磁悬浮列车克服重力原理简析

蒋林洲

摘 要：磁悬浮列车是一种新型的高速有轨地面运输工具，具有高速、节能、清洁等优点。本文通过发展现状、技术原理、悬浮方式、推进方式等四个方面介绍磁悬浮列车的发展现状，分析其克服重力的技术原理。

关键词：磁悬浮列车；重力；常导型；超导型；直线电机

在科技创新成为发展新动能的今天，磁悬浮技术已经被广泛应用于航天航空、医疗器械等方面。磁悬浮作为一种新颖的交通运输工程技术，最为大家所熟知，磁悬浮技术在磁悬浮列车、磁悬浮轴承等方面有着巨大的影响。本文主要研究磁悬浮列车如何克服重力，可以幫助中小学生更好的理解磁悬浮技术的原理。

1 磁悬浮列车的发展现状

目前主流的磁悬浮列车有：高速常导，低速常导以及高速超导三种体制磁悬浮列车。高速常导磁浮车的典型代表是德国研制TR系列；低速常导磁浮车的典型代表是日本研制的HSST系列；高速超导磁浮车的典型代表是日本研制MLU系列。从建设里程，以及新技术的应用来看。日本和德国两国由于技术储备时间，商业运营验证时间长，拥有最先进的悬浮技术，两个国家在专利拥有量，转化技术以及可靠性等方面有绝对的优势地位，同时建设里程也较长。我国也掌握了磁悬浮列车的关键技术，上海磁浮线尚无自有技术，但进展迅速。至2015年10月自有技术磁悬浮线路长沙磁浮线成功试车。其技术主要在于中低速磁浮运营线。2018年可以投入商业运行的磁浮列车由中车株洲电力机车有限公司研制成功。可以预期，随着磁悬浮技术的不断商业化和成熟化，我国将出现更多的商业磁悬浮线路。

2 技术原理

简单来说，就是同性相斥，异性相吸的电磁原理，用同名磁铁之间的斥力平衡机车自身的自重，让车辆保持悬浮在空气中的状态，一般来说，车与磁轨之间二点距离很小，在1cm以内，这样不仅可以忽略地面带来的摩擦力，同时加速度更大，还能避免机车与轨道之间产生的内能消耗，延续机车的使用寿命。

磁悬浮列车应用中的三个主要机理在于：1）由电磁感应效应通过近距离非接触，磁场感应并形成电流；2）通过加电使线圈产生磁效应，暂时的成为一块磁铁；3）利用异名磁间的反斥力，也就是同极相斥，异极相吸。当磁铁从一块金属导体上方经过时，磁铁会改变导体内部的电子排列，磁场改变电子定向移动形成电流，接着变产生了自身的磁场，也就是电流的磁效应。在磁铁定向移动的过程中，若这块磁铁有清晰的方向性，便可实现两块磁铁的同名磁极相斥的情况，继而会对磁铁产生磁力，因为两块磁铁的斥力而产生斥力，结果便会对上方移动中的磁铁产生一股向上的支持力，如果磁铁的移动速度越快，这个支持力足以克服移动中的向下的重力，举起移动中的磁体，所以磁悬浮列车运动的根本就是列车下方的磁体进行快速移动时，会使自身浮在金属导轨上方，并靠着本身电子移动产生的力保持悬浮状态。

3 悬浮方式

常见的磁悬浮方式分为上方吸引原理的（EMS）和下方排斥原理的（EDS）两种。其磁场力施加的对象相同，只是相对位置不同，都与重力平衡。

常导磁吸式（EMS），顾名思义，即采用了常加电的导体，利用一直存在的电磁间的相互作用，同时将装在车辆的测转向架上的常导电磁铁通电，它与磁铁导轨上的天然磁极相互作用，在磁场的作用下，产生的吸引力将车辆浮起，此时，根据静力学基本原理，车厢与地面之间的大小是由于吸引力引起，因此与其大小成反比，同时根据载客人数不同，直流电机需装配较高的功率，必须精确到控制电磁铁中的电流大小，考虑能量效率和同时减小摩擦，车厢与导轨之间的高度在商业磁悬浮立车中大致保持在10mm左右，通过在车厢装配气隙传感器，传感器通过采集的数据来进行系统的闭环反馈控制，这种悬浮方式车成本低廉，广泛应用于磁悬浮列车轴承上。

