CN101072005A - 一种磁悬浮方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了利用控制电磁铁的电流来改变电磁铁的磁力，以电磁力约束一个盘片沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用电磁铁的磁场向心效应约束盘片沿X、Y轴方向的移动自由度，而盘片绕Z轴方向的转动的自由度不约束，使盘片在空间指定位置的稳定悬浮。本发明提供的磁悬浮装置设有托板(8)，其上面装有沿托板中心圆周均匀布置的三个电磁铁(1)和三个位移传感器(2)，其下面以立柱(4)与控制箱(5)上部相连；电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线与控制箱中的电路相连；盘片(3)呈水平状态悬浮在由托板(8)、控制箱(5)和立柱(4)所围的空间。本装置结构简单，电磁铁数量少，扩大了磁悬浮技术的应用领域。

Description

一种磁悬浮方法及装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮领域，特别是涉及一种利用磁场向心效应约束被悬浮物体的部分自由度的一种磁悬浮方法及装置。
背景技术
磁悬浮技术是利用电磁力平衡物体重力，将物体无接触支承在空间的一项新兴技术。磁悬浮产品以其特殊的优越性能正受到各行各业的重视，现在其应用已经涉及机械加工、铁路交通、航空航天等军用和民用行业。
根据磁悬浮原理，将一个物体以指定的状态完全悬浮于指定的空间，需要约束该物体的6个自由度。采用部分电磁铁约束被悬浮物体的部分自由度，剩余的自由度则由磁场的向心效应约束，以便制作出能够扩大磁悬浮技术应用领域的且结构简单的磁悬浮装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁磁场的向心效应，使被悬浮物体悬浮于空间指定位置的磁悬浮方法。还提供一种可以实现所述磁悬浮方法的装置，并且该装置结构简单。
所述的向心效应是指：在上述结构中，当悬浮盘片沿X或Y轴方向偏离磁场中心平衡位置时，因为磁力线的封闭性，在XY平面产生一个使盘片回复到平衡位置的力，该力平行于盘面，且始终指向平衡位置轴线，这种由垂直于磁场中心轴线的力所产生的效应称为向心效应。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
本发明提供一种磁悬浮方法，其利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁的磁场向心效应，使盘片悬浮于空间指定位置。具体方法是：利用控制电磁铁的电流来改变电磁铁的磁力，以电磁力约束一个盘片沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用电磁铁磁场的向心效应约束盘片沿X、Y轴方向的移动自由度，而盘片绕Z轴方向的转动的自由度不约束，使盘片在空间指定位置的稳定悬浮。
本发明还提供一种能够实现上述磁悬浮方法的装置，其结构是：设有托板，其上面装有沿托板中心圆周均匀布置的三个电磁铁和三个位移传感器，其下面以立柱与控制箱上部相连；电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线与控制箱中的电路相连；盘片呈水平状态悬浮在由托板、控制箱和立柱所围的空间。
本发明的设计及工作原理是：根据几何学原理，不在同一直线上的三点可以确定一个平面。因此，在图1、图2和图3所示的盘片平面内沿圆周方向均匀的布置了三个电磁铁和三个非接触式的位移传感器，要求三个电磁铁的铁心端面在同一平面，三个位移传感器的测试端也处在同一平面。这样，当盘片处于位移传感器的线性量程范围内时，位移传感器可以测量出盘片上3点的位置，位移传感器将盘片的位置状态反馈给控制系统，控制系统根据测量的盘片位置信号，控制电磁铁线圈的电流，从而控制相应电磁铁的电磁力，使其与盘片受到的重力相平衡，进而将盘片控制在指定位置上。当悬浮的盘片受到外界干扰时，其位置发生了变化，该变化被相应的位移传感器测出，并且反馈给控制系统，控制系统根据测量的盘片位置变化信号，改变电磁铁线圈的电流，从而改变相应电磁铁的电磁力，使将盘片重新回到指定位置上，进而实现盘片的稳定悬浮。
本发明具有以下的主要优点：利用磁力的向心效应约束被悬浮物体的部分的自由度，在保证相同的悬浮效果的同时，减少了电磁铁的数量，简化了磁悬浮装置的结构和控制系统，扩大了磁悬浮技术的应用领域。
附图说明
图1是磁悬浮装置的结构图。
图2是图1的俯视图。
图3是磁悬浮装置的外观图。
图4是磁悬浮装置的控制原理图。
具体实施方式
本发明提供的是一种利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁的磁场向心效应，使盘片悬浮于空间指定位置的方法，具体是：利用控制电磁铁的电流来改变电磁铁的磁力，以电磁力约束一个盘片沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用电磁铁磁场的向心效应约束盘片沿X、Y轴方向的移动自由度，而盘片绕Z轴方向的转动的自由度不约束，使盘片在空间指定位置的稳定悬浮。
下面结合实施例及附图对本发明提供的磁悬浮装置作进一步说明。
本发明提供的是一种利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁的磁场向心效应，使盘片悬浮于空间指定位置的装置。该装置的结构如图1和图2所示：设有托板8，其上面装有沿托板中心圆周均匀布置的三个电磁铁1和三个位移传感器2，其下面以立柱4与控制箱5上部相连；电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线与控制箱中的电路相连；盘片3呈水平状态悬浮在由托板8、控制箱5和立柱4所围的空间。
所述的托板8，其下面以四角分布的立柱4与控制箱5上部相连。四个立柱4可用φ16×5钢管制造，中空部分用于电磁铁及传感器线路通道；即电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线可由其内孔与控制箱5中的电路相连。
所述的三个电磁铁1和三个位移传感器2，它们可以沿托板8的中心圆周交错排列，并且各自呈120度布置。所述的三个电磁铁1，均由铁芯10及线圈组成，铁芯10可由非导磁性材质的夹紧块9以螺钉固定在在托板8上。铁芯10采用U形结构，可减少磁力线的开放空间，使磁能更集中；铁芯呈倒U形安装在托板8上，在圆周方向按120度以放射状布置于一圆周上。或者，不少于三个电磁铁1，按“不在一条直线上”的其它任何形式安装在托板上。所述的三个或不少于三个电涡流、激光或者其它原理的位移传感器2，可由传感器支架11固定在托板上，还可按“不在一条直线上”的其他任何形式安装在托板8上。
所述的托板8，其上装有顶罩12(见图3)，二者可由螺栓或嵌连方式相连。  例如，顶罩可通过M6圆头螺栓连接在托板8上，将电磁铁1、位移传感器2等部件封住，这样，一是可以保持结构的整体美观性；二是起遮灰防潮作用。
控制箱5设有箱门6和手柄7。控制箱内的电路同现有技术，其组成一般包括(见图4)：信号处理模块、电源、功率方法模块，以及由数据采集和计算机组成的控制平台。
下面结合附图简述本发明的工作过程：
根据几何学原理，不在同一直线上的三点可以确定一个平面。因此，三个位移传感器测量出盘片距电磁铁端面的距离，如果测量出的三个点的距离一样，说明盘片处于水平；此时，装在控制箱5中的控制系统保持控制电流不变，则电磁力不变，盘片保持水平且与电磁铁端面的距离也不变。假定其中某一个点的距离变大，说明该点远离了电磁铁端面，此时控制系统增大相应电磁铁的电流，则电磁力相应增大，将盘片上远离的一点拉回到原始位置，使盘片重新恢复水平且与电磁铁端面的距离恢复初始值。
总之，位移传感器2可以测量出盘片3上的三点位置，位移传感器将盘片的位置状态反馈给控制系统，控制系统根据测量的盘片位置信号，控制电磁铁1线圈的电流，从而控制相应电磁铁的电磁力，使其与盘片受到的重力相平衡，进而将盘片控制在指定位置上。当悬浮的盘片受到外界干扰时，其位置发生了变化，该变化被相应的位移传感器测出，并且反馈给控制系统，控制系统根据测量的盘片位置变化信号，改变电磁铁线圈的电流，从而改变相应电磁铁的电磁力，使将盘片重新回到指定位置上，进而实现盘片的稳定悬浮。

