磁気浮上式列車（リニアモーターカー）の基礎

ゲッティイメージズ/クリスチャン・ピーターセン・クラウセン

磁気浮上 (リニアモーターカー) は比較的新しい輸送技術であり、非接触の車両が時速 250 から 300 マイル以上の速度で安全に移動し、磁場によってガイドウェイ上で吊り下げられ、誘導され、推進されます。ガイドウェイはリニアモーターカーが浮上する物理的な構造物です。鋼製、コンクリート製、アルミ製のＴ字型、Ｕ字型、Ｙ字型、箱形梁など、様々な軌道形状が提案されている。

リニアモーターカー技術の基本的な 3 つの主要な機能があります。(1) 浮上またはサスペンション。 (2) 推進力。 (3) ガイダンス。現在のほとんどの設計では、3 つの機能すべてを実行するために磁力が使用されていますが、非磁性の推進源を使用することもできます。各主要機能を実行するための最適な設計について、コンセンサスは存在しません。

サスペンションシステム

電磁サスペンション (EMS) は、車両の電磁石が軌道上の強磁性レールと相互作用して引き付けられる引力浮上システムです。 EMS は、車両とガイドウェイの間の空隙を維持して接触を防止する電子制御システムの進歩によって実用化されました。

ペイロードの重量、動荷重、およびガイドウェイの不規則性の変動は、車両/ガイドウェイのエアギャップ測定に応じて磁場を変更することで補正されます。

電磁サスペンション (EDS) は、走行中の車両に磁石を使用してガイドウェイに電流を誘導します。結果として生じる反発力は、本質的に安定した車両のサポートと誘導を生み出します。これは、車両とガイドウェイのギャップが減少するにつれて磁気反発力が増加するためです。ただし、EDS は約 25 mph 未満の速度では浮揚しないため、「離陸」および「着陸」のために車輪またはその他の形式のサポートを車両に装備する必要があります。 EDS は、低温学および超伝導磁石技術の進歩とともに進歩してきました。

推進システム

ガイドウェイで電動リニアモーター巻線を使用する「ロングステーター」推進は、高速磁気浮上システムに好まれるオプションのようです。また、ガイドウェイの建設費が高いため、最も高価です。

「ショートステーター」推進は、リニア誘導モーター (LIM) 巻線とパッシブガイドウェイを使用します。ショート ステーター推進はガイドウェイ コストを削減しますが、LIM は重く、車両のペイロード容量が減少するため、ロング ステーター推進に比べて運用コストが高くなり、収益の可能性が低くなります。 3 番目の代替手段は、非磁性エネルギー源 (ガスタービンまたはターボプロップ) ですが、これも車両が重くなり、運用効率が低下します。

ガイダンスシステム

ガイダンスまたはステアリングとは、車両をガイドウェイに追従させるために必要な横方向の力を指します。必要な力は、引力または斥力のサスペンション力とまったく同じように供給されます。揚力を供給する車両搭載の同じ磁石を誘導用に同時に使用することも、別の誘導磁石を使用することもできます。

マグレブと米国の交通機関

リニアモーターカー システムは、長さが 100 ～ 600 マイルの時間に敏感な多くの旅行に魅力的な代替輸送手段を提供し、それにより、空気と高速道路の混雑、大気汚染、およびエネルギー使用を削減し、混雑した空港でより効率的な長距離サービスのためにスロットを解放します。磁気浮上式鉄道技術の潜在的な価値は、1991 年の複合輸送効率化法 (ISTEA) で認められました。

ISTEA が可決される前に、議会は米国で使用する磁気浮上システムの概念を特定し、これらのシステムの技術的および経済的な実現可能性を評価するために 2,620 万ドルを割り当てていました。研究はまた、米国の都市間輸送の改善におけるリニアモーターカーの役割を決定することにも向けられました。その後、NMI 研究を完了するために、さらに 980 万ドルが割り当てられました。

