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磁気浮上式鉄道(じきふじょうしきてつどう)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推進する鉄道である。現在実用化されているものは、すべてリニアモーターで推進するリニアモーターカーであり(実験車両には他の方式もある)、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。

主な磁気浮上式鉄道には、ジェイアール式マグレブ(JRマグレブ)、HSST、トランスラピッドなどがあり、現在、有人試運転での世界最高速度は、日本のJRマグレブが2003年に記録した581 km/hである。

◆磁気浮上鉄道の特徴

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。

◇非接触推進による特徴

; ダイレクトドライブ

: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、特に加速および制動時、斜面の登坂に対する性能には限界があった。しかし、磁気浮上式の場合はエネルギー効率の向上や加速・制動性能の大幅な向上が期待できる。

; モータ構成の自由度が上がる

:高速や低速の交通システムやコストに応じたモータタイプの選択ができる。

◇非接触浮上による特徴

; 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空気抵抗のみとなる

; 保守の手間が大幅に低減

すなわち、高速性と低環境負荷(低騒音、省エネルギー)という利点である。

◆磁気浮上鉄道の技術

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。

◇磁気浮上の種類

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、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

・ 磁石と鉄との間に働く吸引力を利用して浮上

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。

;電磁誘導浮上支持方式 (EDS, ElectroDynamic Suspension System)

: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。

;電磁吸引支持方式 (EMS, ElectroMagnetic Suspension System)

: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、ギャップが小さくなるほど吸引力は大きくなる関係にある(磁界強度は距離の二乗に反比例する)。浮上中は、レールと車体とのギャップを常に計測し、浮上電磁石の磁力を制御する必要がある。

:またギャップ長が制御できれば永久磁石を使用できる(この方法はM-Bahnで実用化された)。

◇案内の種類

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。

◇駆動の種類

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。

◆リニアモータの種類

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。

◇リニア同期モータ(リニアシンクロナスモータ、LSM)

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む欠点がある。

◇リニア誘導モータ(リニアインダクションモータ、LIM)

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。

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、軌道に導体板となるレールを敷設するだけで済む車上一次式が一般的である。また、レールと一次コイルの配置方法として、レールの片面のみにコイルを配置する片側式とレールの両面に配置する両側式がある。

◆磁気浮上鉄道の要素技術分類

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。

◆推進抵抗

磁気浮上であるため、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。

◇空気抵抗

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。

◇磁気抵抗

磁界中を移動する導体には電磁誘導により磁界に抗する力が発生するが、これが抵抗となる。磁気浮上鉄道では空気抵抗に比べて桁違いに小さいが、強力な電磁石を用いて高速に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。

◆磁気浮上鉄道と他の交通機関との比較

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。また高速移動可能であるにも関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グ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。

◆磁気浮上鉄道の歴史

◇浮上鉄道のアイデア

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。

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、磁気浮上とエア浮上の2種類が考えられた。

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