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物理小论文

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日期：2013年12月17日

磁悬浮列车的原理分析
摘要：本学期学习了电磁学的很多知识，磁悬浮列车便是磁学部分在生活中的主要应用。所以这个小论文介绍磁悬浮列车的原理。本文主要分为两个部分，第一部分分析磁悬浮列车悬浮的原理、后一部分介绍磁悬浮列车前行的原理。
关键字：磁悬浮，悬浮原理，前行原理，悬浮列车。

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。那么，磁悬浮列车的工作原理是怎样的呢？
一．悬浮列车悬浮的原理
列车之所以能够悬浮在轨道上方做简单说明:磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。
1.常导磁吸式(EMS)
利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，
必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10mm的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。
2.超导磁斥式
日本磁悬浮铁路ML系统使用低温超导技术。它用液氮作为冷冻液，当线圈绕组达到-269摄氏度的温度时车载线圈绕组即进入超导状态。为了提高磁悬浮车辆上超导材料的稳定性，日本使用铌钛合金作为线圈绕组材料。
日本超导磁悬浮系统的悬浮力来自于车辆两侧。在导轨两侧的侧壁上，排列着一组组的导向绕组。当车辆高速通过时，车辆上的超导磁场会在导轨侧壁的悬浮绕组中产生感应电流和感应磁场。控制每组悬浮绕组上侧的磁场极性与车辆超导磁场的极性相反从而产生引力，下侧极性与超导磁场极性相同同而产生斥力，使得车辆悬浮起来。

由于导轨产生的悬浮磁场为感应磁场，列车运行速度越高则悬浮力越大。当列车运行速度低于120km/h之后，所产生的悬浮力较小，不足以支撑车辆悬浮。故当运行速度低于120km/h时，日本的超导磁悬浮车辆需依靠安装在转向架底部的车轮支撑行驶。
二．悬浮列车前行的原理
其次，磁悬浮列车的高速前进也是利用电磁体间的磁力完成的。简单的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁铁。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。
具体地讲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。
同时，列车的稳定由导向系统来控制。“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