磁悬浮技术
磁悬浮技术
磁悬浮一般指磁悬浮技术
磁悬浮技术（英文：electromagnetic levitation， electromagnetic suspension）简称EML技术或EMS技术)是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。
目前的悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等，其中磁悬浮技术比较成熟。
磁悬浮技术实现形式比较多，主要可以分为系统自稳的被动悬浮和系统不能自稳的主动悬浮等。
磁悬浮列车是由无接触的磁力支承、磁力导向和线性驱动系统组成的新型交通工具，主要有超导电动型磁悬浮列车、常导电磁吸力型高速磁悬浮列车以及常导电磁吸力型中低速磁悬浮。
2019年5月23日10时50分，中国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线。
中文名磁悬浮技术
外文名electromagnetic levitation
诞生十九世纪
分类主动悬浮、被动悬浮
主要原理Earnshaw理论
简称EML、EMS
极速记录车型L0型磁悬浮列车
极速记录603 km/h(2015年)
技术实现形式系统自稳的被动悬浮和系统主动悬浮
历史
国际
磁悬浮技术
1842年，英国物理学家Earnshaw就提出了磁悬浮的概念，同时指出：单靠永久磁铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。
1900年初，美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。并列出了无摩擦阻力的磁悬浮列车使用的可能性。 然而，当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。
1937年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁悬浮列车这一的专利。
磁悬浮技术
20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1969年，德国牵引机车公司的马法伊研制出小型磁悬浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。
1966年，美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。
在20世纪70、80年代，磁悬浮列车系统继续在德国蒂森亨舍尔测试和实施运行。德国开始命名这套磁悬浮系统为“磁悬浮”。
1970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。
在制造磁悬浮列车的角逐中，日本和德国是两大竞争对手。1994年2月24日，日本的电动悬浮式磁悬浮列车，在宫崎一段74km长的试验线上，创造了时速430km的日本最高记录。1999年4月日本研制的超导磁悬浮列车在实验线上达到时速550 km，德国经过20年的努力，技术上已趋成熟，已具有建造运营线路的水平。原计划在汉堡和柏林之间修建第一条时速为400 km的磁悬浮铁路，总长度为248 km，预计2003年正式投入营运，但由于资金计划和辐射健康问题，2002年宣布停止了这一计划。
2009年时，国内外研究的热点是磁悬浮轴承和磁悬浮列车，而应用最广泛的是磁悬浮轴承。它的无接触、无摩擦、使用寿命长、不用润滑以及高精度等特殊的优点引起世界各国科学界的特别关注，国内外学者和企业界人士都对其倾注了极大的兴趣和研究热情。
磁悬浮是利用悬浮磁力使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮的平衡状态，磁悬浮看起来简单，但是具体磁悬浮悬浮特性的实现却经历了一个漫长的岁月。由于磁悬浮技术原理是集电磁学、电子技术、控制工程、信号处理、机械学、动力学为一体的典型的机电一体化高新技术。伴随着电子技术、控制工程、信号处理元器件、电磁理论及新型电磁材料的发展和转子动力学的进一步的研究，磁悬浮随之解开了其神秘一方面。
中国
1986年，西南交通大学就率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位。在1988年，交大磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验，对电磁吸力悬浮原理有了本质的认识。[1]
1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。
1990年，西南交大磁浮团队研究成功了由 4台小电磁铁构成的磁浮模型车，并实现了模型车的稳定悬浮和基于直线电机的驱动。[1]
1994年10月，连级三教授带领的研究团队成功地研制出了中国第一辆可载人4吨磁浮车及其试验线，并实现了系统的稳定悬浮与运行，这是中国在磁浮列车领域的首次突破，标志着中国开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术。该项目1996年通过科技成果鉴定，并获该年度铁道部科技进步二等奖和1997年度国家科技进步三等奖。[1]
1995年，中国第一条磁悬浮列车试验线在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为30.0 km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经掌握制造磁悬浮列车的技术。
