一个简单的小实验了解磁悬浮的大道理

在上海有一条列车路线很独特

这条路线从龙阳路站到上海浦东机场

30多公里路程全程只要八分钟

这个列车的独特之处在于

他的列车是悬浮的

没有接触铁轨

这叫做磁悬浮列车

上海磁浮线是世界上唯一一条

商业运营的高速磁悬浮列车线

磁悬浮列车因为悬浮在空中

与铁轨不连接

没有铁轨与列车之间的摩擦阻力

列车的速度会非常快

由于技术上还有很多需要验证的地方

磁悬浮列车还没有大范围铺开

磁悬浮的技术非常复杂

但是一些基础原理却很容易明白

我们今天就做一个磁悬浮小实验

一起看一下吧

—磁悬浮陀螺仪—

视频插不进来，具体可以到我们西瓜视频观看

挡板 1个

陀螺仪 1个

底座 1个

第一步

将挡板固定在底座上

然后把陀螺仪带有金属一头抵住挡板

慢慢调整悬空在底座上方

第二步

旋转陀螺仪

陀螺仪不仅仅旋转很快

而且是完全悬浮在底座之上

这是为什么呢？

这个装置利用了磁铁的

同性相斥，异性相吸

底座中有四块圆柱形磁铁

圆柱形磁铁的边一半是N极一半是S极

上面悬浮的陀螺仪也装有两块圆柱形磁铁

同样一半N极一半S极

这样只要把陀螺仪放在合适的位置

让他们同极相对

就能通过同性相斥的原理

让上方的陀螺仪悬浮起来

这时候陀螺仪受到的摩擦力很小

所以陀螺仪旋转起来会保持很长的时间

磁悬浮列车能够悬浮

也是利用了这个原理

只不过需要一些技术手段

让磁力变的特别大

今天的实验只能解释悬浮的基础原理

而实际上要运行一套磁悬浮列车线

需要的技术特别多

悬浮系统

导向系统

动力系统

刹车系统等等

全部都和现有的列车技术不一样

如今北京和长沙已经有磁悬浮地铁运行

也许有一天

磁悬浮列车会成为很常见的出行方式

磁悬浮技术原理是指利用磁力（吸力）克服重力使物体悬浮的一种技术。

奥斯特实验？

1820年4月的一天，丹麦科学家奥斯特在上课时，突然发现了一个现象——如果在直导线附近（导线需要南北放置），放置一枚小磁针，则当导线中有电流通过时，磁针将发生偏转。

奥斯特实验揭示了一个十分重要的本质——电流周围存在磁场，电流是电荷定向运动了。

磁悬浮技术理论：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。

磁悬浮技术系统组成：磁悬浮系统是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。

磁悬浮技术原理：利用磁悬浮吸力（不是斥力）使物体处于一个无接触、无摩擦、全悬浮的平衡状态。在悬浮状态中，假如转子受到一个向下的扰动，就会偏离其原始位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。

磁悬浮的研究从20世纪初就开始了，20世纪70年代磁悬浮技术实现了突破——磁悬浮轴承面世，2000年后磁悬浮技术开始了工程应用。磁悬浮轴承技术最早应用到了高端机床上，应用到了通用机械如磁悬浮鼓风机、磁悬浮压缩机，还有磁悬浮列车、磁悬浮电梯等等……

中国磁悬浮技术的研究也早在七八十年代就开始了，清华大学国内几家高等学府都与国外同步在做磁悬浮理论研究。2000前后，随着计算机技术尤其是运算速度的大大飞跃，在欧美开始产业化应用的时候，国内磁悬浮技术研究也不长时间内实现了突破。

技术的产业化应用是个严谨、漫长、持续的过程，磁悬浮技术也是如此。

目前，国内做磁悬浮技术研究和应用的两个方向相对成熟。一个是磁悬浮通用机械方向，磁悬浮鼓风机，磁悬浮真空泵、磁悬浮空压机等已经规模化成熟应用，代表企业是飞旋（亿昇）科技；一个是磁悬浮直线运动方向，也就是磁悬浮列车，代表企业是北控隧道公司，从引进国外技术建设第一条上海磁悬浮列车线到部分国产化的第二条长沙磁悬浮列车线再到北控自主化建设的第三条北京磁悬浮线。

磁悬浮是指利用磁力使得物体处于无接触，无摩擦的平衡状态的一种支撑方式。按照线圈导体属性，磁悬浮技术可分为常导型和超导型;基础原理为同性相斥，异性相吸，按照悬浮原理,磁悬浮技术可分为电磁悬浮系统(EMS)，永磁悬浮系统(PRS)，电动悬浮系统(EDS)，本文以悬浮原理对各个系统的原理进行逐一介绍。

电磁悬浮系统(EMS)

