磁悬浮列车的原理(自制超简单磁悬浮陀螺)[亲测有效]

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自人类起源以来，人类的交通方式一直在变化，从步行到人力车、人力船，到牛车、马车等畜力车，到帆船、滑翔机等依靠自然外力的交通工具，到蒸汽火车、内燃机车等使用化石能源的交通工具，再到电力机车、电动车等使用电力的交通工具。人类的出行方式逐渐从单一、费时费力向快捷方便转变。古代“进京赶考，三月未达”已成历史。现在“去北京做生意，夜深了”。改革开放的“时代快车”让中国和中华民族重新回到世界发展舞台的中心。工业革命的“科技飓风”带来的高铁、磁悬浮等高科技产品，彻底改变和提高了中国和世界人民的生活质量。

接下来，本文将从以下五个部分分享我对磁悬浮列车及相关领域的认识和理解。

第一部分，中国高铁的“前世”；

第二部分，有中国高铁，那为什么要发展中国磁悬浮？

第三部分，磁悬浮列车的“前世”；

第四部分，世界上仍在商业运营的磁悬浮线路；

第五部分，超级高铁和磁悬浮是什么关系？

(一)中国高铁“前世”

自1825年英国首次建成世界上第一条轮轨铁路以来，世界各国开始从普通铁路发展到高速铁路，再到高速铁路。火车的牵引动力也从蒸汽机发展到内燃机，再发展到电力牵引。1964年，日本率先建成电气化高速铁路，使铁路商业运营速度首次达到210km/h[1]。1978年，邓小平主席访日，乘坐新干线高速列车，高速铁路正式进入中国大众的视野。1990年，我国开始进行高速铁路关键技术攻关和试验实践规划，拉开了我国高速铁路建设和发展的大幕。

中国高速铁路(英文名:China High-speed Railway)，简称中国高铁。中国高铁从技术构成和商标上可分为CRH系列和CR系列[2]。其中，CRH系列动车组命名为“和谐号”(如图1)，寓意“建设和谐铁路，建设和谐之旅，构建社会主义和谐社会”。是中国铁道科学研究院集团有限公司的注册商标，动车组为中外联合设计生产；CR系列动车组命名为“复兴号”(如图2)，寓意“承载着中华民族伟大复兴的中国梦”。是中国铁路总公司的注册商标，动车组是中国自主研发生产的。

根据《高速铁路设计规范》(TB10621-2014):我国高速铁路为设计速度大于250km/h(含预留)、初期运行速度大于200km/h的客运专线铁路[2]。中国高铁运营速度200km/h-350km/h，最高运营速度350km/h，2019年底世界第一。

此外，中国京沪高铁最高实验速度为486.1km/h，实验室最高实验速度为605km/h，表明高速铁路运营速度提高了空。2017年底，中国铁路“四横四纵”快速通道全部建成通车，东、中、西、东北四大板块区域间完成高铁互联互通，基本实现了“国内早高峰、晚高峰”的宏伟目标，极大提高了人民群众出行的便捷性和舒适性。

截至2019年底，中国高铁运营里程已达3.5万公里，远超全球高铁总里程的三分之二，成为全球高铁里程最长、运输密度最高、网络运营场景最复杂的国家。

(2)有了中国高铁，为什么还要发展中国磁悬浮？

属于高铁交通。高铁车体的车轮与钢轨接触，通过车轮与钢轨的接触摩擦产生推动高铁前进的推力。然而，随着高铁运行速度的提高，出现了三个问题:

首先，高铁车体上的空空气摩擦力随着速度的提高而急剧增大，而轮轨提供的牵引力则减小。这一事实导致高铁能量损失巨大，制约了高铁运行速度的进一步提高。

其次，现有的高铁技术是依靠受电弓和供电电缆的接触来实现高铁供电和驱动，从而控制高速列车的加减速。受电弓和供电电缆之间的接触供电方式，不允许高铁速度无限提高。

再次，随着速度的提高，高铁运行产生的轮轨噪声和空气动力摩擦噪声也急剧增加，对周围环境有很大的干扰和破坏。也就是说，在综合考虑经济性、安全性和技术可行性的基础上，高铁长期运营的最高速度约为350km/h。

20世纪60年代，铁路专家开始关注这些实际问题。于是，火车轮轨与弓网、供电电缆无接触的磁悬浮列车诞生了。

磁悬浮列车是基于磁极相斥相吸的原理。它利用永磁力、电磁力或超导磁力克服车辆重力，使车辆与轨道达到平衡状态，无机械接触，直线电机驱动控制列车的加减速[3]。

磁悬浮列车和高铁最大的区别就是没有机械接触，所以相比高铁有六大优势[4][5]:

