對(duì)磁懸浮在未來生活中運(yùn)用的分析

1、對(duì)磁懸浮在未來生活中運(yùn)用的分析11151032王語凡在閑暇時(shí)間，我比較喜歡用閱讀來打發(fā)時(shí)間與陶冶情操，在這些年里多多少少也閱讀了 一些現(xiàn)代人對(duì)于未來的幻想與展望，而其中出現(xiàn)頻率最高的就是磁懸浮，似乎大家在潛意識(shí) 里都認(rèn)為在幾百年或千年后，人們的主要出行用交通工具就是磁懸浮機(jī)車，就像如今的私家 車一樣，也有人說，在未來，演員用的威壓會(huì)用磁懸浮來控制，可上可下可左可右，方便使 用且不易發(fā)生事故也不易穿幫。然而，在演示實(shí)驗(yàn)室里，我親眼見到了有關(guān)磁懸浮的事實(shí)， 有在網(wǎng)上所集了一些有關(guān)資料后，對(duì)于這種觀點(diǎn)有著一些與眾不同的看法。磁懸浮技術(shù)，magnetic suspension technique，即利

2、用磁場(chǎng)力使物體沿著一個(gè)軸或幾個(gè)軸 保持一定位置的技術(shù)措施，在科學(xué)研究上常應(yīng)用于航空科技（一級(jí)學(xué)科）；飛行控制、導(dǎo)航、 顯示、控制和記錄系統(tǒng)（二級(jí)學(xué)科）。然而，在當(dāng)今世界，對(duì)于磁懸浮的主要運(yùn)用方向集中 在磁懸浮列車上。而上海那條磁懸浮就是第一個(gè)被吃的螃蟹。一、磁懸浮的歷史及現(xiàn)狀磁懸浮技術(shù)是起源于德國，早在1922年德國工程師赫爾曼肯佩爾就提出了電磁懸浮 原理，并于1934年申請(qǐng)了磁懸浮列車的專利。1970年代以后，隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟(jì)實(shí) 力的不斷加強(qiáng)，為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、 法國、英國等發(fā)達(dá)國家相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。利用磁力使物體處

3、于無接 觸懸浮狀態(tài)的設(shè)想是人類一個(gè)古老的夢(mèng)，但實(shí)現(xiàn)起來并不容易。因?yàn)榇艖腋〖夹g(shù)是集電磁學(xué)、 電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化技術(shù)（高新技 術(shù)）。隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子 動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展，磁懸浮技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。磁懸浮技術(shù)的系統(tǒng)，是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成，其中執(zhí)行器包括 電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動(dòng)，就會(huì)偏離其參 考位置，這時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為控制器的微處理器將檢測(cè)的位移變 換成控制信號(hào)，然后功率放大器將這一控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電流，控

4、制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn) 生磁力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此，不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子 始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。此外國際上對(duì)磁懸浮軸承的研究工作也非?；钴S。1988年召開了第一屆國際磁懸浮軸 承會(huì)議，此后每?jī)赡暾匍_一次。1991年，美國航空航天管理局還召開了第一次磁懸浮技術(shù) 在航天中應(yīng)用的討論會(huì)。現(xiàn)在，美國、法國、瑞士、日本和中國都在大力支持開展磁懸浮軸 承的研究工作。國際上的這些努力，推動(dòng)了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)對(duì)磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，落后外國約20年。1986 年，廣州機(jī)床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對(duì)“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應(yīng)

5、用”這 一課題進(jìn)行了研究。此后，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、山東科技大學(xué)、南京航空 航天大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。目前在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用的基本上都是傳統(tǒng)的磁懸浮軸承（需要位置傳感器的磁懸浮 軸承），這種軸承需要5個(gè)或10個(gè)非接觸式位置傳感器來檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位移。由于傳感器的存 在，使磁懸浮軸承系統(tǒng)的軸向尺寸變大、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能降低，而且成本高、可靠性低。此 外，由于傳感器的價(jià)格較高，從而導(dǎo)致磁懸浮軸承的售價(jià)很高，大大限制了它在工業(yè)上的推 廣應(yīng)用。二、磁懸浮列車1、技術(shù)系統(tǒng)（1）概述磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)三大部分組成，盡管可以使用與磁力 無關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)，但在目前的

6、絕大部分設(shè)計(jì)中，這三部分的功能均由磁力來完成。下面分別 對(duì)這三部分所采用的技術(shù)進(jìn)行介紹。（2）懸浮系統(tǒng)目前懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以分為兩個(gè)方向，分別是德國所采用的常導(dǎo)型和日本所采用的 超導(dǎo)型。從懸浮技術(shù)上講就是電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電力懸浮系統(tǒng)（EDS）。（EMS）是一種吸力懸浮系統(tǒng)，是結(jié)合在機(jī)車上的電磁鐵和導(dǎo)軌上的鐵磁軌道相互排斥 產(chǎn)生懸浮。常導(dǎo)磁懸浮列車工作時(shí)，首先調(diào)整車輛下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵的電磁排斥力， 與地面軌道兩側(cè)的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的 反作用下，使車輪與軌道保持一定的側(cè)向距離，實(shí)現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支 撐和無接觸導(dǎo)向。車輛

