磁懸浮技術(shù)歷史
磁懸浮技術(shù)國際
磁懸浮列車
1842年,英國物理學(xué)家Earnshaw就提出了磁懸浮的概念,同時(shí)指出:單靠磁鐵是不能將一個(gè)鐵磁體在所有六個(gè)自由度上都保持在自由穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。
1900年初,美國,法國等專家曾提出物體擺脫自身重力阻力并高效運(yùn)營的若干猜想--也就是磁懸浮的早期模型。并列出了無摩擦阻力的磁懸浮列車使用的可能性。 然而,當(dāng)時(shí)由于科學(xué)技術(shù)以及材料局限性磁懸浮列車只處于猜想階段,未提出一個(gè)切實(shí)可行的辦法來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
1937年,德國的赫爾曼·肯佩爾申請(qǐng)了磁懸浮列車這一的。
20世紀(jì)60年代,世界上出現(xiàn)了3個(gè)載人的氣墊車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),它是對(duì)磁懸浮列車進(jìn)行研究的系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展,特別是固體電子學(xué)的出現(xiàn),使原來十分龐大的控制設(shè)備變得十分輕巧,這就給磁懸浮列車技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)的可能。1969年,德國牽引機(jī)車公司的馬法伊研制出小型磁懸浮列車系統(tǒng)模型,以后命名為TR01型,該車在1km軌道上時(shí)速達(dá)165km,這是磁懸浮列車發(fā)展的個(gè)里程碑。
1966年,美國科學(xué)家詹姆斯·鮑威爾和戈登·丹比提出了個(gè)具有實(shí)用性質(zhì)的磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)。
在20世紀(jì)70、80年代,磁懸浮列車系統(tǒng)繼續(xù)在德國蒂森亨舍爾測試和實(shí)施運(yùn)行。德國開始命名這套磁懸浮系統(tǒng)為“磁懸浮”。
1970年代以后,隨著世界工業(yè)化國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng),為提高交通運(yùn)輸能力以適應(yīng)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要,德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達(dá)國家相繼開始籌劃進(jìn)行磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)的開發(fā)。
日本新干線,磁懸浮列車
在制造磁懸浮列車的角逐中,日本和德國是兩大競爭對(duì)手。1994年2月24日,日本的電動(dòng)懸浮式磁懸浮列車,在宮崎一段74km長的試驗(yàn)線上,創(chuàng)造了時(shí)速430km的日本記錄。1999年4月日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車在實(shí)驗(yàn)線上達(dá)到時(shí)速550公里(新干線)。德國經(jīng)過20年的努力,技術(shù)上已趨成熟,已具有建造運(yùn)營線路的水平。原計(jì)劃在漢堡和柏林之間修建條時(shí)速為400公里的磁懸浮鐵路,總長度為248 km,預(yù)計(jì)2003年正式投入營運(yùn),但由于資金計(jì)劃和輻射健康問題,2002年宣布停止了這一計(jì)劃。
2009年時(shí),國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)是磁懸浮軸承和磁懸浮列車,而應(yīng)用泛的是磁懸浮軸承。它的無接觸、無摩擦、使用壽命長、不用潤滑以及高精度等特殊的優(yōu)點(diǎn)引起世界各國科學(xué)界的特別關(guān)注,國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)界人士都對(duì)其傾注了極大的興趣和研究熱情。
2015年,日本L0型磁懸浮列車刷新了磁懸浮列車的世界記錄,達(dá)到時(shí)速603公里的記錄。[1]
磁懸浮是利用懸浮磁力使物體處于一個(gè)無摩擦、無接觸懸浮的平衡狀態(tài),磁懸浮看起來簡單,但是具體磁懸浮懸浮特性的實(shí)現(xiàn)卻經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歲月。由于磁懸浮技術(shù)原理是集電磁學(xué)、電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)為一體的典型的機(jī)電一體化。伴隨著電子技術(shù)、控制工程、信號(hào)處理元器件、電磁理論及新型電磁材料的發(fā)展和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步的研究,磁懸浮隨之解開了其神秘一方面。
磁懸浮技術(shù)中國
1986年,西南交通大學(xué)就召開了磁浮技術(shù)與磁浮列車技術(shù)研究大會(huì),成為國內(nèi)較早啟動(dòng)該領(lǐng)域研究的高校科研單位。在1988年,交大磁浮團(tuán)隊(duì)完成了單自由度鐵球懸浮實(shí)驗(yàn),對(duì)電磁吸力懸浮原理有了本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。[2]
1989年3月,國防科技大學(xué)研制出一臺(tái)磁懸浮試驗(yàn)樣車。
1990年,西南交大磁浮團(tuán)隊(duì)研究成功了由 4臺(tái)小電磁鐵構(gòu)成的磁浮模型車,并實(shí)現(xiàn)了模型車的穩(wěn)定懸浮和基于直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。[2]
