电磁型磁悬浮列车动力学研究
摘要: 在综合分析各国电磁型磁悬浮列车的发展现状和及其动力学研究的基础上,考虑车辆和轨道的相互作用,将悬浮列车和轨道作为一个整体,就电磁力、转向架、轨道变形和控制动力学稳定性分析等方面的问题,提出了今后研究的方向。
关键词:电磁型悬浮列车; 动力学; 综述; 弹性轨道
在磁悬浮列车系统中,列车和轨道是互相作用的, 稳定的悬浮状态[ 1 ] 。1939 年,Braunbek 对此作了物理悬浮气隙的变化量由气隙传感器测出传给控制系统, 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁控制系统调整磁铁电压,使电磁力相应变化,实现悬浮结构与相应的磁场分布实现稳定悬浮[ 2 ,3 ] 。为使磁力气隙调整。正常运行时,电磁型悬浮列车的悬浮高度能够用于稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态不超过1 cm , 对气隙的波动非常敏感。然而,由于负连续不断地调节磁场。利用受控的磁吸引力来进行悬载变化、驱动加速度或减速力、空气动力、轨道弯度、坡浮是由Graeminger 首次提出的。电磁型悬浮列车是道和不平整等原因产生的外部扰动力,以及控制系统利用受控直流电磁铁进行悬浮,这一技术是目前世界本身固有的非线性及传感器的测量误差等原因产生的上最先进的。它不仅用于磁悬浮列车系统,还可用在内部扰动力,都会引起气隙的变化。因此,将磁悬浮列轴承、陀螺以及磁悬挂天平等磁悬浮装置中。车和轨道作为一个整体来研究是十分必要的。下面就电磁型悬浮列车在车体内装有电磁铁,轨道为导电磁力、转向架、列车与轨道耦合动力及稳定性方面的磁体,车辆和轨道构成长定子同步电机,车辆为转子, 问题阐述如下。电磁铁绕组中的电流大小根据气隙传感器的信号进行调节,悬浮力的大小与车速无关,任何速时均能保持稳定的悬浮。车身前进的动力由直线感1842 年,Earnshow 证明了仅仅用永久磁体是不应电机(或直线同步电机) 提供。因此,电磁铁的电磁能使一个铁磁体在所有6 个自由度上都保持在自由、力和力矩特性对列车的影响是基本的。 1 磁场与承载能力 1 .1 波器的输出电流; 另外,热损耗、漏磁通、磁心和导轨中的磁阻也会影响单铁力的大小。文献[4 ] 针对轨道转弯处或轨道不平处电磁铁与导磁轨发生倾斜的情况,提出了小滚动下电磁铁的计算公式。文献[ 5 ] , 以保角变换和无穷级数理论为基础,在电磁铁为无限大导磁率的非饱和磁性材料、电磁铁与反应板表面磁势为常值的假设下,提出了在较大滚动条件下升力、侧向力及滚动力矩计算的新方法。 2 转向架 磁悬浮列车进入实用阶段,不可避免的问题是转向问题。日本关于HSST21001 型磁悬浮列车进展报告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及转向架机构,但目前几乎看不到有关的理论分析和设计资料, 仅有一些概述[ 7 ,8 ] 。悬浮系统与车厢的支撑关系,经历了3 个研究阶“飞行器结构”“ 磁轮结构”及“ 转向架模块结段:、构”[ 9 ] 。早期的悬浮理论是建立在飞行器的运行原理上,把磁悬浮列车看作为刚体自由度运动,在车厢底板上直接固定4 块电磁铁,用偏航、仰俯、滚动等概念来描述和控制磁浮列车运动。德国的TR201 型、日本的HSST201 型、我国的KDC2I 型都采用了这种理论。这种结构在低速时,矛盾并不突出,但速度稍有提高时, 问题就很严重,如TR204 型,原设计速度为250 km/ h , 但速度临近200 km/ h 就发生严重的振动、摇摆,出现悬浮不稳定的现象。“ 磁轮结构”的磁浮列车,每个悬浮单元在悬挂方向上是自由的,可由悬浮控制系统独立控制,能够适应不同的轨道平面,如德国的TR205 型、TR206 型磁浮列车。“ 磁轮”结构完全保证了电磁铁之间的运动解耦,同时也保证了车辆的曲线通过能力。在一定程度上, “ 磁轮”概念是在“ 飞行器结构”概念碰壁以后从一个极端走到另一个极端。“ 转向架模块结构”是前二者的折衷,如HSST 型的悬浮系统,在悬浮方向和导向方向无机械的约束,日本HSST203 型实现了5 个自由度模块悬挂。TR207 型和TR208 型也采用了这一概念。 H. Yoshioka 等在文献[ 10～13 ] 中介绍了山梨磁悬浮试验线ML X01 型磁浮列车车辆结构的有关细节,给出了试验车辆转向架简图,并进行了两组车试验,分析了车辆动力学性能,包括悬浮性能、横向定位及稳定性能。 赵志苏等分析比较了磁悬浮列车3 单元、4 单元、5 单元转向架的几何结构和转弯时的运动关系[ 14 ] ,认为: ① 在同一车厢长度的条件下,应选用5 单元结构转向架; ② 从简化结构和缩短导向滑槽长度角度,应选用3 单元结构转向架; ③ 从减小进入弯道时的冲击角度应选用4 单元结构转向架。上海磁悬浮列车是德国TR208 型的改进型,每节车由4 个完全相同的磁浮架连接而成,每个磁浮架由2 个相同的模块组成,每个模块上由4 个电磁铁和一个推进电机组成,具有独立悬浮、导向与推进功能[15～17 ] 。 3 磁悬浮列车2轨道动力学 在磁悬浮列车推进技术研究中,人们发现许多磁悬浮列车特有的现象,例如:德国的TR204 型及日本的HSST204 型在实验中发现: ① 运行时车体发生结构振动; ② 双面直线电机引起侧向不平衡; ③ 在钢架桥上悬浮时与桥架一起振动,而在混凝土桥上则无此现象[ 18 ,19 ] 。上海磁悬浮试验车在调试时,就发现了车辆与钢梁共振的现象。 认为轨道是刚体,列车悬浮系统与轨道之间没有耦合关系,故不考虑轨道对车的影响,这在轨道刚度系数很大的实验室内模型车分析时具有足够的精度。但实际线路中,轨道是有弹性的,轨道存在振动。引起振动的'原因有: ① 当磁浮车通过轨道时,引起轨道在垂直方向上的静态弯曲; ② 由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲; ③ 由于轨道梁的连接和轨道表面引起的几何不规则。因此,轨道的弹性振动和动态变形必须要考虑。 评定磁悬浮列车运行品质的一个重要指标是保证磁悬浮列车能够在各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮。由于磁浮列车的车厢是通过弹簧、阻尼系统与磁悬浮转向架联结的,分析测试悬浮体与二次悬挂体质量、运行速度、轨道长度、磁轮长度、轨道阻尼等对磁悬浮系统的动力特性的影响,研究车厢、悬浮转向架与弹性轨道之间的耦合动力特性是必要的。
磁悬浮汽车是利用磁场的变化的原理来产生电流，最终实现汽车的浮力和推动力。这里所说的磁悬浮技术的关键还是指广泛使用的磁悬浮技术。电磁悬浮(EML)技术简称EML技术，其关键原理是利用金属表面高频电磁场产生的涡流实现金属物体的悬浮支撑。世界上第一台的磁悬浮汽车是由日本所研制，但只是一个汽车的模型，按照正常汽车比例来进行缩放，并且成功的完成了一次26米的实验，目前还没有磁悬浮汽车使用的任何消息。
