电气工程学报, 2015, 10(11): 1-10 doi: 10.11985/2015.11.001

综述

高温超导磁悬浮列车研究综述

王家素, 王素玉

西南交通大学超导技术研究所 成都 610031

High Temperature Superconducting Maglev Train

Wang Jiasu, Wang Suyu

Applied Superconductivity Lab. of Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China

责任编辑: 李小平

收稿日期: 2015-01-24   网络出版日期: 2015-11-25

基金资助: 国家自然科学基金.  50777053
国家863计划资助项目.  2007AA03Z20

Editor: Li Xiaoping

Received: 2015-01-24   Online: 2015-11-25

作者简介 About authors

王家素, 男 1944年生,博士生导师。1970年开始一直从事超导技术及其应用研究,1987年前从事低温超导电子技术研发,1988年后主要从事高温超导体的电磁特性及其磁悬浮应用研发。

王素玉, 女 1944年生,研究员,博士生导师。1975年开始一直从事低温与超导技术应用研究,1988年后主要从事高温超导体的电磁特性及其磁悬浮应用研发。

摘要

超导(1911年)和磁悬浮(1912年)各自走过了100年历史进程。超导磁悬浮列车起源于1966年,早期的低温超导磁悬浮列车从发明到完成载人运行已经走过了近50年历程。上个世纪最后一天载人高温超导(HTS)磁悬浮车“世纪号”在中国试验成功,迄今也已经走过了15年的研发历史。本文介绍HTS磁悬浮车的研究与开发进展,包括HTS一代(Bi系)线材和二代(Y系)线材的HTS磁悬浮车以及HTS块材磁悬浮车。讨论了第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体块材在外磁场中的磁悬浮原理对比,介绍了用HTS体ReBCO块材的HTS磁悬浮系统的国内外研究进展。主要介绍了“交大超导”从2000年“世纪号”到2014年真空管道环形线中/低速HTS磁悬浮车研发进程,最后讨论了超高速应用的可能性。

关键词: 低温超导体 ; HTS体 ; 磁悬浮 ; 车辆 ; 列车

Abstract

Superconductivity (1911) and magnetic levitation (1912) each has gone through 100 years of history. Superconducting magnetic levitation (Maglev) train originated the invention in 1966, this low temperature superconducting maglev (LTS Maglev) train from invention to complete the manned operation has gone through nearly 50 years of history. On the last day of a last century high temperature superconducting(HTS)Maglev vehicle “Century” is succeeded in China, so far has gone through 15 years of development history. This paper introduces the research and development of HTS Maglev vehicle, including the 1G (Bi) and 2G (Y) HTS wire Maglev vehicle, and HTS bulk Maglev vehicle. The comparison for the magnetic levitation principle between the tape Ⅰand the type Ⅱ superconductor in the applied magnetic field is mainly discussed. The research progress of magnetic levitation system using HTS ReBCO bulk is given in the world. The medium/ low speed HTS Maglev development process in the ASCLab is presented from “Century” in 2000 to ETT HTS Maglev vehicle in 2014, finally discussed the possibility of application of high / ultra-high speed.

Keywords: Low temperature superconductors ; high temperature superconductors ; maglev ; vehicle ; train

PDF (4145KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

王家素, 王素玉. 高温超导磁悬浮列车研究综述. 电气工程学报[J], 2015, 10(11): 1-10 doi:10.11985/2015.11.001

Wang Jiasu. High Temperature Superconducting Maglev Train. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(11): 1-10 doi:10.11985/2015.11.001

1 引言

1911年荷兰Heike Kamerlingh Onnes发现超导[1],1912年美国 Emile Bachelet发明磁悬浮车[2],这些发现与发明已经走过了100年。

1934年德国Hermann Kemper[3]发明电磁悬浮后,1969年至今德国一直从事被称之为常导磁悬浮的Transrapid电磁悬浮列车的研发,这是一个高速磁悬浮列车开发计划。上海建成了这种磁浮列车商业运营线,2003年7月14日实现两辆列车相对运行,速度达到860km/h[4]。2004年5月1日在上海正式开始商业运营[5]。1972年至今原理与此类似的日本HSST中/低速磁悬浮列车开发计划也一直在进行中。这种中/低速和高速常导磁悬浮列车系统技术都已经趋于成熟并开始商业化。用NdFeB永久磁体的常导磁悬浮列车研发也取得了很好的进展。

超导和磁悬浮相结合诞生了超导磁悬浮技术。1966年美国James R. Powell and Gordon Danby[6,7]发明了低温超导(LTS)磁悬浮列车,上个世纪最后一天,中国研制成功世界首辆载人高温超导(HTS)磁悬浮车并授权发明专利[8],逐步形成了从低温到高温超导技术在轨道交通中应用的一个新领域。

超导磁悬浮列车[9]是超导强电应用中的一个重要组成部分[10,11]。超导磁悬浮列车包括低温超导和高温超导磁悬浮列车。1966年美国发明的LTS磁悬浮列车采用工作在液氦温区(4.2K)Nb-Ti线超导磁体与轨道相互作用实现悬浮、导向和驱动[12]。20世纪70年代至今日本一直从事这种低温超导磁悬浮列车的研究与开发。1972年日本研制出长7m,宽2.5m,高2.2m,重3.5t的ML—100低温超导磁悬浮车,悬浮高度6cm。因为实验轨道长只有480m,所以运行速度只有65km/h[13]。1979年12月21日在宫崎7km的轨道上运行速度达到了517km/h[14]。2007年12月日本宣布投资$910亿元建造东京–名古屋–大阪的时速505km的低温超导磁悬浮列车线11[11,15],计划2045年全线通车。

2000年12月31日中国研制成功的世界首辆载人高温超导磁悬浮车“世纪号”,在承载5人的时候净悬浮高度(杜瓦容器下外表面和轨道上表面之间的间隙)大于20mm[8]

