磁斥型懸浮裝置

《磁斥型懸浮裝置》涉及一種磁懸浮裝置，具體來說，涉及一種磁斥型懸浮裝置。

截至2006年3月17日，相關(guān)磁懸浮裝置一般為懸掛式，包括吸頭和懸浮體，利用位于懸浮體上方的吸頭內(nèi)設(shè)置的電磁鐵對懸浮體（其內(nèi)設(shè)有磁鐵）產(chǎn)生的磁吸力來平衡懸浮體重力從而使懸浮體懸浮及旋轉(zhuǎn)。

中國實用新型專利CN2569440Y公開了一種自動平衡式靜態(tài)磁懸浮裝置，包括底座和懸浮體，利用安裝在底座上的磁鐵所產(chǎn)生的頂推力（磁斥力）來平衡位于底座上方的懸浮體（其內(nèi)同樣設(shè)有磁鐵）。但是這種磁懸浮裝置的懸浮體上必須設(shè)置兩個水平排列并相連的懸浮永磁鐵，因此通常只能懸浮棒狀物體，并且這種懸浮體也不能以其垂直中心軸作為旋轉(zhuǎn)軸來進行旋轉(zhuǎn)。

CN1156071C、CN2726048Y、CN1267121A以及US5168183A等公開了一些其它類型的磁懸浮裝置。但上述這些相關(guān)磁懸浮裝置均不能使懸浮體在底座上方懸浮及自由水平旋轉(zhuǎn)。

圖1是《磁斥型懸浮裝置》優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是《磁斥型懸浮裝置》底座內(nèi)一組電磁鐵線圈的連接示意圖；

圖3是《磁斥型懸浮裝置》底座內(nèi)控制電路的示意框圖。

2021年6月24日，《磁斥型懸浮裝置》獲得第二十二屆中國專利優(yōu)秀獎。

《磁斥型懸浮裝置》基于物理學(xué)原理：環(huán)形磁鐵的環(huán)形表面區(qū)域附近的磁性與環(huán)形磁鐵的該環(huán)形表面以外的某個預(yù)定區(qū)域內(nèi)的磁性相反。例如，如果水平放置的環(huán)形磁鐵的上表面的極性為S，那么該環(huán)形磁鐵上方的某個預(yù)定區(qū)域的極性為N，并且該區(qū)域的極性N的強弱會隨垂向或水平位置的變化而發(fā)生變化。

參見圖1，《磁斥型懸浮裝置》包括球形懸浮體1和平面底座2。懸浮體1的內(nèi)壁固定有圓柱形永磁鐵1E平面底座2內(nèi)固定有水平放置的環(huán)形永磁鐵3。根據(jù)上述原理，如果平面底座2內(nèi)的環(huán)形永磁鐵3的上環(huán)形表面的磁性為S，那么在環(huán)形永磁鐵3上方的中心線附近一定有由環(huán)形永磁鐵3形成的磁性為N的區(qū)域。如圖1所示，將懸浮體1放置在該磁性為N的區(qū)域內(nèi)，并將固定在懸浮體1內(nèi)的圓柱形永磁鐵11的N極端（即圓柱形永磁鐵11的下磁性端，也就是懸浮體1的下磁性端）朝下（朝向環(huán)形永磁鐵3），那么由于眾所周知的同性相斥原理，通過調(diào)節(jié)懸浮體1的位置（從而調(diào)節(jié)磁斥力的大?。?，在該區(qū)域內(nèi)的某點處，懸浮體1的重力會被磁斥力所平衡，從而產(chǎn)生懸浮效果。同時，懸浮體1不會產(chǎn)生垂向偏轉(zhuǎn)運動。

由于圓柱形永磁鐵11能夠與環(huán)形永磁鐵3相互作用從而平衡懸浮體1的重力，因此在懸浮體1內(nèi)就無需另外設(shè)置懸浮時下表面磁性與環(huán)形永磁鐵3上表面磁性相同的環(huán)形磁鐵來平衡懸浮體1的重力，從而能夠大大減小懸浮體1的體積和重量。這一點對該發(fā)明是至關(guān)重要的，因為該領(lǐng)域技術(shù)人員通常會認為懸浮體和底座內(nèi)的磁鐵需要同性相斥才能平衡懸浮體的重力，而不會認為相對端磁性相反的磁鐵會產(chǎn)生平衡懸浮體重力的效果。發(fā)明人正是基于實驗時的偶然發(fā)現(xiàn)，克服人們的上述技術(shù)偏見而完成了該發(fā)明。

