从磁悬浮列车到铁路均可使用的超导节电技术(上)

2011-09-15 16:27:00来源: 技术在线

  以磁悬浮列车为首,超导技术在铁路各领域的应用备受期待。东海旅客铁道(JR东海)提出的2027年开业的磁悬浮中央新干线,超导是主要技术这这自不必说,将来该技术还有望导入现有铁路线的蓄电装置及供电电缆(图1)。

 
图1:JR东海的超导磁悬浮列车(Maglev)“MLX01-1”
曾在2005年爱知世博会上展出。

  在铁路以外,超导技术的应用范围也很广。设想将该技术应用于MRI(核磁共振成像)装置及污水处理等,需要强力磁场的装置及系统。

  今后尤为看好的是高温超导材料的应用。采用该材料,能够以更少的能量驱动磁悬浮列车,或者减少现有铁路线中上的供电损失。如果采用于轴承上,还可实现低损失的大型蓄电用飞轮,可有效利用再生能量。

因无需制冷机故可小型化

  正在研发此类高温超导技术的是日本铁道综合技术研究所(铁道综研)。如,使用稀土类元素(RE)的高温超导线材就是正在开发的超导技术之一。RE类线材是一种拥有X-Ba-Cu-O(X为稀土类元素)成分的材料。这种材料在高磁场中的临界电流密度较大,特性不易劣化。

  2010年,铁道综研开发出了在线圈中使用钇(Y)类高温超导线材的小型超导磁铁(图2)。通过发展该技术,超导磁悬浮列车配备的超导磁铁有望实现小型化并降低运用成本。


图2:使用钇类高温超导线材的小型超导磁铁
设想配备在磁悬浮列车上,尺寸为现行Maglev的约1/4。可维持1T以上的磁场在9小时以上。

  此次开发的小型超导磁铁,其外形尺寸为宽600×高400×进深200mm,大约是JR东海的超导磁悬浮铁道山梨实验线上行驶的“Maglev”*1上所配超导磁铁的约1/4。通过改进隔热构造,只要冷却到20K,便可在9个多小时内使线圈温度保持在50K以下。而如果线圈温度在50K左右,就能够形成1T(特斯拉)以上的磁场。

  *1 Maglev一词由磁悬浮Magnetically Levitation的前几个字母组成。

  现有Maglev的超导磁铁线圈使用了铌铋(Nb-Ti)类线材,用液氦(He)冷却至4.2K。为了持续冷却液氦,超导磁铁分别安装了制冷机,并在车辆上配备燃气轮机作为制冷机的电源

  然而,以液氮冷却的小型超导磁铁,其热容量为现有超导磁铁的约1000倍,对温度上升的耐受能力很强。由于能够长时间维持超导状态,因此无需为每个线圈配备制冷机。而且还可省去线圈的辐射热遮蔽材料及液氦罐,从而可实现小型化。这样便有望使将来的磁悬浮列车降低制造成本及运行成本*2。

  *2 即使要配备制冷机,也只需维持较高温度的小型机即可。

2012年力争达到5T

  铁道综研今后打算以增加线圈匝数等使外形尺寸变化不太大的情况下,实现与目前的铌铋类磁铁同等程度的5T磁场。铁道综研磁悬浮铁路技术研究部低温系列研究室长长岛贤自信地表示:“只要掌握超导线材的性能,凭我们的能力和经验就能设计出具有实用水平的磁铁”。

  另外,现为9小时左右的运行时间也应能进一步延长。铁道综研表示,只要减小超导线材以外部分的电阻,即有望将连续运转的时间延长到1天左右。

  实用面临的课题,不仅有性能,还有可靠性。这就是对可在何种程度上防止失超*3而稳定发挥磁铁功能的疑问。

  *3 失超是指某种原因引发的容器无法保持隔热性,或磁通钉扎(Flux Pinning)稍有偏移,导致从超导状态一下子变为常导状态的现象。

  “RE类线材作为磁浮悬列车用磁铁是一种新型材料,因此有可能需要新的评测方法”(长岛贤)。铁道综研计划2012年开发拥有5T能力的磁铁,并进行实验评测*4。

  *4 不过,JR东海目前正在计划的磁悬浮中央新干线预计将采用现有的铌铋类磁铁。这是由于铌铋类磁铁已在山梨实验线经过了长期试验。

  另外,还考虑将其推广至磁悬浮新干线以外的领域。这是因为,利用RE类线材的磁铁即使没有制冷机也可长时间运转,并且还小型、易操作。例如,在利用磁力的污水净化装置、电车减速时蓄积再生能量的蓄电用飞轮上应用的探讨已经开始。

  应用于飞轮时,在轴承部分采用高温超导线圈以及后面将提到的高温超导块材,以非接触方式支撑旋转轴。具体而言,就是以高温超导线圈作起动器,支持嵌有高温超导块材的旋转轴(图3)。整个飞轮收放在低温恒温器中,轴承部分以稀薄的低温氦气冷却。通过利用基于超导线圈的电磁铁来支撑超导块体,能够以非接触方式支撑重达数吨的巨大飞轮。(未完待续)

 
图3:飞轮试验装置和超导线圈
可用定子采用高温超导线圈、转子采用高温超导块体的轴承,以非接触方式支撑50kg左右的飞轮(a)。下方的照片为用作定子的高温超导线圈试制品(b)。


关键字:磁悬  磁悬浮  磁悬浮列车  悬浮  列车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0915/article_4034.html
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