磁気浮上式鉄道

磁気浮上式鉄道（じきふじょうしきてつどう、（英: Maglev）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"（マグレブ）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（トランスラピッド、HSSTなど）と、超伝導電磁石を用いる方式（超電導リニアなど）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（愛称：リニモ）、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（後のHSST-200系統）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た。（これが開業すれば、他線に先を越されない限り、世界初の超電導リニアの営業路線、および世界初の都市圏間マグレブとなる。）しかし、静岡県の反対により南アルプストンネルの着工が遅れているため、2027年の開業は断念され、2034年以降の開業が見込まれている。 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（移動時間の短縮化）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、（温室効果ガス、CO2排出量が増し）、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。 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（推進）の3種類に分類できる。 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。 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。 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>[注釈 3]。 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。 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。 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（電機子）側と二次（界磁）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。 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。 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（リアクション・プレート）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[注釈 4]。 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（リアクション・プレート）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。 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。 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。 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 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[注釈 5]。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。 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 (500km/h) はガソリン自動車 (100km/h) の約1/2、航空機 (900km/h) 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。 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によってアメリカ合衆国特許第 782,312号（1907年6月21日）とアメリカ合衆国特許第 RE12700号（1907年8月21日）がそれぞれ取得された[注釈 6]。1907年に同様に初期の電磁式交通機関がF. S. Smithによって開発された。 第二次世界大戦後、航空機や自動車の技術が発達すると鉄道に関しても高速化に関する研究が各国で始まる。鉄道の高速化に際し、鉄レールと鉄輪の組み合わせがボトルネックになると考えられていた。そこで、車両そのものを浮上させて高速化を図ろうというアイデアが提案されるようになる。具体的には、磁気浮上と空気浮上の2種類が考えられた。 