超导材料及技术在轨道交通领域的应用

信赢 赵超群

一、轨道交通的历史和发展现状

轨道交通是指使用带有滚动轮子的运输装置在固定的轨道上输运货物或人员。轨道的使用降低了运输工具所受的摩擦力，显著增加了运输工具的载运能力。古代社会的发展历程中，很多国家都产生过原始的轨道。当然，那时轨道上的运输工具并不是靠机器拖动，而是由马或者人来拉动，或者是靠重力运动。在公元前6世纪，希腊在科林斯地峡（isthmus of corinth）建造了被认为人类最早的轨道道路，被称作“Diolkos”的运输滑道。这段约6km的滑道横穿科林斯地峡最窄的部分，利用滑道，船只不必绕行整个伯罗奔尼撒（Peloponnese）半岛，就可以直接通过地峡到达另一端海面。

早期的轨道是用经过修整、质地较硬的石头（如花岗岩）铺设的，车轮沿着轨道的沟槽前进或倒退。14世纪在德国和奥地利出现了木质轨道，16世紀木质轨道在欧洲的矿井里得到了普遍的应用。18世纪中叶出现了上面覆有铁板的木质轨道，改进了轨道的耐用性。19世纪初在英国出现了由熟铁挤压成型的轨道，提高了轨道的平整度和单个铁轨的长度。1857年开始用钢轨替代铁轨，从此轨道交通进入了快速发展，且经久不衰的时代。

一直到18世纪，轨道上的车辆都是用人力或畜力推动。19世纪初，在英国出现了蒸汽机车，成为近代工业革命的标志之一。蒸汽机车和钢轨，实现了人类在运输手段上的飞跃，开拓了现代轨道交通的新纪元。

最近一个世纪，轨道交通技术发展更加迅速。钢轨的性能得到了很大的提高，人们可以把几十公里甚至几百公里的钢轨无缝地焊接起来，使高速运行的列车更加平稳、安全。牵引动力也由蒸汽机车过渡到内燃机车和电力机车，牵引力更大、速度更快、能源效率更高、更加环保。

目前，现代轨道交通可以分成3种主要类型，即高速铁路、重载铁路和城市轨道交通。

高速铁路大致经历了探索初创、扩大发展和快速发展3个阶段，其中，前2个阶段以日本和欧洲的高速铁路发展为代表，第3个阶段以中国高速铁路的快速崛起为标志。目前，全球已运营的高速铁路线路里程已超过3万km，其中我国已超过2万km。

重载铁路对各国境内及国际间的货物流通、资源配置发挥着重要作用。在一些地域广阔，矿藏丰富，煤炭、矿石等大宗货物运输占较大比重的国家，如美国、南非、澳大利亚、加拿大、中国等，重载铁路凸显出巨大的技术优势和经济价值。

城市轨道交通的主要形式为有轨电车、地铁和轻轨，具有运量大、效率高、能耗低、集约化、乘坐方便、安全舒适和环境友好等特点，是解决城市交通拥堵，实现城市空间布局调整及城市均衡发展的重要途径。目前世界主要工业国家的大型城市都在发展和完善轨道交通系统。

二、磁悬浮轨道交通

伴随着上述现代3种主要类型轨道交通的发展，一种全新的轨道交通形式出现了，这就是磁悬浮轨道交通。磁悬浮轨道交通是利用磁体（场）之间的相互作用来悬浮和推进车辆的。磁悬浮车辆与轨道之间无直接机械接触，不受传统轮轨系统因摩擦产生的粘着极限的限制，具有振动小、噪声低、加速快、线路适应性强等技术特点。

磁悬浮轨道交通的设想最早是由德国人赫尔曼·肯培尔（Hermann Kemper）提出，他在1937-1941年间被授予多项磁悬浮交通技术的专利。20世纪40年代末，英国伦敦帝国大学的埃里克·莱思韦特（Eric Laithwaite）教授开发出了世界上第1台有实用价值的线性感应电机。因为线性感应电机不需要车辆和轨道接触就能利用电磁力推动车辆行进，所以是实现磁悬浮交通的技术关键之一。基于埃里克·莱思韦特教授在发展磁悬浮轨道技术方面的决定性贡献，人们称其为磁悬浮轨道交通之父。

20世纪60年代以来，德、日、英、美、中、韩等国相继开展磁浮列车技术的系统研究，包括磁悬浮线路技术和磁浮车推进技术，并建立了长度从几百米到十几千米不等的线路对实验样车进行试验。

