對磁懸浮在未來生活中運用的分析

1、對磁懸浮在未來生活中運用的分析11151032王語凡在閑暇時間，我比較喜歡用閱讀來打發(fā)時間與陶冶情操，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 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，在演示實驗室里，我親眼見到了有關(guān)磁懸浮的事實， 有在網(wǎng)上所集了一些有關(guān)資料后，對于這種觀點有著一些與眾不同的看法。磁懸浮技術(shù)，magnetic suspension technique，即利

2、用磁場力使物體沿著一個軸或幾個軸 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（一級學(xué)科）；飛行控制、導(dǎo)航、 顯示、控制和記錄系統(tǒng)（二級學(xué)科）。然而，在當(dāng)今世界，對于磁懸浮的主要運用方向集中 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)濟實 力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、 法國、英國等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(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)想是人類一個古老的夢，但實現(xiàn)起來并不容易。因為磁懸浮技術(shù)是集電磁學(xué)、 電子技術(shù)、控制工程、信號處理、機械學(xué)、動力學(xué)為一體的典型的機電一體化技術(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 動力學(xué)的進展，磁懸浮技術(shù)得到了長足的發(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)子受到一個向下的擾動，就會偏離其參 考位置，這時傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點的位移，作為控制器的微處理器將檢測的位移變 換成控制信號，然后功率放大器將這一控制信號轉(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，轉(zhuǎn)子 始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。此外國際上對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 承會議，此后每兩年召開一次。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。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，推動了磁懸浮軸承在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。國內(nèi)對磁懸浮軸承的研究工作起步較晚，尚處于實驗室階段，落后外國約20年。1986 年，廣州機床研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)首先對“磁力軸承的開發(fā)及其在FMS中的應(yīng)

5、用”這 一課題進行了研究。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個或10個非接觸式位置傳感器來檢測轉(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)的動態(tài)性能降低，而且成本高、可靠性低。此 外，由于傳感器的價格較高，從而導(dǎo)致磁懸浮軸承的售價很高，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)的推進系統(tǒng)，但在目前的

6、絕大部分設(shè)計中，這三部分的功能均由磁力來完成。下面分別 對這三部分所采用的技術(shù)進行介紹。（2）懸浮系統(tǒng)目前懸浮系統(tǒng)的設(shè)計，可以分為兩個方向，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，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上與列車運行速度無關(guān)，所以即使在停車狀態(tài)下 列車仍然可以進入懸浮狀態(tài)。（EDS）將磁鐵使用在運動的機車上以在導(dǎo)軌上產(chǎn)生電流。由于機車和導(dǎo)軌的縫隙減少 時電磁斥力會增大，從而產(chǎn)生的電磁斥力提供了穩(wěn)定的機車的支撐和導(dǎo)向。然而機車必須安 裝類似車輪一樣的裝置對機車在“起飛”和“著陸”時進行有效支撐，這是因為EDS在機 車速度低于大約25英里/小時無法保證懸浮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大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。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)動力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動繞 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)動力集成設(shè)備由動力集成繞組、感 應(yīng)動力集成超導(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)動繞組提供與車輛 速度頻率相一致的三相交流電時，就會產(chǎn)生一個移動的電磁場，因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波， 這時列車上的車載超導(dǎo)磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車 前進。其原理就像沖浪運動一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰

9、并由波浪推動他快速前進的。與 沖浪者所面對的難題相同，超導(dǎo)磁懸浮列車要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動電磁波 的頂峰運動的問題。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測儀傳 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行。（3）推進系統(tǒng)磁懸浮列車的驅(qū)動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是 同步直線電動機的勵磁線圈，地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動磁場驅(qū)動繞組起到電樞的作用，它就 像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道，當(dāng)作為定子的電樞線圈有 電時，由于電磁感應(yīng)而推動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。同樣，當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的

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

11、用電力驅(qū)動，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，磁懸浮線路的造價只是普通路軌的 85%，而且運行時間越長，效益會更明顯。因為，磁懸浮列車的路軌壽命可達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 浮列車的年運行維修費僅為總投資的1. 2%，而輪軌列車高達4. 4%。磁懸浮高速列車的運 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的成本比約為1： 2. 8。(2)缺點磁懸浮有一大缺點，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起點駛 向終點，到終點后，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行，造成浪費。磁懸浮軌道越長，使用效率越低。2、由于磁懸浮系統(tǒng)是憑借電磁力來進行懸浮，導(dǎo)向和驅(qū)動功能的，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. 強磁場對人的健康，生態(tài)環(huán)境的平衡與電子產(chǎn)品的運行都會產(chǎn)生不良影響。3、2006年，德國磁懸浮控制列車在試運行途中與一輛維修車相撞，報道稱車上共29 人，當(dāng)場死亡23人，實際死亡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的。因為列車要從動量很大 降到靜止，要克服很大的慣性，只有通過輪子與軌道的制動力來克服。磁懸浮列車沒有輪子， 如果突然停電，靠滑動摩擦是很危險的。4、磁懸浮列車又是高架的，發(fā)生事故時在5米高處救援很困難，沒有輪子，拖出事故 現(xiàn)場困難；若區(qū)間停電，其他車輛、吊機也很難靠近。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。由于運行動力學(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其占地多，對環(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機車前進，所以無論是 否是未來注定了這種方法無法運用于汽車否則兩輛車之間的復(fù)雜磁場關(guān)系極有可能 導(dǎo)致不斷的車毀人亡，而且即使到了終點，能否及時斷電姑 且不論，能否迅速停車還 是問題。畢竟磁懸浮的優(yōu)點是快，是現(xiàn)代 汽車速度的幾倍，所以很難停 穩(wěn)，也是一個 嚴(yán)重的問題。用電能來驅(qū)動還有一個問題便是能源，常導(dǎo)磁懸浮是用電能來驅(qū)動的必 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 動蕩不是一個小問題。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 帶來脈沖式的磁場推動的車有著 同的缺點，即在路上，不同車輛間的磁場 會