CN111373097B

CN111373097B - 采用无源低频电磁稳定化的永磁磁悬浮列车

Info

Publication number: CN111373097B
Application number: CN201980005855.4A
Authority: CN
Inventors: 约翰·范·罗森戴尔
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2019-01-18
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2039-01-18
Also published as: WO2019143469A1; CN111373097A; US10208431B1

Abstract

一种磁悬浮系统包括导轨和列车。该导轨具有铁磁轭和感应线圈。该列车具有用于与铁磁轭进行磁性相互作用的悬浮磁体，其中该列车相对于导轨悬浮。该列车具有与其耦合的稳定化磁体，用于在列车沿着导轨行进时与感应线圈进行电磁相互作用。每个稳定化磁体均是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维磁极模式。

Description

采用无源低频电磁稳定化的永磁磁悬浮列车

技术领域

本发明总体涉及磁悬浮(或“Maglev”)系统，尤其涉及一种磁悬浮系统，该磁悬浮系统采用简单的基于永磁体的悬浮，这种悬浮与可配置为在低频下高效运行的新型水平维度稳定化系统结合。

背景技术

磁悬浮(或众所周知的“Maglev”)是一种沿着导轨移动磁悬浮列车的运输方法。磁悬浮比传统铁路更快、更安静、更高效。此外，磁悬浮消除了传统铁路的钢与钢接触的磨损和震动，大大减少了路权维护。

目前有两种主要的磁悬浮方法：电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)。在EMS(例如德国超高速磁悬浮列车)中，列车上的电磁铁吸引导轨中的铁制部件从而实现悬浮。但是，由此产生的平衡非常不稳定，因此在列车上使用高速电子设备来每秒调节电磁铁中的电流数十万次，以实现稳定的悬浮。在EDS(例如日本SCMaglev)中，列车上的超导磁体在导轨的感应线圈中感生电流。磁体对这些电流的排斥和吸引产生稳定的悬浮。

EMS系统和EDS系统都需要能量来实现悬浮和稳定化。在EMS中，列车上的电磁铁中的耗散消耗能量。在EDS中，导轨的感应线圈中的涡流的耗散消耗能量。此外，为电磁铁供电和/或使用超导磁体建造系统的成本相当高。

波斯特(Post)等人在美国专利公告2005/0204948中说明的第三种替代方案是一种磁悬浮系统，其中悬浮力是通过列车上的永磁体吸引导轨中的铁轭而产生的。这种方法的挑战是厄恩肖定理，该定理指出，永磁体和铁磁材料的静态构造不能提供稳定的悬浮。因此，波斯特等人说明的由永磁体产生的悬浮在竖直方向上是稳定的，但在水平方向上是不稳定的。为了解决这种不稳定性，波斯特等人说明了一种基于EDS型的电磁吸引和排斥的稳定化系统。简而言之，波斯特等人公开了一种基于一维海尔贝克阵列磁体的技术，称为“Inductrack III”。在一些实施例中，该稳定化系统按照零通量原理工作，在其他实施例中，该稳定化系统不是如此工作。

波斯特等人的磁悬浮系统工作良好，但是为了产生具有足够的水平刚度的稳定化系统，稳定化系统中的海尔贝克阵列必须具有紧密间隔的磁极。因此，在典型的城市间运行速度下，稳定化系统以数百赫兹的交流频率运行。用于这种频率的感应线圈可使用编织铜利兹线和针对高频设计的其他技术来制造，但是所得到的系统比工作在较低频率的系统更昂贵且效率更低。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种磁悬浮系统。

本发明的另一个目的是提供一种建造和运行成本效益很高的磁悬浮系统。

通过下文的说明和附图，本发明的其他目的和优点将变得更加明显。

根据本发明，一种磁悬浮系统包括导轨和列车。所述导轨中安装有铁磁轭和感应线圈。所述列车具有安装在其上用于与铁磁轭进行磁性相互作用的悬浮磁体，其中该列车相对于导轨悬浮，以沿着导轨向行进方向行进。所述列车具有多个与其耦合的稳定化磁体，该稳定化磁体用于在列车沿着导轨行进时与感应线圈进行电磁相互作用。每个稳定化磁体是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维磁极模式。

附图说明

通过参考以下优选实施例的说明和附图，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中在附图的多个视图中，相应的附图标记表示对应的部分，在附图中：

图1是本发明的一个实施例的使用永磁悬浮的磁悬浮系统的示意图；

图2是现有技术的具有一维磁极模式的稳定化磁体的隔离透视图，示出了穿过导轨的感应线圈之一的磁通量；

图3是本发明的一个实施例的稳定化磁体的隔离透视图，该磁体具有与导轨的感应线圈之一电磁接合的二维磁极模式；

图4是本发明的一个实施例的稳定化磁体的隔离透视图，该稳定化磁体具有与导轨的两个感应线圈电磁接合的二维磁极模式，这些感应线圈的中心在竖直方向上相隔1.5pz距离，其中pz是磁极之间的竖向间距；

