磁悬浮技术

磁悬浮技术（英文：electromagnetic levitation，electromagnetic suspension，简称EML技术或EMS技术)，由英国物理学家塞缪尔·恩绍于1842年提出磁悬浮的概念，是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。

悬浮技术主要包括磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、电悬浮、粒子束悬浮等，其中磁悬浮技术比较成熟。磁悬浮技术实现形式比较多，主要可以分为系统自稳的被动悬浮和系统不能自稳的主动悬浮等。其利用的是“同性相斥，异性相吸”原理。已被广泛应用于航空、航天、精密仪器、仪表、机械制造和交通运输等领域。

1842年，英国物理学家Earnshaw就提出了磁悬浮的概念。1937年，德国的赫尔曼·肯佩尔申请了磁浮列车这一的专利。1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。2015年12月26日，“长沙磁浮快线”采用了此前西南交通大学与中车株洲电力机车有限公司研制的中低速磁浮列车系统技术。2019年5月23日，中国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛市下线。2023年4月，中国工程和铁路研究人员称，在上海和杭州市之间建造世界首条超级高铁线路最有可能性。这条150公里长的真空隧道将允许磁悬浮列车以高达1000公里/小时的速度行驶，仅需9分钟车程就可到达。2023年11月17日，深圳市造“最小最轻”全磁悬浮人工心脏——Corheart6首次亮相本届中国国际高新技术成果交易会。

历史发展

提出概念

1842年，英国物理学家塞缪尔·恩绍便提出了磁悬浮的概念。同时指出：单靠永久四氧化三铁是不能将一个铁磁体在所有六个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态。在1900年初，美国，法国等专家曾提出物体摆脱自身重力阻力并高效运营的若干猜想--也就是磁悬浮的早期模型。并列出了无摩擦阻力的磁浮列车使用的可能性。然而，当时由于科学技术以及材料局限性磁悬浮列车只处于猜想阶段，未提出一个切实可行的办法来实现这一目标。德国的赫尔曼·肯佩尔于1937年申请了磁悬浮列车这一的专利。20世纪60年代，世界上出现了3个载人的气垫车实验系统，它是最早对磁悬浮列车进行研究的系统。随着技术的发展，特别是固体电子学的出现，使原来十分庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。

研制成功

德国牵引机车公司的马法伊研于1969年制出小型磁浮列车系统模型，以后命名为TR01型，该车在1km轨道上时速达165km，这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。美国科学家詹姆斯·鲍威尔和戈登·丹比在1966年提出了第一个具有实用性质的磁悬浮运输系统。在1986年，西南交通大学就率先召开了磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校科研单位。1988年，交大磁浮团队完成了单自由度铁球悬浮实验，对电磁吸力悬浮原理有了本质的认识。1989年3月，国防科技大学研制出中国第一台磁悬浮试验样车。西南交大磁浮团队在1990年研究成功了由 4台小电磁铁构成的磁浮模型车，并实现了模型车的稳定悬浮和基于直线电机的驱动。1994年10月，连级三教授带领的研究团队成功地研制出了第一辆可载人4吨磁浮车及其试验线，并实现了系统的稳定悬浮与运行，这是在磁浮列车领域的首次突破，标志着开始拥有自主知识产权的磁浮列车技术。该项目1996年通过科技成果鉴定，并获该年度铁道部科技进步二等奖和1997年度国家科技进步三等奖。中国第一条磁悬浮列车试验线于1995年在西南交通大学建成，并且成功进行了稳定悬浮、导向、驱动控制和载人运行等时速为30.0 km的试验。西南交通大学这条试验线的建成，标志中国已经掌握制造磁悬浮列车的技术。

