科学瞎想系列之六十二 磁悬浮

所谓悬浮就是上不着天、下不着地、哪也不挨、悬在半空,磁悬浮就是利用磁场的作用力使物体上不着天下不着地。磁悬浮技术主要被用做有相对运动的两个物体之间,避免运动时相互接触产生摩擦。常见的使用场合是磁悬浮列车和磁悬浮轴承。老师就这两个方面给宝宝们瞎想一把。

1 电磁基础知识。在讲两个应用之前先说说磁悬浮技术的基础知识。

1.1 磁力。宝宝们都知道,磁铁有两个极,分别叫N极和S极,同性磁极相互排斥,异性磁极相互吸引。也就是说,两个磁铁之间存在着作用力,我们叫做磁力。磁力不仅存在于两个磁铁之间,一个磁铁与铁磁类物质靠近时也存在磁力,宝宝们用磁铁吸引一枚钢针就属于这种情况。磁铁无论哪个极靠近一个铁磁类物体时产生的都是吸力,这是因为铁磁类物质在磁场中会被磁化,也变成一个磁铁,而且磁化后的方向总是与磁化它的磁铁异性相对,产生吸力。说这些是考虑到宝宝们的物理基础和理解力,比较好理解,其实按现代电磁学的理论,用磁极说事是很不严密的,现代电磁学都是用场的理论来描述电磁现象,由于这些理论过于深奥,说了你也不懂,只好就用那些传统的说法了!

1.2 磁是怎么来的。早期人们对磁的认识只是停留在一种具有“魔性”的石头能够吸引铁磁类物质,这种“疯狂的石头”就叫磁石,也有叫“吸铁石”的。随着认识的深入,后来又了解了同性相斥异性相吸的规律。那时人们只知道这些天然的磁石是上天的安排,神来之笔。直到1820年,有个叫奥斯特的老兄发现了电流周围会产生磁场,从此将磁与电联系起来,为后来的法拉第和麦克斯韦两位英国老弟建立现代电磁理论奠定了基础。理论和实验均表明,所有的磁现象都是由电流产生的,包括那些永久磁铁的磁场也是由“分子电流”产生的。

1.3 怎样才能磁悬浮。知道了同性相斥、异性相吸的道理,我们就可以用两个同性磁极的斥力或者用两个异性磁极的吸力把一个物体悬浮起来。且慢!问题远没有宝宝们想像的那么容易。一个叫恩肖(也有的叫他恩绍Earnshow)的英国哥们就说了,不可能只用一个永磁体不用其它的控制和约束手段把另一个永磁体或铁磁物质稳定地悬浮起来!并且这位老兄用数学的方法证明了这个结论。他指出一个物体稳定地悬浮在半空的条件有两个:一个是该物体所受到的合力为0;二是合力沿任意自由度方向的偏导数必须小于0。上述第一个条件很好满足,但第二个条件就难满足了!知道宝宝们一提微积分就蒙圈,老师就通俗地解释一下第二个条件,第二个条件是说一旦物体受到扰动偏离平衡位置或状态,必须要受到一个指向平衡位置的合力,以使物体自行恢复到平衡位置和平衡状态,只有这样物体才能稳定地悬浮在半空。就像一个玻璃球可以非常轻松地稳定停在一个圆弧形的锅底,但如果你要把锅扣过来让玻璃球稳定地停在弧顶就不可能了!其中的道理就是因为不满足上述第二个条件。上述那个结论和那两个条件被称作恩肖定理或恩肖理论。既然恩大大都把定理都整出来了,宝宝们就別做梦只用永磁不用别的控制和约束手段搞磁悬浮了。说这个主要是因为磁悬浮领域也是民科的重灾区,总有一些不知天高地厚的民科,没上过几天学,毫无基本科学素养,每天想着推翻恩大大、牛大大、爱大大等等大大们理论,老师就经常遇到这样的人和事,也希望宝宝们通过看老师的瞎想提高科学素养,见到这些能够马上甄别,在磁悬浮领域,凡是说只用永磁体不需要控制就可实现稳定磁悬浮的统统都是虾扯蛋!跑偏了,老师一提民科就来气!赶紧回到正题。

2 磁悬浮列车。磁悬浮列车主要有三方面的事,一是悬浮,二是导向,三是驱动。

2.1 悬浮。悬浮方式主要有两种,一是静悬浮,即在静止时就通过磁力将列车悬浮起来,悬浮高度大约在10mm左右;另一种是动悬浮,即只有当列车行驶到一定速度时才使列车悬浮起来,悬浮的高度与列车行驶速度和列车的质量有关,通常在100mm左右。

我们先说静悬浮。静悬浮也叫常导磁吸式或电磁式(EMS)悬浮。其结构是车辆的两侧伸到T型轨道的下方,像两个侧臂一样环抱着轨道,伸下来的“手掌”上表面安装有常温悬浮电磁铁,T型轨道的两测下表面是用铁磁材料制成的铁芯,当给电磁铁的线圈通电时磁铁与轨道上的铁芯就会产生电磁吸力,吸力的大小取决于二者之间的间隙和励磁电流,控制电流的大小就可以控制吸力,在轨道和电磁铁之间装有检测间隙的传感器,根据间隙的大小,控制吸力等于车体重力,并保证悬浮间隙为10mm左右,这样就实现了车辆的悬浮。注意这里必须要有控制,否则就违反了恩大大的定理了!由于静悬浮与列车速度无关,所以这种方式可以在静止状态下实现悬浮,并在列车运行时根据间隙大小实时调节励磁电流以保证悬浮间隙稳定,因此这种磁悬浮列车无需车轮作为辅助支撑。上海浦东机场线的磁悬浮列车就是采用这种方式,德国的磁悬浮技术也是采用的这种方式。

