电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述.pdf

电动悬浮列车具有速度高、悬浮间隙大、安全系数高等优点，在超高速磁悬浮列车领域具有十分光明的应用前景.车载超导磁体是超导电动悬浮列车的核心组成部分之一，其服役可靠性是列车安全运行的重要基础.本文系统地阐述国内外电动悬浮列车的发展历史及现状，针对国内外电动悬浮系统中车载超导磁体的结构和技术方案进行对比和总结.高温超导磁体技术已经成为超导电动悬浮领域的重要发展方向，在列车行驶过程中车载超导磁体系统的热稳定性和振动稳定性是影响其可靠服役的重要因素.高温超导磁体闭环运行技术、轻量小型化低温系统结构设计、高强度低漏热支撑结构设计等将是未来超导电动悬浮系统中车载超导磁体需要重点研究和解决的关键技术难题.关键词：磁悬浮列车；电动悬浮；车载超导磁体；高温超导；研究进展中图分类号：TM26；U266.4文献标志码：AReview on Electrodynamic Suspension Trains andon-Board Superconducting MagnetsLIU Shixian1,2,WANG Lei1,2,WANG Luzhong1,2,WANG Qiuliang1,2(1.InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China;2.SchoolofElectronics,Elec-tricalandCommunicationEngineering,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)Abstract:Theelectrodynamicsuspension(EDS)trainhastheadvantagesofhighspeed,largesuspensiongap,andhighsafetyfactor.Ithasabrightapplicationprospectinthefieldofultra-high-speedmaglevtrains.Theon-boardsuperconductingmagnetisoneofthecorecomponentsofthesuperconductingEDStrain,anditsreliabilityinserviceisthebasisforthesafeoperationofthetrain.Inthispaper,thedevelopmenthistoryandstatusofEDStrains in China and abroad were summarized,and the structure and technical solutions of on-boardsuperconducting magnets in global EDS systems were compared and summarized.The high-temperaturesuperconducting(HTS)magnet technology has become an important development direction in the field ofsuperconductingEDS.Thethermalandvibrationstabilityoftheon-boardsuperconductingmagnetsystemduringtherunningofthetrainisanimportantfactoraffectingitsreliableservice.Theclosed-loopoperationtechnologyofHTSmagnets,thestructuraldesignoflightweightandminiaturizedcryogenicsystems,andthatofhigh-strengthandlowheatleakagesupportdeviceswillbethekeytechnicalproblemsthatneedtobestudiedandsolvedfortheon-boardsuperconductingmagnetsinsuperconductingEDSsystemsinthefuture.Key words:maglev