超導(dǎo)磁懸浮列車及超導(dǎo)技術(shù)的運用

蔣家文 張 琦

（1.青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島 266000；2.青島亞通達(dá)鐵路設(shè)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(xiàn)列車與軌道之間的無接觸懸浮和導(dǎo)向，利用直線電機產(chǎn)生的電磁力牽引列車運行，超導(dǎo)磁懸浮利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實現(xiàn)磁懸浮。在列車車輪旁邊安裝小型超導(dǎo)磁體，列車向前行駛時，超導(dǎo)磁體向軌道產(chǎn)生強大的磁場，與安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產(chǎn)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(dǎo)技術(shù)是保證列車應(yīng)用質(zhì)量的重要手段之一，也是磁懸浮列車研究重點內(nèi)容。

1 超導(dǎo)技術(shù)

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

現(xiàn)階段，超導(dǎo)技術(shù)以及超導(dǎo)材料均具有較為廣泛的應(yīng)用前景，研究人員運用超導(dǎo)現(xiàn)象中邁斯納效應(yīng)，展開超導(dǎo)船以及超導(dǎo)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(tài)，可達(dá)到有效提高交通工具使用安靜程度以及速度的目標(biāo)，減少機器磨損。在超導(dǎo)懸浮技術(shù)支持下，無磨損軸承轉(zhuǎn)數(shù)超過100 000 r/min。

20世紀(jì)70年代，超導(dǎo)列車開始展開載人試驗，經(jīng)過多年研究與優(yōu)化，超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用水平已經(jīng)得到顯著提升，實現(xiàn)了對交通工具改革的有效推動，為廣大民眾帶來了更優(yōu)質(zhì)的交通出行服務(wù)。雖然目前部分高溫超導(dǎo)體還需要使用液態(tài)氮進行冷卻，但其在社會中的應(yīng)用價值不可忽視，是超導(dǎo)技術(shù)在磁懸浮列車中得到應(yīng)用的主要原因之一。

2 超導(dǎo)磁懸浮列車與超導(dǎo)技術(shù)的具體運用

2.1 常導(dǎo)磁懸浮列車

常導(dǎo)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(wù)，行車速度可以達(dá)到450 km/h。按照異性相吸、同性相斥的原理，磁鐵會產(chǎn)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(tài)，列車驅(qū)動原理與同步直線電機原理基本相同。軌道兩側(cè)線圈中的流動交流電，可以將線圈變?yōu)殡姶朋w性質(zhì)，與列車上電磁體產(chǎn)生相互作用，完成列車驅(qū)動任務(wù)。

在列車車頭設(shè)置N極電磁體，在靠前軌道設(shè)置S極電磁鐵，兩者相互作用產(chǎn)生吸引力，在靠后軌道N極電磁體的作用下產(chǎn)生排斥力，生成列車驅(qū)動力。列車前進時，線圈中的電流形成反向流動狀態(tài)，S極與N極進行交換，通過不斷循環(huán)保證列車可以始終處于運行狀態(tài)。列車中的導(dǎo)向系統(tǒng)主要用于列車穩(wěn)定性控制，安裝在列車側(cè)面位置。如果列車在行駛過程中出現(xiàn)左右位移狀況，導(dǎo)向系統(tǒng)中的電磁鐵和導(dǎo)向軌側(cè)面產(chǎn)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(tǒng)會展開控制操作，通過對電流的運用，完成相應(yīng)控制任務(wù)。

通過綜合性分析可以發(fā)現(xiàn)，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(yīng)原理為基礎(chǔ)，利用通電定子對轉(zhuǎn)子進行轉(zhuǎn)動驅(qū)動，在定子與轉(zhuǎn)子的作用下產(chǎn)生機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，確保車輛能夠按照規(guī)定行駛路線穩(wěn)定前進。

2.2 超導(dǎo)磁懸浮列車

在電磁體相互作用的助力下，超導(dǎo)磁懸浮列車通過對超導(dǎo)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(chǎn)生強大排斥作用，實現(xiàn)懸浮運行的目標(biāo)。如果列車運行速度為0，此無法達(dá)到靜止懸浮的狀態(tài)。由于列車運行是依靠車輛實體在運動時對線路上導(dǎo)體進行切割產(chǎn)生感應(yīng)電流進行驅(qū)動，電流產(chǎn)生的磁力線和產(chǎn)生的磁力線屬于相反狀態(tài)，是相互排斥的。按照此原理，磁懸浮列車產(chǎn)生過曲線橫向?qū)蛄σ约按怪睉腋×?，處于靜止?fàn)顟B(tài)時，不會產(chǎn)生導(dǎo)向力以及懸浮力。