在纪念超导100周年和磁悬浮100周年之际,2011年10月在韩国召开了第21届国际磁悬浮会议(the 21st international conference on maglev),大会特邀报告包括了低速常导磁悬浮、高速常导磁悬浮、LTS磁悬浮和HTS磁悬浮4大领域,较全面地介绍了这几种主要磁悬浮列车的发展史、原理和新进展 [16],本文介绍用HTS线材和块材的超导磁悬浮车发展概况,较为详细的用块材的HTS磁悬浮列车可以在别处查阅[17]

2 高温超导磁悬浮列车

与低温超导体比较,高温超导体具有较高的临界温度、临界电流密度和临界磁场,工作在液氮温区可以大大降低制造和运行成本,节能环保,应用前景十分广阔。HTS磁悬浮列车[18]主要包括用线材和用块材两种形式。和低温超导线材应用原理相似,一代和二代HTS线材可以代替低温超导线材,直接用在磁悬浮列车上。

超导体的Meissner-Ochsenfeld效应是指第Ⅰ类超导体的完全抗磁性,外磁场不能穿透进入超导体,只能穿透进伦敦穿透深度λL表层,完全抗磁性可以在超导体与外磁场之间产生悬浮作用。1945年,前苏联V. Arkadiev[19,20]发现低温超导体铅上面永久磁体的稳定悬浮,即一个小的永久磁体悬浮在一个铅碗中,其所以用“碗”就是因为这不是一种实质性稳定的磁悬浮,而且悬浮力很小。

由于低温超导体块材热不稳定性 致使它不能实际应用。在块材内部产生的局部热会引起大的磁通跳跃,超导体会因此失超。与低温超导体块材相反,HTS体块材具有大的比热,热稳定性好。低温超导MgB2是一个例外,也具有较高的比热。MgB2在很低温度下会发生磁通跳跃,但在高于10K温度时趋于消失[22]。所以,MgB2块材可以捕获大的磁通,能制成超导永久磁体,成为能实现低温超导磁悬浮的一个特例。

高温超导磁悬浮是利用第Ⅱ类超导体磁通钉扎作用,在外磁场中产生一个较大的屏蔽电流实现磁悬浮的同时,部分穿过超导体的磁通实现横向稳定的导向力。所以,HTS磁悬浮的悬浮和导向是唯一不需要任何自动控制的自稳定悬浮系统。HTS块材特别适合磁悬浮应用,因为它在强磁场下具有优良的电流输运能力,其磁能积远远高于现行永久磁体钕铁硼,具有很高的磁通捕获能力。所以,不仅自稳定,而且悬浮力和导向力都很大。

1988年,Hellman et al[23],Peter et al[24]首先发现圆盘形高温超导体YBCO块材上NdFeB永久磁体的磁悬浮现象。不久Brandt[25]详细描述了这种不需要有源控制的高温超导磁悬浮现象。

1997年,中–德合作研制了一个悬浮间隙7mm和悬浮20kg的超导磁悬浮小车模型[26]。2000年12月31日西南交通大学超导技术研究所研制成功世界第一辆载人HTS磁悬浮车“世纪号”,3年后,德国[27]、俄罗斯[28]、巴西[29,30]、日本[31]、意大利[32]等国先后发表了类似的研究工作。

本文列出了HTS磁悬浮综合评述论文[33,34]以及专著中的专门章节[17,35-36]供参考。

3 高温超导线材磁悬浮车

一代HTS线材(BSCCO)在液氮温区磁通钉扎很弱,不太适合磁悬浮应用。相比之下,二代线材(ReBCO)在液氮温区具有高临界电流密度,低造价,机械性能好以及在高磁场下性能优越,很适合HTS磁悬浮列车应用。应用的方式是将原来低温超导磁悬浮车载超导磁体绕组换成HTS线材。

日本用于磁悬浮列车的HTS磁体研发计划始于1999年。第一个一代HTS线材(Bi2223)超导磁体几何形状与日本低温超导磁悬浮磁体相同。在20K时HTS永久电流开关衰减率0.44%/天,虽然实用意义不大,但证了明用HTS线材绕组在车载磁体中是可行的[37]

图1图2分别是HTS磁悬浮列车车载磁体结构示意图和实物照片。用两组15K二级脉管制冷机的4个绕组磁体额定磁动势750kAt,与低温超导磁体相同。2005年12月用这种HTS线材绕组的磁悬浮车在日本山梨县试验线上运行速度达到553km/h[38,39]

图1

图1   用 Bi2223 线圈的HTS 磁体示意图[45]

Fig.1   Schematic view of HTS magnet using Bi2223 coil


图2

图2   用 Bi2223 线圈的HTS 磁体外貌[45]

Fig.2   Appearance of HTS magnet using Bi2223 coil


采用二代HTS线材(ReBCO)的车载HTS磁体具有很多优点(见图3),对磁悬浮应用具有很好的前景。图3是在原低温Nb-Ti超导磁体结构图中直观描述的这些优点,用中文标注出用了二代HTS线材后的特性。显然磁体和制冷机的重量和能耗都减小,最佳工作温度在40K到50K[40]

图3

图3   采用二代HTS 线材(ReBCO)的HTS 磁体的优点[49]

Fig.3   Merits of applying HTS 2G wires to a superconducting magnet for the maglev train


HTS二代线材绕组车载磁体试验证明[41],在40K和4.5K时分别达到5 T 和6 T。电流密度130A/mm2,这与车载低温超导Ni-Ti磁体类似。单极无辐射屏制冷结构就能满足40K的要求。超导线圈与杜瓦外表面之间仅20mm。这意味着增加了与地轨线圈的链接磁通,达到改善磁悬浮列车系统效率的目的。进一步改善二代线材性能,将可以代替现在运行的低温超导磁悬浮列车车载磁体绕组。

