CN101083447A - 广义施力磁体与使用该磁体的导体轨道磁悬浮车辆或列车 - Google Patents

Abstract

一种广义施力磁体，它利用线圈中上升和下降变化的电压或电流脉冲形成磁通量的变化，从而在导体中产生感应电动势、感应电流和反向的感应磁场。通过调节脉冲中电流上升和下降的时间比值、脉冲波形等来实现对所有的导体施加推斥力、吸引力或振动力，并且使这磁体能与各类导体之间保持互相分离或互相吸引的相对静止或来回振动的运动状态。一种利用上述磁体的磁悬浮车辆或列车，在机车和车辆的转向架或车架下部配备分离型悬浮磁体、导向磁体、驱动磁体、制动/倒车磁体(和必要的消磁磁体)；这种车辆或列车不需要对现有铁路进行改造就能实现在导体轨道特别是在现有的铁道上高速或/和重载行驶。

Description

广义施力磁体与使用该磁体的导体轨道磁悬浮车辆或列车

技术领域

本发明涉及一类施力磁体和利用这类磁体在导体轨道上对车辆或/和列车进行悬浮、导向、驱动、制动或倒车的技术领域。

背景技术

现有的磁体有：永磁体、电磁铁和超导磁体；特别是超导磁体能通过强大的电流，从而获得强大的磁场。各类磁体的同名磁极之间能互相排斥，异名磁极之间能互相吸引；各类磁体也能对诸如铁、钴、镍等少数几类铁磁质有吸引作用。但是，包括超导磁体在内的各类磁体都无法对除了铁磁质之外的“一般”导体施加推斥、吸引或振动的力的作用。

现有的电磁铁为了增强其磁通量，除了用铁芯外，还要增加线圈的匝数，增强通过线圈中的电流，这样就不可避免地增加了电磁铁的重量、耗电量和发热量。超导磁体虽然在体积较小时就能获得强大的电流和磁场，但其材料特殊、成本高、技术复杂，要不断地对其进行深度冷却。上面所有因素使普通磁体和超导磁体的应用都受到了相当大的限制。

现有的磁悬浮列车有如下几种：

据“http://blow.myrice.com/train/aerotrain/磁悬浮列车总概”说：“磁悬浮列车……一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统-EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来……另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统-EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。”

据“http://www.transrapid.com.cn/”介绍说：EMS系统的“悬浮系统支撑磁铁安装在车厢底部，沿整节车厢两侧分布，将车厢从下往上吸向轨道上的铁磁定子。导向磁铁固定在车厢的侧面。传动系统通过长定子直线电机驱动和制动。长定子直线电机安装在线路中，定子分段‘分布’在整条线路两侧下方。绕组中的电流产生一个运动磁场，磁浮车在无接触状态下被它吸引。支撑磁铁起着励磁部件(转子)作用。线路线路由每段可长至61米的钢结构或混凝土结构支撑梁组成，既能铺设在平地上，也能铺设在细高的支架上。”

可见：EMS系统须在车厢底部配备支撑和导向磁铁，“整个线路”要配备“由定子包和插入式绞缆绕组”组成的长定子、铁磁质导轨；其线路技术要求高，造价昂贵。据“http://news.sohu.com/2004/01/15/74/news218557493.shtml京沪高铁采用轮轨技术弃用磁悬浮原因很充分”说：“磁悬浮的成本过高，每公里成本约3亿至4亿元，比轮轨高一倍。”

EDS系统也要沿着整个线路安装导轨和线圈，据“http://www.transrapid.com.cn/”说：“日本Chuo新干线处在U形线路中。装在车上用液态氦冷却的超导线圈产生一特别强大的磁场，通过感应方式使线路里的被动反应线圈产生一个方向相反的磁场。这磁场在速度达到100公里/小时以上时才能强大到使车体保持悬浮，在此之前车需要靠车轮行驶。……日本技术的缺点在于成本高，高温超导的工艺费用高以及车内的极限磁场。超导线圈需要连续不断地冷却，而且10cm大的间隙会产生很高的泄漏磁场。装有心脏起搏器的人不能乘坐磁悬浮高速列车。”另据“http://www.stcsm.gov.cn/newspecial/common/detail.asp？pid＝26什么是磁浮列车”说：“超导磁浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。”

一份公开号CN1431114A，申请号03114974.X的中国专利文件公开了一种磁悬浮列车，其“每一路轨悬浮磁阵列由n(n＝1，2，3……)列相同的且长度与路轨等长的磁列相互平行而等间隔地沿垂直于路轨方向水平地排布在路基上而成。……路轨导向磁阵列的长度等于整条路轨的长度。……车载导向磁阵列的长度与列车等长。……磁啮条装在路基上，其长度方向平行于路轨而且与路轨等长。”

这专利文件还说：“中国西南交通大学……高温超导磁悬浮列车。其结构如下：在路轨上铺上永磁体，列车底部装薄底低温杜瓦，内盛液氮。杜瓦内底部装YBCO高温超导体。用非理想第二类超导体抗磁性和磁通钉扎来实现稳定磁悬浮。这种系统的优点是悬浮本身不耗电，也不用液氦，但其突出的缺点是悬浮高度在5mm以下才能有较大的悬浮力。”

另据“http://www.runsky.com/homepage/dl/finance/userobjectlai550916.html世界首辆‘倒挂’磁悬浮列车大连诞生”文章报导：“这种磁悬浮采用‘路-车-吊轨’式的布局，使列车镶嵌在吊轨中，……复线每公里建设费造价为0.8亿元人民币。”

上述各类磁悬浮列车，无论是用电磁、永磁或超导磁体，无论是将磁铁和线圈等安置在轨道底部、侧面或顶部；它们共同的不足之处是都必须耗费巨资修建专用的线路，完全不能利用现有铁路的轨道等线路设施，不具备交通运输的“通用性、网络性和兼容性”。

现有的线路已无法运行高速轮轨列车，须新建线路；据“http://www.transrapid.com.cn/”文章说：“在现有的线路上，ICE城际特快列车已无法达到它的最高时速(250公里/小时)，完全变成了以常规速度行驶的‘一般’火车，而不是真正的高速列车。”

轮轨高速铁路的建设成本巨大，据“http://house.focus.cn/showarticle/1261/22711.html磁悬浮列车的优势”说：“轮轨铁路提高速度的代价很高，300公里/小时高速铁路的造价比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。”而且，高速轮轨列车对线路的要求很高，据“http://www.metalinfo.net.cn/kaituo.btm国家冶金局提出开拓钢轨市场意见”说：“高速铁路要求钢轨的纯净度和平直度，铁道部最近提出的200km/h和300km/h高速铁路用轨的技术条件比我国现行GB2585-81标准要严格的多”。

据“http://www.kepu.net.cn/gb/technology/railway/railway_hitech/200401190028.html重载运输”说：“重载运输因为载重量大，一般的轨道无法承载，必须铺设或更换……高强度钢轨，并配套同等强度的其它轨道构件。”为了牵引重载列车，往往要用压铁来增加机车的自重，甚至行驶到某些地段还要撒砂；这些都增大了轨轮之间的磨损。

发明内容

本发明的目的一是：克服现有各类磁体的不足，提供一种能够对“所有”各类导体甚至是半导体等施加推斥力、吸引力或振动力的广义施力磁体；并且使这磁体能与各类导体或半导体等之间保持互相分离或互相吸引的相对静止状态，或者来回振动的运动状态。

本发明的目的二是：利用这广义施力磁体在导体材料制造的轨道上使车辆或列车实现悬浮、导向、驱动、制动和倒车。这“导体轨道”不仅包括现有使用重轨的普通铁路、城际铁路、地下铁路、高架铁路等中的钢制轨道，也包括诸如轻轨、窄轨、单轨铁路等中的轨道；甚至还包括将来可能出现的任何使用导体材料的轨道。尤其是使现有的普通铁路不但能行驶普通轮轨列车，也能行驶本发明的磁悬浮(高速)列车或/和磁悬浮重载列车。