なぜリニアモーターカー？

交通プランナーが検討すべきリニアモーターカーの特徴は何ですか？

より速いトリップ - 高いピーク速度と高い加速/ブレーキにより、平均速度は国道制限速度 65 mph (30 m/s) の 3 ～ 4 倍になり、ドアからドアまでの移動時間は高速鉄道や飛行機よりも短くなります (約 300 マイルまたは 500 km 未満の旅行)。さらに高速化も可能です。マグレブは、高速鉄道が途切れる場所を取り、250 から 300 mph (112 から 134 m/s) 以上の速度を可能にします。

リニアモーターカーは信頼性が高く、飛行機や高速道路での移動に比べて混雑や気象条件の影響を受けにくいです。スケジュールからの差異は、外国の高速鉄道の経験に基づいて、平均 1 分未満である可能性があります。これは、イントラモーダルおよびインターモーダルの接続時間を数分に短縮できることを意味し (現在、航空会社やアムトラックで 30 分以上必要とされているのではなく)、遅延を考慮する必要なく安全に予定を立てることができます。

マグレブが与える 石油 独立性 - リニアモーターカーが電動であるため、空気と自動車に関して。電気を作るのに石油は必要ありません。 1990 年には、国内の電力の 5% 未満が石油から得られたものでしたが、航空機と自動車の両方のモードで使用される石油は主に外国の供給源から供給されていました。

リニアモーターカーは、空気と自動車に関して、汚染が少ないです。これも、電動であるためです。排出量は、空気や自動車の使用など、多くの消費点よりも発電源でより効果的に制御できます。

磁気浮上式鉄道は、片道 1 時間あたり少なくとも 12,000 人の乗客を運ぶ空の旅よりも容量が大きい。 3 分から 4 分の車頭間隔で、さらに高いキャパシティが得られる可能性があります。リニアモーターカーは、21 世紀に至るまで交通量の増加に対応し、石油の入手が困難になった場合に航空と自動車に代わる手段を提供するのに十分な容量を提供します。

リニアモーターカーは、外国の経験に基づいて、認識と実際の両方で高い安全性を備えています。

リニアモーターカーには利便性があります - サービスの頻度が高く、中央ビジネス地区、空港、およびその他の主要な大都市圏のノードにサービスを提供できるためです。

リニアモーターカーは快適性を向上させました。空間が広くなったため、空気に関して快適さが向上しました。これにより、独立したダイニングエリアと会議エリアが自由に動き回ることができます。空気の乱れがないため、一貫してスムーズな乗り心地が保証されます。

リニアモーターカーの進化

磁気浮上式列車の概念は、世紀の変わり目にロバート・ゴダードとエミール・バチェレという 2 人のアメリカ人によって最初に特定されました。 1930 年代までに、ドイツのヘルマン ケンパーは、磁場の利点を組み合わせるための概念を開発し、磁場の使用を実証していました。列車そして飛行機。 1968 年、アメリカ人のジェームズ R. パウエルとゴードン T. ダンビーは、磁気浮上列車の設計に関する特許を取得しました。

1965 年の高速陸上輸送法の下で、FRA は 1970 年代初頭まで、あらゆる形態の HSGT に関する幅広い研究に資金を提供しました。 1971 年に、FRA は、 フォード・モーター・カンパニー スタンフォード研究所は、EMS および EDS システムの分析および実験的開発を行っています。 FRA が後援した研究は、リニア電気モーターの開発につながりました。これは、現在のすべてのリニアモーターカーのプロトタイプで使用されている動力です。 1975 年、米国での高速リニアモーターカー研究に対する連邦政府の資金提供が停止された後、産業界は実質的にリニアモーターカーへの関心を放棄しました。しかし、低速リニアモーターカーの研究は 1986 年まで米国で続けられました。

過去 20 年間、磁気浮上式鉄道技術の研究開発プログラムは、英国、カナダ、ドイツ、日本を含むいくつかの国で実施されてきました。ドイツと日本は、HSGT のリニアモーターカー技術の開発と実証に、それぞれ 10 億ドル以上を投資しました。

ドイツの EMS リニアモーターカーの設計である Transrapid (TR07) は、1991 年 12 月にドイツ政府によって運用が認定されました。ドイツでは、ハンブルグとベルリン間のリニアモーターカーの路線が検討されており、民間資金と、ドイツ北部の個々の州からの追加の支援を受ける可能性があります。提案されたルート。この路線は、高速列車のインターシティ エクスプレス (ICE) と従来の列車を接続します。 TR07 は、ドイツのエムスラントで広範囲にテストされており、収益サービスの準備ができている世界で唯一の高速リニアモーターカーです。 TR07 は、フロリダ州オーランドでの実装が計画されています。

