磁斥型懸浮裝置實(shí)施方式

《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(gè)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(gè)預(yù)定區(qū)域的極性為N，并且該區(qū)域的極性N的強(qiáng)弱會(huì)隨垂向或水平位置的變化而發(fā)生變化。

參見(jiàn)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(guò)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(diǎn)處，懸浮體1的重力會(huì)被磁斥力所平衡，從而產(chǎn)生懸浮效果。同時(shí)，懸浮體1不會(huì)產(chǎn)生垂向偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

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(wú)需另外設(shè)置懸浮時(shí)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(lái)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(diǎn)對(duì)該發(fā)明是至關(guān)重要的，因?yàn)樵擃I(lǐng)域技術(shù)人員通常會(huì)認(rèn)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(huì)認(rèn)為相對(duì)端磁性相反的磁鐵會(huì)產(chǎn)生平衡懸浮體重力的效果。發(fā)明人正是基于實(shí)驗(yàn)時(shí)的偶然發(fā)現(xiàn)，克服人們的上述技術(shù)偏見(jiàn)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(guò)程中無(wú)需控制懸浮體1的垂向運(yùn)動(dòng)），但由于在實(shí)際懸浮過(guò)程中，懸浮體1還會(huì)在水平方向上前后左右運(yùn)動(dòng)，即在圖1所示的X、Y方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，因此還必須控制懸浮體1在水平方向上的運(yùn)動(dòng)（即X、Y方向的運(yùn)動(dòng)），即設(shè)置懸浮體水平運(yùn)動(dòng)（二自由度運(yùn)動(dòng)）控制裝置。雖然這種控制懸浮體在水平方向上運(yùn)動(dòng)（二自由度運(yùn)動(dòng)）的技術(shù)對(duì)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(yùn)動(dòng)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(lèi)型的懸浮體水平運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，平面底座2內(nèi)還設(shè)有由帶鐵芯4的四個(gè)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(dú)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(jiàn)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(gè)霍爾元件傳感器（磁性傳感器）51、52、53、54。四個(gè)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(lì)磁電流，進(jìn)而控制懸浮體1在Y和X方向上的自由移動(dòng)。

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(duì)獨(dú)立的控制電路12組成。參見(jiàn)圖3，控制電路12分別控制線圈組31、33和線圈組32、34的勵(lì)磁電流。每個(gè)控制電路12包括四個(gè)電路部份8-11，現(xiàn)以線圈組31、33的控制電路12為例說(shuō)明如下：

傳感器組51、53的輸出電壓值分別接入信號(hào)檢測(cè)電路部分8的減法電路的兩個(gè)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(guò)前級(jí)放大電路部分9進(jìn)行放大，再經(jīng)減法電路部分10與基準(zhǔn)電壓U₀進(jìn)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(zhǔn)電壓U₀所表示的基準(zhǔn)位置重合時(shí)，其輸出電壓U₁為零，當(dāng)懸浮體1的位置偏離基準(zhǔn)電壓所表示的基準(zhǔn)位置時(shí)，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(lì)磁電流，從而使懸浮體1回到基準(zhǔn)位置。當(dāng)兩組控制電路12同時(shí)工作時(shí)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(yùn)動(dòng)，并由此達(dá)到完全控制懸浮體1的三維空間位置從而達(dá)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(dú)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(shí)的下磁性端的磁性相反，除了能夠達(dá)到上述懸浮效果以外，在不需要額外設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的情況下，懸浮時(shí)，懸浮體還能夠在基準(zhǔn)位置作自由水平旋轉(zhuǎn)，從而具有獨(dú)特的視覺(jué)效果。

該領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)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(duì)其作出的任何限制。例如：環(huán)形永磁鐵和懸浮體水平運(yùn)動(dòng)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(jì)成其它形狀或者本身就是一個(gè)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(gè)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(gè)環(huán)形永磁鐵，還可以是在水平面內(nèi)環(huán)形分布的三個(gè)以上的柱形永磁鐵組或是一個(gè)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(gè)，能夠分成兩組（每組至少包含一個(gè)電磁鐵）以上以控制水平方向上的兩個(gè)自由度都是可以的，例如6個(gè)等，與此相應(yīng)，磁性傳感器的數(shù)目也不局限于四個(gè)，能夠控制懸浮體1在水平方向上二維自由度運(yùn)動(dòng)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(gè)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(wú)芯線圈來(lái)作為電磁鐵。

