從磁懸浮列車(chē)到鐵路均可使用的超導節電技術(shù)（上）

　　以磁懸浮列車(chē)為首，超導技術(shù)在鐵路各領(lǐng)域的應用備受期待。東海旅客鐵道（JR東海）提出的2027年開(kāi)業(yè)的磁懸浮中央新干線(xiàn)，超導是主要技術(shù)這這自不必說(shuō)，將來(lái)該技術(shù)還有望導入現有鐵路線(xiàn)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(chē)（Maglev）“MLX01-1”
曾在2005年愛(ài)知世博會(huì )上展出。

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

　　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動(dòng)磁懸浮列車(chē)，或者減少現有鐵路線(xiàn)中上的供電損失。如果采用于軸承上，還可實(shí)現低損失的大型蓄電用飛輪，可有效利用再生能量。

因無(wú)需制冷機故可小型化

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

　　2010年，鐵道綜研開(kāi)發(fā)出了在線(xiàn)圈中使用釔（Y）類(lèi)高溫超導線(xiàn)材的小型超導磁鐵（圖2）。通過(guò)發(fā)展該技術(shù)，超導磁懸浮列車(chē)配備的超導磁鐵有望實(shí)現小型化并降低運用成本。

圖2：使用釔類(lèi)高溫超導線(xiàn)材的小型超導磁鐵
設想配備在磁懸浮列車(chē)上，尺寸為現行Maglev的約1/4?？删S持1T以上的磁場(chǎng)在9小時(shí)以上。

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

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

　　現有Maglev的超導磁鐵線(xiàn)圈使用了鈮鉍（Nb-Ti）類(lèi)線(xiàn)材，用液氦（He）冷卻至4.2K。為了持續冷卻液氦，超導磁鐵分別安裝了制冷機，并在車(chē)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(cháng)時(shí)間維持超導狀態(tài)，因此無(wú)需為每個(gè)線(xiàn)圈配備制冷機。而且還可省去線(xiàn)圈的輻射熱遮蔽材料及液氦罐，從而可實(shí)現小型化。這樣便有望使將來(lái)的磁懸浮列車(chē)降低制造成本及運行成本*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(xiàn)圈匝數等使外形尺寸變化不太大的情況下，實(shí)現與目前的鈮鉍類(lèi)磁鐵同等程度的5T磁場(chǎng)。鐵道綜研磁懸浮鐵路技術(shù)研究部低溫系列研究室長(cháng)長(cháng)島賢自信地表示：“只要掌握超導線(xiàn)材的性能，憑我們的能力和經(jīng)驗就能設計出具有實(shí)用水平的磁鐵”。

　　另外，現為9小時(shí)左右的運行時(shí)間也應能進(jìn)一步延長(cháng)。鐵道綜研表示，只要減小超導線(xiàn)材以外部分的電阻，即有望將連續運轉的時(shí)間延長(cháng)到1天左右。

　　實(shí)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而穩定發(fā)揮磁鐵功能的疑問(wèn)。

　　*3 失超是指某種原因引發(fā)的容器無(wú)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)的現象。

　　“RE類(lèi)線(xiàn)材作為磁浮懸列車(chē)用磁鐵是一種新型材料，因此有可能需要新的評測方法”（長(cháng)島賢）。鐵道綜研計劃2012年開(kāi)發(fā)擁有5T能力的磁鐵，并進(jìn)行實(shí)驗評測＊4。

　　*4 不過(guò)，JR東海目前正在計劃的磁懸浮中央新干線(xiàn)預計將采用現有的鈮鉍類(lèi)磁鐵。這是由于鈮鉍類(lèi)磁鐵已在山梨實(shí)驗線(xiàn)經(jīng)過(guò)了長(cháng)期試驗。

　　另外，還考慮將其推廣至磁懸浮新干線(xiàn)以外的領(lǐng)域。這是因為，利用RE類(lèi)線(xiàn)材的磁鐵即使沒(méi)有制冷機也可長(cháng)時(shí)間運轉，并且還小型、易操作。例如，在利用磁力的污水凈化裝置、電車(chē)減速時(shí)蓄積再生能量的蓄電用飛輪上應用的探討已經(jīng)開(kāi)始。

　　應用于飛輪時(shí)，在軸承部分采用高溫超導線(xiàn)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軸。具體而言，就是以高溫超導線(xiàn)圈作起動(dòng)器，支持嵌有高溫超導塊材的旋轉軸（圖3）。整個(gè)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(guò)利用基于超導線(xiàn)圈的電磁鐵來(lái)支撐超導塊體，能夠以非接觸方式支撐重達數噸的巨大飛輪。（未完待續）

圖3：飛輪試驗裝置和超導線(xiàn)圈
可用定子采用高溫超導線(xiàn)圈、轉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(xiàn)圈試制品（b）。