日本で開発中の EDS コンセプトは、超電導磁石システムを使用しています。東京と大阪の間の新しい中央線にリニアモーターカーを使用するかどうかは、1997 年に決定されます。

国立リニアモーターカー イニシアチブ (NMI)

1975 年に連邦政府の支援が終了して以来、1990 年に National Maglev Initiative (NMI) が設立されるまで、米国では高速リニアモーターカーに関する研究はほとんど行われませんでした。 NMI は、DOT、USACE、および DOE の FRA と他の機関の支援による共同作業です。 NMI の目的は、リニアモーターカーが都市間輸送を改善する可能性を評価し、政府と議会がこの技術の進歩における連邦政府の適切な役割を決定するために必要な情報を作成することでした。

実は創業当初から、 米国政府 経済的、政治的、および社会的発展の理由から、革新的な輸送を支援および促進してきました。多くの例があります。 19 世紀に、連邦政府は、1850 年にイリノイ中央移動オハイオ鉄道に大規模な土地を供与するなど、大陸横断的な接続を確立するために鉄道の開発を奨励しました。1920 年代から、連邦政府は、航空便ルートの契約と、緊急着陸場、ルート照明、天気予報、および通信に支払った資金による航空。 20 世紀後半、連邦資金は州間高速道路システムの建設に使用され、空港の建設と運営において州と地方自治体を支援しました。 1971 年、連邦政府は米国の鉄道旅客サービスを確保するためにアムトラックを設立しました。

リニアモーターカー技術の評価

米国でリニアモーターカーを配備する技術的実現可能性を判断するために、NMI オフィスは最新のリニアモーターカー技術の包括的な評価を実施しました。

過去 20 年以上にわたり、米国のメトロライナーの 125 mph (56 m/s) と比較して、運用速度が 150 mph (67 m/s) を超えるさまざまな地上輸送システムが海外で開発されてきました。いくつかのスチール ホイール オン レール列車は、167 から 186 mph (75 から 83 m/s) の速度を維持できます。最も顕著なのは、日本の 300 系新幹線、ドイツの ICE、フランスの TGV です。ドイツのトランスラピッド磁気浮上式列車は、テスト コースで 270 mph (121 m/s) の速度を実証し、日本人は 321 mph (144 m/s) で磁気浮上試験車を運転しました。以下は、米国リニアモーターカー (USML) の SCD 概念と比較するために使用されるフランス、ドイツ、および日本のシステムの説明です。

フレンチ トレイン ア グランド ヴィテッセ (TGV)

フランス国鉄の TGV は、現世代の高速鋼車輪オンレール列車の代表です。 TGV は、パリ - リヨン (PSE) ルートで 12 年間、パリ - ボルドー (アトランティック) ルートの最初の部分で 3 年間運行されています。 Atlantique トレインは、両端に動力車を備えた 10 両の客車で構成されています。動力車は推進力に同期回転牽引モーターを使用します。 ルーフマウント パンタグラフは架線から電力を集めます。巡航速度は 186 mph (83 m/s) です。列車は傾斜していないため、高速を維持するには適度に直線的なルートの配置が必要です。オペレータは列車の速度を制御しますが、自動過速度保護や強制ブレーキなどのインターロックが存在します。ブレーキは、レオスタット ブレーキと車軸に取り付けられたディスク ブレーキの組み合わせによるものです。すべての車軸にアンチロック ブレーキが装備されています。パワーアクスルには滑り止め制御が付いています。 TGV の軌道構造は、よく設計されたベース (圧縮された粒状材料) を備えた従来の標準ゲージ鉄道の構造です。トラックは、コンクリート/スチール製のタイに弾性ファスナーで連続的に溶接されたレールで構成されています。その高速スイッチは、従来のスイング ノーズ ターンアウトです。 TGV は既存の線路で動作しますが、速度は大幅に低下します。 TGV は、その高速、高出力、アンチ ホイール スリップ制御により、米国の鉄道慣習で通常の約 2 倍の勾配を登ることができ、緩やかに追従することができます。 フランスのなだらかな地形 大規模で高価な高架橋やトンネルは必要ありません。

