磁悬浮技术

磁悬浮基本原理及磁悬浮列车的应用与分析

姓名：张迪

学号：5120309486

班级：F1203017

日期：2013.10.8

磁悬浮技术

空间电磁悬浮技术简介

随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。目前的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。电磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称EML技术。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。

磁悬浮是利用悬浮磁力(图1）使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。

1900年初，美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早起模型。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。然而，当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。1842年，英国物理学家Earnshow就提出了磁悬浮的概念，同时指出：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。1934年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。在20世纪70、80年代，磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。1970年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。目前（2009年）国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。

图1

磁悬浮技术的系统（图2），是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

图2

磁悬浮列车的基本工作原理

磁悬浮列车的定义：

对磁悬浮列车的研究，我们首先需要对磁悬浮列车进行一个比较准确的定义，根据相关文献，我们可以得出如下资料：

中文名称：磁悬浮列车

英文名称：maglev train;magnetic suspension train

定义：以超导电磁铁相斥原理建设的铁路运输系统。区别于通常的轮轨黏着式铁路。其最高时速可以达到350～500km。

从这个定义中我们可以的出的结论有三点：

1、磁悬浮列车的基本原理运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使我们乘坐的庞大的列车，从轨道上悬浮起来的。（图3）

2、磁性浮列车所使用的电磁铁是采用的超导电磁铁，那么着就牵涉到关于超导材料

的问题，这个我们将在后文解释。

3、磁悬浮列车能够达到350～500km的超高时速，那么我们在研究它的基本原理的时候，不仅要研究它是如何从轨道上悬浮起来的，还要研究它的驱动力，即是磁悬浮列车采用何种驱动方式让它能够达到如此之高的速度，并且在这一速度下比较稳定的运行的。

图3

悬浮原理（图4）：

悬浮列车的悬浮有两种基本形式：

一种是利用磁铁“同性相斥”的原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，利用车上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。

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，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。

这两种悬浮方式目前都已被投入使用，前者称为推斥式，后者为吸力式。上海磁悬浮列车便是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车，也就是利用“吸力式”原理设计。

图4

超导材料：

我们把具有在一定的低温条件下呈现等于零以及排斥磁力线的性质的材料称为超导体。我们现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。超导材料的应用面很广，我们所提到的磁悬浮列车就是它的重要应用领域之一。我们现如今基于磁悬浮的概念其实正是基于超导材料的超导电性可制作磁体的特性所发展起来的。

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，而超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。

超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。基于这一点，我们可以看得出来，利用超导材料的这种特性设计的列车是用巨大的优势的，虽然由于技术和成本方面的原因，我们大多投入使用的磁悬浮列车还是基于电力悬浮系统设计的，但是超导材料在磁悬浮列车设计和制造方面的前景还是不容小觑的。

图5

驱动原理（图5）：