磁浮列車

磁浮列車 李榮彬

磁浮列車浮起的原理 • 磁浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和排斥力）來推動的列車 • 由於其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不需接觸地面，因此其阻力只有空氣的阻力 • 磁浮列車運用電磁力來代替傳統鐵路中的支承、牽引和導向等功能

永久磁鐵或電磁鐵異極會相吸，同極卻有極強的排斥力，磁浮列車能浮起來就是利用這個原理。而車體的重量並不輕，若要靠磁鐵相吸及相斥的力量將它浮起來，車上及軌道上的磁力就必須要很強。因此搭配使用電磁鐵和永久磁鐵，除了可增強磁性之外還可以節省一部分的電力。永久磁鐵或電磁鐵異極會相吸，同極卻有極強的排斥力，磁浮列車能浮起來就是利用這個原理。而車體的重量並不輕，若要靠磁鐵相吸及相斥的力量將它浮起來，車上及軌道上的磁力就必須要很強。因此搭配使用電磁鐵和永久磁鐵，除了可增強磁性之外還可以節省一部分的電力。

所謂電磁鐵，就是一個金屬線圈，當電流流經線圈時，能產生磁力吸引鋼板，因而車輛被向上抬舉。所謂電磁鐵，就是一個金屬線圈，當電流流經線圈時，能產生磁力吸引鋼板，因而車輛被向上抬舉。 • 當吸引力與車輛重力平衡，車輛就可懸浮在導軌上方的一定高度上。 • 改變電流，也就改變磁場強度，使懸浮的高度得到調整。

利用相斥磁力懸浮的列車，一開動很快就可以加速到時速50公里，跑了50—60公尺的距離之後，便在軌道上懸浮起來。列車沿著地面越「飛」越快，目前最高可以達每小時550公里（理論上可以到更高速）。利用相斥磁力懸浮的列車，一開動很快就可以加速到時速50公里，跑了50—60公尺的距離之後，便在軌道上懸浮起來。列車沿著地面越「飛」越快，目前最高可以達每小時550公里（理論上可以到更高速）。 • 磁浮列車的發展，將使地面交通發生革命性的變化。它速度快，運行安全、平穩舒適、無噪聲，可以實現全自動化運行。

磁浮列車的發展 • 磁懸浮技術的研究源於德國 • 1922年德國工程師赫爾曼·肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，並於1934年申請了磁浮列車的專利 • 1970年代以後，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統的開發。

2000年，中國西南交通大學磁浮列車與磁浮技術研究所研製成功世界首輛高溫超導載人磁懸浮實驗車。2000年，中國西南交通大學磁浮列車與磁浮技術研究所研製成功世界首輛高溫超導載人磁懸浮實驗車。 • 德國的Transrapid公司於2001年於中國上海興建磁浮列車系統，並於2002年正式啟用。 • 2003年，四川成都青山磁浮列車線完工，主要針對觀光遊客。 • 日本山梨縣試驗線使用低溫超導磁鐵，可容納更大的縫隙，該線列車的最高速度達每小時580公里，成為世界紀錄。

2005年中國自行研製的 「中華06號」吊軌永磁浮列車於大連亮相，速度可達每小時400公里。 • 2005年中國成都飛機公司開始研製CM1型「海豚」高速磁浮列車，最高時速500公里。 • 2006年中國第一輛自製常導電磁懸浮推動的中低速磁浮列車，在四川成都青城山一個試驗基地成功運行。

JR磁浮（JR-Maglev）是日本研發的超導體磁浮列車由東海旅客鐵道（JR東海）和鐵道總合技術研究所（JR總研）主導。JR磁浮（JR-Maglev）是日本研發的超導體磁浮列車由東海旅客鐵道（JR東海）和鐵道總合技術研究所（JR總研）主導。 • 首列實驗列車JR-Maglev MLX01從1970年代開始研發，並且在山梨縣建造了五節車廂的實驗車和軌道。 • 2003年12月2日最高速達到581km/h（361 mph），創下有車廂車輛的陸地極速。