上述使磁体与导体之间保持分离的目的通过如下的技术方案来实现：在一个线圈中通有电流，那么，这线圈周围必将产生磁场。令线圈中的电流是脉冲的，而且在脉冲持续的绝大部分时间内，电流强度从零或最小值逐渐增强；当电流上升到最大值后，才在脉冲持续的极短时间内迅速地下降到零或最小值。对于一定匝数的线圈，其周围的磁感应强度B只取决于其中通过的电流i。那么，在i不断增强的时间内，线圈周围的B必将与i成正比不断地增强。在这线圈附近有个导体，这导体中通常会形成若干个闭合回路。由于线圈周围B的变化，必将使这导体中的若干个闭合回路中的磁通量Ф产生变化，而Ф的变化必将产生感应电动势。感应电动势必将在这若干个闭合回路中产生感应电流，感应电流必将产生一个感应磁场。这个感应磁场的方向必将阻止原来磁场的增强，从而产生一个推斥这线圈的力。当然，这导体本身也将受到一个反方向的推斥力。为了增强线圈中的磁通量Ф，通常将线圈绕在一个铁芯上。于是，线圈与铁芯就组成了一个分离型磁体。

下面参见附图来进一步分析：图1中1为通电线圈，2是铁芯，1和2组成分离型磁体。磁体的下方有个固定在地面4上的导体3，导体3的上端面与水平面平行。磁体的长轴线在铅直方向，并且与导体3的上端面垂直，磁体的下端面与导体3的上端面平行。

图2显示了通电线圈1两端的电压u或线圈中通过的电流i随着时间t变化的脉冲波形：u(t)或i(t)。为了讨论的方便，先假设电流为线性变化的扫描波(或称为锯齿波)。脉冲持续时间为T，在脉冲的前部时间(这段时间对于扫描波应称为扫描期，但这波形在下面的序述中将会有极多的变化，故称其为“前部时间”，下同。)t₁内，电流i从零值的0点线性地上升到电流为最大值i_max的A点。如上所述：由于线圈1中电流的增强，必将在导体3的各个回路中产生感应电流。根据安培定律，导体3中某一回路中的某一段电流元2给线圈1中某一段电流元1的作用力为：

$d{\stackrel{\→}{F}}_{21}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{i_1{i}_{2}d{\stackrel{\→}{l}}_1\×(d{\stackrel{\→}{l}}_2\×{\hat{r}}_{21})}{r_{21}^2}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

公式(1)中上标有箭头的字母代表该量为矢量，dF₂₁为电流元2给电流元1的力，i₂和i₁分别为电流元2、1中的电流强度，dl₂和dl₁分别为电流元2、1的长度，r₂₁为电流元2和1之间的距离，

为沿着矢量r₂₁方向的单位矢量，μ₀为真空中的磁导率。式(1)中4π、μ₀、dl₁、d_l和

都是常数，在时间dt内，距离r₂₁和i₁都不变。 由于线圈1的匝数固定，线圈周围的B只与i有关。在时间t₁内，线圈1中的电流i₁线性增长，即：di/dt＝i_max/t₁＝常数。于是，线圈1周围的磁场在导体3的各回路中所产生的磁通量变化率dФ/dt就是常数。那么，线圈1在导体3中产生的感应电动势就是常数。对于指定的导体3，包括电流元2在内的各回路的电阻值都是恒定的。那么，在整个时间t₁内，感应电流值i₂∝di/dt＝i_max/t₁＝常数。于是，在时间dt内，dF₂₁∝i₂∝i_max/t₁＝常数。将式(1)对dl₁和dl₂积分，就得到整个磁体在时间dt内受到整个导体的推斥力F₁。

在时间t₁内，r₂₁和i₁都是变量，F₁是它们的多元函数，其形式相当复杂。为了简便起见，暂时忽略r₂₁和i₁在时间t₁内的变化，那么，在时间t₁内也有：F₁∝i₂∝i_max/t₁＝常数。由于包括元件1、2在内的磁体的质量m是常数，那么，在时间t₁内，磁体在推斥力作用下离开导体的加速度a₁＝F₁/m∝i_max/mt₁＝常数。于是，根据匀变速直线运动中的位移公式，磁体受导体推斥力的作用而与导体之间分离的位移为：

$h_1=\frac{1}{2}{a}_1{t}_1^2\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

在脉冲的后部时间(这段时间对于扫描波应称为回扫期，但这波形在下面的序述中将会有极多变化，故称其为“后部时间”，下同)t₂内，电流从A点最大值i_max线性地迅速下降到零值的B点。由于i₁不断地减弱，导体将吸引磁体，使磁体从h₁位置开始向下运动。根据类似上面的分析，同样暂时忽略r₂₁和i₁在时间t₂内的变化。那么，导体对磁体的吸引力F₂∝i₂∝i_max/t₂＝常数。于是，在时间t₂内，磁体在F₂作用下向导体靠近的加速度a₂＝F₂/m∝i_max/mt₂＝常数。磁体受导体的吸引作用而向着导体移动的位移量为：

$h_2=\frac{1}{2}{a}_2{t}_2^2\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

上述分离和吸引两者的加速度的比值为：

$\frac{a_1}{a_2}=\frac{\frac{i_{\max }}{{\mathrm{mt}}_1}}{\frac{i_{\max }}{{\mathrm{mt}}_2}}=\frac{t_2}{t_1}\·\·\·\left(4\right)$

将公式(2)除以公式(3)并且将公式(4)代入，得到分离和吸引位移量的比值为：

$\frac{h_1}{h_2}=\frac{\frac{1}{2}{a}_1{t}_1^2}{\frac{1}{2}{a}_2{t}_2^2}=\frac{t_2}{t_1}\frac{t_1^2}{t_2^2}=\frac{t_1}{t_2}\·\·\·\left(5\right)$

由于t₁＞t₂，那么：h₁＞h₂，即在时间T内，磁体与导体间分离的位移量h₁大于吸引的位移量h₂。显然，增大t₁/t₂的比值，必将增大总位移量h₀＝h₁-h₂。

必须说明：一、上面为了计算方便，曾假设脉冲前部后部中di/dt都不变。其实，di/dt不但能变，而且其变化还能调节t₁和t₂中力的变化。例如在时间t₁内，如果di/dt随着时间t的平方或t的其它函数形式而增大，就能补偿磁体与导体间因为r₂₁和i₁的变化带来的作用力的变化或者下降；使得作用力F₁是个真正不会随着r₂₁和i₁在时间t₁内变化的常数；甚至能使F₁在时间t₁内是个逐渐增大的变量，从而进一步增大分离的位移量。

二、同样，在时间t₂内，通过变换i(t)的函数形式，能在很大程度上减小吸引位移量。

三、假设当时刻为零时，磁体与导体间的距离为零；在时刻t₁，它们之间产生了位移h₁。由于作用力与距离的平方成反比。那么，当磁体从位置h₁下降时，它受到的作用力显然比两者间距离为零时的小得多。因此，实际的吸引位移量也要小于公式(3)中的h₂。

四、此外，还能在很大范围内增大最大电流i_max和t₁的数值，甚至能在第一个脉冲的时间t₁内，就将磁体推送到距离导体相当远处；让时间t₂内的吸引位移小到忽略不计。

参见图3：第一个脉冲结束后，线圈1中将出现与图2所示的相同的第二个脉冲，那么，磁体就会在位置h₀上重复先分离后吸引并且分离大于吸引的过程。但由于作用力与距离的平方成反比，那么，第二个脉冲在位置h₀上产生的F₁、F₂和a₁、a₂显然比两者间距离为零的第一个脉冲所产生的要小；它所引起的总位移也必将比第一个脉冲引起的小，第三个脉冲引起的将会更小……直至无穷小。于是，两者间的距离就不会再增大了。反之，如果两者间的距离缩小，新的脉冲时间t₁中因距离缩小而增大的推力将会再次使两者间的距离加大。可见：磁体与导体之间还有“自动调节距离”的功能。总之：磁体与导体之间运动的最终结果就是“互相分离并保持一定的距离”，这就是分离型磁体的效果。

如果磁体和导体在铅直方向，还要考虑重力的作用：在脉冲时间T内，磁体在重力的作用下而下降的高度为：

$h_3=\frac{1}{2}{\mathrm{gT}}^2\·\·\·\left(6\right)$

公式(6)中g为重力加速度。假设h向上为正；在周期T内，磁体先上升h₁，后下降h₂；同时不断地下降h₃；根据运动叠加原理，磁体在高度方向的总位移为：

$h_0=h_1-h_2-h_3=\frac{1}{2}[a_1{t}_1^2-a_2{t}_2^2-{\mathrm{gT}}^2]=$

$\frac{1}{2}[a_1{t}_1^2-\left(\frac{a_1{t}_1}{t_2}\right)t_2^2-{\mathrm{gT}}^2]=\frac{1}{2}[a_1{t}_1(t_1-t_2)-{\mathrm{gT}}^2]\·\·\·\left(7\right)$