全面发展

青城山磁浮车工程试验线的可行性研究于1997年3月通过国家科委工业科技司组织的专家评审；1998年，青城山磁浮列车工程试验示范线工程立项，并开始筹备建设青城山磁浮列车工程试验线；2001年，开始动工修建长430m的青城山磁浮列车工程试验线。上海磁浮示范运营线工程项目于2001年年1月正式启动；3月1日，上海磁浮列车示范运营线工程举行开工仪式；9月，上海磁浮列车工程进入技术攻坚关键性阶段；11月，上海磁浮列车龙阳路站架梁成功。2002年2月，上海磁浮列车系统设备安装全面展开；7月，上海磁浮示范运营线进行系统调试，轨道梁制作完成；8月，上海市磁浮列车首批三节车厢运抵上海；次月，首列上海磁浮列车上线参加综合调试；11月2日，上海磁浮列车示范运营线首根轨道梁起运；12月31日，上海磁浮示范运营线示范运营线举行了通车典礼。2003年10月11日，上海磁浮示范运营线示范运营线开始开放运行。2005年，西南交通大学与上海磁浮交通工程技术中心签订了“上海城轨磁浮列车车辆总体设计”合同，并于次年3月又签订了“上海低速（城轨）磁浮交通试验线工程悬浮控制设备供货及服务”合同，全面参加上海城轨磁浮试验线磁浮列车研制。上海磁浮列车示范运营线于2007年4月26日通过国家验收。截至2006年4月，上海磁浮示范运营线共开通1条线路，线路总长30千米，采用磁浮系统，共计2座车站投入运营。

在2008年至2009年期间，西南交通大学又与CSR签订“中低速磁浮交通系统方案设计研究”合同，与中车株洲电力机车有限公司签订“中低速磁浮列车方案设计研究”合同。攻关中，交大团队在系统设计首次提出了适用于中国国情的1860mm轨距和2800mm车宽。这标志着西南交通大学在联合企业推进中低速磁浮列车产业化的工作中又迈进一步。为进一步推动中低速磁浮列车工程化，西南交大与南车株洲电力机车有限公司于2011年又签订了“常导短定子异步驱动悬浮架试验车悬浮控制系统研制”和“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车系统设计与试验研究”合同；于2011年签订了“常导短定子异步驱动中低速磁浮列车悬浮控制系统”，全面参加了株洲市中低速磁浮列车的研制。中低速磁浮列车于2012年1月20日在中车株洲电力机车有限公司内下线，这是一条按商业运行条件设计的磁浮列车及试验线路，磁浮列车运行速度100km/h，能适应试验线各种曲线及坡道的要求。2013年由钱清泉院士牵头的中国工程院“中低速磁浮交通技术与系统发展战略研究”项目立项，项目研究汇聚国内磁浮领域的院士专家，包括电气工程学院和西南交通大学牵引动力国家重点实验室相关专家教授，对中低速磁浮交通的发展战略进行了深入研究，论证了发展中低速磁浮必在性和战略意义，进一步推动了长沙中低速磁浮工程应用线的建设。

试运行的长沙高铁南站至长沙黄花国际机场的18.55km“长沙磁浮快线”于2015年12月26日采用了此前西南交通大学与中车株洲电力机车有限公司研制的中低速磁浮列车系统技术，该列车悬浮系统核心技术由西南交通大学提供。上海磁浮示范运营线（Shanghai Maglev Train）是服务于中国上海市的磁浮系统。截至2015年，日本L0型磁浮列车刷新了磁悬浮列车的世界记录，达到时速603公里的记录。2017年9月5日，上海磁浮列车总计运输乘客5000万人次、安全运行1688万千米。2019年5月23日10时50分，中国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛市下线。这标志着中国在高速磁浮技术领域实现重大突破。2022年，天瑞重工获批成立全国磁悬浮动力技术基础与应用标准化工作组，牵头建设中国磁悬浮动力技术标准化体系，并被认定为“国家企业技术中心”。2023年11月17日，深圳市造“最小最轻”全磁悬浮人工心脏——Corheart6首次亮相本届中国国际高新技术成果交易会，吸引了来自世界各地的参展商和观众驻足了解。深圳核心医疗科技股份有限公司的这款产品，已开始进军海外市场。

技术原理

理论依据

磁悬浮技术的系统，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。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，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。

