磁悬浮技术与磁悬浮列车

冯再科

摘 要：本文主要介绍了轮轨列车速度的局限性，磁悬浮技术的原理，磁悬浮列车的构成、原理等。详细阐述了磁悬浮列车的三大主要组成系统，分别为悬浮系统、导向系统以及推进系统等。

关键词：磁悬浮技术；磁悬浮列车；悬浮系统；导向系统；推进系统

1前言

轮轨列车之所以能够在轨道上牵引运行，是依靠黏着力来实现的。在运行速度上，轮轨列车具有很大的局限性。

（1）车轮与轨道之间的黏着力限制了轮轨列车的高速行驶。轮轨列车是依靠车轮踏面与钢轨表面相互作用而产生的黏着力运行的。黏着力不仅跟车轮踏面与钢轨表面状况有关，而且与列车的运行速度有关。随着轮轨列车运行速度的不断增加，轮轨间的黏着力也在不断减小。同时，列车运行时所受的空气阻力也会随着运行速度的增加而增大。当列车所受到的牵引力值与阻力值大小相等时，加速度为0，列车的速度将不再增加，此时轮轨列车的运行速度便是其极限速度，即最高运行速度。由于此种原因，即便是轮轨列车中的高速动车组其正常运营速度也很难突破400 km/h。

（2）现在的高速轮轨列车几乎全部都是靠电力驱动和牵引的电力机车。为了从接触网上获得电能，在电力机车的车顶部分都会装有受电弓装置。受电弓通过其顶部的碳滑板和接触网导线相接触，从接触网上获得电能，并通过车载高压电缆将其传送到机车内部，驱动牵引电动机工作。为了确保受电弓和接触网导线之间接触良好，受电弓必须具有大小适中且方向向上的压力。电力机车运行时，接触网导线和碳滑板之间产生滑动摩擦，并且二者之间的接触压力会随着机车运行产生变化。如果受电弓和接触网之间出现离线情况，就会产生电弧放电现象，进而对接触网和受电弓产生烧蚀，造成严重事故。弓网的离线率会随着机车运行速度的增加而迅速增大，进而对弓网的烧蚀更加严重。目前为止，受电弓的最大工作速度约为450km/h - 500 km/h。

（3）安全制动。轮轨列车制动时所需的制动力依靠的是黏着力。列车运行时，运行速度越高，黏着力越小，其制动距离越大，从而严重影响列车的安全。

（4）运营成本。轮轨铁路其建造成本随着轮轨列车运行速度的提高而快速增加。300km/h高速轮轨铁路其建造成本比200km/h快速轮轨铁路建造成本高近2倍，比120km/h普通轮轨铁路的建造成本高3至8倍[1]。

以上4点因素严重影响了轮轨列车在未来的发展前景。随着世界各国经济不断地发展，各国经济实力逐渐增强。为了适应国内的经济发展以及满足民生的需求，不断提升国内交通系统的运输能力，研制新型的交通运输工具势在必行。于是，世界上许多国家先后开展了对磁悬浮列车的研发并取得了一系列令全世界瞩目的成就。

2磁悬浮技术的原理

磁悬浮系统由4部分构成，分别为控制单元、执行单元、转子和传感器。执行单元由2部分构成，即功率放大器和电磁铁。传感器检测转子和电磁体之间的悬浮间隙，控制单元将传感器反馈的悬浮间隙与预定的悬浮间隙进行比较，通过控制算法计算出控制量。系统图如图1所示。

将电流通入电磁铁绕组中，会产生电磁力。改变电流大小，使电磁力大小和转子重力大小相等，此时转子所受合力为0，其处于平衡状态并悬浮于地面上空[2]。

当一个向下的干扰作用在转子上时，转子便会向下运动，偏离原来的平衡位置，其与电磁铁之间的悬浮间隙增大，电磁铁对转子的电磁力减小。此时传感器就会检测出新的悬浮间隙并反馈给控制单元，经控制单元比较与计算后输出控制信号，控制信号由功率放大器转换成控制电流，控制电流通入电磁铁线圈，电磁铁产生电磁力（此时的电磁力比原来的电磁力大）并作用在转子上，最终转子移动到原来的平衡位置。

