磁気浮上式鉄道

磁気浮上式鉄道とは、磁力による反発力または吸引力を利用して車体を軌道から浮上させて推進する鉄道のこと。英語では"Maglev"と呼称し、「磁気浮上」を表す"Magnetic levitation"が語源である。磁気浮上式鉄道はその近未来性からリニアモーターカーの代表格でもある。1971年、西ドイツで Prinzipfahrzeug が初めての有人走行に成功した。

世界で開発されている主な磁気浮上式鉄道には、常伝導電磁石を用いる方式、と超伝導電磁石を用いる方式があり、有人試験走行での世界最高速度は2015年4月21日に日本の超電導リニアL0系が記録した603km/hである。

現在、愛知県の愛知高速交通東部丘陵線、韓国の仁川空港磁気浮上鉄道、中国の上海トランスラピッド、長沙リニア快線、北京地下鉄S1線などが、実用路線として営業運転を行っている。

日本では1989年に開催された横浜博覧会において、HSST-05がYES'89線として日本初の営業運転を行った。

超電導リニアによる中央新幹線は、品川駅 - 名古屋駅間で2027年の先行開業、名古屋駅 - 新大阪駅間で2037年の全線開業を目指して計画が進められている。

1. 特徴
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磁気浮上鉄道の特徴は、浮上および推進を非接触で行うことができる点である。

長所は、主として高速化が可能だということなどである。 短所は鉄道の高速化の結果、消費エネルギーが増大し、、環境負荷が増したり、持続可能性に悪影響を与えたりすることである。

1.1. 非接触推進
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長所：車輪のような伝達部分を必要としない。特に鉄道では車輪とレールの摩擦係数が比較的低く、加速時、制動時、斜面の登坂に対する性能には限界があったが、磁気浮上式の場合は加速・制動性能の大幅な向上が期待できる。
短所：エネルギー効率に関してはリニアモーターの推進効率は従来の回転式電動機よりも低いので同じ速度での走行時に効率が向上する事はない。また、地上一次式のリニアモータを採用した場合には走行していない部分の界磁も励磁するので、回転式電動機とのエネルギー効率の差は一層顕著になる。

1.2. 非接触浮上
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長所
騒音や振動の低減:完全非接触の構成が取れれば、騒音の原因となるのは風切り音のみとなる。
従来の車輪を駆動するための減速機が不要になり、軌道にかかる軸重が軽いので、軌道の構造が従来の鉄道ほど強度を必要とせず、保守の手間が大幅に低減。
短所
消費エネルギーの増大 ： 非接触浮上をするだけでも電力を消費する。さらに、一般的にリニアモータは、軌道一次式、車上一次式を問わず、同速度の場合、推進効率は従来の回転式電動機よりも低いため、消費電力は回転式電動機よりも多い。軌道上の界磁を励磁する必要のある地上一次式リニアモータの場合には顕著になる。

2. 技術
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磁気浮上に必要な要素技術として、力の働く方向に浮上・案内・駆動の3種類に分類できる。

2.1. 磁気浮上の種類
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磁石またはコイルの設置方法により、以下の三種類がある。

反発浮上方式
側面浮上方式
吸引方式反発浮上および側面浮上式は、車上の磁石の磁力強度と設置する磁石またはコイルの位置関係で自然に浮上量が決定する。吸引式は吸引力の働いている間のギャップが減ると浮上力が増す関係にあるため、浮上量を一定に保つために電磁石などで吸引力を制御する必要がある。

また電磁気的作用により以下の分類方法も考えられる。

永久磁石、電磁石同士の吸引・反発を利用して浮上
移動する磁石と、コイル内で発生する電磁誘導作用に発生する起磁力による吸引・反発を利用して浮上
磁石と鉄等の磁性体との間に働く吸引力を利用して浮上
反磁性の超伝導体によるマイスナー効果を利用した磁気浮上軌道若しくは車両側のどちらか一方を超伝導体にする(要出典範囲。実用的な磁気浮上鉄道を考えた場合、磁石同士の吸引または反発を利用する浮上方法は、軌道と車両の両方に磁石を設置することはコストおよび保守の面でかなり難しい。従って、技術・経済的に採用可能なものは以下の2つとなる。