世界上第1个投入商业性运营的磁悬浮轨道交通线路是1984年在英国伯明翰开通的连接伯明翰机场和伯明翰国际火车站，长为600m，车辆运行速度为42km/h的单轨道低速磁悬浮旅客输运系统。因为可靠性问题，这个系统在1995年停止运行。

继英国伯明翰磁悬浮旅客输运系统之后，到目前为止世界上还建设了几条商业性运营的磁悬浮轨道交通系统。我国上海在2003年建成了连接浦东机场和地铁2号线龙阳路站的高架磁悬浮专线。线路全长近30km，列车时速可达430km/h，全程只需8min。是世界第1条商业运营的高速磁悬浮专线，体现了磁悬浮轨道运输的技术优势。2005年日本名古屋世博会开通了连接市区和世博会会场长约9km的中速磁悬浮游客输运系统，设计最高时速为100km/h。2014年，韩国仁川国际机场至仁川龙游站中速磁悬浮线路投入运营，全长6.1km，最高时速可达110km。我国还在2016年建成了长沙磁浮线，连接高铁长沙南站和长沙黄花国际机场，线路全长18.6km，设计速度为100km/h。

目前，北京市正在建设一条中低速磁悬浮轨道线。该线路连接北京城区与门头沟区，西起石门营站，向东经苹果园站，终点至慈寿寺站于地铁6号线、10号线相接，全长10.2km。工程已经于2014年6月全线开工建设，计划于2017年底通车，设计列车最高速度为100km/h。

磁悬浮列车在轨道上悬浮的基本原理是利用磁铁“异性相吸，同性相斥”的特点，利用分别安装在轨道和车辆上的磁铁间（或磁铁与磁性物体间）的斥力或引力平衡车辆的重力，使列车在与轨道没有直接接触但又受轨道约束的状态下悬浮行驶。到目前为止，有2种磁悬浮的基本形式在磁悬浮轨道交通中得到应用。

一种基本形式是电磁悬浮（electromagnetic suspension，EMS），其工作原理如图1所示。安装在车辆上的电磁铁与瞬时磁化的铁轨之间的引力使列车悬浮在轨道上和约束车辆底座内侧下部与轨道侧面保持一定空隙来实现无接触导向。由于磁体之间的吸引力与相互间距离的3次方成反比，所以列车运行中出现与轨道相对位置的任何微小改变都会导致明显的力的变化。这种力的变化被传感器探测并反馈到运行控制系统后，通过对电磁运行参数的调整，将车辆恢复到优化的平衡位置上。电磁悬浮的主要优势是可以应用到任何运行速度的磁悬浮轨道运输系统中，缺点是对轨道的加工和铺设公差要求很高，也需要十分成熟的反馈和控制系统。

另一种基本形式是电动悬浮（electrodynamic suspension，EDS），其工作原理如图2所示。在电动悬浮中，运动的机车上的磁铁在导轨上的悬浮线圈中产生感应电流。这时悬浮线圈与机车上磁铁间的排斥和吸引的相互作用使车辆悬浮起来（在某些匹配结构下，只使用排斥力实现车辆悬浮）。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。车辆上的磁场可以由电磁线圈或由永磁铁阵列产生，导轨上的悬浮线圈沿着轨道连续周期性排布。电动悬浮的主要优势是动力学稳定性好，运行中车辆与轨道发生横向位移后，磁场之间会自动地产生很强的作用力使车辆恢复到原来的相对位置上，不再需要一个反馈和主动控制系统。但在另一方面，电动悬浮运输系统对轨道有着额外的要求。因為在低速运行时，轨道线圈中感应电流所产生的磁场强度不足以将车辆悬浮起来，车辆在“飞起来”之前需要车轮或其它形式的起落装置来支撑车辆。这就要求整条轨道都要建造成既适合列车低速运行又要适合列车高速运行（因为设备若出现问题，列车可能在轨道的任何地段停下来和再启动），增加轨道建设的复杂程度和成本。

传统列车是靠轮轨的转动驱动列车前进的，磁浮列车悬浮在轨道上，不再需要用于驱动的轮轨，而是采用交变的电磁作用驱动列车前进。图3是驱动电动磁悬浮列车的原理示意图。众所周知，把2块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引。假设在磁悬浮列车某个部位有个电磁铁N极，如果被装置在向前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，而且又被装置在轨道向后一点的电磁体N极所排斥，列车就受到了向前运动的驱动力。如果轨道上或列车上电磁体极性不断地变化，列车就会持续前进。

