8.1.3.1 概述

   1973年進行了導向和推進兩用方式的，速度為150km/h的穩(wěn)定懸浮。1974年制造了地面為一次側的同步電機推進，超導懸浮和導向ML100A試驗車，并首次進行了非接觸式懸浮走行試驗。在國鐵研究所內(nèi)除進行走行試驗外，還利用超高速軌道試驗裝置、直線電機的地面變頻試驗裝置、車輛運行位置檢測裝置進行了供電系統(tǒng)，交－交流變頻器，位置檢測，車輛控制，空氣動力學等基礎分析和試驗工作。
   1974年，日本在國鐵本部召開了懸浮鐵道會議，確定建設以走行時速為500km/h的7km宮崎試驗線。至1977年7月完成了1.3kmT型軌道線路，并用ML500型試驗車開始試驗。1979年線路延至7km。在宮崎線內(nèi)，ML500試驗速度達517km/h（如圖8-9）為世界最高紀錄。證實修建500km/h以上的超導磁懸浮鐵道是可行的。此后，由于考慮到載客的需要，又加寬了車體。軌道斷面由T形改為U形。1980年11月MLU001實驗車（圖8-10）開始走行試驗。該車的特點是采用高性能超導線圈，并且懸浮，導向，推進采用同一個超導線圈，此外還簡化了超導磁鐵的結構，減輕了重量和縮小了體積，改善了冷卻裝置的絕熱性能，開發(fā)了輕型車載冷卻裝置。3輛編組走行速度達362km/h，2輛編組走行速度達400km/h。試驗證實了平穩(wěn)性、舒適性。校核了軌道加工允許偏差及感應受電等技術問題。至此，1號車乘客達10000人，走行試驗往返7500次，總走行里程達40000公里。

   1987年3月，在宮崎試驗線路開始了MLU200試驗車走行試驗。MLU002車體長22m，由于超導線圈性能的改善，線圈數(shù)目有所減少，并且采用集中布置。70年代中期，在空運需求不斷增長的狀況下，日本航空協(xié)會JAL提出了任務，要在市中心和機場間用減少噪音和廢氣對環(huán)境的影響的前提下，如何來更快、更舒適地輸送乘飛機的旅客，因此，從1975年始，日本航空公司開發(fā)了HSST技術（High Surface Transportion高速路面運輸），用直線電機驅動的磁懸浮車HSST-01于1975年制成，時速達300km/h以上。1978年制成了HSST-02，該車試驗輸送3000人次，1983年制成了HSST-03號，該車于1985年的筑波國際工藝展覽會上展出，該車有48個座位，展覽會期間總共輸送參觀人員約600000人次。1987年又制成了HSST-04號。該車可容納70名乘客，該車先后在崎玉展覽會，橫濱博覽會期間展出，以后又發(fā)展了HSST-05號及HSST-100號。圖8-11分別為HSST-03，HSST-05及HSST-100型機的照片。圖8-12為該系統(tǒng)的示意圖，表8-3表示了HSST-100型的基本參數(shù)。

   為進行實用化，實現(xiàn)東京－大坂1小時運行的時速為500km/h的目的，日本于1990年6月決定在山犁縣建造48.2km的實用超導磁懸浮鐵道試驗線，總拔款3000億日元。筆者于1998年赴日本山犁試驗線參觀時，已部分通車試驗。時速最高已達500km/h以上。

