超导磁悬浮应用Word文档下载推荐.docx

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15 

日发现了 

98K 

超

导体，很快又发现了 

14°

下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使

超导技术走向大规模应用。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。

超导现

象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交

通工具将在无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能。

超导列

车已于 

70 

年代成功地进行了载人可行性试验，1987 

年开始，日本国开始试运

行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成

的。

超导船已于 

1992 

27 

日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。

利用

超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具

革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。

超高

压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界

温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。

随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来

得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被

认为是 

20 

世纪最伟大的发现之一

2

∙初识超导现象

年荷兰科学家翁纳斯

（Onnes）在测量低温下水银电阻率的时

候发现， 

当温度降到零下 

269 

度附近，

水银的电阻竟然消失了！

图 

复制了当

时的实验曲线。

电阻的消失叫做零电阻

性。

所谓“电阻消失”，只是说电阻小

于仪表的最小可测电阻。

也许有人会产

生疑问：

如果仪表的灵敏度进一步提高，

会不会测出电阻呢？

用“持久电流”实

验可以解决这个问题。

由正常导体组成的回路是有电阻

的，而电阻意味着电能的损耗，即电能

转化为热。

这样， 

如果没有电源不断地

向回路补充能量，回路中的电能在极短

时间（ 

例如微秒）里全部消耗完，电流衰

减到零。

如果回路没有电阻，自然就没

有电能的损耗。

一旦在回路中激励起电

流，不需要任何电源向回路补充能量，

电流可以持续地存在下去。

有人曾在超导材料

做成的环中把电流维持两年半之久而豪无衰减。

由

此可以电阻率的上限为 

10－23 

欧姆厘米，还不到

最纯的铜的剩余电阻率的百万亿分之一。

零电阻效

应是超导态的两个基本性质之一。

超导态的另一个基本性质是抗磁性，又称

迈斯纳（Meissner） 

效应。

即在磁场中一个超导体

只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁

场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。

也就是

说，磁力线完全被排斥在超导体外面，如图所示。

∙超导磁悬浮

3

利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。

3 

是超导磁悬浮的示意图。

把一块磁铁

放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去， 

超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁

铁悬浮在超导盘的上方。

这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的， 

超导悬浮列车

就是一例。

让列车悬浮起来，与轨道脱离接触，这样列车在运行时的阻力降低很多，沿

轨道“飞行”的速度可达 

500 

公里/小时。

高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区

（零下 

169 

度以上）出现，超导悬浮的装置更为简单， 

成本也大为降低。

我国的西南交通

大学于 

1994 

年成功地研制了高温超导悬浮实验车。

超导磁悬浮演示装置

THP-1 

型超导磁悬浮演示装置

特点：

论述一台高临界温度超导体磁悬浮列车物理课堂演示装置，该装置为一个盛放高临界温度超导体的

列车模型，在具有磁束缚的封闭磁轨道上方悬浮；