而超导磁悬浮列车技术则依赖于电动磁浮方式，采用了新型超导材料，将其置于液态存储槽中，轨道旁敷设有一系列的辅助装置，再敷设一系列磁环线圈，列车运行时通过给车上的线圈使之产生一个强磁场，再利用超导线圈产生一个反向磁场，两个磁场产生的相互斥力大于机车的重力时，车厢便会整个处于悬浮的状态，由于超导材料的电阻理论上为0，再运行过程中几乎不消耗能量，故产生的能量几乎会全部用在列车前进所需的能量上，因此必须在车辆上装进机械辅助的支撑装置，当辅助支撑轮与相应的弹簧支承，以保证列车的安全运行与着地，此外，列车所搭载的控制系统主要作用为对启动与制动进行精确控制。

4 推进方式

磁悬浮列车动力系统的关键技术，在于通过电磁力将列车悬浮至一定的高度，达到机车车轮与导轨的物理非接触，由于无接触，无法形成摩擦力的必要条件，故不需要克服它们之间的摩擦力，也就不需要产生普通的牵引力使车辆前进。

直线电机的原理是从旋转电机发展而逐渐形成的。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，将旋转电机沿半径方向切开，其剖面图就形成了直流电机，这种改变导致了磁场的变化。于是作用力的形式也发生了变化，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。

直线同步电机随着超导技术的发展进入了技术固化的阶段。目前在超导磁斥式磁悬浮铁路上多采用直线同步电机。处于超导状态下的导体理论可保持通电状态。其安装方式在于将超导电磁体安装在车辆上，由于楞次定律电磁在轨道沿线两侧设置不加点的闭合回路磁性线圈，或者采用非磁性金属平行板。当磁悬浮列车运行时，其中的超导电磁体与地面闭路线圈或非磁性金属板时发生相对位移时，感应电磁力而产生对机车的排斥力，这个排斥力使车体浮起。在磁悬浮列车上采用直线电机，分为两种基本形式：

（1）长转短定式。将电机的固定部分置于车辆的底部，活动部分线圈置于轨道上称之为长转短定式；

（2）长定短转式。和上述不同，此种方式是将电机的活动部分线圈安装在车辆上，固定部分线圈置于轨道上。

直线电机的原理是：当固定部分线圈接入回路通过电流后，由于线电流会产生磁场，为切割磁力线提供了先决条件，运动方向上，沿轨道方向平行移动，活动部分中的线圈切割磁场产生电流，即感应电流，或直接给活动部分线圈通电流，活动部分线圈与固定部分处于相互的磁场中，受电磁力作用固定部分和活动部分间产生相对运动，最终的结果就是列车产生位移，即推动列车前进。推进力的大小的影响因素，取主要来自于固定部分磁场的场强、活动部分线圈的电流以及线圈的匝数设置等因素。

同步异步电机的区别在于，两者活动部分速度与固定转速的磁场速度是否同步上，如果活动部分的旋转速度与固定部分旋转磁场是同步，那就叫同步电机，如果是不同步的，就叫做异步电机。在磁悬浮铁路上，道路是相对静止的，因此将直线电机的固定部分设置在地面上，由于機车是运动的，运动部分放置在车辆上。其运动部分选择活动部分或者固定部分，都依据不同形式的直线电机来确定。考虑到在实际应使用环境的非理想性，直线电机的固定部分和活动部分进行了特殊的错位设计，在错位的情况下列车行进过程中，使长的那一级相对尽可能地长，以此保证在所需行程范围内，保持一种较为理想的电磁耦合状态，从而在全过程中获得最大的推进力。初始能量转换效率为：

5 小结

本文总结了主要磁悬浮技术国家的现有技术，其原理上均通过磁场的排斥力将机车在轨道上举起，同时将轨道与机车隔离一定的高度空间，保证无摩擦运行，对产生斥力的原理进行了分析，主要的原则是在跟随运动的过程中，一直有相反的极性存在，使得斥力随动，而机车的运行过程需要克服的主要阻力来自于空气阻力，由于悬浮于轨道上要求的距离精确性，需要轨道保持极高的平整度，以及较大的转弯半径，作为机车安全运行的技术保障。

通过控制通电电流的大小，以及磁场的周期，可以控制磁场施力的大小，控制机车在初始加速阶段，平动阶段，以及减速阶段，有与之相匹配的动力，磁悬浮列车的技术发展和对磁场磁力的认识与进步相关，随着利用磁力的能力提升，对磁泄露的技术水平的提升，可以提高能量转化的效率，实现磁悬浮列车的商业化普及运营。

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