磁悬浮列车的磁悬浮列车的悬浮、制导及驱动方式
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发布时间：2022-04-23 00:40
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时间：2023-10-05 07:15
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）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。下面介绍常导磁吸式（EMS）和超导磁斥式 （EDS）列车的具体运行原理。
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2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3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。 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。 ——美国圣迭戈：美国通用原子公司在圣迭戈建造了一条长120米的磁悬浮轨道，目的是为联合太平洋铁路公司将要在洛杉矶建造的一条8公里的运载线路提供测试。
——德国埃姆斯兰县：Transrapid拥有31.5公里的轨道，定期运行的速度最高达420公里每小时。
——日本JR磁浮：日本研发的超导体磁浮列车由东海旅客铁道（JR东海）和铁道总合技术研究所（JR总研）主导。首列实验列车JR-Maglev MLX01从1970年代开始研发，并且在山梨县建造了五节车厢的实验车和轨道。在2003年12月2日最高速达到581km/h（361 mph）。在2015年更创下了603/h的速度，创下有车厢车辆的陆地极速。
——美国联邦运输管理局（FTA）城市磁浮技术示范（UMTD）计划
——中国西南交通大学：2003 年,西南交大在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。 ——日本东部丘陵线
——中国上海磁浮示范运营线
——韩国仁川机场磁悬浮线 ——美国佐治亚州：Powder Springs：AMT Test Track
——日本 ：东京-名古屋-大阪 *新干线
——中国长沙：长沙中低速磁浮线
——中国北京：S1 号线 1971年：西德，Prinzipfahrzeug，90 km/h
1971年：西德，TR—02（TSST）—164 km/h
1972年：日本，ML100，60 km/h，（载人）
1973年：西德，TR04，250 km/h（载人）
1974年：西德，EET—01，230 km/h（无人）
1975年：西德，Komet，401.3 km/h（由蒸汽火箭推进，无人）
1978年：日本，HSST—01，307.8 km/h（由蒸汽火箭推进，日产汽车制造，无人）
1978年：日本，HSST—02，110 km/h（载人）
1979年12月12日：日本，ML—500R，504 km/h（无人）第一次突破500 km/h
1979年12月21日：日本，ML—500R，517 km/h（无人）
1987年：西德，TR—06，406 km/h（载人）
1987年：日本，MLU001，400. km/h（载人）
1988年：西德，TR—06，412.6 km/h（载人）
1989年：西德，TR—07，436 km/h（载人）
1993年：德国，TR—07，450 km/h（载人）
1994年：日本，MLU002N，431 km/h（无人）
1997年：日本，MLX01，531 km/h（载人）
1997年：日本，MLX01，550 km/h（无人）
1999年：日本，MLX01，548 km/h（无人）
1999年：日本，MLX01，552 km/h (载人/5辆编组) 吉尼斯世界纪录认可
2003年：中国，Transrapid SMT（德国提供技术所建设，第一条商业运行路线），501.5 km/h
2003年：日本，MLX01，581 km/h（载人/3辆编组）吉尼斯世界纪录认可
2015年: 日本，L0，590 km/h（载人/7辆编组）
2015年4月: 日本，L0，603 km/h（载人/7辆编组） 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100mm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1000km/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）按悬浮技术，磁悬浮列车按悬浮方式有电磁吸引式悬浮(EMS)和永磁力悬浮(PRS)及感应斥力悬浮(EDS)两种。 高速磁悬浮在全球的推广之路异常坎坷，但是，中低速磁悬浮线路却另辟蹊径，相关推广大有燎原之势。