(1)非接触摩擦，摩擦能耗低。相同速度下，高速磁浮列车单座能耗比高铁低30%；

(2)爬坡能力强，转弯半径小。同样的距离，磁悬浮列车的爬坡能力可以达到10%，比高速铁路高出6%。在相同速度下，磁悬浮列车的转弯半径更小，容易选择路线。

(3)安全性好，舒适性高，基于电磁悬浮无接触，车体振动小，不易脱轨，其安全性是轮轨列车的250倍；

(4)调速范围大，适应性强。中低速磁浮列车可用于解决城市与郊区之间的短途交通，高速磁浮列车可达500km/h，为长途客货运输提供了更高效的解决方案；

(5)低污染、高环保。磁悬浮列车的原理是在磁悬浮的基础上实现无接触运行，因此其碳排放和噪音远低于普通轨道列车；

(6)系统经久耐用，维护成本低。磁悬浮列车的正常运行是无接触无磨损的，系统的维护费用只占传统轨道列车的34%。

以上六大优势是磁悬浮独有的，也是磁悬浮列车最大的潜力。事实上，1998年我国修建京沪高铁时，就出现了高铁技术和磁悬浮技术两种方案的互斥之争，京沪高铁项目一度搁置。最后通过专家论证选择了当时技术较为成熟的高速铁路技术。因为高铁技术在京沪高铁上的成功应用，中国的高铁技术在接下来的20年里飞速发展。

如今，传统的恒导吸力型磁浮技术已经完全成熟，中车青岛四方、国防科技大学、西南交通大学、中科院电工所掌握了具有自主知识产权的恒导高速磁浮列车和恒导中低速磁浮列车技术。此外，低温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮、超级高铁等多种磁悬浮方案相继提出，原理验证和实验论证工作逐步开展，使得磁悬浮列车的发展再次进入大众视野，逐渐引起国家、相关行业和公众的持续关注。

(三)磁悬浮列车的“前世”

德国是世界上最早研究磁悬浮列车的国家，它创造了磁悬浮列车技术发展史上的许多里程碑。1922年，德国人赫尔曼·强索提出了电磁悬浮原理，1934年获得了世界上第一项磁悬浮技术专利。自20世纪70年代以来，随着工业化国家经济实力的不断增强，德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国相继开展了磁悬浮运输系统的研究和开发，以提高运输能力，满足本国经济发展和人民生活的需要。

从20世纪20年代到现在的100年间，世界各地研究和开发了各种磁悬浮列车。根据悬浮原理的不同，它们可以分为五类。

第一种:恒导恒吸磁悬浮列车，列车上安装的电磁铁(由常规导电电缆制成)与轨道之间的吸引力与列车的重力相平衡，使列车稳定悬浮在空中，悬浮高度约为8-10mm；

ⅱ型:低温超导推斥磁悬浮列车。列车上安装的电磁铁(由超导电缆绕制而成)与两侧铁轨上排列的“8”字形线圈产生斥力，使列车稳定悬浮在空中，悬浮高度约为100mm；

第三类:高温超导磁悬浮列车，列车上安装的高温超导磁体与轨道上布置的永磁体相互作用，使列车稳定悬浮在空中，悬浮高度约20mm；

第四类:磁悬浮飞机。安装在列车上的永磁体与布置在轨道上的感应板或线圈相互作用，使磁悬浮飞机稳定悬浮在空中，悬浮高度约为80-150mm(之所以称之为磁悬浮飞机有三个原因:

第一，磁悬浮飞机的悬浮高度高于磁悬浮列车；

其次，机身两侧设计有边条或翼梢小翼，尾部也设计有起平衡作用的尾翼，有很多飞机的特点；

再次，磁悬浮飞机的自动控制系统、车体、定位系统等设备都是按照飞机标准设计的，具有无噪音、无污染、高速、节能等优点。

第五类:超级高铁，将磁悬浮技术与实空管道技术相结合，无机械摩擦阻力，减少空空气摩擦阻力，大幅提高运行速度。

表1 [6-10]总结了各种磁悬浮列车的发展历史。

到目前为止，全世界仍在商业运营的磁悬浮线路都是常导吸引型。恒吸力磁悬浮分为高速磁悬浮和中低速磁悬浮，高速磁悬浮的运行速度一般在400km/h以上，如德国TR系列高速磁悬浮列车和我国自主知识产权的高速磁悬浮列车。中低速磁浮的运行速度在80-120km/h左右，如日本HSST系列中低速磁浮列车、中国CMS系列中低速磁浮列车、韩国MLV系列中低速磁浮列车。

