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1、磁悬浮列车综述论磁悬浮技术原理，问题创新及现状一.磁悬浮列车的起源磁悬浮列车是一种采纳无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。不同于传统列车采用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进。磁悬浮列车运行时与轨道保持IOmm或者100mm的间隙，从根本上克服了传统列车轮轨黏着限制、机械噪声和磨损等问题，是一种新型的运载工具，其时速远远超过传动列车。磁悬浮技术的讨论源于德国，早在1922年HennannKemPer先生就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入70年月以后，随着世界工业化我国经济实力的不断加强，为提高交通运输力量以适应其经济进展的需要，德国、日本、美国、加拿
2、大、法国、英国等发达我国相继开头筹划进行磁悬浮运输系统的开发。依据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这一速度运行，必需实行不依靠于轮轨的新式运输系统。这种熟悉引起很多我国的科研部门的爱好，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在连续进行磁悬浮系统的讨论，并均取得了令世人瞩目的进展。德国开发的磁悬浮列车TranSraPid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEv(MagnetiCallyLeVitaIedTrains)于1997年12月在山梨县的试验线上制造出每小时550公里的
3、世界最高纪录。德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。二、磁悬浮列车的种类磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车TranSraPid为代表，它是采用一般直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本UAGLEv为代表。它是采用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100亳米左右，速
4、度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。三.工作原理磁悬浮列车主要由悬浮系统、推动系统和导向系统三大部分组成，尽管可以使用与磁力无关的推动系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三分所采纳的技术进行介绍。1 .悬浮系统目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采纳的常导型和日本所采纳的超导型;从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统(EMS)和电力悬浮系统(EDS)o图4给出了两种系统的结构差别。(EMS)是一种吸力悬浮系统，是结合
5、在机车上的电磁铁和导轨上的铁常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持肯定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10亳米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍旧可以进入悬浮状态。(EDS)将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙削减时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力供应了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必需
6、安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑,这是由于EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的进展。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，而且可以传导一般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。fMKM1.inearMotor原理图解超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设施，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设施由动力集成绕组、感
7、应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组供应与车辆速度频率相全都的三相沟通电时,就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能精确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，依据探测仪传来的信息调整三相沟通电的供流方式,精确地掌握电磁波形以使列车能良好地运行。2 .推动系统磁悬浮列车的驱动运用同步直线电
8、动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组供应三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。3 .导向系统导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时