应用原理

磁悬浮技术的工作原理为，通过给电磁铁提供交变电流，使电磁铁中线圈产生磁通量的变化，从而使电磁铁周边产生磁场，通过控 制器，使悬浮体受到的磁力与其重力相等，从而使悬浮体在空中悬浮。并且，假设因为某种原因，悬浮体在平衡位置处出现了微小的扰动，偏离了平衡位置。此时，由位置传感器检测出悬浮体偏离的位移大小，并将该数据通过控制器的微处理器转换为控制信号，再通过功率放大器将该控制信号转换为控制电流，根据位移的方向和大小确定控制电流的大小，经过多次迭代微调，从而迫使悬浮体返回原来的平衡位置。

典型结构

基于磁悬浮技术的带式输送机托结构设计包括：带式输送机总体结构形式和带式输送机普通托辗结构形式。其中带式输送机主要结构有输送带、滚筒、托棍、支架、料仓等。其运输原理如下：利用滚筒与输送带接触从而相互之间产生的摩擦力，来使输送带获得一个向前的驱动力，承载着物料进行输送工作。其中，根据与输送带接触产生的摩擦力驱动托辑结构旋转。托辑的主要作用是为输送带和物料提供一个承载力。带式输送机普通托辗结构形式的主要结构组成有外皮、转轴、密封装置、轴承、底座等。作为一种常见的承载结构，托棍的工作原理如下：轴承内圈、内密封圈和小端盖与中心轴固定，不随外皮的转动而转动；但是，轴承外圈、底座、外密封圈和大端盖随外皮旋转。对于中心轴，它的结构比较简单，上下两端与外接支架相连。托棍的另一个重要结构就是密封装置，它能在一定程度上影响托辑的工作性能以及使用寿命。

主要特点

优点

由于悬浮体不与外界 有直接接触，因此优点明显 ：一是磨损很小，并且在真空和腐蚀性介质中可以长期使用；二是机械摩擦力几乎等于零， 仅有少量的转动空气摩阻力，因此功耗较低，噪声小，且不需要润滑剂，从而适用于机械工程中的高速转动工程。因为 磁悬浮体对于外界干扰有着很好的稳定性，同时，传感器也可实时记录数据，用于故障的诊断与运营过程中的监测。

缺点

在陆地上的交通工具没有轮子是很危险的。要克服很大的惯性，只有通过轮子与轨道的制动力来克服。磁浮列车没有轮子，如果突然停电，靠滑动摩擦是很危险的。而对于磁悬浮，当遭遇突然停电，采取的是机械臂锁死轨道强制停车，这正是磁悬浮相对于轮轨滑动摩擦制动方式而言会更加危险，会导致车毁人亡的悲剧，国外无一例建造正是此特点。此外，磁悬浮列车又是高架的，发生事故时在5米高处救援很困难，没有轮子，拖出事故现场困难；若区间停电，其他车辆、吊机也很难靠近。但是相比较于其他轮轨铁路，不论高铁、地铁，还是轻轨铁路，也同样是高架的。

技术分类

抗磁质悬浮

1842年，英国物理学家Earnshow在研究点粒子集在静电力作用下的稳定静止问题时提出著名的恩肖理论，这个定理后来被推广到满足平方反比例定律力场中的物体静止平衡问题。恩肖指出，物体处于稳定的静止状态需要两个条件，物体在平衡点处合力为零同时物体在平衡点处合力的通量小于零。其中第二条件，合力通量小于零保证了物体的动态稳定，也就是物体受到扰动后，所受到的合力仍然指向平衡点。对于永磁体与铁磁质、永磁体之间的作用力满足平方反比关系，所以根据恩肖理论，永磁体之间或者永磁体与铁磁质之间是不可能产生稳定的磁悬浮的。恩肖理论中的两个条件后来被布鲁贝克于1939年应用于磁介质或者电介质在磁场或者电场中的稳定问题。布鲁贝克指出对于相对磁导率小于1的磁介质可以在静磁场中保持稳定。相对磁导率小于1的磁材料，通常称为抗磁质，这种磁悬浮通常称为抗磁质悬浮。但是抗磁质的磁化率绝对值往往很小，目前磁化率最大的抗磁质为热解碳，其磁化率为-400e-6，所以抗磁质悬浮往往需要比较强的磁场。金属金属铋、锑、水以及绝大多数的有机化合物都是抗磁质，2010年诺贝尔物理学奖安德烈- 盖姆在1997首次成功用16T的磁场将一只青蛙悬浮。

