磁浮列車原理
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磁浮列車是利用磁力相吸或互斥的原理(見圖一),使列車車身不需藉助車輪而能離開地面,而磁力的產生方式有三種:(一)永久磁鐵(二)電磁鐵(三)超導體電磁鐵(supercongucting magnets)。永久磁鐵重量較重,會影響列車行駛的速度。而電磁鐵只有在通電時才能產生磁性,但是,列車在高速的情況下,集電相當困難,因此,普通的電磁鐵只能適用在時速三○○公里左右的磁浮列車。而時速超過五百公里以上的磁浮列車就必須使用超導體電磁鐵(張有恆、張贊育,民74)。

     圖一:互斥型及相吸型的磁浮原理

 資料來源:How Maglev Vehicles Float,1999

          所謂的超導體電磁鐵就是將鈮鈦合金所製成的線圈,冷卻至絕對零度(-273℃),此時鈮鈦合金的電阻為零,再通以強大的電流,使其成為強力的電磁鐵。由於沒有電阻,電流不會損失,因此,通一次電就永遠具有強大的磁性,而且不需再集電,所以可以讓列車進行時速五○○公里以上的超高速行駛(李欣儒,民89)。有了磁力所產生的懸浮力,再配合線性馬達(linear motor,見圖二)作為推進動力,當電流流經過地面的推動線圈時,會產生一個磁場,於是車輛會在地表上的線圈和超導體電磁鐵的異極間產生一股吸力;而另一面則有同極所產生的排斥力,藉著前吸後推的動作即可使磁浮列車前進(見圖三)。

  圖二:線性馬達與普通馬達

   資料來源:陳一銘,民89

   圖三:磁力前吸後推的動作

    資料來源:陳一銘,民89

磁浮列車的懸浮系統可分成互斥型與相吸型兩種:

一、互斥型懸浮系統

互斥型是利用同性磁場間的排斥力,做為列車的支撐與導引。由於列車上裝有超導體電磁鐵,當列車經由外力先移動而通過導軌時,超導體電磁鐵產生的磁場也會跟著移動,使地面的線圈產生感應電流,電流再產生磁場,這兩種磁場的方向相同,所以列車與軌道會產生排斥力,列車因而懸浮起來(如圖一左),然後利用線性馬達推進。因兩磁場作用力互相平衡,所以列車可維持一定的懸浮高度,約10-15公分。由於感應相斥的磁浮現象不會在列車靜止時存在,列車必須先靠外力移動,才能產生感應電流與磁場。因此,列車裝配有車輪,用於「起飛」與「降落」之用,實際上在時速六十公里時,車輪仍和地面接觸,再加速時,車體才會逐漸浮起(何建民,民85)日本所發展的磁浮列車即是採用此種懸浮系統。

互斥型懸浮系統的優點為,列車能浮離地面約1015公分的高度,所以在地震發生時,可以提供一段緩衝的距離,避免列車因地震而猝然撞擊路面造成災害。缺點則包括:(一)列車平穩度較相吸型懸浮系統差,必須在列車底部加裝避振器來改善。(二)超導體電磁鐵產生的巨大磁場會對旅客造成影響,鐘錶、音響等電子儀器也會遭受干擾。(三)強力磁場產生的電流及外界傳入的熱量,都容易使液態氦溫度上生而蒸發,所以必須在列車上加裝氦氣冷凍機,才能使線圈產生超導作用(牛頓雜誌,民79)。

二、相吸型懸浮系統

相吸型是利用異性磁場間的吸引力,做為列車的支撐與導引。列車的車體底部,大都具有截面呈C字型的構造來覆蓋住導軌(如圖一右所示)。當通電時,電磁鐵產生磁場吸引力,會將列車向上吸引,而列車又因重力而下沈,當車身的重力與磁鐵的吸引力保持平衡時,列車剛好浮離軌道一個間隙,約一公分。這個間隙的大小會隨磁力的強弱而發生變化,故列車是處於極不穩定的狀態(李欣儒,民89)。

由於列車與軌道間的間隙只有一公分,所以必須加裝間隙感測器,以隨時調整磁力,控制間隙。而電流的大小也經由間隙探測器反饋控制,控制系統也包括利用線型馬達做無接觸的推進,透過其功能調節器,不但能控制產生推進力的線圈電流大小和頻率,同時和車體線圈同步激發的車道線圈電流有效區域僅有車體經過的部份,也就是整個車道分段,每段只有0.55公里的長度,可以減少電能消耗,也間接維持車次間的距離,增加行車安全(何建民,民85)。互斥型懸浮系統仍非十分穩定,因為間隙越小時,吸引力越大,任何一段導軌些微凸起,都有可能導致磁鐵完全吸附住鋼軌,使列車動彈不得,因此,導軌必須建造得非常平坦,且精密控制。這對目前短距離的實驗軌道,雖然不是問題,但對於日後必須翻山越嶺的實用化幹線而言,卻是相當困難(牛頓雜誌,民79)。

相吸型懸浮列車的特色就在於,一開始(速度為零)時列車即浮離地面,故不需裝設車輪(張有恆,張贊育,民74),。德國的磁浮列車是採用這種懸浮方式。