磁懸浮飛機

磁懸浮飛機是由麻省理工學院研製成功的，不是通常意義上的飛機，它與磁懸浮列車一樣在軌道上運行，是一種新型的陸上有軌高速交通工具。其原理是利用永磁鐵替代超導磁鐵，產生磁力，使磁懸浮飛機在運行中離開軌道8~15厘米，如同在軌道上飛行一般。它時速高達550千米。

磁懸浮飛機與一般磁懸浮列車最大的差別是其自動控制系統、方向舵、車廂、衛星定位系統等設備都是按飛機標準設計的，車廂的兩側有牙翼，有點像飛機的翅膀；尾部還有起平衡作用的尾翼。也就是說，磁懸浮飛機的構造像飛機，而在軌道上運行的方式又像列車。

磁懸浮飛機具有無噪音、無污染、速度快、節約能源等優點。

基本介紹

• 中文名：磁懸浮飛機
• 外文名：Magplane
• 時速：550公里
• 研發機構：麻省理工學院

簡介

美國在磁懸浮列車領域儘管起步較早，但是一直沒有大的投人，甚至連實際尺寸的試驗運行車輛和線路也沒有能夠建造。但在最近，美國商業集團公司(CoBank)打算將美國麻省理工學院在20多年前開發的一項稱為“Magplane”的磁懸浮列車技術，通過在其他國家建設製造基地和試驗線路來進入這類產品的市場。

按字面翻譯，" Magplane”可稱為磁懸浮“飛機”，但它實際上和德國研製的磁懸浮列車“德國特快”( German Transrapid ) ,日本的“日本特快”( Japan Express )，以及我國研製的磁懸浮列車屬於同一技術領域，不過在某些結構和技術特徵方面有所不同。因此磁懸浮飛機其實並不是一般意義上所說的飛機，只是直譯而來的名稱。

和其他所有的磁懸浮列車一樣，磁懸浮“飛機”也包括車輛、磁懸浮部件、驅動和控制部件、地面軌道等。這些部件和其他磁懸浮列車有許多相似的地方，但也有不同的特點。這些不同特點就是它力圖簡化系統、降低造價的主要措施。

磁懸浮飛機的產生

70年代開始，美國科學部門按照麻省理工學院提出的Magplane(磁懸浮“飛機”)原理建造立一個1/25的模型，並在100m長的導軌上完成了幾百次實驗運行和測試。1992年，根據美國交通部的要求，為一個800km路段做了詳細的工程設計(包括6自由度計算機模擬模型)，以及全面的成本分析。1995年工程設計被採納，隨後進人更細緻的分析計算。經過不斷地改進，磁懸浮“飛機”主要組成系統已被測試使用於大型運輸系統。它的目標是以低廉的成本和高運輸量為市區短程和城市間的長程運輸提供方案。

磁懸浮原理

眾所周知，磁懸浮列車是通過在車輛上和在軌道上的兩組磁鐵相互作用而使車輛懸浮的。按懸浮磁場產生的方式，我們將其分為靜止磁懸浮和運動磁懸浮兩大類。

靜止磁懸浮是指在車輛沒有運動的時候在車輛和軌道上就已經具有了兩個磁場，它們的相互作用(可以是排斥力，也可以是吸引力)使車輛先浮起來，然後再驅動車輛運動。上海引進的德國磁懸浮列車技術就屬於靜止磁懸浮原理。採用這種磁懸浮原理的車輛可以完全不依靠車輪來運行，但是車輛懸浮的高度一般不高(小於1cm)，這樣一來就要求軌道十分平直，從而提高了軌道的造價和對建造環境(地形等)的要求。

磁懸浮“飛機”採用運動磁懸浮原理。在它的車輛上裝有永久磁鐵(在車輛下部的兩側)，和車輛永久磁鐵相對的是軌道上的弧形金屬板。當車上磁鐵產生的磁場在金屬板表面運動時，金屬板上會感應出電流，其原理就和感應式異步電機一樣。根據電磁感應定律，金屬板上感應電流產生的磁場和產生這一電流的磁場(即車上永久磁鐵的磁場)方向相反，兩個磁場的相互作用則產生了使車輛懸浮的力。由於在磁鐵與金屬板在沒有相對運動時不會產生感應電流，也就不會產生起懸浮力作用的磁場，所以磁懸浮“飛機”在啟動前和低速下運行時必須依靠車輪來支持。當車輛速度達到離地速度後車輛才開始浮起。這種磁懸浮列車的離地速度大約為20km/h。然而在達到正常速度運行時，車輛可以有較高的浮起高度(設計車速的浮起高度超過10cm )，大大降低了對軌道平直度和對建造軌道地形的要求。