運行時最高時速紀錄 • 1971年 — 西德 — Prinzipfahrzeug — 90 km/h • 1971年 — 西德 — TR—02（TSST）— 164 km/h • 1972年 — 日本 — ML100 — 60 km/h — （載人） • 1973年 — 西德 — TR04 — 250 km/h （載人） • 1974年 — 西德 — EET—01 — 230 km/h （無人） • 1975年 — 西德 — Komet — 401.3 km/h （由蒸汽火箭推進，無人） • 1978年 — 日本 — HSST—01 — 307.8 km/h （支援由火箭推進，由日產汽車製造導無人） • 1978年 — 日本 — HSST—02 — 110 km/h （載人） • 1979年12月12日 — 日本 — ML—500R — 504 km/h （無人）第一次突破500 km/h • 1979年12月21日 — 日本 — ML—500R — 517 km/h （無人）

1987年 — 西德 — TR—06 — 406 km/h （載人） • 1987年 — 日本 — MLU001 — 400. km/h （載人） • 1988年 — 西德 — TR—06 — 412.6 km/h （載人） • 1989年 — 西德 — TR—07 — 436 km/h （載人）　 • 1993年 — 德國 — TR—07 — 450 km/h （載人） • 1994年 — 日本 — MLU002N — 431 km/h （無人） • 1997年 — 日本 — MLX01 — 531 km/h （載人） • 1997年 — 日本 — MLX01 — 550 km/h （無人） • 1999年 — 日本 — MLX01 — 548 km/h （無人） • 1999年 — 日本 — MLX01 — 552 km/h （載人/5輛編組）吉尼斯世界紀錄認可 • 2003年 — 日本 — MLX01 — 581 km/h （載人/3輛編組）吉尼斯世界紀錄認可

磁懸浮的種類 • 常導電磁懸浮－以德國為代表。 • 超導電磁懸浮－以日本為代表。 • 永磁懸浮－以中國為代表。 • 常導與超導兩種磁懸浮都需要用電力來產生磁懸浮動力。 • 永磁懸浮，它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他動力支撐。

磁浮列車系統結構 • 磁浮技術分為軌道、車輛、牽引、運行控制四大系統，有16項核心技術。 • 德國曾在80年代於柏林鋪設磁浮列車系統，設有三個車站，長度1.6公里，用的是無人駕駛列車 • 1989年8月開始試驗載客，1991年7月正式服務，兩月後改為普通輪軌列車行走。 • 英國的伯明罕國際機場曾於1984年至1995年使用低速磁浮列車，全長600米，後來也改用單軌列車行走。

美國和前蘇聯則分別在1970年代、1980年代放棄了這項研究計劃美國和前蘇聯則分別在1970年代、1980年代放棄了這項研究計劃 • 目前只有德國、日本、中國仍在繼續進行磁懸浮系統的研究，並均取得了令世人矚目的進展。

電流的磁效應 • 在螺旋形的導線上通電，就會在螺旋形導線的中間產生感應磁場，而此感應磁場的大小和導線圈數及電流成正比，當電流斷路時感應磁場也會同時消失。磁場方向可由安培右手定則決定：右手四指的方向依照導線電流方向握起，則姆指方向則為感應磁場的N極。

我們無法使一塊磁鐵 穩定地浮在另一塊磁鐵上磁場的N極

電動力懸浮法的技術 磁鐵在導體附近移動，便會感應出電流。

磁浮列車前進的原理 • 磁浮列車的前進原理是利用線性馬達。線性馬達將原來普通馬達轉動的力量轉換為直線移動的力量。同樣利用磁力的排斥力與吸引力，使得浮在軌道上的列車能向前加速或減速，由於車體與軌道間沒有摩擦力，能量不會因此而消耗。

磁浮列車在導槽內行走，槽的兩邊安有一系列「8」字形的線圈。當一輛列車快速駛過時，車兩邊的超導磁鐵便會在線圈上感應出電流。巧妙的是，超導磁鐵在「8」字形的線圈中心以下經過，因此「8」字形線圈下半部的磁通量改變比上半部大，感應電流，產生磁力。