ドイツTR07

ドイツの TR07 は、商用化に最も近い高速リニアモーターカーです。資金が得られれば、1993 年にフロリダでオーランド国際空港とインターナショナル ドライブの遊園地の間の 14 マイル (23 km) のシャトルの着工が行われる予定です。 TR07 システムは、ハンブルグとベルリンの間、およびピッツバーグのダウンタウンと空港の間の高速リンクにも検討されています。指定が示すように、TR07 には少なくとも 6 つの初期モデルが先行していました。 70年代初頭、クラウスマッファイ、MBB、シーメンスなどのドイツ企業は、超電導磁石を使用したエア クッション車 (TR03) と反発リニアモーターカーの実物大バージョンをテストしました。 1977年にアトラクションリニアモーターカーに専念することが決定された後、システムは、沿線電力収集によるリニア誘導モーター（LIM）推進から、電気的に可変周波数を使用するリニア同期モーター（LSM）へと進化し、大幅な進歩を遂げました。ガイドウェイのパワードコイル。TR05 は 1979 年の国際交通見本市ハンブルグでピープル ムーバーとして機能し、50,000 人の乗客を運び、貴重な運転経験を提供しました。

TR07 は、ドイツ北西部の Emsland テスト トラックにある 19.6 マイル (31.5 km) のガイドウェイで動作し、10 億ドル以上の費用をかけて、ほぼ 25 年間に及ぶドイツの磁気浮上式鉄道開発の集大成です。これは洗練された EMS システムであり、車両の揚力と誘導を生成するために別個の従来の鉄心吸引電磁石を使用しています。車両は T 字型のガイドウェイを周回します。 TR07 ガイドウェイは、非常に厳しい公差で構築および組み立てられたスチールまたはコンクリートのビームを使用しています。制御システムは、浮上力と誘導力を調整して、磁石とガイドウェイ上の鉄の「トラック」との間に 1 インチのギャップ (8 ～ 10 mm) を維持します。車両の磁石とエッジに取り付けられたガイドウェイ レールとの間の引力が案内を提供します。 2 番目の車両磁石セットとガイドウェイの下の推進ステーター パックとの間の引力により、揚力が発生します。リフト磁石は、LSM の 2 次またはローターとしても機能します。LSM の 1 次または固定子は、ガイドウェイの長さを走る電気巻線です。 TR07 は、構成内で 2 つ以上の非傾斜車両を使用します。TR07 の推進力は、ロング ステーター LSM によるものです。ガイドウェイの固定子巻線は進行波を生成し、同期推進のために車両の浮揚磁石と相互作用します。中央制御された沿線ステーションは、必要な可変周波数、可変電圧電力を LSM に提供します。一次ブレーキは LSM による回生であり、渦電流ブレーキと緊急時の高摩擦スキッドを備えています。 TR07 は、エムスランド トラックで 270 mph (121 m/s) で安全に動作することを実証しました。巡航速度 311 mph (139 m/s) 向けに設計されています。

日本の高速リニアモーターカー

日本人は、10 億ドル以上を費やして、吸引と反発の両方のリニアモーターカー システムを開発しました。多くの場合日本航空と識別されるコンソーシアムによって開発された HSST アトラクション システムは、実際には 100、200、および 300 km/h 用に設計された一連の車両です。時速 60 マイル (100 km/h) の HSST マグレブは、いくつかの博覧会で 200 万人以上の乗客を輸送しました。 日本 1989 年にバンクーバーで開催されたカナダ交通博覧会。高速の日本の反発磁気浮上システムは、新しく民営化された日本鉄道グループの研究部門である鉄道総合技術研究所 (RTRI) によって開発されています。鉄道総研の ML500 研究車両は、1979 年 12 月に 321 mph (144 m/s) の世界高速誘導地上車両記録を達成しました。この記録は、特別に改造されたフランスの TGV 鉄道列車が近づいていますが、現在も維持されています。 1982 年に有人 3 台の車両 MLU001 のテストが開始されました。その後、1 台の車両 MLU002 が 1991 年に火災で破壊されました。その代替品である MLU002N は、最終的な収益システムの使用のために計画されている側壁の浮上をテストするために使用されています。現在の主な活動は、山梨県の山を通る 27 マイル (43 km) の 20 億ドルの磁気浮上試験線の建設であり、1994 年に収益プロトタイプの試験が開始される予定です。