图5是本发明的另一个实施例的稳定化磁体的隔离透视图，该稳定化磁体具有相对于行进方向以很小的角度α沿对角延伸的磁极模式，磁体与导轨的感应线圈之一电磁接合，感应线圈处于对应的角度；

图6是本发明的一个实施例的悬浮在三轨导轨上的磁悬浮列车的透视图，其中导轨被部分剖切，以示出内部铁磁轭和感应线圈；

图7是图6所示的本发明的实施例的磁悬浮列车的详细透视图；

图8是本发明的另一个实施例的双轨磁悬浮系统的示意图；

图9是本发明的一个实施例的双轨导轨的透视图，该导轨被局部剖切，以示出内部的铁磁轭和感应线圈；

图10是本发明的一个实施例的与双轨导轨结合使用的磁悬浮列车的隔离透视图；

图11是本发明的另一个实施例的双轨导轨的透视图，该导轨被局部剖切，以示出内部的铁磁轭以及如图5所示的以很小的角度倾斜的感应线圈；

图12是本发明的一个实施例的完全支撑在常规铁路轨道上的双模转向架的透视图；

图13是图12所示的完全支撑在双轨磁悬浮导轨上的双模转向架的透视图；

图14是双向铁路轨道至磁悬浮轨道过渡系统的示意图，该系统用于通过结合有本发明磁悬浮系统的双模转向架支持双向运行；

图15是过渡系统的一个实施例的侧面示意图，示出了铁路轨道与磁悬浮导轨之间的非零高程坡度；和

图16是包括跷跷板支撑结构的过渡区的示意图，该跷跷板支撑结构用于平衡因双模列车通过过渡区而产生的载荷。

具体实施方式

现在请参考附图，尤其参考图1，其中示出了本发明的一个实施例的采用基于永磁体的悬浮技术的磁悬浮系统。该系统通常以数字10表示，包括两个主要元件，在此称为固定导轨20和能够相对于导轨20移动的列车30。与导轨20相关的部件将使用以20为基础的附图标记来表示，而与列车30相关的部件将使用以30为基础的附图标记来表示。

所示系统利用列车30上的永磁体对导轨20中的铁磁材料的吸引力。如本领域中所知的，永磁体吸引力可提供对于竖直方向的扰动很稳定但在水平方向上不稳定的永久悬浮。这是厄恩肖定理的一个结果，该定理指出，仅使用永磁体和铁磁材料不可能实现静态稳定的悬浮。实际上，若仅使用永磁体和铁磁材料的磁悬浮系统在竖直方向上是稳定的，其竖向稳定性由正弹簧常数k表征，那么该系统在水平方向上必定是不稳定的，具有相等且相反的弹簧常数-k。

波斯特等人在美国专利公告2005/0204948中利用基于其“Inductrack”技术的稳定化系统克服了这种水平不稳定性。Inductrack是一种EDS型系统，它使用移动列车上的永磁体在固定导轨中的感应线圈内感生涡流。这些涡流的磁性吸引和排斥产生了所需的稳定力。

波斯特等人说明的系统中的稳定化磁体是一维海尔贝克阵列。如本领域所知的，海尔贝克阵列是一种特殊的磁体配置，它在磁体的一面上产生具有交替北极和南极的强磁场，而在另一面上几乎没有任何磁场。现在请参考图2，其中示出了一维海尔贝克阵列磁体200(将安装在移动列车上)和单个感应线圈202(将安装在固定导轨中)的隔离透视图。应理解，会沿着导轨设置多个感应线圈202，但是为了示图的清晰性，仅示出了单个感应线圈202。耦合有海尔贝克阵列磁体200的列车沿x方向移动，如箭头204所示，从而移动磁体200的交替北极和南极在感应线圈202中感生电动势(EMF)。

如图2所示，p_x是海尔贝克阵列磁体200的相邻北极与南极之间的间距。在所示的坐标系中，忽略边缘效应，则磁场或B场具有以下形式：

B_x＝B₀ e^-ky Sin(kx)

B_y＝B₀ e^-ky Cos(kx)

其中k＝π/p_x是空间波数，B代表磁场，其形式如下：

B＝B_x+B_y

当海尔贝克阵列磁体200移动(沿着与所示坐标系的x轴对准的行进方向204)并经过安装在固定导轨(未示出)中的感应线圈202时，交替的北极和南极感生电磁力(EMF)。这在感应线圈中产生电流并引起水平力，其y分量与B_y ²成正比。稳定化磁体的磁场在y方向上呈指数衰减，因此这个力也随着距离的增加而迅速降低。通过优化刚度(即，力的y分量的y偏导数)，能够发现最佳水平磁极间距p_x满足

p_x＝2πδ

其中δ是磁体与感应线圈202之间的水平距离。

在此的难题是最大限度提高稳定化系统的刚度所需的磁极间距p_x非常小。水平间隙δ通常在1.2厘米的数量级，这使得最佳磁极间距p_x为7.5厘米左右。由于间距如此之小，一辆以400公里/小时的城市间速度行驶的列车会以大约740Hz的频率驱动导轨中的感应线圈。能够将感应线圈制造为在这样的频率下工作，但这需要使用昂贵的铜质利兹线或其他高频操作技术。

