关于磁悬浮列车的发展

随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。至今的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。

什么是磁悬浮技术呢?

磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。目前的悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等，其中磁悬浮技术比较成熟。磁悬浮技术实现形式比较多，主要可以分为系统自稳的被动悬浮和系统不能自稳的主动悬浮等。

今天这篇让我们来聊聊那些关于磁悬浮列车的那些事儿。

首先让我们了解一下磁悬浮原理。

所谓(正)磁性，就是类似铁这样的物质，会被磁铁的N极或S极所吸引，而且基本上力的大小与距离的平方成反比。

所谓反磁性/逆磁性，会被磁铁排斥，或者说无论磁铁的N极或S极接近反磁性物质，都会产生排斥力，而且力的大小也基本上与距离的平方成反比。

铋是具备最强的反磁性的金属。当然，这个反磁性的大小还是比较弱的，甚至正常情况下很难观察到。我刚才用电子分析天平测量了一下，某稀土小磁铁在距离铋块0.5mm的位置上，排斥力只有0.05克力。而同样的磁铁距离铁块0.5mm的场合下有500g的吸引力，因此铋的反磁性的大小只有铁的正磁性的万分之一，因此这个装置也需要精心的设计和调整才能达到悬浮。

磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具，它通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。我国第一辆磁悬浮列车(买自德国)2003年1月开始在上海磁浮线运行。2015年10月中国首条国产磁悬浮线路长沙磁浮线成功试跑。

磁悬浮列车的历史来源

1937年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。

中国的磁悬浮列车发展过程

1986年，西南交通大学就率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位。在1988年，交大磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验，对电磁吸力悬浮原理有了本质的认识。 1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。

磁悬浮列车的原理：

使用安装在车辆两侧转向架上的正常导电磁铁(悬挂电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，磁场产生的吸引力将使车辆浮动。车辆和轨道面粉之间的间隙与吸引力的大小成反比。

为了保证这种悬挂的可靠性和列车的平稳运行，并使直线电机具有更高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，以便磁场保持稳定的强度和悬挂力，并且在车体和导轨之间保持大约10毫米的间隙。

通常，用于测量间隙的气隙传感器用于执行系统的反馈控制。这种悬挂方式不需要特殊的着陆支撑装置和辅助着陆轮，对控制系统的要求可以稍低一些。

因为超导磁体的电阻为零，所以在操作中几乎不消耗能量，并且磁场强度非常高。超导体和导轨之间产生的强大排斥力可以使车辆漂浮。当车辆向下移动时，超导磁体和悬浮线圈之间的距离减小，电流增加，悬浮力增加，车辆自动返回到初始悬浮位置。

这个间隙与速度大小有关，车体只有在达到100公里/小时时才能浮动，因此，车辆必须配备机械辅助支撑装置，如辅助支撑轮和相应的弹簧支撑，以确保列车安全可靠地着陆。控制系统应能实现启动和停止的精确控制。

中国的磁悬浮列车采用的是常导磁悬浮抱轨技术，目前在上海运营的磁悬浮列车，是世界上第一条投入商业运营的磁悬浮专线，连接市区到机场，时速达到430公里，30公里距离只需要8分钟。

与普通的有轮列车不同，因为整个列车都是悬浮在空中的，就需要精准的控制只有几毫米的悬浮高度，还要解决载客后造成列车的不平衡等问题，这些都需要由列车心脏IGBT来解决，它通过采集列车上传感器的的信号，以每秒几万次的速度运算，调整和控制车辆使其正常运行。

虽然磁悬浮有着诸多的优点，研发建设也从未停止过，担心它对人体辐射伤害的声音从未停止，但人类追求更高速度的决心从未改变，中国是善于创造奇迹的国家，高速磁悬浮列车的下线注定又将创造又一个奇迹。