理 磁懸浮列車是現代高科技發展的產物。其原理是利用電磁力抵消地球引力，通過直線電機進行牽引，使列車懸浮在軌道上運行（懸浮間隙約1厘米）。其研究和制造涉及自動控制、電力電子技術、直線推進技術、機械設計制造、故障監測與診斷等眾多學科，技術十分復雜，是一個國家科技實力和工業水平的重要標志。它與普通輪軌列車相比，具有低噪音、無污染、安全舒適和高速高效的特點，有著“零高度飛行器”的美譽，是一種具有廣闊前景的新型交通工具，特別適合城市軌道交通。磁懸浮列車按懸浮方式不同一般分為推斥型和吸力型兩種，按運行速度又有高速和中低速之分，這次國防科大研制開發的磁懸浮列車屬于中低速常導吸力型磁懸浮列車。 磁懸浮列車的種類 磁懸浮列車分為常導型和超導型兩大類。常導型也稱常導磁吸型，以德國高速常導磁浮列車transrapid為代表，它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車懸起，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右。常導型高速磁懸浮列車的速度可達每小時400～500公里，適合于城市間的長距離快速運輸。而超導型磁懸浮列車也稱超導磁斥型，以日本MAGLEV為代表。它是利用超導磁體產生的強磁場，列車運行時與布置在地面上的線圈相互作用，產生電動斥力將列車懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達每小時500公里以上。這兩種磁懸浮列車各有優缺點和不同的經濟技術指標，德國青睞前者，集中精力研制常導高速磁懸浮技術;而日本則看好后者，全力投入高速超導磁懸浮技術之中。 德國的常導磁懸浮列車 常導磁懸浮列車工作時，首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道兩側的繞組發生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側向距離，實現輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調整系統得以保證的。此外由于懸浮和導向實際上與列車運行速度無關，所以即使在停車狀態下列車仍然可以進入懸浮狀態。 常導磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就象是同步直線電動機的勵磁線圈，地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用，它就象同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道，當作為定子的電樞線圈有電時，由于電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣，當沿線布置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時，由于電磁感應作用承載系統連同列車一起就象電機的“轉子”一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態下，列車可以完全實現非接觸的牽引和制動。 日本的超導磁懸浮列車 超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料制成的超導線圈構成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。 超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體并構成感應動力集成設備，而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側，車輛上的感應動力集成設備由動力集成繞組、感應動力集成超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時，就會產生一個移動的電磁場，因而在列車導軌上產生磁波，這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車前進。其原理就象沖浪運動一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動他快速前進的。與沖浪者所面對的難題相同，超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此，在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據探測儀傳來的信息調整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運行。 超導磁懸浮列車也是由沿線分布的變電所向地面導軌兩側的驅動繞組提供三相交流電，并與列車下面的動力集成繞組產生電感應而驅動，實現非接觸性牽引和制動。但地面導軌兩側的懸浮導向繞組與外部動力電源無關，當列車接近該繞組時，列車超導磁鐵的強電磁感應作用將自動地在地面繞組中感生電流，因此在其感應電流和超導磁鐵之間產生了電磁力，從而將列車懸起，并經精密傳感器檢測軌道與列車之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時，與懸浮繞組呈電氣連接的導向繞組也將產生電磁導向力，保證了列車在任何速度下都能穩定地處于軌道中心行駛。 。
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切開的電動機