本发明通过在稳定化磁体上使用二维磁极模式消除了构造用于高频操作的感应线圈的困难和费用。采用二维磁极模式，竖向磁极间距p_z可选择为使刚度最大化(即，p_z＝2πδ)，而水平磁极间距p_x可选择为使导轨中的感应线圈以方便的较低频率工作，例如小于200Hz。

现在请参考图3，每个稳定化磁体34的一种可能的磁极模式(图1)是由呈现二维磁极模式的永磁体300实现的。在所示的实施例中，磁极模式是北极(“N”)和南极(“S”)的矩形阵列，它们在阵列的两个维度(例如所示坐标系的阵列的x和z维度)上交替。磁极阵列的第一或水平维度与磁体300附接至列车(例如列车30)时的运动行进方向304对准。磁极阵列的第二或竖直维度垂直于阵列的第一维度。在p_z选择为使刚度最佳化并且p_x与p_z之比在大约3至大约14范围内时，系统会在以低于200Hz的频率工作时提供刚性水平稳定力。图3示出了安装在距稳定化磁体300的距离为δ的相邻固定导轨(未示出)中的感应线圈302。如前文所述，应理解，会沿着导轨设置多个感应线圈302，但是为了示图的清晰性，仅示出了单个感应线圈302。

图3所示的二维磁极几何形状产生刚性的水平稳定力，同时允许以低频工作。但是，需要考虑到一个重要的问题。假设感应线圈与稳定化磁体300上的磁极中心对准。若列车随后向上或向下移动距离p_z/2，则线圈会与竖直方向的相邻磁极之间的“节点线”竖直对准，并且没有净磁通量通过线圈。磁悬浮列车总会有一些竖向运动(即，起伏)，但此处的问题更为根本。假设稳定化系统在稳定化磁体300与感应线圈302之间产生水平磁力F_y。在这种情况下，磁体中的磁极的紧密竖向间距会产生磁制动，这种磁制动表现为与悬浮系统的竖向稳定性相克的竖向不稳定性。

对这种竖向不稳定性的校正可通过使用多个竖向间隔的感应线圈来实现，如图4所示。在采用竖向中心距为1.5p_z的两个感应线圈310和312的情况下，当一个线圈在磁体300的磁极上竖向居中时，另一个线圈会在磁极之间的水平节点线上竖向居中，反之亦然。在这种情况下，这两个线圈被称为“正交”，并且磁通B_y穿过线圈310和312的磁通量总是270°异相。因此，总水平力将是恒定的，与磁体300和感应线圈310和312的相对竖向位置无关。

现在请参考图5，设计在低频下工作的有效稳定化系统的一种替代方法是使用北极(“N”)和南极(“S”)相对于列车的行驶方向404以4-18°范围内的小角度α倾斜的稳定化磁体400。结果，交替北极和南极的矩形二维模式以小锐角α倾斜。有效水平磁极间距p_x与竖向磁极间距p_z的比值在1/tan(18°)到1/tan(4°)或大约3-14的范围内。匹配的固定导轨(未示出)具有安装在其中的感应线圈，该感应线圈相对于列车行驶方向404以相同的锐角α布置。

请再次参考图1，下面将更详细地说明系统10。另外请同时参考图6和7，其中示出了一些示例性实施例。如上所述，与导轨20相关的部件将使用以20为基础的附图标记来表示，而与列车30相关的部件将使用以30为基础的附图标记来表示。系统10还包括一些组成部分包含在导轨20中而其余组成部分包含在列车30中的元件/系统(使用以40为基础的附图标记表示)。导轨20是固定的，并且通常固定或以其他方式耦合至固定支撑结构100(例如地面、高架支撑结构等)，这些固定支撑结构100的选择和设计不是本发明的限制。假设列车30沿着导轨20行驶。

在所示的实施例中，导轨20限定三条轨道21、22和23，它们沿着导轨20的长度延伸。一般来说，所有三条轨道均彼此平行，并且在所示的实施例中，轨道21在轨道22和23之间居中布置。轨道21、22和23可通过轨道底座24相互支撑和固定，该轨道底座24可耦合至这些轨道或与之一体形成。如下文所进一步解释的，轨道21、22和23支撑/容纳电磁部件。因此，轨道21、22和23的机械或结构部分可由非磁性和非导电材料制成，这些材料是刚性的，在各种天气条件下是坚固的，具有成本效益，容易获得，并且是可生产的。这种材料可包括但不限于混凝土、玻璃纤维、塑料、复合材料等。