東海旅客鉄道株式会社は、1997 年から新ルート（山梨試験区間を含む）で東京から大阪までの第 2 高速線の建設を開始する予定です。リハビリテーションが必要です。常に改善されたサービスを提供し、航空会社による現在の 85% の市場シェアへの侵入を未然に防ぐには、現在の 171 mph (76 m/s) よりも速い速度が必要であると見なされています。第 1 世代のリニアモーターカー システムの設計速度は 311 mph (139 m/s) ですが、将来のシステムでは 500 mph (223 m/s) までの速度が予測されています。反発磁気浮上式リニアモーターカーは、より高い速度の可能性があると評判であり、より大きなエアギャップが日本の地震の多い地域で経験した地動に対応するため、吸引磁気浮上式モーターよりも選択されています。日本の反発システムの設計はしっかりしていません。路線を所有することになる日本の中央鉄道会社による 1991 年のコスト見積もりは、富士山の北の山岳地帯を通る新しい高速路線を示しています。富士山は非常に高価で、従来型の鉄道では 1 マイルあたり約 1 億ドル (1 メートルあたり 800 万円) かかります。リニアモーターカー システムのコストは 25% 高くなります。費用の大部分は、地上および地下 ROW を取得するための費用です。日本の高速リニアモーターカーの技術的な詳細に関する知識はまばらです。知られていることは、側壁浮揚、ガイドウェイ コイルを使用した線形同期推進、および 311 mph (139 m/s) の巡航速度を備えた台車に超伝導磁石を搭載することです。

米国の請負業者のリニアモーターカーのコンセプト (SCD)

4 つの SCD コンセプトのうち 3 つは EDS システムを使用します。このシステムでは、ビークル上の超電導マグネットが、ガイドウェイに取り付けられたパッシブ コンダクタのシステムに沿った動きによって反発揚力と誘導力を誘導します。 4 番目の SCD コンセプトは、ドイツの TR07 に似た EMS システムを使用します。このコンセプトでは、引力が揚力を発生させ、ガイドウェイに沿って車両を誘導します。ただし、従来の磁石を使用する TR07 とは異なり、SCD EMS コンセプトの吸引力は超伝導磁石によって生成されます。以下の個々の説明では、4 つの米国 SCD の重要な機能が強調されています。

ベクテル SCD

Bechtel のコンセプトは、車両に取り付けられた磁束キャンセル磁石の新しい構成を使用する EDS システムです。この車両には、片側に 8 個の超電導マグネットが 6 セット含まれており、コンクリートのボックス ビーム ガイドウェイにまたがっています。車両の磁石と各ガイドウェイの側壁にあるラミネート加工されたアルミニウムの梯子との間の相互作用により、揚力が発生します。ガイドウェイに取り付けられたヌル磁束コイルとの同様の相互作用がガイダンスを提供します。 LSM 推進巻線もガイドウェイの側壁に取り付けられており、車両の磁石と相互作用して推力を生成します。中央制御された沿線ステーションは、必要な可変周波数、可変電圧の電力を LSM に供給します。 Bechtel の車両は、内側に傾斜シェルを備えた 1 台の車両で構成されています。空力制御面を使用して、磁気誘導力を増強します。緊急時には、エア ベアリング パッドに浮上します。ガイドウェイは、ポストテンション コンクリート箱桁で構成されています。磁場が高いため、このコンセプトでは、ボックス ビームの上部に非磁性の繊維強化プラスチック (FRP) ポスト テンション ロッドとスターラップが必要です。スイッチは、すべてFRPで構成された曲げ可能な梁です。