或在磁轨道下方倒挂“悬浮”，并可在直线电机加速装置或

旋转磁场加速装置作用下，沿这一长度约为 

1.7m 

的封闭磁轨道，以悬浮或倒挂“悬浮”状态无摩擦的连续运

转。

一．实验装置：

1． 

具有细微弥散 

Y 

系（211 

相）的 

Y1 

Ba2Cu3O7-8，用熔融织构生长法制备的超导块材， 

尺寸为

Φ18mm，厚约 

10mm。

2． 

用发泡聚乙烯隔热材料模压成型的列车模型。

模型外壳为一上盖可开启的封闭铝壳，两侧的铝板在列

车模型通过直线电机加速装置时，其感生电流产生的磁场推动列车模型向前运动。

上侧的铝板在列车模型通过

旋转磁场加速装置时起到如上述相同的推动作用，而底部的铝板产生的磁阻尼可使列车模型运行平稳。

3． 

为由约 

300 

块表磁为 

0.4 

特斯拉的 

Nd－Fe－B 

永磁材料并排拼接而成的磁轨道，三排永

磁材料的磁极按 

S－N－S 

相间排列，以对运动着 

的列车模型形成磁束缚，以使列车模

4

型不从磁轨道上滑出。

磁轨道全长约 

1.7 

M。

永磁材料吸附在轭铁 

4 

上。

4． 

为磁轨道支架。

两根长杆架起椭圆形的磁轨道，使悬浮运动着的列车模型清晰可见。

支

架顶端的轴杆可支架 

360。

旋转，为演示列车模型与水平面不同角度时使用，演示倒挂“悬浮”时可

将支架倒转固紧．

5． 

为旋转磁场加速装置。

由镶嵌在高分子材料制成的圆柱体内的 

0.4T 

的

Nd-Fe-B 

永磁材料构成，两块磁铁之间在圆柱上相间 

90。

。

高分子材料圆柱体由直流电机带动，旋转磁

场转速为 

900r/min。

6． 

为直线电机加速装置，由 

8 

对相角差为 

120。

的电磁铁构成。

由旋转磁场和直线电机构成的加速装置可使重量为 

20g 

的列车模型，在周长为 

的磁轨道上悬浮高度

为 

8mm 

时产生约 

30m/min 

运转连度。

如果演示得当，列车模型可沿磁道运转 

40r。

二．演示方法和注意事项

将超导列车模型上液氮灌注口的螺帽旋开，然后置入装有液氮的容器内，待样品冷却

到液氮温度时开始演示。

开始演示时，先将液氮灌注口的螺帽旋紧，然后用竹夹子将列车模型夹至水平放置的磁导轨上方，

并稍稍下压，以使部分磁通进入到超导体内，而形成磁轨道对超导样品的磁束缚。

稍加力，列车模型即以悬浮

状态沿轨道旋转，直至样品失超而落到磁轨道上方为止。

打开列车模型的液氮灌注口，向口内注入液氮（注意，此时列车模型仍落在磁导轨上方）。

若液氮

挥发较快，要反复灌注，直至样品呈超导状态。

此时列车模型可能吸附在磁导轨上方，用手将列车模型稍稍上

提，使其稍稍离开磁导轨，而呈悬浮状态（但明显感到磁轨道对其有吸引力）。

松开磁轨道紧固螺钉，转动磁

轨道使磁轨道与水平面呈倒置平行状态，此时列车模型即以倒挂“悬浮”状态在磁轨道下方连续运转。

为防

止摔坏列车模型应掌握好演示时间防止掉到地下。

皮肤直拉接触液氮可能造成烧伤，特别防止液氮直接溅到脸部和眼晴。

液氮的沸点为 

77k，长期在空气中放置时，会将空气中的氧液化，氧的沸点为 

90K。

若用这样的液

体冷却超导样品. 

可能使演示失败。

超导样品在超导态时，对其经历的磁化过程有“记忆’功能，演示倒挂悬浮时，须待样品失超后再

开始演示。

7．长时间不用的超导样品，放置在有干噪剂的容器内保存。

5

三．

产品图片

车载高温超导磁悬浮系统的设计

二十几年来对超导磁悬浮列车的研究证明, 

它不仅速度高, 

而且能耗低、运输容量

大、噪声低、环境污染轻、安全可靠[ 

]。

由于低温超导磁悬浮列车必须工作在液氦（4.

2K） 

温区, 

所以使其发展受到一定的限制。

高温超导体（HTS） 

工作温度高（例如 

77K） 

在

应用中省掉了复杂的液氦（4. 

制冷系统, 

降低了造价和运行成本, 

系统操作简便, 

便于

维护, 

也更加稳定。

但要充分发挥这些优势还必须进行大量深入细致的研究工作。

高温超导

磁悬浮列车的核心是车载高温超导磁悬浮系统, 

这个系统要求较大尺寸的液氮低温容器, 

并

且要求高温超导体块材与导轨之间的间隙（即磁悬浮净高度） 

越大越好[ 

2, 

为了保证

高温超导磁浮列车具有更大的有效悬浮高度, 

要求高温超导磁浮列车用的液氮低温容器与轨

道相对应的该容器的壁厚越薄越好。

因为这种液氮低温容器在磁场下工作, 

为保证磁悬浮系

统的正常工作, 

这种薄壁液氮低温容器液应该是无磁或弱磁的。

此外, 

本文将讨论如何选择

高温超导体块材, 

确定高温超导体块材的最佳组合, 

以及整个车载高温超导磁悬浮系统的设

计考虑。

2　YBaCuO 

块材的悬浮力

在设计车载高温超导磁悬浮系统之前, 

必须在我们自行研制的“高温超导磁悬浮

测试系统[ 

]”上测量每块 

YBaCuO 

高温超导体块材在永磁导轨上的悬浮力。

这个测试系

6

统采用了能放置高温超导体块材的薄底（3. 