2.1.1. 電磁誘導浮上支持方式
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車両側に電磁石を設置、軌道側に閉ループのコイルを並べる。車両が軌道上を走行すると、コイルに電磁誘導作用で電流が流れ、これにより磁界が発生する。結果、車両の電磁石と軌道のコイルの間に車体を支持する力が発生する方式。軌道側のコイルは軌道面に置けば、反発浮上式の構成となる。 また側面において、側面浮上式の構成も可能である。利点としては車両の浮上量を設計で任意に取ることができ、結果として後述の電磁吸引支持方式より大きな浮上量が得られる。欠点としては、静止または低速走行時に十分な浮上力が得られないため、車輪等で支持する必要があることと、車両側に超強力な電磁石が必要となる点が挙げられる。

2.1.2. 電磁吸引支持方式
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車両側に吸引用の浮上電磁石を持つ。また軌道側に車両を引き付けるための鉄レール等を使うことができ、軌道側のコストが安く済む利点がある。また、停止時、低速時でも浮上可能である。しかし、磁石による吸引は磁界が一定の場合、隙間が小さくなるほど吸引力は大きくなる関係にある。浮上中は、レールと車体との隙間を常に計測し、浮上電磁石の磁力を制御する必要がある。吸引式磁気浮上にはスイッチング周波数の高い大電力制御半導体素子が不可欠であり、1980年以降、このような半導体素子の開発、普及により吸引式磁気浮上が実用化に近づいた。 またギャップ長が制御できれば永久磁石を使用できる。また、近年では希土類元素を用いた強力な希土類磁石が普及するようになり、電磁誘導浮上支持方式ではインダクトラックに使用され、電磁吸引支持方式でも使用が検討される>電磁吸引式磁気浮上で永久磁石を使用する場合、脈流電流によって印加される電磁石の磁界により[[ヒステリシス#磁力のヒステリシス。

2.2. 案内の種類
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一般の鉄道の場合、レールと車輪の物理的接触により車両に対してレールの方向に案内する力が生じる。磁気浮上式鉄道の場合、非接触による軌道案内が必要になるが、磁気浮上で使用されるシステムをそのまま案内に使っている場合が多い。

2.3. 駆動の種類
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非接触のままで推進力を得る手段としては、浮上用磁石と推進用磁石とで兼用ができるリニアモーターによる駆動が一般的である。ロケットやジェットエンジン、プロペラ等を用いることもできるが、実際の営業運転を考えた場合、騒音の面で現実的な解ではない。

2.4. リニアモータの種類
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リニアモータは、回転型のモータを直線に展開したものと考えてよい。一次側と二次側に並進力を得ることができるモータである。リニアモータには回転モータと同種の方式を取ることができる。しかし、磁気浮上鉄道の利点である非接触を行うためには、無整流子構造の交流モータが有利である。すなわち磁気浮上鉄道で採用されている構成はリニア同期モータかリニア誘導モータのどちらかとなる。

2.4.1. リニア同期モータ
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車両側と軌道側両方に電磁コイルを置き、どちら側かの電磁コイルで進行方向に対して吸引・反発力が得られるように磁界の向きを切り替えることで推進力を得る。磁界を切り替える制御を行うコイルを一次側と呼ぶが、これを車上側に置くか軌道側に置くかで方法が分かれる。すなわち、前者を車上一次方式、後者を地上一次方式とよぶ。

リニア同期モータ式の磁気浮上鉄道では、地上一次式とすると車両側に推進に関わる制御装置を持つ必要が無く、車両側コイルを磁気浮上と共用とすることもできる。車両小型化と完全非接触化に関しては地上一次側の採用にメリットが大きい。しかし、同期モータの場合は車上一次方式・地上一次方式のどちらの場合でも軌道側にコイルを設置する必要があり、軌道建設の初期費用が膨らみ、走行区間の軌道側の界磁を励磁する必要があるので消費電力が増える欠点がある。

2.4.2. リニア誘導モータ
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誘導モータは、一次側にコイルを持つが、二次側は単に導体板を置いたものである。磁界中にある導体板内に発生するうず電流から磁界に反発する力が発生し、これが推進力となる。二次側にかご形や巻き線型も使用可能である。構造は同期モータに比べて単純であるが、エネルギー効率が劣る但し、これはリニア同期モータ、リニア誘導モータの双方が地上一次式または車上一次式の場合での比較で、リニア誘導モータで一般的に使用される車上一次式リニア誘導モータとリニア同期モータで一般的な地上一次式リニア同期モータの推進効率を比較した場合には軌道上の界磁を励磁する必要が無いので同じ速度で走行時に地上一次式リニア同期モータよりも車上一次式リニア誘導モータの方が推進効率が高い。}}。