4 高温超导块材磁悬浮车特点

在外磁场低于第Ⅱ类超导体下临界磁场Hc1时表现出类似第Ⅰ类超导体的完全抗磁性。当外磁场在Hc1 <H <Hc3(非互易上临界磁场,低于Hc2)之间的时候,磁力线被逐渐压缩,随着外磁场增加到某个值的时候,部分磁力线通过钉扎中心穿透进块状超导体边沿,形成无损超导屏蔽电流。这个屏蔽电流的方向与外磁场方向相反,由此产生磁悬浮力。显然,这个悬浮力比第Ⅰ类完全抗磁性的悬浮力大得多。这就是众所周知的第Ⅱ类超导体磁通钉扎的结果。除了上述穿透进块状超导体边沿的磁通产生磁悬浮力外,一部分磁通直接从块材中心区域穿透进超导体,这些捕获磁通将提供一个水平的导向力,使系统处于自稳定悬浮状态。磁悬浮力和导向力的大小取决于HTS块材和NdFeB总的磁能积磁本身,也取决于如何充分利用这个总磁能积的优化计算和设计。这些优化包括轨道场结构,HTS块材形状、大小、厚薄、排放位置,低温容器,场冷或零场冷的位置等等。悬浮力和导向力大小分配,可以根据系统实际需要选取。为了得到最佳的悬浮系统要根据不同的实际需要进行专门设计。

因为单畴HTS体块材是一种包含微粒、微孔和强的非互易磁行为的准晶体,加之与其相互作用的外磁场横向分布的复杂性,物理建模和程序计算是比较困难的。可喜的是,二维和三维模型和计算得到了较好的结果[42,43]

单畴HTS块材磁悬浮是唯一的自稳定磁悬浮系统,它具有下列优点:

(1)悬浮和导向是唯一不需要有源控制的自稳定磁悬浮系统,无需车载电源。

(2)在真空管道中超高速运行的HTS磁悬浮车能耗是飞机的约1/20。

(3)无噪声、化学和电磁污染。

(4)悬浮力和导向力与悬浮间隙成指数函数增长,可以保证上下左右长期无故障稳定工作,真正实现安全舒适。

(5)可以实现超高速度运行。

(6)造价和运行成本较低。

5 中/低速高温超导块材磁悬浮车

1997年国家863计划立项后,先后利用自行研制的几套专用测试设备[41,44-45]进行了大量实验研究,基于一系列研究结果[39,46-47],“交大超导®1”于2000年12月31日在西南交通大学超导技术研究所研制成功世界第一辆HTS磁悬浮车“世纪号”[8],同时获得授权发明专利[48]图4是2000年12月31日在悬浮间隙大于20mm时承载5人的照片。

图4

图4   “交大超导”2000 年12 月31 日在悬浮间隙大于20 mm 时承载5 人的照片

Fig.4   The net levitation gap of the HTS maglev vehicle was more than 20mm when five people stood on the vehicle


“世纪号”NdFeB永磁轨道长15.5m,表面浓缩磁场 1.2T,在轨道表面20 mm高处磁场0.4T。车载8个HTS磁悬浮装置尺寸都是150mm× 516mm×168mm,由长方体液氮低温容器和43块YBCO块材组成。车载薄底液氮容器底厚仅3mm,持续工作时间6h [49,50] 。除直径30mm厚度约18mm HTS块材YBCO从北京有色金属研究院购买外,整个系统全部由“交大超导”小组完成。

表1列出了世界第一辆载人HTS磁悬浮车“世纪号”技术指标,“世纪号”系统主要技术指标具有以下特点:

表1   世界第一辆载人HTS磁悬浮车“世纪号”基本参数

Tab.1  Essential parameters of the first manned HTS maglev test vehicle in the world, “Century”

参 数数 值
乘客座位数4
轨道长度/ m15.5
车体尺寸/ mm2 268×1 038×120
车外尺寸/ m3.5×1.2×0.8
总悬浮力/ N6 350@gap of 20mm
悬浮间隙/ mm20
总导向力/ N1 980@gap of 20mm
加速度/ (m/s2)1
驱动形式直线感应电机

新窗口打开| 下载CSV


(1)研制成功底厚3mm的薄底矩形液氮低温容器,实现了轨道与HTS块材之间最小有效作用距离,大大提高了HTS磁悬浮效率,致使HTS磁悬浮车工程应用成为可能。

(2)用略大于一个大气压的密封干燥氮气对高温超导体块材实现了永久保护。

(3)用SCML—01HTS磁悬浮测试系统测量了在永磁轨道上单个车载HTS磁悬浮装置悬浮力,在15mm和8mm悬浮间隙时的悬浮力分别是1 202N 和 1 724N。

(4)为了完全模拟整车的真实情况,用SCML —01测试系统较准确测试了两条平行永磁轨道上两个车载HTS磁悬浮装置的悬浮力。

(5)用SCML—01测试系统分别较为准确测试了8个车载HTS磁悬浮装置的悬浮力和导向力。在净悬浮间隙20mm的情况下,整车总的悬浮力是6 350N,导向力是1 980N。在净悬浮间隙10mm的情况下,整车总的悬浮力是10 431N。

(6)2000年7月至2001年5月,净悬浮间隙20mm条件下总的磁悬浮力降低了5%,其后变化很小。

(7)长期稳定性测试证明,2001年至2009年约九年后,永磁轨道上单块HTS体块材的悬浮力几乎没有变化[51]

图5是2001年“世纪号”在国家863计划十五周年成就展览上的照片。2005年“世纪号”参加成都市首届科技节,在春熙路附近三天半连续载人运行,性能如初。

图5

图5   2001 年“世纪号”在中国国家863 计划十五周年成就展览上

Fig.5   The “Century” in review of 15years for national hightech R&D Program (863 Program) of China in Beijing, 2001


HTS体块材的最高捕获磁通已经达到17.24T(29K)[52] and 17.6T(26K)[53],这意味着HTS块材磁悬浮很好的应用前景。53块批量YBCO块材在液氮温区(77K)平均捕获磁通已经达到2.04T[54],这为HTS块材磁悬浮产业化带来了福音。

