超导磁悬浮列车及超导技术的应用

周榕翔

摘要：2000年成功研制出世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。这意味着我国已经具备自主研制磁悬浮列车的能力。本文从电磁学的角度简述了常导磁吸型、超导磁斥型磁悬浮列车的基本原理。介绍了超导的零电阻、迈斯纳效应并展望了超导技术的应用及未来发展。

Abstract： In 2000， the world's first manned high-temperature superconducting maglev experimental vehicle was successfully developed. This means that China has the ability to independently develop maglev trains. From the perspective of electromagnetics， this paper briefly describes the basic principles of the magnetically guided trains of the normally-conducting type and the super-conductive type. The zero-resistance and Meissner effect of superconducting are introduced， and the application and future development of superconducting technology are prospected.

关键词：磁悬浮列车;超导磁悬浮;超导体;零電阻;迈斯纳效应;超导技术

Key words： maglev train;superconducting maglev;superconductor;zero resistance;Meissner effect;superconducting technology

中图分类号：U266.4                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0264-03

0  引言

迄今为止，由工业革命发展起来的汽车、轮船、飞机、火车等传统交通工具仍在运输行业中发挥着很大的作用。但是随着世界经济的快速发展，人类对于交通运输的需求也日益增加。这些传统运输方式突显出来的安全性能低，能源消耗大，空气污染严重的问题已经在不同程度上无法满足各国及各地区的经济发展需求。传统的陆上交通工具的牵引力主要来源于车轮与轨道表面接触产生，受到摩擦力的影响较大，速度上的提高已经达到极限。因此发展新型高速，能耗低，污染小的交通方式迫在眉睫。在此背景下，磁悬浮列车应运而生。

所谓磁悬浮技术，就是用磁力使得物体悬空，相互作用的物体之间无摩擦。区别于传统的交通工具，磁悬浮列车以磁悬浮技术为理论基础，包括导向、悬浮和驱动在内的三大系统没有直接接触就可以实现交通运输，由于无空气污染、动力大、低能耗、爬坡力强等优势，磁悬浮列车已经在城市轨道交通中成为了极具竞争力的新型绿色路上交通运输工具，是21世纪最先进交通工具之一，被称为目前世界上最先进的列车。20世纪的60年代以来，世界各国陆续加入对磁悬浮技术的研制，建成了长度不同的试验路段。磁悬浮技术在20世纪80年代在中国展开了研究。1989年初，第一台由我国自主研发的磁悬浮试验样车在国防科技大学被研制。1995年，西安交通大学建成了我国第一条磁悬浮列车试验线，以速度为30公里/时成功进行了稳定载人运行试验，并于2000年成功研制出世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。这也意味着我国已经基本掌握并能自主研制磁悬浮列车[1]。

由于磁铁间存在同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种类别：常导磁吸型和超导磁斥型。他们有各自的优缺点，经济技术指标也存在差异。个研究组根据自身发展也有各自的青睐。比如德国的科研团队集中研制的主要是常导高速磁悬浮;然而日本却更青睐高速超导磁悬浮技术。而中国对于两种技术的研究正在展开。

1  常导磁悬浮列车

根据相互作用，我们通常把常导型磁悬浮称为常导磁吸型，以德国正在研究的高速常导磁浮列车来说，其原理是通过普通的直流电磁铁异性相互吸引作用来悬起列车，悬浮时车身与轨道之间的间隙很小。常导型的高速磁悬浮在城与城之间长距、快速运输中被寄予厚望，其运行速度可以达到400至500千米/小时。

常导磁吸型利用的是“同性相斥，异性相吸”原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。也就是说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。车头的N极电磁体与靠前轨道上的S极电磁体发生吸引作用，于此同时受到靠后轨道上的N极电磁体的排斥作用。这样使得立车具有向前的动力。在前进的过程中，电流在线圈中反向流动，使得S极和N极发生交换。如此往复循环，磁悬浮列车就可以一直前行。

导向系统主要用于控制列车的稳定性。常导型磁悬浮列车的导向系统由安装在列车侧面，特意用来作为导向的电磁铁构成。行驶过程中列车一旦发生左右的位移时，这种电磁铁就会与导向轨的侧面产生排斥力，以这样的方式使车辆实现正常行驶。如果列车在弯曲的道路、坡道上行驶，主要是控制系统工作。导向磁铁中的电流受到控制以实现运行。

我们可以看到列车与轨道之间的相互作用与我们熟知的电动机工作原理大体相同。相当于在车身安置“转子”，而“定子”则被放在轨道上。基于电磁感应原理，通电的“定子”可以推动“转子”转动。借助“转子”与“定子”之间的相互作用会实现电能与机械能的转化，使得车身不断向前运动。