轨道21支撑或结合有与直线电机42的一部分42A相关联的部件。该部分可以是直线电机的动力/主动或无动力/被动部分。在前文所述的德国高速磁悬浮列车中，导轨中的直线电机的部分42A是主动的，而列车上的其余部分是被动的。相反，在日本SCMaglev中，导轨中的直线电机的部分42A是被动的，而列车上的其余部分是主动的。因此，应理解，部分42A的选择和设计不是本发明的限制。

类似于常规的铁路轨道，每条轨道22和23在其机械轮廓方面具有相同的形状/尺寸，并且在其支撑或容纳的部件方面具有相同的构造。因此，在此将仅提供由轨道22支撑/容纳的部件的详细说明。悬浮磁体系统44的一部分44A被支撑或容纳在轨道22的顶部，并且沿着轨道22的整个长度布置。该部件是由铁磁叠片组成的磁轭26。如本领域所知的，由涂有绝缘漆的软磁铁磁叠片组成的磁轭能显著减少涡流损耗。每个铁磁轭中的叠片的数量和厚度不是本发明的限制。

轨道22还支撑/容纳感应线圈27。这些感应线圈水平相对地成对布置，如线圈27A和27B所示。一般来说，每个感应线圈的构造/配置相同，以限定位于轨道22的相对侧的两个竖直取向并且互为镜像的线圈27A和27B。这些感应线圈被示为通过导线27C电连接，但是这种电连接是可选的。当稳定化磁体34穿过线圈27A和27B时，在两个线圈中均感生电动势(EMF)。若这些线圈之间没有电连接27C，则所产生的电动势会在每个线圈中产生电流，从而分别产生作用于相邻稳定化磁体的排斥力，由此提供所需的稳定力。或者，若以线圈27A和27B为例示出的水平相对的线圈是电连接的，则系统会按照零磁通原理工作。在这种情况下，除非列车偏离中心，否则感应线圈中没有电流。当列车偏离中心时，在轨道22的一侧会有排斥力，而在另一侧会有吸引力，它们共同实现水平稳定化。如本领域所公知的，零磁通系统更高效，但是本专利申请中的基本思想(即，降低稳定化系统的频率)无论是否采用零通量方法都是有效的。因此，应理解，上述新零通量方法不是本发明的上述降低稳定化系统频率的方法的要求。

请参考图6，系统10的一个实施例示出了一对感应线圈27和29的竖向排列，每个这样的竖向排列单元分别沿着轨道22和轨道23的长度与相邻的竖向排列单元间隔开。在所示的实施例中，两对感应线圈27(或29)限定竖向排列。但是，应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，所述竖向排列可由不只两对感应线圈27限定。

如上所述，轨道23及其支撑/容纳的部件与轨道22的相同。因此，与轨道23相关联的部分44A可由支撑/容纳在轨道23顶部的另一个铁磁轭28(图6)以及成对感应线圈29的附加竖向排列限定，其中竖直取向的线圈29A/29B位于轨道23的相对侧。若成对感应线圈27A/27/B电连接以作为零磁通系统工作，则成对线圈29A/29B也通过导线29C电连接。铁磁轭28沿着轨道23的长度延伸，如图6所示。与成对感应线圈27类似，成对感应线圈29的间隔开的竖向排列沿着轨道23的长度延伸(图6)。

列车30(图1)支撑/容纳与导轨20的部件电磁接合的多个部件，以支持列车30相对于导轨20的稳定悬浮和列车30沿着导轨20的推进。请参考图7所示的详图，列车30包括支撑结构31，该支撑结构31通常以本领域公知的方式与列车的车身底部(未示出)一体形成或耦合。因此，应理解，支撑结构31的特定设计不是本发明的限制。

如图1所示，支撑结构31支撑或结合有与直线电机42的其余部分42B相关联的部件。即，一般来说，其余部分42B是作为如上所述支撑/容纳在轨道21中的部分42A的补充的直线电机42部分。如上所述，直线运动推进在本领域中是众所周知的，在此不再进一步论述。

支撑结构31还为布置为与每个部分44A(例如分别与轨道22和23相关联的铁磁轭26和28，如图6所示)磁性接合的悬浮磁体系统44的其余部分44B(例如，剩余部分44B可由C形悬浮磁体33实现)提供支撑。悬浮磁体33与铁磁轭26和28之间的磁性接合使列车30磁性悬浮在导轨20上方。

