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磁斥型悬浮装置实施方式

2022/07/16123 作者:佚名
导读:《磁斥型悬浮装置》基于物理学原理:环形磁铁的环形表面区域附近的磁性与环形磁铁的该环形表面以外的某个预定区域内的磁性相反。例如,如果水平放置的环形磁铁的上表面的极性为S,那么该环形磁铁上方的某个预定区域的极性为N,并且该区域的极性N的强弱会随垂向或水平位置的变化而发生变化。 参见图1,《磁斥型悬浮装置》包括球形悬浮体1和平面底座2。悬浮体1的内壁固定有圆柱形永磁铁1E平面底座2内固定有水平放置的环形

《磁斥型悬浮装置》基于物理学原理:环形磁铁的环形表面区域附近的磁性与环形磁铁的该环形表面以外的某个预定区域内的磁性相反。例如,如果水平放置的环形磁铁的上表面的极性为S,那么该环形磁铁上方的某个预定区域的极性为N,并且该区域的极性N的强弱会随垂向或水平位置的变化而发生变化。

参见图1,《磁斥型悬浮装置》包括球形悬浮体1和平面底座2。悬浮体1的内壁固定有圆柱形永磁铁1E平面底座2内固定有水平放置的环形永磁铁3。根据上述原理,如果平面底座2内的环形永磁铁3的上环形表面的磁性为S,那么在环形永磁铁3上方的中心线附近一定有由环形永磁铁3形成的磁性为N的区域。如图1所示,将悬浮体1放置在该磁性为N的区域内,并将固定在悬浮体1内的圆柱形永磁铁11的N极端(即圆柱形永磁铁11的下磁性端,也就是悬浮体1的下磁性端)朝下(朝向环形永磁铁3),那么由于众所周知的同性相斥原理,通过调节悬浮体1的位置(从而调节磁斥力的大小),在该区域内的某点处,悬浮体1的重力会被磁斥力所平衡,从而产生悬浮效果。同时,悬浮体1不会产生垂向偏转运动。

由于圆柱形永磁铁11能够与环形永磁铁3相互作用从而平衡悬浮体1的重力,因此在悬浮体1内就无需另外设置悬浮时下表面磁性与环形永磁铁3上表面磁性相同的环形磁铁来平衡悬浮体1的重力,从而能够大大减小悬浮体1的体积和重量。这一点对该发明是至关重要的,因为该领域技术人员通常会认为悬浮体和底座内的磁铁需要同性相斥才能平衡悬浮体的重力,而不会认为相对端磁性相反的磁铁会产生平衡悬浮体重力的效果。发明人正是基于实验时的偶然发现,克服人们的上述技术偏见而完成了该发明。

虽然这种磁斥力可以平衡悬浮体1的重力(因而在悬浮过程中无需控制悬浮体1的垂向运动),但由于在实际悬浮过程中,悬浮体1还会在水平方向上前后左右运动,即在图1所示的X、Y方向产生运动,因此还必须控制悬浮体1在水平方向上的运动(即X、Y方向的运动),即设置悬浮体水平运动(二自由度运动)控制装置。虽然这种控制悬浮体在水平方向上运动(二自由度运动)的技术对于该领域技术人员而言属于常规手段,但为了便于更好地理解该发明,以下作为示例描述了一种悬浮体水平运动控制装置。但是,该领域技术人员应当理解,该发明不限于使用这种类型的悬浮体水平运动控制装置,其它任何能够实现这种控制功能的装置都是可以的。

为了控制悬浮体1在水平方向上的运动,平面底座2内还设有由带铁芯4的四个线圈31、32、33、34所组成的电磁铁组。如图1所示,线圈31、32、33、34沿环形永磁铁3的内圆周表面均匀分布,并且分别串联成相互独立的两组线圈31、33以及32、34,即线圈组31、33和线圈组32、34分别沿图中所示的Y、X方向排列。通电后各组线圈例如线圈组31、33邻近悬浮体1或邻近柱形永磁铁11的一端(例如图2所示的上端)的磁性相反(参见图2)。