在“世纪号”成功三年后,一些国家做了HTS块材磁悬浮车研发工作。

德国IFW小组继Supra Trans Ⅰ[27]之后研制成功Supra Trans Ⅱ 载人HTS磁悬浮车[55] (见图6)。 Supra Trans Ⅱ技术指标如下:

圆环轨道长:80.84m;

NdFeB永久磁体:4.85t;

超导体:YBCO块材;

悬浮力:8.9kN(8〜10mm悬浮间隙时);

车质量:约400kg;

最高速度:20km/h;

悬浮高度:10mm;

推进: 同步短定子直线电机。

图6

图6   德国IFW 小组Supra Trans Ⅱ 高温超导磁悬浮车[66]

Fig.6   Supra Trans Ⅱ large scale HTS Maglev vehicle in IFW, the Germany


巴西小组讨论过HTS磁悬浮列车与城市轻轨列车的比较[56]。同样载客数量下,HTS磁悬浮列车比城市轻轨列车轻,轨道支撑结构重量约城市轻轨50%,地基和轨道成本低。图7是巴西HTS磁悬浮车的实际尺寸[30,57]。巴西采用的是德国ATZ小组的车载HTS磁悬浮装置[58]

图7

图7   巴西HTS 磁悬浮车(照片由里约热内卢大学Stephan 提供)

Fig.7   HTS maglev vehicle prototype in Brazil


“世纪号”之后的大量的理论和实验研究结果[59]为“交大超导”HTS磁悬浮车继续研究开发奠定了坚实基础。2004年1月西南交大召开了超高速(大于600km/h)真空管道HTS磁悬浮车方案论证会,50多位专家经过一整天的讨论,通过了“交大超导”的论证报告,但暂不进行真空管道和超高速的研究,待时机成熟后再行开展。

2008年5月,依据“世纪号”以后“交大超导”理论和实验研究结果[60,61,62,63,64,65,66,67],完成了中/低速HTS磁悬浮车系统方案设计,计算表明该系统比城市轻轨便宜。当时设计的轨道线路长2km,单车长12m,最高速度160km/h,一般运行速度100km/h。技术指标见表2

表2   交大超导2008年HTS磁悬浮车系统设计参数

Tab.2  System design parameters of the HTS maglev train in ASCLab 2008

参 数数 值
每米载客数10
每米载客重/ (kgf/m)750
每米车毛重/ (kgf/m)400
每米悬浮重/ (kgf/m)1 150
车长/ m12
车总重/ t13.8
运行速度/ (km/h)100
加速度/ (m/s2)0.8

新窗口打开| 下载CSV


2013年3月,“交大超导”在“世纪号”及2008年方案设计后的新的理论和实验研究结果基础上[60],在西南交通大学牵引动力国家重点实验室建成45m环形永磁轨道中/低速HTS磁悬浮车试验线(见图8[61]。HTS磁悬浮车2.2m长,1.1m宽,在悬浮间隙15〜20mm时可载1人。这是继“世纪号”后“交大超导”研制成功的第二代载人HTS磁悬浮车试验线系统。在永磁轨道单轨断面从“世纪号”的116cm2缩小到30cm2,多数部件都经过优化,所以性价比显著提高。

图8

图8   西南交大真空管道HTS 磁悬浮车系统(照片由邓自刚提供)

Fig.8   The ETT HTS maglev vehicle system in SWJTU


6 高速/超高速高温超导块材磁悬浮车

地面交通工具速度大于350km/h时,90%驱动能量消耗在空气动力学阻力上,加之车体表面气动噪声和沿基板方向及其法线方向传播的气动噪声分别与速度成近6次方和8次方的关系,噪音较大,所以,1998年3月国际铁路革新协会(The International Railway Association of Innovation)提出地面交通最高速度350km/h的建议[17]

表3   西南交大真空管道HTS磁悬浮车[73]

Tab.3  ETT HTS Maglev vehicle in SWJTU

序号
1线路长度45m 2014年6月
2线路特征跑道型
3悬浮高度10~20mm
4车体承载300kg(载1人)最大 1 000kg
5推进方式长定子直线感应电机
6直线电机3m(铺设长度)
7最大加速度0.5m/s2
8运行速度0〜25km/h(载人)0〜50km/h(空载)
9真空度1〜0.1大气压

新窗口打开| 下载CSV


与高度发达的信息技术比较,传统轨道和航空交通工具已经远远落后,人类渴求超高速度、节能、环保的交通工具。HTS磁悬浮车加上真空管道运输(ETT-evacuated tube transportation)技术[62,63]是可能实现这个愿望的重要候选者之一,在相同的较低真空度(10 000m高空约0.3个大气压)下其速度有可能超过飞机,其原因之一主要是HTS磁悬浮车悬浮和导向是不需要主动控制的自稳定系统。

时速480km磁悬浮车为航空能耗的28%,时速3 200km ETT-HTS磁悬浮车为航空能耗的5%,高速/超高速交通运输才能真正实现节能环保。

到2009年“世纪号”已经载人约40 000人次,行程约400km,业已证明HTS磁悬浮车悬浮和导向的长期稳定性[62]。现代真空管道运输ETT发明人D. Oster在2002年访问“交大超导”后,曾经于2003和2004年两度在“交大超导”合作研究ETT-HTS磁悬浮车。图9是Oster夫妇乘坐“世纪号”的照片。Oster的想法是ETT-HTS磁悬浮车车体小、路轨承载轻(见图10),加之他发明的高频发车技术,同样运输能力下的系统成本较低,而且有可能实现超导速运行。2003年M. Okano等人也提过类似的建议[64]

图9

图9   D. Oster 夫妇在“交大超导”合作期间乘坐“世纪号”( 经Oster 电话同意)

Fig.9   D. Oster and his wife take HTS Maglev vehicle during the period of cooperation