支撑结构31支撑位于轨道22和轨道23之中的每一个的相对侧并与轨道22和轨道23间隔开的稳定化磁体34，以分别与所述轨道中的感应线圈27和29进行电磁相互作用。每个稳定化磁体34是如前文所述的具有二维磁极模式的永磁体。磁体34在列车30上竖直取向，并且当列车30磁性悬浮在导轨20上方时，磁体34间隔开并与竖向排列的成对感应线圈之中的线圈相邻。典型情况下，所有稳定化磁体34的配置/构造是相同的。

请再次参考图6，轨道21被示为支撑鳍，该鳍代表/结合有如上所述的直线电机42的部分42A(例如动力电枢)。在图7中更容易看出，支撑结构31包括框架31A，该框架31A可具有与其耦合的枢轴或回转安装件31B，该枢轴或回转安装件31B用于安装到车身(未示出)的下侧上。直线电机磁体36耦合至框架31A的中心部分，直线电机磁体36限定直线电机42的其余部分42B(图1)。悬浮磁体33(限定图1所示的悬浮磁体系统44的其余部分44B)和稳定化磁体34耦合至框架31A的侧面。由于稳定化系统仅以高于某一最小速度的速度工作，因此当列车30以低于电磁稳定化所需的最小速度行驶时，稳定辊35可耦合至框架31A并部署为与轨道21(在图6中未示出)的侧面接合。

在依赖于具有一维磁极模式的稳定化磁体的现有技术稳定化系统中，数百赫兹的工作频率是不可避免的。导轨中的感应线圈可设计为使用昂贵的编织铜利兹线和针对高频操作设计的其他技术在这样的频率下工作。本发明通过使用具有二维磁极模式的稳定化磁体克服了这些问题。由此产生了可在较低的交流频率下工作的有效的稳定化系统。因此，感应线圈可由低成本铝线制成，而不是由昂贵的铜利兹线制成。

本发明不限于上述的具有三轨导轨的系统。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，双轨导轨也可与本发明的低频稳定化系统结合。举例来说，图8示意性地示出了利用双轨导轨的系统50。一般来说，通过修改用于悬浮和稳定化的导轨轨道从而同样提供所需的直线电机功能，系统50可省去中心轨道(即，系统10中的轨道21)。这可通过在悬浮/稳定化导轨轨道上增加单独的直线电机部件来实现，但也可通过修改悬浮系统使其能够提供悬浮和直线电机功能来实现。作为一个示例，在此同时参照图9和10进一步说明悬浮系统的修改。

与上述系统10类似，系统50包括两个主要元件，在此称为导轨60和列车70。与导轨60相关的部件将使用以60为基础的附图标记来表示，而与列车70相关的部件将使用以70为基础的附图标记来表示。系统50还包括一些组成部分包含在导轨60中而其余组成部分包含在列车70中的元件/系统(使用以40为基础的附图标记表示)。导轨60是固定的，并且通常固定或以其他方式耦合至固定支撑结构100(例如地面、高架支撑结构等)，这些固定支撑结构100的选择和设计不是本发明的限制。假设列车70沿着导轨60行驶。

导轨60限定两条平行的轨道62和63，它们沿着导轨60的长度延伸。轨道62和63通过轨道底座64相互支撑和固定，该轨道底座64可耦合至这些轨道或与之一体形成。与系统10中的导轨类似，导轨62和63支撑/容纳电气和/或磁性部件。因此，轨道62和63的机械或结构部分可由非磁性和非导电材料制成，这些材料是刚性的，在各种天气条件下是坚固的，具有成本效益，容易获得，并且是可生产的。

与上述的轨道22和23类似，轨道62和63之中的每一条在其机械轮廓方面具有相同的形状/尺寸，并且在其支撑或容纳的部件方面具有相同的构造。轨道62和63之中的每一条支撑或结合有与悬浮和直线电机系统46的一部分46A相关联的部件。例如，请参考图9，部分46A可通过如图所示分别沿着轨道62和63之中的每一条的长度排列的间隔开或有间隙的铁磁轭66和68来实现。间隔开的磁轭用作直线电机的电枢以及如上文中相对于系统10所述的悬浮磁体系统的一部分。

有很多种直线电机。在此所示的直线电机是开关磁阻同步电机。这是使用由软磁材料制成的凸极电枢的一种同步电机。美国专利3,934,183给出了将这种直线电机用于列车推进的教导。导轨顶部的间隔开的铁磁轭66/68可完美地用作开关磁阻直线电机的电枢。因此，这些磁轭既作为悬浮系统的一部分，又作为用于推进和制动的直线电机的电枢。

轨道62和63还支撑/容纳竖向排列的成对感应线圈，每个这样的竖向排列单元沿着轨道的长度与相邻的竖向排列单元间隔开，如图9所示。在所示的实施例中，成对感应线圈67设置在轨道62中，并且成对感应线圈69设置在轨道63中。成对感应线圈67和69的结构和功能分别与前文所述的成对感应线圈27和29相同，在此不再进一步说明。

