高铁简史：磁悬浮技术的基础原理

磁悬浮的基本原理很简单，就是利用“同性相斥、异性相吸”的电磁浮原理，以磁铁对抗地心引力，让车辆悬浮起来，然后利用电磁力引导，推动列车前行。从技术上看，磁悬浮主要包括三大技术：无接触支承、导向技术和驱动技术。由于技术与工艺条件的限制，直到20 世纪60年代，各发达国家才开始大规模开展有关磁浮交通的研究，投入精力较多并且取得较为突出成就的是德国和日本。磁浮高铁的架构如图 5.4。

图5.4　磁浮高铁的架构

1.超导体 科学家发现许多金属和合金具有在低温下完全失去电阻和完全抗磁性的特性，具有这种性质的导体称为超导体。1911年，荷兰莱顿大学的卡末林-昂内斯意外地发现，将汞冷却到零下 268.98 °C 时，汞的电阻突然消失，卡末林-昂内斯称之为超导态。由于这一发现，他获得了 1913年的诺贝尔奖。超导态如图 5.5 所示。

图5.5　超导态

2.迈斯纳效应 1933年德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，金属体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。这种效应被称为“迈斯纳效应”，如图 5.6 所示。

图5.6　迈斯纳效应

3.排斥力原理 超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场强度为零，这就形成了一个斥力。当在一个超导体正下方放置一个磁体，并使磁感线垂直通过超导体的时候，超导体将获得垂直的上浮力。当这个力的大小刚好等于超导体的重力的时候，超导体就可以悬浮在空中。悬浮系统如图 5.7 所示。

图5.7　悬浮系统

排斥力随相对距离的减小而逐渐增大，它可以克服超导体的重力，使其悬浮在永磁体上方的一定高度上。当超导体远离永磁体移动时，在超导体中产生一负的磁通密度，感应出反向的临界电流，对永磁体产生吸力，可以克服超导体的重力，使其倒挂在永磁体下方的某一位置上。

4.磁浮列车原理 目前，在磁浮方面领先的是日本与德国。日本是超导磁浮［超导型就是电力悬浮系统（Electrodynamic Suspension 缩写，EDS）］，最高试验时速度达到了 603 km/h。德国采用的则是常导磁浮［常导型就是电磁悬浮系统（Electromagnetic Suspension 缩写，EMS）］，最高试验时速度 505 km/h。中国上海的磁浮线路采用的就是德国技术，运营时速度 430 km/h。磁悬浮列车结构见图 5.8。

图5.8　磁悬浮列车结构

磁力悬浮高速列车要使列车速度达到 500 km/h，普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内，在地面轨道上敷设铝环，利用它们之间发生相对运动，使铝环中产生感应电流，从而产生磁排斥作用，把列车托起离地面约 10 cm，使列车能悬浮在地面上而高速前进。磁悬浮轨道结构见图 5.9。

图5.9　磁悬浮轨道结构(www.xing528.com)

磁悬浮列车一般有低温超导（－4.2 K 液氦稀少、成本高）和高温超导（－77 K 液氮多、便宜），其中最佳温度－273.15 °C。磁悬浮列车能抵抗地球引力，悬浮于轨道上，根据工作原理不同，可以分为常导电磁吸引式悬浮和超导推斥型悬浮。“磁悬浮列车”的特点是快速、低耗、环保、安全。由于列车“包”在轨道上运行，没有脱轨危险，所以安全性极高。高速列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几趟列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。但建设一条高速磁悬浮线路的总成本很高，它相当于 3条轮轨高铁的建设成本。

5.常导电磁吸引式悬浮原理 常导电磁吸引式磁悬浮是电磁力主动控制悬浮，由车上常导电流产生的电磁吸引力，吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起，再由直线电动机驱动前进。

图5.10　德国磁悬浮列车悬浮、驱动、导向机构

图5.10 中轨道是一种T 型台，列车两边下部要把T 型轨道的两边包住，就是对置于导轨下方的悬浮电磁铁线圈提供电流产生电磁场，使之与轨道上的铁磁性导轨相互作用，利用它们之间的电磁吸力，使列车悬浮至一定的高度。但由于电磁吸引力与气隙大小近似成平方反比的非线性关系——气隙减小会使电磁吸力增大，导致气隙进一步减小，而气隙增大则使电磁吸力减小，导致气隙进一步增大。德国的TR 型磁悬浮列车就是电磁吸力型悬浮的典型代表。相关技术特性见表 5.1。

表5.1　常导电磁吸引式悬浮技术特性

6.超导推斥型悬浮原理 超导推斥型磁悬浮列车是利用同性磁极之间相互排斥的原理来实现车辆悬浮的。由于抵抗地球引力的根源在于感应电流的磁场与超导线圈的磁场相互排斥而产生排斥力，因而列车速度愈大这个排斥力就愈大，当速度超过一定值时，列车就脱离路轨表面实现悬浮。其原理是在磁悬浮列车的车体上安装超导线圈或永磁，而在轨道上分布有按一定规则排列的 8 字形线圈，当列车以一定速度前进时，超导线圈产生的强磁场就在轨道的 8 字形线圈内产生感应电流，感应电流进而产生强大电磁场，在 8 字形下半环中形成推斥磁场，上半环中形成吸引磁场，使列车悬浮。超导磁悬浮就不是列车包轨道了，而是轨道包列车，它是利用车载超导磁体在运动过程中与轨道的感应磁场产生相互排斥力，而悬浮于轨道上，列车在一个U 型槽内运营。日本东海铁路公司创造的时速 603 km 的山梨线的 MLU 型车即为超导推斥型磁悬浮列车的代表，如图5.11。相关技术特性见表 5.2。

图5.11　超导推斥型悬浮技术

表5.2　超导推斥型悬浮技术特性

7.磁浮交通技术的原理与分类 磁浮交通，顾名思义，就是靠磁力使磁浮列车浮起来运行的交通方式。电磁悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场，磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般为 8～12 mm。列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙，通过直线电机来牵引列车行走。电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体的运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度（一般为100～150 mm）。列车运行靠直线电机牵引。与电磁悬浮相比，电动式磁浮系统在静止时不能悬浮，必须达到一定速度后才能起浮，大约是达到150 km/h 开始悬浮。图5.12 所示为磁悬浮运行简图。

图5.12　磁悬浮运行简图

磁浮列车的牵引电机都是直线电机。按电机形式一般可分为两种，即长定子直线同步电机和短定子直线感应电机。当采用长定子直线同步电机时，电机的定子沿整个线路铺设，电机的转子安装在车上，适合于较高速度的磁浮列车牵引，如磁浮上海示范线、德国的TR 常导磁浮列车和日本的MLX、LO 等系列超导磁浮列车。当采用短定子直线感应电机时，电机的定子安装在车上而转子在轨道上，适合于低速磁浮列车，如长沙磁浮线、北京磁浮线和日本爱知磁浮线。由此，又可将磁浮交通技术分为高速磁浮技术（最大运行速度大致为 400～500 km/h）、中低速磁浮技术（最大运行速度一般为 80～100 km/h）两种；其中，近年来在开发的速度200 km/h 的磁浮称为中速磁浮技术。图 5.13 所示为德国TR 常导高速磁浮系统结构与原理。

图5.13　德国TR 常导高速磁浮系统结构与原理

日本的超导磁浮列车利用安装在车辆上的低温（绝对温度4.2 K）超导线圈，产生强磁场，被称为超导磁浮交通。除此之外，目前其他磁浮交通技术都采用普通导体通电励磁，产生电磁浮力和导向力，故称为常导磁浮交通。