超导技术及磁悬浮列车.doc

1、1校本课程高二物理2016 年 3 月2目录一、 前言-（3）二、 超导技术及磁悬浮列车-（4）1.磁悬浮列车总概2.磁悬浮列车是什么3.磁悬浮列车发展史4.磁悬浮列车技术基础 5.磁悬浮列车的优势6.磁悬浮列车存在的问题 7.磁悬浮列车在中国3前言新一轮的中学课程改革正在全国上下如火如图荼地开展。这场课程改革旨在改变课程过于注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程。我校在学生全面发展的基础上，注重发展学生的个性特长。高二物理科组自主开发校本课程，利用学校安排的学习时间开设校本课程，培养学生的创新能力，成为学校一大办学

2、特色。校本课程涉及现代科学与技术知识， “现代前沿科技”讲座，使学生深刻地感受到学有所用，大大提高了学生学习物理的兴趣，拓展了学生的知识面。4超导技术及磁悬浮列车1、磁悬浮列车总概你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率 可是居高不下，大家都在密切地关注着它的发展态势。 我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努力， 却总是达不到心中理想的标准，就拿作者本人来说吧， 家住西安，距北京 1000 多公里，原先回家要 17 个小时 ，现在要 14 个小时，唉，只减少了区区 3 个小时，还要有难 熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到 500 公里/小时，那么，回家就只需要不到

3、3 个小时，跟飞机差不多了！ 其实，在本世纪五、六十年代， 铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它 蜗牛般的爬行速度，已越来越不适 应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着 铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由 200 公里向 300 公里飞速发展。据1995 年举行的国际铁路会议预测，到本世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到 360 公里。但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为

4、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5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。所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力。要进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车磁悬浮列车。尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为“铁路“ ，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说，实际上它已不复存在。轨道只剩下一条，

5、而且也不能称其 为“ 轨道“了，因为轮子并没有从上面滚过。事实上，磁 悬浮列车连轮子也没有了。 “铁路“上行驶的这种超级列车并没有传统意义上的牵引机车，它运行时并不接触地面，只是在离轨道10 厘米的高度“飞行“ 。2、磁悬浮列车是什么 磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的 时速可达到 500 公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，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。磁悬浮列车意味着这 些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整

6、个列车车厢托起， 摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。 稍有物理知识的人都知道：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。6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并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和 车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服

7、了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统EMS 系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来， 悬空运行，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；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统EDS 系统，它使用超导的磁悬浮原理，使 车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行， 这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般 为 100 毫米左右，

8、速度可达每小时 500 公里以上。 这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段。估计到下一个世纪，这两种技 术路线将依然并存。3、磁悬浮列车发展史 磁悬浮列车是自大约 200 年前斯蒂芬森的“火箭 ”号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突破。磁悬浮列 车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。磁悬浮技 术的研究源于德国，早在 1922 年德国工程师赫尔曼肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于 1934 年申请了磁悬浮列车的专利。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、

9、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。而美国和前 苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，目前只7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。下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。日本于 1962 年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70 年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1972 年首次成功地进行了 2.2 吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小 时 50 公里。 1977 年 12 月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时 204 公里，到 1979 年 12 月又进一步提高到 517 公里。198

10、2 年11 月，磁浮列车的载人试验获 得成功。 1995 年，载 人磁浮列车试验时的最高时速达到 411 公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于 1990 年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期 18.4 公里长的试验线已于 1996 年全部建设完成。德国对磁浮铁路的研究始于 1968 年（当时的联邦德国）。研究初期，常 导和超导并重，到 1977 年，先后分别研制出常导电磁铁 吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到 400 公里。后来 经过分析比较认为，超 导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难 以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。1978

11、年，决定在埃姆斯兰德修建全长 31.5 公里的 试验线，并于 1980 年开工兴建，1982 年开始进行不载人试验。列车的最高试验速度在 1983 年底达到每小时 300 公里，1984 年又进一步增至 400 公里。目前，德国在常 导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从 1973 年才开始。但是，英国则是最早将磁浮 铁路投入商业运营的国家之一。1984 年 4 月，伯明翰机 场至英特纳雄纳尔车站之间一条 600 米长的磁浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需 90 秒钟。令人遗憾的是，在 1995 年， 这趟一度

12、是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了 11 年之后被宣布停止营业，8其运送旅客的任务由机场班车所取代。4、磁悬浮列车技术基础 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，见图 3。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。下面分别对这三部分所采用的技术进行介绍。悬浮系统：目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从 悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS ）。图 4 给出了两种系统的结构差别。电磁悬浮系统（EMS ）是一种吸力 悬浮系统，是 结合在机车上的电磁铁和

13、导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为 10 毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在9停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。电力悬浮系统（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支

14、撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“ 起飞”和“着陆” 时进行有效支撑，这是因为 EDS 在机车速度低于大约 25 英里/ 小时无法保证悬浮。EDS 系统在低温超导技术下得到了更大的发展。超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应