现在请参考图10，与前文所述的列车30类似，列车70支撑/容纳与导轨60的部件电磁接合的部件，以实现列车70相对于导轨60的悬浮和列车70沿着导轨60的推进。列车70包括支撑结构71，在不脱离本发明的范围的情况下，该支撑结构71可按多种方式构造/配置。支撑结构71通常以本领域公知的方式与列车车身底部(未示出)一体形成或耦合。因此，应理解，支撑结构71的特定设计不是本发明的限制。

支撑结构71支撑或结合有与悬浮和直线电机系统46的其余部分46B相关联的部件。即，一般来说，其余部分46B包括与部分46A(在轨道62/63中/上)接合以提供悬浮力和推进力的部件。因此，其余部分46B包括作为如上所述支撑/容纳在轨道62和63中的部分46A的补充的直线电机和悬浮系统元件。部分46A与其余部分46B之间的磁性接合导致列车70沿着导轨60的长度悬浮和推进。

支撑结构71可包括框架71A，该框架71A可具有与其耦合的枢轴或回转安装件71B，该枢轴或回转安装件71B用于安装到车身(未示出)的下侧上。多个间隔开的直线电机磁体76以相对于框架71A固定的关系耦合至框架71A的相对侧，所述直线电机磁体76限定如上所述与导轨60中的磁轭66/68配合的直线电机的其余部分。悬浮磁体73也耦合至框架71A的侧面并与直线电机磁体76纵向对准，所述悬浮磁体73与磁轭66/68配合以提供如上所述的悬浮力。在所示的实施例中，直线电机磁体76设置在悬浮磁体73之间。但是，应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可使用磁体73和76的其他布置形式。

稳定化磁体74也以相对于框架71A固定的关系安装到框架71A的相对横向侧上。在本发明的稳定化方案中，稳定化磁体74的结构和功能与前文所述的稳定化磁体34的相同，在此不再进一步说明。由于稳定化系统通常仅以高于某一最小速度的速度工作，因此当列车70以低于稳定化所需的最小速度行驶时，稳定辊75也可耦合至框架71A并部署为与轨道62和63(在图10中未示出)的侧面接合。

上述双轨系统也可适于在稳定化磁体400上的磁极以小锐角布置的情况下工作，如图5所示。图11示出了双轨导轨60，该双轨导轨60具有(相对于在导轨60上行驶的列车的方向)以锐角布置的感应线圈402，该锐角与车载稳定化磁体400中的磁极的锐角对应，如前文所述。

在此说明的磁悬浮系统在标称条件下(例如没有侧风且直线行进，没有由曲线产生的离心力)实现了近乎无损的悬浮，而不使用超导磁体或者在导轨中的感应线圈中使用昂贵的铜利兹线，产生了一种建造和操作成本效率很高的系统。

在此说明的磁悬浮系统非常适合与常规铁路轨道互操作。也就是说，本发明的磁悬浮系统可结合到能够在常规铁路轨道和磁悬浮导轨上运行的双模列车中。由于本发明的磁悬浮和稳定化磁体相对于耦合至列车的支撑结构(例如上文所述和图10所示的支撑结构71)是固定的，因此本发明不需要使用磁体运动和定位系统来适应在铁路轨道或磁悬浮导轨上行进。

作为一个示例，将根据在此说明的磁悬浮系统的一个实施例使用双轨磁悬浮导轨来说明双模转向架配置。为了清晰地说明，下面将示出和说明单个双模转向架，其中“转向架”分别是铁路车辆或磁悬浮列车的与铁路轨道或磁悬浮导轨接合的部分。

作为一个示例，在图12和13中分别示出了用于沿着常规铁路轨道500和双轨磁悬浮导轨60行进的双模转向架，并且一般以数字80表示。为了清晰地说明，仅示出了双模转向架80的轨道和导轨接合部件。一个或多个双模转向架80支撑载荷(未示出)，这在本领域中是众所周知的双模转向架80包括常规的动力车辆82，其车轮82A骑在常规铁路轨道500的轨道502/504上/沿着常规铁路轨道500的轨道502/504布置，如图12所示。在动力车辆82的每个纵向端，磁悬浮车辆84由转向架82的框架延伸部82B支撑，该磁悬浮车辆84包括用于与导轨/壳体62/63中的部件相互作用的部件(例如悬浮磁体73和稳定化磁体74)，如前文所述。由于动力车辆82在双模转向架80沿着磁悬浮导轨60行进时必须悬浮在空中，因此在双模转向架80沿着磁悬浮导轨60行进时，磁悬浮车辆84对动力车辆82的“夹持”实现了动力车辆82在底座64上方的平衡支撑/抬升(图13)。