由于t₁＞t₂，故：t₁-t₂＞0，即：a₁t₁(t₁-t₂)＞0；而g是常数。那么，要想h₀＞0，一是要增大(t₁-t₂)的差值。二是要增大a₁，为此就必须增大F₁，而F₁∝ i_max/t₁；那么，就须增大i_max。三要缩短T(即提高脉冲频率f)；而缩短T必将减小t₁[但(t₁-t₂)的差值不变]，从而间接地增大F₁和a₁。可见，只要采取这三条措施，就能使总位移h₀＞0。

同样，在如图3所示的一系列脉冲序列的作用下，磁体将重复先上升后下降同时不断地下降h₃最终的结果是向上的位移大于0的这一过程。或者说，磁体必将在某个高度大于0的平衡位置附近不断地小幅度上下振荡或者是悬浮，而不会坠落了。

总之：调节脉冲中di/dt的变化，再加上“增大i_max、增大t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值、缩短T”等因素就能在很大范围内调节磁体与导体间的作用力性质和分离位移h₀了。

由于自感的存在，在时间t₁内，不断增大的电压u(t)引起的电流变化会使线圈中出现反抗电流增加的自感电动势；i(t)的上升相对u(t)的上升之间就会有一段时间的滞后。甚至i(t)上升相对u(t)的上升时间t₁之间会有小小的差别。而且，即使u(t)线性上升，i(t)也会与线性波形间有所差别。但是，即使i(t)相对u(t)有这些差别，在电流上升的时间内，di/dt总是大于0。那么，电流所引起的分离作用力和分离位移的“方向”和“性质”等是不会改变的；至多是作用力的大小随时间的变化与u(t)的线性变化之间有小的差别而已。

到了A点后，u(t)开始线性地下降。同样由于自感电动势的作用，i(t)的下降相对u(t)之间会有滞后；其下降时间相对t₂会有差别，其波形与线性波形之间也会有所差异。即使用开关器件令脉冲后部时间的u(t)从最大值突变为0，i(t)也不会突变为0，而是会出现电流沿着e指数逐渐降到最小值的LR电路的暂态过程。但是，无论如何，在电流下降的时间内，di/dt总是小于0，它所引起的吸引力和吸引位移的“方向”和“性质”是不会变的；至多是作用力的大小随时间的变化与u(t)的线性变化之间有小的差别而已。

到了图3所示的第一个脉冲的B点，电压u(t)再次上升，i(t)也将再次重复上面讨论过的第一个脉冲中的变化过程，如此循环往复。

总之，即使有自感存在，而且无论是否有重力，都仍然会有上述的磁体与导体之间运动的最终结果就是“互相分离并保持一定的距离”的这一结果的。

因为“任何”导体中一般都存在若干个闭合回路，这些回路中由于磁通量的变化都会产生感应电动势、感应电流、反抗原来磁场增强的感应磁场和反向推斥力。

这“导体”是广义的，它不仅包括铁、钴、镍等铁磁质，也包括其它各类金属甚至是半导体；包括石墨、导电橡胶、大地等非金属；甚至还包括酸碱盐类的水溶液形成的电解液、电离气体等非固态导体。推而广之：任何在磁通量的变化中能产生感应电动势、感应电流和感应磁场的任何状态的物质都将受到这种磁体的力的作用而与磁体之间保持互相分离的状态。只是由于各类物质的电阻率、形状和状态等不同，在同样的感应电动势作用下各自内部产生的感应电流、感应磁场和推斥力的大小以及分离的位移等有所差别而已。

总之：图1中的磁体能对“任何”导体产生推斥力的作用，并且使它们与磁体之间保持互相分离的状态。因而，称这种磁体为“广义分离型磁体”(以下简称为“分离型磁体”)。

图1中是将导体放置在地面，如果将磁体固定在地面，而将导体放置在磁体的上方，那么，根据同上类似的分析，导体也必将悬浮在磁体上方的一定高度而不会坠落下来了。

进一步假设磁体和导体之间是倾斜的，参见图4：图中线圈1和铁芯2组成倾斜的分离型磁体，另有一个在地面4上的其上表面与水平面平行的导体3，磁体的下端面与导体3的上表面平行，它们之间有一层空气间隙。两根沿着铅直方向的虚线分别代表磁体和导体3与空气界面间的法线，显然这两根法线平行。倾斜磁体的长轴线与法线的夹角为θ₁。磁体中各箭头代表顺着铁芯2的长轴线向下延伸的磁感线。根据磁介质的边界条件：

$\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_1}{\tan {\mathrm{\θ}}_2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2}\·\·\·\left(8\right)$

公式(8)中θ₁、θ₂分别为磁感线在铁芯2和在空气中与法线之间的夹角，μ₁、μ₂分别为铁芯2和空气的磁导率。从铁芯2中出来的磁感线进入空气中后，由于空气的μ₂≈1，而组成铁芯2的铁磁质的μ₁＞＞1，而且θ₁＞0，根据公式(8)，则θ₂≈0。

同样，根据磁介质的边界条件：

$\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_3}{\tan {\mathrm{\θ}}_4}=\frac{{\mathrm{\μ}}_2}{{\mathrm{\μ}}_4}\·\·\·\left(9\right)$

公式(9)中θ₃和θ₄分别为磁感线在空气和导体3中与法线之间的夹角，μ₄为导体3的磁导率。由于两根法线平行，因此θ₃＝θ₂；同样由于μ₂≈1，θ₃≈0，而μ₄＞＞1，根据公式(9)可知：在导体3内的磁感线必将与其法线之间成很大的夹角θ₄。

由于导体3已经被感应成一个磁体，而磁感线的切线方向为磁体的磁北极(N极)的受力方向，那么导体3的受力方向显然就是图中磁感线的切线所示的箭头方向F。根据牛顿第三运动定律，导体3必将给磁体一个大小相等方向相反的反作用力F’。可见：当磁体与导体成一定的倾斜角度时，它们之间的分离和吸引的位移方向也是倾斜的。

在更加一般的情况下，即使磁体的下端面与导体的上端面不平行而成一个不大的夹角时，铁芯2的端面与空气交界处的法线和空气与导体3表面交界处的法线不再平行。而同样由于空气的μ₂≈1，而μ₁＞＞1、μ₄＞＞1，那么，仍然有：θ₂≈0、θ₃≈0；θ₁和θ₄都仍然是很大的角。可见：磁体与导体间的分离和吸引的位移方向仍然是倾斜的。

从上述对于分离型磁体的受力和运动分析很容易推出“广义吸引型磁体(以下简称‘吸引型磁体’)”的技术方案：同样让磁体线圈中不断地通有上升和下降的电流脉冲序列，但是其t₁＜t₂，那么根据公式(5)可知：h₁＜h₂，即在时间T内，磁体与导体分离的位移量h₁远远小于吸引位移量h₂；于是，磁体与导体之间运动的最终结果就是互相吸引。

如果磁体和导体在铅直方向，并且像图1中一样，那么，磁体与导体间将因为重力的作用而更加紧密地吸引在一起。如果磁体和导体在铅直方向，但类似电磁起重机一样：磁体固定在空中，而导体在它下面并能上下运动。假设h向上为正，那么导体向下分离的位移h₁为负，向上吸引的位移h₂为正，重力造成的向下位移h₃为负；类似公式(7)有：

$h_0=-h_1+h_2-h_3=\frac{1}{2}[-a_1{t}_1^2+a_2{t}_2^2-{\mathrm{gT}}^2]=$

$\frac{1}{2}[-\left(\frac{a_2{t}_2}{t_1}\right)t_1^2+a_2{t}_2^2-{\mathrm{gT}}^2]=\frac{1}{2}[a_2{t}_2(t_2-t_1)-{\mathrm{gT}}^2]\·\·\·\left(10\right)$

由于t₂＞t₁，故：t₃-t₁＞0，即：a₂t₂(t₂-t₁)＞0；那么，要想h₀＞0，一是要增大(t₂-t₁)的差值。二要增大a₂，为此就必须增大F₂，而F₂∝i_max/t₂；那么，就须增大i_max；三要缩短T(即提高脉冲频率f)；而缩短T必将减小t₂[但(t₂-t₁)的差值不变].，从而间接地增大F₂和a₂。只要采取这三条措施，就能使h₀＞0，磁体就能将导体吸引在它上面而不分离了。

