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最新型的磁悬浮列车问世袁 哲（韶关学院外语学院 广东 韶关 512005）磁悬浮列车是一种现代化的高科技交通工具，它通过电磁力来实现列车和轨道之间的无接触悬浮和导向，再利用线性电机驱动列车运行。由于列车在牵引运行时与轨道之间的无磨擦接触，从根本克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，因而具有高速、节能、易拐弯、能爬坡、选线灵活、适应性强、无污染、低噪音、安全、舒适、维修少等许多优点，是人们梦寐以求的理想的陆上交通工具，也是近几十年来各经济大国争相发展的一种新型高速的现代交通工具。一、三类常见磁悬浮列车技术简介磁悬浮技术的研究源于德国，1922年，德国人Hermann Kemper先生提出了电磁悬浮的原理并于1934年申请了世界上第一个磁悬浮列车的专利。进入70年代以后，随着经济的发展，为提高交通运输能力，德国、日本和美国等一些西方国家相继开始筹划磁悬浮运输系统的开发，德国和日本在这方面取得了令世人瞩目的成就。目前，国际上比较成熟的磁悬浮列车有两类：一类是以德国为代表的常导型磁悬浮列车（即EMS制），另一类是以日本MAGLEV为代表的超导型磁悬浮列车（即EDS制）。EMS制磁悬浮列车利用普通直流电磁铁的电磁吸力将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。EMS制磁悬浮技术的缺点是悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求高，而且对悬浮气隙的控制需要用一套复杂的高精度电子调整系统来实现。此外，EMS制由于车体采用抱住轨道的方式，其道岔需要采用机械道岔，存在占地面积大，操作不方便的缺点。另一类是以日本MAGLEV为代表的超导型磁悬浮列车（即EDS制），EDS制悬浮系统利用超导磁体产生的强磁场电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右。但由于悬浮力为磁斥力，磁场发散，磁场对人体与环境会有影响；EDS制选用超导线绕磁体，需用液氦冷却系统，冷却系统重，技术复杂，造价偏高；由于涡流效应，其悬浮能耗较常导技术大。此外，美国也开发出magplane和Urban Maglev磁悬浮列车方案，现已成功地验证了其原理的可行性，建造了1：25的模型车，100 m 长的试验线，进行了五代车数百次试验并建成了用于运输磷酸盐的示范。Magplane和Urban Maglev将铝板敷设于轨道路面，将磁体敷设在车底，利用磁体与铝板作相对运动时产生感应电流及感应磁场的原理（楞次定律）实现列车的悬浮，悬浮气隙在为515毫米之间；Magplane采用整体铝导电板，涡流损耗会较大；此外，车载永磁体吸附磁性杂物的清除尚需研究；Magplane道岔采用电磁道岔，改变了多数磁悬浮列车系统必须机械移动道岔的缺点，若能解决道岔过长的问题，则会有更好的应用前景。不过，就总体而言，目前的磁悬浮列车普遍存在投资大、造价高、轨道路面平整度要求高、技术要求高等缺点。二、新型的磁悬浮列车原理与设计为了克服现有磁悬浮列车普遍存在投资大、造价高、轨道路面平整度要求高、技术要求高等缺点，本人设计了一种悬浮和导向简单、并且节能效果明显的新型磁悬浮列车。该新型磁悬浮列车综合利用德国EMS制的磁吸力原理、日本EDS制的磁斥力原理以及美国magplane和Urban Maglev方案中的悬浮原理。以下具体分析其结构及工作原理：该磁悬浮列车主要有车载悬浮磁体1、悬浮铝板2、推进磁体6、驱动绕组7、车体8和路轨9。该实施例的悬浮铝板2分别敷设在路轨竖直轨道面面上悬浮阵列。