「8」字形線圈下半部的磁極與超導磁鐵的磁極相同，上半部則與之相反，結果是這兩部分的線圈對超導磁鐵產生的磁力，都有一個向上的分力，把列車懸浮起來。「8」字形線圈下半部的磁極與超導磁鐵的磁極相同，上半部則與之相反，結果是這兩部分的線圈對超導磁鐵產生的磁力，都有一個向上的分力，把列車懸浮起來。 • 由於「8」字形線圈只有在超導磁鐵運動時才能感應出電流並產生磁性，因此當火車靜止的時候，便不能浮起。所以，火車在啟動時會首先靠輪子來滑行，直到產生的磁力足以承托火車的重量，才將輪子收起來，就好像飛機起飛一樣。

磁浮列車前進的原理

磁浮列車的種類 1.吸引型磁浮列車德國高速運輸系統所採用，利用了「電磁力懸浮法」(EMS)把火車浮起。 2.推斥型磁浮列車日本磁浮列車所採用，利用了「電動力懸浮法」(EDS)把火車浮起。

利用磁鐵吸力使車輛浮起來的磁浮列車，用的是「T」形導軌，車輛的兩側下部向導軌的兩邊環抱。在車輛的下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵，導軌底部設有鋼板。鋼板在上，電磁鐵在下。利用磁鐵吸力使車輛浮起來的磁浮列車，用的是「T」形導軌，車輛的兩側下部向導軌的兩邊環抱。在車輛的下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵，導軌底部設有鋼板。鋼板在上，電磁鐵在下。 • 另一種磁浮列車，採用相斥磁力使車輛浮起。它的軌道是「U」形的。當列車向前運動時，車輛下面的電磁鐵就使埋在軌道內的線圈中感應出電流，使軌道內線圈也變成了電磁鐵，而且它與車輛下的磁鐵產生相斥的磁力，把車輛向上推離軌道。

鐵軌導軌護欄電磁鐵軌道

上海磁浮列車簡介 • 上海磁浮列車為中德兩國合作開發，2001年3月動工，2002年底全線試行，2003年1月4日，正式投入營運；從地鐵龍陽路站搭乘磁浮列車至上海浦東國際機場，全長約29.863公里，最快行進速度每小時431公里，坐一趟僅需7分20秒，是世界上第一條商業化營運的磁浮列車

中國大陸於2001年開始興建從浦東機場 至龍陽路陸家嘴，全長30公里的磁浮高速鐵路，並於2003年開始營運。

上海磁浮列車又稱為「磁墊車」，是運用磁鐵抗拒地心引力的特性，用電磁力將車身往上吸而取消輪軌，列車懸浮行駛成為無輪列車。上海磁浮列車又稱為「磁墊車」，是運用磁鐵抗拒地心引力的特性，用電磁力將車身往上吸而取消輪軌，列車懸浮行駛成為無輪列車。 • 上海磁浮列車在行進過程中，與軌道保持一釐米的距離，因此減少摩擦力，讓乘客感到舒適安穩。 • 大陸預計在2010年完成滬杭磁浮列車，由上海龍陽路延伸至杭州。

德國1999年8月磁懸浮高速列車08號試 驗系列車型提交給埃姆斯蘭特試驗基地（TVE）。

磁懸浮高速列車08號 磁浮列車基本資料： • 由3節車廂組成， • 總長78.8公尺，寬3.7公尺，高4.2公尺。 • 客車空重：約53噸/節，貨車空重：48噸/節，貨車有效載荷：約15噸/節。 • 座位數：末節車廂最多92，中間車廂最多127；最高運行時速：500公里 /小時。

2003年日本磁浮列車 MLX01創下時速581公里的新紀錄。

線性馬達 • 線性馬達是用直接驅動的方式達成直線運動，定位精度高，沒有背隙，且傳動零件少，減少故障維修的機會。傳統旋轉變直線驅動方式(如滾珠螺桿)，傳動零件間摩耗大，不僅消耗動力，也使得傳動零件壽命短。而線性馬達直接驅動的方式，動力全部用於推動載重，且傳動零件磨耗小，壽命長。此外線性馬達推力大、高速度、高加速度、高精度的特性，使其能勝任許多高性能的場合。