推而广之：无论磁体和导体在哪个方向，它们之间最终都会互相吸引的。

“广义振动型磁体(以下简称‘振动型磁体’)”的技术方案与分离或吸引型磁体的相似：同样让磁体线圈中不断通有上升和下降的电流脉冲序列。而且，令t₁＝t₂或t₁≈t₂，那么：h₁＝h₂或h₁≈h₂；即在时间T内，磁体与导体分离的位移量h₁等于或约等于吸引的位移量h₂；那么，磁体与导体间的运动就是互相来回交替地分离和吸引即振动了。

同样，要增大振动的位移量，本质上就要增大电流变化率，为此可以增大最大电流值i_max、缩短时间T(即增加脉冲频率f)或者在增大i_max的同时缩短T。

与上面的讨论相似：如果线圈中电流的波形不是直线而是其它的曲线，但只要在时间t₁内保持di/dt＞0，在时间t₂内保持di/dt＜0，就仍然会有吸引或振动的效果的。

上述“利用广义施力磁体在导体材料制造的轨道(尤其是在现有的普通铁路)上对车辆或列车进行悬浮、导向、驱动、制动和倒车”的目的通过如下的技术方案来实现：在“机车、客车、货车、行李车、敞车、保温车、维修后勤服务车等任何在铁路上行驶的车辆”(这引号中的内容以下简称为“机车和车辆”)的转向架或车架底部如图1中显示的方式在位于轨道的上方配置若干对(每对包括两个，分别作用在相对的两条轨道上，下面说的“对”都是这意思)“悬浮用分离型磁体”，将机车和车辆悬浮起来；起着车轮的承重功能。并因此而取消机车和车辆下部的车轮与车轴、轴承、驱动电机与齿轮、制动等设备。

机车和车辆的转向架或车架的底部还配备若干对“导向用分离型磁体”，一对磁体的作用方向相反，各自作用在两根轨道相对的内侧，起着车轮轮缘的导向作用。

机车的转向架或车架底部面对轨道的正上方有若干对如图4所示的轴线与轨道轴线倾斜并指向后下方的“驱动用分离型磁体”。由于这些磁体与轨道间的分离位移成一定角度，而这个位移可以分解成一个向前的位移，这就是使磁体和与磁体相联的转向架或车架以及整个机车向前的位移，另一个向上的位移分量则能部分抵消机车重力引起的向下的位移。

机车的转向架或车架底部面对轨道的正上方另有若干对如图4所示的轴线与轨道表面倾斜指向前下方的“制动/倒车用分离型磁体”。同样，这些磁体与轨道间的分离位移成一定的角度，这个位移可分解成一个使磁体和与磁体相联的转向架或车架以及整个机车制动或倒车的向后的位移，另一个向上的位移分量则能部分抵消机车重力引起的向下的位移。

下面将“悬浮用分离型磁体”、“导向用分离型磁体”“驱动用分离型磁体”、“制动/倒车用分离型磁体”分别简称为“悬浮磁体”、“导向磁体”“驱动磁体”和“制动/倒车磁体”。

当列车要制动时，就用制动/倒车磁体制动。当列车要倒车时，原来的各个制动/倒车磁体就变成了驱动磁体而通电进行驱动。反之，原来的驱动磁体就变成了制动/倒车磁体。显然：驱动磁体和制动/倒车磁体在某段时间内只能有一种通电起作用，而另一种则断电。

驱动可以用动力/制动力集中式：仅机车的车架或每个转向架底部配备驱动磁体和制动/倒车磁体。也可以用动力/制动力分散式：机车和所有或部分车辆的每个转向架或车架底部也配备驱动磁体和制动/倒车磁体。后者特别适于重载或/和高速列车的驱动和制动。

为了尽可能消除各分离型磁体在脉冲时间t₂内吸引位移带来的不利影响，一是尽可能地增大t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值。二是在驱动磁体上配置单向间隙运动机构和减震机构来消除或基本上消除时间t₂内磁体向后下方的位移。同样的配置也可用于消除或基本上消除制动/倒车磁体向前上方的位移和悬浮磁体向下的位移；导向磁体也可配置类似装置。

同样，可分别或同时调节各磁体中“脉冲波形、i_max、(t₁/t₂)比值或(t₁-t₂)差值、T”中的一、二、三、四种因素，从而调节悬浮、导向、驱动或制动/倒车的位移量和效果等。

一方面由于各磁体磁场自身的变化，二方面由于各磁体的移动加剧了这种磁场的变化，这两种因素都会在导体材料的轨道(也包括现有普通铁路的钢轨)中形成涡流，形成阻止磁体即列车前进的反向磁场和阻止列车前进的阻力。

为了既能驱动列车又尽可能减小磁场阻力的影响，当列车从静止开始起步时，在悬浮、导向和驱动磁体中通有连续的电流脉冲序列。由于此时速度很低，磁体移动形成的磁场阻力极小。用连续脉冲序列能积累较长时间Δt的向前作用力F，得到很大的冲量FΔt，使质量m较大的列车获得较高的前进动量mv，较快地加速到一定的速度。而当列车逐渐加速并最终达到最高速度后，就只需要克服较小的空气阻力等就能维持这最高速度了。于是，在这加速的过程中就将三类磁体中的电流脉冲由连续逐渐变成断续：一个脉冲后有一段无脉冲的时间。由于脉冲时间短，可将各磁体在这段时间内向前位移的距离和因此而形成的磁场阻力限制在很小的范围内。

可以估算一下机车和车辆的悬浮高度在无脉冲时间内的变化量：假定列车速度为每秒100～150米，即时速为360～540千米；那么每微秒列车将前进0.1～0.15毫米。假定脉冲持续时间T为十微秒，在这十微秒内，列车前进的距离只有1～1.5毫米；在如此短的距离内，因磁体移动而在轨道中形成的磁场阻力是微不足道的。而在每个脉冲后将有一段无脉冲的时间，而这段时间内，是完全没有磁场阻力的；这样就能将磁场阻力限制在最小范围内。

假定在上述一开始的连续脉冲的作用下，磁体已经位移到轨道上方的一定高度H，而在没有悬浮磁场作用的时间nT(n＞0)内，磁体将在重力的作用下自由下落：

$h=\frac{1}{2}g{\left(\mathrm{nT}\right)}^2\·\·\·\·\·\·\left(11\right)$

由于时间T仅为10^-5秒，而重力加速度g为9.8米/秒²，它的一半只有4.9；假定n＝100，(nT)平方也仅为10^-6的量级；h也只有10^-6米的量级。可见：即使n相当大，在这段时间内磁体即机车和车辆下降的高度h也是微不足道的。而无脉冲时间nT过后，下一次悬浮脉冲将出现，再次推动磁体即机车和车辆向上位移到一定的高度；……如此循环反复。从而使列车的悬浮高度始终保持在H值附近，而不会有大的变化。

同样，在列车前进的过程中，假定在上述一开始的连续脉冲作用下，列车已经获得初速度V₀，而在无脉冲时间nT内，列车近似属于匀减速运动，其速度与时间的关系是：

V_t＝V₀-a(nT)……(12)

公式(12)中a是空气阻力对列车形成的负加速度。由于空气阻力远比轮轨之间的摩擦阻力小，因此a也很小。假设n＝3、4、5；(nT)就为10^-5的量级，即使n＝100，(nT)也只有10^-5的量级。可见：时间nT后列车的未速度V_t与初速度V₀相比几乎没有变化。而无脉冲时间nT过后，下一次驱动脉冲将出现，再次推动列车向前位移；……如此循环反复，那么，列车将保持几乎不变的速度V₀而向前行驶了。

当列车行驶在直线轨道上时，左右轨道对导向磁体的反作用力几乎完全相等。.因此，导向磁体中出现断续的脉冲不会对导向造成偏差。只有在转弯处，左右轨道对导向磁体的反作用力才不相等。但由于铁路的转弯半径为千米以上，左右轨道对于磁体反作用力的变化速度相对每秒几千个脉冲来说是非常缓慢的。而且，当某个磁体与轨道的间距因为转弯而变小时，推斥力会自动增大，完全有足够的时间调节左右轨道与导向磁体之间的间隙。

综上所述：当列车高速行驶时，即使各磁体中的电流脉冲变成断续之后，对列车的悬浮高度、导向程度和前进的速度等造成的不良影响都是微不足道的。于是，就能使列车在各种情况下都既能充分发挥各磁体的正面作用，又能将磁场阻力的负面影响减到最小了。

