所謂懸浮就是上不著天、下不著地、哪也不挨、懸在半空，磁懸浮就是利用磁場的作用力使物體上不著天下不著地。磁懸浮技術(shù)主要被用做有相對運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體之間，避免運(yùn)動(dòng)時(shí)相互接觸產(chǎn)生摩擦。常見的使用場合是磁懸浮列車和磁懸浮軸承。老師就這兩個(gè)方面給寶寶們瞎想一把。
1 電磁基礎(chǔ)知識。在講兩個(gè)應(yīng)用之前先說說磁懸浮技術(shù)的基礎(chǔ)知識。
1.1 磁力。寶寶們都知道，磁鐵有兩個(gè)極，分別叫N極和S極，同性磁極相互排斥，異性磁極相互吸引。也就是說，兩個(gè)磁鐵之間存在著作用力，我們叫做磁力。磁力不僅存在于兩個(gè)磁鐵之間，一個(gè)磁鐵與鐵磁類物質(zhì)靠近時(shí)也存在磁力，寶寶們用磁鐵吸引一枚鋼針就屬于這種情況。磁鐵無論哪個(gè)極靠近一個(gè)鐵磁類物體時(shí)產(chǎn)生的都是吸力，這是因?yàn)殍F磁類物質(zhì)在磁場中會(huì)被磁化，也變成一個(gè)磁鐵，而且磁化后的方向總是與磁化它的磁鐵異性相對，產(chǎn)生吸力。說這些是考慮到寶寶們的物理基礎(chǔ)和理解力，比較好理解，其實(shí)按現(xiàn)代電磁學(xué)的理論，用磁極說事是很不嚴(yán)密的，現(xiàn)代電磁學(xué)都是用場的理論來描述電磁現(xiàn)象，由于這些理論過于深?yuàn)W，說了你也不懂，只好就用那些傳統(tǒng)的說法了！
1.2 磁是怎么來的。早期人們對磁的認(rèn)識只是停留在一種具有“魔性”的石頭能夠吸引鐵磁類物質(zhì)，這種“瘋狂的石頭”就叫磁石，也有叫“吸鐵石”的。隨著認(rèn)識的深入，后來又了解了同性相斥異性相吸的規(guī)律。那時(shí)人們只知道這些天然的磁石是上天的安排，神來之筆。直到1820年，有個(gè)叫奧斯特的老兄發(fā)現(xiàn)了電流周圍會(huì)產(chǎn)生磁場，從此將磁與電聯(lián)系起來，為后來的法拉第和麥克斯韋兩位英國老弟建立現(xiàn)代電磁理論奠定了基礎(chǔ)。理論和實(shí)驗(yàn)均表明，所有的磁現(xiàn)象都是由電流產(chǎn)生的，包括那些永久磁鐵的磁場也是由“分子電流”產(chǎn)生的。
1.3 怎樣才能磁懸浮。知道了同性相斥、異性相吸的道理，我們就可以用兩個(gè)同性磁極的斥力或者用兩個(gè)異性磁極的吸力把一個(gè)物體懸浮起來。且慢！問題遠(yuǎn)沒有寶寶們想像的那么容易。一個(gè)叫恩肖（也有的叫他恩紹Earnshow)的英國哥們就說了，不可能只用一個(gè)永磁體不用其它的控制和約束手段把另一個(gè)永磁體或鐵磁物質(zhì)穩(wěn)定地懸浮起來！并且這位老兄用數(shù)學(xué)的方法證明了這個(gè)結(jié)論。他指出一個(gè)物體穩(wěn)定地懸浮在半空的條件有兩個(gè)：一個(gè)是該物體所受到的合力為0；二是合力沿任意自由度方向的偏導(dǎo)數(shù)必須小于0。上述第一個(gè)條件很好滿足，但第二個(gè)條件就難滿足了！知道寶寶們一提微積分就蒙圈，老師就通俗地解釋一下第二個(gè)條件，第二個(gè)條件是說一旦物體受到擾動(dòng)偏離平衡位置或狀態(tài)，必須要受到一個(gè)指向平衡位置的合力，以使物體自行恢復(fù)到平衡位置和平衡狀態(tài)，只有這樣物體才能穩(wěn)定地懸浮在半空。就像一個(gè)玻璃球可以非常輕松地穩(wěn)定停在一個(gè)圓弧形的鍋底，但如果你要把鍋扣過來讓玻璃球穩(wěn)定地停在弧頂就不可能了！其中的道理就是因?yàn)椴粷M足上述第二個(gè)條件。上述那個(gè)結(jié)論和那兩個(gè)條件被稱作恩肖定理或恩肖理論。既然恩大大都把定理都整出來了，寶寶們就別做夢只用永磁不用別的控制和約束手段搞磁懸浮了。說這個(gè)主要是因?yàn)榇艖腋☆I(lǐng)域也是民科的重災(zāi)區(qū)，總有一些不知天高地厚的民科，沒上過幾天學(xué)，毫無基本科學(xué)素養(yǎng)，每天想著推翻恩大大、牛大大、愛大大等等大大們理論，老師就經(jīng)常遇到這樣的人和事，也希望寶寶們通過看老師的瞎想提高科學(xué)素養(yǎng)，見到這些能夠馬上甄別，在磁懸浮領(lǐng)域，凡是說只用永磁體不需要控制就可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮的統(tǒng)統(tǒng)都是蝦扯蛋！跑偏了，老師一提民科就來氣！趕緊回到正題。