图10

图10   ETT-HTS 磁悬浮车与城市轻轨全系统典型横截面比较示意图[65]

Fig.10   Comparison between of the typical cross section between HTS ETT Maglev train and urban LRV


根据HTS磁悬浮车实验研究结果和理论计算,新型永磁导轨上高质量的HTS块材的HTS磁悬浮车系统是可能实现的[74]图11是设计的在ETT中的超高速HTS磁悬浮车示意图。该系统的设计包括:低温矩形薄底液氮容器必须完全不导磁, 并具有适合于超高速的很高的机械强度,连续工作时间超过12h。两个座位的准椭圆形的磁悬浮车体总重500kg。车体外尺寸是长2.3m,高0.95m和宽1.2m。在净悬浮间隙15mm时,总悬浮力5 000N,导向力1 000N。在1 000m轨道上载人速度是100km/h,不载人最高速度达到600km/h。驱动直线电机不载人最大加速度5g (约49m/s2)。加速和减速运行300m,匀速运行40m。

图11

图11   ETT 中的超高速HTS 磁悬浮车系统示意图[74]

Fig.11   The schematic structure for of the ultra-high speed HTS maglev in the low-pressure tube (LPT) or evacuated tube transport (ETT)


2014年6月牵引动力国家重点实验室建设完成并调试成功真空管道高温超导(ETT-HTS)磁悬浮车环形试验线平台,研制成功世界上首个真空管道高温超导磁悬浮车实验样机系统(见表3图8)。直线感应电机配合机械混合制动,载人最高速度25km/h,空载最高速度50km/h。这个运行在真空管道中HTS磁悬浮车实验系统,将是探索高速或超高速ETT-HTS磁悬浮车的好的开端。

图12表示一个超高速ETT-HTS磁悬浮车系统示意图(未绘出ETT)[17]。这个方案包括:HTS磁悬浮车[8],HTS 磁悬浮轴承[66],HTS磁悬浮飞轮储能(FESS)[67],and HTS直线电机[68]。如果用上超导电缆配电送电智能电网系统,将成为名副其实的全超导磁悬浮系统。该系统方案理论上可以实现超高速度,甚至适合用于高温超导磁悬浮发射系统。通过艰苦细致学术和技术研究,或许人类将有可能实现时速几千公里的超高速ETT-HTS磁悬浮车系统。

图12

图12   超高速ETT-HTS 磁悬浮车系统设计方案图(未绘出ETT)[17]

Fig.1   2 Design diagram of the super-high speed ETT HTS maglev train


除了交通运输应用,外HTS块材磁悬浮也用在HTS磁悬浮可重复冷发射[69]、HTS磁悬浮轴承[79]和磁悬浮飞轮储能[80],感兴趣者可以查阅相关参考文献。本文只讨论高温超导磁悬浮列车部分。

参考文献

Onnes H K .

The resistance of pure mercury at helium temperatures

[J]. Commun. Phys. Lab. Univ. Leiden, 1911,12:120.

[本文引用: 1]

Bachelet E .

Levitating transmitting apparatus: US, 1020942

[P]. 1912-3-19.

[本文引用: 1]

Kemper H .

Monorail vehicle with no wheels attached: Reich, 643316

[P]. 1934-8-11.

[本文引用: 1]

Holmer P.

Faster than a speeding bullet train: China is throttling up a 430km/h magnetically levitated train to link Shanghai and its airpor

[C]. IEEE Spectrum, 2003: 30-34.

[本文引用: 1]

Wu Xiangming.

Experience in operation and maintenance of Shanghai maglev demonstration line and further application of maglev in China

[C]. 19th Maglev Conference, Dresden, Germany, 13-15 September, 2006. http://www.2006.de/044_WU/044_WU_ok.pdf .

URL     [本文引用: 1]

Powell J R, Danby G.

High speed transport by magnetically suspended trains

[C]. ASME Winter Annual Meeting, New York, 1966, Paper 66-WA/RR-5.

[本文引用: 1]

Powell J R, Danby G .

A 300 mph magnetically suspended trains

[J]. Mechanical Engineering, 1966,89:30-35.

[本文引用: 1]

Wang Jiasu, Wang Suyu, Zeng Youwen , et al.

The first man-loading high temperature maglev test vehicle in the world

[J]. Physica C superconducting, 2002,part1:809-814.

[本文引用: 4]

王素玉, 王家素, 张庆福 , .

超导磁浮列车的研究与发展

[J]. 低温与超导, 1995,23(4):1-7.

[本文引用: 1]

Wang Suyu, Wang Jiasu, Zhang Qingfu , et al.

Research and development of superconducting maglev train

[J]. Superconductivity and Cryogenics, 1995,23(4):1-7.

[本文引用: 1]

Wu Songtao, Wu Yu, Song Yuntao , et al.

Recent main events in applied superconductivity in China

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2009,19(3):1069-1080.

DOI:10.1109/TASC.2009.2019244      URL     [本文引用: 1]

Nishijima S, Eckroad S, Marian A , et al.

Superconductivity and the environment: a roadmap

[J]. Supercond. Sci. Technol., 2013,26, 113001(35pp).

[本文引用: 2]

王家素, 王素玉 . 超导技术应用[M]. 成都: 成都科技大学出版社, 1995.

[本文引用: 1]

Yamamura S .

Magnetic levitation technology of tracked vehicles present status and prospects

[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1976,12(6):874-878.

DOI:10.1109/TMAG.1976.1059125      URL     [本文引用: 1]

Sawadi K .

Superconducting maglev developed by RTRI and JR central. Railway technology today 12

[J]. Japan Railway & Transport Review, 2000,25:58-61.

DOI:10.1093/icvts/ivz304      URL     PMID:31899511      [本文引用: 1]

This study aimed to evaluate the safety and reliability of percutaneous computed tomography (CT)-guided lipiodol marking for undetectable pulmonary lesions before video-assisted thoracic surgery (VATS).

Sawada K .