其中两列悬浮阵列呈竖直放置，左右各一列，具体来说就是：悬浮铝板2敷设在路轨的两条竖直的平行轨道面壁上，悬浮铝板2与悬浮铝板2左右相向排列，车载悬浮磁体1竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板2之间形成悬浮阵列，车载悬浮磁体1表面积最大的面与悬浮铝板2表面积最大的面相向平行，其磁轴垂直于悬浮铝板表面积最大的面。该悬浮系统和导向系统合二为一，悬浮系统既用于列车悬浮又用于列车导向（如下图1所示）：图1.图中1为车载悬浮磁体、2为悬浮铝板、6为推进磁体、7为驱动绕组、8为车体、9为路轨。车载悬浮磁体1采用铷铁硼等强力永久磁体，也可采用电磁体、超导磁体等。1.悬浮原理：当列车处于整个轨道的正中央运行时，由于车载悬浮磁体1非接触性地插入悬浮铝板2之间，根据磁体与导体作相对运动将在导体内产生感应电流的原理（楞次定律），当车载悬浮磁体1与悬浮铝板2作相对运动时，悬浮铝板2里产生感应电流，感应电流的磁场与车载悬浮磁体1的磁场方向相反，悬浮铝板2与车载悬浮磁体1之间出现磁斥力。在竖直的悬浮阵列中，F1和F3分别代表磁悬浮列车的车载悬浮磁体1和悬浮铝板2相对运动产生的磁斥力，F1和F3沿竖直方向的合力起着列车悬浮的作用，F1和F3沿水平方向的合力起着列车导向的作用。该悬浮列车的悬浮力随列车速度增大而变大，列车在启动时有最低的悬浮速度，因而它有小辅助轮，当列车低于该速度运行时，车体由轮子支撑运行，当列车达到某一个速度时，列车起浮，车速达到两、三百公里，悬浮非常明显，达到四、五百公里，悬浮更高。总之，车速越快悬浮越高。图2.实施方案的悬浮力示意图2.导向原理：当列车处于整个轨道的正中央运行时，列车左悬浮阵列沿水平方向的合力与列车右悬浮阵列沿水平方向的合力都为零。但当列车不处于轨道正中央时，则左右合力不为零。当列车向左偏移时，列车右悬浮阵列的车载悬浮磁体1会向该悬浮阵列的左悬浮铝板靠近而远离该悬浮阵列的右悬浮铝板，此时，F1大于F3，列车右悬浮阵列沿水平方向的合力向右；同样原理可以得出列车左悬浮阵列沿水平方向的合力也向右，这样列车被迫右移。当列车向右偏移时情况正好相反，列车受到沿水平方向的总合力向左，这样列车被迫左移。因此，只有列车在整个轨道的正中央位置时，列车受到沿水平方向的合力才为零，这样就保证了列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。3.推进原理：实施方案的推进系统主要有驱动绕组和推进磁体，该推进系统分两种（即长定子和短定子）：第一种推进系统由轨道路面中间的驱动绕组和列车底部中间的车载推进磁体构成，作为直线电机的定子（即驱动绕组）沿着轨道连续分布，而作为车载推进磁体的转子固定在列车上，推力由轨道上驱动绕组的交流电流产生；该推进系统系统采用分段供电，大约23km为一个供电区，每个供电区通过沿线分布的供电柜供电，使驱动绕组与列车下面的车载推进磁体或者动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动，由于列车推进系统的驱动绕组(定子电枢)安装在路轨上，功率电源放置在地面，用接力的方式驱动车辆运行，运行更加可靠。由于不需要受流轨供电，所以列车运行无须馈电线和集电弓。第二种推进系统由轨道路面中间的推进磁体和列车底部中间的车载驱动绕组构成，推进磁体的定子沿着轨道连续分布，而作为直线电机的转子（即驱动绕组）固定在列车上，推力是由列车驱动绕组的交流电流产生的，驱动绕组与轨道上面的推进磁体或者动力集成绕组产生电感应而驱动列车，由于推进系统的驱动绕组安装在列车上，需要受流轨供电，所以列车运行时需要馈电线和集电弓。4.补充图片车载悬浮磁体示意图3。图中箭头代表磁轴方向，N代表北极，S代表南极，磁轴方向为10由S极指向N极，双箭头11代表磁体的宽度。车载磁体采用片状强力永磁体（或电磁体），永磁体叠加起来构成磁模块并封装在列车底部的磁体柜中。