1994年10月,連級(jí)三教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)成功地研制出了一輛可載人4噸磁浮車及其試驗(yàn)線,并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定懸浮與運(yùn)行,這是中國在磁浮列車領(lǐng)域的突破,標(biāo)志著中國開始擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁浮列車技術(shù)。該項(xiàng)目1996年通過科技成果鑒定,并獲該年度科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和1997年度國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。[2]
1995年,一條磁懸浮列車試驗(yàn)線在西南交通大學(xué)建成,并且成功進(jìn)行了穩(wěn)定懸浮、導(dǎo)向、驅(qū)動(dòng)控制和載人運(yùn)行等時(shí)速為30.0 km的試驗(yàn)。西南交通大學(xué)這條試驗(yàn)線的建成,標(biāo)志中國已經(jīng)掌握制造磁懸浮列車的技術(shù)。
1997年3月,青城山磁浮車工程試驗(yàn)線的可行性研究通過國家科委工業(yè)科技司組織的專家評(píng)審。
1998年,青城山磁浮列車工程試驗(yàn)示范線工程立項(xiàng),并開始籌備建設(shè)青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線。
2001年,開始動(dòng)工修建長430m的青城山磁浮列車工程試驗(yàn)線。[2]
2005年,西南交通大學(xué)與上海磁浮交通工程技術(shù)中心簽訂了“上海城軌磁浮列車車輛總體設(shè)計(jì)”合同,并于次年3月又簽訂了“上海低速(城軌)磁浮交通試驗(yàn)線工程懸浮控制設(shè)備供貨及服務(wù)”合同,全面參加上海城軌磁浮試驗(yàn)線磁浮列車研制。該試驗(yàn)列車為三節(jié)編組,為全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并創(chuàng)下多個(gè)“”:國內(nèi)采用整體電磁鐵結(jié)構(gòu),采用五懸浮架結(jié)構(gòu),采用DC330V懸浮電源,采用三選二懸浮傳感器,列車運(yùn)行速度100km/h。
2008年和2009年,西南交通大學(xué)又與中國南車股份有限公司簽訂“中低速磁浮交通系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)研究”合同,與南車株洲電力機(jī)車有限公司簽訂“中低速磁浮列車方案設(shè)計(jì)研究”合同。攻關(guān)中,交大團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了適用于中國國情的1860mm軌距和2800mm車寬。這標(biāo)志著西南交通大學(xué)在聯(lián)合企業(yè)推進(jìn)中低速磁浮列車產(chǎn)業(yè)化的工作中又邁進(jìn)一步。
為進(jìn)一步推動(dòng)中低速磁浮列車工程化,西南交大與南車株洲電力機(jī)車有限公司于2011年又簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)懸浮架試驗(yàn)車懸浮控制系統(tǒng)研制”和“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)中低速磁浮列車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究”合同;于2011年簽訂了“常導(dǎo)短定子異步驅(qū)動(dòng)中低速磁浮列車懸浮控制系統(tǒng)”,全面參加了株洲中低速磁浮列車的研制。
2012年1月20日,中低速磁浮列車在南車株洲電力機(jī)車有限公司內(nèi)下線,這是一條按商業(yè)運(yùn)行條件設(shè)計(jì)的磁浮列車及試驗(yàn)線路,磁浮列車運(yùn)行速度100km/h,能適應(yīng)試驗(yàn)線各種曲線及坡道的要求。
2013年由錢清泉院士牽頭的 “中低速磁浮交通技術(shù)與系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究” 項(xiàng)目立項(xiàng),項(xiàng)目研究匯聚國內(nèi)磁浮領(lǐng)域的院士專家,包括電氣工程學(xué)院和牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)專家教授,對(duì)我國中低速磁浮交通的發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了深入研究,論證了我國發(fā)展中低速磁浮必在性和戰(zhàn)略意義,進(jìn)一步推動(dòng)了長沙中低速磁浮工程應(yīng)用線的建設(shè)。
2014年,西南交通大學(xué)搭建了個(gè)真空管道超高速磁懸浮列車原型試驗(yàn)平臺(tái)。列車運(yùn)行時(shí),管道內(nèi)的大氣壓相當(dāng)于外界的十分之一。研究人員希望通過建造低壓環(huán)境,減少空氣對(duì)磁懸浮列車的阻力。在理想狀態(tài)下,列車在低壓管道中最終能實(shí)現(xiàn)時(shí)速大于1000公里的行駛,并且能耗低,無噪聲污染。[13-14]
2015年12月26日試運(yùn)行的長沙高鐵南站至黃花機(jī)場的18.55km“長沙磁浮快線”采用了此前西南交大與南車株洲電力機(jī)車有限公司研制的中低速磁浮列車系統(tǒng)技術(shù),該列車懸浮系統(tǒng)核心技術(shù)由西南交通大學(xué)提供。[2]