Outlook of the Superconducting Maglev

[J]. Proceedings of the IEEE, 2009,97(11):1881-1885.

DOI:10.1109/JPROC.2009.2030246      URL     [本文引用: 1]

Jia-Su Wang.

Past, Present and Future R & D of HTS maglev in China

[C]. Invitation Keynote Speech in The 21st International Conference on Maglev, Daejeon, Korea, 2011.

[本文引用: 1]

Wang Jiasu, Wang Suyu. High temperature superconductive maglev vehicle[M]. Beijing: Beijing University Press, 2014.

[本文引用: 5]

王素玉, 王家素, 连级三 .

高温超导磁浮车

[J]. 低温与超导, 1997,25(1):17-22.

[本文引用: 1]

Wang Suyu, Wang Jiasu, Lian Jisan .

High temperature superconducting maglev

[J]. Superconductivity and Cryogenics, 1997,25(1):17-22.

[本文引用: 1]

Arkadiev V .

Hovering of a magnet over a superconductor

[J]. J. Phys. 1945,9(2):148.

[本文引用: 1]

Arkadiev V .

A floating magnet

[J]. Nature, 1947,160(4062):330.

DOI:10.1038/160330b0      URL     PMID:20261770      [本文引用: 1]

Tachikawa K, Togano K .

Potential methods for the fabrication of high-Tc superconductors for wires and cables

[J]. Proceedings of IEEE, 1989,77(8):1124-1130.

DOI:10.1109/5.34113      URL    

Perini E, Giunchi G, Saglietti L , et al.

Magnetic field trapping in MgB2 bulks and inserts

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011,21(3):2690-2693.

DOI:10.1109/TASC.2010.2086043      URL     [本文引用: 1]

In order to realize superconductive permanent magnets to be used in power applications like the magnetic levitation or electrical motors, we have studied the magnetic field trapping capability of MgB2 discs of different shapes, at temperatures >10 K. In particular we have compared MgB2 bulk discs with MgB2 Superconductive Inserts in Metallic Substrates (SIMS) of diameters of 70 mm. Both superconductive devices have been produced by the Reactive Mg Liquid Infiltration (Mg-RLI) process. The magnetization was performed by the application and removal of an external magnetic field up to 2 T, produced by a superconducting magnet, or by Field Cooling of the superconductive devices nearby NdFeB permanent magnets. The SIMS devices showed a higher stability of the trapped fields with respect to the bulk discs. Typical trapped fields, measured at 1 mm from the surface of the device, are of the order of 1 T. The density distribution of the supercurrents has been estimated by measuring the trapped field at various temperatures up to T-c and performing magnetic levitation forces measurements.

Hellman F, Gyorgy E M, Johnson Jr D W, et al.

Levitation of a magnet over a flat Type 2 superconductor

[J]. J. Appl. Phys. 1988,63:447-450.

DOI:10.1063/1.340262      URL     [本文引用: 1]

Peters P N, Sisk R C, Urban E W , et al.

Observation of enhanced properties in samples of silver oxide doped YBa2Cu3Ox

[J]. Appl. Phys. Lett., 1988,52:2066.

DOI:10.1063/1.99775      URL     [本文引用: 1]

Brandt E H .

Levitation in physics

[J]. Science, 1989,243(1):349-355.

DOI:10.1103/PhysRevE.100.052112      URL     PMID:31869978      [本文引用: 1]

Video images are being used with increased frequency in science, supplanting current methods such as light scattering by statistical evaluation of the images. In this study we use light turbidity data due to density-induced refractive index fluctuations to obtain critical amplitudes from image analysis. In order to bring hydrogen (H_{2}) very close to its critical point, we place the sample cell under weightlessness using a magnetic levitation device. Images of an H_{2}-filled cell are taken near its critical temperature of 33 K by illuminating the cell with three different filters. We fit the turbidity data to a theoretical expression that allows us to estimate the critical amplitudes of isothermal compressibility and fluctuation correlation length. The values of isothermal compressibility and correlation length obtained from turbidity fitting are compared against literature values. Our data analysis shows a large sensitivity of the fitting parameters to the refractive index value and to even minute density deviations from criticality.

Zhang Y, Xu S G.

Measurement and analysis of a HTSC maglev

[C]. Proceeding of Fifteenth International Conference on Magnet Technology, 1998: 763-766.

[本文引用: 1]

Schultz L, de Haas O, P verges , et al.

Superconductively levitated transport system—the supratrans project

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2005,15(2):2301-2305.

DOI:10.1109/TASC.2005.849636      URL     [本文引用: 2]

Kovalev K L, Koneev S M A, Poltavec V N, et al.

Magnetically levitated high-speed carriages on the basis of bulk HTS elements

[C]. Pro. 8th Intern. Symp. Magn. Susp. Technol.(ISMST’8), Dresden, Germany, 2005: 51.

[本文引用: 1]

Stephan R M, Nicolsky R, Neves M A , et al.

A superconducting levitation vehicle prototype

[J]. Physica C,2004, 408-410:932-934.

DOI:10.1016/j.physc.2004.03.169      URL     [本文引用: 1]

Sotelo G G, Dias D H, Machado O J, et al.

Experiments in a real scale maglev vehicle prototype

[C]. Journal of Physics: Conference Series 2010: 032054.

[本文引用: 2]

Okano M, Iwamoto T, Furuse M , et al.

Running performance of a pinning-type superconducting magnetic levitation guide

[J]. J. Phys. Conf. Ser. , 2006,43:999-1002.

DOI:10.1088/1742-6596/43/1/244      URL     [本文引用: 1]

D’ Ovidio G, Crisia F, Lanzara G .

Running performance of a pinning-type superconducting magnetic levitation guide

[J]. Physica C, 2008,468:1036-1040.

DOI:10.1016/j.physc.2008.05.154      URL     [本文引用: 1]

Moon F C .

Superconducting levitation

[M]. New York: Wiley, 1994.