雖然這種磁斥力可以平衡懸浮體1的重力（因而在懸浮過程中無需控制懸浮體1的垂向運動），但由于在實際懸浮過程中，懸浮體1還會在水平方向上前后左右運動，即在圖1所示的X、Y方向產(chǎn)生運動，因此還必須控制懸浮體1在水平方向上的運動（即X、Y方向的運動），即設(shè)置懸浮體水平運動（二自由度運動）控制裝置。雖然這種控制懸浮體在水平方向上運動（二自由度運動）的技術(shù)對于該領(lǐng)域技術(shù)人員而言屬于常規(guī)手段，但為了便于更好地理解該發(fā)明，以下作為示例描述了一種懸浮體水平運動控制裝置。但是，該領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，該發(fā)明不限于使用這種類型的懸浮體水平運動控制裝置，其它任何能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制功能的裝置都是可以的。

為了控制懸浮體1在水平方向上的運動，平面底座2內(nèi)還設(shè)有由帶鐵芯4的四個線圈31、32、33、34所組成的電磁鐵組。如圖1所示，線圈31、32、33、34沿環(huán)形永磁鐵3的內(nèi)圓周表面均勻分布，并且分別串聯(lián)成相互獨立的兩組線圈31、33以及32、34，即線圈組31、33和線圈組32、34分別沿圖中所示的Y、X方向排列。通電后各組線圈例如線圈組31、33鄰近懸浮體1或鄰近柱形永磁鐵11的一端（例如圖2所示的上端）的磁性相反（參見圖2）。

在底座2內(nèi)靠近各線圈31、32、33、34頂端的位置還分別安裝有四個霍爾元件傳感器（磁性傳感器）51、52、53、54。四個傳感器51、52、53、54分成兩組：51、53和52、54，分別控制兩組線圈31、33和32、34的勵磁電流，進而控制懸浮體1在Y和X方向上的自由移動。

另外，在底座內(nèi)還安裝有控制電路板6，其上的控制電路由兩套完全相同且相對獨立的控制電路12組成。參見圖3，控制電路12分別控制線圈組31、33和線圈組32、34的勵磁電流。每個控制電路12包括四個電路部份8-11，現(xiàn)以線圈組31、33的控制電路12為例說明如下：

傳感器組51、53的輸出電壓值分別接入信號檢測電路部分8的減法電路的兩個輸入端，因此其輸出電壓值反應(yīng)了懸浮體1在線圈組31、33連線方向上（即Y方向）的位置，該輸出電壓通過前級放大電路部分9進行放大，再經(jīng)減法電路部分10與基準電壓U₀進行比較，確定合適的輸出電壓U₁，并傳輸?shù)焦Ψ烹娐凡糠?1中。當(dāng)懸浮體1在線圈組31、33連線方向（即Y方向）上的位置與基準電壓U₀所表示的基準位置重合時，其輸出電壓U₁為零，當(dāng)懸浮體1的位置偏離基準電壓所表示的基準位置時，其輸出電壓U₁不為零。該輸出電壓U₁改變壓控電阻13的阻值，即改變功放電路部分11的反饋電阻阻值，以增大或減小線圈31、33的勵磁電流，從而使懸浮體1回到基準位置。當(dāng)兩組控制電路12同時工作時就可控制懸浮體1在懸浮水平面上的二維自由度（即Y和X方向）的運動，并由此達到完全控制懸浮體1的三維空間位置從而達到使懸浮體1懸浮的目的。

另外，由于該發(fā)明磁斥型懸浮裝置所具有的獨特結(jié)構(gòu)特性——底座內(nèi)基本水平設(shè)置的環(huán)形永磁鐵上環(huán)形表面的磁性與所述磁性懸浮體懸浮時的下磁性端的磁性相反，除了能夠達到上述懸浮效果以外，在不需要額外設(shè)置旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的情況下，懸浮時，懸浮體還能夠在基準位置作自由水平旋轉(zhuǎn)，從而具有獨特的視覺效果。