一、磁悬浮技术的发展与现状 磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。 磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。 二、磁悬浮的应用 磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。 高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 三、磁悬浮球控制系统的工作原理 图1 磁悬浮球控制系统功能图 电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。 以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。 四、对磁悬浮球控制器进行理论设计 首先建立数学模型得到钢球的数学模型为: 选取模型参数 通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。 所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为: 五、传递函数G(s)的性能分析 由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。希望采纳
综合检索案例课题：城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究(资料提供：西南交通大学)Title：Study on Emergency Braking Control in High-speed Intercity Maglev Train and its Application1.分析课题 本课题的学科分类主要属于交通运输中的列车制动装置(中国图书馆书分类号，国际专利分类号大类号码F16D)方面，涉及的知识学科门类比较专指，可以采用“分类号”结合其他限定性关键词的方式进行检索。国际专利分类号大类号码F16D的部分类目如下。 F16D 传送旋转运动的联抽器；离合器；制动器。 F16D63/00 未列入其他类的制动器；上述几种形式制动器组合(带自紧用辅助元件的制动器入49/22，51/66，55/50)。 F16D65／00 零件或部件(用于离合器的类似元件入13/58)。 该课题属自然科学领域一般层次的应用型研究，通常情况下需要首先检索时间跨度为5年左右的文献，再视具体情况回溯5～10年。信息类型涉及中外文专利、期刊、学位论文、会议文献等。2.检索工具的选择 根据检索课题的学科范围和研究的方向性质，确定需要查找的检索工具如下。 1)维普《中文科技期刊数据库》 2)万方《中国科技文献数据库群》 3)万方《中国科学技术成果数据库》 4)万方《中国学术会议论文数据库》 5)万方《中国学位论文数据库》 6)CNKI《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》 7)CNKI《中国重要会议论文集全文数据库》 8)CNKI《中国期刊全文数据库》 9)NSTL中文库：中文期刊、中文会议论文、中文学位论文；NTSL西文库：西文期刊、外文会议论文、外文学位论文、国外科技报告 10)EBSCO Host 11)AIP/APS(美国物理所/物理协会)数据库 · 12)CSA(剑桥科学文摘数据库) 13)Engineering Village 2(EI) 14)中国国家知识产权局专利检索 15)欧洲专利局 16)美国专利商标局3.确定检索途径 本课题最好选用主题(关键词)途径，必要时可结合分类途径，检索方法选用交替法，即时间法与引文法交替进行。4.确定检索词 首选检索词：城际铁路(intercity railroad)；高速列车(high-speed train)；高速铁路(high-speed railway)；磁浮(maglev、magnetic levitation)；紧急制动(emergency braking)；制动控制(braking control)；涡流制动(Eddy-current brake)。 备选检索词：快速列车(express trains)；有限元(finite element analysis)；距离限值(stance limit)；模糊控制(fuzzycontr01)；刹车(brake)；制动力学(braking dynamics)。5.拟定检索式(仅列举部分) 1)中国国家知识产权局专利数据库或者国家科技图书文献中心数据库的基本检索式：(城际铁路 OR 高速铁路 OR 磁浮) AND (制动力学 OR 紧急制动 OR涡流制动)。 中国国家知识产权局专利数据库的界面的分类号填写F16D。 2)维普中文科技期刊数据库的检索式：k=((城际铁路+高速铁路+磁浮)*(制动力学+紧急制动+涡流制动))+c=。 3)外文数据库通用检索式：("intercity railroad" OR "high-speed railway" OR maglev*) AND brak* and (dynamics OR emergency OR "Eddy-current")。 6.检索结果（部分） 根据不同检索系统的语法规则，对上述检索式作适当的调整，并选择合适的检索字段进行检索，对上述16个数据库分别进行了检索，并利用网络搜索引擎(baidu)进行了补充查找；时间跨度均为15年。共检索出相关文献50余篇，现按文献类型部分列举如下。 1)期刊论文 (1)骆廷勇，郭其一．基于涡流制动技术的高速磁悬浮列车安全制动控制研究[J]．铁道机车车辆，2006 (2)应之丁．涡流制动技术在高速列车上的应用[J]．电力机车与城轨车辆，2004 (3)Wang，H-Q，Wang，C-G，Zhuang，G-S. et al. The preparation of brake linings for a high speed railway car[J]．New Carbon Materials (China). 2002，17(2)：29～34 (4)Wang，. (Natl Tsing Hua Univ)，Chiueh，. Analysis of eddy-current brakes for high speed railway[J]．IEEE Transactions on Magnetics，1998，34(4)：1237～1239 2)学术会议论文（略） 3)专利文献（略） 4)博硕士论文（略）7.检索效果评价 高速铁路制动系统的研究，目前仍是国内外相关领域学者研究的一个热点问题。且我国一些高校及研究机构的部分研究成果已经达到或者处于世界先进水平，如浙江大学、西南交通大学等。 但目前类似的研究大多停留在理论层面上，从检索的结果看，其具体的应用性研究(如应用于城际高速铁路)较少，因此，此课题——“城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究”社会价值及学术意义显著，具有一定的研究价值。
城市轨道交通系统论文
城市轨道交通系统是指在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统。在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》中，将城市轨道交通定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运输方式的快速大运量公共交通的总称”。下面我们来看一下关于城市轨道交通系统的论文吧。