train;electrodynamic suspension;on-board superconducting magnet;high-temperaturesuperconducting;researchprogress收稿日期：2022-09-05修回日期：2022-11-29网络首发日期：2022-12-01基金项目：中国科学院前沿科学重点研究计划（ZDBS-LY-JSC039）第一作者：刘士苋（1997），男，博士研究生，研究方向为高温超导电动悬浮磁体，E-mail：通信作者：王磊（1988），男，副研究员，博士，研究方向为超导电动悬浮技术，E-mail：引文格式：刘士苋，王磊，王路忠，等.电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述J.西南交通大学学报，2023，58(4)：734-753LIU Shixian,WANG Lei,WANG Luzhong,et al.Review on electrodynamic suspension trains and on-board superconductingmagnetsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2023，58(4)：734-753第58卷第4期西南交通大学学报Vol.58No.42023年8月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYAug.2023自 1825 年世界第一条铁路建成算起，铁路交通已经发展了近 200 年.随着经济的发展、科技的进步，人们对于客运交通的需求日益增大，迫切需要建设和发展与高速客运需求相适应的、可持续发展的地面高速交通体系.传统的轮轨列车依靠列车车轮与轨道之间的黏着牵引力在轨道上滚动前行，但是这种牵引方式制约着列车的高速运行，一般来说轮轨铁路很难实现超过 400km/h 的行驶速度1.因此，科学家们考虑去掉车轮和导轨，提出了磁浮铁路的设想.1 磁悬浮列车分类根据磁悬浮列车的悬浮方式不同，可以将磁悬浮列车划分为：电磁悬浮（electromagneticsuspension,EMS）列车、电动悬浮列车（electrodynamicsuspension,EDS）、超导钉扎悬浮（superconductingpinninglevita-tion,SPL）列车1.表 1 对 3 种磁悬浮列车的悬浮特点及相关技术参数进行了比较，文献2-3中详细介绍了各种悬浮方式的悬浮原理.表 1 不同悬浮方式的磁悬浮列车对比3-6Tab.1Comparisonofmaglevtrainswithdifferentsuspensionmethods36悬浮类型悬浮原理悬浮高度/mm最高试验速度/(kmh1)最高应用速度/（kmh1）悬浮、导向控制车载磁体路轨铺设车辆重量（单节车厢）研究进展EMS车载磁体与铁磁轨道之间的相互吸引产生悬浮力810550（德国TR09）430（上海磁浮线TR08）需要闭环控制，有静态悬浮电磁铁硅钢片重，56.5t（德国TR09）商业运营EDS车载磁体与“8”字线圈、导电板之间相对运动产生悬浮力80150（超导电动悬浮），2030（永磁电动悬浮）603（JR东海L0）505（日本山梨试验线L0）自稳定，无需控制，无静态悬浮超导磁体，永磁体“8”字线圈，金属导电板轻，25t（JR东海L0）准商业运营SPL非理想第二类超导体的抗磁特性产生悬浮力1030300（西南交通大学模型车）自稳定，无需控制，有静态悬浮超导块材永磁导轨轻，12t（西南交通大学工程化样车）试验阶段目前，电磁悬浮和电动悬浮技术已经达到了实用化水平，其中，电磁悬浮技术主要分为以德国运捷（TransRapid,TR）系列7为代表的高速磁悬浮列车和以日本高速地面运输（highspeedsurfacetransport,HSST）系列8为代表的中低速磁悬浮列车，图 1 和图 2 介绍了各自的发展历程.