リニア誘導モータにも車上一次、地上一次方式の両構成が可能であるが、軌道に導体板を敷設するだけで済む車上一次式が一般的である。また、リアクション・プレートと一次コイルの配置方法として、リアクション・プレートの片面のみに界磁を配置する片側励磁式とリアクション・プレートの両面に配置する両面励磁式がある。両側式の方が推進効率が高いが片側励磁式が軌道の底面にリアクション・プレートを配置すれば良いのに対して両面励磁式はリアクション・プレートの配置に少々工夫が必要である。

2.5. 要素技術分類
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ここでは研究開発が行われたことのある磁気浮上鉄道を要素技術別で分類する。大分類としては、リニアモータ駆動の方法と磁気浮上力を得る方法に分けることができる。以下の表を参照のこと。

2.6. 推進抵抗
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磁気浮上であるため、軌道一次式リニアモータを採用した場合、車体側に集電が不要なので車体と軌道等との接触はないため、これらの動摩擦力は働かないが、以下の2つが推進時の抵抗として働く。

2.6.1. 空気抵抗
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特に高速移動を前提とする場合には、空気抵抗は速度の二乗に比例して増大するため、大きな問題となる。このため車両デザインには空力的に洗練されたものが要求される。スイスメトロのような一部の構想では減圧されたトンネル内を走行する。

中華人民共和国では、アメリカ合衆国の技術を元に、真空状態のチューブ内でリニアモーターカーを走行させる研究をすすめると言うが、純粋な旅客輸送用として以外に、宇宙開発や軍事転用の可能性もある

2.6.2. 磁気抵抗
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相対的に磁界中を移動する導体には電磁誘導により誘導電流が生じて磁界に抗する力が発生するが、これが抵抗となる反発式磁気浮上では誘導コイル内に発生した磁場で浮上するので浮上時には常に減速力が働き、浮上用コイルとの相対速度が下がると浮上できなくなる。}}。磁気浮上式鉄道では空気抵抗に比べて桁違いに小さいが、強力な超伝導電磁石を用いて高速で移動する場合は無視できない。通常の鉄橋梁や鉄筋コンクリートの使用は磁気抵抗発生の原因となりうるため、低磁性や非磁性の材料の使用が必要となる場合がある。但し、HSSTやトランスラピッドのような吸引式磁気浮上の場合には漏れ磁界が少ないので構造物に磁性体を使用しても問題は無い。

3. 比較
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1人当りの輸送に係るエネルギー消費で比較した場合、磁気浮上式鉄道  はガソリン自動車  の約1/2、航空機  の約1/3である。但し、同一速度でのエネルギー消費は、従来の鉄車輪式の鉄道システムよりも多い。また高速移動可能であるにもかかわらず、騒音や振動は比較的少ない。

高速輸送での運用を考えた場合、速度は鉄輪式高速鉄道と航空機の中間に位置する。航空機と比べ前述のエネルギー効率を始め、運用コストや利便性では有利である。また乗用車と比較しても環境負荷や移動時間の正確性などで有利である。

磁気浮上式鉄道の導入の一番のボトルネックは軌道の建設など初期投資が莫大であることが挙げられる。ドイツでは、1990年代にトランスラピッドをハンブルクからベルリンまで導入する計画があり、調査が進められた。1998年に成立した連立政権は建設着工を公約としたが、予算の目処が立たずまた工事による環境負荷による反対運動もあって、2000年に取りやめとなった。

4. 歴史
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4.1. アイディア
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浮上式の交通機関のアイデアは古くから存在する。大部分は航空機へとつながるアイデアであるが、19世紀頃には、気球を車体に取り付け、空中に設置された軌道を走行する鉄道や、水流に乗って走る鉄道の想像図が描かれ、特許も多数申請された。実際、1870年頃のフランスパリで行われた博覧会では、水を軌道から吹き上げ、車両を浮上させてその上を走る列車が運転された。初期のリニアモータによる推進の列車の特許がドイツ人の発明家Alfred Zehdenによって782312}}とRE12700}}がそれぞれ取得されたZehdenはリニアモータを鋼鉄の桁の下に配置することで部分的な磁気浮上をもたらした。これらの特許は後にJean Candelasによる //滑走磁場を発生させる電磁装置//