摘要： 介绍了直线电机工作原理和直线电机电动车特点，以及日本利用直线电机的地铁和常导磁悬浮交通系统发展的概况。
关键词：直线电机；城市轨道交通；地铁；磁悬浮；电动车
城市交通在城市的发展过程中愈来愈重要，而城市轨道交通占据突出的位置。由于近年来科学技术的发展和进步，包括地铁、轻轨交通、单轨交通、新交通系统以及磁悬浮交通系统等城市轨道交通的形式变化多样。在改善城市交通的时候，各个城市根据自己城市的具体特点选择交通系统的范围也更宽。安全、舒适、高密度运行，通过引入新技术达到节能，保护环境，降低成本，从结构和性能上采取措施，不断进行改进，保持先进性是城市轨道交通存在的价值。在城市轨道交通系统中，根据车辆的特点，采用直线电机作为驱动电机又提供了一种新的选择。
一、直线电机的工作原理
通常，电动机是旋转型的。定子包围着圆筒形的转子，定子形成磁场，在转子中流过电流，使转子产生旋转力矩。而直线电机则是将两个圆筒形部件展开成平板状，面对面，定子在相应于转子移动的长度方向上延长，转子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成转子和定子之间的空隙。
产生推进力的原理与电动机产生力矩的原理一样，在直线电机地铁中，安装在转向架上的直线电动机沿前进方向产生移动磁场。让面对该磁场、安装在地上的反作用板（相当于2次线圈）中通过2次电流（涡电流），由这个2次电流切割磁场产生的力作为反作用力，安装在转向架上的直线电动机得到推进力。
直线电机的基本缺点是很难将定子与转子空隙做成象旋转式电机那么小，旋转式是无限循环的，而直线电动机是有端头的。为此，泄漏磁通多，电气—机械能量转换的效率低，如果要得到相同的输出，逆变器的容量需要比旋转式大。
二、直线电机电动车的特点
在使用旋转式电机的电动车中，一般是通过齿轮减速将旋转力矩转换为列车的牵引力，同时也受到轮轨间粘着的限制。
在直线电机的电动车中，推进力由铺设在钢轨间的反作用板直接传递，所以不受粘着的限制，有可能从滑行和空转产生的各种问题中解脱出来，有利于通过大坡道（最大坡度可达60‰～80‰）和小半径曲线（最小半径为50m）的线路。此外，由于直线电机无转动部件，所以不需要轴承和润滑机构，使之结构简单，延长寿命，这是其最大的特点。
在旋转电动机中，旋转力矩与其直径的平方成正比，所以要得到大的旋转力矩，电动机的'直径就要增大，在直线电机中，这相当于将相应的部分在长度方向延长，而高度方向可以减小。在大型电机中，如果是1级齿轮减速，车轮直径也必须加大；而在直线电机驱动中，则不必如此，所以，可以减小车轮的直径，这将使车辆的地板面的高度降低。
以上的优点就是小断面地铁采用直线电机电动车的理由。
但是，直线电机的效率低，与相同的地铁比，电力的消耗量多，除这个缺点外，上述的优点也有不能充分发挥的时候。因为不受粘着限制，所以在牵引时，线路的坡度可以取大；但是，在制动时，如果电气制动失效，就必须依赖于机械制动，这受粘着控制，所以，线路的坡度又不能太大。此外，由于直线电机是扁平状的设备，车辆地板面的高度可以降低，这时车轮的直径也可以减小。但直径小的车轮磨耗会加快，所以实际上不能太小。由于扁平状直线电机的长度可以加长，所以，一台转向架装一台电机即可，这就是现在的直线电机地铁为全动车编组的理由之一。
三、直线电机电动车在日本的应用和发展
直线电机地铁
在建设地铁的成本中，开凿地下隧道的成本占了很大一块，采用直线电机电动车对降低开凿地下隧道的成本，从而对降低整个地铁的建设成本非常有利。以日本为例，普通地下铁隧道的直径为，而直线电机地铁隧道的直径为～，见图1。可以估算，后者隧道工程的开凿量可比前者减少1/3左右，这意味着地铁的成本将大大下降。此外，与旋转电机相比，直线电机的形状平坦，因而可以降低车辆地板面高度和减少整个车辆尺寸，但这并不影响车辆内部的空间，即不会对旅客带来不便。直线电机只是产生车辆的驱动力，车辆仍使用钢制车轮和钢轨作为支承和导向系统。
常导磁悬浮交通系统
直线电机地铁虽然有不少优点，如建设成本低、通过大坡道能力强、转弯曲线半径小、维修少、运行平稳等，并已经在一些城市得到运用，但其载客量少，所以，目前只能作为现有地铁的补充。常导磁悬浮交通系统与现行的铁道相比是全新的交通系统，其所具有的优点将会使之在城市轨道交通系统中占有一席之地。随着科学技术的进步，直线电机以及它在地铁与其他方面的应用都会有良好的发展前景。
参考文献：
1 事务局 リニア地下铁车辆机械ソヮンポイント·レッスン讲座
2 长野秀洋 常电导磁气浮上式交通システムHSSTの最近の动向についJREA2001
没有人比我更有好奇心的了，我喜爱稀奇古怪的东西，我的发现有许多，这不最近我觉得自己解开了磁悬浮的秘密。
有一次，我在家里玩磁铁，我把它放在指南针旁，突然，指针就朝向了磁铁，磁铁移向哪里指针就指向哪里，我觉得挺好玩，便想出一种有趣的玩法——用磁作画。我先在指南针的指针绑上一根活动铅笔的笔芯，在下面放上一张白纸，再用磁铁把指针转起来，磁铁吸到哪里，笔芯就划到哪里，只见纸上出现了像心电图一样的线条，我的眼睛都亮起来了。
突然一块鹅卵形的磁铁滚到了指南针对面，和我的磁铁面对面，这时，只见指针像装了弹簧似的跳了起来，我以为自己眼花了，便打开盖子看个究竟，结果还是如此，指针在两块磁铁中弹了起来，我见到这一现象百思不得其解，便马上跑去告诉爸爸。“爸爸，爸爸，我发现磁悬浮了！你看！”爸爸看着我的装置，哭笑不得：“你这也叫磁悬浮？我看这分明是两个磁铁互相吸指针嘛！真正的磁悬浮不是异极相吸，是同极相斥，因为巨大的排斥力能将沉重的列车‘托’起来，而不是把它牢牢的吸住，那样的话它动也不会动了。”
我又问：“那列车浮起来以后怎么动呢？”“当然靠火车的动力了，不过，因为它浮在空中，阻力很小，所以速度相当的快。”我还不肯罢休，又去上网去查了“磁悬浮列车”的原理，原来爸爸也是错的，实际上列车和轨道上都有磁铁，排斥力可以使列车浮起来，还能“推”着列车前进，而且前面的铁轨还利用吸引力“拉”着列车跑。
哦，原来如此！我大失所望，收拾着我的“残兵败将”又回去搞研究了。但是我很高兴，因为有时候，我的错误的发现也能给我带来许多的知识。
星期三，我们到浦东国际机场去乘坐陆地上最快的交通工具—磁悬浮列车。
我们先来到了“磁悬浮列车的原理区”。原来磁悬浮列车制造是根据磁铁的同极相斥的原理。
它的轨道其实是一块巨大的磁石，列车底部也有一块磁石，使磁石抗拒地心引力。从而使列车完全脱离轨道而悬浮行驶。
随后，我们来到了磁悬浮站口。这里的人好多哦，除了我们三年级的人以外，还有许多外国人也来乘车，他们大概也是想要感受一下磁悬浮列车的高速吧！走进车厢，映入眼帘的是两旁的软垫靠椅。
中间是供人行走的红地毯，车厢两头上方电子显示器，显示着“欢迎乘坐磁悬列车”的字样。这一切多么国际化呀！过了一会儿，字幕消失了，列车开始慢慢行驶起来。
电子显示器上开始显示1千米、2千米……两旁的风景慢慢地从眼前流过，到了60千米速度已经与汽车差不多了，100千米时，风景只能让你欣赏几秒钟，200千米时速度已经和箭一般了，300千米速度简直能和F1赛车一样快了，431千米时，两旁的风景根本已经看不清了。正当我心潮澎湃时，列车已经进站了，我还意犹未尽。