2 磁懸浮列車。磁懸浮列車主要有三方面的事，一是懸浮，二是導(dǎo)向，三是驅(qū)動(dòng)。
2.1 懸浮。懸浮方式主要有兩種，一是靜懸浮，即在靜止時(shí)就通過磁力將列車懸浮起來，懸浮高度大約在10mm左右；另一種是動(dòng)懸浮，即只有當(dāng)列車行駛到一定速度時(shí)才使列車懸浮起來，懸浮的高度與列車行駛速度和列車的質(zhì)量有關(guān)，通常在100mm左右。
我們先說靜懸浮。靜懸浮也叫常導(dǎo)磁吸式或電磁式（EMS）懸浮。其結(jié)構(gòu)是車輛的兩側(cè)伸到T型軌道的下方，像兩個(gè)側(cè)臂一樣環(huán)抱著軌道，伸下來的“手掌”上表面安裝有常溫懸浮電磁鐵，T型軌道的兩測下表面是用鐵磁材料制成的鐵芯，當(dāng)給電磁鐵的線圈通電時(shí)磁鐵與軌道上的鐵芯就會(huì)產(chǎn)生電磁吸力，吸力的大小取決于二者之間的間隙和勵(lì)磁電流，控制電流的大小就可以控制吸力，在軌道和電磁鐵之間裝有檢測間隙的傳感器，根據(jù)間隙的大小，控制吸力等于車體重力，并保證懸浮間隙為10mm左右，這樣就實(shí)現(xiàn)了車輛的懸浮。注意這里必須要有控制，否則就違反了恩大大的定理了！由于靜懸浮與列車速度無關(guān)，所以這種方式可以在靜止?fàn)顟B(tài)下實(shí)現(xiàn)懸浮，并在列車運(yùn)行時(shí)根據(jù)間隙大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流以保證懸浮間隙穩(wěn)定，因此這種磁懸浮列車無需車輪作為輔助支撐。上海浦東機(jī)場線的磁懸浮列車就是采用這種方式，德國的磁懸浮技術(shù)也是采用的這種方式。
再說動(dòng)懸浮。動(dòng)懸浮也稱超導(dǎo)磁斥式或電動(dòng)式（EDS）懸浮。其結(jié)構(gòu)是在車輛兩側(cè)裝有超導(dǎo)電磁鐵，其磁感強(qiáng)度非常高，可以達(dá)到數(shù)特斯拉，在軌道的兩側(cè)面與超導(dǎo)電磁鐵相對裝有8字型的短路線圈，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)磁鐵強(qiáng)大的磁場就會(huì)在8字型短路線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電勢，由于線圈成8字型反接，當(dāng)超導(dǎo)電磁鐵位于8字的中心時(shí)，8字型線圈的上下兩部分感應(yīng)的電勢相等，方向相反，串聯(lián)后剛好抵消，線圈內(nèi)沒有電流，因此也稱這種線圈為0磁通線圈。如果超導(dǎo)電磁鐵中心低于8字線圈中心線，線圈的上下兩部分感應(yīng)電勢大小就不相等，串聯(lián)后就會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)奧大大的理論，有電流就會(huì)產(chǎn)生磁場，線圈下半部分產(chǎn)生的磁場與超導(dǎo)電磁鐵極性相同，對列車產(chǎn)生向上的斥力，上半部分的磁場與超導(dǎo)電磁鐵極性相反，對列車產(chǎn)生向上的吸力，這一推一拉就會(huì)使列車懸浮起來，由于列車有重力存在，必須要產(chǎn)生相上的懸浮力，所以正常情況下，超導(dǎo)電磁鐵的中心總是低于8字型線圈中心線。必須指出的是，這種懸浮方式只有當(dāng)列車達(dá)到一定速度時(shí)才能產(chǎn)生足夠大的懸浮力，在列車靜止或低速運(yùn)行時(shí)，是不能懸浮的，因此稱為動(dòng)懸浮。動(dòng)懸浮列車有個(gè)“起浮”和“著陸”的問題，因此這種列車必須要有輪子，用于低速和靜止時(shí)支撐車輛。這種方式通常用于高速磁懸浮列車，日本的磁懸浮就主要基于這種方式。
