磁懸浮列車簡介

何穎卓++李春芝

摘 要：文章對幾種不同類型磁懸浮列車的原理特點及其發展狀況進行了簡單介紹，并通過分析磁懸浮列車的特點，使讀者對磁懸浮列車這一現代交通工具有一個初步的認識和了解。

關鍵詞：磁懸浮列車；磁體；特點

中圖分類號：U237 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0022-02

隨著現代科學技術的發展，城市中新型交通工具種類繁多，其中的一種為上世紀六十年代出現的磁懸浮列車。磁懸浮列車是利用磁體間或與感應磁場之間產生作用力使列車“懸浮”在軌道上面或下面與軌道無摩擦的運行，從而克服了傳統列車車輪和車軌的摩擦及產生的磨損和機械噪聲等問題，它是一種不用車輪行駛的陸上無接觸式有軌交通工具。磁懸浮列車與普通列車相比，具有噪音小、不排放有害氣體、啟動和停車速度快、爬坡能力強、維修簡便、高速安全舒適等特點，是未來城市理想的交通工具，也是一個國家科技實力和工業水平的重要標志。目前，德國、日本與中國為世界上能研制和開發磁懸浮列車的三個主要國家[1]。磁懸浮列車設計原理是利用磁體間或與感應磁場之間產生相互吸引力或排斥力[2]，能產生磁場的磁體又分為永久磁體、常規磁體、超導磁體等三個種類。 利用這些磁體可以設計出多種不同的磁懸浮列車，但目前世界上的磁懸浮列車主要有三種類型。一是以德國為代表的常導吸力式磁懸浮列車（簡稱常導型磁懸浮列車）；二是以日本為代表的超導斥力式磁懸浮列車（簡稱超導型磁懸浮列車）；而第三種，就是我國利用永久磁體自主生產的永磁懸浮列車[3]。這三種類型的磁懸浮列車原理及特點各不相同，為了便于了解它們，根據磁懸浮列車所利用的磁體種類的不同分別加以介紹。

1 磁體的種類[1]

（1）永久磁體。遠在春秋戰國時期，人們就能利用天然磁石制作出永久磁體。而我們現在使用的永久磁體一般是采用人工方法制成。 制作方法是利用鐵、鈷、鎳合金或三氧化二鐵及二價金屬氧化物制成的鐵氧體。優點是不需要電能。缺點是：需要通過改變磁體的形狀才能實現控制磁場的強弱；磁極的方向是固定不變的，要想改變磁極方向需要轉動磁體；永久磁體不容易產生很強的磁場，磁場強度一般在1特斯拉以下。

（2）常規磁體。常規磁體是由銅或鋁等導體作為導線饒鐵芯制成。由于使用時導線需要通以電流才能產生磁場，因此，常規磁體也稱電磁鐵或電磁體。優點是：可以通過調節電流的大小和方向控制磁場的強弱和方向；磁場強度也比永久磁體高很多。缺點是由于磁體電阻及磁滯損耗導致大量電能的浪費，使該種磁體不容易產生高于10特斯拉磁場強度的磁場。另外，由于產生強磁場的常規磁體使用時導線熱損耗嚴重，需要配置制冷系統散熱，造成使用不便利。

（3）超導磁體。超導磁體與常規磁體制作方法完全一樣，只是用超導材料作為導線，同樣是饒鐵芯制成。超導磁體的特點是利用超導材料傳導電流時阻力為零的零電阻特性，它可以傳導比常規磁體強大無比的電流。因而，這種磁體除具備常規磁體的優點外，同時還克服了常規磁體的缺點，它不需要配備散熱制冷系統，一般只要提供使超導材料降溫的液氮或液氦即可。該種磁體主要優點是：磁場強，一般可以達到30特斯拉以上，這是常規磁體無法實現的；重量輕及相對體積也小，磁體重量與常規磁體相差萬倍，使用時運輸更加實用方便、節能。

2磁懸浮列車種類介紹

（1）常導型磁懸浮列車。最先出現的磁懸浮列車為常導型磁懸浮列車，其原理是利用普通直流電磁體的電磁吸力將列車懸起。這種列車是將一個電磁體置于軌道下方并固定在車體轉向架上，另一個電磁體置于車輛下部，兩個電磁體之間產生一個強大相互吸引的磁場，使列車懸浮起來，其懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右。該車車廂下端像伸出了兩排彎曲的胳膊，將路軌緊緊摟住，絕對不可能出軌。列車時速可以達到500公里。例如我國上海浦東已運行的磁懸浮列車就屬于這個類型。該磁懸浮鐵路是世界首創商業運營，運行時速已達到400多公里，它標志著中國磁懸浮應用技術已進入國際先進行列。目前德國在這類列車研制上處于世界領先地位[1]。