上海磁浮列車(Shanghai Maglev Train)是服務(wù)于中國上海市的磁浮系統(tǒng)。2001年年1月,上海磁浮列車工程項(xiàng)目啟動(dòng);3月1日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線工程舉行開工儀式;9月,上海磁浮列車工程進(jìn)入技術(shù)攻堅(jiān)關(guān)鍵性階段;11月,上海磁浮列車龍陽路站架梁成功。2002年2月,上海磁浮列車系統(tǒng)設(shè)備安裝全面展開;7月,上海磁浮列車進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,軌道梁制作完成;8月,上海磁浮列車三節(jié)車廂運(yùn)抵上海;9月,首列上海磁浮列車上線參加綜合調(diào)試;11月2日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線首根軌道梁起運(yùn);12月31日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線舉行了通車典禮。2003年10月11日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線開始開放運(yùn)行。2004年1月29日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線開始全天對(duì)外試運(yùn)行。2006年4月27日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線正式投入商業(yè)運(yùn)營。2007年4月26日,上海磁浮列車示范運(yùn)營線通過國家驗(yàn)收。截至2006年4月,上海磁浮列車共開通1條線路,線路總長30千米,采用磁浮系統(tǒng),共計(jì)2座車站投入運(yùn)營。截至2017年9月5日,上海磁浮列車總計(jì)運(yùn)輸乘客5000萬人次、安全運(yùn)行1688萬千米。
2017年,于2017年正式布局并積極推進(jìn)高速飛車工程,幾年來扎實(shí)推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),不斷取得新突破。2019年5月,時(shí)速600公里高速磁懸浮試驗(yàn)樣車下線。同年9月,時(shí)速600公里高速磁懸浮列車牽引動(dòng)力核心關(guān)鍵部件發(fā)布。2020年6月,時(shí)速600公里高速磁懸浮試驗(yàn)樣車成功試跑。[7] 2021年,時(shí)速1000公里磁懸浮高速飛車試驗(yàn)線開建。[6]
2021年1月13日上午,高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車在位于西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的165米驗(yàn)證段上緩緩行駛。這是由我國自主研發(fā)設(shè)計(jì)、自主制造的世界高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗(yàn)線正式啟用,設(shè)計(jì)時(shí)速620千米,標(biāo)志著我國高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化研究實(shí)現(xiàn)從無到有的突破。[12] [15]
當(dāng)?shù)貢r(shí)間2022年9月20日,在2022德國柏林國際軌道交通技術(shù)展覽會(huì)上,中國中車面向發(fā)布了當(dāng)前世界上可實(shí)現(xiàn)的速度陸地公共交通工具——時(shí)速600公里高速磁浮交通系統(tǒng)。[9]
2022年10月15日,中北大學(xué)與航天三院共同承擔(dān)研制的山西省重大項(xiàng)目超高速低真空管道磁浮交通系統(tǒng)全尺寸試驗(yàn)線(一期)項(xiàng)目(“高速飛車”項(xiàng)目)在山西省大同市陽高縣完成系統(tǒng)性試驗(yàn),“首航”成功。[10]
磁懸浮技術(shù)原理
磁懸浮技術(shù)的系統(tǒng),是由轉(zhuǎn)子、傳感器、控制器和執(zhí)行器4部分組成,其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。假設(shè)在參考位置上,轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動(dòng),就會(huì)偏離其參考位置,這時(shí)傳感器檢測出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移,作為控制器的微處理器將檢測的位移變換成控制信號(hào),然后功率放大器將這一控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電流,控制電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力,從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子返回到原來平衡位置。因此,不論轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動(dòng),轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。
磁懸浮技術(shù)分類
磁懸浮技術(shù)抗磁質(zhì)懸浮
1842年,英國物理學(xué)家Earnshow在研究點(diǎn)粒子集在靜電力作用下的穩(wěn)定靜止問題時(shí)提出的恩肖理論,這個(gè)定理后來被推廣到滿足平方反比例定律力場中的物體靜止平衡問題。
恩肖指出,物體處于穩(wěn)定的靜止?fàn)顟B(tài)需要兩個(gè)條件,物體在平衡點(diǎn)處合力為零同時(shí)物體在平衡點(diǎn)處合力的通量小于零。其中第二條件,合力通量小于零保證了物體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定,也就是物體受到擾動(dòng)后,所受到的合力仍然指向平衡點(diǎn)。
