磁浮列車點浮?

目前磁浮列車「浮」的方式有兩種：一種是懸掛式（德國），利用車體下方兩側的電磁鐵和鋼軌間的吸力，來保持車體的穩定；另一種是上推式（日本），利用磁性相斥的原理，使車體下方兩側的磁場和車道的磁場相斥，而使車體穩定地懸浮。


http://www.shs.edu.tw/works/essay/2006/03/2006033011525810.pdf

http://www.cpmah.org.tw/2002/home/c91a040/www/trend/mlx01.htm

當一列時速300公里的列車，倏忽掠過軌道旁一處養鴨人家時，想像中，池塘邊的鴨子必定會嚇得鼓動翅膀，「嘎嘎」地四處飛跳。但事實並非如此，它們仍自顧地吃喝玩耍，全然無視於列車的經過。這是怎麼一回事？原來，這部列車正式目前高科技發展國家努力開發的「磁浮列車」；除了速度之快，寂靜，無使用車輪是最大的特色。在磁浮列車問世之前，已有人發明利用空氣使車子浮起來的氣浮式交通工具，但這種氣浮方式只能適用於水上的交通工具，並不適用於陸上的列車，因為當氣浮式列車駛入隧道後，就浮不起來了。為了排除氣浮式列車在設計上的困難，科學家於是採用磁浮的方式。

二、[基本概念]：

磁浮列車是利用同磁性相斥的特性，使車子下方和軌道帶相同磁性，車子便能因為斥力而「浮」在軌道上了。同時因為車子與軌道間沒有接觸，所以幾乎沒也摩擦。

三、[基本原理]：

磁浮列車的基本原理，是利用磁場同極相斥的現象，將列車的重量抵消，減少列車與鐵軌間的摩擦，而達到高速、寧靜、舒適的乘坐目標。

因為要有強大的磁力產生，最方便有效的方式就是以電磁鐵作為磁力來源。因為電流在導體中傳導時，因為電阻的關係，不可避免會有熱能產生，而造成能量的損失。所以便以電阻非常非常小、甚至沒有電阻的超導體來達成高效率的能量傳導及轉換（電→磁）。

陸上的交通工具，因與地上接觸時的摩擦力，使得速度上被限制，而磁浮列車的時速可達３１０英哩（約時速５００公里），就是利用磁力使車體懸浮，而使阻力減至最小，然後供應電力，利用電與磁的交互作用，使磁浮車前進、後退。電磁鐵的利用遠比永久磁鐵方便許多，只需改變電流方向即可控制磁極，改變電樞，可使磁力簡單而且大幅的增強。














四、[磁浮列車的說明]：

什麼是磁浮列車？磁浮列車（Maglev Vehicle）利用磁力將車身往上吸，使列車本身不與地面接觸，因而完全減掉摩擦力的作用。磁力的產生有使用永久磁鐵、電磁鐵或是兩者混合並用式（如清華磁浮車所使用的方式）。使用電磁鐵或是混合永久磁鐵者需要精巧的電磁控制技術以控制磁力的大小，試想，要將一個磁鐵，靠著它本身的磁力使它懸浮於一塊鐵板之下，由於磁鐵的非線性的特徵，在未經控制的情況之下，磁鐵不是往上吸附到鐵板下就是往下掉落。現在人們研究出精巧的控制技術，使這塊磁鐵可以靠磁力懸浮於空中，更進一步地用它來支撐磁浮車輛。但是，由於車輛完全懸浮在空中，故也無法像傳統的輪軌車輛般使用轉動車輪的方式以帶動車輛，目前解決這個問題的方法最常用的是線型馬達（Linear Motor）的應用。線型馬達原理和一般傳統的旋轉式馬達相同。一般馬達利用電流的變化，磁場，再感應轉子轉動。線型馬達就好比將傳統馬達攤開，使線圈繞成直條狀，如此原本旋轉的磁場就變成了直線方向行進的磁場，而轉子的轉動也變成直線移動了。此時，可依需要選擇將轉子或定子其中之一固定在車輛下方，另一“子”固定於軌道上，即可藉由線型馬達的作用推動車輛。同時，線型馬達除了推動車輛之外，還可以有煞車的作用，其煞車的能量可以再回生供系統使用。



五、[相關知識]：電與磁的關係及應用：

１．電動機：

利用磁場中載流導線（線圈）產生的磁場，與原磁場相互作用產生動能。
















２．發電機：

利用線圈中的磁場變化產生感應電流，是法拉第定律的應用。如圖十一。








六、[磁浮列車的進一部技術原理解說]：

1.磁浮列車的行駛是採用磁力懸浮(Magnetc Levitation，簡稱 Maglev)原理，亦即利用磁力的相吸或相斥，使車輛浮離地面1~10公分，以減少摩擦、提高行車速度，然後運用線型馬達(linear motor) 的推動力前進。利用磁力相吸原理的列車，最高行車速度可達每小時307公里，如日本航空公司的地面高速運輸系統(HSST) 列車；利用磁力相斥原理的列車，最高行車速度可達每小時517公里，如日本國鐵的ML-500 列車。在此我們以電動懸浮(Electro Magnetic Supension，簡稱 EDS)來介紹。

EDS 係利用同性磁場間的排斥力，作為列車的支撐與導引，利用磁性的斥力使列車上浮時，如果車子因為某種原因而降落到接近地面時馬上會被強大的磁力反彈上來，但當車子彈得太高時又會受到地心引力將其拉近地面，由於這兩種力量巧妙地配合，而能保持車身的安定與平衡。