当列车停止的时候，各磁体中没有电流，悬浮、驱动、制动/倒车等磁体落在轨道上面，各磁体中的铁芯就像车轮一样共同支承着机车和车辆的重量；并能够防止列车的滑动。

上述利用本发明的磁体在轨道上悬浮行驶的技术方案适用于“所有的导体轨道”，它不仅适用于普通铁路，也适用于诸如轻轨、窄轨、单轨铁路等轨道，甚至适用于将来出现的任何使用导体材料的轨道。尽管这些轨道的断面可能有差别，但利用这些磁体在轨道上悬浮行驶的技术方案是相同的；至多是悬浮、导向、驱动等磁体的断面形状有所差别而已。

作为特例，当列车在现有的铁路上行驶时，为避免硬磁材料的钢轨被磁化后影响后面车辆的悬浮和行驶，采取如下措施：一是在列车的头、尾、中间等适当的地方配备若干对“去磁磁体”，磁体中通有振幅恒定的交流电，产生正负交变磁场。随着列车的行驶，作用在钢轨上任意处的这磁场将不断地在正负值之间反复变化，并逐渐减弱到0，从而实现去磁的过程。去磁磁体中也可以通有振幅逐渐减弱的交流电，以适应在静止或低速时对钢轨进行去磁。当然有了去磁磁体就必须加强各磁体特别是悬浮磁体的作用力，以抵消去磁磁体的交变磁场产生的向下的作用力。措施二是不配备专门的去磁磁体，而是将各悬浮、导向和驱动磁体中的电流在分离、去磁和无脉冲之间交替循环变化：产生若干个分离波形脉冲后，再产生若干个振幅恒定或逐渐减弱的交变磁场脉冲，其余时间nT内无脉冲；如此循环重复。根据同上关于公式(11)和(12)及其讨论可知：由于交流脉冲的数量较少，而且其持续时间较短，它们所造成的向下或阻止前进等的负面影响也是微不足道的。

与现有各类磁体相比，本发明磁体的有益效果是：它们能对远比铁磁质等少数几种材料的种类范围大得多的“所有”导体产生作用力，使磁体与导体之间保持分离、吸引或振动状态；因而，它们在各行各业中的应用范围必将远远超过包括超导磁体在内的各类磁体。

普通电磁铁除了用铁芯外，只能通过增加线圈的匝数或/和增大电流强度来提高其磁通量。然而，线圈匝数的增大必将使磁体的体积和重量增大；而电流的增大必将带来发热、功耗增大、连续通电时间有限而只能间断工作等问题。超导磁体也是通过增大电流来提高其磁通量的，而且，它还要配备强冷却装置；其材料特殊，无论是制造还是运行成本都相当高。可见：线圈匝数和电流的增大以及由此带来的磁通量的增大都是有限的。

本发明三种磁体的位移效果主要取决于di/dt的数值、di/dt是否随着时间和怎样随着时间而变化、i_max的大小、t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值、T的数值这几种参数。由于用改变波形而改变或增减di/dt的可能性是无限的；(t₁-t₂)或t₁/t₂的变化范围也是无限的；而T值的缩短范围也非常大。那么，即使i_max不很大，也能通过改变这些参数而能在很大的范围内改变或增大磁体与导体之间分离、吸引或振动的效果。

包括超导磁体在内的各类普通磁体中通过的电流一般都是电流强度不变并且始终保持最大值i_max的直流电。在一段时间内，电流所作的功就是i_max与这段时间的乘积。

本发明的三类磁体中的电流都是变化的。而且，无论电流波型怎样变，在绝大部分时间内，电流值都小于最大值i_max；只有在瞬间才达到这最大值i_max。那么，在相同的时间内，电流所作的功和磁体的发热量等显然要比电流始终保持最大值i_max的普通和超导磁体的都要小。而且，本发明的三类磁体连续工作的时间也因此而将比普通磁体的要长。

总之：本发明的磁体能够在铁芯的体积、线圈的匝数等与普通和超导磁体相同或相似，最大电流值i_max相同或相似，而消耗的电功率却比它们小的前提下，能够在很大范围内提高或调节它们的推斥、吸引或振动力，从而提高或调节磁体与导体之间分离、吸引或振动的状态或效果；这一优点是包括超导磁体在内的任何其它磁体都无法做到的。

由于本发明的三种磁体间的区别主要是t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值。那么，对同一磁体，只要调节t₁或/和t₂的值，就能很方便地使它在分离、吸引或振动之间任意转换了。

与上述各类其它磁悬浮轨道运输系统相比，本发明的磁悬浮列车的有益效果是：

1、本发明的磁悬浮列车的悬浮、导向、驱动、制动/倒车等所有功能都由机车和车辆上自身配备的磁体并利用“现有”的导体轨道来完成。相比较EMS磁悬浮列车，本发明的列车不需要沿整个线路铺设定子包和插入式绞缆绕组、导向铁磁轨道。不需要在线路沿线布置专用的可变频分段供电装置。相比EDS磁浮列车，本发明的列车不需要U形线路、驱动绕组和悬浮导向绕组；无需在线路沿线布置大型整流、变频、变压装置。相比其它磁悬浮列车，也无需沿着轨道底部、侧面或顶部安装永磁体等。总之：本发明的列车不需要投巨资新建专用线路，每千米线路相对EMS磁悬浮铁路能节约3～4亿元的线路建设费；相对其它磁悬浮列车，每千米也能节约上亿甚至几亿元的线路费用。

2、据“http：//blow.myrice.com/train/aerotrain/磁悬浮列车总概”文章说，EMS和EDS系统都需要“在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器。”本发明的列车的驱动与其在轨道上的位置无关，它根本不需要这种探测装置，从而能进一步节约线路成本。

3、EDS磁悬浮列车的悬浮高度与列车的速度直接有关，它还需要着陆车轮。本发明的列车悬浮的高度与速度无关，它根本不需要着陆车轮，因而能够进一步节约成本。

4、据“http：//blow.myrice.com/train/aerotrain/磁悬浮列车总概”文章说，EMS“车辆与行车轨道之间的悬浮间隙……是通过一套高精度电子调整系统得以保证的”。如上所述：本发明的磁体与轨道之间能“自动调节”间隙，因而就不需要这一套电子调整系统了。

5、相比EMS系统，本发明的列车不需要沿着整节车厢两侧分布支撑磁铁、导向磁铁和上述的高精度电子调整系统。相比EDS系统，本发明的列车不需要昂贵的要不断对其进行深度冷却的动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁、着陆轮等。因此，本发明的列车和车辆的造价必将比EMS、EDS以及其它磁浮列车的低得多。

6、轧制的钢轨的形状公差和表面粗糙度显然比EMS和EDS中的混凝土轨道的高，钢轨的变形量也要比EMS和EDS中的钢梁的小；这就允许进一步降低本发明的列车悬浮的高度(当然也可以升高)，由于悬浮高度的降低，还可以减少悬浮磁体所需的电功率。

7、EDS磁浮列车“的泄漏磁场要比德国的Transrapid磁悬浮高速铁道系统强1000倍。”它需要笨重的屏蔽材料。由于本发明列车悬浮高度和电功率的降低，就能减少磁感应强度和泄漏磁场，从而减少甚至取消客车下部的磁屏蔽材料，进一步降低列车的自重和成本。

与现有普通轮轨运输系统相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的列车的最大和最显著的优点是：它能够在任何导体轨道当然也包括现有的普通铁路上完成悬浮、导向、驱动、制动/倒车等动作；它也能顺利地通过普通铁路上的道岔、桥梁等；从而实现在现有普通铁路上的磁悬浮行驶。并且能与现有的普通、重载或高速轮轨列车共同使用这些铁路，完全具备交通运输的“通用性、网络性和兼容性”。

2、由于上述的兼容性，现有铁路的线路、道岔、通信、指挥运营调度、速度与位置测量设备、线路维修保养车辆和技术等都完全或几乎完全能同时用于普通轮轨列车和本发明的列车；而不需要或基本上不需要更换或改造。

3、高速轮轨列车要投入巨资新建线路。本发明的列车与轨道之间无接触、无摩擦阻力。而且其自重轻、转弯向心力小；不大的推力就能使它高速行驶。于是，它就能代替昂贵的高速轮轨列车而高速地行驶在现有的铁路上，使现有铁路的运输能力在无需或者基本上无需对线路进行投资改造的前提下提高几倍！并节约新建高速铁路所需的巨额投资。