在底座2内靠近各线圈31、32、33、34顶端的位置还分别安装有四个霍尔元件传感器(磁性传感器)51、52、53、54。四个传感器51、52、53、54分成两组:51、53和52、54,分别控制两组线圈31、33和32、34的励磁电流,进而控制悬浮体1在Y和X方向上的自由移动。

另外,在底座内还安装有控制电路板6,其上的控制电路由两套完全相同且相对独立的控制电路12组成。参见图3,控制电路12分别控制线圈组31、33和线圈组32、34的励磁电流。每个控制电路12包括四个电路部份8-11,现以线圈组31、33的控制电路12为例说明如下:

传感器组51、53的输出电压值分别接入信号检测电路部分8的减法电路的两个输入端,因此其输出电压值反应了悬浮体1在线圈组31、33连线方向上(即Y方向)的位置,该输出电压通过前级放大电路部分9进行放大,再经减法电路部分10与基准电压U0进行比较,确定合适的输出电压U1,并传输到功放电路部分11中。当悬浮体1在线圈组31、33连线方向(即Y方向)上的位置与基准电压U0所表示的基准位置重合时,其输出电压U1为零,当悬浮体1的位置偏离基准电压所表示的基准位置时,其输出电压U1不为零。该输出电压U1改变压控电阻13的阻值,即改变功放电路部分11的反馈电阻阻值,以增大或减小线圈31、33的励磁电流,从而使悬浮体1回到基准位置。当两组控制电路12同时工作时就可控制悬浮体1在悬浮水平面上的二维自由度(即Y和X方向)的运动,并由此达到完全控制悬浮体1的三维空间位置从而达到使悬浮体1悬浮的目的。

另外,由于该发明磁斥型悬浮装置所具有的独特结构特性——底座内基本水平设置的环形永磁铁上环形表面的磁性与所述磁性悬浮体悬浮时的下磁性端的磁性相反,除了能够达到上述悬浮效果以外,在不需要额外设置旋转机构的情况下,悬浮时,悬浮体还能够在基准位置作自由水平旋转,从而具有独特的视觉效果。

该领域技术人员应当理解,上述实施方式仅起解释《磁斥型悬浮装置》的作用,而不应当理解为对其作出的任何限制。例如:环形永磁铁和悬浮体水平运动控制设置在底座内的含义不局限于其必须设置在底座的外壳内部,而应当理解为其可以设置在底座的任何部位;装置悬浮体1不局限于球形,可以根据需要设计成其它形状或者本身就是一个所需形状的永磁铁;永磁铁11虽然优选圆柱形,但条形以及由多个永磁铁组合而成的能够产生悬浮特性的永磁铁组合体也是可以的;底座2内的水平放置的永磁铁3不局限于单个环形永磁铁,还可以是在水平面内环形分布的三个以上的柱形永磁铁组或是一个环形永磁铁与环形分布的柱形永磁铁组在垂直方向叠加在一起的组合体;在底座2内水平放置的环形永磁铁3也可以稍微倾斜,例如与水平面成10度角,即基本水平即可;所述环形不限于图示的圆形环,还可以是椭圆形、方形、菱形、规则或不规则多边形环等;电磁铁也不局限于4个,能够分成两组(每组至少包含一个电磁铁)以上以控制水平方向上的两个自由度都是可以的,例如6个等,与此相应,磁性传感器的数目也不局限于四个,能够控制悬浮体1在水平方向上二维自由度运动的任何数目的传感器都是可以的;另外,电磁铁也不局限于沿环形永磁铁3的内圆周表面设置,根据需要可以设在环形永磁铁3的内部、外部或上部,或与组成环形永磁铁3的多个柱形永磁铁在圆周方向上相互间隔排列;此外,电磁铁也不局限于为带铁芯的线圈,同样可以釆用无芯线圈来作为电磁铁。

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