奇妙之旅——中低速磁悬浮列车

大家一定在很早以前就听说过上海的磁悬浮列车，20世纪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，建立了世界上第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车。上海磁悬浮列车专线西起上海轨道交通2号线龙阳路站，东至上海浦东国际机场，专线全长29.863千米，是由中德两国合作开发的。2001年3月1日在浦东挖下第一铲，2002年12月31日全线试运行，2003年1月4日正式开始商业运营。全程三十多千米只需8分钟，是世界上第一条商业运营的磁悬浮专线。上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。利用“异极相吸”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排斥力使车辆浮起来（利用同名磁极相互排斥的原理）。怎么样？是不是很不可思议！不过，磁悬浮列车可不止这些奇妙之处。一般认为，高速磁悬浮适合远距离交通，中低速磁悬浮适合近距离交通。在这里，我们主要介绍的就是中低速磁悬浮列车。

中低速磁悬浮是我们国家具有自主知识产权的新技术，也是城市轨道交通中最先进的技术。它可具有不少优点呢！比如环保、安全性高、爬坡能力强、转弯半径小、建设成本低等。它适用于城市市区、近距离城市间和旅游景区的交通连接，可以替代我们平时乘坐的轻轨和地铁。那么，到底什么是磁悬浮呢？

磁悬浮，如图1-7所示，是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘的一面。

磁悬浮技术其原理是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伦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛伦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。一般通过线圈的交变电流频率为104～105Hz。

同时，金属上的涡流所产生的焦耳热可以使金属熔化，从而达到无容器熔炼金属的目的。目前，在空间材料的研究领域，EML技术在微重力、无容器环境下晶体生长、固化、成核及深过冷问题的研究中发挥了重要的作用。

目前世界上有三种类型的磁悬浮：一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。

现如今，磁悬浮的应用可以说是越来越多。大家听说过磁悬浮地球仪吗？如图1-8所示，与普通地球仪不同，它无须转轴穿过球体便可悬浮于空中，更加生动真实地展现了地球在太空中的形态。磁悬浮地球仪是学生们学习地理知识、认知世界的一款好产品，寓教于乐，并可增加学生对于电、磁及能量形式转换的兴趣和对科学知识的兴趣。磁悬浮工艺品质量稳定，电源分离式设计，充分保证使用的安全。所有材料均符合环保要求，通电情况下不会产生任何异味，不会产生对人体有害的气体。磁悬浮工艺品在出厂前均经过连续48小时发光自转测试，质量件件都有保证。电路采用分离式设计，输入电压为12伏，非常安全并节能。有限流过载保护，充分保证使用安全；内置速度传感器，可自动控制旋转状态及速度，电源及安全性都有国际电工CE安全认证。

还有高速磁悬浮电机和磁悬浮轴承。高速磁悬浮电机是集磁悬浮轴承和电动机于一体，具有直悬浮和自驱动的威力，且具有体积小、临界转速高等共性。自20世纪90年代中期开始对其进行研究，相继开发了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感受型磁悬浮电机等各种结构。磁悬浮电机的研究愈来愈受到重视，例如，在磁悬浮电机独霸的生命科学领域，已研制出了离心式磁悬浮人工心脏泵，它轴颈大而轴向短，整体体积大、转速低，不仅加工难度小，而且可以有效地防止血细胞被破坏，减少溶血、凝血和血栓等问题。

磁悬浮轴承技术是目前世界上公认的高新技术之一。主动控制磁悬浮轴承（简称主动磁轴承，AMB），如图1-9所示，是利用可控磁场力提供无接触支撑、使转子稳定悬浮于空间且其动力学性能由控制系统调节的一种新型高性能轴承，是一种典型的机电一体化产品，它的研究涉及机械学、电磁学、电子学、转子动力学、控制理论和计算机科学，将作为滚动轴承、滑动轴承和空气轴承等传统机械轴承的更新换代产品，成为21世纪最有发展前途的主导轴承之一。与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无须润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还要配合其他的轴承形式，例如：磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等。

除此之外，还有一个大家很熟悉的应用就是磁悬浮列车了，如图1-10所示，它也是靠磁悬浮力，也就是我们一般常说的“同极相斥、异极相吸”原理来推动的列车。它通过车上的悬浮电磁铁和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生排斥力使车辆“浮”起来。也正是因为它是悬浮在空中的，和我们平时行驶要接触地面的车不同，所以它只受来自空气的阻力。这或许就是它最独特的地方！随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，而磁悬浮列车的技术难题就是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高科技成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。

对于中低速磁悬浮列车，目前中国正在积极研制。这种列车为3辆编组模式，由两辆结构相同的端车和一辆中间车组成，运行时速为100～120千米，首尾车定员为每辆100人，中间车为120人，使用寿命在25年以上。该车采用铝合金车体、宽幅车身，供电电压由直流750伏提高到直流1500伏，噪音低、无辐射、运行安全可靠。现在，中国最具代表性的应该就属中低速磁悬浮交通示范线——北京门头沟线（S1线），于2010年10月动工，作为北京地铁6号线的西延，连接通州和门头沟，全线长近20千米，行车最高时速100千米左右，每千米投资超过6亿元人民币。2014年10月28日，我国的两大轨道交通制造集团在第十二届中国国际现代化铁路技术装备展上同时亮相了多种新车型，其中就有“玲龙号”常导中低速磁浮列车。它与城市轨道交通和铁路干线无缝链接的城际快轨列车、耐高寒、抗风沙动车组纷纷亮相展台。除此之外，长沙正在建设国内首条中低速磁浮商业运营示范线路，并预计2015年12月试运行，2016年市民就有望坐上“高大上”的磁浮列车，如图1-11所示。届时，从黄花机场到长沙火车南站只需十多分钟。线路全长约18.55千米，全程高架铺设。长沙磁浮快线采用常导电磁铁悬浮、直线感应电机牵引，采用3节编组，车体蓝白相间，设计最高速度为每小时100千米，每列最大载客量363人。目前，该列车正在紧张的调试中。

介绍到这里，想必大家对磁悬浮技术以及中低速磁悬浮列车已经有了一定的了解。它的能效接近地铁，成本却只有地铁的三分之一，而且节能、噪音小。相信它会在城市轨道交通方面有广阔的应用前景！