磁浮高铁系统：高温超导取得突破

高温超导磁悬浮（High-Temperature Superconducting Maglev，HTS Maglev）是另一种超导电动悬浮技术，该技术在工作时利用液氮代替液氦对车载超导磁体进行冷却。相比目前低温超导磁浮技术，高温超导磁浮技术提高了磁浮列车运行时车载超导体的工作温度，其理论运行能耗会进一步降低。高温超导磁悬浮技术基于感应原理，主要利用高温超导体在混合态中的磁通钉扎特性及抗磁性，以此来实现稳定悬浮。这种自稳定悬浮抗干扰能力强，相比于其他悬浮方式有着其自身的特殊优势。如图3.25为高温超导磁悬浮列车的基本结构。

图3.25　高温超导磁悬浮列车

1．基本原理

超导磁悬浮根据冷却温度不同，又可以划分为高温超导磁悬浮和低温超导磁悬浮，与低温超导磁悬浮的液氦冷却（零下269 °C）不同，高温超导磁悬浮采用液氮冷却（零下196 °C），工作温度得到了提高。

原理一：高温超导磁悬浮系统　在磁浮高铁系统中，利用非理想第Ⅱ类高温超导体在混合态中的磁通钉扎特性以及抗磁性来实现稳定悬浮。其悬浮原理为高温超导体处于超导态并置于永磁体上方时，由于磁场梯度的存在，高温超导体表面会产生感应电流。由于高温超导体会表现出零电阻特性，因此其感应电流不会衰减。此外由于第Ⅱ类超导体处于混合态时其内部能够存在的磁通量是固定且稳定存在的，因此即使是处于不均匀的外加磁场中仍能在宏观上表现出自稳定悬浮态。

原理二：高温超导磁悬浮列车　由车载超导材料及其低温系统、地面永磁轨道系统和驱动系统三大部分组成。在磁浮高铁系统中，车载超导体一般采用超导单畴稀土钡铜氧（REBCO）块材，目前已有的高温超导磁浮列车大多都使用其中的钇钡铜氧体（YBaCuO）作为车载超导体。在磁浮高铁系统中，高温超导磁浮列车的轨道一般由钕铁硼（NdFeB）永磁体和聚磁铁轭等按一定的结构组装而成，以便在轨道上方获得较大磁场。对于高温超导磁浮列车而言，其运行的驱动系统则一般由直线电机组成。如图3.26为日本铁道技术研究所于2017年开发的首个试验型全尺寸二代（REBCO）超导磁体设计结构。

图3.26　试验型全尺寸二代REBCO车载超导磁体

2．属性特征

高温超导材料具有电流密度大、无阻载流的特点。在直流状态下，高温超导带材的电阻一般小于10～11 Ω/cm。因此使用高温超导材料绕制悬浮电磁铁，可以大大降低损耗，减小线圈体积。高温超导磁浮技术利用非理想第Ⅱ类超导体的磁通钉扎特性，以及其在梯度磁场中产生的自稳定悬浮现象来实现列车悬浮。高温超导磁浮技术无须像电磁悬浮列车一样需要复杂地悬浮于导向控制系统，是一种新型悬浮导向一体化轨道交通应用技术。

高温超导可工作于液氮温区，低温系统简单且制冷成本低。高温超导的悬浮间隙一般在8～20 mm，在实际道路建设中对轨道平顺度、路基下沉量等有一定要求。基于轨道的特殊建造需求，高温超导磁悬浮技术对稀土永磁体资源的需求较大。如图3.27为日本藤仓公司于20世纪90年代初研制的二代高温超导带材设计结构。

图3.27　二代高温超导带材结构(www.xing528.com)

3．研究现状

1997年，我国西南交通大学超导技术研究所便开始高温超导磁悬浮列车的探索研究。2000年，世界首辆可载人高温超导磁悬浮试验车“世纪号”在西南交通大学研制成功，主要由YBCO块材和3 mm低温杜瓦容器组成，地面永磁轨道全长15.5 m，轨道表面磁场强度达1.2T，悬浮高度10 mm时可产生10 431 N的悬浮力。2013年，西南交通大学牵引动力重点实验室经过对永磁轨道排布、车载YBCO块材排布、块材磁化的研究，建成了新一代高温超导磁悬浮试验系统，如图3.28所示。

图3.28　西南交大新一代高温超导磁悬浮试验系统示意图

2014年，西南交通大学结合真空管道与高温超导磁浮，在现有高温超导磁浮技术上搭建了Super-Maglev真空管道/高温超导磁悬浮试验线（Evacuated Tube Transportation-High Temperature Superconductor，ETT-HTS），如图3.29所示。

图3.29　Super-Maglev真空管道/高温超导磁悬浮试验线

世界各国都加快了对高温超导磁悬浮技术的研究。目前，德国、日本、巴西以及美国都在开展有关高温超导磁悬浮交通系统的研制。2004年，德国研发出第一代直线电机驱动的高温超导磁浮车SupraTransI，轨道长7 m，用40块三籽晶熔融织构法制备的YBCO块材与双轨钕铁硼永磁轨道作用产生悬浮。2011年，德国开发出第二代SupraTransII，其钕铁硼永磁轨道延长至80.84 m，仍利用YBCO块材悬浮，悬浮力和间隙有所提高。同时改用短定子直线电机驱动，最高行驶速度为20 km/h，如图3.30所示。

图3.30　德国IFW研制的SupraTransII

2014年，另一条较为成熟的高温超导磁悬浮线在巴西里约热内卢联邦大学落成。该线路基于Maglev Cobra计划，定位于中低速悬浮，旨在缓解市区内轨道交通压力。Maglev Cobra试验线建在联邦大学内，钕铁硼永磁轨道全长200 m，车身采用GFRP玻璃钢制作，单节载客量24人，如图3.31所示。

图3.31　巴西Maglev Cobra低速高温超导磁悬浮系统

尽管许多国家都在大力研究高温超导磁悬浮技术，但是目前的技术成果依旧主要处于实验室试验或小规模低速实用阶段，并未开展商业化运营的探索。相比较而言，常导电磁悬浮技术和低温超导悬浮技术的商业前景更为明朗。