該領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述實施方式僅起解釋《磁斥型懸浮裝置》的作用，而不應(yīng)當(dāng)理解為對其作出的任何限制。例如：環(huán)形永磁鐵和懸浮體水平運動控制設(shè)置在底座內(nèi)的含義不局限于其必須設(shè)置在底座的外殼內(nèi)部，而應(yīng)當(dāng)理解為其可以設(shè)置在底座的任何部位；裝置懸浮體1不局限于球形，可以根據(jù)需要設(shè)計成其它形狀或者本身就是一個所需形狀的永磁鐵；永磁鐵11雖然優(yōu)選圓柱形，但條形以及由多個永磁鐵組合而成的能夠產(chǎn)生懸浮特性的永磁鐵組合體也是可以的；底座2內(nèi)的水平放置的永磁鐵3不局限于單個環(huán)形永磁鐵，還可以是在水平面內(nèi)環(huán)形分布的三個以上的柱形永磁鐵組或是一個環(huán)形永磁鐵與環(huán)形分布的柱形永磁鐵組在垂直方向疊加在一起的組合體；在底座2內(nèi)水平放置的環(huán)形永磁鐵3也可以稍微傾斜，例如與水平面成10度角，即基本水平即可；所述環(huán)形不限于圖示的圓形環(huán)，還可以是橢圓形、方形、菱形、規(guī)則或不規(guī)則多邊形環(huán)等；電磁鐵也不局限于4個，能夠分成兩組（每組至少包含一個電磁鐵）以上以控制水平方向上的兩個自由度都是可以的，例如6個等，與此相應(yīng)，磁性傳感器的數(shù)目也不局限于四個，能夠控制懸浮體1在水平方向上二維自由度運動的任何數(shù)目的傳感器都是可以的；另外，電磁鐵也不局限于沿環(huán)形永磁鐵3的內(nèi)圓周表面設(shè)置，根據(jù)需要可以設(shè)在環(huán)形永磁鐵3的內(nèi)部、外部或上部，或與組成環(huán)形永磁鐵3的多個柱形永磁鐵在圓周方向上相互間隔排列；此外，電磁鐵也不局限于為帶鐵芯的線圈，同樣可以釆用無芯線圈來作為電磁鐵。

磁斥型懸浮裝置專利目的

《磁斥型懸浮裝置》的目的是提供一種磁斥型懸浮裝置，能夠使懸浮體在底座上方懸浮及自由水平旋轉(zhuǎn)，同時不會上下翻轉(zhuǎn)。

磁斥型懸浮裝置技術(shù)方案

《磁斥型懸浮裝置》包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體為單個永磁性懸浮體，在工作狀態(tài)下，其重力能夠被底座和懸浮體之間產(chǎn)生的磁斥力所平衡，從而懸浮于底座上方的預(yù)定基準位置，磁性懸浮體在懸浮時的下磁性端具有單一磁性，其中底座包含：一個環(huán)形永磁鐵和/或排列成環(huán)形的多個永磁鐵，基本水平設(shè)置在底座內(nèi)，其上環(huán)形表面的磁性與磁性懸浮體下磁性端的磁性相反，由此磁性懸浮體能夠懸浮于基準位置；以及懸浮體水平運動控制裝置，設(shè)置在底座內(nèi)，當(dāng)?shù)鬃戏綉腋〉拇判詰腋◇w在水平方向上偏離基準位置時，控制磁性懸浮體返回基準位置。

該發(fā)明的環(huán)形永磁鐵水平固定在懸浮體下方的底座內(nèi)，能對環(huán)形永磁鐵上方中心線處懸浮的懸浮永磁鐵產(chǎn)生向上的磁斥力以平衡懸浮體的重力從而實現(xiàn)懸浮體在垂直方向的平衡，此時懸浮體只能在一個基本水平的平面內(nèi)作二自由度的移動；另外懸浮永磁鐵處于基本垂直平衡懸浮狀態(tài)時，在環(huán)形永磁鐵的作用下，懸浮體還不會在垂直平面內(nèi)翻轉(zhuǎn)。

該發(fā)明的電磁鐵固定在底座內(nèi)，優(yōu)選為四個，在水平面內(nèi)以環(huán)形永磁鐵的軸線為中心而分布，再按中心對稱地兩兩串聯(lián)或并聯(lián)成一組并使同一組電磁鐵的同向端在通電后磁性相反，當(dāng)其作用于電磁鐵組上方的懸浮永磁鐵時，會在懸浮永磁鐵上合成一個水平力。合成的水平力可以控制懸浮體的一個水平自由度，這樣兩組相互垂直的電磁鐵就可以控制水平面內(nèi)的二個自由度，從而使懸浮體平衡于底座上方。