超導(dǎo)磁懸浮列車如圖1所示。

圖1 超導(dǎo)磁懸浮列車

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

2.3 超導(dǎo)

溫度發(fā)生改變時，材料電阻率也會發(fā)生相應(yīng)變化，根據(jù)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(dǎo)體等類型。進行金屬汞研究時發(fā)現(xiàn)，金屬汞的溫度下降到一定程度時會產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。

通過對其他材料的研究發(fā)現(xiàn)，其他材料也存在類似狀況，存在明顯超導(dǎo)行為。超導(dǎo)體指某些材料在特定溫度環(huán)境中其電阻率會處于零狀態(tài)，電阻率為0是超導(dǎo)體的重要特征之一。超導(dǎo)體進入到超導(dǎo)狀態(tài)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(shè)錫單晶會在溫度下降到一定狀態(tài)時進入超導(dǎo)狀態(tài)，此時將其放置在小磁場中，磁力線難以達(dá)到從單晶體內(nèi)穿過的狀況，表明在超導(dǎo)狀態(tài)下，晶體存在完全抗磁性狀態(tài)，此理論也被稱為邁斯納效應(yīng)。從另一層面對這一效應(yīng)進行解釋，可以發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)屬于一種動態(tài)性平衡，與材料進入超導(dǎo)狀態(tài)的方式?jīng)]有直接關(guān)聯(lián)。效應(yīng)是進行材料超導(dǎo)性衡量的關(guān)鍵，彼此之間屬于相互聯(lián)系且又獨立的狀態(tài)。出現(xiàn)零電阻狀況并不能表示存在邁斯納效應(yīng)，但邁斯納效應(yīng)存在的關(guān)鍵是零電阻。根據(jù)相關(guān)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(dǎo)體，才可按照超導(dǎo)技術(shù)對其展開應(yīng)用。

2.4 超導(dǎo)線圈與車載超低溫冷凍系統(tǒng)

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

超導(dǎo)線如圖2所示。

圖2 超導(dǎo)線

除超導(dǎo)線圈外，車載超低溫冷系統(tǒng)也是磁懸浮列車中不可缺少的關(guān)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(chǎn)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(tài)。壓縮制冷機會對超導(dǎo)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(tài)。

目前列車上使用的壓縮機設(shè)備，能力水平都達(dá)到了較為理想的狀態(tài)，能夠連續(xù)展開10 000 h不間斷工作，且不會出現(xiàn)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(dǎo)其他方面應(yīng)用

目前超導(dǎo)技術(shù)以及超導(dǎo)磁懸浮列車相關(guān)研究一直處于不斷增長的趨勢，超導(dǎo)相關(guān)課題研究也成為領(lǐng)域?qū)W者研究的重要內(nèi)容。隨著測試技術(shù)以及樣品材料生長手段的不斷強化，更高溫超導(dǎo)體成為目前領(lǐng)域研究熱門內(nèi)容。此環(huán)境中，高性能以及低成本的超導(dǎo)材料普及速度得到顯著提升，超導(dǎo)體應(yīng)用與研究延伸到更多的領(lǐng)域中。

例如，可通過此項技術(shù)展開超導(dǎo)潛艇建設(shè)，減去螺旋槳拍打功能后，系統(tǒng)材料以超導(dǎo)體形式出現(xiàn)，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(xiàn)有效提升潛艇航行速度的目標(biāo)。超導(dǎo)技術(shù)在輸電方面的運用，可實現(xiàn)對電損耗問題的有效處理，降低二氧化碳排放數(shù)量，能夠達(dá)到經(jīng)濟性以及環(huán)保性的雙重目標(biāo)，獲得的效益價值較為突出。

3 結(jié)語

在超導(dǎo)技術(shù)的輔助下，磁懸浮列車應(yīng)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(dǎo)磁懸浮列車具有的各項優(yōu)勢，相關(guān)部門需要進一步加強對該類型列車的研究力度，結(jié)合超導(dǎo)技術(shù)以及列車使用具體情況，制定可行性較高的列車運行優(yōu)化策略，保證列車結(jié)構(gòu)以及各方面性能能夠得到不斷調(diào)整與改善，行車質(zhì)量以及速度能夠得到切實提高，達(dá)到最優(yōu)化列車使用效果，保證人們能夠得到更快捷、優(yōu)質(zhì)的出行體驗。