從磁懸浮列車到鐵路均可使用的超導節(jié)電技術（上）

　　以磁懸浮列車為首，超導技術在鐵路各領域的應用備受期待。東海旅客鐵道（JR東海）提出的2027年開業(yè)的磁懸浮中央新干線，超導是主要技術這這自不必說，將來該技術還有望導入現(xiàn)有鐵路線的蓄電裝置及供電電纜（圖1）。

圖1：JR東海的超導磁懸浮列車（Maglev）“MLX01-1”
曾在2005年愛知世博會上展出。

　　在鐵路以外，超導技術的應用范圍也很廣。設想將該技術應用于MRI（核磁共振成像）裝置及污水處理等，需要強力磁場的裝置及系統(tǒng)。

　　今后尤為看好的是高溫超導材料的應用。采用該材料，能夠以更少的能量驅(qū)動磁懸浮列車，或者減少現(xiàn)有鐵路線中上的供電損失。如果采用于軸承上，還可實現(xiàn)低損失的大型蓄電用飛輪，可有效利用再生能量。

因無需制冷機故可小型化

　　正在研發(fā)此類高溫超導技術的是日本鐵道綜合技術研究所（鐵道綜研）。如，使用稀土類元素（RE）的高溫超導線材就是正在開發(fā)的超導技術之一。RE類線材是一種擁有X-Ba-Cu-O（X為稀土類元素）成分的材料。這種材料在高磁場中的臨界電流密度較大，特性不易劣化。

　　2010年，鐵道綜研開發(fā)出了在線圈中使用釔（Y）類高溫超導線材的小型超導磁鐵（圖2）。通過發(fā)展該技術，超導磁懸浮列車配備的超導磁鐵有望實現(xiàn)小型化并降低運用成本。

圖2：使用釔類高溫超導線材的小型超導磁鐵
設想配備在磁懸浮列車上，尺寸為現(xiàn)行Maglev的約1/4。可維持1T以上的磁場在9小時以上。

　　此次開發(fā)的小型超導磁鐵，其外形尺寸為寬600×高400×進深200mm，大約是JR東海的超導磁懸浮鐵道山梨實驗線上行駛的“Maglev”*1上所配超導磁鐵的約1/4。通過改進隔熱構造，只要冷卻到20K，便可在9個多小時內(nèi)使線圈溫度保持在50K以下。而如果線圈溫度在50K左右，就能夠形成1T（特斯拉）以上的磁場。

　　*1 Maglev一詞由磁懸浮Magnetically Levitation的前幾個字母組成。

　　現(xiàn)有Maglev的超導磁鐵線圈使用了鈮鉍（Nb-Ti）類線材，用液氦（He）冷卻至4.2K。為了持續(xù)冷卻液氦，超導磁鐵分別安裝了制冷機，并在車輛上配備燃氣輪機作為制冷機的電源。

　　然而，以液氮冷卻的小型超導磁鐵，其熱容量為現(xiàn)有超導磁鐵的約1000倍，對溫度上升的耐受能力很強。由于能夠長時間維持超導狀態(tài)，因此無需為每個線圈配備制冷機。而且還可省去線圈的輻射熱遮蔽材料及液氦罐，從而可實現(xiàn)小型化。這樣便有望使將來的磁懸浮列車降低制造成本及運行成本*2。

　　＊2 即使要配備制冷機，也只需維持較高溫度的小型機即可。

2012年力爭達到5T

　　鐵道綜研今后打算以增加線圈匝數(shù)等使外形尺寸變化不太大的情況下，實現(xiàn)與目前的鈮鉍類磁鐵同等程度的5T磁場。鐵道綜研磁懸浮鐵路技術研究部低溫系列研究室長長島賢自信地表示：“只要掌握超導線材的性能，憑我們的能力和經(jīng)驗就能設計出具有實用水平的磁鐵”。

　　另外，現(xiàn)為9小時左右的運行時間也應能進一步延長。鐵道綜研表示，只要減小超導線材以外部分的電阻，即有望將連續(xù)運轉(zhuǎn)的時間延長到1天左右。

　　實用面臨的課題，不僅有性能，還有可靠性。這就是對可在何種程度上防止失超*3而穩(wěn)定發(fā)揮磁鐵功能的疑問。

　　*3 失超是指某種原因引發(fā)的容器無法保持隔熱性，或磁通釘扎（Flux Pinning）稍有偏移，導致從超導狀態(tài)一下子變?yōu)槌顟B(tài)的現(xiàn)象。

　　“RE類線材作為磁浮懸列車用磁鐵是一種新型材料，因此有可能需要新的評測方法”（長島賢）。鐵道綜研計劃2012年開發(fā)擁有5T能力的磁鐵，并進行實驗評測＊4。

　　*4 不過，JR東海目前正在計劃的磁懸浮中央新干線預計將采用現(xiàn)有的鈮鉍類磁鐵。這是由于鈮鉍類磁鐵已在山梨實驗線經(jīng)過了長期試驗。

　　另外，還考慮將其推廣至磁懸浮新干線以外的領域。這是因為，利用RE類線材的磁鐵即使沒有制冷機也可長時間運轉(zhuǎn)，并且還小型、易操作。例如，在利用磁力的污水凈化裝置、電車減速時蓄積再生能量的蓄電用飛輪上應用的探討已經(jīng)開始。

　　應用于飛輪時，在軸承部分采用高溫超導線圈以及后面將提到的高溫超導塊材，以非接觸方式支撐旋轉(zhuǎn)軸。具體而言，就是以高溫超導線圈作起動器，支持嵌有高溫超導塊材的旋轉(zhuǎn)軸（圖3）。整個飛輪收放在低溫恒溫器中，軸承部分以稀薄的低溫氦氣冷卻。通過利用基于超導線圈的電磁鐵來支撐超導塊體，能夠以非接觸方式支撐重達數(shù)噸的巨大飛輪。（未完待續(xù)）

圖3：飛輪試驗裝置和超導線圈
可用定子采用高溫超導線圈、轉(zhuǎn)子采用高溫超導塊體的軸承，以非接觸方式支撐50kg左右的飛輪（a）。下方的照片為用作定子的高溫超導線圈試制品（b）。