采用德国 TR08 型常导电磁悬浮列车的上海高速磁浮线已于 2006 年正式投入商业运营，列车最高运营时速 431km9；采用 HSST 技术的 Linimo 磁悬浮列车也已于 2005 年在日本东部丘陵线上投入商业运营，列车设计最高时速 100km10；我国也已经自主设计了 3 条中低速磁浮线路：长沙磁浮快线11、北京 S1 线12和凤凰磁浮观光快线13，目前均已投入商业运营.1969 年，第一台电磁悬浮模型车 TR01 1979 年，TR05，最高速度 100 km/h，汉堡国际交通博览会展示 2008 年，TR09，最高试验速度 550 km/h 1934 年，HermannKemper 申请磁悬浮专利 1975 年，HMB1，长定子直线同步电机驱动；1976 年，HMB2，最高速度 36 km/h 1983 年，埃姆斯兰试验线建造，TR06；1987 年，最高运行速度 412.6 km/h 1988 年，TR07；1993 年，最高载人运行速度 450 km/h 1999 年，TR08；2002 年，上海磁浮线最高试验速度 501 km/h 1974 年，TR04，最高速度 253.2 km/h 1971 年，TR02，最高速度 164 km/h；1973 年，TR03，气垫悬浮尝试实现商业运营；2003 年，图1德国 TR 系列电磁悬浮列车发展历程1,14-15Fig.1DevelopmenthistoryofTRseriesEMStrainsinGermany1,14-15第4期刘士苋，等：电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述735 1976 年，HSST-02，最高速度 100 km/h 1987 年，HSST-04，最高速度 40 km/h 1991 年，名古屋试验线建成，HSST-100S 最高速度 110 km/h，HSST-100L 最高速度 130 km/h 2005 年，东部丘陵线投入商业运营 1975 年，HSST-01，感应电机驱动，火箭二级驱动，最高速度 307.8 km/h 1985 年，HSST-03，最高速度 40 km/h1989 年，HSST-05 2003 年，Linimo，最高速度 100 km/h图2日本 HSST 系列电磁悬浮列车发展历程15Fig.2DevelopmenthistoryofHSSTseriesEMStrainsinJapan5从表 1 的对比中可以看出，电动悬浮超导磁悬浮列车具有运行速度高、车辆轻、悬浮间隙大等优点，是目前超高速磁悬浮列车发展的主流趋势.本文主要介绍了电动悬浮列车及其车载超导磁体在国内外的研究进展，文献3,16-20更详细地介绍了电磁悬浮列车、超导钉扎悬浮列车的最新研究进展.2 电动悬浮列车 2.1 电动悬浮分类电动悬浮按照场源形式可以划分为超导电动悬浮和永磁电动悬浮，超导电动悬浮按照磁体的工作温度又可以划分为高温超导电动悬浮和低温超导电动悬浮；按照轨道形式电动悬浮还可以划分为线圈式和导电板式.从目前各国报道的研究进展来看，在上述的几种电动悬浮方式中，日本研发的线圈式超导电动悬浮列车最具实用化前景，本文主要介绍线圈式超导电动悬浮列车，在 2.3.2 节中简单介绍永磁电动悬浮列车.2.2 工作原理线圈式超导电动悬浮系统的典型结构如图 3 所示，该系统轨道通常采用“U”型结构.线圈式电动悬浮系统的工作原理参考图 4，电动悬浮是一种被动悬浮方式，当列车行驶时，车辆下方安装的车载超导磁体沿轨道方向行进，使得轨道两侧安装的“8”字悬浮线圈产生感应电流和磁场，感应磁场作用于车载超导磁体，产生悬浮力.悬浮力随着列车行驶速度的提升而提升，当列车行驶速度较低时，列车依靠车轮支撑，当列车达到一定速度时，悬浮力增大到足以克服重力时，列车便可实现悬浮，列车达到正常行驶速度时的悬浮高度可以达到 80150mm3.NSNSNS推进线圈车体车载超导磁体着陆轮8 字悬浮导向线圈U 型轨道图3超导电动悬浮系统示意21Fig.3SchematicofsuperconductingEDSsystem21(a)悬浮原理(b)导向原理(c)驱动原理NS图4超导电动悬浮原理示意1Fig.4SchematicofprincipleforsuperconductingEDS1电动悬浮列车的导向同样依靠轨道两侧的“8”字线圈，当列车在行驶的过程中发生左右偏移时，轨道两侧的“8”字线圈的磁通发生变化，产生736西南交通大学学报第58卷与列车偏移方向相反的导向力作用于车载超导磁体.与悬浮原理类似，列车所受导向力也是随着列车的行驶速度的提升而不断提升，当列车行驶速度较低时，仅依靠“8”字线圈产生的导向力不足以保证列车的正常行驶，因此，在电动悬浮列车的转向架两侧安装导向轮来实现列车低速行驶过程中的导向.电动悬浮列车一般采用长定子直线同步电机实现驱动.