磁懸浮列車克服重力原理簡析

蔣林洲

摘 要：磁懸浮列車是一種新型的高速有軌地面運輸工具，具有高速、節能、清潔等優點。本文通過發展現狀、技術原理、懸浮方式、推進方式等四個方面介紹磁懸浮列車的發展現狀，分析其克服重力的技術原理。

關鍵詞：磁懸浮列車；重力；常導型；超導型；直線電機

在科技創新成為發展新動能的今天，磁懸浮技術已經被廣泛應用于航天航空、醫療器械等方面。磁懸浮作為一種新穎的交通運輸工程技術，最為大家所熟知，磁懸浮技術在磁懸浮列車、磁懸浮軸承等方面有著巨大的影響。本文主要研究磁懸浮列車如何克服重力，可以幫助中小學生更好的理解磁懸浮技術的原理。

1 磁懸浮列車的發展現狀

目前主流的磁懸浮列車有：高速常導，低速常導以及高速超導三種體制磁懸浮列車。高速常導磁浮車的典型代表是德國研制TR系列；低速常導磁浮車的典型代表是日本研制的HSST系列；高速超導磁浮車的典型代表是日本研制MLU系列。從建設里程，以及新技術的應用來看。日本和德國兩國由于技術儲備時間，商業運營驗證時間長，擁有最先進的懸浮技術，兩個國家在專利擁有量，轉化技術以及可靠性等方面有絕對的優勢地位，同時建設里程也較長。我國也掌握了磁懸浮列車的關鍵技術，上海磁浮線尚無自有技術，但進展迅速。至2015年10月自有技術磁懸浮線路長沙磁浮線成功試車。其技術主要在于中低速磁浮運營線。2018年可以投入商業運行的磁浮列車由中車株洲電力機車有限公司研制成功。可以預期，隨著磁懸浮技術的不斷商業化和成熟化，我國將出現更多的商業磁懸浮線路。

2 技術原理

簡單來說，就是同性相斥，異性相吸的電磁原理，用同名磁鐵之間的斥力平衡機車自身的自重，讓車輛保持懸浮在空氣中的狀態，一般來說，車與磁軌之間二點距離很小，在1cm以內，這樣不僅可以忽略地面帶來的摩擦力，同時加速度更大，還能避免機車與軌道之間產生的內能消耗，延續機車的使用壽命。

磁懸浮列車應用中的三個主要機理在于：1）由電磁感應效應通過近距離非接觸，磁場感應并形成電流；2）通過加電使線圈產生磁效應，暫時的成為一塊磁鐵；3）利用異名磁間的反斥力，也就是同極相斥，異極相吸。當磁鐵從一塊金屬導體上方經過時，磁鐵會改變導體內部的電子排列，磁場改變電子定向移動形成電流，接著變產生了自身的磁場，也就是電流的磁效應。在磁鐵定向移動的過程中，若這塊磁鐵有清晰的方向性，便可實現兩塊磁鐵的同名磁極相斥的情況，繼而會對磁鐵產生磁力，因為兩塊磁鐵的斥力而產生斥力，結果便會對上方移動中的磁鐵產生一股向上的支持力，如果磁鐵的移動速度越快，這個支持力足以克服移動中的向下的重力，舉起移動中的磁體，所以磁懸浮列車運動的根本就是列車下方的磁體進行快速移動時，會使自身浮在金屬導軌上方，并靠著本身電子移動產生的力保持懸浮狀態。

3 懸浮方式

常見的磁懸浮方式分為上方吸引原理的（EMS）和下方排斥原理的（EDS）兩種。其磁場力施加的對象相同，只是相對位置不同，都與重力平衡。

常導磁吸式（EMS），顧名思義，即采用了常加電的導體，利用一直存在的電磁間的相互作用，同時將裝在車輛的測轉向架上的常導電磁鐵通電，它與磁鐵導軌上的天然磁極相互作用，在磁場的作用下，產生的吸引力將車輛浮起，此時，根據靜力學基本原理，車廂與地面之間的大小是由于吸引力引起，因此與其大小成反比，同時根據載客人數不同，直流電機需裝配較高的功率，必須精確到控制電磁鐵中的電流大小，考慮能量效率和同時減小摩擦，車廂與導軌之間的高度在商業磁懸浮立車中大致保持在10mm左右，通過在車廂裝配氣隙傳感器，傳感器通過采集的數據來進行系統的閉環反饋控制，這種懸浮方式車成本低廉，廣泛應用于磁懸浮列車軸承上。

而超導磁懸浮列車技術則依賴于電動磁浮方式，采用了新型超導材料，將其置于液態存儲槽中，軌道旁敷設有一系列的輔助裝置，再敷設一系列磁環線圈，列車運行時通過給車上的線圈使之產生一個強磁場，再利用超導線圈產生一個反向磁場，兩個磁場產生的相互斥力大于機車的重力時，車廂便會整個處于懸浮的狀態，由于超導材料的電阻理論上為0，再運行過程中幾乎不消耗能量，故產生的能量幾乎會全部用在列車前進所需的能量上，因此必須在車輛上裝進機械輔助的支撐裝置，當輔助支撐輪與相應的彈簧支承，以保證列車的安全運行與著地，此外，列車所搭載的控制系統主要作用為對啟動與制動進行精確控制。

