磁浮技术创新论文

没有人比我更有好奇心的了，我喜爱稀奇古怪的东西，我的发现有许多，这不最近我觉得自己解开了磁悬浮的秘密。

有一次，我在家里玩磁铁，我把它放在指南针旁，突然，指针就朝向了磁铁，磁铁移向哪里指针就指向哪里，我觉得挺好玩，便想出一种有趣的玩法——用磁作画。我先在指南针的指针绑上一根活动铅笔的笔芯，在下面放上一张白纸，再用磁铁把指针转起来，磁铁吸到哪里，笔芯就划到哪里，只见纸上出现了像心电图一样的线条，我的眼睛都亮起来了。

突然一块鹅卵形的磁铁滚到了指南针对面，和我的磁铁面对面，这时，只见指针像装了弹簧似的跳了起来，我以为自己眼花了，便打开盖子看个究竟，结果还是如此，指针在两块磁铁中弹了起来，我见到这一现象百思不得其解，便马上跑去告诉爸爸。“爸爸，爸爸，我发现磁悬浮了！你看！”爸爸看着我的装置，哭笑不得：“你这也叫磁悬浮？我看这分明是两个磁铁互相吸指针嘛！真正的磁悬浮不是异极相吸，是同极相斥，因为巨大的排斥力能将沉重的列车‘托’起来，而不是把它牢牢的吸住，那样的话它动也不会动了。”

我又问：“那列车浮起来以后怎么动呢？”“当然靠火车的动力了，不过，因为它浮在空中，阻力很小，所以速度相当的快。”我还不肯罢休，又去上网去查了“磁悬浮列车”的原理，原来爸爸也是错的，实际上列车和轨道上都有磁铁，排斥力可以使列车浮起来，还能“推”着列车前进，而且前面的铁轨还利用吸引力“拉”着列车跑。

哦，原来如此！我大失所望，收拾着我的“残兵败将”又回去搞研究了。但是我很高兴，因为有时候，我的错误的发现也能给我带来许多的知识。

星期三，我们到浦东国际机场去乘坐陆地上最快的交通工具—磁悬浮列车。

我们先来到了“磁悬浮列车的原理区”。原来磁悬浮列车制造是根据磁铁的同极相斥的原理。

它的轨道其实是一块巨大的磁石，列车底部也有一块磁石，使磁石抗拒地心引力。从而使列车完全脱离轨道而悬浮行驶。

随后，我们来到了磁悬浮站口。这里的人好多哦，除了我们三年级的人以外，还有许多外国人也来乘车，他们大概也是想要感受一下磁悬浮列车的高速吧！走进车厢，映入眼帘的是两旁的软垫靠椅。

中间是供人行走的红地毯，车厢两头上方电子显示器，显示着“欢迎乘坐磁悬列车”的字样。这一切多么国际化呀！过了一会儿，字幕消失了，列车开始慢慢行驶起来。

电子显示器上开始显示1千米、2千米……两旁的风景慢慢地从眼前流过，到了60千米速度已经与汽车差不多了，100千米时，风景只能让你欣赏几秒钟，200千米时速度已经和箭一般了，300千米速度简直能和F1赛车一样快了，431千米时，两旁的风景根本已经看不清了。正当我心潮澎湃时，列车已经进站了，我还意犹未尽。

因为浦东国际机场到龙阳路有16.2公里，而我们只用了7分30秒的时间。太匪夷所思了！然后，我们又参观了浦东国际机场……这次乘坐磁悬浮列车的经历让我印象太深刻了。

高速磁浮列车是20世纪的一项技术发明，其原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁浮列车”。

由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁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浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上的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毫米（正负误差2毫米）的间隙，并使导轨钢板的吸引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。

磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行（悬浮间隙约1厘米）。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具，特别适合城市轨道交通。磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分。

“若即若离”，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种“若即若离”的状态，磁悬浮间隙约1厘米，因而有“零高度飞行器”的美誉。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道交通。

21世纪的第一个春天，3月1日，世界第一条磁悬浮列车商运线在中国上海浦东挖下了第一铲土。随着磁悬浮列车的开通，我一直都想去亲自参观一下。

今年国庆节我有幸目睹了上海磁悬浮列车的英姿。那天，爸爸开车带我们去参观浦东机场。车子行驶到龙阳路，远远望去，上海地铁二号线龙阳路站上，矗立着一座巨大的钢梁穹顶建筑。爸爸告诉我这就是高速磁悬浮列车的起点站，我仔细地观察了一下，只见在清晨的阳光下新建的磁悬浮龙阳路车站外观耀眼，极具现代感。啊，原来这儿就是磁悬浮列车出发的地方啊。

