从材料看磁悬浮列车

发布时间：88年02月25日

中岛洋编译张东峰

前言

利用超导电磁铁悬浮的回跳式磁悬浮式铁路有可能使其悬浮高达约10厘米，其磁悬浮列车的时速有可能达到500公里。这作为低公害的超高速铁路引起了人们的普遍注视。

开始考虑的悬浮手段包括利用喷出空气的空气悬浮方式和利用永久磁铁之间回跳的磁悬浮方式。但这些方式实际上存在着噪音问题和悬浮力不足等多种缺点。“据说到昭和40年代中期就陷于僵局。”

若列车悬浮起来之后，要使它能稳定高速行驶，谁也会马上想到的是地面上的行车路要平坦。不过，从东京到大阪这样远距离的行车路线要敷设得非常理想是不可能的，也是不现实的。即使能办到，其建设费用也是非常庞大的，而且道路的保养费也是庞大的。

鉴于现实情况，不得不以道路存在着一定的高低不平为前提来进行研讨。这对目前以高速行驶的一切交通工具来说都是一样的。

铁路车辆的行走速度与火车道的平面度之间的关系是极为重要的因素。速度愈快，对火车道的要求就愈高了，例如在100米距离中，对几毫米的高低及左右的偏离都是要考虑的问题，与此相反，火车道的质量虽差一些，但行车的安全性好而且坐在车上的乘客感到舒服的运输系统也许是当前最理想的。

利用超导电磁铁的磁悬浮式铁路，悬浮距离能再提高一些，导轨的空隙也能扩大一些，再把具有强有力推进作用的线性同步电动机装上，可以说这种悬浮铁路是具有适合于高速运行的极大优点。为此，许多新课题有待于开发研究，如在车上必须用超导电磁铁等问题。这说明新材料对列车运行性能关系重大。

悬浮式铁路的原理和现状

（1）实验线的介绍

悬浮式铁路并不是一开始就用能悬浮起来行驶的车辆进行实验的。1970年开始时仍是用固定的实验设备做各种试验，即把超导电磁铁固定在能旋转的圆盘上方，在这圆盘上安置着能起悬浮作用的线圈。

这种实验的目的是开动能旋转圆盘（相当于地面设备），然后进行行车模拟、主要调查一下看看悬浮有什么特点，听得数据与原来的计算是否吻合。

1971年，在中央线国立站附近的铁道技术研究所内首次建设了实验用的行车路线，并用小型车辆做了实验。在实验中，日本的悬浮列车首次在世界上获得了成功。

1972年超日本铁道成立100周年，这一年在该研究所内建成了约400米长的实验线，并对命名为ML100的车辆做了行车实验，同时也做了公开表演，从而向公众证实了它的可行性。

最初用的实验车辆结构是较简单的，除了贮存着超导电磁的低温恒温器以外，还装上了底架和车轮而已。ML100的车辆装有4个超导电线圈，车辆内设有4个坐席，显得像是个车辆。

通过上述各种实验后，对磁悬浮列车的技术已有相当把握了。为了把开发研究向前推进，就认定需要建立长距离实验线。

1977年，经过研究后就决定在宫崎县日向市建立包括有坡度区间和曲线区间的全长约7公里的实验线在建设实验线的同时，也制造了时速达500公里的ML500的实验车辆。它是没有设坐席的单车。

1979年12月，由于ML500的实验很顺利，终于创造了时速517公里的世界纪录。这?实了利用超导电磁铁的悬浮式铁路作为将来的高速铁路是很有希望的。

（2）悬浮式铁路的原理

悬浮式铁路主要是靠车上的超导电磁铁的作用，超导电磁铁作用的大小在于提供的磁铁是否强有力。

配置在地面的线圈是起着悬浮和推进导轨的作用。通过这些线圈与超导电线圈间电磁的相互作用鈇能产生所必要的力。例如就悬浮而言，当车辆行走时，车上的超导电磁铁就依次地通过配置在地面线圈的上面。

地面的悬浮用线圈是与外部完全没有连结的一种闭合线圈。但当强力的磁铁通过它上面时，磁通就与这种悬浮用线圈交叉。于是，悬浮用线圈就使电流向阻止它的方向流动。往这里流动的电流与超导电磁铁之间就发生斥力，这就成为悬浮力了。

这种现象利用普通的永久磁铁做简单实验就能得证明。例如把用绳子拉着的永久磁铁放置在旋转着的铝圆盘上方时，这块永久磁铁就不会向前后移动而保持继续悬浮着的状态。其实车辆的导轨也完全利用这样原理。