[本文引用: 1]

Werfel F N, Floegel Delor U, Rothfeld R , et al.

Superconductor bearings, flywheels and transportation

[J]. Supercond. Sci. Technol. , 2012,25, 014007.

DOI:10.1088/0953-2048/25/1/014007      URL     [本文引用: 1]

Wang Jiasu Ed.

Proceedings of International Workshop on HTS Maglev

[C]. ISMAGLEV’2002), Chengdu, 2002.

[本文引用: 1]

Deng Zigang, Wang Jiasu, Zheng Jun , et al. Quasi-static optimization of HTS maglev systems with a focus on bulk superconductor part. in: muralidhar miryala ed. superconductivity: recent developments and new production technologies[M]. New York: Nova Science Publishers, 2012.

[本文引用: 1]

Terai M, Igarashi M, Kusada S , et al.

The R&D project of HTS magnets for the superconducting maglev

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2006,16(2):1124-1129.

DOI:10.1016/j.avsg.2019.02.032      URL     PMID:31075453      [本文引用: 1]

To compare hospital outcomes of aortic aneurysm surgery, casemix correction for preoperative variables is essential. Most of these variables can be deduced from mortality risk prediction models. Our aim was to identify the optimal set of preoperative variables associated with mortality to establish a relevant and efficient casemix model.

Kusada S, Igarashi M, Nemoto K , et al.

The project overview of the HTS magnet for superconducting maglev

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(2):2111-2116.

DOI:10.1109/TASC.2007.899691      URL     [本文引用: 1]

Kuwano K, Igarashi M, Kusada S , et al.

The running tests of the superconducting maglev using the HTS magnet

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(2):2125-2128.

DOI:10.1109/TASC.2007.899003      URL     [本文引用: 2]

Ogata M, Miyazaki Y, Hasegawa H , et al.

Basic study of HTS magnet using 2G wires for maglev train

[J]. Physica C, 2010,470:1782-1786.

DOI:10.1016/j.physc.2010.05.206      URL     [本文引用: 1]

Mizuno K, Ogata M, Nagashima K .

Fabrication of 5 T magnet using 2G wires directed at maglev application

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013,23(3):600104.

[本文引用: 2]

Gou X F, Zheng X J, Zhou Y H .

Drift of levitated/suspended body in high-Tc superconducting levitation systems under vibration—part I: a criterion based on magnetic force-gap relation for gap varying with time

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(3):3795-3802.

DOI:10.1109/TASC.2007.902104      URL     [本文引用: 1]

Ma G T, Wang J S, Wang S .

Y. 3-D modeling of high-Tc superconductor for magnetic levitation/suspension application—part I: introduction to the method

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010,20(4):2219-2227.

DOI:10.1109/TASC.2010.2044795      URL     [本文引用: 1]

王家素, 王素玉 .

高温超导磁悬浮测试系统

[J]. 高技术通讯, 2000,10(8):55-58.

[本文引用: 1]

Wang Jiasu, Suyu Wang .

High Tc superconducting magnetic levitation measurement system

[J]. High Technology Letters, 2000,10(8):56-58.

[本文引用: 1]

Wang Jiasu, Wang Suyu, Deng Changyan , et al.

A high-temperature superconducting maglev dynamic measurement system

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008,18(2):791-794.

DOI:10.1109/TASC.2008.920568      URL     [本文引用: 3]

Wang Jiasu, Wang Suyu, Ren Zhongyou , et al.

Levitation force of the YBaCuO bulk high temperature superconductor over the NdFeB guideway

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001,11(1):1801-1804.

DOI:10.1109/77.920136      URL     [本文引用: 1]

Wang J S, Wang S Y, Zeng Y W , et al.

The present status of HTS Maglev vehicle in China

[J]. Supercond. Sci. Technol. , 2005,18:S215-S218.

DOI:10.1088/0953-2048/18/2/044      URL     [本文引用: 1]

王家素, 王素玉 .

一种超导磁悬浮车系统:中国,ZL01128867.1

[P]. 2006-12-6.

[本文引用: 1]

王素玉, 王家素 .

高温超导电磁悬浮

[J]. 低温与超导, 1999,27(4):8-12.

[本文引用: 2]

Wang Suyu, Wang Jiasu .

High temperature superconducting electromagnetic levitation

[J]. Superconductivity and Cryogenics, 1999,27(4):8-12.

[本文引用: 2]

Wang S Y, Wang J S, Ren Z Y , et al.

High temperature superconducting maglev equipment on vehicle

[J]. Physica C, 2003,386:531-535.

DOI:10.1016/S0921-4534(02)02158-5      URL     [本文引用: 1]

刘伟, 王素玉, 林群煦 , .

车载YBCO高温超导块材长期运行悬浮稳定性研究

[J]. 低温物理学报, 2009,31(5):85-89.

[本文引用: 1]

Liu Wei, Wang Suyu, Lin Qunxu , et al.

Research on the long-term operation stability of the bulk YBCO on vehicle

[J]. Chinese Journal of Low Temperature Physics, 2009,3(5):85-89.

[本文引用: 1]

Tomita M, Murakami M .

High-temperature supercon-ductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29K

[J]. Nature, 2003,421:517-520.

DOI:10.1038/nature01350      URL     PMID:12556888      [本文引用: 1]

Large-grain high-temperature superconductors of the form RE-Ba-Cu-O (where RE is a rare-earth element) can trap magnetic fields of several tesla at low temperatures, and so can be used for permanent magnet applications. The magnitude of the trapped field is proportional to the critical current density and the volume of the superconductor. Various potential engineering applications for such magnets have emerged, and some have already been commercialized. However, the range of applications is limited by poor mechanical stability and low thermal conductivity of the bulk superconductors; RE-Ba-Cu-O magnets have been found to fracture during high-field activation, owing to magnetic pressure. Here we present a post-fabrication treatment that improves the mechanical properties as well as thermal conductivity of a bulk Y-Ba-Cu-O magnet, thereby increasing its field-trapping capacity. First, resin impregnation and wrapping the materials in carbon fibre improves the mechanical properties. Second, a small hole drilled into the centre of the magnet allows impregnation of Bi-Pb-Sn-Cd alloy into the superconductor and inclusion of an aluminium wire support, which results in a significant enhancement of thermal stability and internal mechanical strength. As a result, 17.24 T could be trapped, without fracturing, in a bulk Y-Ba-Cu-O sample of 2.65 cm diameter at 29 K.