电机的定子一般安装在轨道两侧，向定子绕组中通入三相交变电流后，会产生一个沿线路行进的磁场，该磁场与车载超导磁体相互作用产生列车的驱动力.由于定子沿轨道全程铺设，通常采用分段供电的方式，各个地面驱动绕组被划分为多个分区，各分区在一般情况下无电流通过，只有车辆通过该分区时绕组才接通电流1.2.3 各国研究进展超高速电动悬浮列车主要以日本研发的 MLX、L0 系列为代表.截至目前为止，仅有日本研发出可实用化的电动悬浮列车，其余各国的研究尚处于试验阶段.2.3.1日本日本国有铁道（JapaneseNationalRailways,JNR）在 1962 年就已经开始了磁悬浮列车的研究，图 5 总结了日本电动悬浮列车的发展历程，1972 年 JNR 研发了第一辆 ML100 型常导电动悬浮原理车和 LSM-200 型超导磁悬浮试验车.经过一系列对比，由于超导电动悬浮列车具有悬浮高度大、自稳定悬浮、车辆轻等优点，日本最终确定了超导电动悬浮列车的研究方向.1977 年，1.3 km 宫崎试最高运行速度 517 km/h验线建成，ML500；1979 年，宫崎线扩建至 7 km1987 年，MLU002 1997 年，18.4 km 山梨试验线建成，MLX01；2003 年，最高载人运行速度 581 km/h 1972 年，第一台电动磁悬浮原理车 ML100(美国专利)2013 年，山梨试验线扩建至 42.8 km，L0 2027 年，实现商业 2012 年，L0；2015 年，603 km/h 新纪录；2020 年，改进型 L0 1993 年，MLU002N 型；1995 年，最高载人运行速度 411 km/h 1980 年，MLU001；1987 年，最高载人运行速度 400.8 km/h 运营(中央新干线)，L0 图5日本电动悬浮列车发展历程1,15,21-23Fig.5DevelopmenthistoryofEDStrainsinJapan1,15,21-231974 年，为了进行包括磁浮列车、导轨结构、三相交流供电、控制调度等一系列试验，JNR 决定修建第一条磁浮试验线宫崎试验线，线路全长 7km，于 1977 年完成，起初设计的轨道是“倒 T”型.同年，ML500 型磁悬浮试验车研发成功，该试验车在1979 年实现了 517km/h 的最高试验速度24.1980 年，JNR 研发了 MLU001 型磁悬浮列车，正式采用“U”型轨道，该轨道可以为车厢设计提供更大的空间，提高车厢载客量.在此基础上，1987 年和1991 年 JNR 又分别研发了带有座椅的 MLU002 型磁悬浮列车25和具有防火性能的 MLU002N 型磁悬浮列车26，并在 1994 年实现了 411km/h 的载人最高试验速度.1986 年，日本铁道综合技术研究所（railwaytechnicalresearchinstitute,RTRI）接替了超高速磁悬浮列车的研发工作.由于宫崎试验线为单线，且没有设置坡路和隧道，无法完成商业化运营试验，因此，1990 年日本决定修建山梨试验线.线路由日本东海旅客铁道公司（JR 东海）和日本铁道建设工团负责修建，设计全长 42.8km，有一定的坡度、转弯和隧道，一期工程 18.4km 于 1996 年完工.1995 年，JR 东海为山梨试验线设计了 MLX01 型磁悬浮列车27，并进行实用化试验，该列车是日本设计的准商业运营列车.该型列车在 2003 年实现 581.7km/h的最高试验速度，2004 年实现 1026.3km/h 的双向会车最高速度28.经过长时间的试验，日本超导磁体悬浮铁路实用技术委员会评估日本超导磁浮铁路已经具备实用化的基础技术.2007 年 JR 东海宣布要在东京和名古屋之间修建一条中央新干线，预计 2027 年通车，第4期刘士苋，等：电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述737线路预计运营时速 505km/h.2012 年，JR 东海在 MLX01 的基础上改进研发了 L0 型磁悬浮列车，并将其应用到扩建后的山梨试验线上，列车在 2015 年创造了 603km/h 的载人最高行驶速度的世界纪录29.在 2020 年，JR 东海根据各种测试数据对 L0 型列车进行了一系列的改进，列车外观及其内部照片如图 6 所示，列车相关参数见表 2.