4、普通列车的车轮与轨道之间的接触面积极小，对轨道的压强非常大，轴荷重也非常大；特别是重载列车更是如此。

本发明的列车与轨道之间完全无接触，铁芯端面的面积比轮轨之间的接触面积大得多。而且，在铁芯的端面，磁场会扩展到比这端面面积大得多的面积上之后才逐渐减弱；还有多对悬浮和驱动磁体同时作用在轨道上。那么，轨道的受力面积必将比轮轨之间的受力面积大得多；再加上其机车和车辆较轻。因此，本发明的列车对轨道的压强必将比普通列车的小；对轨道材料的强度、抗冲击性等性能的要求也低；也能极大地延长轨道的寿命。

5、本发明的机车和车辆的自重轻，对轨道的压强低，如果要重载，一般只需增加悬浮磁体的数量或/和增加其推斥力，而且还可以用动力分散式驱动。这样就能在增加载重量的同时基本上不增加对轨道的压强。因此，它不但能在高标准的为重载轮轨列车专门铺设的轨道上甚至也能在普通轨道上实现重载运输，节约改造或新建重载线路的巨额投资。

6、本发明的列车无论加速、行驶和制动时都与轨道不接触，几乎不存在轨道的磨损。

7、本发明的列车上各磁体的磁场能穿透轨道上的油污等污染物，前面的磁体还能在很大程度上清除轨道上的积雪、冰块、砂子等杂物。它受轨道上杂物和污染物影响的程度小，也不存在打滑、空转等故障。无论其起步、加速或刹车等性能都将比普通列车的优越。

相比轮轨列车的机械传动，本发明的列车是电磁传动；这是一种飞跃，一种质变！因而，在节约能源和电功率方面，本发明的列车比普通轮轨列车有如下的优越性：

8、现代最先进的交—直—交传动机车的能量转换过程为：柴油机→弹性联轴器→主发电机→整流→逆变→电路和开关→牵引电机→齿轮→车轮→钢轨；要经过这九道机械和电气之间的转换环节后才能驱动列车。而每个环节都存在着摩擦、发热、不同形式能量转换中的能量损失。如果每一转换过程的平均效率为0.95，经过9次转换后，总效率只有0.63 ！如果这平均效率为0.9，经过9次转换后，总效率只有0.39 ！(现有机车的最大轮周效率确实也不超过35％)如果车轮打滑，再加上机车牵引多节车厢中的能量损失，总能量利用率还更低。为了散除不同形式能量转换中产生的热量，还要配备风冷、水冷等设备。

本发明能量转换的过程为：蓄电池→逆变→电路→推斥磁体→轨道，最少仅四个环节，同样假定每一转换过程的平均效率为0.95，经过4次转换后，总效率有0.81 ！若每一过程的平均效率为0.9，经4次转换后，总效率还有0.66；能量利用率几乎为普通机车的两倍。

9、轮轨机车有法兰盘、电机转子和各种轴、齿轮等轮系；特别是列车还存在近百对车轮。所有这些轮系即使“空转”也必须提供随着列车速度即车轮转速的平方增长的转动动能！这样就极大地增加了能量的需求，也在很大程度上限制了轮轨列车速度的增加。

本发明的列车根本不存在各种轮系和近百对车轮，在这方面能节约很大的能量开支。

10、据“http://www.mlcool.com/info/03421.htm揭开‘中华之星’神秘的面纱”说：“轮轨技术是通过车轮与铁轨的摩擦来前进的，要克服很大的阻力取得一定的速度，能源需求非常高。”本发明的列车能从根本上杜绝轮轨之间的摩擦阻力所带来的巨大的能源消耗。

11、本发明的机车和车辆中根本不存在几百只轴承，即使配备柴油一发电机组，其轴承的数量和产生的摩擦阻力也相当有限，这样就能在很大程度上减少各轴承的功率损耗。

12、因为各磁体内的电流在列车正常行驶时是断续的，这样既能节约能量，还能减小钢轨上涡流的持续时间，减小钢轨材料铁磁性因温升的改变；并减小各磁体的发热量。

13、由于无需车轮，而且各磁体的长度要比普通机车上车轮的直径小得多，因而车体的高度和迎风断面积都将比普通列车的低，空气阻力也将因此而减小；进一步减少能耗。

本发明的列车在“简化设备和减轻自重”等方面相比轮轨列车也有如下的优越性：

14、本发明的机车无需普通机车的车轮、车轴、电机、齿轮、车闸、电阻制动、风机等设备。若用蓄电池或架空线供电，就连柴油机、弹性联轴器、发电机、燃油、机油、冷却水、空气、辅助传动等系统都基本上不需要了。能大大简化设备、减轻自重、降低成本。

15、由于各磁体能在铁芯体积、线圈匝数等与普通电磁铁相同或相似的条件下，而在很大的范围内提高磁体的作用力；这就能在提供所需的作用力的同时减轻各磁体的重量。

16、本发明的列车和车辆可以取消大部分的润滑系统，杜绝或至少能在很大程度上减少润滑油料的消耗，延长各零部件的寿命。也根本不需要对轨道和轮缘进行润滑。

17、本发明的列车根本不需要配备车轴温度监测与报警装置，能进一步简化设备。

18、本发明的机车不需要压铁，机车和车辆用轻质材料制造，能进一步减轻其自重。

19、由于减轻了自重，能使本发明列车的载重量提高，甚至可用于重载运输。能提高爬坡能力；下坡也较容易。能更快地加速，也能在更短的距离上达到最高速度；或者在较低的功率消耗下长时间地高速行驶。

本发明的列车在“安全、可靠、舒适性”等方面相比普通列车也有如下的优越性：

20、轮轨之间是短程突变直接刚性的机械接触，车轮失圆或有扁疤、钢轨上的波浪形磨耗，或者遇到轨道接缝、道岔、异物、冰块等，都会引起这接触的变化，造成列车震动。而遇到路基变化甚至下沉、或者各车轴的负载不同引起的偏载，甚至会带来危险。

本发明列车的各磁体与轨道之间是长程随着距离渐变间接柔性的磁场力作用，有多个磁体同时作用在轨道的很长很大的面积上；各磁体还能自动调节与轨道间的间距。因此，磁体和轨道的尺寸、形状等的变化或者遇到轨道接缝、道岔、异物、冰雪等引起列车的震动量就小。而路基变化甚至下沉、偏载等对于本发明列车的危害程度也必将小得多。

21、由于减轻了自重，本发明的列车的制动距离、制动功率和制动时对于轨道的反推力等显然都要比普通列车的要小；这样就能进一步提高其安全性。

22、由于各磁体的长度比车轮的直径小得多，故车体的高度和重心比普通列车的低不少，其稳度和安全性也比普通列车的高，能降低脱轨的风险；有利于列车高速通过弯道；同时也将降低对于线路弯道改造或对于新建线路弯道的半径的要求。

23、由于悬浮、导向、驱动、制动/倒车等都同时配备多个磁体，并且它们由多路线路供电，具备很大的零部件的冗余度和可靠性，从而能进一步提高行车的安全性。

24、系统的可靠性与零部件的数量成反比，普通机车和车辆的零部件数量多，其可靠性也较差。换言之，对于其各零部件可靠性的要求和加工的成本也相当高。本发明的列车几乎没有机械运动部件，其它零部件的数量也相当少，其整体可靠性必将大幅度地提高。

25、系统的可靠性还与传输环节的数量成反比；普通轮轨列车驱动要经过柴油机→弹性联轴器→……→钢轨等多个环节，任何一个环节出问题都可能影响列车的正常行驶，甚至出故障。本发明的列车的传输特别是功率传输的环节少，因而出问题的可能性也小得多。

26、当本发明的列车停止时，有众多磁体同时与轨道接触，其摩擦力足够避免其滑动。

27、由于没有接触震动，本发明的列车必将比普通列车的震动小；它对于减震的要求也有所降低；因而能进一步提高其安全性和舒适性。

28、由于与轨道无接触，只剩下与空气摩擦，故本发明的列车的噪声相当小。

29、由于对轨道无磨损，使线路长期保持良好的状态，能进一步提高行车的安全性。

附图说明

图1表示磁体与导体之间互相作用的示意图。

图2表示分离型磁体的线圈1中电压或电流脉冲的波形图，这里为扫描波。

图3表示分离型磁体的线圈1中不断地出现如图2中所示的电压或电流脉冲的扫描波形图。

图4表示磁体的轴线和导体的轴线之间倾斜时，磁体与导体之间的作用力分析示意图。

图5表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲波形图：三角波。

图6表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲的第二类波形图。

图7表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲的第三类波形图。

图8表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲的第四类波形图：多段折线波。

图9表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲的第五类波形图：梯形波。

图10表示振动磁体线圈1中电压或电流脉冲的第六类波形图：阶梯形波。

图11表示机车和车辆的转向架或车架的底部装备的各类磁体的示意图。

图12表示图11中沿着C-C的放大剖视图，它表示悬浮磁体的剖视图。

图13表示图11中沿着D-D的放大剖视图，它表示导向磁体的剖视图。

图14表示图11中悬浮和导向磁体的正交合成的放大剖视图；或者表示轨道的顶部与侧面的去磁磁体的正交合成的放大剖视图。

图15表示图11中悬浮和导向磁体的倾斜合成的放大剖视图；或者表示轨道的顶部与侧面的去磁磁体的倾斜合成的放大剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明的“目的一”作进一步详细描述：