在磁悬浮运输系统中，轨道和列车车辆构成一个同步线性电机。车辆下部电磁线圈或永磁体的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用，固定在车辆下部电磁线圈或永磁体就像电机的转子一样连同列车一起被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。图4是一种磁悬浮运输系统轨道结构示意图，有助于更好地理解上面讨论的问题。

三、超导与磁悬浮轨道交通

超导体有2个独特的物理性质，即零电阻特性和完全反磁性（迈斯纳效应）。磁悬浮轨道交通的科学核心要素是磁体的相互作用，而具有上述2个独特物理性质的超导体在产生磁体相互作用方面有着传统材料无可比拟的优势。

安装在磁悬浮轨道交通车辆上磁体是电磁铁或永磁铁，但受目前所能制作的永磁铁最大磁通密度较低的局限，电磁铁用的更加普遍一些。电磁铁就是由导体绕成一定匝数的线圈，通电后产生磁场，成为磁体。在线圈尺寸和匝数相同的条件下，线圈所通的电流越大，磁体产生的磁场就会越强。在导体截面相同时，超导体制作的导线可以比铜导线（传统电磁铁绝大多数由铜导线绕制）承载高出几十倍的电流。也就是说，超导电磁铁可以产生比传统电磁铁强得多的磁场。另外，铜线圈通电时会不断地产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗。所以在磁悬浮轨道交通系统中使用超导电磁线圈不但可以产生更大的悬浮力和驱动力，而且更加节能、环保。因此自20世纪60年代末以来，应用超导电磁线圈的磁悬浮轨道交通系统得到了各主要工业国家的重视。日本近几十年来投入大量人力、物力发展超导磁悬浮技术。20世纪90年代以来，日本多次创造了轨道交通速度的吉尼斯记录。在2015年4月21日，日本东海旅客铁道株式会社在山梨磁悬浮铁路试验线上的7车编组超导磁悬浮列车L0创造了603km/h的最新世界纪录。图5是超导磁悬浮列车L0停靠在山梨磁悬浮铁路试验线上的照片。

1987年发现了超导临界转变温度超过液氮温度的高温超导体（HTS），为超导磁悬浮交通提供了一种新的可能的模式。图6是一块磁铁悬浮在一块高温超导体上方的照片。磁铁之所以能悬浮在高温超导体上方是因为迈斯纳效应力求将磁铁产生的磁通排斥在超导体的体外，这种排斥磁通的作用在超导体和磁铁之间形成一个排斥力，若这个排斥力大于超导体所受的重力，超导体就会在磁铁上方的平衡点处于悬浮的状态。低温超导体由于超导临界转变温度低，热稳定性较差，要实现这样的悬浮成本很高，没有实际应用的现实性。而HTS在液氮温度（约77K，-196℃）就能实现稳定的磁悬浮，悬浮成本很低，所以为磁悬浮轨道交通提供了一种新的手段。

当然仅仅依靠超导体的抗磁性并不能实现超导体在磁场中的稳定悬浮，抗磁性只是提供悬浮系统一个静态的悬浮力，而系统的稳定力来源于高温超导体（HTS属于第2类超导体）对磁通的钉扎作用。高温超导磁悬浮车辆是依靠高温超导体的特性将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动车辆运行。在高温超导磁悬浮轨道交通系统中，高温超导块材一般安置在车辆的底部，而轨道由永磁铁铺设，超导体起到悬浮和导向的双重功能。图7是高温超导磁悬浮轨道和车辆结构示意图。高温超导磁悬浮系统是一个自稳定系统，悬浮高度和左右导向源稳定，无需控制。西南交通大学近20年来在高温超导磁悬浮轨道交通技术方面开展了系统性的开发工作，取得了领先于世界的研究成果。图8是西南交通大学研制的高温超导磁悬浮车在轨道上的照片。高温超导磁悬浮轨道交通技术在实验室低速轨道上已得到比较充分的验证，但迄今为止还没有实现商业示范线的建设。

另外，HTS导线也可以类似低温超导导线应用于超导磁悬浮车辆电磁铁系统，降低系统的制冷和绝热成本。但目前市场上高温超导导线成本要比低温超导导线高出一个数量级以上，故从总体性价比考虑，人们还没有把高温超导导线用于商业化的超导磁悬浮轨道交通系统。

