书城童书物理知识知道点:磁场大探秘
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第40章 磁悬浮列车

在未来,汽车有可能渐渐成为不受宠爱的产品,因为它污染环境,容易堵塞交通。磁悬浮列车将成为大众高速交通的主要手段。

磁悬浮列车原理传统的轮轨系列车的支撑、导向以及牵引、制动等功能都是靠轮轨之间的相互作用:车轮支撑在钢轨上,列车在横向的导向是靠轮缘与钢轨内侧之间的作用,而火车启动加速和制动减速时的作用力是靠车轮与钢轨之间的摩擦力。

而磁悬浮铁路上的磁悬浮列车,顾名思义是利用列车与轨道之间的磁力(吸力或斥力)把车体支撑在轨道上方,车体与轨道并不接触。

利用磁铁的吸力和斥力的磁悬浮列车的区别,主要反映在轨道形式的不同。

利用吸力的磁悬浮列车,采用的是T形轨道;它利用由传统的车载电磁体相导轨上的铁磁轨道之间相互作用产生吸引磁力而形成悬浮力和推力,使车辆浮起,它用感应线性电动机驱动。其优点是易于通过蓄电池或感应(异步)发电机向转子提供电流,应用技术较为简单。其缺点是悬浮力较小,只能浮起大约10毫米的高度,因而要求高精度控制系统,一般只适用于平原地区。由德国西门子公司开发的Transrapid系统就是这种类型的典型。

而利用斥力的磁悬浮列车,则使用U形轨道。它依靠车载超导磁体和导轨线圈产生的感应电流间的相斥力而产生悬浮。这种类型的优点是强大的超导磁体所产生的电磁力足以将车身悬浮至100毫米的高度,其缺点是超导技术很复杂,超导磁体产生的高磁场应予以屏蔽。由于列车受轨道电磁力的作用,悬浮在空中一定高度运行,因而车体的摇晃和噪声能减轻到最低水平。目前在一些工业发达的国家,磁悬浮列车的速度可达400~600千米/时。在相距较近的城市之间旅行,比乘飞机还快。

上海磁悬浮列车

与传统轮轨系统列车相比较,磁悬浮列车没有轮轨之间的摩擦阻力,也没有轮轨间的滚动噪声和振动,也没有受电弓和接触网之间的摩擦声。磁悬浮列车快速度、低噪声、无污染、运行成本少。它的出现有可能使未来的交通发生彻底的革命。

但是磁悬浮沿线路要铺设大量线圈绕组,电磁悬浮列车对轨道精度要求非常高,线路建设成本也必然较高。它最大的问题是与现有的轮轨系统铁路不兼容,自成体系。与现有铁路系统之间的运输组织工作产生新的课题。

2000年,我国引进德国技术,在上海首次建成了采用常导技术的磁悬浮列车示范线。

我国第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车,2006年正式投入商业运营。建成后,从浦东龙阳路站到浦东国际机场,30多千米只需六七分钟。上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”(简称“常导型”)磁悬浮列车。它利用“异性相吸”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吸力使车辆浮起来。

列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁,在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板,控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙,让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡,利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右,使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。

悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说,在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变成电磁体,由于它与列车上的电磁体的相互作用,使列车开动。

列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引,同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时,线圈里流动的电流方向就反过来,即原来的S极变成N极,N极变成S极。循环交替,列车就向前奔驰。

稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统,是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时,列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用,产生排斥力,使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时,控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制,达到控制运行目的。

“常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼·肯佩尔于1922年提出。

“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。只是把电动机的“转子”布置在列车上,将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”、“定子”间的相互作用,将电能转化为前进的动能。我们知道,电动机的“定子”通电时,通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时,通过电磁感应作用,列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。

上海磁悬浮列车时速430千米,一个供电区内只能允许一辆列车运行,轨道两侧25米处有隔离网,上下两侧也有防护设备。转弯处半径达8000米,肉眼观察几乎是一条直线;最小的半径也达1300米。乘客不会有不适感。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。

磁悬浮列车有许多优点:列车在铁轨上方悬浮运行,铁轨与车辆不接触,不但运行速度快,能超过500千米/时,而且运行平稳、舒适,易于实现自动控制;无噪音,不排出有害的废气,有利于环境保护;可节省建设经费;运营、维护和耗能费用低。它是21世纪理想的超级特别快车,世界各国都十分重视发展这一新型交通工具。目前,我国和日、德、英、美等国都在积极研究这种车。日本的超导磁悬浮列车已经过载人试验,即将进入实用阶段,运行时速可达500千米以上。

德国磁悬浮控制列车撞车事故

到目前可以讲,磁悬浮列车轨道技术在中国,磁悬浮列车技术仍在德国,引进产品是引进不来技术的。我国的轮轨铁路技术有近百年的历史,形成了专门从事机车设计、科研创新的产业大军,拥有数十年设计、制造、运营、维修配套的40多万人的产业链。磁悬浮技术掌握在少数专家、教授手中,是不具备应用条件的。磁悬浮列车需要高架,高架梁的绕度必须小于1毫米,因此,高架桥跨一般要小于25米,桥墩基础要深30米以上。因此,在上海到杭州的地面上要形成一道200多千米的挡墙。此外,由于运行动力学的影响,轨道两侧各100米内是不允许有其他建筑物的。修建沪杭磁悬浮,占地多,对环境影响比较大。

磁悬浮列车的缺点。2006年,德国磁悬浮控制列车在试运行途中与一辆维修车相撞,报道称车上共29人,当场死亡23人,实际死亡25人,4人重伤。这说明磁悬浮列车突然情况下的制动能力不可靠,不如轮轨列车。在陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。因为列车要从动量很大降到静止,要克服很大的惯性,只有通过轮子与轨道的制动力来克服。磁悬浮列车没有轮子,如果突然停电,靠滑动摩擦是很危险的。此外,磁悬浮列车又是高架的,发生事故时在5米高处救援很困难。没有轮子,拖出事故现场困难;若区间停电,其他车辆、吊机也很难靠近。知识点磁悬浮轴承磁悬浮轴承,是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直,轴芯与磁浮线是平行的,所以转子的重量就固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。磁悬浮事实上只是一种辅助功能,并非是独立的轴承形式,具体应用还得配合其他的轴承形式。对于磁悬浮技术,国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车,而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注,国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。