對(duì)于永磁體與鐵磁質(zhì)、永磁體之間的作用力滿足平方反比關(guān)系,所以根據(jù)恩肖理論,永磁體之間或者永磁體與鐵磁質(zhì)之間是不可能產(chǎn)生穩(wěn)定的磁懸浮的。
恩肖理論中的兩個(gè)條件后來被布魯貝克(Braunbeck)于1939年應(yīng)用于磁介質(zhì)或者電介質(zhì)在磁場或者電場中的穩(wěn)定問題。布魯貝克指出對(duì)于相對(duì)磁導(dǎo)率小于1的磁介質(zhì)可以在靜磁場中保持穩(wěn)定。
相對(duì)磁導(dǎo)率小于1的磁材料,通常成為抗磁質(zhì),這種磁懸浮通常稱為抗磁質(zhì)懸浮。但是抗磁質(zhì)的磁化率值往往很小,磁化率的抗磁質(zhì)為熱解碳,其磁化率為-400e-6,所以抗磁質(zhì)懸浮往往需要比較強(qiáng)的磁場。金屬金屬鉍、銻、水以及絕大多數(shù)的有機(jī)物都是抗磁質(zhì),2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈- 蓋姆在1997成功用16T的磁場將一只青蛙懸浮。
磁懸浮技術(shù)超導(dǎo)斥力懸浮
除了抗磁質(zhì)外超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí),由于邁斯納效應(yīng)磁通不能穿透超導(dǎo)體,其磁化率等于-1,所以其滿足布魯貝克推論的條件,這種懸浮稱為超導(dǎo)體斥力懸浮。
磁懸浮技術(shù)超導(dǎo)釘扎懸浮
對(duì)于非理想第二類超導(dǎo)體來說,其具有釘扎效應(yīng),當(dāng)非理想第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)時(shí),非理想第二類超導(dǎo)體可以俘獲并釘扎磁力線,與磁場產(chǎn)生釘扎力,利用釘扎效應(yīng)也可以產(chǎn)生磁懸浮,這種懸浮稱為釘扎懸浮或者量子懸浮。
磁懸浮技術(shù)渦流懸浮
對(duì)于常規(guī)磁介質(zhì),比如弱磁性材料,其相對(duì)磁導(dǎo)率接近于1,當(dāng)其表面或者內(nèi)部產(chǎn)生渦流時(shí),相當(dāng)于產(chǎn)生抗磁效應(yīng),使物體等效相對(duì)磁導(dǎo)率小于1。當(dāng)然渦流懸浮也可以利用,楞次定律來解釋。渦流懸浮通常使用交流電源、電磁鐵和導(dǎo)電的弱磁材料比如銅、鋁作為懸浮物體。
磁懸浮技術(shù)電動(dòng)懸浮
電動(dòng)懸浮也是渦流原理,但是渦流的產(chǎn)生并不是因?yàn)榇旁唇蛔儯且驗(yàn)榇朋w與弱磁性材料之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。比如,磁體(永磁體或者超導(dǎo)磁體)在鋁板或者銅板上快速移動(dòng),那么鋁板或者銅板上會(huì)感應(yīng)渦流,渦流阻礙磁體與銅板與鋁板的相對(duì)運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生磁阻力,垂直方向產(chǎn)生使物體可以懸浮浮力。
磁懸浮技術(shù)主動(dòng)控制懸浮
主動(dòng)控制懸浮是對(duì)不能夠自穩(wěn)的懸浮系統(tǒng)采用閉環(huán)控制的方法是懸浮穩(wěn)定的一種懸浮技術(shù)。電磁吸力懸浮是主動(dòng)控制懸浮的一種。
此外還有諧振懸浮、自旋穩(wěn)定懸浮等多種形式的懸浮技術(shù)。
磁懸浮技術(shù)技術(shù)
磁懸浮技術(shù)空間技術(shù)
隨著航天事業(yè)的發(fā)展,模擬微重力環(huán)境下的空間懸浮技術(shù)已成為進(jìn)行相關(guān)高科技研究的重要手段。至2012年的懸浮技術(shù)主要包括電磁懸浮、光懸浮、聲懸浮、氣流懸浮、靜電懸浮、粒子束懸浮等,其中電磁懸浮技術(shù)比較成熟。
磁懸浮列車工作示意圖
一般習(xí)慣叫electromagnetic suspension (EMS)。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產(chǎn)生的渦流來實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬球的懸浮。將一個(gè)金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時(shí),高頻電磁場會(huì)在金屬材料表面產(chǎn)生一高頻渦流,這一高頻渦流與外磁場相互作用,使金屬樣品受到一個(gè)洛淪茲力的作用。在合適的空間配制下,可使洛淪茲力的方向與重力方向相反,通過改變高頻源的功率使電磁力與重力相等,即可實(shí)現(xiàn)電磁懸浮。一般通過線圈的交變電流10^4-10^6Hz。
同時(shí),金屬上的渦流所產(chǎn)生的焦耳熱可以使金屬熔化,從而達(dá)到無容器熔煉金屬的目的。至2012年,在空間材料的研究領(lǐng)域,EML技術(shù)在微重力、無容器環(huán)境下晶體生長、固化、成核及深過冷問題的研究中發(fā)揮了重要的作用。
至2012年世界上有三種類型的磁懸浮。一是以德國為代表的常導(dǎo)電式磁懸浮,二是以日本為代表的超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮,這兩種磁懸浮都需要用電力來產(chǎn)生磁懸浮動(dòng)力。而第三種,就是中國的永磁懸浮,它利用特殊的永磁材料,不需要任何其他動(dòng)力支持。
磁懸浮技術(shù)中國技術(shù)
運(yùn)行中的磁懸浮列車