磁気浮上による車両浮上のアイデアは古くからあり、1914年に、イギリスのエミール・バチェレット (Emile Batchelet) が世界初の電磁誘導反発式の磁気浮上リニアモータのモデル実験を行っている。彼は1911年にアメリカ合衆国特許第 1,020,942号、アメリカ合衆国特許第 1,020,943号を出願した。また、ドイツではトランスラピッドの源流ともなる電磁吸引式浮上がヘルマン・ケンペル (Hermann Kemper) により1922年に開発がはじまり、1934年から1941年にケンペルは磁気浮上鉄道の基本特許をドイツで取得した[注釈 7]初期の磁気浮上式鉄道はG. R. Greenflyによってアメリカ合衆国特許第 3,158,765号, 輸送のための磁力システム（1959年8月25日）に記述されていた。ロバート・ゴダードもロケット研究の傍ら、磁気浮上式鉄道の研究も行っていたことが判明している。 最初に使用された"磁気浮上式鉄道"のアメリカ特許はCanadian Patents and Development Limitedによる"磁気浮上案内装置"である。1940年代末にインペリアル・カレッジ・ロンドン教授のエリック・レイスウェイト（Eric Laithwaite）が、初めて実物大の稼働するリニアモーターを開発した。レイスウェイトは1964年にインペリアル・カレッジの重電技術の教授になり、成功したリニアモータの開発を継続した。リニアモータは軌道と車両の間に物理的な接触を必要としなかったので、1960年代から1970年代に開発された多くの先進的な交通機関で採用された。レイスウェイト自身はそのような先進的な交通機関計画のひとつであったトラックト・ホバークラフトの計画に参加したが、この計画の予算は1973年に打ち切られた。 リニアモータは磁気浮上システムとも相性が良く、1970年代にLaithwaiteは磁気浮上システムを1台の磁石で構築する事を目的とした単体のリニアモータで、浮上と同様に前進方向の推進力を生み出す新しい磁石の配置を見出した。ダービーの英国鉄道研究部門（英語版）は複数のいくつかの土木会社のチームと共に実用化に向けて"traverse-flux"システムを開発した。 磁気浮上鉄道の研究が本格化したのは1960年代に入ってからで、各国で研究が始まった。特に旧西ドイツは国家的支援を受けて、メッサーシュミット・ベルコウ・ブローム (MBB) 社が1966年から本格的に研究を始め、1971年、Prinzipfahrzeug（車上一次リニア誘導モータ）が90km/hの記録をつくる。これは世界で初めての有人の磁気浮上鉄道である。また、1975年にKomet (Komponentenmeßtrager) が14mmの電磁吸引浮上で水蒸気ロケット推進ながら401.3km/hの記録をマーク。また、日本のHSSTの一部の技術の導入元でもあったクラウス＝マッファイ社の製造したトランスラピッド・プロジェクトのTR-02号機が1971年に164km/hをマーク。またシーメンス社が中心となり、超電導による電磁誘導式浮上のEET-01が1974年に280mの円形軌道で230km/hの走行実験を行った。ドイツでは磁気浮上式高速鉄道を実現するために、1970年代初頭にトランスラピッドに一本化する際に軌道を簡略化できる車上一次式リニア誘導モータを選択せず、より高速化に適するが費用のかかる地上一次式リニア同期モータを選択した。そのため、当時、先端の開発が進められていた車上一次式吸引式磁気浮上(クラウス＝マッファイ・トランスアーバン)の技術は不要になり、日本や韓国に技術供与された。開発元のドイツでは地上一次式リニア同期モータを採用した事が建設費が高騰する一因となり低迷したが、車上一次式リニアモータの技術を供与された国々は、供与された技術を基に、それぞれの国で発展を遂げ実用化に至った。 日本では、1963年から鉄道総合技術研究所を中心に研究が始まり、1972年に国鉄が日本の鉄道100周年を記念して超電導磁気浮上式リニアモーターカーであるML100（車上一次リニア誘導モーターを使用）による試験走行を公開。これとは別に常電導磁石とリニア直流モーターを組み合わせた、都市近郊交通型の磁気浮上式鉄道の研究も行われた[注釈 8]。また日本航空がクラウス＝マッファイ社の技術を導入してHSSTの開発プロジェクトを立ち上げ、1975年から開発を開始した[注釈 9]。また当時の運輸省は独自に通勤用の磁気浮上式鉄道イーエムエルプロジェクト（EMLプロジェクト）を立ち上げ、1976年に実験を行っている。その他、熊本工業大学（現崇城大学）でも、吸引式磁気浮上式鉄道の開発が進められている。 アメリカでは、1970年代にRohr社で吸引式磁気浮上であるROMAGの研究が行われていたが、その後低調となり、1978年に事業はボーイング・バートルに売却され、1980年代中頃までは行われていたようである。その後、1990年代からローレンスリバモア国立研究所でハルバッハ配列で並べた強力な永久磁石（ネオジム・鉄・ボロン系合金）を使用したインダクトラックの研究、開発が行われ、現在ではゼネラルアトミック社が研究を引き継いで実用化に向けた研究、開発が行われている。 