Durrell J H, Dennis A R, Jaroszynski J , et al.

A trapped field of 17. 6T in melt-processed, bulk Gd-Ba-Cu-O reinforced with shrink-fit steel

[J]. Supercond. Sci. Technol., 2014,27: 082001 (5pp).

[本文引用: 1]

Sawh R P, Weinstein R, Carpenter K , et al.

Production run of 2cm diameter YBCO trapped field magnets with surface field of 2 T at 77 K

[J]. Supercond. Sci. Technol. , 2013,26:105014.

DOI:10.1088/0953-2048/26/10/105014      URL     [本文引用: 1]

Schultz L, Kuehn L, de Hass O, et al.

Supra trans II-research facility for large scale HTS applications

[C]. The Superconductivity Centennial Conference, EUCAS/ICEC/ICMC2011(SCC2011), Paper No. 4-LB-12, Hague, the Netherlands, 2011: 18-23.

[本文引用: 1]

David E G, Stephan R M, Costa G C , et al.

Feasibility study of an HTS-Maglev line at the Federal University of Rio de Janeiro

[C]. International Conference on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives, Maglev’2006, Dresden, Germany.

[本文引用: 1]

Stephan R M, de Andrade R Jr, Ferreira A C, O, et al.

The first full scale functional prototype of the superconducting magnetically levitate vehicle maglev-cobra

[C]. The 21st International Conference on Magnetically Levitated Systems and Linear Drives (MAGLEV 2011), Daejeon, Korea, 10-13 October 2011, Paper No. DPO-8.

[本文引用: 1]

Werfel F N, Floegel Delor U, Rothfeld R , et al.

Recent Up-Scaling in HTS Magnetic Device Technology

[J]. IEEE Trans. on Appl. Superconductivity, 2011,21(3):1473-1476.

DOI:10.1109/TASC.2010.2086036      URL     [本文引用: 1]

西南交通大学超导技术研究所(交大超导).

高温超导磁悬浮论文集

[C]1988~2008年卷.

[本文引用: 1]

西南交通大学超导技术研究所(交大超导).

高温超导磁悬浮论文集

[C]. 2009~2012年卷.

[本文引用: 2]

邓自刚提供, 2015.

[本文引用: 2]

Wang Jiasu, Wang Suyu, Deng Changyan , et al.

Design consideration of a high temperature superconductor maglev vehicle system

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2005,15(2):2273-2276.

DOI:10.1109/TASC.2005.849629      URL     [本文引用: 3]

Wang Jiasu.

Past, present and future R&D of HTS maglev in China

[C]. The 21st International Conference on Maglev, Daejeon, Korea, 2011.

[本文引用: 2]

Okano M, Iwamoto T, Fuchino S, Tamada N .

Feasibility of a goods transportation system with a superconducting magnetic levitation guide-load characteristics of a magnetic levitation guide using a bulk high-Tc superconductor

[J]. Physica C, 2003,386:500-505.

DOI:10.1016/S0921-4534(02)02111-1      URL     [本文引用: 2]

D. Oster在“交大超导”的学术交流资料.也见www.et3.com.

URL     [本文引用: 2]

邓自刚, 王家素, 王素玉 , .

高温超导磁悬浮轴承的研究进展

[J]. 电工技术学报, 2009,2(9):1-8.

URL     [本文引用: 3]

As one of the most representative applications of self-stable high temperature superconducting magnetic levitation technology, high temperature superconducting magnetic bearing (SMB) can realize passive high-speed rotation without any friction, which provides a new way to markedly improve and upgrade the performance of present machinery and equipment with common bearings. In order to summarize the research and development status of SMB, the typical prototypes are described respectively from America, Germany, Japan and Korea, as well as other domestic and foreign groups. The key technical issues and present hotspot are pointed out and discussed to explain the future development and potential prospect.

Deng Zigang, Wang Jiasu, Wang Suyu , et al.

Research and development status of high temperature superconducting magnetic bearings

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009,24(9):1-8.

URL     [本文引用: 3]

As one of the most representative applications of self-stable high temperature superconducting magnetic levitation technology, high temperature superconducting magnetic bearing (SMB) can realize passive high-speed rotation without any friction, which provides a new way to markedly improve and upgrade the performance of present machinery and equipment with common bearings. In order to summarize the research and development status of SMB, the typical prototypes are described respectively from America, Germany, Japan and Korea, as well as other domestic and foreign groups. The key technical issues and present hotspot are pointed out and discussed to explain the future development and potential prospect.

邓自刚, 王家素, 王素玉 , .

高温超导飞轮储能技术发展现状

[J]. 电工技术学报, 2008,23(12):1-10.

[本文引用: 2]

Deng Zigang, Wang Jiasu, Wang Suyu , et al.

Status of high temperature superconducting flywheel energy storage system

[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008,23(12):1-10.

[本文引用: 2]

Yen F, Li J, Zheng S J , et al.

A single-sided linear synchronous motor with a high temperature superconducting coil as the excitation system

[J]. Supercond. Sci. Technol. , 2010,23(10):105015.

DOI:10.1088/0953-2048/23/10/105015      URL     [本文引用: 1]

Wang Jiasu, Wang Suyu, Deng Changyan , et al.

Laboratory-scale high temperature superconducting maglev launch system

[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007,17(2):2091-2094.

DOI:10.1109/TASC.2007.898367      URL     [本文引用: 1]

/