該發(fā)明的傳感器控制系統(tǒng)是由固定在底座內(nèi)、靠近電磁鐵上端的、優(yōu)選為每組兩個共兩組四個的相同的磁性傳感器組成，每一組傳感器對應(yīng)一組電磁鐵，以檢測懸浮永磁鐵在該組電磁鐵對應(yīng)方向上的位置信號，安裝時每組傳感器的排列方向需要對應(yīng)于相應(yīng)的電磁鐵組的排列方向。

該發(fā)明的控制電路由傳感器信號檢測電路、與信號檢測電路相接的放大電路、與放大電路相接的功放電路以及與上述各部份相接的電源電路組成。其中信號檢測電路為減法電路，將每一組傳感器中的兩個傳感器的輸出信號相減而合成一個新的信號變化量，從而有效控制懸浮體的懸浮穩(wěn)定性。

磁斥型懸浮裝置改善效果

《磁斥型懸浮裝置》利用環(huán)形磁鐵中心磁力頂托（排斥）的方式使物體懸浮并能夠在不額外設(shè)置旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的情況下使其在水平方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一種全新的懸浮效果。該發(fā)明的磁斥型懸浮裝置可廣泛應(yīng)用于各種場合，如玩具、禮品、廣告等領(lǐng)域，具有極強的觀賞性。

1、一種磁斥型懸浮裝置，包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體為單個永磁性懸浮體，在工作狀態(tài)下，其重力能夠被所述磁性底座和所述磁性懸浮體之間產(chǎn)生的磁斥力所平衡，從而懸浮于所述底座上方的預(yù)定基準位置，所述磁性懸浮體在懸浮時的下磁性端具有單一磁性，其特征在于，所述底座包含：一個環(huán)形永磁鐵和/或排列成環(huán)形的多個永磁鐵，基本水平設(shè)置在所述底座內(nèi)，其上環(huán)形表面的磁性與所述磁性懸浮體的所述下磁性端的磁性相反，由此所述磁性懸浮體能夠懸浮于所述基準位置；以及懸浮體水平運動控制裝置，設(shè)置在所述底座內(nèi)，當(dāng)所述底座上方懸浮的所述磁性懸浮體在水平方向上偏離所述基準位置時，控制所述磁性懸浮體返回所述基準位置。

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述控制裝置包括：水平設(shè)置在所述底座內(nèi)的至少兩組電磁鐵，用以分別控制所述磁性懸浮體在水平方向上偏離所述基準位置的至少兩個自由度；以及設(shè)在所述底座內(nèi)并與所述至少兩組電磁鐵分別對應(yīng)連接的至少兩組磁性傳感器，當(dāng)所述磁性懸浮體在所述底座上方產(chǎn)生偏離所述基準位置的水平方向的位移時，所述至少兩組磁性傳感器分別產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，用來分別控制各組電磁鐵的勵磁電流，從而通過所述電磁鐵所產(chǎn)生的可控磁力使所述磁性懸浮體返回所述基準位置。

3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，在所述底座內(nèi)設(shè)置兩組電磁鐵，每組包含兩個沿所述環(huán)形的內(nèi)圓周方向相對設(shè)置的電磁鐵，通電后，同一組內(nèi)的兩個電磁鐵的鄰近所述懸浮體的一端的磁性相反；與此相應(yīng)，在所述底座內(nèi)設(shè)置兩組磁性傳感器，每組兩個，分別與對應(yīng)的電磁鐵連接。

4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，每組磁性傳感器通過減法電路控制相應(yīng)的一組電磁鐵。

5、根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體內(nèi)部僅固定有一個柱形永磁鐵。

6、根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述環(huán)為圓形環(huán)、橢圓形環(huán)、方形環(huán)、菱形環(huán)、或不規(guī)則多邊形環(huán)。

7、根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體為球形。

佛蒙特州立大學(xué)物理學(xué)家吳俊潤是該研究報告的作者，他指出，此前就已使用過聲懸浮技術(shù)，但這是第一次測試應(yīng)用于外太空環(huán)境。聲懸浮裝置十分便宜，其制造材料很容易在網(wǎng)上訂購，但是該裝置存在著巨大的障礙——聲音是一種在空氣中傳播的壓力波，當(dāng)沒有空氣時就不會產(chǎn)生壓力波，就像月球表面一樣；同時它也無法形成足夠強的作用力抵消破壞火星大氣層稀薄低氣壓的靜電附著力。因此，聲懸浮裝置需要放置在密封的太空壓力艙內(nèi)工作。2100433B