(b)车厢内部(a)车辆外观图6日本改进型 L0 磁悬浮列车6Fig.6ImprovedL0maglevtraininJapan6表 2 改进型 L0 磁悬浮列车主要技术参数6Tab.2MaintechnicalparametersofimprovedL0maglevtrain6参数取值悬浮方式电动悬浮编组5/7/12车辆尺寸（单节车厢）/m长25，宽2.9，高3.08重量/（t车厢1）25设计最高速度/（kmh1）603运行速度/（kmh1）505近 20 余年里，日本一直致力于研发高温超导电动悬浮列车，并取得了一系列的研究成果，这些将在第 3 节中进行详细的介绍.虽然目前日本实际运营的磁悬浮列车仍然采用低温超导磁体，但是 RTRI已经开发了两代车载高温超导磁体，取得了一系列的研究成果.日本对于磁悬浮列车的研究已有 50 余年，在超高速电动悬浮领域积累了丰富的经验，其磁浮铁路技术已经相当成熟，中央新干线也将在 2027 年正式投入运营.2.3.2美国美国在早期开展了大量的磁悬浮研究.1966 年，Powell 等30提出了用超导磁体实现悬浮.20世纪60 年代至 70 年代，斯坦福研究所和福特汽车公司的团队制造了电动悬浮试验车31.20 世纪 70 年代，麻省理工学院（MassachusettsInstitute of Technology，MIT）提 出 了 磁 浮 飞 机（Magplane）的概念，磁浮飞机采用电动悬浮方式，有超导悬浮和永磁悬浮两种设计方案32.超导方案被提出后早期进行了大量的原理、实验验证，近年来，由于永磁悬浮方案成本的下降，磁浮飞机的研究多集中于永磁悬浮方案上.与日本采用的“8”字线圈轨道不同，磁浮飞机采用导电板圆弧形轨道，其结构如图 7 所示.在轨道两侧安装有铝制成的导电板，中部安装有长定子直线同步电机；车体下部两侧安装有按 Halbach 结构排列33的车载磁体用来实现悬浮，中部安装有驱动用的车载磁体.当车载磁体沿着导轨行进时，移动的磁场会在导电板中产生感应电流，感应电流产生的磁场与车载磁体相互作用，竖直分量实现车辆悬浮，水平分量实现车辆导向.长定子铝材轨道车体永磁体组合铝导电板空心长定子(a)外观(b)结构图7美国麻省理工学院提出的磁浮飞机32Fig.7MagplanedevelopedbyMIT,USA32磁浮飞机采用永磁体、导电板轨道结构，其结构简单、造价较低，但采用导电板导轨涡流损耗较大，且永磁体占用车体的空间和重量较大，因此，目前该方案很难实用化.在 2013 年，美国特斯拉首席执行官 Musk 提出了真空管道超级高铁（Hyperloop）的概念.2018 年，美国超级高铁交通技术公司（HyperloopTranspor-tationTechnologies，HTT）34制造了首个超级高铁全尺寸车辆，其外观如图 8（a）所示，车辆采用 Inductrack永磁电动悬浮技术公司35；美国维珍超级高铁（VirginHyperloop，VH）36也开始部署真空管道磁悬浮计划，并在 2020 年完成首次载人运行，其车辆外观如图 8（b）所示.738西南交通大学学报第58卷美国在早期开展了大量的磁悬浮研究工作，但由于政府对磁悬浮列车的态度一直摇摆不定，因此其研究进度相对缓慢.近几年，美国在结合真空管道的超高速永磁电动悬浮技术上研究较多.(a)HTT(b)VH图8HTT 公司和 VH 公司研制的真空管道磁悬浮车34,36Fig.8MaglevvehiclesbasedonevacuatedtubesdevelopedbyHTTandVH34,362.3.3中国我国在电动悬浮列车领域相比于日本、美国起步较晚，自 2000 年以来，国防科技大学、中国科学院电工研究所、西南交通大学等高校和科研院所相继开展了相关技术研究及部分原理验证工作.中车长春轨道客车股份有限公司牵头修建了国内首条基于电动悬浮原理的试验线路37.中国航天科工飞航技术研究院在 2018 提出研发时速 1000km 的真空管道高温超导电动悬浮列车，并在 2021 年开始在大同（阳高）修建试验线路38.2023 年 1 月 14 日，中国飞航技术研究院报道其完成了首次全尺寸超导航行试验，试验车辆在 210m 线路上实现了超过 50km/h的航行速度，这也是国内首次全尺寸超导航行试验39.图 9 是其公开的超高速磁悬浮试验车照片.