按產生磁場的動力來源又分為永磁式和電磁式(電磁式中又分常溫供電和低溫超導供電)。日本的磁懸浮列車採用低溫超導電磁鐵，而磁懸浮“飛機”採用永久磁鐵。

驅動及控制系統

和其他磁懸浮列車相似，磁懸浮“飛機”的驅動方式也是運用永磁式同步直線電動機。這種直線同步電動機包括軌道上的線圈(相當電動機的定子)，和車輛底部的中心線上裝設的永久磁鐵(相當於永磁同步電動機的轉子)。

磁懸浮“飛機”系統在整個軌道上布置有直線同步電機的線圈。這種線圈具有比較特殊的結構以達到低廉的製造和裝配成本。和其他磁懸浮列車不同的是，磁懸浮“飛機”系統的線圈不是放置在導磁的鐵心槽內，而是放在不導磁的固定軌道梁內。它們在工廠內成組地製造後就裝人預製的混凝土梁，在工地再連線在一起。每1000m長的直線同步電機是一個單元，進行單獨的供電和控制。軌道邊的供電系統輸送交流電到線圈上，線圈上產生移動的磁場波，鎖住車輛上的永久磁鐵磁場，車輛隨線圈產生的移動磁場同步移動。交流電的頻率決定了磁場移動的速度，因此控制了車輛的速度。這一系統產生了所需要的加速、減速和持續運行所需的驅動力。因為在任何時間只能有一輛車輛在一段導軌上行駛，兩個車輛產生碰撞的事故不可能發生，大大提高了車輛運行安全，可以增加單位時間的車輛傳送數量，提高了運行效率。供電系統是一套變頻裝置，它提供了可變頻率的交流電源使車輛獲得不同的運行速度。為了正確地向線圈供電，使車輛按需要來加速、減速和維持穩定運行，並使乘客感到舒服，磁懸浮“飛機”的車輛上和軌道上都要裝設車輛位置信號感測器。其輸出信號用來控制變頻裝置的逆變器，使產生的交流電有正確的頻率和相位。這一套供電和控制系統和我們在可調速同步電動機上使用的系統是完全相似的。

車輛組成

按使用場合和運行速度不同(分別適用於城市內和城市間)，磁懸浮“飛機”設計了兩種車輛。一種用於高速(約550km/h)。它不但具有懸浮和驅動系統需要的永久磁鐵，為適應高速下的舒適運行，還設有和飛機一樣的利用空氣動力原理來控制車輛的前翼和尾翼系統。另一種用於低速(約80到120km/h)。這種車輛不設前翼和尾翼，和常規車輛十分相似。較小的車型設計(適於城市間使用)的車輛可容納80個座位。較大的(適於市區內行駛)的車輛在一般狀況下可有250個立位。如果市區內行駛的車輛以每60s發一班車，每班車兩車箱計算，總系統運輸量為單向每小時三萬人。

由於懸浮和驅動都採用永久磁鐵，磁懸浮“飛機”車輛的一大特點是車輛上除監控系統、照明系統和空調系統外，不需要動力電源，因此大大減輕了車輛的重量，進而降低了整個磁懸浮列車系統的造價。

軌道及道叉

磁懸浮“飛機”系統的軌道包括布置在兩側的兩個弧形金屬板和布置在中間的直線同步電機線圈。為節省高架設施的土建費用，一般將來回兩個軌道相鄰布置。

電磁軌叉

弧形金屬軌道可以根據轉彎半徑和車輛速度設定一定的傾斜角度，讓車輛轉彎時自動傾斜。這樣這種磁懸浮列車的車輛可以以較高的車速通過較小的半徑彎道，使磁懸浮“飛機”能在已發展的城市中心，或是沿著現有的公路、鐵路有效率地運行。讓其軌道和現有的公路交通相鄰，大大方便了乘客。為了方便車輛靈活調度，磁懸浮列車軌道必須設有道叉。磁懸浮“飛機”系統的一個主要特點是使用了基於電磁原理工作的電磁軌叉(Magswitch )，雖然它工作的客觀效果與一般使用的機械式道叉完全相同。但是它卻沒有任何移動的機械組件。它僅僅利用在道叉附近的線圈上的電氣控制就可以使車輛進人預先選擇的軌道，從而讓車輛迅速地由主軌道進出中間車站的分支軌道，方便支線車站上下乘客。而主幹線軌道上的車輛可穿越車站而無須減速，車輛可全速地通過電磁軌叉而不影響行車的穩定度。電磁軌叉不僅高效，且十分可靠，不需要任何機械維護。另外，磁懸浮“飛機”的設計不要求高精度的高架導軌，導軌的造價因此低廉，而且有利於環境保持。高架導軌的建造可使用各種輕型、美觀而且有利於環保的支柱結構。同時，因為不要求高精度結構，導軌可建於山坡地形，對自然景色和地貌影響較小。