リニアモーターカーの仕組み

大量輸送機関の進化は人類の文明を根本的に変えました。 1860 年代、大陸横断鉄道により、数か月にわたるアメリカ横断の旅が 1 週間の旅に変わりました。わずか数十年後、乗用車のおかげで、馬に乗るよりもはるかに早く田園地帯を飛び回れるようになりました。そしてもちろん、第一次世界大戦時代には、最初の民間航空便が私たちの旅を一から変え始め、大陸間の移動が数時間になった。しかし、今日の米国の鉄道旅行は 100 年前と比べてそれほど速くはありません。次の大きな進歩を求めるエンジニアにとって、おそらく「魔法の」水上列車はまさに切符です。

21 世紀には、強力な電磁石を使用してリニアモーターカーと呼ばれる高速鉄道を開発している国がいくつかあります。これらの列車は、磁石の基本原理を使用して、古い鋼製車輪と軌道列車を置き換えて軌道上に浮かびます。言うべきレールの摩擦がないため、これらの列車は時速数百マイルの速度に達することができます。

しかし、高速性はリニアモーターカーの大きな利点の 1 つにすぎません。列車が線路に触れることは（あったとしても）めったにないため、地面を揺るがす一般的な列車よりも騒音や振動がはるかに少なくなります。振動と摩擦が少ないと機械的故障が少なくなり、リニアモーターカーが天候による遅延に遭遇する可能性が低くなります。

磁気浮上(リニアモーターカー) 技術の最初の特許は、1910 年代初頭にフランス生まれのアメリカ人技術者エミール・バチェレによって申請されました。それ以前の 1904 年にも、アメリカの教授で発明家のロバート ゴダードはリニア浮上のアイデアを概説する論文を書いていました 。エンジニアがこの未来的なビジョンに基づいて鉄道システムの計画を開始するまで、それほど時間はかかりませんでした。彼らは、乗客はすぐに磁気推進車両に乗り、従来の鉄道のようなメンテナンスや安全上の懸念をほとんど払わずに、高速で場所から場所へと移動できるようになるだろうと信じていた。

リニアモーターカーと従来の電車の大きな違いは、リニアモーターカーにはエンジンが搭載されていないことです。少なくとも、一般的な鉄道車両を鋼線に沿って牽引するために使用される種類のエンジンは搭載されていません。リニアモーターカーのエンジンはあまり目立たない。化石燃料を使用する代わりに、軌道壁と線路内の通電コイルによって生成される磁場が結合して列車を推進します。

磁石で遊んだことがあるなら、反対の極は引き付けられ、同じ極は互いに反発することをご存知でしょう。これが電磁推進の基本原理です。電磁石は金属物体を引き付けるという点で他の磁石と似ていますが、磁力は一時的なものです。銅線の端を単三電池、単二電池、または単三電池のプラスとマイナスの端に接続することで、小さな電磁石を自分で簡単に作成できます。これにより小さな磁場が発生します。ワイヤーのどちらかの端をバッテリーから外すと、磁場が奪われます。

このワイヤーとバッテリーの実験で生成される磁場は、リニアモーターカーのレール システムの背後にある単純なアイデアです。このシステムには 3 つのコンポーネントがあります。

次にトラックを見ていきます。

リニアモーターカー軌道

軌道に沿って走る磁化されたコイルは、ガイドウェイと呼ばれ、列車の下部車両にある大きな磁石に反発し、列車はガイドウェイの上方 0.39 ～ 3.93 インチ (1 ～ 10 センチメートル) の間で浮上することができます 。列車が浮上すると、軌道壁内のコイルに電力が供給されて、列車を軌道に沿って引っ張ったり押したりする独自の磁場システムが形成されます。ガイドウェイ壁のコイルに供給される電流は常に交流して、磁化されたコイルの極性を変化させます。この極性の変化により、列車の前方の磁場が車両を前方に引っ張る一方、列車の後方の磁場によって前方への推力が増加します。

リニアモーターカーは空気のクッションの上に浮かび、摩擦を排除します。この摩擦の欠如と列車の空力設計により、これらの列車は時速 310 マイル(時速 500 キロ) 以上、またはアムトラックの最速通勤列車の 2 倍という前例のない地上輸送速度に達することができます 。比較すると、長距離飛行に使用されるボーイング 777 民間航空機は、最高速度約 562 マイル (時速 905 キロ) に達します。開発者らは、リニアモーターカーは最終的には最大1,000マイル（1,609キロメートル）離れた都市を結ぶだろうと述べている。時速 510 マイルで走行すると、パリからローマまで 2 時間強で移動できます。

リニアモーターカーの中には、さらに高速で走行できるものもあります。 2016年10月、JRのリニア新幹線（時速601キロ）が短時間走行中。このような速度があるため、エンジニアは、この技術が長さ数百マイルのルートでも役立つことが証明されると期待しています。