                        圖8-11 HSST各種類型

2.懸浮原理   超導懸浮也叫電動懸浮，如圖8-16所示。與車輛超導線圈旁邊放置有地面短路線圈（也稱懸浮線圈）。車輛由直線同步電機推進。當車輛有了速度時，則與懸浮線圈相交鏈的磁通必有所變化，如同發(fā)電機原理一樣，磁通變化在懸浮線圈內(nèi)產(chǎn)生電流與超導線圈間發(fā)生作用，從而產(chǎn)生了排斥力，即產(chǎn)生懸浮力。同時，懸浮線圈也由于流過感應電流而產(chǎn)生焦耳熱，從而消費能量。對車輛來說，這種能量消耗將以運行阻力（磁阻力）的形式表現(xiàn)出來。線圈的交鏈磁通、電流、電壓的波形如圖8-17所示。超導線圈與懸浮線圈的作用力，如圖8-18所示。懸浮力隨速度的增大而增大達到一定的速度幾乎成為定值，做為運行阻力的磁阻力卻在某一速度下達到最大值，然后隨速度的提高反比下降、一定時間后相應的阻力及電能消耗成為定值。    懸浮力與磁阻力之比稱為浮阻比。對一定的懸浮系統(tǒng)來說，希望浮阻比大些為好。減小線圈電阻可使磁阻力減小。另外，為保持一定的浮力，采用所謂零磁通法，便可在不減少浮力的條件下，減小線圈電流的磁阻力。零磁通的原理如圖8-19所示。因為在這種方法中垂直布置超導線圈，且相對在懸浮線圈的中心線上下是對稱的。故稱這種方式為側壁式懸浮方式。在“8”字形線圈中，上下半部線圈的交鏈磁通將互相抵消，因而在線圈中無感應電流和懸浮力產(chǎn)生。向下移動超導線圈時，上下線圈間的交鏈磁通產(chǎn)生不均衡，交鏈磁通的差值與位移成正比。電流及浮力也與下降位移成正比。但另一方面，我們知道，懸浮線圈內(nèi)部損耗與電流平方，即與位移的平方成正比。因此在“8”字形線圈中產(chǎn)生的懸浮力與磁阻力之比值仍與位移成反比。當位移很小時，則有良好的懸浮磁阻比。

   3、導向原理   導向的原理與懸浮原理相同，只是使左右線圈產(chǎn)生力的方向相差180℃，因而相對車輛中心線的任何左右位移時，將產(chǎn)生回復力。如產(chǎn)生懸浮力一樣，在沒有左右位移時不產(chǎn)生回復力。宮崎線的導向線圈布置原理如圖8-20所示。當車輛偏離中心位置時，左右兩線圈的交鏈磁通將不一樣，因左側右側電路相串接，于是產(chǎn)生了左右回復力，即導向力。
   如將左右側的懸浮線圈相互聯(lián)接起來，便構成導向線圈與推進線圈共用的復式懸浮導向系統(tǒng)。圖8-20中的導向線圈比較窄，當上下兩段并列布置時，其高度便成為一樣的了。
   4.技術特點   在超導磁懸浮系統(tǒng)中，推進、懸浮、導向線圈均為無鐵心的空心線圈，因此沒有鐵芯飽和問題，不加任何控制的磁通在空間是發(fā)散的，會產(chǎn)生三維空間力。但是，由于在車上裝有超導線圈，其結果導致推進、懸浮、導向三者均有作用，形成了地上線圈具有推進與導向，懸浮與導向的綜合功能。
   (1)推進特點：做為同步直線電機勵磁用的超導線圈，極距很大，超導線圈長度與懸浮氣隙10cm相比是很大的，因推力與電流成比例，電流又與速度有關，所以在高速時有良好的推力特性。同時又因為產(chǎn)生推力的能量是由地面提供的，所以不存在受流問題。因此，在高速時能產(chǎn)生很大的推力。大家知道，同步電機的速度與控制頻率成正比，并且還要準確檢測與車輛位置相對應的地面線圈中電流的相位。
   (2)懸浮特點：由于地面線圈的懸浮電流是由車輛通過時感應而產(chǎn)生的，所以懸浮系統(tǒng)是一個無需返饋控制的自穩(wěn)定系統(tǒng)，而且懸浮氣隙又比較大，懸浮高度高，約為10cm，這是超導懸浮的優(yōu)點。
然而，在這種懸浮方式中，在車輛起動時，在低速運行條件下，不能發(fā)揮足夠的懸浮力，需要輔助支撐裝置，這是其缺點。
   (3)導向特點：導向特點幾乎與懸浮特點相同，如果車輛在線路的中心線上運行，并不會產(chǎn)生導向能力和損耗產(chǎn)生。