2006年8月17日,“中華01號(hào)”永磁懸浮路車模型在大連舉行的2006中國國際技術(shù)與產(chǎn)品交易會(huì)上亮相。該模型是大連3000米永磁懸浮試驗(yàn)線路的仿真微縮,專為城市之間的區(qū)域交通設(shè)計(jì)。列車在高架的磁軌上運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)速230公里,既可貨運(yùn),又可客運(yùn),適用于大都市圈的交通運(yùn)輸。據(jù)半島晨報(bào)報(bào)道 只有在小說、科幻電影中才能見到的“大玩具”列車馬上就要出現(xiàn)在大連人身邊了。,3000米永磁懸浮試驗(yàn)線擬定年底在開發(fā)區(qū)建設(shè)。2006年8月17日上午,在大連世界博覽廣場舉辦的“2006年中國國際技術(shù)與產(chǎn)品交易會(huì)”上,“中華01號(hào)”1/10槽軌永磁懸浮微縮路-車格外引人注目。該車按照1/10比例微縮,幾何尺寸按實(shí)車微縮;路橋結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、車輛結(jié)構(gòu)與懸浮功能為仿真微縮。在技術(shù)人員的操作下,懸浮在槽軌上的微縮列車十分輕巧“跑”起來,啟動(dòng)、剎車十分靈活并且悄無聲息。據(jù)了解,至2012年,世界上有3種類型磁懸浮技術(shù),即日本的超導(dǎo)電動(dòng)磁懸浮、德國的常導(dǎo)電磁懸浮和中國的永磁懸浮。永磁懸浮技術(shù)是中國大連擁有核心及相關(guān)技術(shù)發(fā)明的原始創(chuàng)新技術(shù)。據(jù)技術(shù)人員介紹,日本和德國的磁懸浮列車在不通電的情況下,車體與槽軌是接觸在一起的,而利用永磁懸浮技術(shù)制造出的磁懸浮列車在任何情況下,車體和軌道之間都是不接觸的。中國永磁懸浮與國外磁懸浮相比有五大方面的優(yōu)勢:一是懸浮力強(qiáng)。二是經(jīng)濟(jì)性好。三是節(jié)能性強(qiáng)。四是安全性好。五是平衡性穩(wěn)定。槽軌永磁懸浮是專為城市之間的區(qū)域交通設(shè)計(jì)的,列車在高架的槽軌上運(yùn)行,設(shè)計(jì)時(shí)速230公里,既可客運(yùn),又可貨運(yùn)。大連磁谷科技研究所有限公司蘇珣總經(jīng)理告訴記者,3000米永磁懸浮列車線路預(yù)計(jì)在至2011年年底建設(shè),地點(diǎn)擬定在開發(fā)區(qū)。2010年4月8日,中國首輛高速磁懸浮國產(chǎn)車在成都交付。該樣車由中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司制造,標(biāo)志著該企業(yè)已經(jīng)具備了磁懸浮車輛國產(chǎn)化、整車集成和制造能力。該高速磁浮列車可以達(dá)到每小時(shí)100公里。中航工業(yè)成飛此次交付的車輛是參照德國轉(zhuǎn)讓技術(shù),按照上海磁浮公司的改進(jìn)方案要求研制的輛工程化樣車,在上海編組成列后,投入上海示范線的商業(yè)營運(yùn),并有望在世博會(huì)期間投入使用。
2021年10月14日18時(shí)51分,中國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征二號(hào)丁運(yùn)載火箭,成功發(fā)射首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星“羲和號(hào)”,實(shí)現(xiàn)中國太陽探測零的突破。“羲和號(hào)”高性能技術(shù)衛(wèi)星平臺(tái)在軌試驗(yàn)成功后,是世界上將磁懸浮技術(shù)在航天器上進(jìn)行工程應(yīng)用,將大幅提升中國空間觀測技術(shù)水平。[4]
2022年3月10日消息,中車株洲電力機(jī)車有限公司黨委書記、董事長周清和10日透露,由該公司研制、中國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首列商用磁浮3.0列車,已在同濟(jì)大學(xué)高速磁浮試驗(yàn)線上完成相關(guān)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試。[5]
磁懸浮技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)
磁懸浮技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
磁懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn):列車在鐵軌上方懸浮運(yùn)行,鐵軌與車輛不接觸,不但運(yùn)行速度非常快,可以超過500 千米/小時(shí),;無噪音,不排出有害的廢氣,有利于環(huán)境保護(hù)。由于無需車輪,不存在輪軌摩擦而產(chǎn)生的輪對(duì)磨損,減少了維護(hù)工作量和經(jīng)營成本。
它是21 世紀(jì)理想的超級(jí)特別快車,世界各國都十分重視發(fā)展磁懸浮列車。至2012年,中國和日本、德國、英國、美國等國都在積極研究這種車。日本的超導(dǎo)磁懸浮列車已經(jīng)過在軌試驗(yàn),即將進(jìn)入實(shí)用階段,運(yùn)行時(shí)速可達(dá)300千米以上。
磁懸浮列車運(yùn)行時(shí)與軌道保持一定的間隙(一般為1—10cm),因此運(yùn)行安全、平穩(wěn)舒適、無噪聲,可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化運(yùn)行。磁懸浮列車的使用壽命可達(dá)35年,而普通輪軌列車只有20—25年。磁懸浮列車路軌的壽命是80年,普通路軌只有60年。時(shí)速是日本L0型磁懸浮列車在2015年達(dá)到的603公里/小時(shí)。據(jù)德國科學(xué)家預(yù)測,到20年,磁懸浮列車采用新技術(shù)后,時(shí)速將達(dá)1000公里。而當(dāng)前中國的輪軌列車運(yùn)營速度時(shí)速為496公里 (法國 TGV 電氣火車時(shí)速在2007年的測試中達(dá)到過574.8公里/小時(shí))。[1]
磁懸浮技術(shù)缺點(diǎn)
日本新干線,磁懸浮列車
據(jù)稱,在陸地上的交通工具沒有輪子是很危險(xiǎn)的。要克服很大的慣性,只有通過輪子與軌道的制動(dòng)力來克服。磁懸浮列車沒有輪子,如果突然停電,靠滑動(dòng)摩擦是很危險(xiǎn)的。而對(duì)于磁懸浮,當(dāng)遭遇突然停電,采取的是機(jī)械臂鎖死軌道強(qiáng)制停車,這正是磁懸浮相對(duì)于輪軌滑動(dòng)摩擦制動(dòng)方式而言會(huì)更加危險(xiǎn),會(huì)導(dǎo)致車毀人亡的悲劇,國外無一例建造正是此特點(diǎn)。