1997年3月，青城山磁浮车工程试验线的可行性研究通过国家科委工业科技司组织的专家评审；
1998年，青城山磁浮列车工程试验示范线工程立项，并开始筹备建设青城山磁浮列车工程试验线；
2001年，开始动工修建长430m的青城山磁浮列车工程试验线。[1]
2005年，西南交通大学与上海磁浮交通工程技术中心签订了“上海城轨磁浮列车车辆总体设计”合同，并于次年3月又签订了“上海低速（城轨）磁浮交通试验线工程悬浮控制设备供货及服务”合同，全面参加上海城轨磁浮试验线磁浮列车研制。该试验列车为三节编组，为全新结构设计并创下多个“首次”：国内首次采用整体电磁铁结构，首次采用五悬浮架结构，首次采用DC330V悬浮电源，首次采用三选二悬浮传感器，列车最高运行速度100km/h。
2008年和2009年，西南交通大学又与中国南车股份有限公司签订“中低速磁浮交通系统方案设计研究”合同，与南车株洲电力机车有限公司签订“中低速磁浮列车方案设计研究”合同。攻关中，交大团队在系统设计首次提出了适用于中国国情的1860mm轨距和2800mm车宽。这标志着西南交通大学在联合企业推进中低速磁浮列车产业化的工作中又迈进一步。
为进一步推动中低速磁浮列车工程化，西南交大与南车株洲电力机车有限公司于2011年又签订了“常导短定子异步驱动悬浮架试验车悬浮控制系统研制”和“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车系统设计与试验研究”合同；于2011年签订了“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车悬浮控制系统”，全面参加了株洲中低速磁浮列车的研制。
2012年1月20日，中低速磁浮列车在南车株洲电力机车有限公司内下线，这是一条按商业运行条件设计的磁浮列车及试验线路，磁浮列车运行速度100km/h，能适应试验线各种曲线及坡道的要求。
2013年由钱清泉院士牵头的中国工程院 “中低速磁浮交通技术与系统发展战略研究” 项目立项，项目研究汇聚国内磁浮领域的院士专家，包括电气工程学院和牵引动力国家重点实验室相关专家教授，对中国中低速磁浮交通的发展战略进行了深入研究，论证了中国发展中低速磁浮必在性和战略意义，进一步推动了长沙中低速磁浮工程应用线的建设。
2015年12月26日试运行的长沙高铁南站至黄花机场的18.55km“长沙磁浮快线”采用了此前西南交大与南车株洲电力机车有限公司研制的中低速磁浮列车系统技术，该列车悬浮系统核心技术由西南交通大学提供。[1]
2019年5月23日10时50分，中国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线。这标志着中国在高速磁浮技术领域实现重大突破。[2]
磁悬浮技术
分类
抗磁质悬浮
1842年，英国物理学家Earnshow在研究点粒子集在静电力作用下的稳定静止问题时提出著名的恩肖理论，这个定理后来被推广到满足平方反比例定律力场中的物体静止平衡问题。
恩肖指出，物体处于稳定的静止状态需要两个条件，物体在平衡点处合力为零同时物体在平衡点处合力的通量小于零。其中第二条件，合力通量小于零保证了物体的动态稳定，也就是物体受到扰动后，所受到的合力仍然指向平衡点。
对于永磁体与铁磁质、永磁体之间的作用力满足平方反比关系，所以根据恩肖理论，永磁体之间或者永磁体与铁磁质之间是不可能产生稳定的磁悬浮的。
恩肖理论中的两个条件后来被布鲁贝克（Braunbeck）于1939年应用于磁介质或者电介质在磁场或者电场中的稳定问题。布鲁贝克指出对于相对磁导率小于1的磁介质可以在静磁场中保持稳定。
相对磁导率小于1的磁材料，通常成为抗磁质，这种磁悬浮通常称为抗磁质悬浮。但是抗磁质的磁化率绝对值往往很小，目前磁化率最大的抗磁质为热解碳，其磁化率为-400e-6，所以抗磁质悬浮往往需要比较强的磁场。金属金属铋、锑、水以及绝大多数的有机物都是抗磁质，2010年诺贝尔物理学奖获得者安德烈- 盖姆在1997首次成功用16T的磁场将一只青蛙悬浮。
超导斥力悬浮
除了抗磁质外超导体处于超导态时，由于迈斯纳效应磁通不能穿透超导体，其磁化率等于-1，所以其满足布鲁贝克推论的条件，这种悬浮称为超导体斥力悬浮。
超导钉扎悬浮
对于非理想第二类超导体来说，其具有钉扎效应，当非理想第二类超导体处于混合态时，非理想第二类超导体可以俘获并钉扎磁力线，与磁场产生钉扎力，利用钉扎效应也可以产生磁悬浮，这种悬浮称为钉扎悬浮或者量子悬浮。
涡流悬浮
对于常规磁介质，比如弱磁性材料，其相对磁导率接近于1，当其表面或者内部产生涡流时，相当于产生抗磁效应，使物体等效相对磁导率小于1。当然涡流悬浮也可以利用，楞次定律来解释。涡流悬浮通常使用交流电源、电磁铁和导电的弱磁材料比如铜、铝作为悬浮物体。
电动悬浮
电动悬浮也是涡流原理，但是涡流的产生并不是因为磁源交变，而是因为磁体与弱磁性材料之间发生相对移动。比如，磁体（永磁体或者超导磁体）在铝板或者铜板上快速移动，那么铝板或者铜板上会感应涡流，涡流阻碍磁体与铜板与铝板的相对运动，运动方向产生磁阻力，垂直方向产生使物体可以悬浮浮力。
主动控制悬浮
主动控制悬浮是对不能够自稳的悬浮系统采用闭环控制的方法是悬浮稳定的一种悬浮技术。电磁吸力悬浮是主动控制悬浮的一种。
此外还有谐振悬浮、自旋稳定悬浮等多种形式的悬浮技术。
参考资料
- [1]走出我国磁浮轨道交通自主研制之路——西南交通大学磁浮交通工程化纪实
- [2]我国在高速磁浮技术领域实现重大突破证券时报网2019-05-232019-05-23[引]
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