7、與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調(diào)整 系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車運(yùn)行速度無關(guān)，所以即使在停車狀態(tài)下 列車仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。（EDS）將磁鐵使用在運(yùn)動(dòng)的機(jī)車上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。由于機(jī)車和導(dǎo)軌的縫隙減少 時(shí)電磁斥力會(huì)增大，從而產(chǎn)生的電磁斥力提供了穩(wěn)定的機(jī)車的支撐和導(dǎo)向。然而機(jī)車必須安 裝類似車輪一樣的裝置對(duì)機(jī)車在“起飛”和“著陸”時(shí)進(jìn)行有效支撐，這是因?yàn)镋DS在機(jī) 車速度低于大約25英里/小時(shí)無法保證懸浮EDS系統(tǒng)在低溫超導(dǎo)技術(shù)下得到了更大的發(fā)展。 超導(dǎo)磁懸浮列車的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完 全抗磁性。超導(dǎo)磁鐵是

8、由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳 導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無法比擬的強(qiáng)大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強(qiáng)大的電磁鐵。超導(dǎo)磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動(dòng)繞 組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)，車輛上的感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備由動(dòng)力集成繞組、感 應(yīng)動(dòng)力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供與車輛 速度頻率相一致的三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)的電磁場(chǎng)，因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波， 這時(shí)列車上的車載超導(dǎo)磁體就會(huì)受到一個(gè)與移動(dòng)磁場(chǎng)相同步的推力，正是這種推力推動(dòng)列車 前進(jìn)。其原理就像沖浪運(yùn)動(dòng)一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰

9、并由波浪推動(dòng)他快速前進(jìn)的。與 沖浪者所面對(duì)的難題相同，超導(dǎo)磁懸浮列車要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動(dòng)電磁波 的頂峰運(yùn)動(dòng)的問題。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測(cè)車輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測(cè)儀傳 來的信息調(diào)整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運(yùn)行。（3）推進(jìn)系統(tǒng)磁懸浮列車的驅(qū)動(dòng)運(yùn)用同步直線電動(dòng)機(jī)的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是 同步直線電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈，地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)繞組起到電樞的作用，它就 像同步直線電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)定子繞組。從電動(dòng)機(jī)的工作原理可以知道，當(dāng)作為定子的電樞線圈有 電時(shí)，由于電磁感應(yīng)而推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的

10、驅(qū)動(dòng) 繞組提供三相調(diào)頻調(diào)幅電力時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用承載系統(tǒng)連同列車一起就像電機(jī)的“轉(zhuǎn)子” 一樣被推動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)。從而在懸浮狀態(tài)下，列車可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的牽引和制動(dòng)。（4）導(dǎo)向系統(tǒng)導(dǎo)向系統(tǒng)是一種測(cè)向力來保證懸浮的機(jī)車能夠沿著導(dǎo)軌的方向運(yùn)動(dòng)。必要的推力與懸浮 力相類似，也可以分為引力和斥力。在機(jī)車底板上的同一塊電磁鐵可以同時(shí)為導(dǎo)向系統(tǒng)和懸 浮系統(tǒng)提供動(dòng)力，也可以采用獨(dú)立的導(dǎo)向系統(tǒng)電磁鐵。2、優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)總的來說，磁懸浮列車具有高速，低噪音，環(huán)保，經(jīng)濟(jì)和舒適等特點(diǎn)。磁懸浮列車從北京運(yùn)行到上海，不超過4個(gè)小時(shí)，從杭州至上海只需23分鐘。在時(shí)速 達(dá)200公里時(shí)，乘客幾乎聽不到聲響。磁懸浮列車采

11、用電力驅(qū)動(dòng)，其發(fā)展不受能源結(jié)構(gòu)，特 別是燃油供應(yīng)的限制，不排放有害氣體。據(jù)專家介紹，磁懸浮線路的造價(jià)只是普通路軌的 85%，而且運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，效益會(huì)更明顯。因?yàn)?，磁懸浮列車的路軌壽命可達(dá)80年，而普 通路軌只有60年。磁懸浮列車車輛的壽命是35年，輪軌列車是20至25年。此外，磁懸 浮列車的年運(yùn)行維修費(fèi)僅為總投資的1. 2%，而輪軌列車高達(dá)4. 4%。磁懸浮高速列車的運(yùn) 行和維修成本約是輪軌高速列車的1/4。磁懸浮列車和輪軌列車乘客票價(jià)的成本比約為1： 2. 8。(2)缺點(diǎn)磁懸浮有一大缺點(diǎn)，它的車廂不能變軌，不像軌道列車可以從一條鐵軌借助道岔 進(jìn)入另一鐵軌。這樣一來，如果是兩條軌道雙向通行，一