只要在地面设有电线圈，车辆就能悬浮，导轨就能发挥作用。这种不需要什么特殊控制装置的有源系统可以说是具有很大优越性。

悬浮式铁路的推进仍是利用电磁力，往当设在地面的推进用线圈通电时，就能形成移动磁场，车辆也就同步行驶。这虽叫做线性同步电动机、其实，这与普通的同步电动机的原理是完全一样的。

使用的材料特点

悬浮式铁路的最大特点是在车上使用着超导电磁铁。过去，人们都在议论着超导电磁铁的各种应用及其实用化问题。可惜的是至今尚未真正地被实用化。

特别是刚开始研究悬浮铁路时，把超导电磁铁的、应用认为是异想天开，负责具体研究的人对此也半信半疑。日本对悬浮铁路技术能取得今天这样成绩的原因是研究人员一直抱着悬浮式铁路必能建成，必将成为未来有用的运输手段的信念。

由于在这样精神状态下，思路就广，对悬浮式铁路的各个组成部分都研讨了可采用的新技术。每当开发前进一步，基本上所需的新材料也就出现了，这对开发研究工作起了推动作用。

例如，今天的飞机能容纳这么多乘客并且安全性这样高的原因不仅是金属的性能大为提高，而且是不断开发出优秀新材料所起的作用。对于悬浮式铁路也是一样，优秀材料对其发展前景影响极大。

（1）有关的金属材料

（ⅰ）超导电材料

对开发悬浮式铁路来说，超导电材料的作用显得格外突出。虽已发现了各种超导电材料，但悬浮式铁路所要求的超导电磁铁是重量轻而且在很小的截面就能使电流十分畅通。

在使用的超导电磁铁的线材是以铌（Nb）和钛（Ti）为主的合金系材料。另外，以Nb3 Sn的化合物系线材也可使用。因在悬浮式铁路用的超导电磁铁不需要很强的磁场，所以现在铌和钛仍占主流。

（ⅱ）不锈钢

超导电线圈的容器必须能承受4.2 K（约-269°C）这样的超低温。因为，要用液化氦来冷却它，但这种容器又不应有磁性的。因在超低温状态下，超导电线圈仍要具有高度的韧性和强度。

既要符合于上述条件，又可作为液化氦容器的几乎都是用的不锈钢。在悬浮式铁路也是一样，超导电线圈的容器使用的也是不锈钢，型号为SUS304L。

采用不锈钢作容器的原因之一，是它有可焊性好，精密度高，容易加工成形等优点9但从质量方面看，它不是理想的材料。为此，曾经打算以钛合金等取代它，现在为了加快结构的简略化，着重于减少不锈钢的用量，力求达到轻量化的目的。

（ⅲ）铝合金

为了使悬浮式铁路的整个车辆轻量化，在车辆的各个组成部分都尽量用铝合金。其代表性例子是超导电磁铁的外槽，它是能维持高真空的真空容器，也能起到不使电磁干扰到内部的超导电_圈，也就是说发挥了封闭作用。

对制造外槽的材料要求是轻量、强度高、电导率高等条件。但现实情况是没有单一的材料能满足上述各条件的，所以现在需要高强度的部分用的是一种材料，而要减少电阻部分用的是另一种材料了。例如结构材料用的是A5083，电阻小的材料用的是A1100这样的纯铝，然后组合起来。因而，现在迫切需要的是找到单一材料能满足上述各种条件的。

铝合金还用于车身的各部分。这种材料的基本要求是轻量、刚性、高强度等。为此，车身外壳是采用超硬铝，安装磁铁的底框材料就要重视其可焊性，一般多采用A7000。

设在地面的悬浮用及导轨推进用的电线圈全部都采用铝合金。这是符合于强度高和电阻小的要求。但若从特性角度看的话，铜合金较优越。当然选择材料时，不但要为用途着想，而且也与经费有关。

铝合金的另一个用途是用于冷冻机的热交换器。它是液化氦的重要机器，当然需要有高性能的热交换器。为此，悬浮式铁路研究所一直在开发层压形热交换器。它是把铝制多孔板和有效辐射功率用的隔板交替配置，并用粘着剂加固的。它能提高热交换器内气流向直角方向热传导效果，但对纵方向的热传导却降低了效果。

