磁悬浮列车为什么能够高速运行

摘要：磁悬浮列车是一种能够高速运行的列车，主要利用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”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。由于其几乎没有轮、轨之间的摩察，故能够实现高速运行。

关键词：同名相吸 异名相斥  磁悬浮  高速运行

1．磁悬浮列车发展的背景

    21世纪，随着经济的持续快速发展和社会飞速进步、已经并将继续产生极大的高速客运交通需求。高速磁浮交通系统由于有着很高的经济运行速度，不仅适合于相距数百公里至一千多公里的交通枢纽之间的大运量快速客运交通，而且还适合于相距数十公里至数百公里的中心城市与附近重要城市之间的现代大容量高速客运交通系统，除此之外还具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点，基于上述需求及其自身优势，磁悬浮列车应运而生。

2.磁悬浮列车高速运行的原理

   2.1车身以及轨道的设计

磁悬浮列车车头采用流线型构造，没有大的起伏和尖锐的棱角。流体在流线型物体表面主要表现为层流，没有或很少有湍流这保证了物体受到较小的阻力.车头车窗是减速玻璃，减速玻璃在与车体接触的边缘处有弧度变形，正因为这个弧度可以使车外景物在透过弧度时发生变形，从而使得车内乘客不至于因为车速过快而有恐慌的感觉，起到了产生减速的视觉效果。并且在挡风玻璃边缘都有渐淡的点状黑色装饰边，同样也起到了一定的效果。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置，对于利用磁铁吸引力使车辆浮起来的磁悬浮列车，用的是“T”形导轨，车辆的两侧下部向导轨的两边环抱。在车辆的下部的内翻部分面上装有磁力强大的电磁铁，导轨底部设有钢板。钢板在上，电磁铁在下。 所谓电磁铁，就是一个金属线圈，当电流流经线圈时，能产生磁力吸引钢板，因而车辆被向上抬举。当吸引力与车辆重力平衡，车辆就可悬浮在导轨上方的一定高度上。改变电流，也就改变磁场强度，使悬浮的高度得到调整。另一种磁悬浮列车，采用相斥磁力使车辆浮起。它的轨道是“U”形的。当列车向前运动时，车辆下面的电磁铁就使埋在轨道内的线圈中感应出电流，使轨道内线圈也变成了电磁铁，而且它与车辆下的磁铁产生相斥的磁力，把车辆向上推离轨道。

2.2高速运行的主要原理

磁悬浮列车利用“同名磁极相斥，异名磁极相吸”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。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，并使导轨钢板的吸引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。通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。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。

稳定性由导向系统来控制。“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。“常导型”磁悬浮列车及轨道电动机的工作原理完全相同。只是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。

3.磁悬浮列车的优越性

3.1是一种绿色环保的交通工具

由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实际的接触，成为“无轮”状态，故其几乎没有轮、轨之间的摩察，运行速度快，能超过500 千米/小时，运行平稳、舒适，易于实现自动控制；无噪音，不排出有害的废气，有利于环境保护；可节省建设经费；运营、维护和耗能费用低；磁悬浮列车可靠性大、维修简便、成本低，其能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪音小，当磁悬浮列车时速达300公里以上时，噪声只有65分贝，仅相当于一个人大声地说话，比汽车驶过的声音还小；由于它以电为动力，在轨道沿线不会排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。

   3.2技术系统的优越性

磁悬浮列车的技术系统主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。由于技术系统有着普通列车所不能及的优越性，因此足以保证它安全高速的运行。

悬浮系统：当前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。

推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。

导向系统：是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。

4.磁悬浮列车未来的发展前景

由于磁悬浮系统以是电磁力完成悬浮、向导和驱动功能的，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是亟待解决的，另外其高速稳定性和可靠性也需要很长时间的运行考验。与此同时，高速轮轨列车要求轨道有很高的平整度, 在高速运行时, 能量消耗大, 铁轨和车轮的磨损很严重, 从而导致维修费用昂贵等系列问题。但从另一方面讲，它有多方面的优点, 如高速, 运输量大, 安全,舒适, 无噪声等。除此之外，它还是一种能带动众多高新技术发展的基础科学，是一种具有极广泛前景的应用科学。因此综合各种因素，就目前而言，磁悬浮的发展是最有潜力，最有发展必要的。

5.参看文献

[1]吴祥明.磁悬浮列车.上海：上海科学技术出版社，2003

[2]林国斌.德国磁悬浮铁路技术.国外铁道车辆，1998,2

[3]王靖满.高速磁悬浮列车的初探.电气化轨道，2003,3

[4]国防科技大学磁悬浮技术组.德国高速磁浮列车关键技术分析。1999,3