一般人都會以為利用斥力的磁浮車是在車體和地上都裝有同極的磁鐵，但實際上則是在車體中裝置磁鐵，在地面上放置金屬板或線圈，並不是同極磁鐵。日本國鐵的磁浮列車是採用在地面上放置線圈的方式，當磁鐵通過線圈上面時，線圈內的磁束便會發生變化，依據電磁感應的原理，在線圈產生電流，使線圈具有與磁鐵同極的磁性。如此一來，車體與地面之間便產生了斥力而使得車體保持上浮。但是當車子靜止時，由於線圈的磁束不會發生變化產生同極的磁性，所以利用斥力的磁浮車在靜止時並不會浮起來，這與飛機的情形很相似。此外由於必須先啟動，使線圈產生感應電流令列車懸浮，因此列車上必須備有輔助車輪，作為「起飛」與「降落」之用。啟動時以車輪帶動，當時速達40公里以上時，列車才開始懸浮，此時輪子便自動收起。






2.一提到磁鐵就會讓人聯想到馬蹄型的永久磁鐵，但是這種永久磁鐵的磁性並不 強，要想得到具有強磁力的磁鐵，必須要用電磁鐵。一般的電磁鐵只有在通電時候才具有磁性，電流一切斷它的磁性就會消失。不過磁浮車內所使用的電磁鐵卻和永久磁鐵一樣，永遠也不會失去磁性，這是因為磁浮車所用的電磁鐵是用超導電金屬(或稱為超導電磁石 Super Conducting Magnets 簡稱 SCM ，它是利用鈮、鈦所製成的合金線圈，在絕對溫度零度時的電阻為零)做成的，目前所採用的冷卻方法，是將線圈浸在絕對溫度四度以下的液態氦中，再通以電流，因為在接近絕對零度中，合金線圈無電阻，電流便可在其間永不止息地流動，故通一次電後，這種線圈就像是一個永久磁鐵，永遠具有磁性。而且在製造超導電磁鐵中，最困難的地方就是要做好絕緣，如果讓熱侵入貯藏液態氦的氦槽內時，會使液態氦蒸發而失去冷卻的作用。要使氦槽有良好的絕熱效果就必須有很好的絕熱材料，此外，由於車體上的線圈與地面的線圈是直接產生推斥作用而使車子前進，因此超導電線圈必須具有足夠的堅固性以應付加於其上的力。這些絕熱作用與強度的技術都是製造超導電磁鐵的問題。不論科學家如何設計，絕熱工作總是無法完美，實際上氦槽內多少還是會受到熱的侵入而使得液態氦逐漸蒸發，因此每隔一段時間就必須要將這些氦氣再液化一次，這個液化工作可以等到列車回站時再進行。目前日本國鐵已研製出一種可以搭載在車上的小型氦冷凍機，這種冷凍機的開發可以說是磁浮車成功的重要關鍵，所以現在正在研究如何提高超導電磁鐵與車載式氦冷凍裝置的性能，這些技術都是非常尖端的科技。


3.磁浮列車的推進系統(Propulsion System)說明：馬達本身是利用磁鐵的吸力與斥力將電能轉變成旋轉能的機器，一般的電車是利用車輪將馬達的旋轉能變成推進力而線型馬達則是將 普通的馬達攤開排成一直線，以直接將電能轉變成推進力。磁浮車的線型馬達是將相當於馬達外殼的部分固定在地上，而將馬達的迴轉磁鐵以裝在車體上的電磁鐵代替。再與列車兩側面相對的壁上，裝有相當於一般馬達磁場線圈的線圈，只要通上電流，就會變成電磁鐵。



在車體上交互排列著N極與S 極的磁鐵，因此只要變換側面壁上的電流方向，使在車體前面壁上電磁鐵的磁性與車上電磁鐵的磁性相反，而在車體後面壁上電磁鐵的磁性與車上相同，就會產生前吸後推的作用而使得車子前進。由於列車一經開動後，這種前吸後推的磁性關係就會跟著變化，所以設在壁上的電磁鐵必須通以適當的交流電來變換磁性，因此交流電的頻率與電壓可用來控制列車的速度，這就是為什麼磁浮列車(線型馬達車)可以由外部指揮行駛而不必駕駛員的原因。

同時，車道上的強磁場也只有當列車經過時感應生成，車通過了之後電流也會因金屬線圈的正常電阻而很快的消失，不致於影響通過平交道的行人和車輛。










4.引導系統(Guidance System)

是為了使車體保持在車道上方，不致於左右「飄」離。


由於漂浮和引導線圈的任何一方都有連接電力電纜,所以能保持列車行駛在軌 道的中央 ,藉著受到距列車較遠端的邊所產生的吸引力和較近端的邊的排斥力使列車能一直保持移動在軌道的中心而不會偏向任何一方!!







5.煞車控制：磁浮列車以速度快著稱，那麼萬一需要緊急煞車時該怎麼辦？其實工程師早就想到這一點了。引擎煞車系統是一般的煞車方式，其原理相當簡單。在物理上煞車被視為負值加速，如果行駛時需要能量，則煞車時便不需要能量。換句話說，即藉著改變電壓、頻率及分極作用，使轉化器控制線型馬達的推進力，以達到煞車的目的。