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(gè)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(zhǔn)位置，所述磁性懸浮體在懸浮時(shí)的下磁性端具有單一磁性，其特征在于，所述底座包含：一個(gè)環(huán)形永磁鐵和/或排列成環(huán)形的多個(gè)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(zhǔn)位置；以及懸浮體水平運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)位置時(shí)，控制所述磁性懸浮體返回所述基準(zhǔn)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(zhǔn)位置的至少兩個(gè)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(duì)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(zhǔn)位置的水平方向的位移時(shí)，所述至少兩組磁性傳感器分別產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，用來(lái)分別控制各組電磁鐵的勵(lì)磁電流，從而通過(guò)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(zhǔn)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(gè)沿所述環(huán)形的內(nèi)圓周方向相對(duì)設(shè)置的電磁鐵，通電后，同一組內(nèi)的兩個(gè)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(gè)，分別與對(duì)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(guò)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?jī)H固定有一個(gè)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。

《磁斥型懸浮裝置》涉及一種磁懸浮裝置，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種磁斥型懸浮裝置。

圖1是《磁斥型懸浮裝置》優(yōu)選實(shí)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。

磁斥型懸浮裝置專(zhuān)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(shí)不會(huì)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(gè)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(zhǔn)位置，磁性懸浮體在懸浮時(shí)的下磁性端具有單一磁性，其中底座包含：一個(gè)環(huán)形永磁鐵和/或排列成環(huán)形的多個(gè)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(zhǔn)位置；以及懸浮體水平運(yùn)動(dòng)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(zhǔn)位置時(shí)，控制磁性懸浮體返回基準(zhǔn)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(duì)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(shí)現(xiàn)懸浮體在垂直方向的平衡，此時(shí)懸浮體只能在一個(gè)基本水平的平面內(nèi)作二自由度的移動(dòng)；另外懸浮永磁鐵處于基本垂直平衡懸浮狀態(tài)時(shí)，在環(huán)形永磁鐵的作用下，懸浮體還不會(huì)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(gè)，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(duì)稱(chēng)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(shí)，會(huì)在懸浮永磁鐵上合成一個(gè)水平力。合成的水平力可以控制懸浮體的一個(gè)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(gè)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(gè)共兩組四個(gè)的相同的磁性傳感器組成，每一組傳感器對(duì)應(yīng)一組電磁鐵，以檢測(cè)懸浮永磁鐵在該組電磁鐵對(duì)應(yīng)方向上的位置信號(hào)，安裝時(shí)每組傳感器的排列方向需要對(duì)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(hào)檢測(cè)電路、與信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)電路為減法電路，將每一組傳感器中的兩個(gè)傳感器的輸出信號(hào)相減而合成一個(gè)新的信號(hào)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(jī)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(chǎng)合，如玩具、禮品、廣告等領(lǐng)域，具有極強(qiáng)的觀賞性。

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(duì)懸浮體（其內(nèi)設(shè)有磁鐵）產(chǎn)生的磁吸力來(lái)平衡懸浮體重力從而使懸浮體懸浮及旋轉(zhuǎn)。

中國(guó)實(shí)用新型專(zhuān)利CN2569440Y公開(kāi)了一種自動(dòng)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(lái)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(gè)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(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

CN1156071C、CN2726048Y、CN1267121A以及US5168183A等公開(kāi)了一些其它類(lèi)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)。

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

佛蒙特州立大學(xué)物理學(xué)家吳俊潤(rùn)是該研究報(bào)告的作者，他指出，此前就已使用過(guò)聲懸浮技術(shù)，但這是第一次測(cè)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(gòu)，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(méi)有空氣時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生壓力波，就像月球表面一樣；同時(shí)它也無(wú)法形成足夠強(qiáng)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