Claims (10)

1.一种磁悬浮方法，其特征是一种利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁的磁场向心效应，使盘片悬浮于空间指定位置的方法，具体是：利用控制电磁铁的电流来改变电磁铁的磁力，以电磁力约束一个盘片沿Z轴方向移动和绕X、Y轴方向转动的3个自由度，同时利用电磁铁磁场的向心效应约束盘片沿X、Y轴方向的移动自由度，而盘片绕Z轴方向的转动的自由度不约束，使盘片在空间指定位置的稳定悬浮。
2.一种磁悬浮装置，其特征是一种利用控制电磁铁的电流达到控制电磁铁的磁力，同时利用电磁铁的磁场向心效应，使盘片悬浮于空间指定位置的装置，其结构是：设有托板(8)，其上面装有沿托板中心圆周均匀布置的三个电磁铁(1)和三个位移传感器(2)，其下面以立柱(4)与控制箱(5)上部相连；电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线与控制箱中的电路相连；盘片(3)呈水平状态悬浮在由托板(8)、控制箱(5)和立柱(4)所围的空间。
3.根据权利要求2所述的磁悬浮装置，其特征是所述的托板(8)，其下面以立柱(4)与控制箱(5)上部相连；所述电磁铁的控制电线和位移传感器的信号线通过呈中空结构的立柱(4)的内孔，与控制箱(5)中的电路相连。
4.根据权利要求2所述的磁悬浮装置，其特征是所述的三个电磁铁(1)和三个位移传感器(2)，它们沿托板(8)中心圆周交错排列，并且各自呈120度布置。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征是电磁铁(1)由铁芯(10)及线圈组成，并且由非导磁性材质的夹紧块(9)以螺钉固定在在托板(8)上。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮装置，其特征是所述的铁芯(10)采用U形结构，铁芯呈倒U形安装在托板(8)上，在圆周方向按120度以放射状布置于一圆周上。
7.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征是所述的三个位移传感器(2)，采用电涡流位移传感器，由传感器支架(11)固定在托板(8)上，在圆周方向按120度布置于一圆周上。
8.根据权利要求7所述的磁悬浮装置，其特征是不少于三个电涡流或者激光位移传感器(2)，按“不在一条直线上”的形式安装在托板(8)上。
9.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征是所述的不少于三个电磁铁(1)，按“不在一条直线上”的形式安装在托板(8)上。
10.根据权利要求2、4、5、6、7、8或9所述的磁悬浮装置，其特征是所述的托板(8)，其上装有顶罩(12)，二者以螺栓或嵌连方式相连。
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