5mm 

） 

液氮低温容器, 

将它置于永磁导轨之上,

永磁导轨表面磁感应强度达 

2T。

该测量系统能测量多块或单块高温超导体块材的总体磁

悬浮力。

一个典型的单块 

高温超导体在永磁导轨上的悬浮力如图 

所示。

通过计算

和综合各方面的因素考虑, 

我们提出适合高温超导磁悬浮实验车（永磁导轨表面磁感应强度

达 

2T 

用的 

高温超导体在永磁导轨与 

HTS 

之间为 

间隔时的悬浮力应大于

9N. 

cm 

2。

这个数字也是我国自己研制的熔融织构法 

高温超导体块材可能达到的水

平。

3　YBaCuO 

块材的形状和大小

为了充分利用永磁导轨的磁块而不产生漏磁, 

一般认为高温超导体块材应做到无间隙的

排列。

开始我们考虑了正六方形和正方形, 

但在永磁导轨上的悬浮力不仅不会增大, 

甚至会

更小。

其原因是, 

在永磁导轨悬浮系统中, 

高温超导材料本身的物性（例如临界电流密

度） 

对悬浮力的影响因子大于对外磁场的利用因子。

对角 

30mm 

对边 

26mm 

的正六方形, 

屏

蔽电流路径的直径为 

其宏观效果可能近似于直径为 

的圆形样品。

所以我们选

择了圆形样品。

高温超导体块材当然是尺寸越大越好, 

但大尺寸批量生产是较困难的。

我们直径

样品的悬浮力测试结果比较从直径 

测试结果（见图 

1） 

可以看出,

直径 

的悬浮力大得多。

介于大于直径 

的样品目前批量制备困难, 

所以我们选取

的样品。

4　YBaCuO 

块材的组合对于我们的特定的永磁导轨, 

我们研究了多块高温超导体块材沿

永磁导轨中心不同阵列的单位长度悬浮力[ 

5 

2 

表示高温超导体块材样品不同阵列的

组合图。

悬浮力的实验研究结果见表 

I。

测试条件:

YBCO 

永磁导轨表面

磁场 

薄底液氮低温容器底壁厚 

3. 