2.2 導(dǎo)向。磁懸浮列車運(yùn)行時(shí)上不著天下不著地，拐彎就成了個(gè)問題，專業(yè)術(shù)語叫“導(dǎo)向”。那么磁懸浮列車如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向呢？對于EMS系統(tǒng)，列車環(huán)抱軌道的臂膀內(nèi)側(cè)和軌道的外側(cè)分別裝有導(dǎo)向電磁鐵、導(dǎo)向鐵芯和檢測側(cè)向間隙的傳感器，當(dāng)檢測到側(cè)向間隙增大時(shí)，就給加大導(dǎo)向電磁鐵的勵(lì)磁電流，同時(shí)減小另一側(cè)導(dǎo)向電磁鐵的勵(lì)磁電流，這樣列車就受到一個(gè)側(cè)向力迫使列車轉(zhuǎn)彎，正常運(yùn)行時(shí)如果列車受到干擾偏離軌道中央，導(dǎo)向力也會(huì)迫使列車回到軌道中央穩(wěn)定運(yùn)行。對于EDS系統(tǒng)，如果列車兩側(cè)的側(cè)向間隙不相等，則間隙小的一側(cè)8字型線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的側(cè)向斥力將列車推回到軌道中央，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，因此對于EDS系統(tǒng)，懸浮系統(tǒng)同時(shí)具備了導(dǎo)向功能。為了寶寶們的安全，EDS系統(tǒng)還在列車的側(cè)面設(shè)置了輔助導(dǎo)向輪，以提高導(dǎo)向的可靠性和安全性。
2.3 驅(qū)動(dòng)。前面說了，磁懸浮列車上不著天下不著地，無法利用車輪與軌道的粘著力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，只能依靠電磁推力來實(shí)現(xiàn)。磁懸浮列車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)直線電機(jī)，把旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿圓周展開就形成了一個(gè)直線電機(jī)，原來的定子側(cè)稱為初級，轉(zhuǎn)子側(cè)稱為次級，在磁懸浮列車中我們可以把初級放在列車上，把次級放在軌道上，稱為長次級短初級，這種系統(tǒng)由車上供電，在列車運(yùn)行時(shí)需要由受電弓從線路上滑動(dòng)獲取電能，由于滑動(dòng)接觸摩擦生熱，嚴(yán)重限制了列車的最高運(yùn)行速度，因此該方式主要適用于中低速磁懸浮列車，但這種方式也有很大的優(yōu)點(diǎn)，由于成本很高的初級較短，成本較低的次級裝在軌道上，因此工程造價(jià)很低。我們也可以把初級置于軌道上，次級置于列車上，即長初級短次級，這種系統(tǒng)由軌道側(cè)供電，無需滑動(dòng)受電，因此可以實(shí)現(xiàn)很高的運(yùn)行速度。這種結(jié)構(gòu)的磁懸浮列車司機(jī)在陸上的控制室里，車上可沒有司乘人員。當(dāng)然這種系統(tǒng)由于在成千上萬公里的軌道上布滿了電樞線圈，造價(jià)會(huì)非常昂貴！
特別指出的是，無論是哪種磁懸浮系統(tǒng)，推進(jìn)的初級和次級都不能放到車肚子底下和軌道的上表面，這是為什么呢？留個(gè)作業(yè)，寶寶們自己去瞎想吧！
3 磁懸浮軸承。
磁懸浮的另一個(gè)用途是磁懸浮軸承。磁懸浮軸承就是采用磁力把轉(zhuǎn)子懸浮在定子中間。根據(jù)磁懸浮軸承所約束的方向，可分為二自由度和三自由度兩種，二自由度就是只約束上下左右兩個(gè)方向，即X、Y方向，三自由度的還要加一個(gè)軸向（Z向）約束。通常情況下，臥式安裝的電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，定轉(zhuǎn)子的磁力中心線會(huì)自動(dòng)對齊，因此無需軸向約束。磁懸浮軸承也有定子和轉(zhuǎn)子，在定子的上下左右各有一對電磁鐵，轉(zhuǎn)子就是軸或在軸上套一個(gè)圓柱形的鐵芯，定轉(zhuǎn)子之間設(shè)有兩個(gè)檢測X和Y方向間隙的傳感器，根據(jù)測得的間隙，控制各電磁鐵的勵(lì)磁電流，以調(diào)節(jié)X、Y方向的電磁吸力，保持轉(zhuǎn)子處于中間位置，原理就是這么簡單，寶寶們懂了嗎？需要指出的是，磁懸浮軸承雖然沒有了滑動(dòng)接觸，但并不是沒有損耗，因?yàn)檗D(zhuǎn)子在靜止磁場中高速旋轉(zhuǎn)，鐵耗還是有的，只是比摩擦損耗小而已。
好了！看了這期瞎想，相信寶寶們再帶上女盆友坐磁懸浮列車時(shí)就可以跟她吹牛B了！
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