15、动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就像冲浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。 10推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线电

16、动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于 电磁感应而推动电机的转子转动。同 样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子“ 一 样被推动做直线运动。从而在 悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头

17、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，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N 极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个 S 极线圈，现在变为 N 极线圈了，反之亦然。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。 推进系统可以分为两种。“长固定片”推进系统使用缠绕在导轨上的线性电动机作为高速磁悬浮列车的动力部分。由于高的导轨的花费而成本昂贵。而“短固定片”推进系统使用缠绕在被动的轨道上的线性感应电动机11（LIM）。虽然短固定片系统减少了导轨的花费，

18、但由于 LIM 过于沉重而减少了列成的有效负载能力，导致了比长固定片系统的高的运营成本和低的潜在收入。而采用非磁力性质的能量系统，也会导致机车重量的增加，降低运营效率。导向系统：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。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。5、磁悬浮列车的优势作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势：首先，它克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，发展前景广阔。第一条轮轨铁路出现在 1825 年， 经过 140 年

19、努力，其运 营 速度才突破 200 公里/小时，由200 公里/小时到 300 公里/小时又花了近 30 年，虽然技术还在完善与发展，继续提高速度的余地已不大，而困难 却很大。 还应注意到， 轮轨铁 路提高速度的代价是很高的，300 公里/小时高速铁路的造价比 200 公里/小时的准高速铁路高近两倍，比 120 公里/小时的普通铁路高三至八倍， 继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是 1969 年在德国出现的，日本是 1972 年造出的。可仅仅十年后的 1979 年，磁悬 浮列车技术就创造了 517 公里/小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入 500

20、公里 /小时实用运营的建造阶 段。第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达 400-500 公里/小时，超导磁悬浮可达 500-600 公里/小时。 对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客的旅行时间，因此，运行速度的要求与旅行距离的长短紧密相关。各种交通工具根据其自身12速度、安全、舒适与经济的特点，分 别在不同的旅行距离中起骨干作用。 专家们对各种运输工具的总旅行时间和旅行距离的分析表明，按总旅行时间考虑，300 公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于 700 公里时才优越。而 500 公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达 1500 公里以上。第三，磁悬浮列车能耗低，

21、据日本研究与实际试验 的结果，在同 为 500 公里时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的 13。据德国试验，当 TR 磁悬浮列车时速达到 400 公里时，其每座位公里能耗与时速 300 公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到 300 公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33。6、磁悬浮列车存在的问题 尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：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

22、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。磁悬浮铁路在一些国家里取得了较大的发展，有的甚至已基本解决了技术方面的问题而开始进入实用研究乃至商业运营阶段，但是随着时间的推移，磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势，反而越来越面临着来自其它13交通运输方式，特别是高速型常规（轮轨粘着式）铁路的强有力的挑战。首先，磁浮铁路的造价十分昂贵。与高速 铁路相比，修建磁浮铁路费用昂贵。根据日本方面的估计，磁浮 铁路的造价每公里约需 60 亿日元，比新干线高 20。如果规划中的从东京到大

23、阪之间的中央新干线修建为磁浮铁路，全线造价约需 3 万亿日元，而为了对建造磁浮铁 路这一方案进行可行性研究而计划建造的一条 42.8 公里长的试验线，其初步预算就达 3000 亿日元。德国也认为磁浮铁路的造价远远高于高速铁路。根据德国在 80 年代初的这一项估算认为，修建一条复线磁浮铁路其造价每公里约为 659 万美元，而法国的巴黎至里昂和意大利的罗马至佛罗伦萨的高速铁路每公里的造价只分别为 226 万和 236 万美元。现在，德国规划中的汉堡至柏林 292 公里长的铁路如果建造成为磁浮铁路，其初步预算就达 59 亿美元，约合每公里 2000 万美元。磁浮铁路所需的投入 较大，利 润回收期较长

24、，投 资的风险系数也较高，从而也在一定程度上影响了投资者的信心，制约了磁浮铁路的发展。其次，磁浮铁路无法利用既有的线路，必 须全部重新建 设。由于磁浮 铁路与常规铁路在原理、技术等方面完全不同，因而难以在原有设备的基础上进行利用和改造。高速铁路则不同，可以通过加强路基、改善 线路 结构、减少弯度和坡度等方面的改造，某些既有线路或某些区段就可以达到高速铁路的行车标准。如，日本 1964 年投入运营并大受欢迎的东京至大阪的新干线，在没有对机车做重大改进的情况下，仅通过修建曲线半径较大，即没有急转弯和陡坡较小的铁路等方法，从而使列车速度大大提高。再如德国的汉堡至柏林既有铁路线， 经过技 术改造后，某