第一个国家是日本。2005年3月6日建成名古屋市区通向爱知世博会会场的磁悬浮线路，全长约9公里，全程无人驾驶，最高时速为100公里。
第二个国家是韩国。韩国磁悬浮的发展过程经历了独立研发（1985年—1993年）、对外合作（1994年—1998年）和商业化尝试（1999年至今）3个阶段。2014年7月，韩国仁川国际机场至仁川龙游站磁悬浮线路投入运营，全长6.1公里，列车由韩国自主研发，无人驾驶，最高时速可达110公里。
中国是世界上第三个拥有中低速磁悬浮技术的国家。2000年之后，中国的中低速磁悬浮推广就有多种传言，包括北京八达岭线、成都青城山项目、北京东直门到首都机场线、沪杭磁悬浮线等，但都无疾而终。
奥运会之后，中国的中低速磁悬浮开始加速。2008年5月，唐山客车厂建成了一条1.547公里的中低速磁悬浮列车工程化试验示范线。2012年1月，中国南车株机公司研制的中低速磁悬浮列车下线，最高时速100公里，最大载客600人。
2014年5月16日，长沙高铁站至黄花国际机场磁悬浮工程开工建设，预计2015年年底建成，这是我国第一条完全自主研发的商业运营磁悬浮线。
2015年4月21日，北京中低速磁浮交通线路S1线暴力开工建设。
中国在实现高铁轮轨技术的快速发展，磁悬浮已经被废除。
目前有三种典型的磁悬浮技术：一种是德国发明的电磁悬浮技术，上海磁悬浮列车、长沙和北京在建的磁悬浮列车均应用此类技术；第二种是日本发明的低温超导磁悬浮技术，如日本在建的*新干线磁浮线；第三种是高温超导磁悬浮，与低温超导磁悬浮的液氦冷却（零下269摄氏度）不同，高温超导磁悬浮采用液氮冷却（零下196摄氏度），工作温度得到了提高。
西南交通大学牵引动力国家重点实验室超导技术研究所副教授邓自刚在接受《中国科学报》记者采访时透露，2000年，西南交通大学超导技术研究所教授王家素和王素玉在世界上首先研制成功载人高温超导磁悬浮实验车。但因受经费*，从2001年到2011年的10年时间里，高温超导磁悬浮几乎没有大的应用进展。
北控磁浮公司副总经理武学诗在接受《中国科学报》记者采访时表示，技术的应用不仅会考虑技术的成熟度，还会考虑运营维护等问题。
“相较而言，超导磁悬浮的维护还是比较麻烦。所谓高温超导也只是相对高温，温度还是很低的，在维护方面离实际应用相对较远。而电磁悬浮技术之所以应用较广，是因为在应用的可行性上已经得到了证实。”武学诗说。
采访中，邓自刚承认，目前高温超导磁悬浮技术尚不够成熟，在应用前还需要进行中试线研究。
“德国的电磁悬浮技术，从发明到实现商业化应用，用了66年。日本的低温超导磁悬浮用了45年，我估计高温超导磁悬浮要用30年左右。我们已经研究了16年，所以对于高温超导磁悬浮来说，未来5到10年非常关键。”邓自刚说。
邓自刚表示，目前国际竞争非常激烈。2011年，德国建成了80米的高温超导磁悬浮环形线，今年巴西即将建成200米的实验线。“如果国家的支持和投入再不跟上，我国的高温超导磁悬浮技术必定会被国外赶超。”
《中国科学报》 (2014-05-28 第4版 综合) 所谓真空磁悬浮，就是在一个真空的钢管里面铺设磁悬浮线路，然后让列车在真空管道中跑。由于没有了空气阻力乘客不能逃生，真空磁悬浮时速可达3000—4000万公里，能耗不到民航客机的二分之一，而噪音、废气排放接近于零。
中国专家张耀平与美国约翰·霍普金斯大学，均提出了真空磁悬浮方案。
通常情况下，民用飞机的空中巡航速度在每小时850公里左右，对于超过18000公里以上的旅行，乘坐飞机耗费的时间与经济成本是比较高，并会因为排放污染环境。真空磁悬浮的提出就是为了竞争这个盈利。
中国西南交通大学的张耀平教授主持的“真空管道高速磁浮交通基础研究项目编号50678152）”，2007年获得了国家自然科学基金项目的支持。张耀平已经调入陕西省西京学院，专门组建了真空管道运输研究所，正全力推进这一“运输体系。
2014年5月7日，西南交通大学科研人员称，现已搭建全球首个真空管道超高速磁悬浮列车原型试验平台，希望通过建造真空环境，减少空气对磁悬浮列车的阻力。
西南交通大学牵引动力国家重点实验室超导技术研究所副教授邓自刚在接受《中国科学报》记者采访时表示，目前研制的高温超导磁悬浮实验线采用环形结构，以实现循环加速，线路总长45米，弯道半径为6米，直线电机驱动段为3米。实验车在载人情况下最高速度可达25公里/小时，低压真空环境下为50公里/小时。
邓自刚表示，这辆新实验车被命名为“超级磁悬浮”，采用高温超导磁悬浮车技术。超高速磁悬浮车主要是考虑到未来在真空管道中的超高速应用。25公里/小时的速度主要受实验场地和线路所限，如果是长距离直线，且在低压环境中，速度设计会高得多。不过，真空管道超导磁悬浮的应用要在高温超导磁悬浮商业化之后才有可能。
《中国科学报》 (2014-05-28 第4版 综合)