传感器不断地采集悬浮间隙数值，控制单元不断地比较与计算，电磁铁线圈中的电流不断地及时校正，以此维持悬浮间隙的恒定。因此，无论是向上或者向下的干扰作用于转子，转子最终都会移动到原来的平衡位置并且始终处于稳定悬浮状态[3]。

3磁悬浮列车

磁悬浮列车的出现是世界交通运输史上一次伟大的颠覆式革命。它颠覆了轮轨列车传统的运行模式，完全实现了列车与轨道之间无接触、无摩擦的运行模式。由于磁悬浮列车与轨道之间没有摩擦力，其理论速度可达每小时几千千米[4]，甚至更高。因此，它在未来拥有十分广阔的发展前景。

磁悬浮列车主要由三大系统构成，即悬浮系统、导向系统以及推进系统。它利用电磁力来实现自身的悬浮和导向，利用直线电机产生的电磁力作为自身运行的动力，牵引其运行。

3.1悬浮系统

悬浮系统按照悬浮原理及方式不同可分为2类，即电磁悬浮（磁吸式悬浮）系统和电动悬浮（磁斥式悬浮）系统。

将悬浮电磁铁安装在列车两个侧面的转向架上，在导轨上铺设铁磁轨道。电磁悬浮系统是利用悬浮电磁铁和铁磁轨道之间相互作用所产生的吸引力来实现悬浮的。列车运行时，为了确保悬浮系统的可靠性和平稳性，必须精准地控制悬浮电磁铁中电流的大小，从而控制磁场的强度，保持悬浮力稳定，使导轨和列车之间的悬浮间隙始终保持在（10±2）mm。在悬浮电磁铁上安装间隙传感器，利用间隙传感器来检测悬浮间隙的大小，结合列车运行时的各种状态，利用间隙调节器来精确控制励磁电流器，从而精确调节悬浮电磁铁中的电流大小，以此确保悬浮的稳定性。懸浮电磁铁电流由车载蓄电池提供，蓄电池所需的电能由机车上的直线发电机提供。这种悬浮方式在停车状态时可以保持悬浮状态，列车不需要安装机械支撑装置。

电动悬浮系统是利用在列车的两个侧面安装的超导磁体与排列在地面轨道侧面的8字形短路线圈相对运动产生的排斥力实现悬浮的。当列车运行时，向车载超导磁体通电。由于超导磁体在超导状态时电阻为零。因此，超导磁体中产生的电流很大，在其周围会产生很强的磁场。根据电磁感应原理，在轨道侧面的8字形短路线圈中产生电流。根据电流的磁效应，在8字形线圈的上半侧线圈和下半侧线圈中各会形成一个磁场。上半侧线圈的磁场和超导磁体形成的磁场异极性，吸引超导磁体向上；下半侧线圈的磁场和超导磁体形成的磁场同极性，排斥超导磁体向上，列车最终受到向上的合力。当合力（磁力）大小足够大时，列车便会克服自身重力，实现悬浮。当列车受到一个向下的扰动时，列车向下移动，短路线圈和超导磁体之间的距离减小，悬浮力增大，列车上移到原来的平衡位置。列车在低速状态下，无法实现悬浮。因此，在列车上需要安装着地支承装置。

