時速600公里的磁懸浮列車到底有多快?磁懸浮列車是怎麼“浮”的

磁懸浮列車是一種現代高科技軌道交通工具

它通過電磁力實現了列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向

再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行

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交通工具中的“戰鬥機”

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在杭州第二屆浙江國際智慧交通產業博覽會上,中車四方股份公司時速600公里高速磁浮試驗樣車亮相揭幕現場,首次“真車”展出!


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填補高鐵和航空運輸之間的速度空白


  目前,高鐵最高運營速度為350公里/小時,飛機巡航速度為800~900公里/小時,時速600公里高速磁浮可以填補高鐵和航空運輸之間的速度空白,對於完善我國立體高速客運交通網具有重大的技術和經濟意義。


  作為一種新興高速交通模式,高速磁浮具有速度高、安全可靠、噪音低、震動小、載客量大、耐候準點、維護量少等優點。

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磁懸浮列車是怎麼“浮”的?

磁懸浮列車是由無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統組成的新型交通工具,此技術研究源於德國,1922年德國工程師赫爾曼提出了電磁懸浮原來,1934年申請了磁懸浮列車專利,直到1970年以後,一些發達國家才開始開發磁懸浮運輸系統。目前世界上磁懸浮技術最好的是德國和日本。

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磁懸浮列車是靠磁懸浮力,即磁的吸力和排斥力,來推動列車,並使其懸浮在軌道之上。

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通電後,它們會變成一節節帶有N極和S極的電磁鐵,軌道磁鐵N極與列車上磁鐵N極相斥會將列車往前推,下一節軌道磁鐵N機與列車磁鐵S相吸會將列車往前拉,軌道上的電磁鐵會根據列車前進而不斷變化磁極,保證磁懸浮列車一直懸浮且不斷向前推進。

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從技術角度來說,磁懸浮列車可以分為超導型和常導型,也就是同性相斥和異性相吸兩種形式。

超導型磁懸浮是利用磁鐵同性相斥原理;它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力,使車體懸浮運行的鐵路。

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常導型則是利用磁鐵異性相吸的原理;採用抱軌運行形式,車身下端像伸出兩排彎曲的胳臂將鐵軌抱住,這能解決列車脫軌的危險,給安裝在列車彎曲胳臂上的磁鐵通電就會產生強大磁力,鐵軌會被磁力吸引,軌道是靜止的整個列車由於吸引力就會懸浮。

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磁懸浮列車運行時不會緊貼著鐵軌,沒有普通列車車輪與軌道的摩擦撞擊,所以在行駛過程中幾乎沒有噪音,且運行阻力只有空氣阻力;目前國內高鐵最快速度是每小時350公里,飛機是每小時800-900公里,高鐵和航空之間有著一段速度空白,而時速600公里的高速磁懸浮,剛好可以填補。


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近幾年提起的磁懸浮列車,其實具有著很長時間的發展,1922年,德國工程師赫爾曼·肯佩爾首次提出了電磁懸浮原理,而後20世紀70年代,隨著工業化國家不斷髮展,德國,美國,英國,日本等國家都相繼對磁懸浮進行有關的研究。我國在上世紀80年代初期就已經開始對低速常導型磁懸浮列車進行相對的研究。2003年1月份我國的第一磁懸浮列車在上海磁浮線開始運行,但此次的列車產權並非來自我國而是買自德國。2015年10月份我國第一國產磁懸浮線在長沙磁浮線成功試跑。2016年5月6日,我國首條具有完全自主知識產權的中低速磁懸浮商業運營示範線——長沙磁浮快線正式開通試運營,這個線路也是世界上最長的中低速磁浮運營線。

德國和日本是世界上最早開展磁懸浮列車研究的國家,德國開發的磁懸浮列車Transrapid於1989年在埃姆斯蘭試驗線上達到每小時436公里的速度。日本開發的磁懸浮列車MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)於1997年12月在山梨縣的試驗線上創造出每小時550公里的世界最高紀錄。德國和日本兩國在經過長期反覆的論證之後,均認為有可能於下個世紀中葉以前使磁懸浮列車在本國投入運營。

