超导磁悬浮列车及超导技术的运用

蒋家文 张 琦

（1.青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司，山东青岛 266000；2.青岛亚通达铁路设备有限公司，山东青岛 266000）

磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力推动的列车，通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向，利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行，超导磁悬浮利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。在列车车轮旁边安装小型超导磁体，列车向前行驶时，超导磁体向轨道产生强大的磁场，与安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。超导技术是保证列车应用质量的重要手段之一，也是磁悬浮列车研究重点内容。

1 超导技术

超导指在某一温度中导体电阻为0的状态。展开试验时，导体电阻测量数值没有超过10-25Ω，可以认定此时电阻值处于0的状态。一般将处于超导状态的导体称为超导体，在一定的低温环境中，超导体直流电阻率会突然消失，此种状况被称为零电阻效应。导体没有电阻后，电流再次经过超导体时不会发生热损耗问题，可在导线中形成强大电流，生成超强磁场。

现阶段，超导技术以及超导材料均具有较为广泛的应用前景，研究人员运用超导现象中迈斯纳效应，展开超导船以及超导列车的制造。利用此种原理制造的交通工具，在使用过程中均处于悬浮无摩擦的状态，可达到有效提高交通工具使用安静程度以及速度的目标，减少机器磨损。在超导悬浮技术支持下，无磨损轴承转数超过100 000 r/min。

20世纪70年代，超导列车开始展开载人试验，经过多年研究与优化，超导技术应用水平已经得到显著提升，实现了对交通工具改革的有效推动，为广大民众带来了更优质的交通出行服务。虽然目前部分高温超导体还需要使用液态氮进行冷却，但其在社会中的应用价值不可忽视，是超导技术在磁悬浮列车中得到应用的主要原因之一。

2 超导磁悬浮列车与超导技术的具体运用

2.1 常导磁悬浮列车

常导型磁悬浮也被称为常岛磁吸型，通过对普通直流电磁铁异性相吸作用的运用，完成列车悬浮操作，轨道与悬浮列车间隙相对较小。此种列车主要用于快速运输以及城市之间长距离运输任务，行车速度可以达到450 km/h。按照异性相吸、同性相斥的原理，磁铁会产生一定的地心引力抗拒能力，使车体与轨道保持不接触的状态，列车驱动原理与同步直线电机原理基本相同。轨道两侧线圈中的流动交流电，可以将线圈变为电磁体性质，与列车上电磁体产生相互作用，完成列车驱动任务。

在列车车头设置N极电磁体，在靠前轨道设置S极电磁铁，两者相互作用产生吸引力，在靠后轨道N极电磁体的作用下产生排斥力，生成列车驱动力。列车前进时，线圈中的电流形成反向流动状态，S极与N极进行交换，通过不断循环保证列车可以始终处于运行状态。列车中的导向系统主要用于列车稳定性控制，安装在列车侧面位置。如果列车在行驶过程中出现左右位移状况，导向系统中的电磁铁和导向轨侧面产生排斥作用力，及时纠正位移问题，确保车辆行驶能够处于正常轨道。如果车辆行驶在坡道或弯曲路段，系统会展开控制操作，通过对电流的运用，完成相应控制任务。

通过综合性分析可以发现，轨道与列车之间的作用和电动机工作原理基本相同，以电磁感应原理为基础，利用通电定子对转子进行转动驱动，在定子与转子的作用下产生机械能和电能之间的转换，确保车辆能够按照规定行驶路线稳定前进。

2.2 超导磁悬浮列车

在电磁体相互作用的助力下，超导磁悬浮列车通过对超导体完全抗磁性的运用，通过在轨道上放置线圈的方式，确保线圈能够与车身之间产生强大排斥作用，实现悬浮运行的目标。如果列车运行速度为0，此无法达到静止悬浮的状态。由于列车运行是依靠车辆实体在运动时对线路上导体进行切割产生感应电流进行驱动，电流产生的磁力线和产生的磁力线属于相反状态，是相互排斥的。按照此原理，磁悬浮列车产生过曲线横向导向力以及垂直悬浮力，处于静止状态时，不会产生导向力以及悬浮力。

