日本超导式磁悬浮列车的悬浮和驱动原理

徐长发，华中科技大学，2018.4.20

所谓超导式磁悬浮就是利用超导材料产生磁力来实现列车悬浮。日本超导式磁悬浮列车与德国常导式磁悬浮列车相比，在悬浮和驱动方式上都有着很大的不同。

一．超导的磁悬浮现象

1.超导材料的特性及其应用

超导材料在温度降低到一定程度时就处于超导状态，此时会表现出2个重要的特性，一是零电阻特性，二是抗磁性特性。

由正常导体组成的回路是有电阻的，回路中有电源则回路中有电流，回路中电源撤销则电流瞬间消失。但是如果用超导材料做成线圈，让它处于超导态，用磁感应（或电源）让超导线圈中产生电流后再撤销磁感应（或电源），因为超导态线圈是零电阻的，所以线圈中的电流会长时间存在。

超导材料的另一个基本性质是抗磁性。当超导体处于超导态时，外部磁场的磁力线完全被排斥在超导体外面，此时，外界的磁体放在超导盘上，超导盘会产生强度相等且极性相反的磁性，外界磁体会悬浮在超导盘的上方，参见图1。

图1.超导盘上的磁体是悬浮的 

同一个道理，如果用超导材料做成线圈缠绕在层叠硅钢片上，让超导线圈处于超导态，在线圈中引入电流，那么就做成了超导电磁体。

很多科学工作者为研究高温超导材料着迷，目前发现的超导材料主要可以划分如下几大家族：1）元素超导材料（铌（Nb）、铅、锡，等）；2）合金超导材料（铌钛合金，稀土合金等）； 

3）氧化物超导材料（铱钡铜氧化物等）。 

只要超导材料在一个标准大气压的液化氮中（氮的液化温度为-195．8℃）能处于超导态，液化氮是方便可得的，那么这些超导材料就可以实际应用了。

目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用三个主要方向发展：

例如利用材料的超导电性可制作大型磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等。

例如超导磁体，就是用超导体做线圈缠绕这层叠硅钢片，线圈用液化氮冷却，线圈处于超导态，在线圈中引入电流，就会让铁磁体产生磁性，这就是超导磁体，而且磁性可大可小，保持磁性的时间可长可短。

例如，利用超导磁体可以做出大承载的磁悬浮轴承，轴承转速可提高到每分10万转以上。

例如超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。

例如超导变压器，能实现高效的大功率的电压转换。

现在我国已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距，但部分领域的研发已经处于国际先进水平。

二.超导磁悬浮列车的磁悬浮原理 　　　　　 　

超导磁悬浮列车就是利用超导磁体让列车获得上浮力、导向力和推进力。在列车中，日本使用超细铌钛合金多芯线埋入铜母线内制成的超导电线，这种超导电线浸入在液氮(－196℃)中进入超导状态，当受到通入电流或受到外磁场感应时，超导线圈中会产生强大的无阻抗的环形电流，从而产生强大的磁场。为了保证线圈的超导态，每一个车载超导强磁体单元上还得装有一台液氮压缩制冷机，用以保证液氮的低温状态。

图2.超导磁悬浮原理示意图 

每节车厢的外侧下方都安装小型超导磁体。 

在车体两侧的地面装置上，见图2，与超导磁体对应的地方，安置了“8字形”铝环，这是用于悬浮的无源封闭铝环，车体上的超导磁场会感应“8字形”铝环，铝环中会产生2个极相的磁场铝环与车体的排斥磁力把车体向上抬，吸引磁力把车体往上拉，从而让车辆悬浮100mm左右。

三．超导磁悬浮列车的牵引和制动原理

超导磁悬浮列车的驱动也是采用直线同步电动机的原理，车体上安置短动子，导轨两侧安置长定子，长定子中有若干绕组形成磁极对，通入调频调幅的交流电，就用电磁力牵引列车前行。                               

这种直线电动机的牵引方式基本上与常导式牵引方式相同，不同点仅在于，超导直线电动机的动子是用超导电流产生恒定磁场的，而常导式直线电动机是用蓄电池供电产生恒定磁场的。

牵引原理。参见图3，列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥，前拉后推。如果列车头部N极位置超过了轨道上原先的S极，则轨道线圈里流动的交变电流方向正好反过来，即原来的S极变成N极产生推力，轨道前面原来的N极变成S极产生吸引力。这种周而复始的前进力，要依靠轨道旁的变电站，它把定子电流频率和电压与车速协调起来。或者简单地说，变电站调整定子的行波磁场，牵引动子直线运动。同样，定子行波磁场是分段供电的。

图3.

制动原理。同推进原理相同，当列车需要减速时，就在定子线圈中通入反相交变电流，定子中的反相磁场就会给列车产生制动力，使得列车减速。另外，如停止对定子供电，一样能得到减速的效果。 

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