（2）超導型磁懸浮列車。超導型磁懸浮列車主要為推斥式的，它是利用兩個磁體同極性產生的排斥力設計的。這種磁懸浮列車車廂的兩側安裝具有超大磁場的超導電磁體。車輛運行時，超導電磁體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，并使車輛推離軌道面在空中懸浮約100毫米的高度。當列車靜止時，由于沒有產生感應電流，車輛不能產生懸浮。只有列車行駛達到一定速度時，才能產生足夠大的磁場，使車輛懸浮起來。超導型磁懸浮列車的最主要特征就是利用超導元件在其臨界溫度以下所具有的完全導電性[4]。該種列車所用的超導磁體是由超導材料制成的超導線圈構成，它導電時不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流。目前日本在該類磁懸浮列車研究中處于世界領先地位，時速達到500多公里，已經通過載人試驗，即將進入實用階段[1，4]。

（3）永磁懸浮列車。永磁懸浮列車是用特殊永磁材料制成的。我國擁有永磁懸浮列車完全自主知識產權。這種列車不需要任何其他動力支持，始終保持懸浮狀態。我國大連磁谷科技研究所設計了一臺世界首輛“倒掛”永磁懸浮列車——“中華06號”，這類磁懸浮列車還在進一步研究中。

3 三種磁懸浮列車的特點

常導型、超導型磁懸浮列車都需要用電力來產生磁懸浮動力，在不通電的情況下，車體與槽軌是接觸在一起的。常導型磁懸浮列車在通電的情況下，無論是靜止還是運動狀態，都能保持穩定懸浮狀態。超導型磁懸浮列車只有時速超過80公里列車才能懸浮，因此，超導磁懸浮列車是有車輪的。而中國用永磁懸浮技術制造出的磁懸浮列車在任何條件下，都呈懸浮狀態。永磁懸浮列車與其它兩類磁懸浮列車相比具有懸浮力強、經濟及安全性能好、環保節能，并且耗能幾乎為零，還具有平衡性好、穩定程度高等優勢。另外，磁懸浮列車軌道都是采用高架鐵路，避免開山挖洞對環境的破壞。endprint

4 磁懸浮列車存在的問題[5，6]

盡管磁懸浮列車技術有不排放有害氣體，有利于環境保護、速度快、乘坐磁懸浮列車也比較舒適安全等許多優點，但仍存在造價高等諸多不足。

（1）突然斷電對列車的影響。常導型及超導型磁懸浮列車由于磁懸浮系統是以電磁力完成磁懸浮的，突然停電后的列車制動等安全保障措施仍然是要解決的問題。列車在高速運行狀態下的穩定性和可靠性也還需要長時間的運行考驗。

（2）對鐵路鋪設技術的要求。磁懸浮列車對鐵路路面鋪設平整度要求非常高，尤其是常導型磁懸浮列車比超導型磁懸浮列車懸浮高度低，因此，鐵路鋪設技術要求更高。

（3）列車軌道使用效率問題。目前，磁懸浮列車的車廂不能變軌，不像普通軌道列車可以從一條軌道借助道岔換軌進入另一軌道。因此，一條軌道上的磁懸浮列車只能從一個起點駛向終點再原路返回，一條軌道上只能容納一列列車往返運行，造成軌道使用效率低。磁懸浮軌道越長，使用效率越低。

（4）超導型磁懸浮列車系統能耗。超導型磁懸浮列車是應用低溫超導材料設計的，列車中需要用一定重量的低溫液體及冷卻系統，超導磁懸浮技術由于渦流效應懸浮能耗較常導磁懸浮大，這些因素造成超導磁懸浮列車費用較高。

（5）解決磁懸浮列車造價高問題。上述磁懸浮列車鋪設鐵路技術要求高及列車軌道使用效率低等因素造成磁懸浮列車造價較高的問題，隨著現代科學技術的發展一定能夠改善。修建超導磁懸浮列車的成本隨著超導材料及低溫技術的不斷發展也會降低。

5 結束語

科學家預測磁懸浮列車如果采用在真空管中行駛新技術后時速將提高一倍，這是普通列車包括動車組都很難達到的速度。伴隨現代高科技的發展，高速、平穩、安全、低碳環保的磁懸浮列車，將成為人類理想的綠色交通工具[7]。

參考文獻：

[1]章立源.超越自由·神奇的超導體[M].北京：科學出版社，2005：143-157.

[2]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程·電磁學[M].北京：高等教育出版社，2003：151-196.

[3]陸一娣.磁懸浮列車的原理及應用[J].現代物理知識，2009，21（6）：43-47.

[4]張裕恒，李玉芝.超導物理[M].北京：中國科學技術大學出版社，1992：13-57.

[5]金能強.磁懸浮列車[J].現代物理知識，2013，25（2）：24-39.

[6]羅煒寧，王強.磁懸浮列車未來發展與展望[J].硅谷，2013，05：2-11.

[7]張耀平.真空管道交通——人類交通困境的有效解決途徑[J].真空，2015，05：24-30.endprint