超導磁懸浮列車及超導技術的運用

蔣家文 張 琦

（1.青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司，山東青島 266000；2.青島亞通達鐵路設備有限公司，山東青島 266000）

磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力推動的列車，通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸懸浮和導向，利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行，超導磁懸浮利用超導體的抗磁性可以實現磁懸浮。在列車車輪旁邊安裝小型超導磁體，列車向前行駛時，超導磁體向軌道產生強大的磁場，與安裝在軌道兩旁的鋁環相互作用，產生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。超導技術是保證列車應用質量的重要手段之一，也是磁懸浮列車研究重點內容。

1 超導技術

超導指在某一溫度中導體電阻為0的狀態。展開試驗時，導體電阻測量數值沒有超過10-25Ω，可以認定此時電阻值處于0的狀態。一般將處于超導狀態的導體稱為超導體，在一定的低溫環境中，超導體直流電阻率會突然消失，此種狀況被稱為零電阻效應。導體沒有電阻后，電流再次經過超導體時不會發生熱損耗問題，可在導線中形成強大電流，生成超強磁場。

現階段，超導技術以及超導材料均具有較為廣泛的應用前景，研究人員運用超導現象中邁斯納效應，展開超導船以及超導列車的制造。利用此種原理制造的交通工具，在使用過程中均處于懸浮無摩擦的狀態，可達到有效提高交通工具使用安靜程度以及速度的目標，減少機器磨損。在超導懸浮技術支持下，無磨損軸承轉數超過100 000 r/min。

20世紀70年代，超導列車開始展開載人試驗，經過多年研究與優化，超導技術應用水平已經得到顯著提升，實現了對交通工具改革的有效推動，為廣大民眾帶來了更優質的交通出行服務。雖然目前部分高溫超導體還需要使用液態氮進行冷卻，但其在社會中的應用價值不可忽視，是超導技術在磁懸浮列車中得到應用的主要原因之一。

2 超導磁懸浮列車與超導技術的具體運用

2.1 常導磁懸浮列車

常導型磁懸浮也被稱為常島磁吸型，通過對普通直流電磁鐵異性相吸作用的運用，完成列車懸浮操作，軌道與懸浮列車間隙相對較小。此種列車主要用于快速運輸以及城市之間長距離運輸任務，行車速度可以達到450 km/h。按照異性相吸、同性相斥的原理，磁鐵會產生一定的地心引力抗拒能力，使車體與軌道保持不接觸的狀態，列車驅動原理與同步直線電機原理基本相同。軌道兩側線圈中的流動交流電，可以將線圈變為電磁體性質，與列車上電磁體產生相互作用，完成列車驅動任務。

在列車車頭設置N極電磁體，在靠前軌道設置S極電磁鐵，兩者相互作用產生吸引力，在靠后軌道N極電磁體的作用下產生排斥力，生成列車驅動力。列車前進時，線圈中的電流形成反向流動狀態，S極與N極進行交換，通過不斷循環保證列車可以始終處于運行狀態。列車中的導向系統主要用于列車穩定性控制，安裝在列車側面位置。如果列車在行駛過程中出現左右位移狀況，導向系統中的電磁鐵和導向軌側面產生排斥作用力，及時糾正位移問題，確保車輛行駛能夠處于正常軌道。如果車輛行駛在坡道或彎曲路段，系統會展開控制操作，通過對電流的運用，完成相應控制任務。

通過綜合性分析可以發現，軌道與列車之間的作用和電動機工作原理基本相同，以電磁感應原理為基礎，利用通電定子對轉子進行轉動驅動，在定子與轉子的作用下產生機械能和電能之間的轉換，確保車輛能夠按照規定行駛路線穩定前進。

2.2 超導磁懸浮列車

在電磁體相互作用的助力下，超導磁懸浮列車通過對超導體完全抗磁性的運用，通過在軌道上放置線圈的方式，確保線圈能夠與車身之間產生強大排斥作用，實現懸浮運行的目標。如果列車運行速度為0，此無法達到靜止懸浮的狀態。由于列車運行是依靠車輛實體在運動時對線路上導體進行切割產生感應電流進行驅動，電流產生的磁力線和產生的磁力線屬于相反狀態，是相互排斥的。按照此原理，磁懸浮列車產生過曲線橫向導向力以及垂直懸浮力，處于靜止狀態時，不會產生導向力以及懸浮力。