图9中国航天科工集团研制的超高速磁悬浮试验车39Fig.9Testvehicleofultra-high-speedmaglevdevelopedbyChinaAerospaceScienceandIndustryCorporation(CASIC),China39我国在电动悬浮列车领域起步较晚，但上海交通大学、西南交通大学等单位在电动悬浮车载高温超导磁体领域已取得了一系列的研究成果.3 车载超导磁体系统结构如前文所述，在电动悬浮列车中，车载超导磁体是核心部件，承担着与地面线圈（驱动、悬浮、导向线圈）相互作用，实现列车驱动、悬浮、导向的任务.根据超导线圈的绕制线材不同，超导磁体可以分为基于 NbTi 低温超导线绕制的低温超导（lowtemperaturesuperconducting,LTS）磁体、基于 Bi 系一代高温超导带材绕制的高温超导（hightemperaturesuperconducting,HTS）磁体和基于 ReBCO 二代高温超导带材绕制的高温超导磁体，基于高温超导带材绕制的超导线圈可以大幅降低超导磁体的运行成本.下面将分别对各国研制的车载超导磁体系统结构进行介绍.3.1 日本 LTS 磁体日本磁悬浮列车的车载超导磁体采用低温超导线 NbTi 绕制超导线圈，其结构如图 10 所示.该磁体系统主要由超导线圈、内杜瓦、支撑系统、冷屏、外杜瓦、液氮罐、液氦罐等设备组成.超导磁体隔热支撑外杜瓦冷屏超导线圈冷却管氦压缩机液氮罐车载氮制冷机氦气缓冲罐车载氦制冷机液氦罐液氮液氦图10日本研制的车载 LTS 磁体示意40Fig.10Schematicofon-boardLTSmagnetdevelopedinJapan40车载超导线圈的形状一般为跑道型，该磁体系统一共有 4 个跑道型线圈，被安装在内杜瓦里并用液氦浸泡以维持超导态，磁体的工作温度为 4.2K.磁体系统中各个部件的主要作用如下：1）内杜瓦，用于安装超导线圈，使其浸泡在液氦中，一般也被称作液氦容器；2）储存液氦和液氮的液氮罐、液氦罐，端部分别 安 装 有 Gifford-Mcmahon/Joule-Thomson（GM-JT）41和 Gifford-Mcmahon（GM）42制冷机，通过制冷机产生的冷量来使蒸发的氦气、氮气重新冷凝成液氦、液氮，从而实现在列车行驶过程中无须补充液氦、液氮的目标；3）冷屏，用于减少磁体的漏热，在冷屏的表面安装通有液氮的冷却管43，从而减小从外杜瓦到内杜瓦的辐射漏热以及传导漏热；第4期刘士苋，等：电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述7394）支撑系统，用于维持整个超导磁体在高速、高冲击、高过载状态下的结构稳定，同时应尽可能减小其传导漏热；5）外杜瓦，内杜瓦和外杜瓦之间采用真空的结构，这样可以进一步减小磁体的漏热，一般也被称作真空容器.需要注意的是，日本设计的车载超导磁体采用偏心结构44，如图 11 所示.其主要支撑装置位于超导线圈一侧，该侧与车辆转向架直接相连，支撑装置将磁体所受电磁力传递给转向架；而线圈另一侧则更加靠近地面线圈.采用这种结构可以减小超导线圈与地面线圈之间的距离，从而在相同的电流下增大超导线圈所产生的电磁力.辅支撑柱外杜瓦冷屏内杜瓦超导线圈主支撑柱图11超导磁体偏心结构示意Fig.11Schematicdiagramofoff-centersuperconductingmagnet日本设计的车载 LTS 磁体是目前最为成熟的车载超导磁体系统，这种磁体已经装车运行数年40，并且经历了数轮迭代，具有足够的实际运行经验，为其他磁体系统设计提供了十分宝贵的经验.3.2 日本基于 Bi2223 带材制造的 HTS 磁体高温超导带材自从被发现以来，因其临界参数高而受到广泛关注，科学家们尝试采用高温超导线绕制超导磁体来提高磁体的磁场和运行温度.Bi2Sr2Ca2Cu3Ox（Bi2223）带材被称为第一代高温超导带材，采用粉末管装法制备.商用 Bi2223 带材的长度可以达到千米的量级，并具备高均匀性、良好的机械特性以及电学稳定性，因此被广泛应用45.日本从 1999 起便开始尝试用 Bi2223 带材绕制超导线圈.日本研制的基于一代 HTS 带材（Bi2223）的超导磁体系统结构如图 12 所示，相较于 LTS 磁体，该磁体设计的工作温度为 10.020.0K，线圈不再采用液氦浸泡冷却，而是采用 GM 型双极制冷机直接进行传导冷却，制冷机采用热导率较高的铝作为冷头，一个冷头用于冷屏的冷却，工作温度 70.0K；另一个冷头用于超导线圈的冷却，工作温度 10.020.0K46.采用传导冷却这一设计使得液氦罐、液氮罐被移除，磁体重量显著降低.