磁懸浮列車(chē)的速度怎樣計(jì)算？

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自1825年世界上第一條標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路出現(xiàn)以來(lái)，輪軌火車(chē)一直是人們出行的交通工具。然而，隨著火車(chē)速度的提高，輪子和鋼軌之間產(chǎn)生的猛烈沖擊引起列車(chē)的強(qiáng)烈震動(dòng)，發(fā)出很強(qiáng)的噪音，從而使乘客感到不舒服。由于列車(chē)行駛速度愈高，阻力就愈大。所以，當(dāng)火車(chē)行駛速度超過(guò)每小時(shí)300公里時(shí)，就很難再提速了。 如果能夠使火車(chē)從鐵軌上浮起來(lái)，消除了火車(chē)車(chē)輪與鐵軌之間的摩擦，就能大幅度地提高火車(chē)的速度。但如何使火車(chē)從鐵軌上浮起來(lái)呢？科學(xué)家想到了兩種解決方法：一種是氣浮法，即使火車(chē)向鐵軌地面大量噴氣而利用其反作用力把火車(chē)浮起；另一種是磁浮法，即利用兩個(gè)同名磁極之間的磁斥力或兩個(gè)異名磁極之間磁吸力使火車(chē)從鐵軌上浮起來(lái)。在陸地上使用氣浮法不但會(huì)激揚(yáng)起大量塵土，而且會(huì)產(chǎn)生很大的噪音，會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的污染，因而不宜采用。這就使磁懸浮火車(chē)成為研究和試驗(yàn)的的主要方法。 當(dāng)今，世界上的磁懸浮列車(chē)主要有兩種“懸浮”形式，一種是推斥式；另一種為吸力式。推斥式是利用兩個(gè)磁鐵同極性相對(duì)而產(chǎn)生的排斥力，使列車(chē)懸浮起來(lái)。這種磁懸浮列車(chē)車(chē)廂的兩側(cè)，安裝有磁場(chǎng)強(qiáng)大的超導(dǎo)電磁鐵。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，這種電磁鐵的磁場(chǎng)切割軌道兩側(cè)安裝的鋁環(huán)，致使其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)同極性反磁場(chǎng)，并使車(chē)輛推離軌面在空中懸浮起來(lái)。但是，靜止時(shí)，由于沒(méi)有切割電勢(shì)與電流，車(chē)輛不能產(chǎn)生懸浮，只能像飛機(jī)一樣用輪子支撐車(chē)體。當(dāng)車(chē)輛在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，速度達(dá)到80公里／小時(shí)以上時(shí)，車(chē)輛就懸浮起來(lái)了。吸力式是利用兩個(gè)磁鐵異性相吸的原理，將電磁鐵置于軌道下方并固定在車(chē)體轉(zhuǎn)向架上，兩者之間產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并相互吸引時(shí)，列車(chē)就能懸浮起來(lái)。這種吸力式磁懸浮列車(chē)無(wú)論是靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都能保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。這次，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的中低速磁懸浮列車(chē)就屬于這個(gè)類(lèi)型。 “若即若離”，是磁懸浮列車(chē)的基本工作狀態(tài)。磁懸浮列車(chē)?yán)秒姶帕Φ窒厍蛞?，從而使列?chē)懸浮在軌道上。在運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)體與軌道處于一種“若即若離”的狀態(tài)，磁懸浮間隙約1厘米，因而有“零高度飛行器”的美譽(yù)。它與普通輪軌列車(chē)相比，具有低噪音、低能耗、無(wú)污染、安全舒適和高速高效的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種具有廣闊前景的新型交通工具。特別是這種中低速磁懸浮列車(chē)，由于具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合城市軌道交通。 德國(guó)和日本是世界上最早開(kāi)展磁懸浮列車(chē)研究的國(guó)家，德國(guó)開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)Transrapid于1989年在埃姆斯蘭試驗(yàn)線上達(dá)到每小時(shí)436公里的速度。日本開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出每小時(shí)550公里的世界最高紀(jì)錄。德國(guó)和日本兩國(guó)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的論證之后，均認(rèn)為有可能于下個(gè)世紀(jì)中葉以前使磁懸浮列車(chē)在本國(guó)投入運(yùn)營(yíng)。 磁懸浮列車(chē)運(yùn)行原理 磁懸浮列車(chē)是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物。其原理是利用電磁力抵消地球引力，通過(guò)直線電機(jī)進(jìn)行牽引，使列車(chē)懸浮在軌道上運(yùn)行（懸浮間隙約1厘米）。其研究和制造涉及自動(dòng)控制、電力電子技術(shù)、直線推進(jìn)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造、故障監(jiān)測(cè)與診斷等眾多學(xué)科，技術(shù)十分復(fù)雜，是一個(gè)國(guó)家科技實(shí)力和工業(yè)水平的重要標(biāo)志。它與普通輪軌列車(chē)相比，具有低噪音、無(wú)污染、安全舒適和高速高效的特點(diǎn)，有著“零高度飛行器”的美譽(yù)，是一種具有廣闊前景的新型交通工具，特別適合城市軌道交通。磁懸浮列車(chē)按懸浮方式不同一般分為推斥型和吸力型兩種，按運(yùn)行速度又有高速和中低速之分，這次國(guó)防科大研制開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車(chē)屬于中低速常導(dǎo)吸力型磁懸浮列車(chē)。 磁懸浮列車(chē)的種類(lèi) 磁懸浮列車(chē)分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩大類(lèi)。常導(dǎo)型也稱(chēng)常導(dǎo)磁吸型，以德國(guó)高速常導(dǎo)磁浮列車(chē)transrapid為代表，它是利用普通直流電磁鐵電磁吸力的原理將列車(chē)懸起，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右。常導(dǎo)型高速磁懸浮列車(chē)的速度可達(dá)每小時(shí)400～500公里，適合于城市間的長(zhǎng)距離快速運(yùn)輸。而超導(dǎo)型磁懸浮列車(chē)也稱(chēng)超導(dǎo)磁斥型，以日本MAGLEV為代表。它是利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)與布置在地面上的線圈相互作用，產(chǎn)生電動(dòng)斥力將列車(chē)懸起，懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達(dá)每小時(shí)500公里以上。這兩種磁懸浮列車(chē)各有優(yōu)缺點(diǎn)和不同的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，德國(guó)青睞前者，集中精力研制常導(dǎo)高速磁懸浮技術(shù);而日本則看好后者，全力投入高速超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)之中。 