超导斥力悬浮

除了抗磁质外超导体处于超导态时，由于迈斯纳效应磁通量不能穿透超导体，其磁化率等于-1，所以其满足布鲁贝克推论的条件，这种悬浮称为超导体斥力悬浮。

超导钉扎悬浮

对于非理想第二类超导体来说，其具有钉扎效应，当非理想第二类超导体处于混合态时，非理想第二类超导体可以俘获并钉扎磁力线，与磁场产生钉扎力，利用钉扎效应也可以产生磁悬浮，这种悬浮称为钉扎悬浮或者量子悬浮。

涡流悬浮

对于常规磁介质，比如弱磁性材料，其相对磁导率接近于1，当其表面或者内部产生涡流时，相当于产生抗磁效应，使物体等效相对磁导率小于1。当然涡流悬浮也可以利用，楞次定律来解释。涡流悬浮通常使用交流电源、电磁铁和导电的弱磁材料比如铜、铝作为悬浮物体。

电动悬浮

电动悬浮也是涡流原理，但是涡流的产生并不是因为磁源交变，而是因为磁体与弱磁性材料之间发生相对移动。比如，磁体（永磁体或者超导磁体）在铝板或者铜板上快速移动，那么铝板或者铜板上会感应涡流，涡流阻碍磁体与铜板与铝板的相对运动，运动方向产生磁阻力，垂直方向产生使物体可以悬浮浮力。

主动控制悬浮

主动控制悬浮是对不能够自稳的悬浮系统采用闭环控制的方法是悬浮稳定的一种悬浮技术。电磁吸力悬浮是主动控制悬浮的一种。此外还有谐振悬浮、自旋稳定悬浮等多种形式的悬浮技术。

技术

空间技术

随着航天事业的发展，模拟微重力环境下的空间悬浮技术已成为进行相关高科技研究的重要手段。至2012年的悬浮技术主要包括电磁悬浮、光悬浮、声悬浮、气流悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等，其中电磁悬浮技术比较成熟。一般习惯叫electromagnetic suspension (EMS)。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。一般通过线圈的交变电流10^4-10^6Hz。同时，金属上的涡流所产生的焦耳热可以使金属熔化，从而达到无容器熔炼金属的目的。至2012年，在空间材料的研究领域，EML技术在微重力、无容器环境下晶体生长、固化、成核及深过冷问题的研究中发挥了重要的作用。至2012年世界上有三种类型的磁悬浮。一是以德国为代表的常导电式磁悬浮，二是以日本为代表的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。而第三种，就是中国的永磁悬浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持。

中国技术

2006年8月17日，“中华01号”永磁悬浮路车模型在大连市举行的2006中国国际专利技术与产品交易会上亮相。该模型是大连3000米永磁悬浮试验线路的仿真微缩，专为城市之间的区域交通设计。列车在高架的磁轨上运行，设计时速230公里，既可货运，又可客运，适用于大都市圈的交通运输。3000米永磁悬浮试验线拟定年底在开发区建设。2006年8月17日上午，在大连世界博览广场举办的“2006年中国国际专利技术与产品交易会”上，“中华01号”1/10槽轨永磁悬浮微缩路车很醒目。该车按照1/10比例微缩，几何尺寸按实车微缩；路桥结构、轨道结构、车辆结构与悬浮功能为仿真微缩。在技术人员的操作下，悬浮在槽轨上的微缩列车十分轻巧“跑”起来，启动、刹车十分灵活并且悄无声息。至2012年，世界上有3种类型磁悬浮技术，即日本的超导电动磁悬浮、德国的常导电磁悬浮和中国的永磁悬浮。永磁悬浮技术是中国大连拥有核心及相关技术发明专利的原始创新技术。