12、條軌道上的列車只能從一個(gè)起點(diǎn)駛 向終點(diǎn)，到終點(diǎn)后，原路返回。而不像軌道列車可以換軌到另一軌道返回。因此，一條軌道 只能容納一列列車往返運(yùn)行，造成浪費(fèi)。磁懸浮軌道越長(zhǎng)，使用效率越低。2、由于磁懸浮系統(tǒng)是憑借電磁力來進(jìn)行懸浮，導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的，一旦斷電，磁懸浮列 車將發(fā)生嚴(yán)重的安全事故，因此斷電后磁懸浮的安全保障措施仍然沒有得到完全解決。 3. 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人的健康，生態(tài)環(huán)境的平衡與電子產(chǎn)品的運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生不良影響。3、2006年，德國磁懸浮控制列車在試運(yùn)行途中與一輛維修車相撞，報(bào)道稱車上共29 人，當(dāng)場(chǎng)死亡23人，實(shí)際死亡25人，4人重傷。這說明磁懸浮列車突然情況下的制動(dòng)能力 不可靠，不如輪軌列車。在

13、陸地上的交通工具沒有輪子是很危險(xiǎn)的。因?yàn)榱熊囈獜膭?dòng)量很大 降到靜止，要克服很大的慣性，只有通過輪子與軌道的制動(dòng)力來克服。磁懸浮列車沒有輪子， 如果突然停電，靠滑動(dòng)摩擦是很危險(xiǎn)的。4、磁懸浮列車又是高架的，發(fā)生事故時(shí)在5米高處救援很困難，沒有輪子，拖出事故 現(xiàn)場(chǎng)困難；若區(qū)間停電，其他車輛、吊機(jī)也很難靠近。5、磁懸浮列車需要高架，高架梁的撓度必須 小于1毫米，因此，高架橋跨一般 要小于25米，橋墩基礎(chǔ)要深30米以上。由于運(yùn)行動(dòng)力學(xué)的影 響，軌道兩側(cè)各100米 內(nèi)是不允許有其他建筑物的，所以修建磁懸浮列車軌道必將面對(duì)其占地多，對(duì)環(huán)境影 響比較大的問題三、我的分析從以上資料我們可以看出，目前磁懸浮技術(shù)

14、還不是很完善，主要發(fā)展方向，尤其 是磁懸浮列車的發(fā)展方向集中在德國的常導(dǎo)磁懸浮于日本的超導(dǎo)磁懸浮或者還可以 包括中國的永 磁懸浮。目前的磁懸浮列車的主要種類為常導(dǎo)磁懸浮與超導(dǎo)磁懸浮。常導(dǎo)磁懸浮通過電磁鐵之間不斷變化的吸力與斥力來帶動(dòng)機(jī)車前進(jìn)，所以無論是 否是未來注定了這種方法無法運(yùn)用于汽車否則兩輛車之間的復(fù)雜磁場(chǎng)關(guān)系極有可能 導(dǎo)致不斷的車毀人亡，而且即使到了終點(diǎn)，能否及時(shí)斷電姑 且不論，能否迅速停車還 是問題。畢竟磁懸浮的優(yōu)點(diǎn)是快，是現(xiàn)代 汽車速度的幾倍，所以很難停 穩(wěn)，也是一個(gè) 嚴(yán)重的問題。用電能來驅(qū)動(dòng)還有一個(gè)問題便是能源，常導(dǎo)磁懸浮是用電能來驅(qū)動(dòng)的必 然問題便是未 來煤，汽油，天然氣等的全 面退役，由此帶來的能源更迭，甚至是政治 動(dòng)蕩不是一個(gè)小問題。這一系列的問題制定了常導(dǎo)磁懸浮只可能在小 范圍內(nèi)使用而非 取代汽車成為主要交通方式。超導(dǎo)磁懸浮目前使用的不多，但主要問題也很明顯，就是超 導(dǎo)體本身的限制，目 前的超導(dǎo)材料的“工作范圍”相當(dāng)狹窄，即 幾K最多幾十K，這意味著正常情況下，超導(dǎo)體的工作范圍很受限制，人體無法忍受如此低的溫度意味著超導(dǎo) 能夠獲得必需品。我無法預(yù)測(cè)未來是否可 能出現(xiàn)常溫超導(dǎo)，以及由此 懸浮，但很明顯有三相交流電的磁場(chǎng) 帶來脈沖式的磁場(chǎng)推動(dòng)的車有著 同的缺點(diǎn)，即在路上，不同車輛間的磁場(chǎng) 會(huì)