フォスターミラーSCD

Foster-Miller コンセプトは、日本の高速リニアモーターカーに似た EDS ですが、潜在的なパフォーマンスを向上させるための追加機能がいくつかあります。 Foster-Miller コンセプトは、同じレベルの乗客の快適さを実現するために、日本のシステムよりも高速にカーブを通過できる車両傾斜設計を備えています。日本のシステムと同様に、Foster-Miller のコンセプトは、超伝導車両磁石を使用して、U 字型ガイドウェイの側壁に配置されたゼロ磁束浮上コイルと相互作用することによって揚力を生成します。ガイドウェイに取り付けられた電気推進コイルと磁石の相互作用により、ゼロフラックス ガイダンスが提供されます。その革新的な推進方式は、ローカル整流リニア同期モーター (LCLSM) と呼ばれます。個々の「H ブリッジ」インバーターは、ボギー直下の推進コイルに順次通電します。インバーターは、車両と同じ速度で軌道に沿って移動する磁気波を合成します。 Foster-Miller 車両は、連結された乗員モジュールと、複数の車両の「構成」を作成するテール セクションとノーズ セクションで構成されています。モジュールの両端には、隣接する車両と共有するマグネット ボギーがあります。各台車には片側に 4 つの磁石が含まれています。 U 字型ガイドウェイは、プレキャスト コンクリート ダイアフラムによって横方向に結合された 2 つの平行なポストテンション コンクリート ビームで構成されています。磁気の悪影響を避けるため、上部のポスト テンション ロッドは FRP です。高速スイッチは、スイッチ付きヌルフラックス コイルを使用して、車両を垂直ターンアウトに誘導します。したがって、フォスターミラー スイッチは可動構造部材を必要としません。

グラマン SCD

グラマンのコンセプトは、ドイツの TR07 に類似した EMS です。しかし、Grumman の車両は Y 字型のガイドウェイを取り囲み、浮揚、推進、および誘導のために一般的な一連の車両磁石を使用します。ガイドウェイ レールは強磁性体で、推進用の LSM 巻線を備えています。車両の磁石は、馬蹄形の鉄心に超伝導コイルを巻き付けたものです。磁極面は、ガイドウェイの下側の鉄製レールに引き寄せられます。それぞれの非超電導制御コイル 鉄 -コア脚は、浮上力と誘導力を調整して、1.6 インチ (40 mm) のエア ギャップを維持します。適切な乗り心地を維持するために、二次的なサスペンションは必要ありません。推進力は、ガイドウェイ レールに埋め込まれた従来の LSM によるものです。グラマン車は、傾斜機能を備えた単一または複数の車で構成されている場合があります。革新的なガイドウェイ上部構造は、15 フィートから 90 フィート (4.5 m から 27 m) のスプライン ガーダーごとにアウトリガーによって取り付けられた細い Y 字型のガイドウェイ セクション (各方向に 1 つ) で構成されています。構造スプライン桁は両方向に使用できます。スイッチングは TR07 スタイルのベンディング ガイドウェイ ビームで行われ、スライドまたは回転セクションを使用して短縮されます。

マグネプレーン SCD

マグネプレーンのコンセプトは、トラフ型の 0.8 インチ (20 mm) 厚のアルミニウム ガイドウェイを使用してシートの浮上と誘導を行う単一車両 EDS です。マグネプレーン車は、カーブで最大 45 度までセルフ バンクできます。この概念に関する以前の実験室での作業では、浮揚、誘導、および推進方式が検証されました。超電導浮上および推進磁石は、車両の前後の台車にグ​​ループ化されています。中心線の磁石は、推進のために従来の LSM 巻線と相互作用し、キール効果と呼ばれる電磁的な「巻き戻しトルク」を生成します。各台車の側面にある磁石がアルミ製のガイドウェイ シートに反応して浮上します。 Magneplane ビークルは、空力制御面を使用して、アクティブなモーション ダンピングを提供します。ガイドウェイ トラフ内のアルミニウム製浮揚シートは、2 つの構造用アルミニウム製ボックス ビームの上部を形成します。これらのボックスビームは、橋脚で直接サポートされています。高速スイッチは、切り替えられたヌル磁束コイルを使用して、ガイドウェイ トラフのフォークを介して車両を誘導します。したがって、Magneplane スイッチは、可動構造部材を必要としません。

ソース:

• _{出典：国立交通図書館 http://ntl.bts.gov/}