ドイツと日本は両国ともリニアモーターカー技術を開発し、自国の車両のプロトタイプを試験した。ドイツと日本の列車は同様のコンセプトに基づいていますが、明確な違いがあります。ドイツでは、エンジニアが Transrapid と呼ばれる電磁サスペンション( EMS ) システムを開発しました。このシステムでは、列車の底部が鋼製ガイドウェイの周りを包み込みます。列車の下部車両に取り付けられた電磁石は案内路に向かって上向きに向けられており、これにより列車は案内路から約 1/3 インチ (1 センチメートル) 上に浮上し、動いていないときでも列車は浮遊状態に保たれます。列車の車体に埋め込まれたその他の誘導磁石により、走行中の列車の安定性が保たれます。ドイツは、トランスラピッド・リニアモーターカーが人を乗せた状態で時速300マイルに到達できることを実証した。しかし、2006 年の事故 (補足記事を参照) と、提案されていたミュンヘン中央駅から空港までのルートでの巨額のコスト超過の後、ドイツでのリニアモーターカー建設計画は 2008 年に中止されました 。それ以来、アジアはリニアモーターカー活動の中心地となっています。

動電サスペンション (EDS)

日本の技術者は、磁石の反発力に基づく電気力学サスペンション( EDS ) システムを使用するリニアモーターカーの競合バージョンを開発しました。日本とドイツのリニアモーターカー技術の主な違いは、日本の車両は過冷却された超電導電磁石を使用していることです。この種の電磁石は、電源が遮断された後でも電気を通すことができます。標準的な電磁石を使用する EMS システムでは、電源が供給されている場合にのみコイルに電気が流れます。極寒の温度でコイルを冷却することにより、日本のシステムはエネルギーを節約します。ただし、コイルを冷却するために使用される極低温システムは高価であり、建設およびメンテナンスのコストが大幅に増加する可能性があります。

これらのシステムのもう 1 つの違いは、日本の列車は軌道よりも 10 センチメートル上にあることです。 EDS システムを使用する際の潜在的な欠点の 1 つは、リニアモーターカーが時速約 93 マイル (時速 150 キロ) の離陸速度に達するまでゴム製タイヤで走行しなければならないことです。日本の技術者らは、停電によりシステムが停止した場合に車輪が有利になると述べている。また、ペースメーカーを装着している乗客は、超電導電磁石によって生成される磁場からシールドされなければなりません。

Inducttrackは、電力を供給される電磁石や冷却された超電導磁石の代わりに、室温の永久磁石を使用して磁場を生成する新しいタイプの EDS です。インダクトトラックは、列車が浮上し始めるまでのみ動力源を使用して列車を加速します。停電した場合、列車は徐々に速度を落とし、補助輪で停止することができます。

線路は実際には、絶縁されたワイヤを含む電気的に短絡された回路の配列です。 1 つの設計では、これらの回路ははしごの横木のように配置されます。列車が移動すると、磁場が磁石を反発させ、列車が浮上します。

現在、Inducttrack I、Inducttrack II、および Inducttrack III の 3 つの Inducttrack 設計があります。 Inducttrack I は高速向けに設計されており、Inducttrack II は低速向けに設計されています。 Inducttrack III は、低速で移動する非常に重い貨物積載用に特別に設計されています。インダクトトラック列車は、より安定してより高く浮上できる可能性があります。時速数マイルで移動している限り、インダクトトラックの列車は線路から 1 インチ (2.54 センチメートル) 近く上空に浮上します。線路上のギャップが大きいということは、列車が安定性を維持するために複雑な感知システムを必要としないことを意味します。

科学者たちは、永久磁石では十分な浮上力が得られないと考えたため、これまで永久磁石は使用されていませんでした。 Inducttrack 設計は、磁石をハルバッハ配列に配置することでこの問題を回避します。磁石は、磁場の強度がアレイの下ではなく上に集中するように構成されています。これらは、より高い磁場を生成するネオジム-鉄-ホウ素合金からなる新しい材料で作られています。 Inducttrack II 設計には 2 つのハルバッハ アレイが組み込まれており、低速でより強力な磁場を生成します。

特に、受動的磁気浮上の概念は、提案されているハイパーループ交通システムの中核機能であり、本質的には線路全体を囲む密閉チューブを爆破するインダクトトラック形式の列車です。ハイパーループが選択のアプローチになる可能性がある。その理由の一つは、ハイパーループは通常のリニアモーターカーでは不可能な方法で空気抵抗の問題を回避し、したがって超音速を達成できるはずだからである。ハイパーループのコストは従来の高速鉄道よりもさらに安くなる可能性があると言う人もいる。