因为浦东国际机场到龙阳路有公里，而我们只用了7分30秒的时间。太匪夷所思了！然后，我们又参观了浦东国际机场……这次乘坐磁悬浮列车的经历让我印象太深刻了。
高速磁浮列车是20世纪的一项技术发明，其原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁浮列车”。
由于磁铁有同性相斥和异性相吸两种形式，故磁浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上的线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10毫米（正负误差2毫米）的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。
磁悬浮列车是现代高科技发展的产物。其原理是利用电磁力抵消地球引力，通过直线电机进行牵引，使列车悬浮在轨道上运行（悬浮间隙约1厘米）。其研究和制造涉及自动控制、电力电子技术、直线推进技术、机械设计制造、故障监测与诊断等众多学科，技术十分复杂，是一个国家科技实力和工业水平的重要标志。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效的特点，有着“零高度飞行器”的美誉，是一种具有广阔前景的新型交通工具，特别适合城市轨道交通。磁悬浮列车按悬浮方式不同一般分为推斥型和吸力型两种，按运行速度又有高速和中低速之分。
“若即若离”，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种“若即若离”的状态，磁悬浮间隙约1厘米，因而有“零高度飞行器”的美誉。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道交通。
21世纪的第一个春天，3月1日，世界第一条磁悬浮列车商运线在中国上海浦东挖下了第一铲土。随着磁悬浮列车的开通，我一直都想去亲自参观一下。
今年国庆节我有幸目睹了上海磁悬浮列车的英姿。那天，爸爸开车带我们去参观浦东机场。车子行驶到龙阳路，远远望去，上海地铁二号线龙阳路站上，矗立着一座巨大的钢梁穹顶建筑。爸爸告诉我这就是高速磁悬浮列车的起点站，我仔细地观察了一下，只见在清晨的阳光下新建的磁悬浮龙阳路车站外观耀眼，极具现代感。啊，原来这儿就是磁悬浮列车出发的地方啊。
这时正好一列列车驶出了车站。刚出发的列车速度还不快，我可以看清该列车以白色为主、蓝红色相间的车厢色彩迷人，流线型的车体外观和子弹头式的车头， 美工喷绘的外表，显示出与众不同的身姿。列车越驶越快，接着用闪电般的速度在轨道上飞驰，犹如一条小白龙横飞在城市上空，一眨眼的工夫，远去的列车已经变成一个小小白点，不一会就消失得无影无踪了。“天啦，那么快！”我不禁惊讶于磁悬浮列车的高速。待晃过神来，我想起曾在书上看到：高速磁悬浮列车是一种新型的轨道交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低，运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。它不使用机械力，而是主要依靠电磁力使车体浮离轨道，就像一架超低空飞机贴近特殊的轨道运行，整个运行过程是在无接触、无磨擦的状态下实现高速行驶，时速可达550公里，因而具有“地面飞行器”、“超低空飞机”的美誉。今天我可算真正明白了为什么叫“磁悬浮列车”为“超低空飞机”了。我不禁感慨：科学进步可真快，给我们带来了如此便利、快捷、环保的交通工具，人类真是太聪明了！我一边想一边不停地回头张望那越离越远的磁悬浮列车车站。
看到我依依不舍的样子，妈妈打断了我的沉思，向我介绍说：“上海磁悬浮列车西起上海地铁2号线龙阳路车站南侧，东到浦东国际机场一期航站楼东侧，线路总长公里，设计时速和运行时速分别为505公里和430公里，总投资89亿元。上磁悬浮列车单列为3节车厢，共有座位200个左右……”
听到这些数值，我心里激动万分地想：城市的面貌有了磁悬浮列车真是更上一层楼了！
吾人对于空间的磁力作用会产生幻想与兴趣，其中磁浮列车亦在人们生活中存着神秘与好奇的面纱。
现在中小学课本中皆会学到磁铁原理，即异性相吸、同性相斥的道理。磁浮铁路技术就是应用这个原理，加上电力电子的操作与回授控制原理，驱使列车浮上轨道及推进力量在空中运转。
高中物理课本中教导我们的法拉第（Faraday）定律，这是电场与磁场间之电与力的相互磁力作用，也是磁浮列车应用浮力与推进力的基本原理。 磁浮列车系利用电磁吸引力与推进力，将列车悬浮在轨道上方约公分至10公分不等高度，其中以德日磁浮列车最着名及成熟，韩中亦有轻轨成型。
德国高速磁浮列车已经在上海浦东机场正式运转，它是使用电磁铁之磁力，可以在静止状态下悬浮，该列车之最高时速为430公里，日本高速磁浮列车则利用超导体，以速度感应及诱导浮力方式，在列车时速加速到60~70公里以上时使列车悬浮，该列车最高速度在2003年12月载客试车时速已达581公里，为世界最高速度。另外磁浮捷运系统于2005年3月在日本东部丘陵线已正式营运，长度为公里，该系统列车速度为100公里/小时，该系统属于都会区型，为车站静止悬浮，具有小回转半径、急升降、短距离车站等特性。
磁浮列车在德日已投入40年研发，因磁浮轨道建设在各国持正反面意见看法专家皆有，尤其在上海之磁浮列车试运转期间发生了不少工程及技术问题，就工程技术观点而言任何问题皆可以解决，这是工程上的处理方法。惟高速磁浮系统系为城际交通工具，并不具有都会区捷运之运输特性，且转乘系统的考量相当重要，这是上海高速磁浮营运不佳之主要原因。
当然，磁浮铁路也有很多的优点，如减少振动、减少噪音、速度快及环保等。只要在该系统可靠度与稳定度各项运转中获得改善及肯定，相信将会带来更快速且舒适的大众运输系统，这也是世界人类的福气。
周末，老爸老妈答应要带我去参观一下浦东国际机场，正好可以顺便体验一下磁悬浮。我背上我的小书包，装上我最还吃的零食和饮料，老大清早就嚷嚷着“出发啦”！
由于我现在约等于米，所以打了个擦边球，节约了50元车费。带着紧张激动的心情，我们的列车发动了，这可比我在家搭乐高的模型车过瘾多啦！列车一会儿向左倾斜，一会儿向右，短短的几分钟就将速度提升到300KM/H，对面行驶的列车呼啸着和我们的列车擦肩而过，马路上的车子瞬间变成了甲壳虫，缓慢地爬行着。只是，还没过够瘾呢，转眼已经到了浦东国际机场了！
老爸，要不在我超米之前再多乘几次？
磁悬浮列车综述 磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年Hermann Kemper先生就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。
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。 根据当时轮轨极限速度的理论，科研工作者们认为，轮轨方式运输所能达到的极限速度为每小时350公里左右，要想超越这一速度运行，必须采取不依赖于轮轨的新式运输系统。