图3. 车载悬浮磁体示意图三、该新型的磁悬浮列车的优势一是技术要求低：由于车载悬浮磁体1是竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板2之间之间形成悬浮阵列，车载悬浮磁体1在列车加速时就会在悬浮铝板2间上浮，在列车减速时就会下降，因此列车的悬浮力是由车载悬浮磁体1与悬浮铝板2作相对运动的速度以及车载悬浮磁体1在悬浮铝板2之间的插入量来决定的。在同一条线路上，列车速度越大则悬浮力越大而插入量越小；速度越小则悬浮力越小而插入量越大。只要列车上用来固定车载悬浮磁体1的竖直底架有一定长度，列车就能够在一个比较大的浮降范围内而能够使底架不会接触路基轨道面，所以该磁悬浮列车对路基下沉量等技术的要求比普通磁悬浮列车低得多。二是悬浮力大：该磁悬浮系统充分利用了同一磁体的N极和S极两个磁极参与悬浮，因而该磁悬浮系统的悬浮力大。三是列车和轨道结构简单，造价低：悬浮系统的路轨面仅为铝板，铝在地球上储量丰富，来源广泛，车载悬浮磁体可采用永磁体，这使得整个悬浮系统和导向系统的结构及原理非常简单，系统可靠性大幅提高，建造更方便，维修更简单。同时，列车的悬浮和导向系统合二为一，不但简化了结构、节省了造价，又能够保证列车在任何速度下都能稳定地处于轨道中心行驶。四是节能环保：悬浮系统和导向系统由于采用铝板和永磁体，其除了涡流损耗外几乎不耗电，只有推进系统耗电。五是安全性高：由于列车的上浮和下降有较大的空间范围，悬浮刚度大，因而安全性能高。同时，该悬浮列车有辅助轮，当驱动电源系统发生故障得停车或者紧急情况或者列车突然失去悬浮力，辅助轮便作为一种保护措施，使列车可以借助辅助轮慢慢停下来，防止车体直接与轨道相撞。而且即使驱动电源系统发生故障或线路停电，列车的惯性运动也能够使车载悬浮磁体与悬浮铝板间产生磁斥力，这种磁斥力是逐渐变小的，因而悬浮力也是逐渐变小的，这样列车不会出现突然失去悬浮力的现象。六是该新型磁悬浮列车的道岔具有结构简单、不占地和操作方便等优点。七是由于该新型磁悬浮列车的车载悬浮磁体主要是插入路轨的悬浮铝板之间，磁场被封闭在路轨竖槽里，不向外散发，所以磁场辐射对路轨沿线居民的伤害小。四、该新型的磁悬浮列车的道岔目前高速磁悬浮列车面临的难点之一就是道岔问题。在本磁悬浮方案中，由于车载悬浮磁体是竖直地非接触性地插入路轨悬浮铝板之间形成悬浮阵列，轨道结构是竖槽型或空心体，车载悬浮磁体在竖槽里运行，所以道岔的结构非常简单。道岔的工作原理如图4和图5所示的道岔俯视图，图中道岔头13的上表面略呈扁长三角形，道岔头13置于道岔口的轨道竖槽里。图4. 道岔俯视图，图中9为路轨、13为道岔头、双箭头14和15为列车运动方向当列车需要按图4中箭头14所示方向的轨道运行时，道岔头13便挡住了所有通往箭头15所示方向的轨道；而当列车需要按图5中箭头15所示方向的轨道运行时，道岔头13便挡住了所有通往箭头14所示方向的轨道。道岔头13在道岔口的移动由电子系统实现自动控制，道岔头13只需在道岔口水平移动，按照图4和图5就是上下移动。例如，把图4所示的所有道岔头水平移动则变成了图5所示的道岔，这时列车沿箭头15所示方向的轨道运行；若把图5所示的所有道岔头平移则变成了图4所示的道岔，这时列车沿箭头14所示方向的轨道运行。图5.道岔俯视图，图中9为路轨、13为道岔头、双箭头14和15为列车运动方向当然道岔头还可以设计成升降式，当列车需要按图4中箭头14所示方向的轨道运行时，道岔头便从竖槽型轨道底部升上来，挡住所有通往箭头15所示方向的轨道；而当列车需要按图4中箭头15所示方向的轨道运行时，则上述所有挡住通往箭头15所示方向轨道的道岔头便下降至竖槽型轨道底部，而用来挡住所有通往箭头14所示方向轨道的道岔头则从竖槽型轨道底部升上来，变成图5所示，反之亦然。毫无疑问，这种结构是既简单便于操作又不占地。