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(fā)展?fàn)顩r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(xiàn)代交通工具有一個初步的認識和了解。

關(guān)鍵詞：磁懸浮列車；磁體；特點

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

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市中新型交通工具種類繁多，其中的一種為上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的磁懸浮列車。磁懸浮列車是利用磁體間或與感應(yīng)磁場之間產(chǎn)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(tǒng)列車車輪和車軌的摩擦及產(chǎn)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(yè)水平的重要標(biāo)志。目前，德國、日本與中國為世界上能研制和開發(fā)磁懸浮列車的三個主要國家[1]。磁懸浮列車設(shè)計原理是利用磁體間或與感應(yīng)磁場之間產(chǎn)生相互吸引力或排斥力[2]，能產(chǎn)生磁場的磁體又分為永久磁體、常規(guī)磁體、超導(dǎo)磁體等三個種類。 利用這些磁體可以設(shè)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(dǎo)吸力式磁懸浮列車（簡稱常導(dǎo)型磁懸浮列車）；二是以日本為代表的超導(dǎo)斥力式磁懸浮列車（簡稱超導(dǎo)型磁懸浮列車）；而第三種，就是我國利用永久磁體自主生產(chǎn)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(jù)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(zhàn)國時期，人們就能利用天然磁石制作出永久磁體。而我們現(xiàn)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(yōu)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(xiàn)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(zhuǎn)動磁體；永久磁體不容易產(chǎn)生很強的磁場，磁場強度一般在1特斯拉以下。

（2）常規(guī)磁體。常規(guī)磁體是由銅或鋁等導(dǎo)體作為導(dǎo)線饒鐵芯制成。由于使用時導(dǎo)線需要通以電流才能產(chǎn)生磁場，因此，常規(guī)磁體也稱電磁鐵或電磁體。優(yōu)點是：可以通過調(diào)節(jié)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(dǎo)致大量電能的浪費，使該種磁體不容易產(chǎn)生高于10特斯拉磁場強度的磁場。另外，由于產(chǎn)生強磁場的常規(guī)磁體使用時導(dǎo)線熱損耗嚴(yán)重，需要配置制冷系統(tǒng)散熱，造成使用不便利。

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

2磁懸浮列車種類介紹

（1）常導(dǎo)型磁懸浮列車。最先出現(xiàn)的磁懸浮列車為常導(dǎo)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(zhuǎn)向架上，另一個電磁體置于車輛下部，兩個電磁體之間產(chǎn)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(chuàng)商業(yè)運營，運行時速已達到400多公里，它標(biāo)志著中國磁懸浮應(yīng)用技術(shù)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(lǐng)先地位[1]。

（2）超導(dǎo)型磁懸浮列車。超導(dǎo)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(chǎn)生的排斥力設(shè)計的。這種磁懸浮列車車廂的兩側(cè)安裝具有超大磁場的超導(dǎo)電磁體。車輛運行時，超導(dǎo)電磁體的磁場切割軌道兩側(cè)安裝的鋁環(huán)，致使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時產(chǎn)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(dāng)列車靜止時，由于沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流，車輛不能產(chǎn)生懸浮。只有列車行駛達到一定速度時，才能產(chǎn)生足夠大的磁場，使車輛懸浮起來。超導(dǎo)型磁懸浮列車的最主要特征就是利用超導(dǎo)元件在其臨界溫度以下所具有的完全導(dǎo)電性[4]。該種列車所用的超導(dǎo)磁體是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，它導(dǎo)電時不僅電流阻力為零，而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)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(lǐng)先地位，時速達到500多公里，已經(jīng)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(chǎn)權(quán)。這種列車不需要任何其他動力支持，始終保持懸浮狀態(tài)。我國大連磁谷科技研究所設(shè)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(dǎo)型、超導(dǎo)型磁懸浮列車都需要用電力來產(chǎn)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(dǎo)型磁懸浮列車在通電的情況下，無論是靜止還是運動狀態(tài)，都能保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。超導(dǎo)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(dǎo)磁懸浮列車是有車輪的。而中國用永磁懸浮技術(shù)制造出的磁懸浮列車在任何條件下，都呈懸浮狀態(tài)。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(jīng)濟及安全性能好、環(huán)保節(jié)能，并且耗能幾乎為零，還具有平衡性好、穩(wěn)定程度高等優(yōu)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(huán)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(shù)有不排放有害氣體，有利于環(huán)境保護、速度快、乘坐磁懸浮列車也比較舒適安全等許多優(yōu)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(dǎo)型及超導(dǎo)型磁懸浮列車由于磁懸浮系統(tǒng)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(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性也還需要長時間的運行考驗。

（2）對鐵路鋪設(shè)技術(shù)的要求。磁懸浮列車對鐵路路面鋪設(shè)平整度要求非常高，尤其是常導(dǎo)型磁懸浮列車比超導(dǎo)型磁懸浮列車懸浮高度低，因此，鐵路鋪設(shè)技術(shù)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(dǎo)型磁懸浮列車系統(tǒng)能耗。超導(dǎo)型磁懸浮列車是應(yīng)用低溫超導(dǎo)材料設(shè)計的，列車中需要用一定重量的低溫液體及冷卻系統(tǒng)，超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)磁懸浮大，這些因素造成超導(dǎo)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(shè)鐵路技術(shù)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展一定能夠改善。修建超導(dǎo)磁懸浮列車的成本隨著超導(dǎo)材料及低溫技術(shù)的不斷發(fā)展也會降低。

5 結(jié)束語

科學(xué)家預(yù)測磁懸浮列車如果采用在真空管中行駛新技術(shù)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(xiàn)代高科技的發(fā)展，高速、平穩(wěn)、安全、低碳環(huán)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(dǎo)體[M].北京：科學(xué)出版社，2005：143-157.

[2]趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程·電磁學(xué)[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(yīng)用[J].現(xiàn)代物理知識，2009，21（6）：43-47.

[4]張裕恒，李玉芝.超導(dǎo)物理[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1992：13-57.

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

[6]羅煒寧，王強.磁懸浮列車未來發(fā)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