电磁吸引控制悬浮方式，这种方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸引力，忽略悬浮物体在悬浮的时候不受其它外界力的干扰和突发因素的影响，那么悬浮物体只受电磁为F和自身的重力G，小球达到受力平衡时处于静止状态。电磁吸力Ｆ与悬浮物体中心也和磁极之间的气隙和线圈中的电流都有关系，其与线圈中的电流成正比与悬浮物体质也到电磁铁磁极表面的瞬时气隙成反比。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力，但通过控制电磁铁电流的大小,可以将悬浮气隙保持在一定的数值上，从而使物体达到相对静止状态。很多磁悬浮列车采用吸引式提升系统，利用异性磁极相吸的原理，使列车上的电磁铁与位于其上方的导向轨电磁铁相吸引，从而使列车悬浮起来。

永磁悬浮系统(PRS)

它利用永磁铁相同磁极间的斥力将物体托起，所以被称为永久磁铁斥力悬浮方式。当然,根据所用的磁性材料的不同,其产生的斥力相应变化。但是，由于横向移位的不稳定因素,需要从力学角度安排磁铁的位置，例如下图中，1,2,3和A均为永磁体，当动子下沉，由于异性相吸，同性相斥，3对A产生斥力，2对A产生吸力所以阻碍了动子的下降。同理动子上升时，A受1斥力的同时，收到2的吸力，阻止动子的上升，最终使得动子在某一位置保持稳定。目前，该磁悬浮系统的研究热点集中在磁悬浮轴承上。

电动悬浮系统(EDS)

这种悬浮方式利用了磁铁或载流线圈与短路线圈之间产生的斥力将物体支撑起来,简称感应斥力方式。电动力悬浮法应用了电磁感应的原理，如下图所示为了得到斥力，励磁线圈和短路线圈之间必须有相对运动，这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。永磁体或载流线圈在旋转和/或移动时会产生时变磁场，此时附近的导体也会产生斥力，便会发生电动磁悬浮现象。这是因为时变磁场会在导体中引起涡流，并使其产生相反的磁场，进而导致导体材料和磁源之间产生排斥力，但是"8"字形线圈只有在超导磁铁运动时才能感应出电流并产生磁性。

以上就是三种磁悬浮技术的原理，你看懂了吗？

磁悬浮的原理，一言以蔽之，就是利用电磁铁同性相斥、异性相吸的基本原理，1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔首次提出了电磁悬浮的理论，并在1934年申请了磁浮铁路的专利。而中德合作开发的上海磁悬浮列车，是世界上第一条磁悬浮商业运营线路，上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。磁悬浮列车是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁。

磁悬浮的优点很明显，无接触运行、速度快、能耗低、环境影响小，但是缺点也不容忽视，因为磁悬浮列车没有轮子，如果突然停电，或在高架桥上停车，救援难度是很大的。而上海磁悬浮列车的最大意义也在于提供了一个商业化运营的具体案例，可以验证高度磁浮交通的成熟性、可用性、经济型和安全性。笔者体验过一次上海磁悬浮，接近30公里的行程仅需七八分钟，感觉“像坐飞机一样”。

大家都知道，北京也上马了磁悬浮项目，又称北京地铁S1线即门头沟线，北京的技术路线是国产中低速磁悬浮，设计时速为100公里/小时，与上海磁浮430公里/小时的速度低了不少。北京磁浮的诞生也颇为波折，可以说是“起个大早，赶个晚集”，当年北京磁浮要做“中国第一，世界第二条中低速磁浮”，但不料被长沙磁浮赶超。

磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说，排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。

磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈，交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车头的电磁体（N极）被轨道上靠前一点的电磁体（S极）所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥——结果是一“推”一“拉”。磁悬浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为1—10cm），因此运行安全、平稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。磁悬浮列车的使用寿命可达35年，而普通轮轨列车只有20—25年。磁悬浮列车路轨的寿命是80年，普通路轨只有60年。此外，磁悬浮列车启动后39秒内即达到最高速度，目前的最高时速是552公里。据德国科学家预测，到2014年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达1000公里。而一般轮轨列车的最高时速为300公里。

磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。

世界第一条磁悬浮列车示范运营线——上海磁悬浮列车，建成后，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6～7分钟。

上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车。是利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。

列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁，在“工”字轨的上方和上臂部分的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轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运行。这必须精确控制电磁铁的电流。

悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。

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，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。

稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。

“常导型”磁悬浮列车的构想由德国工程师赫尔曼·肯佩尔于1922年提出。

“常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。只是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。我们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。

上海磁悬浮列车时速430公里，一个供电区内只能允许一辆列车运行，轨道两侧25米处有隔离网，上下两侧也有防护设备。转弯处半径达8000米，肉眼观察几乎是一条直线；最小的半径也达1300米。乘客不会有不适感。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。

磁悬浮列车的优点:

列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与车辆不接触，运行速度快，能超过500 千米／小时，运行平稳、舒适，易于实现自动控制；无噪音，不排出有害的废气，有利于环境保护；可节省建设经费；运营、维护和耗能费用低。

磁悬浮，利用的是磁体用性相斥的机理，运动再利用电流控制人造磁体不断变化，所产生的推力，去加速悬浮体，作用交通工具的动力原，磁悬浮，的优点是最大限度的减少摩擦，减少能量的需求，是未来省际间人员交通往来的首选，是未来的，发展大方向。