磁悬浮飞机

磁悬浮飞机是由麻省理工学院研制成功的，不是通常意义上的飞机，它与磁浮列车一样在轨道上运行，是一种新型的陆上有轨高速交通工具。其原理是利用永磁铁替代超导磁铁，产生磁力，使磁悬浮飞机在运行中离开轨道8~15厘米，如同在轨道上飞行一般。它时速高达550千米。

磁悬浮飞机与一般磁悬浮列车最大的差别是其自动控制系统、方向舵、车厢、卫星定位系统等设备都是按飞机标准设计的，车厢的两侧有牙翼，有点像飞机的翅膀；尾部还有起平衡作用的尾翼。也就是说，磁悬浮飞机的构造像飞机，而在轨道上运行的方式又像列车。

磁悬浮飞机具有无噪音、无污染、速度快、节约能源等优点。

简介

美国在磁浮列车领域尽管起步较早，但是一直没有大的投人，甚至连实际尺寸的试验运行车辆和线路也没有能够建造。但在最近，美国商业集团公司(CoBank)打算将麻省理工学院在20多年前开发的一项称为“Magplane”的磁悬浮列车技术，通过在其他国家建设制造基地和试验线路来进入这类产品的市场。

按字面翻译，"Magplane”可称为磁悬浮“飞机”，但它实际上和德国研制的磁悬浮列车“德国特快”(German Transrapid ),日本的“日本特快”(Japan Express)，以及我国研制的磁悬浮列车属于同一技术领域，不过在某些结构和技术特征方面有所不同。因此磁悬浮飞机其实并不是一般意义上所说的飞机，只是直译而来的名称。

和其他所有的磁浮列车一样，磁悬浮“飞机”也包括车辆、磁悬浮部件、驱动和控制部件、地面轨道等。这些部件和其他磁悬浮列车有许多相似的地方，但也有不同的特点。这些不同特点就是它力图简化系统、降低造价的主要措施。

磁悬浮飞机的产生

70年代开始，美国科学部门按照麻省理工学院提出的Magplane(磁悬浮“飞机”)原理建造立一个1/25的模型，并在100m长的导轨上完成了几百次实验运行和测试。1992年，根据美国交通部的要求，为一个800km路段做了详细的工程设计(包括6自由度计算机模拟模型)，以及全面的成本分析。1995年工程设计被采纳，随后进人更细致的分析计算。经过不断地改进，磁悬浮“飞机”主要组成系统已被测试使用于大型运输系统。它的目标是以低廉的成本和高运输量为市区短程和城市间的长程运输提供方案。

磁悬浮原理

众所周知，磁浮列车是通过在车辆上和在轨道上的两组磁铁相互作用而使车辆悬浮的。按悬浮磁场产生的方式，我们将其分为静止磁悬浮和运动磁悬浮两大类。

静止磁悬浮是指在车辆没有运动的时候在车辆和轨道上就已经具有了两个磁场，它们的相互作用(可以是排斥力，也可以是吸引力)使车辆先浮起来，然后再驱动车辆运动。上海市引进的德国磁悬浮列车技术就属于静止磁悬浮原理。采用这种磁悬浮原理的车辆可以完全不依靠车轮来运行，但是车辆悬浮的高度一般不高(小于1cm)，这样一来就要求轨道十分平直，从而提高了轨道的造价和对建造环境(地形等)的要求。

磁悬浮“飞机”采用运动磁悬浮原理。在它的车辆上装有永久磁铁(在车辆下部的两侧)，和车辆永久磁铁相对的是轨道上的弧形金属板。当车上磁铁产生的磁场在金属板表面运动时，金属板上会感应出电流，其原理就和感应式异步电机一样。根据电磁感应定律，金属板上感应电流产生的磁场和产生这一电流的磁场(即车上永久磁铁的磁场)方向相反，两个磁场的相互作用则产生了使车辆悬浮的力。由于在磁铁与金属板在没有相对运动时不会产生感应电流，也就不会产生起悬浮力作用的磁场，所以磁悬浮“飞机”在启动前和低速下运行时必须依靠车轮来支持。当车辆速度达到离地速度后车辆才开始浮起。这种磁浮列车的离地速度大约为20km/h。然而在达到正常速度运行时，车辆可以有较高的浮起高度(设计车速的浮起高度超过10cm)，大大降低了对轨道平直度和对建造轨道地形的要求。