这时正好一列列车驶出了车站。刚出发的列车速度还不快，我可以看清该列车以白色为主、蓝红色相间的车厢色彩迷人，流线型的车体外观和子弹头式的车头， 美工喷绘的外表，显示出与众不同的身姿。列车越驶越快，接着用闪电般的速度在轨道上飞驰，犹如一条小白龙横飞在城市上空，一眨眼的工夫，远去的列车已经变成一个小小白点，不一会就消失得无影无踪了。“天啦，那么快！”我不禁惊讶于磁悬浮列车的高速。待晃过神来，我想起曾在书上看到：高速磁悬浮列车是一种新型的轨道交通工具，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。它不使用机械力，而是主要依靠电磁力使车体浮离轨道，就像一架超低空飞机贴近特殊的轨道运行，整个运行过程是在无接触、无磨擦的状态下实现高速行驶，时速可达550公里，因而具有“地面飞行器”、“超低空飞机”的美誉。今天我可算真正明白了为什么叫“磁悬浮列车”为“超低空飞机”了。我不禁感慨：科学进步可真快，给我们带来了如此便利、快捷、环保的交通工具，人类真是太聪明了！我一边想一边不停地回头张望那越离越远的磁悬浮列车车站。

看到我依依不舍的样子，妈妈打断了我的沉思，向我介绍说：“上海磁悬浮列车西起上海地铁2号线龙阳路车站南侧，东到浦东国际机场一期航站楼东侧，线路总长31.17公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里，总投资89亿元。上磁悬浮列车单列为3节车厢，共有座位200个左右……”

听到这些数值，我心里激动万分地想：城市的面貌有了磁悬浮列车真是更上一层楼了！

吾人对于空间的磁力作用会产生幻想与兴趣，其中磁浮列车亦在人们生活中存着神秘与好奇的面纱。

现在中小学课本中皆会学到磁铁原理，即异性相吸、同性相斥的道理。磁浮铁路技术就是应用这个原理，加上电力电子的操作与回授控制原理，驱使列车浮上轨道及推进力量在空中运转。

高中物理课本中教导我们的法拉第（Faraday）定律，这是电场与磁场间之电与力的相互磁力作用，也是磁浮列车应用浮力与推进力的基本原理。 磁浮列车系利用电磁吸引力与推进力，将列车悬浮在轨道上方约0.9公分至10公分不等高度，其中以德日磁浮列车最着名及成熟，韩中亦有轻轨成型。

德国高速磁浮列车已经在上海浦东机场正式运转，它是使用电磁铁之磁力，可以在静止状态下悬浮，该列车之最高时速为430公里，日本高速磁浮列车则利用超导体，以速度感应及诱导浮力方式，在列车时速加速到60~70公里以上时使列车悬浮，该列车最高速度在2003年12月载客试车时速已达581公里，为世界最高速度。另外磁浮捷运系统于2005年3月在日本东部丘陵线已正式营运，长度为8.9公里，该系统列车速度为100公里/小时，该系统属于都会区型，为车站静止悬浮，具有小回转半径、急升降、短距离车站等特性。

磁浮列车在德日已投入40年研发，因磁浮轨道建设在各国持正反面意见看法专家皆有，尤其在上海之磁浮列车试运转期间发生了不少工程及技术问题，就工程技术观点而言任何问题皆可以解决，这是工程上的处理方法。惟高速磁浮系统系为城际交通工具，并不具有都会区捷运之运输特性，且转乘系统的考量相当重要，这是上海高速磁浮营运不佳之主要原因。

当然，磁浮铁路也有很多的优点，如减少振动、减少噪音、速度快及环保等。只要在该系统可靠度与稳定度各项运转中获得改善及肯定，相信将会带来更快速且舒适的大众运输系统，这也是世界人类的福气。

周末，老爸老妈答应要带我去参观一下浦东国际机场，正好可以顺便体验一下磁悬浮。我背上我的小书包，装上我最还吃的零食和饮料，老大清早就嚷嚷着“出发啦”！

由于我现在约等于1.3米，所以打了个擦边球，节约了50元车费。带着紧张激动的心情，我们的列车发动了，这可比我在家搭乐高的模型车过瘾多啦！列车一会儿向左倾斜，一会儿向右，短短的几分钟就将速度提升到300KM/H，对面行驶的列车呼啸着和我们的列车擦肩而过，马路上的车子瞬间变成了甲壳虫，缓慢地爬行着。只是，还没过够瘾呢，转眼已经到了浦东国际机场了！

老爸，要不在我超1.3米之前再多乘几次？

磁悬浮列车综述 磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年Hermann Kemper先生就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。

进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。 根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。

这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。 德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。

日本开发的磁悬浮列车MAGLEV (Magically Levitated Trains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。 德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。

什么是磁悬浮列车 磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。 虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。

磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。

常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400~500公里，适合于城市间的长距离快速运输。 而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。

它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。

德国的常导磁悬浮列车 常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。

车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

常导磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象同步直线电动机的长定子绕组。

从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就象电机的“转子”一样被推动做直线运动。

从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。 日本的超导磁悬浮列车 超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。

超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。 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。 其原理就象冲浪运动一样，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。

超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外。

一、磁悬浮技术的发展与现状 磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。 磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。 二、磁悬浮的应用 磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。 高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 三、磁悬浮球控制系统的工作原理 图1 磁悬浮球控制系统功能图 电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。 以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。 四、对磁悬浮球控制器进行理论设计 首先建立数学模型得到钢球的数学模型为: 选取模型参数 通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。 所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为: 五、传递函数G(s)的性能分析 由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。希望采纳