这种认识引起许多国家的科研部门的兴趣，但后来都中途放弃，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。 德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。
日本开发的磁悬浮列车MAGLEV (Magically Levitated Trains)于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550公里的世界最高纪录。 德国和日本两国在经过长期反复的论证之后，均认为有可能于下个世纪中叶以前使磁悬浮列车在本国投入运营。
什么是磁悬浮列车 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行导向，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，并保留了轨道、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，因此从根本上克服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。
磁悬浮列车的种类 磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，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。 而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。
它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，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。这两种磁悬浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标，德国青睐前者，集中精力研制常导高速磁悬浮技术；而日本则看好后者，全力投入高速超导磁悬浮技术之中。
德国的常导磁悬浮列车 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下列车仍然可以进入悬浮状态。
常导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象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象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内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象电机的“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。 日本的超导磁悬浮列车 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拟的强大电流，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部分组成。
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相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。 其原理就象冲浪运动一样，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相同，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，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供三相交流电，并与列车下面的动力集成绕组产生电感应而驱动，实现非接触性牵引和制动。但地面导轨两侧的悬浮导向绕组与外。
一、磁悬浮技术的发展与现状 磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。 磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。 二、磁悬浮的应用 磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。 高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 三、磁悬浮球控制系统的工作原理 图1 磁悬浮球控制系统功能图 电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。 以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。 四、对磁悬浮球控制器进行理论设计 首先建立数学模型得到钢球的数学模型为: 选取模型参数 通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。 所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为: 五、传递函数G(s)的性能分析 由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。希望采纳
综合检索案例课题：城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究(资料提供：西南交通大学)Title：Study on Emergency Braking Control in High-speed Intercity Maglev Train and its Application1.分析课题 本课题的学科分类主要属于交通运输中的列车制动装置(中国图书馆书分类号，国际专利分类号大类号码F16D)方面，涉及的知识学科门类比较专指，可以采用“分类号”结合其他限定性关键词的方式进行检索。国际专利分类号大类号码F16D的部分类目如下。 F16D 传送旋转运动的联抽器；离合器；制动器。 F16D63/00 未列入其他类的制动器；上述几种形式制动器组合(带自紧用辅助元件的制动器入49/22，51/66，55/50)。 F16D65／00 零件或部件(用于离合器的类似元件入13/58)。 该课题属自然科学领域一般层次的应用型研究，通常情况下需要首先检索时间跨度为5年左右的文献，再视具体情况回溯5～10年。信息类型涉及中外文专利、期刊、学位论文、会议文献等。2.检索工具的选择 根据检索课题的学科范围和研究的方向性质，确定需要查找的检索工具如下。 