關(guān)于磁懸浮列車的發(fā)展

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，模擬微重力環(huán)境下的空間懸浮技術(shù)已成為進(jìn)行相關(guān)高科技研究的重要手段。至今的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等，其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。

什么是磁懸浮技術(shù)呢?

磁懸浮技術(shù)是指利用磁力克服重力使物體懸浮的一種技術(shù)。目前的懸浮技術(shù)主要包括磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、電懸浮、粒子束懸浮等，其中磁懸浮技術(shù)比較成熟。磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式比較多，主要可以分為系統(tǒng)自穩(wěn)的被動懸浮和系統(tǒng)不能自穩(wěn)的主動懸浮等。

今天這篇讓我們來聊聊那些關(guān)于磁懸浮列車的那些事兒。

首先讓我們了解一下磁懸浮原理。

所謂(正)磁性，就是類似鐵這樣的物質(zhì)，會被磁鐵的N極或S極所吸引，而且基本上力的大小與距離的平方成反比。

所謂反磁性/逆磁性，會被磁鐵排斥，或者說無論磁鐵的N極或S極接近反磁性物質(zhì)，都會產(chǎn)生排斥力，而且力的大小也基本上與距離的平方成反比。

鉍是具備最強(qiáng)的反磁性的金屬。當(dāng)然，這個(gè)反磁性的大小還是比較弱的，甚至正常情況下很難觀察到。我剛才用電子分析天平測量了一下，某稀土小磁鐵在距離鉍塊0.5mm的位置上，排斥力只有0.05克力。而同樣的磁鐵距離鐵塊0.5mm的場合下有500g的吸引力，因此鉍的反磁性的大小只有鐵的正磁性的萬分之一，因此這個(gè)裝置也需要精心的設(shè)計(jì)和調(diào)整才能達(dá)到懸浮。

磁懸浮列車是一種現(xiàn)代高科技軌道交通工具，它通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向，再利用直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁力牽引列車運(yùn)行。我國第一輛磁懸浮列車(買自德國)2003年1月開始在上海磁浮線運(yùn)行。2015年10月中國首條國產(chǎn)磁懸浮線路長沙磁浮線成功試跑。

磁懸浮列車的歷史來源

1937年，德國的赫爾曼·肯佩爾申請了磁懸浮列車這一的專利。20世紀(jì)60年代，世界上出現(xiàn)了3個(gè)載人的氣墊車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它是最早對磁懸浮列車進(jìn)行研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn)，使原來十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧，這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。1969年，德國牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型，以后命名為TR01型，該車在1km軌道上時(shí)速達(dá)165km，這是磁懸浮列車發(fā)展的第一個(gè)里程碑。

中國的磁懸浮列車發(fā)展過程

1986年，西南交通大學(xué)就率先召開了磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會，成為國內(nèi)較早啟動該領(lǐng)域研究的高?？蒲袉挝?。在1988年，交大磁浮團(tuán)隊(duì)完成了單自由度鐵球懸浮實(shí)驗(yàn)，對電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)的認(rèn)識。 1989年3月，國防科技大學(xué)研制出中國第一臺磁懸浮試驗(yàn)樣車。

磁懸浮列車的原理：

使用安裝在車輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的正常導(dǎo)電磁鐵(懸掛電磁鐵)和鋪設(shè)在線路導(dǎo)軌上的磁鐵，磁場產(chǎn)生的吸引力將使車輛浮動。車輛和軌道面粉之間的間隙與吸引力的大小成反比。

為了保證這種懸掛的可靠性和列車的平穩(wěn)運(yùn)行，并使直線電機(jī)具有更高的功率，必須精確地控制電磁鐵中的電流，以便磁場保持穩(wěn)定的強(qiáng)度和懸掛力，并且在車體和導(dǎo)軌之間保持大約10毫米的間隙。

通常，用于測量間隙的氣隙傳感器用于執(zhí)行系統(tǒng)的反饋控制。這種懸掛方式不需要特殊的著陸支撐裝置和輔助著陸輪，對控制系統(tǒng)的要求可以稍低一些。

因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體的電阻為零，所以在操作中幾乎不消耗能量，并且磁場強(qiáng)度非常高。超導(dǎo)體和導(dǎo)軌之間產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力可以使車輛漂浮。當(dāng)車輛向下移動時(shí)，超導(dǎo)磁體和懸浮線圈之間的距離減小，電流增加，懸浮力增加，車輛自動返回到初始懸浮位置。

這個(gè)間隙與速度大小有關(guān)，車體只有在達(dá)到100公里/小時(shí)時(shí)才能浮動，因此，車輛必須配備機(jī)械輔助支撐裝置，如輔助支撐輪和相應(yīng)的彈簧支撐，以確保列車安全可靠地著陸?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)啟動和停止的精確控制。

中國的磁懸浮列車采用的是常導(dǎo)磁懸浮抱軌技術(shù)，目前在上海運(yùn)營的磁懸浮列車，是世界上第一條投入商業(yè)運(yùn)營的磁懸浮專線，連接市區(qū)到機(jī)場，時(shí)速達(dá)到430公里，30公里距離只需要8分鐘。

與普通的有輪列車不同，因?yàn)檎麄€(gè)列車都是懸浮在空中的，就需要精準(zhǔn)的控制只有幾毫米的懸浮高度，還要解決載客后造成列車的不平衡等問題，這些都需要由列車心臟IGBT來解決，它通過采集列車上傳感器的的信號，以每秒幾萬次的速度運(yùn)算，調(diào)整和控制車輛使其正常運(yùn)行。

雖然磁懸浮有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)建設(shè)也從未停止過，擔(dān)心它對人體輻射傷害的聲音從未停止，但人類追求更高速度的決心從未改變，中國是善于創(chuàng)造奇跡的國家，高速磁懸浮列車的下線注定又將創(chuàng)造又一個(gè)奇跡。