25、些区段的最高速度每小时可达 230 公里。此外，欧洲一些国家如德国、瑞典、意大利等国的设计人员，还采用使车厢在转向架上转动和倾斜的升降技术来对付铁路弯道（即采用摆式车体），这样在无须对既有线路进行改造和更新的情况下，也使列车行驶速度提高到每小时14220 公里。在对既有线路进行高速铁路改造的过程中，还可以实现高、中速混跑，列车根据不同区段的最高限速以不同的速度行驶。因而，与磁浮铁路的全部重新建设相比，高速铁路的线路和运行成本就大大降低了。再次，磁浮铁路在速度上的优势并没有凸显出来。30 多年前， 许多人认为轮轨粘着式铁路的极限速度为每小时 250 公里，后来又认为是 300-380 公里。但是

26、现在，法国的“高速列 车”(TGV)、德国的“城际快车”(ICE)和穿越英吉利海峡的“ 欧洲之星”列车以及日本的新干线，其运行速度都达到或接近每小时 300 公里。1990 年，在巴黎西部地区运行的法国第二代高速列车 TGVA“大西洋 ”号更是创下了试验时速 515.3公里的世界纪录。更何况，既便是磁浮铁路的行车速度达到每小时 450-500 公里，在典型的 500 公里区间内的运行中，也只比时速为 300 公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。7、磁悬浮列车在中国 我国第一条铁路建成在 1876 年，经过七十多年的发展，全国解放时总长2.18 万公里，承担着全国 65的客运量和约 8

27、5的旅客周转量，是主要的客运交通工具。建国以来，我国铁路得到了迅速发展，营业里程迅速增 长，达到当前的 6.5 万公里，直到七十年代中后期，仍然保持着全国客运中的骨干地位。八十年代以来，由于公路与民航的迅速发展，以及经济发展对客运速度提高的需求日益增大，导致了铁路在客运中的地位明显下降， 1997 年铁路在全国客运量中的份额降至 7，在旅客周转量中份额降至 35。人 们已经认识到，必 须大力致力于列车客运提速，才能保持和发展铁路作为重要客运工具的地位。15中科院院士严陆光是我国发展高速磁悬浮技术的热心支持者之一。他认为，我国需要发展高速磁悬浮列车，就在于它最适合于我国高速客运专线网的发展。理由

28、主要有以下三点：1.我国幅员辽阔，人口众多。目前考虑的主要客运 专线（京沪 1320 公里，京广港澳 2550 公里，哈大 940 公里，徐州宝 鸡 1030 公里，浙赣 940 公里，京沈 703 公里，沪杭 194 公里）大多在 1000 公里以上。500 公里/小 时的磁悬浮列车比 300 公里/ 小时的高速轮轨列车在旅客选择民航或铁路中具有显著的优越性。2.我国至今尚无客运专线，高速客运网的形成大约需半个世纪的持续努力，恰恰成为我们在交通领域实现技术跨越发展、发挥后发优势、后来居上的重要机遇。虽然高速磁悬浮技术不如高速轮轨技术成熟，但只要我们统一认识，下定决心， 认真抓紧工作，完全可能

29、在近期内即达到成熟，并付诸实 施。3.高速磁悬浮体系的发展将带动当前众多高新技术前沿的发展，这些高新技术本身又将为新兴产业的形成和经济发展起着重要的作用。我们之所以对磁悬浮运载技术感兴趣，也是由于我们认识到，它代表着一种先进的趋势和先进的发展方向。目前，中国对磁悬浮 铁路技术的研究还处于初级阶段。经过中国铁道科学研究院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，已对低速常导磁悬浮技术有了一定认识，初步掌握了常 导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。继 1994 年西南交大成功地进行了 4 个座位、自重 4 吨、 悬浮高度为 8 毫米、时速为

30、30 公里的磁悬浮列车试验之后，由铁科院主持、长春客车厂、中科院 电 工所、国防科技大学参加，共同研制的长为 6.5 米、宽为 3 米、自重 4 吨、内设 15 个座位的 6 吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试验线的轨距为 2 米、长1636 米、设计时速为 100 公里的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，并于 1998年 12 月通过了铁道部科技成果鉴定。6 吨单转向架磁悬浮试验车的研制成功，为低速常导磁悬浮列车的研究提供了技术基础，填补了我国在磁悬浮列车技术领域的空白。其实，磁悬浮运载技术它不仅能够用于陆上平面运载，也可以用于海上运载，还能用于垂直发射，美国就在 试验用磁悬浮技术发射火箭；它在磁悬浮、直线驱动、低温超导、 电力电子、计算机控制与信息技术、医疗 等多个领域都有极重要的价值概括的说，它是一种能带动 众多高新技术发展的基础科学，又是一种具有极广泛前景的应用技术。我们可以预见，随着超导材料和超低温技术的发展，修建磁浮铁路的成本、技术及性能都有可能会大大降低。到那时，磁浮 铁路作 为一种快速、舒适的 “绿色交通工具”，将会飞驰在祖国的大地，这样，距离就不再会是阻隔我们团聚的最大因素了。