再说动悬浮。动悬浮也称超导磁斥式或电动式(EDS)悬浮。其结构是在车辆两侧装有超导电磁铁,其磁感强度非常高,可以达到数特斯拉,在轨道的两侧面与超导电磁铁相对装有8字型的短路线圈,当列车运行时,超导磁铁强大的磁场就会在8字型短路线圈内产生感应电势,由于线圈成8字型反接,当超导电磁铁位于8字的中心时,8字型线圈的上下两部分感应的电势相等,方向相反,串联后刚好抵消,线圈内没有电流,因此也称这种线圈为0磁通线圈。如果超导电磁铁中心低于8字线圈中心线,线圈的上下两部分感应电势大小就不相等,串联后就会在线圈内产生感应电流,根据奥大大的理论,有电流就会产生磁场,线圈下半部分产生的磁场与超导电磁铁极性相同,对列车产生向上的斥力,上半部分的磁场与超导电磁铁极性相反,对列车产生向上的吸力,这一推一拉就会使列车悬浮起来,由于列车有重力存在,必须要产生相上的悬浮力,所以正常情况下,超导电磁铁的中心总是低于8字型线圈中心线。必须指出的是,这种悬浮方式只有当列车达到一定速度时才能产生足够大的悬浮力,在列车静止或低速运行时,是不能悬浮的,因此称为动悬浮。动悬浮列车有个“起浮”和“着陆”的问题,因此这种列车必须要有轮子,用于低速和静止时支撑车辆。这种方式通常用于高速磁悬浮列车,日本的磁悬浮就主要基于这种方式。

2.2 导向。磁悬浮列车运行时上不着天下不着地,拐弯就成了个问题,专业术语叫“导向”。那么磁悬浮列车如何实现导向呢?对于EMS系统,列车环抱轨道的臂膀内侧和轨道的外侧分别装有导向电磁铁、导向铁芯和检测侧向间隙的传感器,当检测到侧向间隙增大时,就给加大导向电磁铁的励磁电流,同时减小另一侧导向电磁铁的励磁电流,这样列车就受到一个侧向力迫使列车转弯,正常运行时如果列车受到干扰偏离轨道中央,导向力也会迫使列车回到轨道中央稳定运行。对于EDS系统,如果列车两侧的侧向间隙不相等,则间隙小的一侧8字型线圈会产生一个较大的侧向斥力将列车推回到轨道中央,实现导向,因此对于EDS系统,悬浮系统同时具备了导向功能。为了宝宝们的安全,EDS系统还在列车的侧面设置了辅助导向轮,以提高导向的可靠性和安全性。

2.3 驱动。前面说了,磁悬浮列车上不着天下不着地,无法利用车轮与轨道的粘着力实现驱动,只能依靠电磁推力来实现。磁悬浮列车的驱动系统其实就是一个直线电机,把旋转电机沿圆周展开就形成了一个直线电机,原来的定子侧称为初级,转子侧称为次级,在磁悬浮列车中我们可以把初级放在列车上,把次级放在轨道上,称为长次级短初级,这种系统由车上供电,在列车运行时需要由受电弓从线路上滑动获取电能,由于滑动接触摩擦生热,严重限制了列车的最高运行速度,因此该方式主要适用于中低速磁悬浮列车,但这种方式也有很大的优点,由于成本很高的初级较短,成本较低的次级装在轨道上,因此工程造价很低。我们也可以把初级置于轨道上,次级置于列车上,即长初级短次级,这种系统由轨道侧供电,无需滑动受电,因此可以实现很高的运行速度。这种结构的磁悬浮列车司机在陆上的控制室里,车上可没有司乘人员。当然这种系统由于在成千上万公里的轨道上布满了电枢线圈,造价会非常昂贵!

特别指出的是,无论是哪种磁悬浮系统,推进的初级和次级都不能放到车肚子底下和轨道的上表面,这是为什么呢?留个作业,宝宝们自己去瞎想吧!

3 磁悬浮轴承。

磁悬浮的另一个用途是磁悬浮轴承。磁悬浮轴承就是采用磁力把转子悬浮在定子中间。根据磁悬浮轴承所约束的方向,可分为二自由度和三自由度两种,二自由度就是只约束上下左右两个方向,即X、Y方向,三自由度的还要加一个轴向(Z向)约束。通常情况下,卧式安装的电机在运行时,定转子的磁力中心线会自动对齐,因此无需轴向约束。磁悬浮轴承也有定子和转子,在定子的上下左右各有一对电磁铁,转子就是轴或在轴上套一个圆柱形的铁芯,定转子之间设有两个检测X和Y方向间隙的传感器,根据测得的间隙,控制各电磁铁的励磁电流,以调节X、Y方向的电磁吸力,保持转子处于中间位置,原理就是这么简单,宝宝们懂了吗?需要指出的是,磁悬浮轴承虽然没有了滑动接触,但并不是没有损耗,因为转子在静止磁场中高速旋转,铁耗还是有的,只是比摩擦损耗小而已。

好了!看了这期瞎想,相信宝宝们再带上女盆友坐磁悬浮列车时就可以跟她吹牛B了!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-12-25

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