4 推進方式

磁懸浮列車動力系統的關鍵技術，在于通過電磁力將列車懸浮至一定的高度，達到機車車輪與導軌的物理非接觸，由于無接觸，無法形成摩擦力的必要條件，故不需要克服它們之間的摩擦力，也就不需要產生普通的牽引力使車輛前進。

直線電機的原理是從旋轉電機發展而逐漸形成的。它的基本構成和作用原理與普通旋轉電機類似，將旋轉電機沿半徑方向切開，其剖面圖就形成了直流電機，這種改變導致了磁場的變化。于是作用力的形式也發生了變化，其傳動方式也就由旋轉運動變為直線運動。

直線同步電機隨著超導技術的發展進入了技術固化的階段。目前在超導磁斥式磁懸浮鐵路上多采用直線同步電機。處于超導狀態下的導體理論可保持通電狀態。其安裝方式在于將超導電磁體安裝在車輛上，由于楞次定律電磁在軌道沿線兩側設置不加點的閉合回路磁性線圈，或者采用非磁性金屬平行板。當磁懸浮列車運行時，其中的超導電磁體與地面閉路線圈或非磁性金屬板時發生相對位移時，感應電磁力而產生對機車的排斥力，這個排斥力使車體浮起。在磁懸浮列車上采用直線電機，分為兩種基本形式：

（1）長轉短定式。將電機的固定部分置于車輛的底部，活動部分線圈置于軌道上稱之為長轉短定式；

（2）長定短轉式。和上述不同，此種方式是將電機的活動部分線圈安裝在車輛上，固定部分線圈置于軌道上。

直線電機的原理是：當固定部分線圈接入回路通過電流后，由于線電流會產生磁場，為切割磁力線提供了先決條件，運動方向上，沿軌道方向平行移動，活動部分中的線圈切割磁場產生電流，即感應電流，或直接給活動部分線圈通電流，活動部分線圈與固定部分處于相互的磁場中，受電磁力作用固定部分和活動部分間產生相對運動，最終的結果就是列車產生位移，即推動列車前進。推進力的大小的影響因素，取主要來自于固定部分磁場的場強、活動部分線圈的電流以及線圈的匝數設置等因素。

同步異步電機的區別在于，兩者活動部分速度與固定轉速的磁場速度是否同步上，如果活動部分的旋轉速度與固定部分旋轉磁場是同步，那就叫同步電機，如果是不同步的，就叫做異步電機。在磁懸浮鐵路上，道路是相對靜止的，因此將直線電機的固定部分設置在地面上，由于機車是運動的，運動部分放置在車輛上。其運動部分選擇活動部分或者固定部分，都依據不同形式的直線電機來確定。考慮到在實際應使用環境的非理想性，直線電機的固定部分和活動部分進行了特殊的錯位設計，在錯位的情況下列車行進過程中，使長的那一級相對盡可能地長，以此保證在所需行程范圍內，保持一種較為理想的電磁耦合狀態，從而在全過程中獲得最大的推進力。初始能量轉換效率為：

5 小結

本文總結了主要磁懸浮技術國家的現有技術，其原理上均通過磁場的排斥力將機車在軌道上舉起，同時將軌道與機車隔離一定的高度空間，保證無摩擦運行，對產生斥力的原理進行了分析，主要的原則是在跟隨運動的過程中，一直有相反的極性存在，使得斥力隨動，而機車的運行過程需要克服的主要阻力來自于空氣阻力，由于懸浮于軌道上要求的距離精確性，需要軌道保持極高的平整度，以及較大的轉彎半徑，作為機車安全運行的技術保障。

通過控制通電電流的大小，以及磁場的周期，可以控制磁場施力的大小，控制機車在初始加速階段，平動階段，以及減速階段，有與之相匹配的動力，磁懸浮列車的技術發展和對磁場磁力的認識與進步相關，隨著利用磁力的能力提升，對磁泄露的技術水平的提升，可以提高能量轉化的效率，實現磁懸浮列車的商業化普及運營。

參考文獻：

[1]張士勇.磁懸浮技術的應用現狀與展望[J].業儀表與自動化裝置，2003（3）：63-65.

[2]王寶國，王鳳翔.磁懸浮無軸承電機懸浮力繞組勵磁及控制方式分析[J].中國電機工程學報，2002，22（5）：105-108.

[3]朱熀秋，袁壽其，李冰，等.永磁偏置徑向—軸向磁懸浮軸承工作原理和參數設計[J].中國電機工程學報，2002，22（9）：54-58.

[4]呂東元.八極異極性徑軸向永磁偏置磁懸浮軸承的研究[D].南京航空航天大學，2016.

[5]王鳳翔，王寶國，徐隆亞.一種新型混合轉子結構無軸承電動機磁懸浮力的矢量控制[J].中國電機工程學報，2005，25（5）：98-103.

[6]王鳳翔，鄭柒拾.不同轉子結構無軸承電動機的磁懸浮力分析與計算[J].電工技術學報，2002，17（5）：6-9.

[7]李大興，夏革非，張華東，等.基于混合轉子結構和懸浮力控制的新型飛輪儲能用無軸承電機[J].電工技術學報，2015（S1）：48-52.

[8]毛保華，黃榮，賈順平.磁懸浮技術在中國的應用前景分析[J].交通運輸系統工程與信息，2008，8（1）：29-39.

[9]付雪，陳錫康.投入產出局部閉模型的應用——上海磁懸浮鐵路對中國經濟的影響分析[C].中國投入產出學會年會暨學術研討會，2004.