超導磁懸浮列車如圖1所示。

圖1 超導磁懸浮列車

高溫超導磁懸浮需要保證部件在某一溫度下能夠達到電阻率為0以及完全抗磁的無消耗運輸狀態。列車中超導線圈構成的超導磁鐵是列車運行關鍵，其是保證電阻處于零狀態的關鍵，能夠達到有效控制損耗的目標，可實現對大電流以及強電流的高質量傳輸，整體傳輸效率相對較高，可實現對運行成本的有效控制。

2.3 超導

溫度發生改變時，材料電阻率也會發生相應變化，根據物理理論，按照電阻率行為差異，可以將材料分為半金屬、絕緣體以及半導體等類型。進行金屬汞研究時發現，金屬汞的溫度下降到一定程度時會產生超導現象。

通過對其他材料的研究發現，其他材料也存在類似狀況，存在明顯超導行為。超導體指某些材料在特定溫度環境中其電阻率會處于零狀態，電阻率為0是超導體的重要特征之一。超導體進入到超導狀態時，電磁體具備完全抗磁性性能。研究人員在進行試驗過程中，假設錫單晶會在溫度下降到一定狀態時進入超導狀態，此時將其放置在小磁場中，磁力線難以達到從單晶體內穿過的狀況，表明在超導狀態下，晶體存在完全抗磁性狀態，此理論也被稱為邁斯納效應。從另一層面對這一效應進行解釋，可以發現超導態屬于一種動態性平衡，與材料進入超導狀態的方式沒有直接關聯。效應是進行材料超導性衡量的關鍵，彼此之間屬于相互聯系且又獨立的狀態。出現零電阻狀況并不能表示存在邁斯納效應，但邁斯納效應存在的關鍵是零電阻。根據相關試驗表明，材料需要具備完全抗磁性以及零電阻雙重性能，才能被判定是超導體，才可按照超導技術對其展開應用。

2.4 超導線圈與車載超低溫冷凍系統

超導線圈是列車運行關鍵設備，是保證列車推進、上浮與導向力獲取的重要因素。日本在進行超導磁懸浮列車研究與建造過程中，利用超導物質將超細鈮鈦合金多芯線放入由銅母線制作而成的超導電線中，并將其放入-269 ℃液氮中，可形成超導狀態，產生強大磁場，完成線圈制作，為列車運行提供助力。超導技術在運輸設備上的首次運用，取得了550 km/h的穩定大功率強磁線圈，為列車高效、穩定性運行提供了可靠支持與助力。

超導線如圖2所示。

圖2 超導線

除超導線圈外，車載超低溫冷系統也是磁懸浮列車中不可缺少的關鍵要素。每車載強磁單元均安裝液氮壓縮制冷機與液氮壓縮機。壓縮機利用列車行駛中產生熱量以及外部熱能展開氮氣重新冷凍，將其還原成液氮狀態。壓縮制冷機會對超導線圈外隔熱板液氮制冷劑展開重新冷卻處理，使其始終保持在-196 ℃的低溫液氮狀態。

目前列車上使用的壓縮機設備，能力水平都達到了較為理想的狀態，能夠連續展開10 000 h不間斷工作，且不會出現故障。列車在運行過程中，只需要進行一次充氮即可，并不需要再次展開操作。

2.5 超導其他方面應用

目前超導技術以及超導磁懸浮列車相關研究一直處于不斷增長的趨勢，超導相關課題研究也成為領域學者研究的重要內容。隨著測試技術以及樣品材料生長手段的不斷強化，更高溫超導體成為目前領域研究熱門內容。此環境中，高性能以及低成本的超導材料普及速度得到顯著提升，超導體應用與研究延伸到更多的領域中。

例如，可通過此項技術展開超導潛艇建設，減去螺旋槳拍打功能后，系統材料以超導體形式出現，摩擦力較小，且可以有效解決潛艇航行噪聲問題，能夠通過增大潛艇電壓的方式，保證超大輸出功率，可以實現有效提升潛艇航行速度的目標。超導技術在輸電方面的運用，可實現對電損耗問題的有效處理，降低二氧化碳排放數量，能夠達到經濟性以及環保性的雙重目標，獲得的效益價值較為突出。

3 結語

在超導技術的輔助下，磁懸浮列車應用行車速度得到了顯著提升，行車摩擦力得到了有效控制，且行車安全性也得到了切實提高。鑒于超導磁懸浮列車具有的各項優勢，相關部門需要進一步加強對該類型列車的研究力度，結合超導技術以及列車使用具體情況，制定可行性較高的列車運行優化策略，保證列車結構以及各方面性能能夠得到不斷調整與改善，行車質量以及速度能夠得到切實提高，達到最優化列車使用效果，保證人們能夠得到更快捷、優質的出行體驗。