1)维普《中文科技期刊数据库》 2)万方《中国科技文献数据库群》 3)万方《中国科学技术成果数据库》 4)万方《中国学术会议论文数据库》 5)万方《中国学位论文数据库》 6)CNKI《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》 7)CNKI《中国重要会议论文集全文数据库》 8)CNKI《中国期刊全文数据库》 9)NSTL中文库：中文期刊、中文会议论文、中文学位论文；NTSL西文库：西文期刊、外文会议论文、外文学位论文、国外科技报告 10)EBSCO Host 11)AIP/APS(美国物理所/物理协会)数据库 · 12)CSA(剑桥科学文摘数据库) 13)Engineering Village 2(EI) 14)中国国家知识产权局专利检索 15)欧洲专利局 16)美国专利商标局3.确定检索途径 本课题最好选用主题(关键词)途径，必要时可结合分类途径，检索方法选用交替法，即时间法与引文法交替进行。4.确定检索词 首选检索词：城际铁路(intercity railroad)；高速列车(high-speed train)；高速铁路(high-speed railway)；磁浮(maglev、magnetic levitation)；紧急制动(emergency braking)；制动控制(braking control)；涡流制动(Eddy-current brake)。 备选检索词：快速列车(express trains)；有限元(finite element analysis)；距离限值(stance limit)；模糊控制(fuzzycontr01)；刹车(brake)；制动力学(braking dynamics)。5.拟定检索式(仅列举部分) 1)中国国家知识产权局专利数据库或者国家科技图书文献中心数据库的基本检索式：(城际铁路 OR 高速铁路 OR 磁浮) AND (制动力学 OR 紧急制动 OR涡流制动)。 中国国家知识产权局专利数据库的界面的分类号填写F16D。 2)维普中文科技期刊数据库的检索式：k=((城际铁路+高速铁路+磁浮)*(制动力学+紧急制动+涡流制动))+c=。 3)外文数据库通用检索式：("intercity railroad" OR "high-speed railway" OR maglev*) AND brak* and (dynamics OR emergency OR "Eddy-current")。 6.检索结果（部分） 根据不同检索系统的语法规则，对上述检索式作适当的调整，并选择合适的检索字段进行检索，对上述16个数据库分别进行了检索，并利用网络搜索引擎(baidu)进行了补充查找；时间跨度均为15年。共检索出相关文献50余篇，现按文献类型部分列举如下。 1)期刊论文 (1)骆廷勇，郭其一．基于涡流制动技术的高速磁悬浮列车安全制动控制研究[J]．铁道机车车辆，2006 (2)应之丁．涡流制动技术在高速列车上的应用[J]．电力机车与城轨车辆，2004 (3)Wang，H-Q，Wang，C-G，Zhuang，G-S. et al. The preparation of brake linings for a high speed railway car[J]．New Carbon Materials (China). 2002，17(2)：29～34 (4)Wang，. (Natl Tsing Hua Univ)，Chiueh，. Analysis of eddy-current brakes for high speed railway[J]．IEEE Transactions on Magnetics，1998，34(4)：1237～1239 2)学术会议论文（略） 3)专利文献（略） 4)博硕士论文（略）7.检索效果评价 高速铁路制动系统的研究，目前仍是国内外相关领域学者研究的一个热点问题。且我国一些高校及研究机构的部分研究成果已经达到或者处于世界先进水平，如浙江大学、西南交通大学等。 但目前类似的研究大多停留在理论层面上，从检索的结果看，其具体的应用性研究(如应用于城际高速铁路)较少，因此，此课题——“城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究”社会价值及学术意义显著，具有一定的研究价值。
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具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家.米勒和联邦德国物理学家.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为，Hc为特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti，Tc=，Hc＝特；Nb-60Ti，Tc=，Hc=12特()。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝，Hc=特（）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=，Hc=特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=，Hc=特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=，Hc=24特；Nb3Al，Tc=，Hc=30特。④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为，锌为，铝为，铅为。超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。超导科学研究 1.非常规超导体磁通动力学和超导机理 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T
品 名:超导陶瓷拼音:chao1dao3tao2ci2英文名称：superconductivity ceramics说明:具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零，即抗磁现象或称迈斯纳效应（Meissner effect）。高临界温度（90开以上）的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-δ，Bi2Sr2Ca2Cu3O10，Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛应用前景。奇异的超导陶瓷1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。