如上所述，本发明的双模转向架可使用固定布置的悬浮和稳定化磁体来构造。这在明显简化设计、施工、操作和维护的同时还允许简单的过渡，这种过渡支持常规铁路轨道与磁悬浮轨道之间的双向过渡。为了便于这种双向运行，需要铁路轨道至磁悬浮轨道过渡系统。例如，如图14所示意性示出的，双向铁路轨道至磁悬浮轨道过渡系统600提供了常规铁路轨道500与磁悬浮轨道60之间的互操作性环节。也就是说，过渡系统600为双模列车(例如支撑在上述的一个或多个双模转向架80上的列车)提供了在铁路轨道500与磁悬浮导轨60之间无缝地双向行进的结构。在美国专利申请15/263,573中详细说明了过渡系统600的一个示例性实施例，其全部内容通过引用结合于此，并且将在下文中参照图15和16简要说明。

铁路轨道500具有支撑在轨枕506上的两条平行轨道502和504。轨道502和504的外边缘相隔距离D₁。如上所述，磁悬浮导轨60包括支撑在底座64上的两个平行导轨壳体62和63。导轨壳体62和63相隔距离D₂，出于本发明的目的，该距离大于铁路轨道502和504的外侧之间的距离D₁。

过渡系统600包括铁路轨道500和磁悬浮导轨60的连续延伸部分。通常，铁路轨道500在一端612连续进入过渡系统600，并在系统600的另一端614终止。磁悬浮导轨60在端部614处连续进入过渡系统600，并在端部612处终止。轨道502/504为沿其行驶的列车限定了行进轴线510。导轨壳体62/63为沿其行驶的列车限定了行进轴线61。行进轴线510和61通常是对准的，以限定直线行进方向。在过渡系统600的端部612和614之间，导轨壳体62邻近并平行于轨道502，而导轨壳体63邻近并平行于轨道504。在过渡系统600的端部612和614之间，导轨壳体62邻近并平行于轨道502，而导轨壳体63邻近并平行于轨道504。导轨壳体62和63分别在导轨502和504的外侧。在过渡系统600的端部612和614之间的行进轴线61与行进轴线510之间限定非零仰角α。

在从磁悬浮导轨向常规轨道过渡的过程中，在车轮首次触及轨道的时刻，火车的车轮必须正确地遵循轨道运动。类似地，在从轨道向磁悬浮导轨的过渡中，当磁悬浮系统将动力车辆抬离轨道时，动力车辆的车轮必须正确地遵循轨道运动。在铁路领域中众所周知的是，列车车轮通过一个称为“锥进”的过程遵循铁路轨道运动。车轮凸缘导引车轮通过道岔，防止在急弯处脱轨，但该锥进过程几乎始终导引车轮，凸缘主要用作备用系统。但是，只有在每对轮中的左右轮都与轨道良好接触时，锥进才会起到作用。

本发明的磁悬浮车辆倾向于在整个过渡系统600中提供横向稳定性。但是，若锥进在动力车辆中的常规铁路车轮接触或脱离铁路轨道的点处起作用，则过渡会更加平滑，并且磨损会更少。为了解决上述问题，本发明可包括用于过渡系统600中的铁路轨道的邻接部分的跷跷板支撑结构520，如上述美国专利申请15/263,573中所述。简而言之，跷跷板支撑结构520支撑轨道502和504的方式使得根据由从磁悬浮导轨向轨道过渡的车辆施加到两个轨道上的差分载荷来调整每个轨道的高度。因此，过渡系统提供了常规铁路轨道与磁悬浮导轨之间的无缝互操作性环节。过渡系统可构造为与常规铁路的装载限界相符，从而使常规铁路列车适于过渡到磁悬浮导轨上并在其上运行。该过渡系统开创了将高速长距离磁悬浮运输与低速本地铁路轨道运输联接起来的可能性，由此促进了城市间高速地面运输。

虽然本发明是参照特定实施例说明的，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，可根据上述教导做出各种变化和修改。因此，应理解，在所附权利要求书的范围内，本发明可按不同于具体说明的方式实施。

本专利权范围是：

Claims

1.一种磁悬浮系统，包括：

导轨，具有安装在所述导轨中的铁磁轭并且具有安装在所述导轨中的感应线圈；

列车，具有安装在其上用于与所述铁磁轭进行磁性相互作用的悬浮磁体，其中所述列车相对于所述导轨悬浮，以沿着所述导轨在行进方向上行进；

所述列车具有与其耦合的多个稳定化磁体，用于在所述列车沿着所述导轨行进时与所述感应线圈进行电磁相互作用；并且

所述稳定化磁体之中的每个稳定化磁体均是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维磁极模式，

其中所述二维磁极模式在所述永磁体的相邻磁极之间具有沿着所述行进方向测量的水平间距并在所述永磁体的相邻磁极之间具有垂直于所述行进方向测量的竖向间距，并且其中所述水平间距在所述竖向间距的大致3倍至大致14倍的范围内。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其中所述二维磁极模式包括矩形磁极阵列。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其中所述感应线圈沿着所述导轨排列为多个竖向排列单元，并且其中每个所述竖向排列单元中的竖向相邻的感应线圈之间的中心距是所述竖向间距的1.5倍。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括三条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述三条轨道之中的两条轨道中，并且沿着所述导轨是连续的。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括两条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述两条轨道的每一条中。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其中所述悬浮磁体和所述稳定化磁体相对于所述列车以固定关系安装。