超导材料，尤其是HTS，在城市轨道交通中还可能发挥重要作用的领域是飞轮储能装置。由于城市线路站间距离短、车辆运行密度高，车辆在频繁的启/制动过程中会产生数量可观的制动能量。特别是近年来，新投入使用的车辆不断提速，其制动能量更为可观。轨道交通车辆引入飞轮储能系统回收能量并进行循环利用可以达到可观的节能效果。

城市轨道交通中的飞轮储能装置是将列车制动时的惯性动能转化为飞轮转动动能的形式储存起来。当列车需要电能的时候，又通过发电机将飞轮的动能转化为电能供给列车。当飞轮运转时，轴承的摩擦会导致能量损耗。如果使用HTS制作的非接触式磁悬浮轴承，储能飞轮就可以高速无摩擦旋转，大大降低储能装置的能量损耗。一般情况下，城市轨道交通耗电量的10%用于照明、空调等辅助设备，剩余90%用于牵引车辆，而可再生制动产生的能量占牵引能量的40%以上。引入飞轮储能系统回收再生电能并进行循环利用，对建设节能型社会意义重大。

四、超导磁悬浮轨道交通的发展前景

近些年运行时速300～350km/h高速轮轨铁路在我国有了迅速的发展，总里程已经超过2万km，成为我国远距离地面旅客运输的主要形式之一。这说明高速轮轨运输在技术上已经成熟，在经济上适合我国目前的发展阶段，能够满足我国现阶段的市场需求。1990年5月18日，轮轨列车的在法国也曾达到了515km/h的最高试验时速。在这些事实面前，现在有很多人觉得磁悬浮轨道交通发展前景暗淡。磁悬浮轨道交通是否会还没有完全长大就遭到夭折呢？笔者觉得现在给出一个确定的答案还为时过早。磁悬浮轨道交通，尤其是超导磁悬浮轨道交通，在50年或100年后的未来也许会凭着其技术和性能上的优势成为高速远距离地面运输的新宠。

到目前为止，超导磁悬浮列车还是地面轨道交通的最高时速保持者。受摩擦产生的粘着极限的限制，轮轨列车要想继续提高车速，其能耗会急剧的增加。在高速行驶时，超导磁悬浮列车能源利用效率远高于轮轨列车，在节能方面具有很大的优势。因超导磁悬浮列车是悬浮在轨道上方的，对轨道的磨损几乎为零，所以对轨道保养、检修的需求远低于高速轮轨列车。超导磁悬浮列车轨道建设对地理、地质条件的要求也没有高速轮轨列车苛刻，可以减少对隧道、桥梁的需求。

日本根据“全国新干线建设法”在2014年启动了中央新干线建设项目，目标是建设一条全长438km的超导磁悬浮客运线连接东京和大阪。项目计划分2个阶段实施，第1阶段在2027年完成东京至名古屋的286km线路建设并投入运行。第2阶段在2045年完成从名古屋至大阪的152km线路建设，并实现全线通车。设计的列车运行最高时速为505km/h，从东京到名古屋的运行时间为40min，从东京到大阪的运行时间为67min。

经过多年的持续深入研究，西南交通大学一个研究团队于2014年6月将高温超导磁悬浮与真空管道运输概念相结合，研制成功了新一代高温超导磁悬浮环形实验线及真空管道磁悬浮试验平台，如图9所示。轨道全长45m，分为2个直线段（各长3.6m）和2个曲线段（半径6m），在其中一段直线段安装有直线驱动电机。受轨道曲率半径较小的限制，试验车速最高达到50km/h。该研究团队通过等比推算得到：若将轨道最小曲率半径扩大到6km（350km时速高铁的最小轨道曲率半径为7km），车载高温超导块材特有的自导向力可保证其以1 500km/h以上的速度安全行驶。目前，该研究团队正在努力提高高温超导磁悬浮真空管道运输系统的试验规模和技术水平，计划在未来两三年内，推出速度600～1 000km/h的真空磁悬浮列车实验模型。

通过运行速度1 000km/h的真空管道高温超导磁悬浮交通专线连接主要中心城市（如北京到上海、北京到广州），充分发挥其运行成本低、运行时间短、无噪音、无污染、车站可修建于市中心的优势，可以大大缓解民航运输面临的日益增加的压力。

无论是日本中央新干线商业性的东京至大阪438km超导磁悬浮轨道客运线建设项目，还是西南交通大学实验性的真空管道高温超导磁悬浮运输技术开发项目都是对“超导磁悬浮轨道交通发展前景如何？”这个问题答案的一部分，这部分答案会得到什么样的成绩，我们拭目以待。

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