综合检索案例课题：城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究(资料提供：西南交通大学)Title：Study on Emergency Braking Control in High-speed Intercity Maglev Train and its Application1.分析课题 本课题的学科分类主要属于交通运输中的列车制动装置(中国图书馆书分类号，国际专利分类号大类号码F16D)方面，涉及的知识学科门类比较专指，可以采用“分类号”结合其他限定性关键词的方式进行检索。国际专利分类号大类号码F16D的部分类目如下。 F16D 传送旋转运动的联抽器；离合器；制动器。 F16D63/00 未列入其他类的制动器；上述几种形式制动器组合(带自紧用辅助元件的制动器入49/22，51/66，55/50)。 F16D65／00 零件或部件(用于离合器的类似元件入13/58)。 该课题属自然科学领域一般层次的应用型研究，通常情况下需要首先检索时间跨度为5年左右的文献，再视具体情况回溯5～10年。信息类型涉及中外文专利、期刊、学位论文、会议文献等。2.检索工具的选择 根据检索课题的学科范围和研究的方向性质，确定需要查找的检索工具如下。 1)维普《中文科技期刊数据库》 2)万方《中国科技文献数据库群》 3)万方《中国科学技术成果数据库》 4)万方《中国学术会议论文数据库》 5)万方《中国学位论文数据库》 6)CNKI《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》 7)CNKI《中国重要会议论文集全文数据库》 8)CNKI《中国期刊全文数据库》 9)NSTL中文库：中文期刊、中文会议论文、中文学位论文；NTSL西文库：西文期刊、外文会议论文、外文学位论文、国外科技报告 10)EBSCO Host 11)AIP/APS(美国物理所/物理协会)数据库 · 12)CSA(剑桥科学文摘数据库) 13)Engineering Village 2(EI) 14)中国国家知识产权局专利检索 15)欧洲专利局 16)美国专利商标局3.确定检索途径 本课题最好选用主题(关键词)途径，必要时可结合分类途径，检索方法选用交替法，即时间法与引文法交替进行。4.确定检索词 首选检索词：城际铁路(intercity railroad)；高速列车(high-speed train)；高速铁路(high-speed railway)；磁浮(maglev、magnetic levitation)；紧急制动(emergency braking)；制动控制(braking control)；涡流制动(Eddy-current brake)。 备选检索词：快速列车(express trains)；有限元(finite element analysis)；距离限值(stance limit)；模糊控制(fuzzycontr01)；刹车(brake)；制动力学(braking dynamics)。5.拟定检索式(仅列举部分) 1)中国国家知识产权局专利数据库或者国家科技图书文献中心数据库的基本检索式：(城际铁路 OR 高速铁路 OR 磁浮) AND (制动力学 OR 紧急制动 OR涡流制动)。 中国国家知识产权局专利数据库的界面的分类号填写F16D。 2)维普中文科技期刊数据库的检索式：k=((城际铁路+高速铁路+磁浮)*(制动力学+紧急制动+涡流制动))+c=。 3)外文数据库通用检索式：("intercity railroad" OR "high-speed railway" OR maglev*) AND brak* and (dynamics OR emergency OR "Eddy-current")。 6.检索结果（部分） 根据不同检索系统的语法规则，对上述检索式作适当的调整，并选择合适的检索字段进行检索，对上述16个数据库分别进行了检索，并利用网络搜索引擎(baidu)进行了补充查找；时间跨度均为15年。共检索出相关文献50余篇，现按文献类型部分列举如下。 1)期刊论文 (1)骆廷勇，郭其一．基于涡流制动技术的高速磁悬浮列车安全制动控制研究[J]．铁道机车车辆，2006 (2)应之丁．涡流制动技术在高速列车上的应用[J]．电力机车与城轨车辆，2004 (3)Wang，H-Q，Wang，C-G，Zhuang，G-S. et al. The preparation of brake linings for a high speed railway car[J]．New Carbon Materials (China). 2002，17(2)：29～34 (4)Wang，. (Natl Tsing Hua Univ)，Chiueh，. Analysis of eddy-current brakes for high speed railway[J]．IEEE Transactions on Magnetics，1998，34(4)：1237～1239 2)学术会议论文（略） 3)专利文献（略） 4)博硕士论文（略）7.检索效果评价 高速铁路制动系统的研究，目前仍是国内外相关领域学者研究的一个热点问题。且我国一些高校及研究机构的部分研究成果已经达到或者处于世界先进水平，如浙江大学、西南交通大学等。 但目前类似的研究大多停留在理论层面上，从检索的结果看，其具体的应用性研究(如应用于城际高速铁路)较少，因此，此课题——“城际高速磁浮列车的紧急制动控制及其应用研究”社会价值及学术意义显著，具有一定的研究价值。
磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”。 列车上装有超导磁体，由于悬浮而在线圈上高速前进。这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，在线圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持相同，这样在线圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮起来。 前进的原理：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。在线圈里流动的电流流向会不断反转过来。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。 当今，世界上的磁悬浮列车主要有两种"悬浮"形式，一种是推斥式；另一种为吸力式。推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥力，使列车悬浮起来。这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装有磁场强大的超导电磁铁。车辆运行时，这种电磁铁的磁场切割轨道两侧安装的铝环，致使其中产生感应电流，同时产生一个同极性反磁场，并使车辆推离轨面在空中悬浮起来。但是，静止时，由于没有切割电势与电流，车辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮子支撑车体。当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到80公里／小时以上时，车辆就悬浮起来了。吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将电磁铁置于轨道下方并固定在车体转向架上，两者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬浮列车无论是静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。这次，我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个类型。 "若即若离"，是磁悬浮列车的基本工作状态。磁悬浮列车利用电磁力抵消地球引力，从而使列车悬浮在轨道上。在运行过程中，车体与轨道处于一种"若即若离"的状态，磁悬浮间隙约1厘米，因而有"零高度飞行器"的美誉。它与普通轮轨列车相比，具有低噪音、低能耗、无污染、安全舒适和高速高效的特点，被认为是一种具有广阔前景的新型交通工具。特别是这种中低速磁悬浮列车，由于具有转弯半径小、爬坡能力强等优点，特别适合城市轨道交通。