除了德国、日本、韩国和中国之外，英国、加拿大、美国、前苏联等国家都从上世纪中叶开始进行EMS磁悬浮列车技术的研究。截至目前，我国于2002年底引进的德国磁浮技术在上海建成的国内首条高速磁浮线路，仍是世界上唯一的商用高速磁浮列车线路，最高运行速度为430km/h(如图3所示)。

目前世界上有四条低速磁浮列车在运营，分别是中国的长沙磁浮快线(最高运行速度100Km/h，如图4所示)、中国的北京S1地铁线(最高运行速度80Km/h)、日本的名古屋磁浮线(最高运行速度100Km/h，如图5所示)和韩国的仁川国际机场线(最高运行速度100Km/h)

(5)这两年风靡全球的超级高铁和磁悬浮是什么关系？

超级高铁概念的原型是real 空管道运输技术，由机械工程师Darryl Oster在20世纪90年代首次提出。1999年，他获得了这项技术的专利，并注册了ET3公司，提出在纽约和洛杉矶之间修建一条4600公里长的线路，最高时速6500公里，预计造价为每公里125万美元，每节车体造价27万美元。

2013年，新能源汽车公司SpaceX的创始人兼特斯拉CEO埃隆·马斯克(elon musk)对其进行了丰富，正式提出了超级高铁的概念，这是一种融合了磁悬浮技术和钟真空技术的现代交通工具，其速度可以达到600km/h到1200km/h，甚至有学者认为其速度可以远远超过音速(音速为每小时1224km/h)，达到4000。因为超级高速列车的外形类似于胶囊，所以也被称为超级环线胶囊列车。这种火车不仅可以大大缩短时间空，方便人们出行，而且由于其高效的能源利用，大大降低了运输成本。许多学者认为，如果技术成熟并投入使用，运输成本将远低于现有的高速铁路[11][12]。

综上所述，磁悬浮技术和真空管道技术是超级高铁的两大核心技术。磁悬浮技术使列车、轨道和供电电缆之间没有机械接触，从而避免了超高速运行带来的机械摩擦损失。真正的空管道技术减少了列车与空气体之间的摩擦，降低了超高速运行时产生的空气体阻力。这两项技术不仅是保证超级高速铁路超高速运行的前提，也是降低超级高速铁路运营成本的关键。

(6)超级高铁行得通吗？

自2013年马斯克提出超级高铁的概念以来，相关领域的学者和专家对“超级高铁”的想法持有完全相反的争议。有学者认为在现有交通网络下没有必要发展超级高铁，也有人认为超级高铁是一个幻想概念，是一个技术上不可信的圈钱骗局；尽管如此，几家公司和研究所一直在坚持超级高铁的研发。

2013年，HTT与Ansys、UCLA、Aecom和Oerlikon达成合作协议，分别在流体力学、建筑设计和true 空管道技术领域展开合作[13]。2016年5月，Hyperloop One在内达华沙漠公开展示了其推进系统原型。推进装置在1.1秒内从0加速到97公里/小时，最大速度为187公里/小时[14]。

2014年6月，西南交通大学研究团队将高温超导磁悬浮与true 空管道概念相结合，成功研制出新一代高温超导磁悬浮环形试验线和true 空管道高温超导磁悬浮试验平台“超级磁悬浮”。

2017年5月，Hyperloop One首次在真实空环境下进行超级高铁综合测试，时速113 km/h，7月再次测试，时速310 km/h，同年8月，中国航天科技集团宣布启动1000km/h高速飞行列车R&D项目，将研制最高运行时速2000km/h的超高速列车和

2018年4月，HTT与Aldar签约，在迪拜和阿布扎比之间修建一条10公里长的试验线，计划于2020年完工。未来将建成150公里全程，时速1123公里。

2018年6月，在世界交通大会“高速铁路发展技术论坛”上，西南交通大学向外界宣布，世界上最快的真空高温超导磁悬浮比例模型试验线正在成都建设调试。该试验线直径4.2m，长140m，液氮制冷，悬挂高度10mm，承重200kg，最大试验速度400km/h，同月，HTT与乌克兰签署协议，开始在乌克兰建设商业高铁系统，随后宣布其超级高铁乘客车厢比纽约市地铁车厢大一倍，最高时速1233km/h

