超导技术及磁悬浮列车.doc

校本课程高二物理2016年3月目录一、 前言-----------------------------------〔3〕二、 超导技术及磁悬浮列车-------------------〔4〕1. 磁悬浮列车总概2. 磁悬浮列车是什么3. 磁悬浮列车开展史4. 磁悬浮列车技术根底 5. 磁悬浮列车的优势6. 磁悬浮列车存在的问题 7. 磁悬浮列车在中国前言新一轮的中学课程改革正在全国上下如火如图荼地开展这场课程改革旨在改变课程过于注重知识传授的倾向，强调形成积极主动的学习态度，使获得根底知识与根本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程我校在学生全面开展的根底上，注重开展学生的个性特长高二物理科组自主开发校本课程，利用学校安排的学习时间开设校本课程，培养学生的创新能力，成为学校一大办学特色校本课程涉及现代科学与技术知识，"现代前沿科技〞讲座，使学生深刻地感受到学有所用，大大提高了学生学习物理的兴趣，拓展了学生的知识面超导技术及磁悬浮列车1、磁悬浮列车总概你一定听说过磁悬浮列车吧，最近它的上镜率可是居高不下，大家都在密切地关注着它的开展态势我们一直都在盼望着火车的提速，可经过几轮的努力，却总是达不到心中理想的标准，就拿作者本人来说吧，家住，距1000多公里，原先回家要17个小时，现在要14个小时，唉，只减少了区区3个小时，还要有难熬的一宿呀！可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以到达500公里/小时，那么，回家就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！ 　　其实，在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。

因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里飞速开展据1995年举行的国际铁路会议预测，到本世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将到达360公里　　但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了这是因为传统的轮轨粘着式铁路，是利用车轮与钢轨之间的粘着力使列车前进的它的粘着系数随列车速度的增加而减小，走行阻力却随列车速度的增加而增加，当车速增至粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，就到达了极限据科研人员推算，普通轮轨列车最大时速为350-400公里左右如果考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，实际速度不可能到达最大时速所以，欧洲、日本现在正运行的高速列车，在速度上已没有多大潜力要进一步提高速度，必须转向新的技术，这就是超常规的列车－－磁悬浮列车　　尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为"铁路"，但这两个字已经不够贴切了。

就拿铁轨来说，实际上它已不复存在轨道只剩下一条，而且也不能称其为"轨道"了，因为轮子并没有从上面滚过事实上，磁悬浮列车连轮子也没有了"铁路"上行驶的这种超级列车并没有传统意义上的牵引机车，它运行时并不接触地面，只是在离轨道10厘米的高度"飞行"2、磁悬浮列车是什么 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到达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、平安舒适、不燃油，污染少等优点并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的根本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速"飞行〞 　　稍有物理知识的人都知道：把两块磁铁一样的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排斥力　　应用准确的定义来说，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展导向，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，并保存了轨道、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，因此从根本上克制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根据吸引力和排斥力的根本原理，国际上磁悬浮列车有两个开展方向一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的根本原理，把列车吸引上来，悬空运行，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；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上这两个国家都坚决地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段估计到下一个世纪，这两种技术路线将依然并存3、磁悬浮列车开展史 　　磁悬浮列车是自大约200年前斯蒂芬森的"火箭〞号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突破。

磁悬浮列车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利进入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开展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等兴旺国家相继开场筹划进展磁悬浮运输系统的开发而美国和前联那么分别在七八十年代放弃了这项研究方案，目前只有德国和日本仍在继续进展磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍　　日本于1962年开场研究常导磁浮铁路此后由于超导技术的迅速开展，从70年代初开场转而研究超导磁浮铁路1972年首次成功地进展了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度到达每小时50公里1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度到达了每小时204公里，到1979年12月又进一步提高到517公里1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速到达411公里为了进展东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建立山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建立完成。

　　德国对磁浮铁路的研究始于1968年〔当时的联邦德国〕研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速到达400公里后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量开展常导磁浮铁路1978年，决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开场进展不载人试验列车的最高试验速度在1983年底到达每小时300公里，1984年又进一步增至400公里目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟　　与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开场但是，英国那么是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟令人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停顿营业，其运送旅客的任务由机场班车所取代4、磁悬浮列车技术根底 磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大局部组成，见图3。

尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大局部设计中，这三局部的功能均由磁力来完成下面分别对这三局部所采用的技术进展介绍悬浮系统：目前悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统〔EMS〕和电力悬浮系统〔EDS〕图4给出了两种系统的构造差异　　电磁悬浮系统〔EMS〕是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮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以下车仍然可以进入悬浮状态　　电力悬浮系统〔EDS〕将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在"起飞〞和"着陆〞时进展有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。

EDS系统在低温超导技术下得到了更大的开展　　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较的强大电流，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局部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一样步的推力，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一样，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，准确地控制电磁波形以使列车能良好地运行 　　推进系统：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像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像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像电机的"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　　通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体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，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圈里流动的交流电的频率和电压 推进系统可以分为两种"长固定片〞推进系统使用缠绕在。