7.一种磁悬浮系统，包括：

所述稳定化磁体之中的每个稳定化磁体均是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维磁极模式，其中所述磁极相对于所述行进方向以4至18度之间的锐角设置。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮系统，其中所述感应线圈以所述锐角设置。

9.一种磁悬浮系统，包括：

导轨，具有安装在所述导轨中的铁磁轭并且具有安装在所述导轨中的感应线圈，所述感应线圈沿着所述导轨布置为成对感应线圈，所述成对感应线圈之中的每一对感应线圈由两个所述感应线圈限定，该两个所述感应线圈以相对间隔的关系布置，并且彼此电耦合，以实现零磁通稳定化；

所述列车具有与其耦合的多个稳定化磁体，用于在所述列车沿着所述导轨行进时与所述成对感应线圈进行电磁相互作用；

所述稳定化磁体之中的每个稳定化磁体均是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维磁极模式；并且

所述二维模式具有在所述永磁体的相邻磁极之间沿所述行进方向测量的水平间距和在所述永磁体的相邻磁极之间垂直于所述行进方向测量的竖向间距；

其中所述水平间距在所述竖向间距的大致3倍至大致14倍范围内，并且其中当所述列车沿着所述导轨行进时，所述感应线圈的工作频率不超过大致300Hz。

10.根据权利要求9所述的磁悬浮系统，其中所述二维磁极模式包括矩形磁极阵列。

11.根据权利要求10所述的磁悬浮系统，其中所述成对感应线圈沿着所述导轨排列为多个竖向排列单元，并且其中每个所述竖向排列单元的所述成对感应线圈之中的竖向相邻感应线圈之间的中心距是所述竖向间距的1.5倍。

12.根据权利要求9所述的磁悬浮系统，其中所述磁极相对于所述行进方向以4至18度之间的锐角设置。

13.根据权利要求12所述的磁悬浮系统，其中所述感应线圈以所述锐角设置。

14.根据权利要求9所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括三条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述三条轨道之中的两条轨道中，并且沿着所述导轨是连续的。

15.根据权利要求9所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括两条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述两条轨道的每一条中。

16.一种磁悬浮系统，包括：

列车，具有固定安装在其上并与其成固定关系的用于与所述铁磁轭进行磁性相互作用的悬浮磁体，其中所述列车相对于所述导轨悬浮，以沿着所述导轨在行进方向上行进；

所述列车具有固定安装在其上并与其成固定关系的多个稳定化磁体，用于在所述列车沿着所述导轨行进时与所述感应线圈进行电磁相互作用；并且

所述稳定化磁体之中的每个稳定化磁体均是永磁体，具有在第一维度和第二维度上极性交替的二维矩形磁极模式，其中所述磁极相对于所述行进方向以4至18度之间的锐角设置。

17.根据权利要求16所述的磁悬浮系统，其中所述二维磁极模式在所述永磁体的相邻磁极之间具有沿着所述行进方向测量的水平间距并在所述永磁体的相邻磁极之间具有垂直于所述行进方向测量的竖向间距，并且其中所述水平间距在所述竖向间距的大致3倍至大致14倍的范围内。

18.根据权利要求17所述的磁悬浮系统，其中所述感应线圈沿着所述导轨排列为多个竖向排列单元，并且其中每个所述竖向排列单元中的竖向相邻的感应线圈之间的中心距是所述竖向间距的1.5倍。

19.根据权利要求16所述的磁悬浮系统，其中所述感应线圈以所述锐角设置。

20.根据权利要求16所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括三条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述三条轨道之中的两条轨道中，并且沿着所述导轨是连续的。

21.根据权利要求16所述的磁悬浮系统，其中所述导轨包括两条轨道，并且其中所述铁磁轭安装在所述两条轨道的每一条中。

22.一种磁悬浮系统，包括：

所述导轨终止在双向铁路轨道至磁悬浮导轨过渡系统中，所述双向铁路轨道至磁悬浮导轨过渡系统包括：

具有限定第一行进轴线的两条平行轨道的铁路轨道的一部分，

限定第二行进轴线的所述导轨的一部分，所述导轨的所述一部分与所述铁路轨道的所述一部分的所述两条平行轨道相邻，其中在所述第一行进轴线与所述第二行进轴线之间限定非零高程坡度，和

耦合至所述铁路轨道的所述一部分的支撑结构，用于根据施加到所述两条平行轨道上的差分载荷以跷跷板方式调整所述两条平行轨道之中的每一条的高度。