線性馬達示例 【Linearserv線性伺服馬達系列】 • 最大推力達300Nm • 最高速度達2m/s • 位置再現精度可達0.1μm • 行程50~1500 mm • 低速運行平滑 • 可接受脈波、速度、轉矩命令

安培右手定則 • 在電磁學中，我們知道一電流迴圈上的磁場方向可以利用右手定則來判斷。其方法為將拇指外的四根手指向手掌彎的方向視為電流方向，則拇指所指的方向即為磁場的方向。

佛萊明右手定則 又稱為發電機定則

佛萊明左手定則 • 佛萊明右手定則 ( Fleming's right-hand rule) ( 發電機定則 ) • 左手拇指、食指、中指張開互成 90 度 • 食指：磁場方向 • 中指：電流方向 • 大拇指：導體受力方向又稱為電動機定則

電鈴模型

無熔絲開關 開關接點的位置電路示意圖開關(向上是通路)

繼電器示意圖

磁浮列車DIY材料設備1 3M 的強力雙面膠裝飾用的彩色反光膠帶高腳圖釘用來墊高圓磁鐵單刀開關用來切換電源ON,OFF 細鐵絲用來拖引保麗龍車廂四或五號電池盒

磁浮列車DIY材料設備2 隨身聽使用之小馬達，規格5V內冰棒棍用來當作車廂底座強力圓形磁鐵黏在馬達上帶動車體強力長條磁鐵用來當軌道工具：尖嘴鉗、剪刀、美工刀、瞬間膠、電烙鐵、焊錫、錐子、LED、膠帶、工具箱之塑膠隔片。

製作流程1 一、環形軌道製作先至壓克力店，請老闆製作環形壓克力，寬度以圓形磁鐵直徑為準，稍大 1~2mm ，厚度約 4mm 環型軌道，直徑不可太小，太大又不方便移動，約 500mm 即可。二、貼上長條磁鐵將 3M 強力雙面膠剪開，先黏在長條磁鐵的底側，撕開雙面交保護膜，再緊緊地沿環型軌道兩側，黏上長條磁鐵，因為長條磁鐵具有柔軟度，故可以沿環形壓克力軌道黏上長條磁鐵。注意環型軌道兩側之長條磁鐵一定要同極，另外長條磁鐵相接處最好以美工刀切除接縫多餘磁鐵，儘量密合。

製作流程2 三、車頭製作 (一)將工具箱塑膠隔片當作車頭底座，馬達以 3M 雙面膠固定在一端，強力圓形磁鐵已快乾膠黏在馬達轉軸上，注意，一定要黏在圓形磁鐵正中央，而且轉軸與磁鐵沾黏處面積極小不容易黏，要靠經驗累積。 (二)將電池盒以 3M 雙面膠黏在隔片上方，並將電源線正負極焊在單刀開關上，在將單刀開關固定在隔片電池盒前緣。

製作流程3 (三)車頭之後輪以高腳圖釘黏在薄圓形磁鐵上，並將隔片車頭的另一端開一小孔，以利支撐車頭車身。 (四)為考慮電源是否有電，可以串聯方式焊接LED，一方面增加美觀，二方面判定電源是否正常運作，市面上也有閃爍型LED，顏色也很多，稍貴，可以考慮。

製作流程4 四、拖車車箱製作 (一)以竹片棒為車體，將短圖釘黏在竹片棒二端，圖釘針扭成90度，再以短圖釘黏在薄圓形磁鐵上，負責支撐車箱車體。 (二)以約 50mm 之細鐵絲，兩端扭成小圓型，掛在兩個車箱扭成90度的圖釘針上，聯成一列列車箱。 (三)取厚約 300mm 之保麗龍，切割成車箱形狀，注意美觀及修飾，可以彩色膠帶點綴，保麗龍車箱以 3M 雙面膠固定在車體上。

成果照片集錦 1 車頭加上保麗龍車箱及LED 完成的車頭本體(一) 完成的車頭本體(二) 列車全貌(一) 完成的車廂(一) 完成的車廂(二)

成果照片集錦 2 列車全貌(二) 車箱磁鐵懸浮車頭磁鐵懸浮大功告成─終於可以向前跑了

磁浮列車

磁浮列車

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