3.2导向系统

导向系统是利用电磁力来实现导向功能的。

常导磁吸式磁悬浮列车和超导磁斥式磁悬浮列车的导向系统原理有所不同，前者依靠吸引力导向，后者依靠排斥力导向。

将导向电磁铁安装在列车的两侧，将导向轨安装在导轨两侧的端面上，其二者之间保持一定距离的间隙。常导磁吸式磁悬浮列车的导向系统是利用导向电磁铁和导向轨相互作用产生的吸引力来实现导向的。当列车位于中间位置时，两侧的间隙距离相等，两侧的吸引力大小相等，方向相反。当列车左右偏移时，传感器就会检测间隙的变化，从而控制间隙变大的一侧使其导向电磁铁电流变大，吸引力变大；控制间隙变小的一侧使其导向电磁铁电流变小，吸引力变小，最终列车恢复到中间位置。

在列车的两个侧面安装导向超导磁体，在导向轨的侧向安装地面线圈。超导磁斥式磁悬浮列车的导向系统是利用导向超导磁体和地面线圈相互作用产生的排斥力来实现导向的。排斥力和列车侧向的作用力大小相等，方向相反，以此保证列车始终沿着正确的方向行驶。这种磁悬浮列车导向系统除了以上的构成方式外，还有安装机械导向轮等。

3.3推进系统

磁悬浮列车的推进系统是利用直线电机来实现列车牵引运行的。

直线电机与旋转电机的工作原理相同，都是利用电磁场来产生电流或者机械运动。其中旋转电机工作时形成旋转磁场，直线电机工作时形成行波磁场。直线电机可以理解为将旋转电机展平，其中旋转电机中的定子部分在直线电机中叫做初级，转子部分叫做次级[5]。直线电机按照初级长短不同可以分成2种，分别为短初级直线电机和长初级直线电机。

日本HSST型磁悬浮列车是一种中低速磁悬浮列车，它利用短初级直线异步电机来牵引列车运行。将直线电机安装在磁悬浮列车上，将反应板沿全线铺设在轨道上。利用受电弓将三相交流电通入到列车上的初级绕组中，形成行波磁场。在行波磁场的作用下，在反应板上面产生感应电动势和感应电流并且形成磁场，该磁场和行波磁场相互作用产生电磁推力，牵引列车运行。短初级直线异步电机的优点是造价低，容易控制和维护、噪声较低等。缺点是效率低，电机功率因数较低等。由于需要受电弓为车载初级绕组提供交流电，因此短初级直线电机不适合高速系统。

日本ML型磁悬浮列车是一种高速超导磁悬浮列车，它利用长初级直线同步电机来驱动列车运行。将直线电机的三相绕组（初级绕组）安装在地面轨道的侧壁上，将低温超导磁体安装在车辆两端的两侧。将三相交流电通入到三相绕组中，会产生一个沿着轨道移动的行波磁场。在行波磁场和由低温超导磁体形成的超导磁场的相互作用下，在列车上会产生排斥力与吸引力，其合力的方向为列车前进的方向，牵引着列车运行。其原理如图2所示。由于直线电机由地面供电，所以列车不需要安装受电弓。因此，长初级直线电机适合高速系统。

4总结

经过半个多世纪的不懈努力，不断创新，磁悬浮列车由20世纪初提出的理论发展到现在的正式运行。虽然，现在还有很多的技术难题尚未解决。但是，随着磁悬浮技术的不断发展、不断完善。相信在不久的将来，磁悬浮列车的各种技术难题都会迎刃而解。最终，我们将会迎来磁悬浮时代。

参考文献：

[1]严陆光. 中国需要高速磁悬浮列车[J]. 中国青年科技， 2000（8）：8-13.

[2]王麗茹， 张彦军. 磁悬浮技术在工程实践中的应用分析[J]. 职业， 2010（17）：151-152.

[3]黄峰， 朱熀秋， 谢志意等. 径向二自由度混合磁轴承参数设计与分析[J]. 中国机械工程， 2007， 18（10）：1143-1146.

[4]罗炜宁， 王强. 磁悬浮列车未来发展与展望[J]. 硅谷， 2013（5）：2-2.

[5]童亮， 王准. 基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命试验机设计[J]. 中国机械工程， 2014， 25（13）：1711-1714.