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1、什麼是磁浮列車,北京中國科學技術館中的磁浮列車圖,磁浮列車為什麼能懸浮在鐵軌上？,磁浮列車浮起的原理,日本磁浮列車的運作原理,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
2、式列車在設計上的困難，科學家於是採用磁浮的方式。,一、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。,二、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
3、觸時的摩擦力，使得速度上被限制，而磁浮列車的時速可達英哩（約時速公里），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。,三、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
4、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
5、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。,四、相關知識：電與磁的關係及應用,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。 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。,五、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110公分，以減少摩擦、提高行車速度，然後運用線型馬達(linear moto
6、r)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。,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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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。,六、發展磁浮列車的優點及維修,為什麼要發展磁浮車輛？發展磁浮車輛不是為了趕時髦，而是有它實際面的考量。許多人知道磁浮車可以用來發展高速火車，因為輪軌車輛在高速的情形之下會有許許多多的技術性問題產生而磁浮車不會。然而，磁浮車不只可以用來發展高速火車，它用來做低速的捷運系統一樣可以有許多好處。例如噪音的問題，都市捷運
13、系統大多位於人口稠密的都會區，甚至不可避免的會經過住宅區，人們對於捷運系統的噪音已經是可以說是深惡痛絕。台北木柵線的馬特拉系統選用橡膠輪胎的主要原因就是希望降低噪音，結果噪音果然是較低，但只是較一般鋼輪鋼軌系統的噪音低，在入夜之後，仍然使沿線居民飽受干擾而提出抗議。而磁浮車輛可以說是噪音問題的唯一解，原因在於磁浮車輛無車輪與軌道接觸所產生的噪音，車輛本身也無會產生噪音的齒輪箱等傳動機構。同時磁浮車輛對軌道所產生的是整個磁鐵面的面接觸而不似車輪對軌面的點接觸，對於地面所產生的振動感會較低。英國柏明罕（Birmingham）機場磁浮捷運系統在時速47公里時，距軌道15公尺處的噪音值只有60-66d
14、B。德國的磁浮試驗線M-Bahn系統更是低達50-59dB。據其工程人員透露，噪音量測時由於受測體（列車）的噪音值過低，須得在夜深人靜、背景噪音降低之後，才可量得數據。相較於膠輪式的馬特拉VAL系統，其噪音值達75dB。磁浮車輛真的是安靜多了。 在維修方面，磁浮車輛沒有任何轉動或摩擦的零件，於是就沒有了這方面的零件維修或定期更換費用。 磁浮車輛由於使用線型馬達，不需要一個大大的車輪在車輛底下，因此可以使車身降低。車身降低可以使軌道的建造費用降低。（在地下隧道時可使截面積縮小，高架軌道則可因受風面較小，橫向力矩較小等因素而減小對於帽樑強度的要求）。此外線型馬達所提供的煞車作用乃完全來自於電磁力，
15、因此其煞車性能不受路況影響。不管路面是否溼滑仍然可以保持原來的煞車距離。因此，在系統設計班距時可以將之縮到很短，如此一來可以大幅提高系統在尖峰時間的運量。,七、磁浮列車在各國的研發與測試,磁浮列車是否是遙遠的未來之夢呢？不是的。目前德國已經分別在高速磁浮及捷運磁浮系統做了多年的測試，都已經有了實體的試驗線可以試搭乘。而在亞洲的日本也已經做了多年的測試，其成果不輸德國，日本人已計劃將一條廢棄的單軌列車線改建成磁浮線，預計1999年通車。屆時日本又多了一項世界第一：第一條商業運轉的磁浮線。 鄰近的韓國與大陸也都分別有不小的成績。韓國除了在93年的博覽會時有由現代公司建造的磁浮車展示之外，其韓國金屬