此外,磁懸浮列車又是高架的,發(fā)生事故時(shí)在5米高處救援很困難,沒有輪子,拖出事故現(xiàn)場困難;若區(qū)間停電,其他車輛、吊機(jī)也很難靠近。但是相比較于其他輪軌鐵路,不論高鐵、地鐵,還是輕軌,也同樣是高架的。
2006年,德國磁懸浮控制列車在試運(yùn)行途中與一輛維修車相撞,報(bào)道稱車上共29人,當(dāng)場死亡23人,實(shí)際死亡25人,4人重傷。這說明磁懸浮列車突然情況下的制動(dòng)能力不可靠,不如輪軌列車。說明磁懸浮列車突然情況下的制動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上輪軌列車,且安全性沒有輪軌火車高(輪軌安全性高數(shù)十倍)。
磁懸浮技術(shù)應(yīng)用
磁懸浮列車
利用“同性相斥,異性相吸”的原理,讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力,使車體脫離軌道,懸浮在距離軌道約1厘米處,騰空行駛,創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。一條磁懸浮列車示范運(yùn)營線——上海磁懸浮列車,建成后,從浦東龍陽路站到浦東國際機(jī)場,三十多公里只需7~8分鐘。上海磁懸浮列車是“常導(dǎo)磁斥型”(簡稱“常導(dǎo)型”)磁懸浮列車。是利用“同名磁極相互排斥”原理設(shè)計(jì),是一種排斥力懸浮系統(tǒng),利用安裝在列車兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的懸浮電磁鐵,和鋪設(shè)在軌道上的磁鐵,在磁場作用下產(chǎn)生的排斥力使車輛浮起來。就是說,軌道產(chǎn)生磁力的排斥力與列車的重力在一個(gè)相應(yīng)平衡的數(shù)據(jù)時(shí),列車就會(huì)懸浮起來。
列車底部及兩側(cè)轉(zhuǎn)向架的頂部安裝電磁鐵,在“工”字軌的上方和上臂部分的下方分別設(shè)反作用板和感應(yīng)鋼板,控制電磁鐵的電流使電磁鐵和軌道間保持1厘米的間隙,讓轉(zhuǎn)向架和列車間的排斥力與列車重力相互平衡,利用磁鐵排斥力將列車浮起1厘米左右,使列車懸浮在軌道上運(yùn)行。這必須精確控制電磁鐵的電流。
懸浮列車的驅(qū)動(dòng)和同步直線電動(dòng)機(jī)原理一模一樣。通俗說,在位于軌道兩側(cè)的線圈里流動(dòng)的交流電,能將線圈變成電磁體,由于它與列車上的電磁體的相互作用,使列車開動(dòng)。講得更通俗直白一點(diǎn),相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成了磁懸浮列車和軌道之間的直線運(yùn)功。磁懸浮列車相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子,而軌道相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的定子。
列車頭部的電磁體N極被安裝在靠前一點(diǎn)的軌道上的電磁體S極所吸引,同時(shí)又被安裝在軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體N極所排斥。列車前進(jìn)時(shí),線圈里流動(dòng)的電流方向就反過來,即原來的S極變成N極,N極變成S極。周而復(fù)始,列車就向前奔馳。
穩(wěn)定性由導(dǎo)向系統(tǒng)來控制。“常導(dǎo)型磁斥式”導(dǎo)向系統(tǒng),是在列車側(cè)面安裝一組專門用于導(dǎo)向的電磁鐵。列車發(fā)生左右偏移時(shí),列車上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用,產(chǎn)生排斥力,使車輛恢復(fù)正常位置。列車如運(yùn)行在曲線或坡道上時(shí),控制系統(tǒng)通過對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)行控制,達(dá)到控制運(yùn)行目的。
“常導(dǎo)型”磁懸浮列車的構(gòu)想由德國工程師赫爾曼 肯佩爾于1922年提出。
“常導(dǎo)型”磁懸浮列車及軌道和電動(dòng)機(jī)的工作原理相同。只是把電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)子”布置在列車上,將電動(dòng)機(jī)的“定子”鋪設(shè)在軌道上。通過“轉(zhuǎn)子”,“定子”間的相互作用,將電能轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的動(dòng)能。我們知道,電動(dòng)機(jī)的“定子”通電時(shí),通過電磁感應(yīng)就可以推動(dòng)“轉(zhuǎn)子”轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)向軌道這個(gè)“定子”輸電時(shí),通過電磁感應(yīng)作用,列車就像電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)子”一樣被推動(dòng)著做直線運(yùn)動(dòng)。
上海磁懸浮列車時(shí)速430公里,一個(gè)供電區(qū)內(nèi)只能允許一輛列車運(yùn)行,軌道兩側(cè)25米處有隔離網(wǎng),上下兩側(cè)也有防護(hù)設(shè)備。轉(zhuǎn)彎處半徑達(dá)8000米,肉眼觀察幾乎是一條直線;最小的半徑也達(dá)1300米。乘客不會(huì)有不適感。軌道全線兩邊50米范圍內(nèi)裝有國際上的隔離裝置。
磁懸浮技術(shù)相關(guān)設(shè)備
磁懸浮技術(shù)磁懸浮潛水電泵