日本和德国的磁浮列车在不通电的情况下，车体与槽轨是接触在一起的，而利用永磁悬浮技术制造出的磁悬浮列车在任何情况下，车体和轨道之间都是不接触的。中国永磁悬浮与国外磁悬浮相比有五大方面的优势：一是悬浮力强。二是经济性好。三是节能性强。四是安全性好。五是平衡性稳定。槽轨永磁悬浮是专为城市之间的区域交通设计的，列车在高架的槽轨上运行，设计时速230公里，既可客运，又可货运。2010年4月8日，中国首辆高速磁悬浮国产车在成都交付。该样车由中国航空工业集团有限公司成都飞机工业（集团）有限公司制造，标志着该企业已经具备了磁悬浮车辆国产化、整车集成和制造能力。该高速磁浮列车可以达到每小时100公里。航空工业成飞此次交付的车辆是参照德国转让技术，按照上海市磁浮公司的改进方案要求研制的第一辆工程化样车，在上海编组成列后，投入上海示范线的商业营运，并有望在世博会期间投入使用。2021年10月，“羲和号”高性能技术卫星平台在轨试验成功后，是世界上首次将磁悬浮技术在航天器上进行工程应用。

应用

利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让四氧化三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。世界第一条磁浮列车示范运营线，上海磁浮示范运营线，建成后，从浦东龙阳路站到上海浦东国际机场，三十多公里只需7～8分钟。上海磁悬浮列车是“常导磁斥型”磁悬浮列车。是利用“同名磁极相互排斥”原理设计，是一种排斥力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电四氧化三铁，和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的排斥力使车辆浮起来。就是说，轨道产生磁力的排斥力与列车的重力在一个相应平衡的数据时，列车就会悬浮起来。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排斥力与列车重力相互平衡，利用磁铁排斥力将列车浮起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，由于它与列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。讲得更通俗直白一点，相当于电动机转子和定子之间的旋转运动变成了磁浮列车和轨道之间的直线运功。

磁悬浮列车相当于电动机的转子，而轨道相当于电动机的定子。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。周而复始，列车就向前奔驰。稳定性由导向系统来控制。“常导型磁斥式”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。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。上海磁浮示范运营线时速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。

发展趋势

随着电子元件的集成化以及控制理论和转子动力学的发展，经过多年的研究工作，国内外对该项技术的研究都取得了很大的进展。但是不论是在理论还是在产品化的过程中，该项技术都存在很多的难题，其中磁悬浮列车的技术难题是悬浮与推进以及一套复杂的控制系统，它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果。需要攻关的是组成系统的技术和实现工程化。磁悬浮轴承面向电力工程的应用也具有广阔的前景，根据磁悬浮轴承的原理，研制大功率的磁悬浮轴承和飞轮储能系统以减少调峰时机组启停次数；进行以磁悬浮轴承系统为基础的振动控制理论的研究，将其应用于汽轮机转子的振动和故障分析中；通过调整磁悬浮轴承的刚度来改变汽轮机转子结构设计的思想，从而改善转子运行的动态特性，避免共振，提高机组运行的可靠性等，这些都将为解决电力工程中的技术难题提供崭新的思路。

参考资料

磁悬浮技术.环球网.2023-11-20

磁悬浮技术及其工程应用.维普资讯.2023-11-20

磁悬浮的“前世今生”. 鲁中晨报.2023-11-20

[科普中国]-磁悬浮技术.科普中国网.2023-11-18

梦起1842:绕开百年定理，远程“操纵”磁场.澎湃.2023-11-19

2022磁悬浮轴承行业趋势及规模分析.中研网.2023-11-18

磁悬浮—漂浮的列车.中国科学院.2023-11-18

5月23日10时50分 我国时速600公里高速磁浮试验样车下线 .每日经济新闻.2023-11-18

中国将建超级高铁 上海到杭州仅9分钟.zol新闻中心.2023-11-20

全磁悬浮人工心脏亮相.深圳新闻网.2023-11-18

人才兴鲁展风采｜11年技术攻关实现我国磁悬浮动力技术世界领跑 李永胜：为“双碳”目标贡献山东力量 .闪电新闻.2023-11-18

“羲和号”发射成功！中国正式步入“探日”时代--经济·科技--人民网.人民网.2021-10-15