（ⅳ）铜合金

超导电磁铁的线材以CuNi为基体。

动力导线用铜合金，它是给超导电线圈输电的。对它的要求是电阻要小而且热传导率也低，这是与普通导线的不同之处。但实际上符合于这种条件的材料是没有的。几乎所有的金属若其电阻小，那么热传导率就高了。

因此，选择与电传导率相比热传导率低的金属材料为宜，其结果现在用得最多的是磷脱氧铜。

按上述要求设计出来的导线可输送700A左右的电流，但因考虑到冷却效果，导线制作得细小，所以电流不流动时的热入侵量大约降到0.5 w左右。

因铜合金是比较重的材料，一般说来只有需要这样低的电阻时才用它。与此相反，若以减少往低温领域的热入侵量为目的时，最近出现的情况是连装在超导电磁铁内部的传感器导线也像过去那样不用铜线，而改为用热传导率小的材料了。

（ⅴ）异种金属间的结合材

在超低温容器内槽用的材料是不锈钢，外槽是用铝合金。在容器内使用的配管大部分是用其中之一种材料。因容器要高度的密封性，所以制成容器时就要经过严格的焊接加工。

通过摩擦加压焊接制成的结合材质量可靠，也容易买到，在超导电磁铁内部被广泛使用。它是超导电磁铁结构的重要材料之一。

（2）非金属材料

（ⅰ）树脂材料

最近悬浮式铁路也像其它设备一样在车辆上大量使用树脂材料了。其具有代表性的对象是与超导电磁铁有关的机器，其中最重要的超导电线圈，除用上面提到的超导电线材卷起来以外，还要在环氧树脂里浸渍加固。树脂在这里起的作用非常大，所以把用线卷卷起来以后，它就能牢固地固定起来，这不仅在常温就是在低温下，仍不失去其结合力和强度。如果用这种树脂固定不下来，超导电线材本来的特性也就无法充分发挥出来了。

另外，结合剂的树脂材料也用在制作冷冻机的热交换器。由于层压形热交换器是用金属制多孔板和有效辐射功率用隔板交替重叠结合而成的。因此，在低温下两者间的结合不仅在强度方面，而且在密封性能方面都必须是可靠的。环氧系统的树脂作为结合剂可满足上述条件。

（ⅱ）陶瓷

陶瓷的种类也不少，在超导电磁铁的关键部分也有用陶瓷的，这主要是作为与动力导线有关系的绝缘材料用的。若仅要绝缘，当然也可用其它材料，但在超导电磁铁内部，有时要在低温下仍保持密封，这时为保持密封所用的材料几乎都是不锈钢这样的金属材料。

因此，随着结合技术的进步，使能绝缘的陶瓷与不锈钢等金属材料结合也就可能了。陶瓷目前在超导电磁铁结构中虽只用了很少一部分，但起的作用却不小。

（ⅲ）复合材料

以玻璃纤维增强塑料为代表的复合材料在各个领域都是不可缺少的。悬浮式铁路也同样在其各个部分有效地利用其特性。绝热载荷支承材是在超导电磁铁方面主要用的地方。它能把超低温的内槽与常温的外槽接通，向超导电线圈传给动力，但对这种材料的要求是高度和热电导率小等条件。

在最近的超导电磁铁中，这种绝热载荷支承材是把玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）和碳素纤维增强塑料复合使用的。利用这种材料就能对超导电磁铁的热入侵量大幅度减少。

利用玻璃纤维增强塑料的还有层压形热交换器的隔板，这是把薄的玻璃增强塑料板加工成为复杂形状而成的。当然这也是为了利用它的强度和低热传导率。为了达到轻量化目的，在车身的一部分也用玻璃增强塑料，有时也用做蜂窝器的表面板。

（ⅳ）其它

在特殊领域也在开发斯特林循环（stivling cycle）冷冻机，从1982年度起，国铁接受科技厅的科学技术振兴调查费研究单独用斯特林循环冷冻机就可能达到4k水平的冷冻效果的新课题。为此，在冷冻机中用的蓄冷材一般都要用热容量大的材料。

一般地说，物质的比热是随着温度的下降而下降的，所以要物色到低温的有效蓄冷器是非常困难的。普通的斯特林循环冷冻机里，蓄冷器中属于高温领域的就用铜合金的网，在低温领域的就用小铅球。

然而，以达到10 K以下领域为目标的冷冻机就使用稀土类元素的特种材料。具体地说，用的是GdRn或GdErRh之类的材料。以往已取得研究成果的是4 K左右能达到2 W以上冷冻能力的材料。