超导磁悬浮列车如图1所示。

图1 超导磁悬浮列车

高温超导磁悬浮需要保证部件在某一温度下能够达到电阻率为0以及完全抗磁的无消耗运输状态。列车中超导线圈构成的超导磁铁是列车运行关键，其是保证电阻处于零状态的关键，能够达到有效控制损耗的目标，可实现对大电流以及强电流的高质量传输，整体传输效率相对较高，可实现对运行成本的有效控制。

2.3 超导

温度发生改变时，材料电阻率也会发生相应变化，根据物理理论，按照电阻率行为差异，可以将材料分为半金属、绝缘体以及半导体等类型。进行金属汞研究时发现，金属汞的温度下降到一定程度时会产生超导现象。

通过对其他材料的研究发现，其他材料也存在类似状况，存在明显超导行为。超导体指某些材料在特定温度环境中其电阻率会处于零状态，电阻率为0是超导体的重要特征之一。超导体进入到超导状态时，电磁体具备完全抗磁性性能。研究人员在进行试验过程中，假设锡单晶会在温度下降到一定状态时进入超导状态，此时将其放置在小磁场中，磁力线难以达到从单晶体内穿过的状况，表明在超导状态下，晶体存在完全抗磁性状态，此理论也被称为迈斯纳效应。从另一层面对这一效应进行解释，可以发现超导态属于一种动态性平衡，与材料进入超导状态的方式没有直接关联。效应是进行材料超导性衡量的关键，彼此之间属于相互联系且又独立的状态。出现零电阻状况并不能表示存在迈斯纳效应，但迈斯纳效应存在的关键是零电阻。根据相关试验表明，材料需要具备完全抗磁性以及零电阻双重性能，才能被判定是超导体，才可按照超导技术对其展开应用。

2.4 超导线圈与车载超低温冷冻系统

超导线圈是列车运行关键设备，是保证列车推进、上浮与导向力获取的重要因素。日本在进行超导磁悬浮列车研究与建造过程中，利用超导物质将超细铌钛合金多芯线放入由铜母线制作而成的超导电线中，并将其放入-269 ℃液氮中，可形成超导状态，产生强大磁场，完成线圈制作，为列车运行提供助力。超导技术在运输设备上的首次运用，取得了550 km/h的稳定大功率强磁线圈，为列车高效、稳定性运行提供了可靠支持与助力。

超导线如图2所示。

图2 超导线

除超导线圈外，车载超低温冷系统也是磁悬浮列车中不可缺少的关键要素。每车载强磁单元均安装液氮压缩制冷机与液氮压缩机。压缩机利用列车行驶中产生热量以及外部热能展开氮气重新冷冻，将其还原成液氮状态。压缩制冷机会对超导线圈外隔热板液氮制冷剂展开重新冷却处理，使其始终保持在-196 ℃的低温液氮状态。

目前列车上使用的压缩机设备，能力水平都达到了较为理想的状态，能够连续展开10 000 h不间断工作，且不会出现故障。列车在运行过程中，只需要进行一次充氮即可，并不需要再次展开操作。

2.5 超导其他方面应用

目前超导技术以及超导磁悬浮列车相关研究一直处于不断增长的趋势，超导相关课题研究也成为领域学者研究的重要内容。随着测试技术以及样品材料生长手段的不断强化，更高温超导体成为目前领域研究热门内容。此环境中，高性能以及低成本的超导材料普及速度得到显著提升，超导体应用与研究延伸到更多的领域中。

例如，可通过此项技术展开超导潜艇建设，减去螺旋桨拍打功能后，系统材料以超导体形式出现，摩擦力较小，且可以有效解决潜艇航行噪声问题，能够通过增大潜艇电压的方式，保证超大输出功率，可以实现有效提升潜艇航行速度的目标。超导技术在输电方面的运用，可实现对电损耗问题的有效处理，降低二氧化碳排放数量，能够达到经济性以及环保性的双重目标，获得的效益价值较为突出。

3 结语

在超导技术的辅助下，磁悬浮列车应用行车速度得到了显著提升，行车摩擦力得到了有效控制，且行车安全性也得到了切实提高。鉴于超导磁悬浮列车具有的各项优势，相关部门需要进一步加强对该类型列车的研究力度，结合超导技术以及列车使用具体情况，制定可行性较高的列车运行优化策略，保证列车结构以及各方面性能能够得到不断调整与改善，行车质量以及速度能够得到切实提高，达到最优化列车使用效果，保证人们能够得到更快捷、优质的出行体验。