道岔头13如下图6所示：图6.道岔头13示意图，2为悬浮铝板五、补充说明1.该发明的车载悬浮磁体主要采用铷铁硼等强力永久磁体，当然不排除采用电磁体、超导磁体等，对推进磁体，中低速以永久磁体为佳，而高速时则可采用电磁体或超导磁体。2.为了防止车载磁体吸附路轨上的微小铁磁物质，可以在每天清晨第一趟列车发车前由专门的铁磁清扫车对路轨进行一次彻底清扫，或者在列车车头的前部加装铁磁清扫器。3.对推进磁体不一定要粘在列车底架上，也可以固定在一个能够径向运动的装置上。该装置为电子调节系统，可以自动调节推进磁体与驱动绕组之间的气隙，保证推进磁体与驱动绕组之间有一个相对稳定的间隙。4.和美国的Magplane和Urban Maglev一样，采用整体铝导电板，涡流损耗会大些，当然对一条线路来说，用电量不是主要的，最主要的是要降低造价。此外，车载磁体如果采用永磁体，则其吸附磁性杂物的清除尚需进一步研究。六、结语新型磁悬浮列车综合利用德国EMS制的磁吸力原理、日本EDS制的磁斥力原理以及美国magplane和Urban Maglev方案中的悬浮原理，将车载悬浮磁体非接触性地插入悬浮铝板之间，利用磁体与铝板作相对运动在铝板内产生感应电流及感应磁场的原理来实现列车的悬浮和导向，其性能比其他磁悬浮系统更为优越，是一种很有发展潜力的新一代磁悬浮列车。延伸阅读（来源网络）：1. 楞次定律：用磁铁（最好是钕铁硼材料的强磁铁）做一秋千，把一铝板（或铜版）放在秋千的下面，如下图所示： 首先证明磁铁和铝板是不相互吸引的，调节摆线的长度，使磁铁与铝板间的距离大约在1cm左右。1、电磁驱动。水平推动铝板，使铝板相对磁铁发生靠近或远离的相对运动，磁铁秋千也随之运动。铝板向右，磁铁也随之向右；铝板向左，磁铁也随之向左。2、电磁阻尼。让磁铁秋千做单摆运动，它将在平衡位置附件持续运动一段时间后缓慢停下来。把铝板放在磁铁秋千的下方，运动的磁铁很快停下来。3、共振。铝板与磁铁秋千相对运动时，铝板对磁铁秋千施加了一策动力，当铝板推动的频率与磁铁秋千的固有频率相同时，秋千摆动的幅度最大。楞次定律的演示如下图所示，将磁铁插入闭合铝环，环后退，抽出磁铁时，铝环跟随运动，说明环内感生电流所产生的磁场，总是反抗两者的相对运动。对不闭合的铝环，由于产生的感生电流较小，观察不到铝环的运动情况。如果在条形磁铁的一端加一块钕铁硼材料的强磁铁，重复上述实验，效果更明显，而不闭合的铝环也会运动，只是现象不如闭合铝环明显而已。实验原理还可以用强磁体从铝管（或铜管）中自由下落来演示。竖直地拿住铝管，分别将永磁圆柱体或铝圆柱体放在铝管的上口释放，使其自由下落。在铝管中会因磁体与铝管间有相对运动而感应出感应电流。感应电流会产生阻碍磁体下落的电磁阻力，磁体除受重力之外还要受到电磁阻力的作用，因此磁体下落一定高度所需要的时间就变长了。而用铝块代替磁体进行实验时，则不会产生电磁感应，没有电磁阻力，因此铝块下落同样高度的时间仅是自由落体时间，它较磁体下落所用时间要短得多。磁体与导体有相对运动时，将在导体内产生涡电流，涡电流的作用将阻碍它们的相对运动，这就是涡电流阻力，即电磁阻力。在振动系统中，这就是电磁阻尼，如电磁秋千。永磁体在铝管中运动，铝管中的涡电流产生的磁场将抵抗磁场的变化，即阻碍磁体的运动。楞次定律演示实验：电磁驱动、电磁阻尼、电磁共振摆用一块铝板做成一个摆,称为电磁驱动、电磁阻尼、电磁共振摆。1.第一步：磁铁与铝板发生靠近与远离的相对运动（电磁驱动）时，铝板随着磁铁的运动而运动，磁铁向左，铝板跟着向左，磁铁向右，铝板跟着向右。分析启发：铝板内可看成无数的闭合回路，当磁铁靠近铝板时，回路中的磁通量增加，感应电流的磁场与原磁场方向相反，铝板与磁铁之间出现排斥力，磁铁驱动铝板前进；当磁铁远离铝板时，铝板中回路的磁通量减少，感应电流的磁场与磁场方向相同，铝板与磁铁之间产生相互吸引力，磁铁继续带动铝板远离