9、为导向系统和悬浮系统供应动力，也可以采纳独立的导向系统电磁铁。四.磁悬浮列车的优势，存在的问题及创新作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势：第一，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，进展前景宽阔。其次，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达到40(500kmh,超导磁悬浮可达到500600kmk第三，磁悬浮列车能耗低，据日本讨论与实际试验的结果，在同为50Okln时速下，磁悬浮列车每作为公立的能耗仅为飞机的1/3。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速道道40Oknl时，其每座位公里能耗与时速30Okln的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到30Okm
10、时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33%。尽管磁悬浮列车技术上有上述的很多优点，但仍旧存在一些不足：1、由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的平安保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍旧是要解决的重要问题。其高速稳定性和牢靠性还需要很长时间的运行考验。2、常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。3、超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，对冷却系统的要求高，强磁场对人体与环境都有影响。此外还有工程上的问题。首先，磁悬浮铁路的造价非常昂贵，每公里造价约需34亿人民币。其次，磁悬浮铁路无法采用已有的铁路
11、，必需全部重新建设。由于磁悬浮列车与常规铁路在原理、技术等方面完全不同，因此难以在原有设施的基础上进行采用和常规改造。其次，磁悬浮技术的应用磁悬浮技术主要应用在运载技术上，它不仅能够用于地面运载，也可以用于海上运载,还能用于垂直放射，如美国就在实现用磁悬浮技术放射火箭。磁悬浮在直线驱动、低温超导、电力电子、计算机掌握与信息技术、医疗等多个领域都有极重要的价值。概括地说，它既是一种能带动众多高新技术进展的基础科学，又是一种具有极广泛前景的应用技术。第三，创新要点传统列车是采用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的，它的粘着系数随着列车的速度增加而削减，走行阻力随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系
12、数曲线和走形阻力曲线的交点时就达到了极限。磁悬浮列车采纳了无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统，削减了噪、振动、车轮和钢轨的磨损，故能达到更加高更加稳定的运行速度。磁悬浮列车的悬浮系统，驱动系统和导向系统都是新型技术。五、创新技法磁悬浮列车的创造使用了变元创造法、形态分析法和信息交合法等创新技法。五.中国磁悬浮技术进呈现状进入新世纪，业内专家们分析认为，我们我国中低速磁悬浮技术“理论讨论上已经达到或者接近国际先进水平，差距主要在工程化”。中国科学院院士严陆光多次上书国务院指出，在技术已经比较成熟的状况下，应抓紧推动磁悬浮技术的工程化和应用，以占据行业和产业的制高点。反之，我们将可能丢失在该技术领域
13、的优势地位。为了推动中低速磁悬浮列车技术工程化研发,科技部将其列入了“十一五”科技支撑方案重点项目。“进展高端产业，是北京产业进展的战略方向。而科技，正是促进产业结构优化升级的重要着力点。”北京市科学技术委员会副主任朱世龙说。在磁浮列车技术研发及工程化所涉行业和领域的国内17家优势资源单位中，北京占6家，约占工程量的40机努力建设多功能综合性国际大都市的北京，攫住了这个制造业进展不行多得的机遇，成为加速中低速磁悬浮列车技术工程化的重要推手。自2001年开头，北京市科委先后4次立项持续支持中低速磁悬浮交通系统的产业化。“中低速磁悬浮列车轨道交通系统技术及工程化研发”重大科技项目是其中关键一役。通
14、过这个项目，建成了中低速磁浮列车长沙试验线和试验基地，长沙磁浮工程线路示意图完成了唐山1.547公里试验线，建立了中低速磁浮列车工程化讨论、设计、生产、建设体系和学问产权爱护体系。项目主持单位北京控股磁悬浮技术进展有限公司为首的工程化体系把握了中低速磁浮列车核心技术和系统集成技术。2002年11月22日，由德国制造的磁悬浮列车第一次全程驶过了世界上首条投入商业运行耗时仅8分钟。但这种设计时速达430公里，风驰电掣般的新型交通方式迎来的并不只有叫好声。由于造价高，使用的关键技术并非来自本土我们我国的科研人员既没有设计权，也不能擅自修改设计，有人称这是“依靠德国技术买来的喝彩”。“和上海的磁悬浮列
15、车相比，我们我国这种自产的中低速磁悬浮列车具有完全自主学问产权。实现国产化后，可大幅度降低车辆造价。”北京控股磁悬浮技术进展有限公司高级工程师丛春水博士介绍。几年前，当磁悬浮列车首次奔驰在中国大地上的时候,种种热议甚至是批判人们还记忆犹新。值得庆幸的是，几年后，在中低速磁悬浮列车的问题上，中国没有遭受“科技殖民”，而是自己通过自主技术扼住了“必定选择”的咽喉，我们我国具备完全自主学问产权的中低速磁悬浮交通系统的产业化实施力量已经形成。【结论】磁悬浮列车的消失，是创造者们充分的采用创新技法，在原有的传统的列车的基础上通过创新转变产生的新型的运载工具。磁悬浮列车通过悬浮技术，大大的增加了列车的行驶速度，拥有很好的前景，但是在现在的现实状况看来，想大规模的使用还有肯定的难度。经过不断大事与试验，信任不久之后在科学家的努力之下，当磁悬浮列车的成本降低到能够大规模使用的状况下，磁悬浮列车确定会走进我们的生活。【致谢】感谢刘景军老师的教育，老师在前面辛苦的讲课，才让我们对新型城市轨道交通有了肯定的了解，老师辛苦了。
