磁悬浮技术及其应用

一、引入磁悬浮技术的原因

（提问的形式）

师：暑假有机会出门旅游（比如说从广州到北京）你首先会选择哪种交通工具？

生：飞机。

师：如果你们的荷包不是很鼓，那你又会选择什么？

生：火车。

我在读大学的时候，每次都乘坐从上海到长春的火车，我每次都会想，火车怎么开那么慢阿，什么时候提速阿。普通火车的普通火车的速度是80Km/h ，特快火车的速度是120-140Km/h，每次提速总是达不到心中理想的标准。要使列车在时速360公里左右的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的。它的粘着系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，就达到了极限。据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右。如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能达到最大时速。

要进一步提高速度，必须转向新的技术－－磁悬浮。

二、讲座分为四个部分：磁悬浮概述，磁悬浮列车的运动原理，优点和问题，以及在其他方面的应用。

1、磁悬浮概述

什么是磁悬浮技术？

它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属物体的悬浮控制。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。

   

视频：磁悬浮陀螺玩具一般是由磁性陀螺和磁性底盘组成，其中磁性底盘是由壳体和永磁体构成。玩耍时，人们用手拿住磁性陀螺旋柄，放在置于磁性底盘上面的托板的中心位置转动磁性陀螺后，用托板将磁性陀螺抬到一定高度时，磁性陀螺即可在磁性底盘的上空旋转。

磁悬浮的历史

•        磁悬浮技术的研究源于德国，早在 1922 年 赫尔曼•肯珀Hermann Kemper 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，并由此开始为人类编织一个高速乘行的梦想。进入 70 年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

•        目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，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 于 1997 年12 月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。

什么是磁悬浮列车？

磁悬浮列车是一种没有车轮的陆上无接触式有轨交通工具，时速可达到350-500公里 。

磁悬浮列车的分类

常导型是以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通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400～500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MAGLEV为代表。它是利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毫米左右，速度可达每小时500公里以上。

 

1、推进导向线圈

2、悬浮线圈

3、超导磁体

4、辅助导向系统

5、空气悬浮

6、辅助仪器的测量控制系统

2、磁悬浮列车的运动原理

磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。

磁悬浮列车是怎么飞起来的呢？

大家都知道：把两块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引。托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排斥力。应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中，实现列车与地面轨道间的无机械接触，使磁悬浮列车飞起来。

悬浮系统

从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。

电磁悬浮系统（Electro Magnetic System）:依靠在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮,属吸力悬浮系统,并主要应用于德国常导磁悬浮列车系列。

电力悬浮系统（Electro Dynamic System）:将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生感应电流,进而产生电磁斥力以支撑和导向列车.属斥力悬浮系统,并主要应用于日本超导磁悬浮列车系列。一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行

推进系统

通俗说，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，由于它与列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。具体的说是，列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。结果在一“推”一“拉”的作用下，列车向前。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。

导向系统

稳定性由导向系统来控制。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。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。

世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车

上海磁悬浮快速列车项目西起地铁二号线浦东龙阳路站，东至浦东国际机场，线路正线全长约30公里，设计最大时速430公里，单程运行时间仅8分钟。工程在2003年初建成试通车。总投资约89亿元。上海磁悬浮快速列车工程既是一条浦东国际机场与陆家嘴金融贸易区连接的高速交通线，又是一条旅游观光线，还是一条展示高科技成果的示范线。它的建成，将大大缩短市区到浦东机场的旅途时间，并为上海再增添一条亮丽的风景线。

上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力使车辆浮起来。

三、优点缺点

优点：

有速度快、爬坡能力强、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少。

    磁悬浮列车存在的问题：

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，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需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，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。

四、磁悬浮在其他领域的应用

1、高频电磁悬浮熔炼炉

主要用途：

    可以对各种合金进行 无容器熔炼及上吸铸成型

2、高频电磁感应炉

主要用途：

    用于在高真空状态下或氩气保护下熔炼各种合金，并进行水冷铜模浇铸