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磁懸浮列車運行原理

磁懸浮列車是現代高科技發展的產物。其原理是利用電磁力抵消地球引力,通過直線電機進行牽引,使列車懸浮在軌道上運行(懸浮間隙約1釐米)。其研究和製造涉及自動控制、電力電子技術、直線推進技術、機械設計製造、故障監測與診斷等眾多學科,技術十分複雜,是一個國家科技實力和工業水平的重要標誌。它與普通輪軌列車相比,具有低噪音、無汙染、安全舒適和高速高效的特點,有著“零高度飛行器”的美譽,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。磁懸浮列車按懸浮方式不同一般分為推斥型和吸力型兩種,按運行速度又有高速和中低速之分,這次國防科大研製開發的磁懸浮列車屬於中低速常導吸力型磁懸浮列車。

德國的常導磁懸浮列車

常導磁懸浮列車工作時,首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸力,與地面軌道兩側的繞組發生磁鐵反作用將列車浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下,使車輪與軌道保持一定的側向距離,實現輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米,是通過一套高精度電子調整系統得以保證的。此外由於懸浮和導向實際上與列車運行速度無關,所以即使在停車狀態下列車仍然可以進入懸浮狀態。

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常導磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就象是同步直線電動機的勵磁線圈,地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用,它就象同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原理可以知道,當作為定子的電樞線圈有電時,由於電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣,當沿線佈置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時,由於電磁感應作用承載系統連同列車一起就象電機的“轉子”一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態下,列車可以完全實現非接觸的牽引和制動。

日本的超導磁懸浮列車

超導磁懸浮列車的最主要特徵就是其超導元件在相當低的溫度下所具有的完全導電性和完全抗磁性。超導磁鐵是由超導材料製成的超導線圈構成,它不僅電流阻力為零,而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流,這種特性使其能夠製成體積小功率強大的電磁鐵。

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超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體並構成感應動力集成設備,而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側,車輛上的感應動力集成設備由動力集成繞組、感應動力集成超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時,就會產生一個移動的電磁場,因而在列車導軌上產生磁波,這時列車上的車載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力,正是這種推力推動列車前進。其原理就象衝浪運動一樣,衝浪者是站在波浪的頂峰並由波浪推動他快速前進的。與衝浪者所面對的難題相同,超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此,在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器,根據探測儀傳來的信息調整三相交流電的供流方式,精確地控制電磁波形以使列車能良好地運行。

超導磁懸浮列車也是由沿線分佈的變電所向地面導軌兩側的驅動繞組提供三相交流電,並與列車下面的動力集成繞組產生電感應而驅動,實現非接觸性牽引和制動。但地面導軌兩側的懸浮導向繞組與外部動力電源無關,當列車接近該繞組時,列車超導磁鐵的強電磁感應作用將自動地在地面繞組中感生電流,因此在其感應電流和超導磁鐵之間產生了電磁力,從而將列車懸起,並經精密傳感器檢測軌道與列車之間的間隙,使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時,與懸浮繞組呈電氣連接的導向繞組也將產生電磁導向力,保證了列車在任何速度下都能穩定地處於軌道中心行駛。

目前懸浮系統的設計,可以分為兩個方向,分別是德國所採用的常導型和日本所採用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統(EMS)和電力懸浮系統(EDS)。


磁懸浮列車的研究定不會簡簡單單的就會取得一番成就,許許多多的國家因為太過複雜及其太多太多的原因都已經放棄了對磁懸浮的有關研究。正是因為不斷的堅持,不斷的創新才會讓世界看到屬於中國的成就,看到所謂的“中國速度”。


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磁懸浮列車的優點是列車在鐵軌上方懸浮,速度快、無噪音,運行平穩、乘坐舒適,不排出有害廢氣,且易拐彎、能爬坡。缺點是磁懸浮列車突然情況下的制動能力不可靠,且造價超高,單位運營成本較大。上海磁懸浮約30公里的線路造價高達上百億,就目前來說,還處於虧本狀態。而且強磁場對人的健康,生態環境的平衡以及電子產品的運行到底有多大的影響仍需進一步研究。


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