电磁型磁悬浮列车动力学研究
摘要: 在综合分析各国电磁型磁悬浮列车的发展现状和及其动力学研究的基础上,考虑车辆和轨道的相互作用,将悬浮列车和轨道作为一个整体,就电磁力、转向架、轨道变形和控制动力学稳定性分析等方面的问题,提出了今后研究的方向。
关键词:电磁型悬浮列车; 动力学; 综述; 弹性轨道
在磁悬浮列车系统中,列车和轨道是互相作用的, 稳定的悬浮状态[ 1 ] 。1939 年,Braunbek 对此作了物理悬浮气隙的变化量由气隙传感器测出传给控制系统, 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁控制系统调整磁铁电压,使电磁力相应变化,实现悬浮结构与相应的磁场分布实现稳定悬浮[ 2 ,3 ] 。为使磁力气隙调整。正常运行时,电磁型悬浮列车的悬浮高度能够用于稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态不超过1 cm , 对气隙的波动非常敏感。然而,由于负连续不断地调节磁场。利用受控的磁吸引力来进行悬载变化、驱动加速度或减速力、空气动力、轨道弯度、坡浮是由Graeminger 首次提出的。电磁型悬浮列车是道和不平整等原因产生的外部扰动力,以及控制系统利用受控直流电磁铁进行悬浮,这一技术是目前世界本身固有的非线性及传感器的测量误差等原因产生的上最先进的。它不仅用于磁悬浮列车系统,还可用在内部扰动力,都会引起气隙的变化。因此,将磁悬浮列轴承、陀螺以及磁悬挂天平等磁悬浮装置中。车和轨道作为一个整体来研究是十分必要的。下面就电磁型悬浮列车在车体内装有电磁铁,轨道为导电磁力、转向架、列车与轨道耦合动力及稳定性方面的磁体,车辆和轨道构成长定子同步电机,车辆为转子, 问题阐述如下。电磁铁绕组中的电流大小根据气隙传感器的信号进行调节,悬浮力的大小与车速无关,任何速时均能保持稳定的悬浮。车身前进的动力由直线感1842 年,Earnshow 证明了仅仅用永久磁体是不应电机(或直线同步电机) 提供。因此,电磁铁的电磁能使一个铁磁体在所有6 个自由度上都保持在自由、力和力矩特性对列车的影响是基本的。 1 磁场与承载能力 1 .1 波器的输出电流; 另外,热损耗、漏磁通、磁心和导轨中的磁阻也会影响单铁力的大小。文献[4 ] 针对轨道转弯处或轨道不平处电磁铁与导磁轨发生倾斜的情况,提出了小滚动下电磁铁的计算公式。文献[ 5 ] , 以保角变换和无穷级数理论为基础,在电磁铁为无限大导磁率的非饱和磁性材料、电磁铁与反应板表面磁势为常值的假设下,提出了在较大滚动条件下升力、侧向力及滚动力矩计算的新方法。 2 转向架 磁悬浮列车进入实用阶段,不可避免的问题是转向问题。日本关于HSST21001 型磁悬浮列车进展报告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及转向架机构,但目前几乎看不到有关的理论分析和设计资料, 仅有一些概述[ 7 ,8 ] 。悬浮系统与车厢的支撑关系,经历了3 个研究阶“飞行器结构”“ 磁轮结构”及“ 转向架模块结段:、构”[ 9 ] 。早期的悬浮理论是建立在飞行器的运行原理上,把磁悬浮列车看作为刚体自由度运动,在车厢底板上直接固定4 块电磁铁,用偏航、仰俯、滚动等概念来描述和控制磁浮列车运动。德国的TR201 型、日本的HSST201 型、我国的KDC2I 型都采用了这种理论。这种结构在低速时,矛盾并不突出,但速度稍有提高时, 问题就很严重,如TR204 型,原设计速度为250 km/ h , 但速度临近200 km/ h 就发生严重的振动、摇摆,出现悬浮不稳定的现象。“ 磁轮结构”的磁浮列车,每个悬浮单元在悬挂方向上是自由的,可由悬浮控制系统独立控制,能够适应不同的轨道平面,如德国的TR205 型、TR206 型磁浮列车。“ 磁轮”结构完全保证了电磁铁之间的运动解耦,同时也保证了车辆的曲线通过能力。在一定程度上, “ 磁轮”概念是在“ 飞行器结构”概念碰壁以后从一个极端走到另一个极端。“ 转向架模块结构”是前二者的折衷,如HSST 型的悬浮系统,在悬浮方向和导向方向无机械的约束,日本HSST203 型实现了5 个自由度模块悬挂。TR207 型和TR208 型也采用了这一概念。 H. Yoshioka 等在文献[ 10～13 ] 中介绍了山梨磁悬浮试验线ML X01 型磁浮列车车辆结构的有关细节,给出了试验车辆转向架简图,并进行了两组车试验,分析了车辆动力学性能,包括悬浮性能、横向定位及稳定性能。 赵志苏等分析比较了磁悬浮列车3 单元、4 单元、5 单元转向架的几何结构和转弯时的运动关系[ 14 ] ,认为: ① 在同一车厢长度的条件下,应选用5 单元结构转向架; ② 从简化结构和缩短导向滑槽长度角度,应选用3 单元结构转向架; ③ 从减小进入弯道时的冲击角度应选用4 单元结构转向架。上海磁悬浮列车是德国TR208 型的改进型,每节车由4 个完全相同的磁浮架连接而成,每个磁浮架由2 个相同的模块组成,每个模块上由4 个电磁铁和一个推进电机组成,具有独立悬浮、导向与推进功能[15～17 ] 。 3 磁悬浮列车2轨道动力学 在磁悬浮列车推进技术研究中,人们发现许多磁悬浮列车特有的现象,例如:德国的TR204 型及日本的HSST204 型在实验中发现: ① 运行时车体发生结构振动; ② 双面直线电机引起侧向不平衡; ③ 在钢架桥上悬浮时与桥架一起振动,而在混凝土桥上则无此现象[ 18 ,19 ] 。上海磁悬浮试验车在调试时,就发现了车辆与钢梁共振的现象。 认为轨道是刚体,列车悬浮系统与轨道之间没有耦合关系,故不考虑轨道对车的影响,这在轨道刚度系数很大的实验室内模型车分析时具有足够的精度。但实际线路中,轨道是有弹性的,轨道存在振动。引起振动的'原因有: ① 当磁浮车通过轨道时,引起轨道在垂直方向上的静态弯曲; ② 由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲; ③ 由于轨道梁的连接和轨道表面引起的几何不规则。因此,轨道的弹性振动和动态变形必须要考虑。 评定磁悬浮列车运行品质的一个重要指标是保证磁悬浮列车能够在各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮。由于磁浮列车的车厢是通过弹簧、阻尼系统与磁悬浮转向架联结的,分析测试悬浮体与二次悬挂体质量、运行速度、轨道长度、磁轮长度、轨道阻尼等对磁悬浮系统的动力特性的影响,研究车厢、悬浮转向架与弹性轨道之间的耦合动力特性是必要的。