安定化永久磁石 Stabilized Permanent Magnet (SPM)による磁気浮上式鉄道アメリカ合衆国特許第 6,684,794号が、アプライドレヴィテーション（Applied Levitation）社で開発中である。 超電導リニアによる中央新幹線は南アルプスをトンネルで通過する計画であるため、2008年2月よりボーリング調査が行われた。その後、2011年5月26日に中央新幹線の整備計画が正式決定し、2014年に東京 - 名古屋間の路線起工式が行われた。名古屋までの開業後は大阪まで延伸される予定である。 2008年3月27日、ドイツ運輸・建設相（当時）であったヴォルフガング・ティーフェンゼーは、ミュンヘン国際空港 - ミュンヘン中央駅間の37.4kmのリニアモーターカー建設を断念したと発表。建設コスト上昇が理由。総額18億5000万ユーロ（約3000億円）の事業予算を計上したが、最新の見積もりが32〜34億ユーロに膨れ上がったため、実現困難と判断した。 2005年にドイツ連邦政府が1億1300万ユーロをTRに投入することを決め計画に弾みがつき、2007年にはドイツ鉄道（ドイチェ・バーン）とトランスラピッドは正式合意し（AP通信）、同年9月24日、バイエルン州政府は2014年頃までの開業を目指し、2008年夏にも着工するとしていた。事業主体はトランスラピッド・インターナショナル（ティッセンクルップとシーメンスの共同事業体）が担うはずだった。 2005年、トランスラピッドタイプの磁気高速鉄道、UK Ultraspeed線（最高速度500km/h）をロンドン - グラスゴー間のミッドランド、イングランド北東部を経由する複数の路線構想を有するプロジェクトが立ち上げられた。政府によって実現可能であるか審議された。2007年7月24日に公表されたDelivering a Sustainable Railway白書によって却下された。グラスゴーとエディンバラ間の同様の高速鉄道が提案されたが技術的に不十分だった。 現在は30 kmの上海トランスラピッドを杭州市まで200 kmに延伸する計画や、新たな磁気浮上式鉄道の建設計画が目白押しであるものの、健康・騒音被害や建設コスト、用地買収、鉄輪式高速鉄道との互換性の問題などが浮上し、今後の計画はどうなるかは未知数な面がある。上海トランスラピッドの延伸計画は、現在のところ休止されているがもし実現すれば磁気浮上式鉄道による最初の都市間商業輸送になる。2007年5月に計画はシステムからの電磁波の放射の懸念により当局により中止が報告された。2008年1月と2月に、100人規模の反対者達が上海で路線が人家に接近しすぎるとして電磁波による健康への影響（英語版）、騒音、汚染と資産価値の目減りに関する懸念で反対運動をした。元の計画では上海国際博覧会に間に合わせる予定だった。上海市の行政当局は住民の不安を緩和するために路線を地下に建設する等の複数の選択肢を検討した。同じ報告では最終的な決定は国家発展開発委員会に委ねられたとされる。2010年10月26日、上海市 - 杭州市間を最高速度300 km/hで結ぶ滬杭旅客専用線が開業し、延伸計画が実行される可能性は低くなった。 同済大学構内の実験線でCM1型磁気浮上列車の開発が進められている。 長沙市の長沙中低速磁浮線（長沙南駅と長沙黄花国際空港間）の建設工事は2014年5月に開始され、2016年5月6日に開通した。 2017年12月30日に中国では3番目の磁気浮上式鉄道である、北京地下鉄の10.2kmのS1線(門頭溝線)が開業した。S1線は国防技術大学で開発された技術を採用した吸引式磁気浮上鉄道である。2011年2月28日に建設が開始されていた。最高速度は105km/hである。 1993年に大田国際博覧会でドイツのクラウス・マッファイ社の技術指導を受けて開発されたHML-03を運行させたほか、2008年から現在までエキスポ科学公園内で1km以内という短距離であるが国産のUTM-02が運行されている（詳細はエキスポ科学公園#リニアモーターカー）。 2007年、韓国機械研究院は2012年までの6年間に総額4500億ウォンの予算を投入して都市型磁気浮上式鉄道を実用化する計画を発表した。この計画は2012年に仁川空港磁気浮上鉄道として完成したが、純国産にこだわったことからトラブルが相次ぎ、繰り返し運行開始が延期され、2016年2月3日に開業した。2両編成で定員は1両135人、設計最高速度110km/h、営業最高速度80km/hで、6駅間6.1kmを15分間で走行する。浮上方式は常電導吸引式である。 なお、2007年時点で韓国機械研究院は、2007年中に550km/hの高速リニアの研究・開発に着手して2016年までに開発し2020年に商用化したいと発表しており、2016年時点で韓国の一部メディアでは「550km/hを目指すSUMA550の試験車両が開発済み」と報道されたが、実際は1両が極めて短距離（150m）の実験線を低速走行するにとどまっている。 アナハイム - ラスベガス: カルフォルニア州アナハイムとネバダ州ラスベガスを全長433kmの磁気浮上式高速鉄道で結ぶ計画がある。詳細はen:California–Nevada Interstate Maglevを参照。 ボルチモア - ワシントンD.C.: メリーランド州ボルチモアとワシントンD.C