しかし、リニアモーターカーは長年の運行実績を誇る実証済みの技術ですが、商用ハイパーループを建設した人は世界のどこにもまだ存在しません。

使用されているリニアモーターカー技術

リニアモーターカー輸送は 1 世紀以上前に初めて提案されましたが、最初の商用リニアモーターカーは 1984 年まで現実になりませんでした。このとき、低速リニアモーターカーが英国のバーミンガム国際駅とバーミンガム国際空港ターミナル間で運行されるようになりました。空港。それ以来、さまざまなリニアモーターカープロジェクトが開始されたり、停滞したり、完全に放棄されたりしました。しかし、現在リニア商業鉄道は6本あり、それらはすべて韓国、日本、中国に位置している。

リニアモーターカーシステムが高速、スムーズ、効率的であるという事実は、重大な事実を変えるものではありません。それは、これらのシステムの構築に信じられないほどの費用がかかるということです。ロサンゼルスからピッツバーグ、サンディエゴに至る米国の都市ではリニアモーターカーの建設計画が進行中だったが、リニアモーターカー輸送システム（）の建設費用が法外に高額で、最終的には提案されていたプロジェクトのほとんどが中止になった。批評家の中には、リニアモーターカー計画には従来の鉄道のおそらく 5 倍の費用がかかると非難する人もいます。しかし、支持者らは、これらの列車の運行コストは、場合によっては、旧式の列車技術を使用した場合よりも最大 70% 削減できると指摘しています。

いくつかの注目度の高いプロジェクトが失敗に終わっても仕方ありません。バージニア州のオールド ドミニオン大学の管理部門は、2002 年の秋学期に学生をキャンパス内で往復させるスーパー シャトルを導入することを望んでいましたが、列車は数回テスト走行しましたが、実際には時速 40 マイル (64 キロ) に近づくことはありませんでした。約束した速度です。鉄道駅は 2010 年に最終的に解体されましたが、高架線路システムの一部はまだ残っており、これは 1,600 万ドルの失敗の証拠です 。

しかし、他のプロジェクトは存続します。ある野心的なグループは、ワシントン DC からボルチモアまでの 40 マイル (64 キロメートル) の区間を建設したいと考えており、このアイデアには多くの支持者がいますが、プロジェクトには最大 150 億ドルの費用がかかると予想されています。このコンセプトの法外な価格は、世界の他の地域では笑い話かもしれないが、この地域の魂を打ち砕く交通渋滞と限られたスペースのため、都市計画者やエンジニアは革新的なソリューションを必要としており、超高速リニアモーターカーシステムが最良の選択肢である可能性がある。重要なセールスポイント – このプロジェクトの拡張により、ワシントンからニューヨーク市まで接続され、移動時間がわずか 60 分に短縮され、迅速な通勤が可能になり、北東部の商業と旅行に変革をもたらす可能性があります。

しかし、アジアではリニアモーターカーブームは本質的にすでに始まっています。日本は、2037 年までに開通する可能性のある鉄道の開発に熱心に取り組んでいます。それが完成すると、列車はほぼ 3 時間の移動をわずか 67 分に短縮します 。

中国は数十のリニアモーターカーの潜在的なルートを真剣に検討しており、いずれも大容量の大量輸送を必要とする混雑地域にある。これらは高速列車ではありません。その代わりに、多くの人をより短い距離でより低速で移動させることになります。それにもかかわらず、中国はすべてのリニアモーターカー技術を独自に製造しており、最高時速約 125 マイル (時速 201 キロ) の第 3 世代商用リニアモーターカーラインを公開しようとしています。これまでのバージョンとは異なり、完全に無人運転で、代わりにコンピューターセンサーに依存しています。加速と制動 (この国ではすでにリニアモーターカーがいくつか運行されていますが、運転手が必要です。) 。

リニアモーターカーが人間の交通手段の将来にどのように影響するかを正確に知ることは不可能です。自動運転車と飛行機による旅行の進歩により、リニアモーターカーの配備が複雑になる可能性があります。ハイパーループ産業が勢いを生み出すことができれば、あらゆる種類の交通システムに混乱をもたらす可能性がある。また、一部の技術者は、空飛ぶ自動車は、信じられないほど高価ではあるが、軌道に乗り出すのに大規模なインフラプロジェクトを必要としないため、将来的には鉄道システムに勝るのではないかと疑っている。

おそらくわずか 10 年か 20 年以内に、世界中の国々がリニアモーターカーについての判決を下すことになるでしょう。おそらくそれらは高速移動の要となるか、あるいは混雑した都市部の特定の人口の一部にサービスを提供する単なるペットプロジェクトになるかもしれない。あるいは、実際に普及することはなかった、ほとんど魔法のような形の空中浮遊技術として、単に歴史の中に消えていくのかもしれません。