如上所述：本发明的三种磁体线圈两端的电压随着时间t变化的函数u(t)或线圈中通过的电流随着时间t变化的函数i(t)都是脉冲并且是有升有降的。振动磁体线圈1的u(t)或i(t)的波形可以是图5中线性的三角波。可以是图6中的曲线：在时间t₁内，du/dt或di/dt一开始较大，后来逐渐减小；而在时间t₂内，绝对值|du/dt|或|di/dt|一开始较小，后来逐渐增大。或者如图7中的曲线：在时间t₁内，du/dt或di/dt一开始较小，后来逐渐增大；在时间t₂内，|du/dt|或|di/dt|一开始较大，后来逐渐减小。推而广之：在t₁和t₂内，u(t)或i(t)的曲线方程可以是各类基本初等函数：如幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数、双曲函数与反双曲函数等函数中所有上升或下降的波形。

除了如图5、图6、图7中的各种曲线波形外，u(t)或i(t)的方程还可以是各种折线波形，如图8所示：u(t)或i(t)由若干段斜率不同的折线组成。在时间t₁内，du/dt或di/dt(即折线的斜率)从较小值经几次突变而依次增大；在时间t₂内，|du/dt|或|di/dt|从较大值经过几次突变而依次减小。u(t)或i(t)也可以如图9中上升和下降的梯形波；如图10中的由若干段台阶组成的上升和下降的阶梯波。……综上所述，u(t)或i(t)的曲线方程可以是任何一种变化的波形，实际上可取的波形种类是无限多的。

图5至图10中显示的脉冲在时间t₁内的波形与时间t₂内的波形是互相对称的。当然，它们也可以是不对称的。或者说，可以将图5至图10中所有时间t₁内的波形与时间t₂内的所有波形任意组合，从而根据需要调节作用力在脉冲中的变化；取得不同的振动效果。

如上所述：由于分离、吸引和振动三种磁体的区别仅仅在于u(t)或i(t)波形中的t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值。那么，根据图5至图10振动型磁体中的波形，再将脉冲t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值加以变化，即可得出分离和吸引磁体中的u(t)或i(t)的波形了。例如，令图5至图10中的t₁＞t₂，就得到分离型磁体中的u(t)或i(t)的脉冲波形。令图5至图10中的t₁＜t₂，就得到吸引型磁体中的u(t)或i(t)的脉冲波形了。

同样，分离、吸引两种磁体中时间t₁与t₂内的波形既可以互相对称，也可以互相不对称。同样也可以将图5至图10中所有时间t₁内的波形与时间t₂内的所有波形任意组合，从而自由地调节作用力在脉冲中的变化，取得不同的分离或吸引的效果。

这三类磁体中的线圈可以用一般的导线；如果需要，也可以用超导材料的导线。

这三类磁体中的铁芯用软磁材料，具体选择可根据脉冲的持续时间T来决定，对于较短的时间T，可用诸如硅钢、纯铁等；对于更短的时间T，则可用诸如铁氧体等材料。

为了尽可能消除电路中除了线圈之外的其它元件的电感对电流变化所带来的不利影响，可采用各类无电感的元器件：如无感功率母线、无感电阻、无感电容等。

若需要冷却磁体，可以在线圈外面套上诸如铝质的冷却散热片，也可用类似变压器中的绝缘油循环冷却技术。这些冷却元件还能在一定程度上隔绝磁体的噪音和磁场的泄漏。

下面结合附图与具体实施方式对本发明的“目的二”作进一步详细描述：

如上所述：在现有铁道上行驶的本发明的机车与车辆有使用与不使用去磁磁体的两种方案。图11显示的是采用去磁磁体，并且悬浮、导向、驱动、制动/倒车、去磁等各磁体都是“分离”的方案的示意图：图中14为机车，上面的箭头为机车前进的方向，机车14的下部有前转向架9和后转向架19。前转向架9上有轨道侧面去磁磁体5，轨道顶部去磁磁体6(它们分别对钢轨的内侧面和顶部这些可能被磁化的部位进行去磁)、悬浮磁体7，导向磁体8，制动/倒车磁体10，驱动磁体11，导向磁体12，悬浮磁体13；15为钢轨。后转向架19上分布有悬浮磁体16，导向磁体17，制动/倒车磁体18，驱动磁体20，导向磁体21，悬浮磁体22，顶部去磁磁体23、侧面去磁磁体24。当然，各磁体都是成对的，图中显示了在垂直于机车长轴线方向观察的主视图上的各磁体。

转向架9和19可以用现有轮轨列车的转向架经改造而成，也可以专门为本发明的列车设计。各磁体与转向架或车架连接的地方可根据需要配置防震装置。

图12表示图11中沿C-C线的放大剖视图：配置在转向架9下部的悬浮磁体13在钢轨15的正上方，从而形成悬浮力。

图11中其它悬浮磁体7、16和22也在钢轨的正上方，它们的视图与图12中的相同。

图11中所有顶部去磁磁体6和23也在钢轨的正上方，它们的视图与图12中的相同。

图11中各驱动磁体11、20分布在钢轨的正上方，其视图与图12中的相同。

图11中各制动/倒车磁体10、18也分布在钢轨的正上方，其视图与图12中的相同。

图13为图11中沿D-D线的放大剖视图：配置在转向架9下部的导向磁体12向下延伸并转弯90度，让磁路也转弯90度，从而将磁感线垂直或基本上垂直地作用在钢轨15的内侧面。一对导向磁体的作用力相反，好像车轮的轮缘一样将转向架或车架即车体维持在两根钢轨之间的中间位置上。导向磁体12面对钢轨轨头内侧的工作面的高度比钢轨轨头的高度要高，以适应悬浮时导向磁体随着悬浮磁体在钢轨上方一定范围内升降的变化。

如图13所示：导向磁体12的工作面与钢轨15的轨头内侧面之间有间隙D₁，其背面与相邻的道岔部件25之间有间隙D₃，导向磁体12的最大厚度为D₂，D₂必须小于道岔的缝隙尺寸，从而避免列车驶过道岔时磁体的背部碰擦到相邻的道岔部件25。显然：一对导向磁体的两个工作面之间的距离应该等于钢轨内侧之间的距离减掉二倍的D₁。

当然，导向磁体也可以是倾斜的，直接将工作面对准钢轨轨头的内侧，而实现导向。

图11中其它导向磁体8、17和21也在钢轨的内侧，它们的视图与图13中的相同。

图11中侧面去磁磁体5和24也在钢轨的内侧，它们的外形和视图与图13中的相同。

除了上面的方案一：所有磁体都是分离式的之外，还有方案二，磁体正交合成式：

图14表示合成磁体类似于沿C-C线的放大剖视图，它显示在转向架9下部有个将悬浮和导向功能合并的合成磁体12E，12E的轴线沿铅直线，两个互相垂直的端面分别与钢轨15的上表面和内侧面平行，并且包容15的上表面和内侧面。同样根据上述磁介质的边界条件、公式(8)、(9)和对于图4的讨论可知：磁感线从铁芯中出来后将向互相垂直的方向辐射，从而垂直或基本垂直地作用在钢轨的上表面和内侧面；同时产生悬浮和导向力。

去磁磁体也可以采取与图14相同的合成式：由一个合成磁体代替顶部和侧面的两个磁体，它包容钢轨15的上面和内侧面这些可能被磁化的部位，同时对这些部位进行去磁。

各磁体除了正交合成式外，还有方案三：磁体倾斜合成式：

图15显示其轴线与铅直线成一定倾斜角度的悬浮和导向合成磁体12F，同样根据磁介质的边界条件、公式(8)、(9)和对于图4的讨论可知：由于轴线倾斜，钢轨的上表面和内侧面对磁体的反作用力也是倾斜的，将这两个力沿着铅直和水平方向分解后，可以得到对于磁体的悬浮和导向的两个分力。

