磁悬浮列车简介

2017-09-19何颖卓李春芝

科技创新与应用 2017年27期

何颖卓++李春芝

摘要：文章对几种不同类型磁悬浮列车的原理特点及其发展状况进行了简单介绍，并通过分析磁悬浮列车的特点，使读者对磁悬浮列车这一现代交通工具有一个初步的认识和了解。

關键词：磁悬浮列车；磁体；特点

中图分类号：U237 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0022-02

随着现代科学技术的发展，城市中新型交通工具种类繁多，其中的一种为上世纪六十年代出现的磁悬浮列车。磁悬浮列车是利用磁体间或与感应磁场之间产生作用力使列车“悬浮”在轨道上面或下面与轨道无摩擦的运行，从而克服了传统列车车轮和车轨的摩擦及产生的磨损和机械噪声等问题，它是一种不用车轮行驶的陆上无接触式有轨交通工具。磁悬浮列车与普通列车相比，具有噪音小、不排放有害气体、启动和停车速度快、爬坡能力强、维修简便、高速安全舒适等特点，是未来城市理想的交通工具，也是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。目前，德国、日本与中国为世界上能研制和开发磁悬浮列车的三个主要国家[1]。磁悬浮列车设计原理是利用磁体间或与感应磁场之间产生相互吸引力或排斥力[2]，能产生磁场的磁体又分为永久磁体、常规磁体、超导磁体等三个种类。利用这些磁体可以设计出多种不同的磁悬浮列车，但目前世界上的磁悬浮列车主要有三种类型。一是以德国为代表的常导吸力式磁悬浮列车（简称常导型磁悬浮列车）；二是以日本为代表的超导斥力式磁悬浮列车（简称超导型磁悬浮列车）；而第三种，就是我国利用永久磁体自主生产的永磁悬浮列车[3]。这三种类型的磁悬浮列车原理及特点各不相同，为了便于了解它们，根据磁悬浮列车所利用的磁体种类的不同分别加以介绍。

1 磁体的种类[1]

（1）永久磁体。远在春秋战国时期，人们就能利用天然磁石制作出永久磁体。而我们现在使用的永久磁体一般是采用人工方法制成。制作方法是利用铁、钴、镍合金或三氧化二铁及二价金属氧化物制成的铁氧体。优点是不需要电能。缺点是：需要通过改变磁体的形状才能实现控制磁场的强弱；磁极的方向是固定不变的，要想改变磁极方向需要转动磁体；永久磁体不容易产生很强的磁场，磁场强度一般在1特斯拉以下。

（2）常规磁体。常规磁体是由铜或铝等导体作为导线饶铁芯制成。由于使用时导线需要通以电流才能产生磁场，因此，常规磁体也称电磁铁或电磁体。优点是：可以通过调节电流的大小和方向控制磁场的强弱和方向；磁场强度也比永久磁体高很多。缺点是由于磁体电阻及磁滞损耗导致大量电能的浪费，使该种磁体不容易产生高于10特斯拉磁场强度的磁场。另外，由于产生强磁场的常规磁体使用时导线热损耗严重，需要配置制冷系统散热，造成使用不便利。

（3）超导磁体。超导磁体与常规磁体制作方法完全一样，只是用超导材料作为导线，同样是饶铁芯制成。超导磁体的特点是利用超导材料传导电流时阻力为零的零电阻特性，它可以传导比常规磁体强大无比的电流。因而，这种磁体除具备常规磁体的优点外，同时还克服了常规磁体的缺点，它不需要配备散热制冷系统，一般只要提供使超导材料降温的液氮或液氦即可。该种磁体主要优点是：磁场强，一般可以达到30特斯拉以上，这是常规磁体无法实现的；重量轻及相对体积也小，磁体重量与常规磁体相差万倍，使用时运输更加实用方便、节能。

2磁悬浮列车种类介绍

（1）常导型磁悬浮列车。最先出现的磁悬浮列车为常导型磁悬浮列车，其原理是利用普通直流电磁体的电磁吸力将列车悬起。这种列车是将一个电磁体置于轨道下方并固定在车体转向架上，另一个电磁体置于车辆下部，两个电磁体之间产生一个强大相互吸引的磁场，使列车悬浮起来，其悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。该车车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车时速可以达到500公里。例如我国上海浦东已运行的磁悬浮列车就属于这个类型。该磁悬浮铁路是世界首创商业运营，运行时速已达到400多公里，它标志着中国磁悬浮应用技术已进入国际先进行列。目前德国在这类列车研制上处于世界领先地位[1]。

