磁懸浮列車(chē)的原理分析

鄧明達(dá)

摘 要：在技術(shù)的發(fā)展下，磁懸浮列車(chē)開(kāi)始進(jìn)入到人們的生活中，磁懸浮列車(chē)運(yùn)行速度可以達(dá)到500km/h，牽引不會(huì)受到輪軌因素的限制，能耗低，噪聲低，還具備線路適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)污染、安全舒適的優(yōu)勢(shì)，是交通業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象。本文主要針對(duì)磁懸浮列車(chē)的原理進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車(chē)；原理；運(yùn)行方式

磁懸浮列車(chē)是根據(jù)磁鐵同性相斥、異性相吸的原理而設(shè)計(jì)的，它依靠電磁吸力或電磁斥力將列車(chē)懸浮于空中，經(jīng)由線性電機(jī)對(duì)列車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)行駛，雖然仍然被人們稱為陸上的交通工具，但已經(jīng)摒棄了列車(chē)和地面軌道的機(jī)械接觸，擺脫了傳統(tǒng)列車(chē)車(chē)輪和車(chē)軌的黏著限制，再?zèng)]有機(jī)械噪音的產(chǎn)生和車(chē)輪與車(chē)軌等的磨損產(chǎn)生，因摩擦而產(chǎn)生的阻力消失，能夠?qū)崿F(xiàn)列車(chē)的高速甚至超高速運(yùn)行。

1 磁懸浮列車(chē)的應(yīng)用原理

磁懸浮列車(chē)根據(jù)磁鐵異性相吸的原則設(shè)計(jì)制造了電磁懸浮系統(tǒng)。這種系統(tǒng)讓機(jī)車(chē)上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的磁鐵車(chē)軌處于異性相吸的狀態(tài)從而引起列車(chē)發(fā)生懸浮現(xiàn)象。列車(chē)在水平方向與垂直方向均與車(chē)軌無(wú)機(jī)械接觸還因?yàn)殡姶盼εc地面軌道兩側(cè)的繞組之間有相互的反作用力從而造成機(jī)車(chē)側(cè)向與軌道也無(wú)機(jī)械接觸。當(dāng)磁懸浮列車(chē)高速運(yùn)行的時(shí)候，高精度的電子調(diào)整系統(tǒng)可以保證磁懸浮列車(chē)與軌道之間的懸浮縫隙不會(huì)產(chǎn)生變化，并且此種縫隙的大小與列車(chē)的導(dǎo)向無(wú)關(guān)，因而實(shí)現(xiàn)列車(chē)在停車(chē)狀態(tài)下的磁懸浮狀態(tài)不變。

磁懸浮列車(chē)也可以采用電力懸浮系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的空中懸浮。機(jī)車(chē)在導(dǎo)軌上運(yùn)行的時(shí)候如果使用了磁鐵將會(huì)產(chǎn)生電流，機(jī)車(chē)和導(dǎo)軌的縫隙越小，電磁的斥力越大，這種電磁斥力的產(chǎn)生可以支撐列車(chē)產(chǎn)生空中的懸浮。

由超導(dǎo)材料制成超導(dǎo)線圈可以制備體積小但功率強(qiáng)大的電磁鐵。這種超導(dǎo)電磁鐵在特定的低溫條件下具有完全導(dǎo)電性能，其電阻為零，完全支持強(qiáng)大電流的導(dǎo)通。超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)上會(huì)安裝超導(dǎo)磁鐵和感應(yīng)動(dòng)力的集成設(shè)備。車(chē)軌的電磁線圈所具備的磁極和列車(chē)上超導(dǎo)磁鐵的磁極是相同的，根據(jù)同性相斥的磁鐵規(guī)則，強(qiáng)大的斥力會(huì)把機(jī)車(chē)懸浮在空中。

2 磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行方式

磁懸浮列車(chē)懸浮起來(lái)的原理我們已經(jīng)知道了，它又是如何推進(jìn)的呢？

一般來(lái)講，交流電可以驅(qū)動(dòng)列車(chē)軌道兩邊的線圈使之成為電磁鐵。當(dāng)電磁鐵和列車(chē)上的電磁鐵發(fā)生相互作用的時(shí)候，就會(huì)有磁力的產(chǎn)生。車(chē)頭的超導(dǎo)磁鐵的磁性和車(chē)軌的磁性是同性相吸的，可以當(dāng)做牽引力，車(chē)尾的超導(dǎo)磁鐵的磁性和車(chē)軌的磁性是相斥的，會(huì)產(chǎn)生一定的推力，這就是推動(dòng)力。這些力量強(qiáng)大的電磁力會(huì)驅(qū)動(dòng)列車(chē)不斷前進(jìn)。電能轉(zhuǎn)換器可以調(diào)整交流電的頻率和電壓從而產(chǎn)生車(chē)速的快慢。