当然，去磁磁体也可以采取与图15相同的倾斜合成式。

上述三种方案还可以互相结合：例如某些磁体用分离的，而某些用合成的，而合成的磁体中又可以选择正交或倾斜的方式，……诸如此类、不胜枚举。

机车的车架或每个转向架至少配备两对悬浮磁体、两对导向磁体或代替前两者的两对悬浮导向合成磁体；一对驱动磁体，一对制动/倒车磁体，两对去磁磁体。各类磁体的数量可根据需要而增加；各磁体的分布情况也可与图11中显示的有所区别和变动。

客车或货车等车辆的磁体分布与图11的相似，它们的车架或每个转向架底部至少有两对悬浮磁体、两对导向磁体或代替前两者的两对悬浮导向合成磁体。两对去磁磁体。若采用动力分散驱动，某些车辆上还要配备至少一对驱动磁体，一对制动/倒车磁体。各类磁体的数量可根据需要而增加；各磁体的分布情况也可与图11中显示的有所区别和变动。

于是，各磁体的共同作用就完全能够代替普通车轮的支撑、导向、驱动、制动和倒车等所有功能了。而且，各磁体也能够像普通车轮一样顺利地通过各类道岔和桥梁了。

为了让各磁体中时时刻刻都有可靠的电流通过，本发明的列车采取如下的供电方案：

一、蓄电池组或/和电容器组：机车上配备多组(适当容量的)蓄电池或/和燃料电池(组)或/和电容器(组)；它们的直流电经逆变和变频后变成所需的分离磁体和去磁用交流电后再将电流输送到机车和各车辆下部的各磁体上。在线路每隔一定的距离，安排蓄电池或/和电容器组更换站，用于更换电能即将消耗完毕的蓄电池或/和电容器组。

二、蓄电池组或/和电容器组加发电机：除配备蓄电池或/和电容器组外，再配备柴油机等内燃机或燃汽轮机等带动的直流发电机(或交流发电机经整流后)，在需要的时候给蓄电池组或/和电容器组充电。也可以以发电机供电为主，蓄电池组或/和电容器组供电为辅：发电机的直流电一路给蓄电池充电，另一路经逆变和变频后送给各磁体。万一发电机出故障，蓄电池组或/和电容器组也能不间断地为各磁体供电；类似于不间断电源UPS。

三、蓄电池组或/和电容器组加架空线供电：用架空线加受电弓或接触轮或第三条专用供电轨道加集电靴将电能(如果架空线中是交流还要经降压、整流，若是直流经DC/DC降压后)的一路同样经逆变和变频后输送到各磁体；另一路给蓄电池组或/和电容器组充电。如果需要还应配备接地线与回流导线，并且用接触导体与它们接触将电流回流过去。

四、蓄电池组或/和电容器组加发电机加架空线(或第三专用供电轨道)：在无架空线线路上用发电机供电，在有架空线线路上用架空线供电；蓄电池组或/和电容器组为备用电源。这样虽增加了机车重量，却能确保列车在有、无架空线的各种线路上都能行驶。

为保证在任何情况下，都能让列车有一定时间的悬浮并且能制动，必须通过双路甚至多路电线而且用并联方式随时向各磁体供电；同时随时保持蓄电池组或/和电容器组有电。为了调节上述的“i_max值、t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值、T值、脉冲的波形、脉冲之间的间隔时间n、脉冲的性质(即分离脉冲和交流去磁之间的转换)”，可使用数字信号处理器(DSP)、脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、微机等技术和装置。

Claims (10)

1、一种施力磁体，它有线圈，也可以有铁芯；其特征是：线圈两端的电压u(t)或线圈中通过的电流i(t)是脉冲或脉冲序列；在脉冲的前部时间t₁内，u(t)和i(t)从零或最小值增强到最大值；在脉冲的后部时间t₂内，u(t)和i(t)从最大值减弱到零或最小值；如此重复。

2、如权利要求项1所述的施力磁体，其特征是：对于分离型磁体，时间t₁大于t₂；对于吸引型磁体，时间t₁小于t₂；对于振动型磁体，时间t₁等于或约等于t₂。

3、如权利要求项1或2所述的磁体，其特征是：脉冲的波形、脉冲电流的最大值i_max、t₁/t₂的比值或(t₁-t₂)的差值、脉冲持续时间T即脉冲频率f都能各自或同时调节。

4、如权利要求项1或2或3所述的磁体，其特征是：在时间t₁和t₂中，u(t)或i(t)的波形是线性上升和下降的波；或者是：在时间t₁内du/dt或di/dt开始较大后来逐渐减小，而在时间t₂内，|du/dt|或|di/dt|开始较小后来逐渐增大；或者是：在时间t₁内，du/dt或di/dt开始较小后来逐渐增大，在时间t₂内，|du/dt|或|di/dt|开始较大后来逐渐减小；u(t)或i(t)的方程可以是各类基本初等函数：如幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数、双曲函数与反双曲函数等函数中所有上升或下降的波形；或者是由若干段斜率不同的折线组成的波形：在时间t₁内，du/dt或di/dt从较小值经过几次突变而依次增大；在时间t₂内，|du/dt|或|di/dt|从较大值经过几次突变而依次减小；或者是上升和下降的梯形波；或者是由若干段台阶组成的上升和下降的阶梯波；在时间t₁与t₂内的波形可以互相对称或者不对称；上述所有波形之间可以任意组合。

5、一种利用权利要求项1或2或3或4所述的磁体的磁悬浮车辆或列车，其特征是：机车的转向架或车架下面有悬浮磁体、导向磁体、驱动磁体、制动/倒车磁体；其它车辆的车架或转向架下面有悬浮磁体、导向磁体；也可以有驱动磁体和制动/倒车磁体。

6、如权利要求项5所述的磁悬浮车辆或列车，其特征是：当列车从静止开始起步时，在悬浮、导向和驱动磁体中通有连续的电流脉冲序列；当列车的速度逐渐增加后，这三类磁体中的电流脉冲就由连续逐渐变成断续：一个脉冲后有nT(n＞0)的无脉冲时间。

7、如权利要求项5所述的磁悬浮车辆或列车，其特征是：在驱动、制动/倒车、悬浮和导向磁体上配置有单向间隙运动机构和减震机构。

8、如权利要求项5所述的磁悬浮列车，其特征是：为列车和各车辆供电的方案有：

一、蓄电池或/和燃料电池组或/和电容器组：它们的直流电经逆变和变频成所需的分离和去磁用交流电后再输送到机车和各车辆下部的各磁体上；在线路每隔一定距离，有蓄电池或/和电容器组更换站；

二、蓄电池组或/和电容器组加发电机：除配备蓄电池或/和电容器组外，再配备柴油机等内燃机或燃汽轮机等带动的直流发电机(或交流发电机加整流装置)；也可以以发电机供电为主，蓄电池组或/和电容器组供电为辅；发电机的直流电一路给蓄电池充电，另一路经逆变和变频后送给各磁体；

三：蓄电池组或/和电容器组加架空线：用架空线加受电弓或接触轮或第三条专用供电轨道加集电靴将电能(如果架空线中是交流还要经降压、整流，若是直流经DC/DC降压后)的一路经逆变和变频后输送到各磁体；另一路给蓄电池组或/和电容器组充电；并根据需要配备接地线与回流导线，用接触导体与它们接触；

四：蓄电池组或/和电容器组加发电机加架空线(或第三专用供电轨道)：在无架空线线路上用发电机供电，在有架空线线路上用架空线供电；蓄电池组或/和电容器组备用；

上述电源通过双路甚至多路电线并且用并联方式与各磁体联接。

9、如权利要求项5所述的磁悬浮车辆或列车，其特征是：在列车的头、尾和中间某些车辆上有若干个轨道侧面去磁磁体和轨道顶部去磁磁体，这些磁体中通有振幅恒定或者振幅逐渐减弱的交流电；也可以不配备专门的去磁磁体，而是将各悬浮、导向和驱动磁体中的电流在分离、去磁和无脉冲之间交替循环变化：产生若干个分离波形脉冲后，再产生若干个正负交变磁场脉冲，其余时间nT(n＞0)内无脉冲；如此循环重复。

10、如权利要求项9所述的磁悬浮列车，其特征是：悬浮和导向磁体合成一体：侧面和顶部的去磁磁体也合成为一体；这些磁体的轴线或者是沿着铅直线的正交合成式，或者是与铅直线成一定倾斜角度的倾斜合成式。

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