2  超导磁悬浮列车

同样借助磁相互作用，超导型磁悬浮又被命名为超导磁斥型。主要是借助超导体的完全抗磁性，在运行过程中，放置在轨道上的线圈与车身之间产生强大的排斥力以实现悬浮。磁斥型磁浮列车运行速度等于零时不能静止悬浮。它依靠车辆上的磁体（超导磁体，永磁铁或常导线圈）在运动时割切线路上导体（短路环）产生感应电流，该电流产生的磁力线，必然与产生它的磁力线相反，形成斥力。这类磁浮列车的垂直悬浮力和过曲线时的横向导向力都是利用这个原理实现的，所以在静止时没有悬浮力和导向力。超导技术和高温超导技术的开发为超导磁悬浮技术的开发铺平了道路，使其实现普及成为可能。

对于高温超导下磁悬浮来说，必须具备的特征就是其部件必须在某一温度下实现完全抗磁以及电阻率为零的无耗散输运。其中一个十分重要的部件就是超导线圈构成超导磁铁，在运行过程中，它能够保证电阻为零，减小损耗。同时可以传输强电流，大电流，传输效率高，在很大程度上降低了成本。（图2）

3  超导

材料的电阻率随温度变化的往往会表现出不同的行为，物理上按照这些行为差异将材料划分为绝缘体、半导体、金属、半金属等。最初，人们发现在研究金属汞时首次发现超导现象，即将金属汞降温至一定程度时。后续很多实验组的研究表明在其他金属或者合金也存在类似的行为即超导。超导体是指的某些材料在一个特定的温度下，电阻率会降低为零[4]，这样的材料被称为超导体。零电阻是超导体一个十分重要的特性。能够实现高电流密度，低损耗传输，基于此超导体可以作为电线电缆在电力传输中具有极高的应用前景。尤其是近期提出的高温超导电线电缆，能够大幅度提升国民经济，给国防建设带来高效益。

除了零电阻的特性，超导体在进入到超导态时具有完全抗磁性。这个特性是1933年德国物理学家迈斯纳等人在研究超导体锡单晶发现的，他们的研究实验表明假设降低温度使锡单晶进入超导态，将其置于在小磁场中，磁力线是无法从锡单晶体内穿过的。也就是说，如果一旦给超导体降温使其进入到超导态，它体内的磁场强度就为零我们说它具有完全抗磁性，也叫做 “迈斯纳效应”。这一效应从另一个层面表明，超导态是一种动态平衡，与材料进入超导态的方式无关。以上两个效应是衡量一个材料是否具有超导性的关键，他们彼此独立却又相互联系。零电阻的出现并不能说明迈斯纳效应的存在，但是确实其存在的必然条件，也就是说实验上一个材料必须同时具有零电阻行为及完全抗磁性，才能说明该材料为超导体[5]。

4  超导的其他应用

目前对于超导课题的研究依旧很热，随着样品材料生长手段的不断优化、测试技术也得到提升，人们试图去实现更高温度的超导体。低成本，高性能的超导材料普及指日可待，目前超导体的研究也已经布及多个领域。

人们提出的超导潜艇，没有了螺旋桨拍打水流，各系统材料超导体作为零件，减小摩擦，很大程度上减小了潜艇航行时的噪音，甚至可以实现“零噪音”。同时可以简便地通过增大电压来实现超大输出功率，进一步提高潜艇的航行速度。在超导输电方面：超导输电有效减少改善输电损耗，减少空气中二氧化碳排放量，符合绿色经济发展的要求。原始的输配电缆往往具有很大的电阻，使得部分电能转化为内能损耗（一般约5%）。由于超导体零电阻的特性，储物超导态的超导电缆有望大幅降低电能损耗，提升输电效率。

5  总结

磁悬浮列车利用此相互作用为基本原理极大的提高了运行速度，减小摩擦力。而高温超导磁悬浮以超导特性为出发点，在未来具有极高的应用价值。超导体的普及不仅能够使得工作效率得到提高，更重要的是能够减小能源的损耗，降低污染，符合绿色经济发展的需求。超导材料也将持续成为研究热点，比如对于超导转变温度提升的研究。超导材料的普及一定会极大的改善，提高人们的生活质量。

参考文献：

[1]谢梦，李天社.诞生在西部的中国首部磁悬浮列车[J].中国西部，2001（6）：54-55.

[2]田晓岑，张萍.磁悬浮列车原理简介[J].大学物理（08）：43-44，47.

[3]陆一娣.磁悬浮列车的原理及应用[J].现代物理知识（06）：45-49.

[4]張庭璇，王玉平.高温超导体研究现状[J].高压电器（04）：55-57.

[5]邹芹，李瑞，李艳国，等.超导材料的研究进展及应用[J].燕山大学学报，43（02）：5-17.

[6]武建刚，张思秘，蔡萍.超导材料的应用发展和专利分析[J]. 中国发明与专利，2018，15（11）：14-18.