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"磁懸浮的構想是由德國工程師赫爾曼·肯佩爾于1922年首先提出的。磁懸浮列車包含有兩項基本技術，一項是使列車懸浮起來的電磁系統，另一項是用于牽引的直線電動機。 直線電動機的原理早在18世紀末就已經出現，形象地說，是把圓形旋轉電機剖開并展成直線型的電機結構。它依靠鋪在線路上的長定子線圈極性交錯變化的電磁場，根據同極相斥異極相吸的原理進行牽引。 在肯佩爾的主持下，經過漫長的研究，德國于1971年造出了世界上第一臺功能較強的磁懸浮列車。 磁懸浮列車按懸浮方式又分為常導型及超導型兩種。常導磁懸浮列車由車上常導電流產生電磁吸引力，吸引軌道下方的導磁體，使列車浮起。常導型技術比較簡單，由于產生的電磁吸引力相對較小，列車懸浮高度只有8到10毫米。這種車以德國的ＴＲ型磁懸浮列車為代表。 超導磁懸浮列車由車上強大的超導電流產生極強的電磁場，可使列車懸浮高達100毫米。超導技術相當復雜，并需屏蔽發散的強磁場。這種車以日本山梨線的MLX型車為代表。 磁懸浮的優勢與劣勢 優 勢 速度高 常導磁懸浮可達400—500公里／小時，超導磁懸浮可達500—600公里／小時輪軌高速的最高運營速度一般認為不宜超過400公里／小時。磁懸浮的高速度使其在1000至1500公里的距離范圍可與航空競爭。 能耗低 據德國資料，在300公里／小時的速度下，磁懸浮比ＩＣＥ3高速輪軌能耗少28%。 維修少 磁懸浮列車屬于無磨損運行，要維修的主要是電氣設備。隨著電子工業的發展，器件可靠性將不斷提高。 無污染 采用電力驅動，無需燃油，無有害氣體排放。此外還有噪音小（在速度較低時極明顯）、乘坐舒適、爬坡能力強、通過的曲線半徑小、加速減速快等優點。 劣 勢 風險大 在工程應用中沒有實例可供借鑒，所以風險很大。德國建成的31。5公里長的試驗線，原計劃投資1。5億馬克，后來包括研究經費在內，竟追加至7。8億馬克。柏林—漢堡線1997年預算為89億馬克，第二年就追加10%，達到98億馬克。1999年重新核算表明，起碼還要增加30億馬克。造價昂貴及沒有經濟效益是導致該工程下馬的直接原因。1998年8月，在全程270公里的悉尼—堪培拉線競標中，德國提出的磁懸浮方案，投標價格比法國的TGV高速輪軌還要低，但澳大利亞出于對風險的考慮，最后還是選擇了TGV高速輪軌技術。 不兼容 無法與既有鐵路聯網是磁懸浮的另一大劣勢，這使它只能適用于點對點的直通客流。 此外磁懸浮還有運量小、不便擴容、難于進入市中心等缺點。 不應把兩者對立起來 擬議中的京滬高速鐵路是上高速輪軌好，還是上磁懸浮好，針對這一問題西南交通大學的沈志云、錢清泉院士提出了自己的觀點。他們認為不應把磁懸浮高速列車與輪軌高速列車在京滬線上對立起來。 由于目前缺乏商業運營線的經驗，達到工程實用尚需相當時日，而京滬客貨分線及修建客運專線的任務迫在眉睫，因此在接受記者采訪時，兩位院士提出了上述觀點。 他們表示，京滬間上輪軌高速，并不影響將來磁懸浮技術成熟時在別的線路上上磁懸浮高速列車。我國必須重視高速磁懸浮技術的研究開發，但不能把在京滬線立刻上磁懸浮作為目標，否則就會欲速則不達。 從世界范圍來說，高速磁懸浮技術尚未成熟，目前國外沒有一條商業運營線可供參考，許多技術問題難以判斷，各種看法差別很大。在這種背景下，我國京滬線能否采用高速磁懸浮技術也眾說紛紜。比較一致的看法是，至少在15年內，即在第一條商業化磁懸浮鐵路成功運營一段時間以前，無法得出肯定的結論。 我國研究開發這項技術，即使是在引進技術（目前尚無成熟技術可以引進）的基礎上研究開發，要達到工程和商業運營的要求，至少也需要15年甚至25年的時間。所以，在這期間，京滬間上輪軌技術的可行性論證也應不受將來是否上磁懸浮技術的影響。 沈志云、錢清泉認為，比較現實的選擇是采用兩條腿走路的辦法，一方面盡快修建京滬輪軌高速鐵路，另一方面著手建立高速磁懸浮的研究基地，修建試驗線，研究試制我國自己的磁懸浮列車，在達到工程應用的要求后，再來選擇修建磁懸浮鐵路的區間。中國幅員遼闊，人口眾多，像這種區間還是很多的，絕不是只有京滬一線。 西南交通大學是我國最早參與磁懸浮研究的單位之一，早在若干年前即已研制出能乘坐4人的低速磁懸浮車。 適合我國國情的選擇 中科院院士嚴陸光是我國發展高速磁懸浮技術的熱心支持者之一。他認為，我國需要發展高速磁懸浮列車，就在于它最適合于我國高速客運專線網的發展。理由主要有以下三點： 1． 我國幅員遼闊，人口眾多。目前考慮的主要客運專線（京滬1320公里，京廣港澳2550公里，哈大940公里，徐州寶雞1030公里，浙贛940公里，京沈703公里，滬杭194公里）大多在1000公里以上。500公里／小時的磁懸浮列車比300公里／小時的高速輪軌列車在旅客選擇民航或鐵路中具有顯著的優越性。 2． 我國至今尚無客運專線，高速客運網的形成大約需半個世紀的持續努力，恰恰成為我們在交通領域實現技術跨越發展、發揮后發優勢、后來居上的重要機遇。雖然高速磁懸浮技術不如高速輪軌技術成熟，但只要我們統一認識，下定決心，認真抓緊工作，完全可能在近期內即達到成熟，并付諸實施 3． 高速磁懸浮體系的發展將帶動當前眾多高新技術前沿的發展，這些高新技術本身又將為新興產業的形成和經濟發展起著重要的作用。 與傳統鐵路不兼容一直是磁懸浮技術的軟肋及引起爭論的焦點之一。而嚴陸光認為，作為一種新型交通工具，高速磁懸浮和輪軌鐵路只能像汽車、飛機、輪船一樣通過換乘來兼容。對于由此導致的運量減少問題，嚴陸光指出，在運量方面，從目前日本高速磁懸浮線的運量目標看，單向10000人／小時的運量確實還不大，但他認為這是任何一種新技術與傳統技術比較時通常遇到的情況。"。