按产生磁场的动力来源又分为永磁式和电磁式(电磁式中又分常温供电和低温超导供电)。日本的磁悬浮列车采用低温超导电磁铁，而磁悬浮“飞机”采用永久磁铁。

驱动及控制系统

和其他磁悬浮列车相似，磁悬浮“飞机”的驱动方式也是运用永磁式同步直线电动机。这种直线同步电动机包括轨道上的电感线圈(相当电动机的定子和转子)，和车辆底部的中心线上装设的永久磁铁(相当于永磁同步电动机的转子)。

磁悬浮“飞机”系统在整个轨道上布置有直线同步电机的线圈。这种线圈具有比较特殊的结构以达到低廉的制造和装配成本。和其他磁浮列车不同的是，磁悬浮“飞机”系统的线圈不是放置在导磁的铁心槽内，而是放在不导磁的固定轨道梁内。它们在工厂内成组地制造后就装人预制的混凝土梁，在工地再连接在一起。每1000m长的直线同步电机是一个单元，进行单独的供电和控制。轨道边的供电系统输送交流电到电感线圈上，线圈上产生移动的磁场波，锁住车辆上的永久磁铁磁场，车辆随线圈产生的移动磁场同步移动。交流电的频率决定了磁场移动的速度，因此控制了车辆的速度。这一系统产生了所需要的加速、减速和持续运行所需的驱动力。因为在任何时间只能有一辆车辆在一段导轨上行驶，两个车辆产生碰撞的事故不可能发生，大大提高了车辆运行安全，可以增加单位时间的车辆发送数量，提高了运行效率。供电系统是一套变频装置，它提供了可变频率的交流电源使车辆获得不同的运行速度。为了正确地向线圈供电，使车辆按需要来加速、减速和维持稳定运行，并使乘客感到舒服，磁悬浮“飞机”的车辆上和轨道上都要装设车辆位置信号传感器。其输出信号用来控制变频装置的逆变器，使产生的交流电有正确的频率和相位。这一套供电和控制系统和我们在可调速同步电动机上使用的系统是完全相似的。

车辆组成

按使用场合和运行速度不同(分别适用于城市内和城市间)，磁悬浮“飞机”设计了两种车辆。一种用于高速(约550km/h)。它不但具有悬浮和驱动系统需要的永久磁铁，为适应高速下的舒适运行，还设有和飞机一样的利用空气动力学原理来控制车辆的前翼和尾翼系统。另一种用于低速(约80到120km/h)。这种车辆不设前翼和尾翼，和常规车辆十分相似。较小的车型设计(适于城市间使用)的车辆可容纳80个座位。较大的(适于市区内行驶)的车辆在一般状况下可有250个立位。如果市区内行驶的车辆以每60s发一班车，每班车两车箱计算，总系统运输量为单向每小时三万人。

由于悬浮和驱动都采用永久磁铁，磁悬浮“飞机”车辆的一大特点是车辆上除监控系统、照明系统和空调系统外，不需要动力电源，因此大大减轻了车辆的重量，进而降低了整个磁浮列车系统的造价。

轨道及道叉

磁悬浮“飞机”系统的轨道包括布置在两侧的两个弧形金属板和布置在中间的直线同步电机线圈。为节省高架设施的土建费用，一般将来回两个轨道相邻布置。

弧形金属轨道可以根据转弯半径和车辆速度设置一定的倾斜角度，让车辆转弯时自动倾斜。这样这种磁悬浮列车的车辆可以以较高的车速通过较小的半径弯道，使磁悬浮“飞机”能在已发展的城市中心，或是沿着现有的公路、铁路有效率地运行。让其轨道和现有的公路交通相邻，大大方便了乘客。为了方便车辆灵活调度，磁浮列车轨道必须设有道叉。磁悬浮“飞机”系统的一个主要特点是使用了基于电磁原理工作的电磁道叉(Magswitch)，虽然它工作的客观效果与一般使用的机械式道叉完全相同。但是它却没有任何移动的机械组件。它仅仅利用在道叉附近的线圈上的电气控制就可以使车辆进人预先选择的轨道，从而让车辆迅速地由主轨道进出中间车站的分支轨道，方便支线车站上下乘客。而主干线轨道上的车辆可穿越车站而无须减速，车辆可全速地通过电磁道叉而不影响行车的稳定度。电磁道叉不仅高效，且十分可靠，不需要任何机械维护。另外，磁悬浮“飞机”的设计不要求高精度的高架导轨，导轨的造价因此低廉，而且有利于环境保持。高架导轨的建造可使用各种轻型、美观而且有利于环保的支柱结构。同时，因为不要求高精度结构，导轨可建于山坡地形，对自然景色和地貌影响较小。

参考资料

新型磁悬浮精密定位平台的研究 - 中国知网.中国知网.2021-07-26