2018年7月，HTT与中国贵州铜仁市政府签署了“珍空管道超级高速铁路R&D工业园项目”。双方将以1:1的出资比例成立合资公司，各占50%的股权，在铜仁市建设一条10公里长的超级高铁线路。同时，双方将共同建设超级高铁产业配套园区，占地500-1000亩[15]。

2018年10月，HTT展示了其首个全尺寸客舱。客舱长32米，重5t。它是由复合材料制成的。展览结束后，它将被转移到法国图卢兹进行重新组装，然后部署到首批商用超级高铁轨道上。

2020年11月8日，维珍的Hyperloop项目在美国内华达州拉斯维加斯附近的沙漠中完成了首次载人测试。本次测试使用的500米长管道中，车体到达终点仅用了15秒，最大载人速度为160 km/h。

作为磁悬浮领域的研究人员之一，笔者认为超级高铁在原理上是可以做到和谐自连的，目前的技术可能存在以下几个方面的困难:

首先，现有磁悬浮技术的负载率普遍较低。低载客量是指相同容积的客空室所能承载的乘客数量少，因此人均载客成本高，不能适用于货运。

其次，如何将平台处的真空与正常大气压有效隔离。超级高铁运行在真实空环境中，乘客从正常大气压环境通过站台进入超级高铁的乘客车厢。平台的气密性设计是一项重点和难点工作。

第三，如何保持true 空中的热平衡。众所周知，由于真空态没有空气体，散热无法通过对流实现，超级高铁在运行过程中必然会产生热量。如果真实空环境中的热量不能快速有效地转换或传导出去，真实空环境中的热量会

虽然超级高铁技术还存在很多技术问题，但这并不能阻挡人们对“更快、更舒适、更安全、更经济、更环保”的出行方式的追求。从超级高铁的概念，到理论探索研究，再到实验原理验证，再到演示运营，再到全方位推广，需要一代又一代磁浮人一以贯之的坚持，久久为功。就像1865年中国第一条铁路建成一样，直到现在，已经建成了“四横四纵，全国互联互通”的高铁网络。谁也没有想到，100多年来，人们的出行方式发生了翻天覆地的变化。所以所谓“科技无极限，没有什么是不可能的”。再过几年，磁悬浮列车和超级高铁可能会像普通列车和高速列车一样普遍适用！

参考资料:

[1]高铁和磁悬浮的技术差异_无知少年_新浪博客

(http://blog.sina.com.cn/s/blog_6150054e0100h09o.html)

[2]中国高速铁路_百度百科

(https://baike . Baidu . com/item/% E4 % B8 % AD % E5 % 9B % BD % E9 % AB % 98% E9 % 80% 9F % E9 % 93% 81% E8 % B7 % AF/5923925？from title = % E4 % B8 % AD % E5 % 9B % BD % E9 % AB % 98% E9 % 93% 81 & amp；fromid = 23415742 & ampfr =阿拉丁)

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[4]严陆光，徐善刚，孙广生，等.高速磁浮列车的战略进展与中国发展战略(下)[J].电气工程与能源高级技术，2003，(01): 1-8。

沈约，胡思齐。高速磁浮列车技术及其在中国客运中的战略地位[J].技术与经济，2001，(12): 35-37。

[6]李益民。直线电机与磁悬浮驱动[M]。成都:西南交通大学出版社，2018: 4-21。

赵昌宗。磁悬浮“飞机”[J]。东方电气，2002，30(04): 387-391。

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[10]张，张。韩国磁悬浮列车的发展[J].国外铁路车辆，2006，(04): 8-12。

[11]陈谦。超级高铁引领未来新速度[J]。现代工业经济与信息化，2013，(17): 80-81。

[12]顾·。超级高铁，秒杀磁悬浮的交通工具[J]。中国经济报告，2016，(06): 114-116。

[13]崔立元。国外研究:“超级高铁”真的要来了？[J]。交通建设与管理，2017，(04): 44-47。

[14]中国版“超级高铁”试验时速有望达到1500km[J]。现代隧道技术，2018，55(04): 96。

[15]首个超级高铁客室在西班牙展出，设计时速1200公里[J]。隧道施工(英文和中文)，2018，38(10): 1711。

资料来源:中国科学院科技创新发展中心(北京分院)