但是，与传统的液氦浸泡相比，传导冷却通过制冷机冷头进行降温，冷量无法均匀传输到磁体的各个位置，因此，采用传导冷却的磁体温度分布一般不够均匀，需要采用一系列方式来提高磁体的导冷效率.文献46-49对该磁体进行了更为详细的介绍.隔热支撑冷屏真空容器(外杜瓦)YBCO 薄膜超导开关GM 双极制冷机YBCO电流引线可拆卸电流引线(b)实物(a)示意图12日本研制的基于 Bi2223 带材的车载 HTS 磁体50Fig.12On-boardHTSmagnetbasedonBi2223stripedevelopedinJapan502005 年，日本将其研制的基于 Bi2223 带材的车载 HTS 磁体进行装车运行试验，列车最快行驶速度达到 553.9km/h51.该磁体是截至目前唯一报道装车运行的车载 HTS 磁体，磁体的装车运行成功也充分证明了 HTS 磁体可以应用于电动悬浮列车领域.3.3 日本基于 ReBCO 带材制造的 HTS 磁体载流能力、临界温度一直是限制超导磁体发展的重要因素，ReBa2Cu3O7-（ReBCO）涂层导体被称为第二代高温超导带材，是通过在带状的柔性基底上沉积 ReBCO 薄膜制造而成的高温超导带材，其中 Re 是指稀土元素.相较于一代带材，二代带材有如下优点：1）临界参数高，在较高的温度、磁场下依旧有较高的临界电流密度；2）机械强度高、弯曲性能好，即使导线弯曲成半径为 10mm 的圆弧，也几乎不会降低其临界电流52.740西南交通大学学报第58卷日本 RTRI 从 2010 年起开始尝试采用 ReBCO带材绕制超导线圈52-53.2011 年绕制了 1/4 尺寸的HTS 线圈，同时提出了无冷却系统 HTS 磁体的设想（采用可拆卸冷却系统，磁体闭环运行期间不需要冷却系统）54.在试验过程中，科学家们发现在低温下采用环氧浸渍的 ReBCO 线圈会因为热收缩的差异在冷却过程中产生巨大应力，导致超导线分层破坏55，绕制的线圈性能显著下降，这种现象被称为退化现象.随后科学家们提出了 3 种解决方案：1）Iwai 等56提出通过改进线圈形状和绕组结构的方式来防止线圈退化；2）Mizuno 等57提出采用聚四氟乙烯共绕并浸渍环氧树脂的方法来防止线圈退化；3）Mizuno 等58提出采用热塑性树脂粘合线圈和传热部件的方法来防止线圈退化.随后，科学家分别采用上述方法绕制了实际尺寸的超导线圈，经过对比，最终决定采用第 3 种方法，线圈采用聚酰亚胺胶带作为匝间绝缘材料59.RTRI 设计的基于 ReBCO 带材的车载 HTS 磁体系统如图 13 所示，相较于前两代磁体，该磁体的设计工作温度为 30.040.0K，线圈采用 GM单极制冷机直接进行传导冷却.由于工作温度的提高，线圈的辐射漏热较小，因此在这套系统的设计中移除了冷屏60.与之前的设计不同，为提高冷却效率以及磁体系统的机械强度，RTRI 为 HTS 线圈设计了线圈容器61.如图 14 所示，超导线圈采用玻璃钢骨架作为支撑，上下表面通过热塑性树脂与导冷铜板粘结，被安装在由 7075-T651 铝合金制作的线圈容器中.2020 年，日本 RTRI 的 Mizuno 等62报道制造了基于 ReBCO 带材的车载 HTS 磁体，该磁体由 8 个的单饼超导线圈堆叠而成.该磁体已经完成地面机械振动63、电磁振动62试验，但是目前日本尚未报道将该磁体装车运行.表 3 对日本设计的历代车载超导磁体的主要技术参数进行了对比，用二代 HTS 带材绕制的超导线圈具有十分明显的优势：1）不需要液氦罐和液氮罐以及冷屏，磁体的重量、体积显著降低；2）磁体的结构更加简单，可靠性提高；3）工作温度的提高使得制冷机能耗降低，磁体具有更高的热容量，有助于增强超导线圈的稳定性；4）由于移除了冷屏，使得超导线圈与地面线圈之间的距离缩短，交链磁通量增加60.电流引线脉冲管制冷机压缩机外杜瓦制冷机(b)实物(a)示意ReBCO 线圈图13日本研制的基于 ReBCO 带材的车载 HTS 磁体60,62Fig.13On-boardHTSmagnetbasedonReBCOstripedevelopedinJapan60,628 个单饼线圈线圈容器及其顶部盖板超导线圈骨架导冷铜板(b)内部实物(a)示意图14日本设计的线圈容器61Fig.14CoilcasedesignedinJapan61但基于 ReBCO 带材制造的 HTS 磁体在实际应用上还存在一定问题.