5mm。

表内所列悬浮力是 

与永磁导轨相距

20mm 

时的测量值。

表 

I　组合样品悬浮力实验结果比较样品组合序号 

6 

7 

总悬浮力（N 

145

193 

177 

163 

105 

123 

136 

118

7

单位长度悬浮力（N.mm 

44 

68 

32 

75 

50 

97 

单位长

度悬浮力排序 

　由表 

I 

可以看出, 

样品组合方式 

单位长度悬浮力最大。

因此, 

我们以组合方式 

为基本单元来设计车载高温超导磁悬浮系统。

5　液氮低温容器高温超导磁悬浮列车用的液氮低温容器尺寸较大, 

为了保证高温超导磁

悬浮列车具有更大的有效悬浮高度, 

提出了液氮低温容器底部内外壁总尺寸小的要求。

实验

研究。

日本超导磁悬浮列车开发现状

磁悬浮列车由于具有安全性、稳定性、与环境适应性以及高速、适合大量运输等特点，

被视为 

21 

世纪综合运输系统中最具发展前途的高科技运输手段之一。

日本出于谋求国土经

济均衡发展，以及通过超导磁悬浮技术的开发带动各相关产业发展的目的，自 

1962 

年起就

开始了直线电机推动悬浮方式列车的预研制工作。

至 

1999 

10 

日，随着在日本山梨县

境内进行的 

节车辆时速 

公里荷重 

270 

人分编组运行试验的成功，日本超导磁悬浮列车

的基本研制计划已接近尾声，将可以转入商业性运营线路开发建设阶段。

日本拟于下世纪初

在东京、名古屋、大阪之间铺设磁悬浮列车中央新干线。

现将 

MLXO1 

型超导磁悬浮列车概况

介绍如下。

1.超导系统

超导线圈：

超导线圈是磁悬浮列车的最关键设备之一，它与 

U 

型列车行驶导槽中设置的

推力、上浮、导向线圈一起使列车获得上浮、推进、导向力。

日本使用的超导物质是将超细

铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，当此种超导电线浸入液氦（－269℃）中时进

入超导状态产生强大磁场。

这是世界上首次在实用运输设备上用超导技术实现可获得 

550 

公

里稳定时速的大功率强磁线圈，其电压为 

22KV。

　　车载超低温冷冻系统：

每一车载强磁单元上分别装有一台液氦及一台液氮压缩制冷

机。

液氦压缩机的作用是将由于外部热能及列车本身行驶时产生的热能逐渐气化了的氦气重

新冷冻还原成液氦。

液氮压缩制冷机的作用是将冷却超导线圈外部隔热板的液氮制冷剂重新

冷却，保持－196℃低温液氮状态。

MLX01 

型列车装备的压缩机为目前世界上体积最小、能

力最强的节能型车载液氦及液氮压缩机，并且实现了连续工作 

万小时无故障的纪录。

使得

列车运行时一次充氦（氮）以后无需再补充液氮或液氦。

磁屏蔽技术：

由于超导线圈工作时产生的巨大磁场，如无有效屏蔽手段将危害乘客的健

康，MLX01 

型列车使用了一种称之为 

EFE 

的屏蔽材料（工业纯铁类），有效地将客车内的磁场

降至 

高斯以内，可以确保乘客的安全。

2.车体技术

高强度轻型设计：

当列车以 

公里时速穿越隧道时，空气密度压力的突然变化及列车

头部突入隧道时产生的微气压波会给车体带来巨大压力，对车体的设计及材料提出很高的要

8

求。

型列车使用了高强度铝合金材料及半硬壳结构密封设计，同时为了提高有效荷重，

列车采取了超轻量设计并大量使用了强化碳纤维树脂等新材料。

　　减震系统及舒适性设计：

为提高列车的舒适性，MLX01 

型列车在底盘与车厢之间设计

了计算机控制的油压减震系统及空气弹簧减震装置，使得列车行驶极其平稳。

　　另外，列车设计了利用行驶风进行自动调节的节能平衡式空调系统，这种系统避免

列车行驶时由于气压变化带来的乘客耳朵不适感。

3.安全控制系统

为确保 

公里时速状态运行的安全，新型磁浮列车的另一关键系统即强电的变电、配

电系统。

磁浮列车的起动、加速、停止等动作均通过地面大型变频、变压装置改变向线圈输

送的电流及频率进行精密控制。

型列车的地面系统先通过大型可控硅整流（69MW）及

GTO 

换流变电站将交流电源转换成直流电，然后再通过世界最大级（40MVA）的变频换流装置，

将获得的直流电源重新转换成磁浮电机所需的（电压 

0—22KV、频率 

0—56.6Hz）交流可变电

源。

　　为了提高运行效率，列车运行配电系统仅向磁浮列车所在区段进行配电。

日本开发

的 

SF6 

气体保护 

GIS 

型小型区域配电开关已通过了 

100 

万次可靠性试验。

　　驱动控制系统：

该系统是代替驾驶员保证列车平稳舒适运行并控制整个电力变换向

列车各行驶区域配电的重要控制系统，主要包括：

驱动控制系统、速度控制系统、相位同步

控制系统、列车区段配电控制系统等部分。

电磁诱导供电系统：

磁浮列车在行驶时，与地面处于非接触状态。

列车所需的照明及空

调等用电采用了地面线圈和车上线圈电磁感应供电方法，获得所需电力。

5.图像信息传递系统

磁浮列车使用了毫米波无线大容量传输方式。

山梨县试验段的工作频段为 

45GHz,可以将

设在车头的 

CCD 

图像通过无线系统传入中心指令室。

地面信息系统使用了光纤 

LAN 

系统，传

送各种控制、监视、计测、广播、电话等信息。

6.土木工程技术

为确保列车的安全，磁浮列车行驶的 

型导槽施工要求极高，其整体施工要求达到厘米

精度。

另外，设置在 

性槽体内的线圈在列车行驶时承重极大，在研制过程中，通过计算机

模拟等一系列试验，合理地解决了承重及抗疲劳问题。

　　磁浮列车的经济性主要取决于两个方面：

　　直接建设开发费用。

包括三个主要方面，即建设成本、运行成本、设备制造成本。

随着技术进步，其各项成本的平均概算大约近期以年 

7％—5％的速度递减，为此，至 

2002

年，据估算其建设成本大约是普通新干线 

L700 

型的 

130％。

9

　　间接经济效益。

建设高速的移动系统首先可创造大量的时间经济价值；

磁浮列车是

节能、环境负荷小的交通工具，其能耗（公里/人）约为汽车的 

1/7，飞机的 

1/4，CO2 

排放量

（人/公里）约为汽车的 

1/10，飞机的 

1/6。

中国研制成功“高温超导磁悬浮实验车

世界上第一辆载人“高温超导磁悬浮实验车”日前在西南交通大学研制成功，

这标志着中国在高温超导磁悬浮科学研究与试验技术领域已达到世界领先水平。

载人“高温超导磁浮列车实验车”可载 

人，其永磁导轨长 

15.5 

米，最大

悬浮重量达 

700 

公斤。

该车悬浮稳定性好，悬浮刚度高，低温系统连续工作可

超过 

小时。

据该课题组负责人高级工程师王家素介绍，这是迄今为止世界上

悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。

在 

863 

成果展的超导技术展厅，一辆雪白色的磁悬浮列车吸引了众多人的关

注，这是西南交通大学在实施 

计划中研制成功的可载人“高温超导磁悬浮

实验车”，在世界上还是第一辆.在场观众们抑制不住喜悦心情，争相排队乘坐，

亲身感受一下我国未来的磁悬浮列车.

