德国常导式磁悬浮列车的悬浮和牵引原理
徐长发，华中科技大学，2018.4.15
磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具，目前世界上有三种类型的磁悬浮技术。一是以德国为代表的常导式磁悬浮,二是以日本为代表的超导式磁悬浮,这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮力；第三种,就是我国的永磁补偿悬浮,它利用特殊的永磁材料,不需要电力支持就可以悬浮列车。
常导式磁悬浮列车，是依靠通常电力做成的电磁体，来实现列车与轨道之间的无接触悬浮、列车的拐弯导向和列车的牵引运行。
一．常导式磁悬浮原理
常导式磁悬浮，用通常电力做成电磁体，利用电磁体之间的引力或者排斥力把列车悬浮起来。这里有几个方面的问题：车体不能离开轨道太高，因为磁间隙大了会减弱磁作用力；车体不能左右晃动；为了车体在严格的范围内平稳悬浮，检测器和控制器要有灵敏反应的调节能力。
下面图1是德国常导式磁悬浮技术在上海建成的列车的实体图。
图1.常导式磁悬浮列车的外形图
从图1可以看到，列车两侧有导轨，把导轨包起来的部分是转向架，在转向架内装置有实现磁悬浮的电磁体。下面具体给出用通常电磁引力实现磁悬浮的示意图，见图2。
图2.常导式磁悬浮列车磁悬浮和磁导向结构示意图
从图2可以看出，在“工”字轨的端部与转向架内侧对应设置导向电磁体，这对电磁体用于控制车体和“工”字轨之间的横向距离；在“工”字轨下部的电磁体以及对应的转向架下部设置的初级线圈电磁体，这对电磁体用于控制车体和“工”字轨之间的垂直距离（悬浮10mm）。每一对电磁体之间都有传感器，传感器加上电流控制器可及时地调整和控制磁体对之间的气隙距离，保证磁体平稳悬浮。
列车在停止时是搁在“工”字梁上的，启动后列车将利用吸引磁力使车体悬浮，初级线圈电磁体同时起着悬浮和驱动的作用。
因为列车的载重可能会变化，列车也可能会摆动，所以要让列车实现稳定的电磁悬浮，就要灵敏地检测距离，灵敏地控制电流和磁力大小，这就涉及到多项高科技的技术，也只有在科技发展的现今时代才能实现这些精密控制。从系统方面来说，需要悬浮系统、导向系统、推进系统和控制系统。从器件方面来说，需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、不同性能的材料以及系统分析等方面的高技术成果。从协调方面来说，需要系统组合配置和实现工程化。
二．常导式磁悬浮列车的驱动原理
德国常导式磁悬浮列车采用直线同步电动机来提供牵引力。
它的短动子，即直线电动机的次极，固定在列车上，它的位置正好接受定子的行波磁场的电磁感应。动子是由绕组和层叠硅钢片构成的电磁体，绕组由列车上的电源（蓄电池）提供直流电，动子形成恒定磁场。运行时列车是悬浮在感应轨道梁上方的。
它的长定子，固定在感应轨道梁的内侧下方 ,定子也是由绕组和层叠硅钢片构成的电磁体，定子的绕组沿轨道直线分布，轨道全长都分布着这些定子磁极，定子绕组中通入的是三相调频调幅交流电，定子要产生行波磁场，参见图3。
列车停靠时就搁在轨道上；运行时，列车悬浮在感应轨道上做直线运动；轨道沿线的逆变器提供与车辆速度和频率相一致的三相交流电，这样便实现无接触的直线驱动，且能无极调速。
为了避免能量损失 ,常导式磁悬浮列车在运行的线路上采用长定子分段供电，线路被分成了若干独立区段 ,每段长约300-1000 m，只在车辆所在的区段接通电源，定子的行波磁场驱动列车运行。
图3.常导式磁悬浮列车的长定子直线驱动原理示意图
车载动子供电、照明等都是由蓄电池供电的，当列车减速时，直线电动机就变为直线发电机，可为蓄电池充电。
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