经过测试，RTRI 基于 ReBCO带材研制的 HTS 磁体每天电流衰减率大约 13%59，暂时很难实现闭环运行，其主要原因是高温超导接头及高温超导开关技术不够成熟.因此，目前日本提第4期刘士苋，等：电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述741出的方案是在车上安装车载电源来保证磁体供电，车载电源还可以同时为车上的空调系统、照明系统等供电.如何将基于 ReBCO 带材的 HTS 磁体应用到磁悬浮列车上也是目前的研究重点.表 3 日本历代车载超导磁体主要技术参数对比51,59Tab.3Comparisonofmaintechnicalparametersofon-boardsuperconductingmagnetsdevelopedinJapan51,59磁体类型线圈尺寸/mm额定电流/A匝数/匝 导线材料匝间绝缘运行方式电流衰减率/（%d1）线圈工作温度/K冷却方式研究进展LTS长1070，宽5005001400NbTi闭环0.14.2液氦浸泡冷却，GM-JT制冷机辅助装车运行一代HTS长1070，宽5005361400Bi-2223闭环0.40.720.0GM双极制冷机，传导冷却单个磁体装车运行二代HTS长1070，宽5002502800ReBCO绝缘开环约13.030.040.0GM制冷机，传导冷却降温、励磁、振动、涡流，地面试验 3.4 韩国 HTS 磁体韩国铁路研究院（KoreaRailroadResearchInsti-tute,KRRI）在 2009 年启动了一项名为“胶囊列车”的超高速列车项目，项目计划使用车载 HTS 磁体作为推进系统动子，结合传统轮轨系统建设时速600km 的超高速列车，并计划结合真空管道建设时速1000km 以上的超高速磁悬浮列车.2016 年，KRRI报道制造了基于 ReBCO 带材的小尺寸 HTS 磁体用于推进试验64，并将其安装在小型转向架上，在 10m的轨道上进行了试验.2019 年，KRRI 研发了一种可插拔制冷机冷却、固氮辅助冷却的低温系统，从而达到减小整体体积、重量的目的65.2020 年，KRRI 的 Lee 等66报道研制了一台全尺寸车载 HTS 磁体用于推进试验，磁体如图 15（a）所示.磁体设计在开环模式下运行，共包含两个超导线圈，每个超导线圈由 3 个 ReBCO 带材绕制的无绝缘双饼线圈堆叠而成，设计磁动势 300kA.磁体采用 GM 双极制冷机进行传导冷却，工作温度低于20K，磁体的一些详细参数可以参考表 4.目前该磁体已经完成了降温、励磁、推进试验，经过测试，该磁体可以产生最大 2.7kN 的驱动力，可以确保测试车辆实现 518.4km/h 的速度.该团队下一步计划在改进低温系统结构后进行装车试验.2021 年，KRRI 的 Mun 等67改进了低温系统结构，报道研制了 1/2 尺寸的车载 HTS 磁体，磁体外观如图 15（b）所示.磁体设计磁动势 150kA，包含2 个超导线圈，每个超导线圈由 4 个 ReBCO 带材绕制的双饼线圈组成，线圈绕制时共绕金属带作为匝间绝缘.在列车行驶前，磁体采用氦气循环系统提前冷却，列车行驶过程中，氦气冷却管和电流引线与磁体分离，磁体的工作温度在 30.040.0K，该磁体的主要技术参数见表 4.经过试验测试，该磁体在冷却至 27.0K 后可以在 40.0K 以下闭环运行 4.4h.目前，该磁体已经完成了降温、励磁地面试验，该团队下一步计划将两个 HTS 磁体在轨道上进行运动试验.KRRI 设计的固氮低温系统为车载 HTS 磁体的低温系统设计提供了另一种设计思路；另外，采用金属绝缘绕制的超导线圈可以有效改善磁体充放电特性、提高磁体热稳定性，具有一定参考价值.目前，韩国的车载超导磁体仍处于试验阶段，尚未报道可以实用化的电动悬浮列车.高温超导电流引线GM 双极制冷机支撑杆HTS 线圈冷屏铜导冷板7801801 3305233外部电源车载超导磁体可拆卸电流引线制冷系统可拆卸氦气管数据采集系统 实物磁体系统磁体系统测试年 1/2 尺寸车载 HTS 磁体(a)2020 年全尺寸车载 HTS 磁体(仅用作驱动)示意 742西南交通大学学报第58卷高温超导电流引线GM 双极制冷机支撑杆HTS 线圈冷屏铜导冷板外部电源车载超导磁体可拆卸电流引线制冷系统可拆卸氦气管数据采集系统实物 磁体系统 磁体系统测试(b)2021 年 1/2 尺寸车载 HTS 磁体a年全尺寸车载 HT