这辆磁悬浮列车整个采用高温超导材料制造，车身在承载 

530 

多公斤的情况

下，悬浮高度可以达到 

20mm.由于是在去年年底研制成功，研究人员给它取名

“世纪号”.据工作人员介绍，这辆磁悬浮实验车比日本的磁悬浮列车还要先进.日

本目前应用的是常导磁悬浮技术，其永磁轨道只有一条，悬浮高度仅为 

mm。

而眼前的这辆高温超导磁悬浮实验车像火车一样，安置了两条永磁轨道，

不仅比日本的常导磁悬浮列车更平稳，磁浮系统导向力大，而且造价更为便宜.

中国科学院理论物理所研究员、中科院院士何祚庥昨天就磁悬浮列车接受本

报记者独家专访，对于磁悬浮列车本身，何祚庥用了三个词来形容：

又便宜、

又容易、又好.何祚庥算了一笔帐，修

10

建同样里程的铁路，磁悬浮线路的造价只是普通路轨的 

85%，而且运行时间越

长，效益会更明显.磁悬浮列车的路轨寿命可达 

80 

年，而普通列车路轨只有 

60

年.磁悬浮列车车辆寿命是 

35 

年，轮轨列车是 

年、25 

年.此外，磁悬浮列车

的年运行维修费仅为投资的 

1.2%,而轮轨列车高达 

4.4%.磁悬浮高速列车的运行

和维修成本约是轮轨高速列车的 

1/4.磁悬浮列车和轮轨列车乘客票价的成本比

1∶2.8.

磁悬浮列车是否已进入实用阶段？

何祚庥认为这在技术上其实非常容易.他

告诉记者，德国和日本都已经发展了比较成熟的磁悬浮技术，特别是德国，其

常导磁悬浮列车只需用普通的电磁铁，而这已经是完全成熟的技术，所以在实

用方面已经没有任何障碍.此外，施工难度也不高.何祚庥说，如果要说存在什

么问题的话，就是中国方面还缺少实际运营的经验.

磁悬浮列车的好是非常明显的.速度快、效益高、能耗省、噪音低、污染少.

何祚庥告诉记者，经过考察团成员的实地感受，磁悬浮列车乘坐舒适，急转弯

时也感受不到离心力.此外，由电磁回路所漏出的磁场远比地磁要弱，噪音方向，

在时速 

公里时只有 

78~80 

分贝，时速 

420 

公里是 

90 

分贝，如时速下降到

200 

公里，整个列车的噪声就和城市中的小汽车差不多了.不但京沪线要修成磁

悬浮，而且中国还要再建 

20000 

公里的磁悬浮铁路.何老将上海建造磁悬浮列车

看成是一个好的信号，“京沪”磁悬浮铁路也将从这里延伸.他认为，随着上海

这条磁悬浮线路建成运营，“京沪”磁悬浮线的动工也将拉开序幕.

理研究所研究员、学术委员会主任赵忠贤先生做了题为“奇妙的超导现象”

的科普报告。

超导技术已经可以在生物医学、电力工业、微电子仪器、微波通

讯、大科学装置、交通等各方面应用，不过形成较大产业的目前只有基于超导

量子干涉器的电子仪器和基于超导磁体的科学仪器和医疗设备。

现场的同学们

11

似乎对磁悬浮列车更感兴趣。

问：

现在的磁悬浮列车是什么样的状况？

赵忠贤：

对磁悬浮列车我也不太懂。

因为我今天讲的是“奇妙的超导现象”，

所以还是讲超导方面的。

超导体有两个基本特征，一是电阻为零。

二是可以近

似看作完全抗磁体。

这两个特征可应用于超导磁悬浮列车，中国的多数火车（非

高速列车）在提速前，大约速度是 

公里/小时，经几次提速目前也还未达到

法国的高速列车 

TGV 

是有铁轨的，最高速度已经能达到 

300

我听到一个消息，在一次下大雨之后，地面铁轨有异常，刹车刹了

公里才刹住，出轨但并没有翻车。

目前上海基于德国磁悬浮列车技术正在建

设的实验线估计速度为 

350 

公里/小时左右，悬浮高度 

厘米。

这将会对中国的

高速火车的发展发挥重要影响。

从科学上讲，如不考虑商业上、成本上和技术

上的问题，现在日本人设计的超导磁悬浮工程实验车很有可取之处