16、機械研究所（KIMM）。也已投入從事實體的研發，KIMM並已將一條一公里長的測試線建造完成。而大陸有西南交大及鐵道科學研究院等機構從事磁浮車的研究，均已頗具雛形。 在台灣，新竹的清華大學已經分別完成磁浮一、二號，磁浮三號也將可在近期內發表。中科院也有在做磁浮車的研究。在成大、交大等學校也有教授在做磁浮相關的研究。,八、台灣目前發展磁浮(高速)列車的狀況,近年來台灣一項備受國內外矚目的高速鐵路建設計劃，正在緊鑼密鼓地推動中，而這項由政府鼎力支持的重大民間投資、興建及移轉（BOT）的交通建設案，數月前由台灣高速鐵路企業聯盟（大陸工程、太平洋電線電纜、東元電機、長榮海運、富邦產物、法商傑卡斯東及德商
17、西門子等企業）取得優先的議價權，若在克服融資及技術等因素後順利興建完成，不僅將對台灣的運輸事業產生革命性的影響，並可帶來無限的商機。 在世界各地，拜科技、道路阻塞等因素之賜，沈寂已久的鐵路事業正將敗部復活，火車紀元的來臨指日可待。,九、世界各國目前發展磁浮列車的狀況,呼著低嗚聲音的MLX磁浮列車，以近六百五十公里的時速，沿著東京附近的實驗鐵軌上疾速奔馳，這是未來鐵路事業重拾信心的聲音。去年底，日本這列實驗火車頻頻刷新時速紀錄，成為有史以來最快的火車。一九三年代，在東方特快車疾駛過歐洲，以及西風之神縱橫美洲大陸時，鐵路事業似乎有一飛沖天之勢。然而受到汽車及飛航器競爭之影響，鐵路在歷經數十年的衰敗
18、後，正仰賴高速火車扳回劣勢。 日本與德國投注了驚人的資金在磁浮列車上，其原理係利用高壓電磁及線感應發動機，使列車懸在鐵軌上方疾奔而去。歷經三十年的研究與開發，磁浮列車已接近全面營運的階段。建造德國柏林到漢堡線的磁浮列車（時速四百公里）經費將高達九十八億德國馬克（五十四億美元），但它可將往來兩地的時間縮短至一小時內，這條磁浮列車線預定一九九九年興建，二五年開始營運。 自兩百年前史蒂文生發明火車頭以來，磁浮列車是鐵路技術最重大的突破。而今以傳統鐵輪在鐵軌上行駛的高速火車，已司空見慣，全球有十二個國家的客運列車的速度平均超過兩百公里，從澳洲、南韓到瑞典、美國，還有十六條新高鐵線正在研發中。 日本及法
19、國的工程師正競相研發時速達三百六十公里的超高速列車，傑卡斯東的技術主管並預言，二十一世紀在傳統鐵軌上行駛時速四百八十公里的火車，將是件稀鬆平常之事。,新技術並非是唯一令火車對未來重拾信心的因素。世界各地對鐵路的投資日益增加，因為各國政府認為火車的頭號競爭對手汽車已漸失空間，各國境內的塞車及空氣污染已迫使政府以價格或法規來限制道路的交通。 解除對國營鐵路的管制也是鐵路事業東山再起的轉機之一。自日本國鐵在一九八五年民營化以來，國鐵就一分為六，新幹線的員工雖銳減，但乘客人數卻增加逾四分之一。儘管日本的鐵道公司仍揹負巨額的負債，但新幹線三大業者中部、東部及西部鐵道公司，其營利均足以支應利息。 最優秀的
20、交通工具隨著二十一世紀的到來，現有的各種交通工具勢必無法應付大量且日趨複雜的交通問題，在此前提下，速度快、無空氣與噪音污染、安全性高、維修成本低、能源效率高及對地形與氣候適應性強的磁浮列車，便成為未來交通工具的主流，雖然目前還無法正式加入營運，且尚在試驗與展示階段，但是隨著科學家與工程師的努力不懈，各種技術一一被突破，如列車與導軌間的精密配合、液態氦的回收、超導體材料的改良及空氣阻力的最小化等問題獲得解決後，則磁浮列車將於二十一世紀全面加入交通運輸的行列，為人們提供更快更好的服務。,十、磁浮的應用,1磁浮也有其他的發展，如：氣動煞車(利用氣動平板的阻力裝設在車頂上)，而在高速運轉時使用碟煞。地
21、線圈是由2個牆壁磁浮線圈所組成具有PWM(pulse width modulation)的高壓電源供應，是由GTO(gate turn-off)組成的轉換器閘流體，使列車能以高速或低速的行駛！ 2磁流發電廠：磁流發電（簡稱發電）或直接發電，是直接利用高速電漿橫越磁場以產生電動勢（）。利用此法的電力轉換效率比一般火力發電高百分之十至十五，而且操作安全性優異，釋放到大氣中的熱能及氧化物也比較少。蘇俄設在略查尼的世界第一座五億八千萬瓦級磁流發電廠已經開工。 3磁浮力推動太空船：美國太空總署的科學家最近建造了一座長約五十尺的軌道，試驗利用磁浮力，在半秒鐘內，令太空船從零加速至每小時六十英里，將太空船推
22、進到太空。,太空總署(NASA)的布士文博士(Dr. Sherry Buschmann)解釋說，利用磁力推動太空船，可以節省火箭用的燃料，因而降低推進太空船的火箭的重量達百分之二十，減低發射太空船的成本，此外，使用電流產生磁場，既環保而又便宜。 科學家是利用高達二百千伏特(kilovolts)的電流，產生磁場，將重三十磅的太空船浮動離軌道一寸半，然後磁場以六倍地球引力的推動力，將太空船加速至每小時六百哩，推進到太空。 科學家希望，將發射太空船的成本由目前的每磅一萬美元，降低至每磅數百美元，科學家計劃，明年興建長達四百尺的軌道，作進一步的試驗。 美國太空總署(NASA)現正研究利用磁力浮動(magnetic levitation)的科技，製造下一代到太空的交通工具，可以大大減低飛行太空的成本，也許到那時，很多人都可負擔得起，到太空的平價觀光團。 科學家認為，推動太空船到太空，環繞地球運行，最昂貴的部份是將太空船推動到高空，離開地球的地心吸力。科學家計劃建造類似太空高速公路，利用磁力浮動技術，像磁力浮動火車一般，將太空船推動至時速六百英里，直飛高空。 由於不需要很多零件，磁力浮動火箭維修方便，操作成本比較低，科學家預算，每九十分鐘便可發射一輛磁力推動太空船，因此旅行太空的費用，便會大為減低。,