磁懸浮潛水電泵是經(jīng)多年實(shí)踐研制而成的產(chǎn)品,它實(shí)現(xiàn)了世界潛水電泵領(lǐng)域重大突破,有效解決了傳統(tǒng)潛水電泵的種種弊端:如轉(zhuǎn)換效率偏低、耗電過高、揚(yáng)程受限、軸承易損、檢修頻繁等。廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的供排水、農(nóng)田灌溉及高原、山區(qū)供水等領(lǐng)域。
磁懸浮潛水電泵是世界的技術(shù)產(chǎn)品,它以的技術(shù)改變了潛水電泵的制造工藝,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到令人震驚的新水平,創(chuàng)造了巨大節(jié)能降耗效益。
磁懸浮潛水電泵解決了制約世界潛水電泵領(lǐng)域發(fā)展的軸向力問題,潛水電泵的揚(yáng)程有了突破性提高,超高揚(yáng)程(單機(jī)揚(yáng)程設(shè)計(jì)到上千米)和超大流量(高承載)潛水電泵的市場空白;揚(yáng)程、流量曲線趨于平緩。其轉(zhuǎn)換效率、單機(jī)揚(yáng)程均居地位。
磁懸浮潛水電泵是新一代潛水電泵,它實(shí)現(xiàn)了立軸磁懸浮(在不同工況下保持高效率)、不磨損,使用時(shí)間及檢修周期延長數(shù)倍,省去頻繁的定期檢修工作,可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)萬小時(shí),節(jié)省維修、檢修費(fèi)用。
磁懸浮潛水電泵通過了試驗(yàn)室、山東省泵類產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心檢測。試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,磁懸浮潛水電泵的轉(zhuǎn)換效率超過傳統(tǒng)潛水電泵,用戶使用情況結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及領(lǐng)域內(nèi)對(duì)比,進(jìn)一步證明其高效節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率、單機(jī)揚(yáng)程及高承載、超大流量、免檢修、長壽命等特點(diǎn)。
磁懸浮技術(shù)磁懸浮無負(fù)壓供水系統(tǒng)
磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)是一種加壓供水機(jī)組直接與市政供水管網(wǎng)聯(lián)接、在市政管網(wǎng)剩余壓力基礎(chǔ)上串聯(lián)疊壓供水而確保市政管網(wǎng)壓力不小于設(shè)定保護(hù)壓力的二次加壓供水系統(tǒng)。
磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)是在二次加壓供水系統(tǒng)運(yùn)行過程中防止了負(fù)壓產(chǎn)生,消除機(jī)組運(yùn)行對(duì)市政管網(wǎng)的影響,在保證不影響附近用戶用水的前提下實(shí)現(xiàn)安全、可靠、平穩(wěn)、持續(xù)供水。
磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:
1、節(jié)能效果更加明顯。磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)采用了磁懸浮技術(shù)和智能控制系統(tǒng),相比傳統(tǒng)的無負(fù)壓供水設(shè)備實(shí)現(xiàn)了10%以上的節(jié)能效果。磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)和自來水管網(wǎng)直接串接,在自來水廠進(jìn)行一次供水管網(wǎng)壓力的條件下在對(duì)所需的壓力進(jìn)行疊加,根據(jù)壓力的不足,進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾樱偈构芫W(wǎng)的余壓得到充分利用。再用水低峰期階段,供水系統(tǒng)會(huì)智能變頻實(shí)現(xiàn)極低頻率驅(qū)動(dòng),節(jié)能效果更加明顯。
2、運(yùn)行,易揚(yáng)磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)核心機(jī)組采用磁懸浮技術(shù),運(yùn)行起來無噪音污染,為生活創(chuàng)造一個(gè)舒適的安靜的環(huán)境。
3、免檢修、長壽命。磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)采用的磁懸浮技術(shù),改變了傳統(tǒng)無負(fù)壓供水設(shè)備的制作工藝,不磨損,使用時(shí)間及檢修周期延長數(shù)倍,省去頻繁的定期檢修工作,節(jié)省維修、檢修費(fèi)用。
4、智能管理,全自動(dòng)化運(yùn)行。磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能全自動(dòng)變頻控制的,因此具備停電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)關(guān)機(jī),來電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)開機(jī)的效果,對(duì)故障檢測、技術(shù)診斷及報(bào)警提醒等較為完善,促使設(shè)備管理及維護(hù)過程中存在相對(duì)簡便的優(yōu)勢。
5、安裝使用簡單。磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)屬于成套供應(yīng)體系,因此用戶只需對(duì)進(jìn)出口水管進(jìn)行連接即可使用,施工周期短,占地面積小且安裝便捷。
7、有效保障供水。停電時(shí)磁懸浮智能無負(fù)壓供水系統(tǒng)的公共供水管網(wǎng)路與用戶管網(wǎng)是直接相連,因此在停電時(shí),雖然無負(fù)壓供水系統(tǒng)停止了運(yùn)行,但供水公司一次供水壓力也能對(duì)用水需求得以滿足。