（2）超导型磁悬浮列车。超导型磁悬浮列车主要为推斥式的，它是利用两个磁体同极性产生的排斥力设计的。这种磁悬浮列车车厢的两侧安装具有超大磁场的超导电磁体。车辆运行时，超导电磁体的磁场切割轨道两侧安装的铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨道面在空中悬浮约100毫米的高度。当列车静止时，由于没有产生感应电流，车辆不能产生悬浮。只有列车行驶达到一定速度时，才能产生足够大的磁场，使车辆悬浮起来。超导型磁悬浮列车的最主要特征就是利用超导元件在其临界温度以下所具有的完全导电性[4]。该种列车所用的超导磁体是由超导材料制成的超导线圈构成，它导电时不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流。目前日本在该类磁悬浮列车研究中处于世界领先地位，时速达到500多公里，已经通过载人试验，即将进入实用阶段[1，4]。

（3）永磁悬浮列车。永磁悬浮列车是用特殊永磁材料制成的。我国拥有永磁悬浮列车完全自主知识产权。这种列车不需要任何其他动力支持，始终保持悬浮状态。我国大连磁谷科技研究所设计了一台世界首辆“倒挂”永磁悬浮列车——“中华06号”，这类磁悬浮列车还在进一步研究中。

3 三种磁悬浮列车的特点

常导型、超导型磁悬浮列车都需要用电力来产生磁悬浮动力，在不通电的情况下，车体与槽轨是接触在一起的。常导型磁悬浮列车在通电的情况下，无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。超导型磁悬浮列车只有时速超过80公里列车才能悬浮，因此，超导磁悬浮列车是有车轮的。而中国用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何条件下，都呈悬浮状态。永磁悬浮列车与其它两类磁悬浮列车相比具有悬浮力强、经济及安全性能好、环保节能，并且耗能几乎为零，还具有平衡性好、稳定程度高等优势。另外，磁悬浮列车轨道都是采用高架铁路，避免开山挖洞对环境的破坏。endprint

4 磁悬浮列车存在的问题[5，6]

尽管磁悬浮列车技术有不排放有害氣体，有利于环境保护、速度快、乘坐磁悬浮列车也比较舒适安全等许多优点，但仍存在造价高等诸多不足。

（1）突然断电对列车的影响。常导型及超导型磁悬浮列车由于磁悬浮系统是以电磁力完成磁悬浮的，突然停电后的列车制动等安全保障措施仍然是要解决的问题。列车在高速运行状态下的稳定性和可靠性也还需要长时间的运行考验。

（2）对铁路铺设技术的要求。磁悬浮列车对铁路路面铺设平整度要求非常高，尤其是常导型磁悬浮列车比超导型磁悬浮列车悬浮高度低，因此，铁路铺设技术要求更高。

（3）列车轨道使用效率问题。目前，磁悬浮列车的车厢不能变轨，不像普通轨道列车可以从一条轨道借助道岔换轨进入另一轨道。因此，一条轨道上的磁悬浮列车只能从一个起点驶向终点再原路返回，一条轨道上只能容纳一列列车往返运行，造成轨道使用效率低。磁悬浮轨道越长，使用效率越低。

（4）超导型磁悬浮列车系统能耗。超导型磁悬浮列车是应用低温超导材料设计的，列车中需要用一定重量的低温液体及冷却系统，超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导磁悬浮大，这些因素造成超导磁悬浮列车费用较高。

（5）解决磁悬浮列车造价高问题。上述磁悬浮列车铺设铁路技术要求高及列车轨道使用效率低等因素造成磁悬浮列车造价较高的问题，随着现代科学技术的发展一定能够改善。修建超导磁悬浮列车的成本随着超导材料及低温技术的不断发展也会降低。

5 结束语

科学家预测磁悬浮列车如果采用在真空管中行驶新技术后时速将提高一倍，这是普通列车包括动车组都很难达到的速度。伴随现代高科技的发展，高速、平稳、安全、低碳环保的磁悬浮列车，将成为人类理想的绿色交通工具[7]。

参考文献：

[1]章立源.超越自由·神奇的超导体[M].北京：科学出版社，2005：143-157.

[2]赵凯华，陈熙谋.新概念物理教程·电磁学[M].北京：高等教育出版社，2003：151-196.