德國(guó)的常導(dǎo)磁懸浮列車(chē) 常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)工作時(shí)，首先調(diào)整車(chē)輛下部的懸浮和導(dǎo)向電磁鐵的電磁吸力，與地面軌道兩側(cè)的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車(chē)浮起。在車(chē)輛下部的導(dǎo)向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車(chē)輪與軌道保持一定的側(cè)向距離，實(shí)現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無(wú)接觸支撐和無(wú)接觸導(dǎo)向。車(chē)輛與行車(chē)軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過(guò)一套高精度電子調(diào)整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導(dǎo)向?qū)嶋H上與列車(chē)運(yùn)行速度無(wú)關(guān)，所以即使在停車(chē)狀態(tài)下列車(chē)仍然可以進(jìn)入懸浮狀態(tài)。 常導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)用同步直線電動(dòng)機(jī)的原理。車(chē)輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就象是同步直線電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈，地面軌道內(nèi)側(cè)的三相移動(dòng)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)繞組起到電樞的作用，它就象同步直線電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)定子繞組。從電動(dòng)機(jī)的工作原理可以知道，當(dāng)作為定子的電樞線圈有電時(shí)，由于電磁感應(yīng)而推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，當(dāng)沿線布置的變電所向軌道內(nèi)側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供三相調(diào)頻調(diào)幅電力時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用承載系統(tǒng)連同列車(chē)一起就象電機(jī)的“轉(zhuǎn)子”一樣被推動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)。從而在懸浮狀態(tài)下，列車(chē)可以完全實(shí)現(xiàn)非接觸的牽引和制動(dòng)。 日本的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē) 超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完全抗磁性。超導(dǎo)磁鐵是由超導(dǎo)材料制成的超導(dǎo)線圈構(gòu)成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導(dǎo)普通導(dǎo)線根本無(wú)法比擬的強(qiáng)大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強(qiáng)大的電磁鐵。 超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)的車(chē)輛上裝有車(chē)載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車(chē)的驅(qū)動(dòng)繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)，車(chē)輛上的感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備由動(dòng)力集成繞組、感應(yīng)動(dòng)力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供與車(chē)輛速度頻率相一致的三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)的電磁場(chǎng)，因而在列車(chē)導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波，這時(shí)列車(chē)上的車(chē)載超導(dǎo)磁體就會(huì)受到一個(gè)與移動(dòng)磁場(chǎng)相同步的推力，正是這種推力推動(dòng)列車(chē)前進(jìn)。其原理就象沖浪運(yùn)動(dòng)一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動(dòng)他快速前進(jìn)的。與沖浪者所面對(duì)的難題相同，超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)要處理的也是如何才能準(zhǔn)確地駕馭在移動(dòng)電磁波的頂峰運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。為此，在地面導(dǎo)軌上安裝有探測(cè)車(chē)輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測(cè)儀傳來(lái)的信息調(diào)整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車(chē)能良好地運(yùn)行。 超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)也是由沿線分布的變電所向地面導(dǎo)軌兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供三相交流電，并與列車(chē)下面的動(dòng)力集成繞組產(chǎn)生電感應(yīng)而驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)非接觸性牽引和制動(dòng)。但地面導(dǎo)軌兩側(cè)的懸浮導(dǎo)向繞組與外部動(dòng)力電源無(wú)關(guān)，當(dāng)列車(chē)接近該繞組時(shí)，列車(chē)超導(dǎo)磁鐵的強(qiáng)電磁感應(yīng)作用將自動(dòng)地在地面繞組中感生電流，因此在其感應(yīng)電流和超導(dǎo)磁鐵之間產(chǎn)生了電磁力，從而將列車(chē)懸起，并經(jīng)精密傳感器檢測(cè)軌道與列車(chē)之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時(shí)，與懸浮繞組呈電氣連接的導(dǎo)向繞組也將產(chǎn)生電磁導(dǎo)向力，保證了列車(chē)在任何速度下都能穩(wěn)定地處于軌道中心行駛。 目前存在的技術(shù)問(wèn)題 盡管磁懸浮列車(chē)技術(shù)有上述的許多優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在一些不足： (1)由于磁懸浮系統(tǒng)是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車(chē)停電后的制動(dòng)問(wèn)題仍然是要解決的問(wèn)題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)。 (2)常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低，因此對(duì)線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。 (3)超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常導(dǎo)技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)人體與環(huán)境都有影響