例如超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)行駛的原理是這樣的：當(dāng)超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)上的感應(yīng)動(dòng)力設(shè)備和超導(dǎo)磁鐵感受到受電力系統(tǒng)催動(dòng)的電磁場(chǎng)的電磁力時(shí)，列車(chē)就會(huì)承受強(qiáng)大的電磁推力。這種電磁推力實(shí)際是因?yàn)闄C(jī)車(chē)的車(chē)軌兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組接受到與車(chē)輛的速度和頻率一致的交流電的驅(qū)使，產(chǎn)生了移動(dòng)的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)和列車(chē)的導(dǎo)軌之間會(huì)產(chǎn)生功能強(qiáng)大的磁波形成推力，推動(dòng)列車(chē)不斷向前行駛。

磁懸浮列車(chē)進(jìn)行制動(dòng)的時(shí)候，需要列車(chē)車(chē)軌的兩側(cè)通入了反相的交流電，這樣線圈產(chǎn)生于列車(chē)方向相反的磁場(chǎng)，相當(dāng)于車(chē)頭和車(chē)軌的相吸的引力變成了相反的斥力，從而產(chǎn)生列車(chē)的制動(dòng)力，讓列車(chē)減速。也可以采用斷電的方法讓列車(chē)減速，但是其效果要稍小一點(diǎn)。

磁懸浮機(jī)車(chē)內(nèi)的電磁鐵可以為機(jī)車(chē)的導(dǎo)向系統(tǒng)提供沿導(dǎo)軌方向運(yùn)動(dòng)的側(cè)向力，采用獨(dú)立的電磁鐵來(lái)進(jìn)行導(dǎo)向系統(tǒng)的導(dǎo)向也可以。

磁懸浮列車(chē)的運(yùn)行速度快、爬坡能力強(qiáng)且能耗低，具有很多傳統(tǒng)列車(chē)所不能比擬的優(yōu)勢(shì)，但它的技術(shù)很有很多方面的缺陷和不足之處，目前還面臨很多有待解決的問(wèn)題。

磁懸浮列車(chē)需要鋪設(shè)專(zhuān)有的線路，無(wú)法像傳統(tǒng)列車(chē)那樣一旦線路改變，可以對(duì)舊有線路進(jìn)行改造或重復(fù)利用就可以，因而造價(jià)高昂，前期投入較大，而投資回收的周期較長(zhǎng)，建設(shè)成本高。較高的投資風(fēng)險(xiǎn)讓投資商們望而生畏，這也是磁懸浮列車(chē)無(wú)法像傳統(tǒng)列車(chē)那樣應(yīng)用廣泛的原因之一。

磁懸浮列車(chē)的懸浮、推進(jìn)和制動(dòng)都要靠電磁鐵來(lái)完成，而強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體和環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生影響，因而其適用人群和人們對(duì)交通工具的偏好等都會(huì)對(duì)磁懸浮列車(chē)的營(yíng)運(yùn)產(chǎn)生一定的影響。

磁懸浮列車(chē)雖然速度很快，但其懸浮和制動(dòng)的安全問(wèn)題仍然還需要進(jìn)一步的研究，其高速行駛的穩(wěn)定性也需要實(shí)際運(yùn)營(yíng)的檢驗(yàn)，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能夠看出實(shí)際的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)講，目前火車(chē)提速幾乎已經(jīng)達(dá)到極限，磁懸浮列車(chē)是列車(chē)速度提高的一種選擇和趨勢(shì)，但磁懸浮列車(chē)由于造價(jià)和成本問(wèn)題以及技術(shù)上的一些缺陷還需要人們不斷進(jìn)行探索和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彌柱，李云鋼，程虎.基于V型軌道磁懸浮列車(chē)的控制方法設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2012（05）.

[2] 佘龍華，李劍鋒.中低速磁浮列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的方案及其實(shí)現(xiàn)[J].城市軌道交通研究. 2006（04）

[3] 武瑛嚴(yán)，陸光，徐善綱.Inductrack磁浮技術(shù)及其在磁浮列車(chē)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2006（01）.

[4] 蘇曉杰.隨機(jī)干擾和時(shí)延環(huán)境下模糊系統(tǒng)的分析與優(yōu)化綜合研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.