磁懸浮技術(shù)磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)
磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)工作原理圖
磁懸浮離心式鼓風(fēng)機(jī)是風(fēng)機(jī)的一種,它是將磁懸浮技術(shù)和高速電機(jī)技術(shù)融入傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)之中所形成的一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新型鼓風(fēng)機(jī),廣泛應(yīng)用于工廠、礦井、隧道等的通風(fēng);城市污水處理;風(fēng)洞風(fēng)源等工業(yè)項(xiàng)目中。磁懸浮軸承部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮。它通過內(nèi)置的徑向傳感器和軸向傳感器檢測轉(zhuǎn)軸的位移信號(hào),將得到信號(hào)送入磁懸浮軸承控制器進(jìn)行調(diào) 理、運(yùn)算和放大得到控制電流,再將該控制電流輸入徑向磁軸承和軸向磁軸承,通過電流產(chǎn)生磁場,又由磁場產(chǎn)生吸力,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的懸浮。
高速電機(jī)部分的主要功能是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)。它通過變頻電源產(chǎn)生頻率可控的交變電流,將此交變電流輸入電機(jī)定子產(chǎn)生交變的磁場,帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。
風(fēng)機(jī)部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)。隨轉(zhuǎn)軸一同做高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)空氣從渦殼的進(jìn)氣口進(jìn)入,空氣在渦殼的導(dǎo)向與增壓作用下便成為具有一定流速與壓力的氣體,最后從渦殼的出氣口鼓出,這就實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)。
磁懸浮技術(shù)前景
《廣東省國土空間規(guī)劃(2020-2035年)》提出,預(yù)留建設(shè)京港澳及滬深廣高速磁懸浮通道。廣州上海相距約1600公里,3小時(shí)可通達(dá);廣州北京約2000公里,乘坐磁懸浮僅需3.3小時(shí),比高鐵節(jié)省超一半時(shí)間。
高速磁懸浮列車可以有效彌補(bǔ)高鐵和航空之間的速度空白,助推我國立體交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。當(dāng)高速磁浮投入運(yùn)營后,人們可以提高時(shí)間利用率,享受更加高效、舒適、安全的全新出行體驗(yàn)。[7]
2022年7月1日,個(gè)“磁浮+文化+旅游”項(xiàng)目——鳳凰磁浮正式開通運(yùn)營,該項(xiàng)目采用了中國通號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)、通號(hào)軌道的磁浮交通產(chǎn)業(yè)成果。[8]
磁懸浮技術(shù)磁懸浮列車能否誘發(fā)脫發(fā)和白血病
2014年7月8日,廣東省深圳市市民在深圳地鐵大廈門前高喊,反對(duì)規(guī)劃地鐵8號(hào)線采用高架磁懸浮[3] 。
大多數(shù)人認(rèn)為“磁懸浮是一個(gè)新鮮的東西,國內(nèi)外很多城市都因擔(dān)心其輻射和安全等問題,暫停了建設(shè)磁懸浮的計(jì)劃,聽專家說,磁懸浮列車的高感應(yīng)磁場對(duì)人體磁場的干擾和影響是明顯的,甚至誘發(fā)脫發(fā)和白血病。想到這些就害怕,我們就住在線路旁,肯定反對(duì)當(dāng)小白鼠[3] 。”
因?yàn)橛钪嬷袥]有發(fā)現(xiàn)存在磁單極子,也就是說磁場不像電場那樣可以由點(diǎn)源產(chǎn)生,磁場是一個(gè)偶極場,所以磁場的強(qiáng)度與距離的三次方成反比,也就是說,距離是1厘米的時(shí)候,假設(shè)磁場的強(qiáng)度(為了嚴(yán)謹(jǐn),這里其實(shí)是磁感應(yīng)強(qiáng)度)是1特斯拉,那么當(dāng)距離是2厘米的時(shí)候,磁場則變成1/8特斯拉[3] 。
因此可以看出,磁場的衰減是很厲害的,假設(shè)磁懸浮列車的電磁鐵在距離1厘米的地方能產(chǎn)生2個(gè)特斯拉的磁感應(yīng)強(qiáng)度,那么離電磁鐵1米的地方,磁場就是0.000002特斯拉,也就是0.02高斯——一般小區(qū)離開鐵路軌道的距離肯定在1米以上,所以磁場微乎其微。而地球本身的磁場就有0.5高斯。所以,在我們離磁懸浮軌道1米的地方,感受到的磁場強(qiáng)度比地球本身的磁場還弱,因此不存在所謂的磁場對(duì)小區(qū)的污染問題[3] 。
換句話說,鐵軌附近的磁場對(duì)人體健康無影響[3] 。
而至于另外一種說法,說磁懸浮的電磁鐵的電磁輻射會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響,這取決于電磁鐵的功率,基本上,驅(qū)動(dòng)磁懸浮的電磁鐵的功率對(duì)1米以外的小區(qū)的電磁輻射在中國還沒有被測量過,也沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn),所以這是值得探討的——這個(gè)問題與手機(jī)基站類似,取決于基站的輻射功率[3] 。
總之,鐵軌的磁場對(duì)周遍小區(qū)是沒有影響的,民眾不要無謂恐慌。而電磁輻射部分則需要進(jìn)一步論證,尤其是主要應(yīng)該征求物理學(xué)家的意見,而不是主要征求隧道專家與鐵路工人的意見[3] 。