CN101115930A - 稳定磁悬浮物体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于稳定受到恒定磁场作用的磁悬浮物体(2，21，31，32，52，200)的方法，所述物体在至少一个方向上是稳定的，并且在至少一个其它方向上是不稳定的。本发明所述方法的特征在于，它包括当需要就加以重复的稳定步骤，所述稳定步骤在于施加通过至少对一个受到第二磁场作用的传导元件(15a到16c，27，44，62，211)的电流，该施加电流是以这种方式以便在该不稳定方向上产生补偿洛伦兹力。本发明还涉及一种利用本发明所述方法加以稳定的磁悬浮装置(1，20，30，50)。

Description

稳定磁悬浮物体的方法

本发明涉及一种用于稳定磁悬浮物体的方法，并且还涉及一种磁悬浮装置。

磁场可被用于在各种致动器中产生力，以允许这些致动器经历无摩擦运动和无噪音操作。当常规机械系统到达它们的极限并不再适用时，就使用这种致动装置。更具体地说，存在需要非常高转速的应用情况，对于这些应用情况，使摩擦损失最小化和/或避免磨损，和/或避免存在不能使用润滑剂的情况是特别需要的。

这些优点对于这些应用例子来说是特别需要的，在其它的例子中，这些应用例子是惯性飞轮系统和磁悬浮列车。这些惯性飞轮系统构成了用于存储能量的装置，这些能量以动能形式储存在每分钟旋转几千转的飞轮中。对于磁悬浮列车，只剩下空气摩擦，这些列车可达到远高于每小时400千米的速度。

最新可用的磁力致动器利用仅处于一个自由度中的磁悬浮。以电动马达为例，其中仅使用用于驱动该马达的磁力。

在许多这些应用的情况下，使存在的阻力最小化，以降低能量损耗，降低它们产生的噪音是特别合乎需要的，并且为了做到这样，普遍证实了必须在多个自由度中磁性控制物体的必要性。

目前，当想通过利用磁场将物体保持在完全悬浮状态，也就是说在空间中具有六个自由度时，使该物体稳定住是特别困难的。在1839年，科学家S.Earnshaw(S·厄恩肖)论证了不可能将磁极化的颗粒稳定在静力场中。结果，利用永久性磁铁或铁磁元件以磁悬浮方式稳定铁磁体是不可能的。但是，多种避免Earnshaw定理(厄恩肖定理)的解决办法已经被设想出，而且被广泛用于稳定磁悬浮物体。

第一种解决办法在于利用抗磁材料。不同于具有永久磁化的铁磁材料，这种抗磁材料在受到的外部磁场的作用下产生磁场。该感应磁场通过总是反向平行于该外部磁场而倾向于与该外部磁场相对抗，并由此在磁悬浮物体远离其平衡位置时，该感应磁场总是与由该悬浮物体所导致的场变动相对抗。因此，存在一种保持物体稳定的恢复力。这是利用超导体的磁悬浮的情况。但是，该解决办法难于实施，这是由于这些材料通常必须在液氮中被冷却到非常低的温度，以便能够达到超导状态。因此，尽管该方法从理论观点来说是满足需要的，但该方法仍然特别难于实现应用，并需要消耗大量能源的冷冻装置。

第二种解决办法在于利用电磁铁。这是由于抗磁材料永久产生与受到的外部磁场反向的磁场，利用该同样的方式，调整由电磁铁产生的场，以补偿悬浮物体相对于预期的平衡位置的偏移是可能的。因此，这并没有违反Earnshaw定理，在恒定电流通过该电磁铁，并因此产生稳定磁场的情况下，该磁悬浮是不可能的，但是通过调整由该电磁铁产生的磁场，该磁场是可变的，并且这些磁场由此所产生的方向也是可变的，从而可避免产生稳定磁场。

第三种解决办法在于利用线圈所产生的交变场。该场变动在导体中产生被称为涡流的感应电流，这些电流而后产生足以提升该物体的排斥力。

但是，由于需要电能来利用电磁铁和线圈产生足够强的磁场，因此该第二和第三种解决办法具有较大的缺点。此外，需要永久控制由该电磁铁所产生的磁场，这就要求安装复杂的控制系统，该系统同样消耗电能，且必须具有极短的响应时间。由于该系统通常具有非线性的传递函数，因此难于实现该限制。这种悬浮模式被称为“有源的”悬浮，这与利用永久性磁铁的悬浮相反，利用永久性磁铁的悬浮并不消耗额外的能量，并由此被称为“无源的”悬浮。

应该提及第四种解决办法，它使得具有永久磁化的物体能够悬浮保持在永久的场中。该物体以商标为LEVITRON加以销售，并呈陀螺形，当该陀螺旋转时，它可被保持悬浮于稳定的磁场中。与外形相反，该物体并不违背Earnshaw定理。这是由于，处于稳定场中的任何悬浮系统总是存在固有的不稳定性，然而这种不稳定性被该陀螺旋转产生的稳定回转效应所补偿。但是，由此获得的该平衡是相对不稳定的，且该稳定条件是极苛刻的。因此，必须对该陀螺的质量非常精确地进行调整，且该陀螺的转速和相对于重力方向的磁场方向同样如此。

为了缓和这些缺点中的几个缺点，已经研究出第五种解决办法，该办法依赖于既利用永久性磁铁又利用电磁铁的混合系统，并由此允许该系统的耗电量略有减少。这种悬浮被称为“部分无源的”悬浮。因此，部分无源的悬浮装置是公知的，该装置包括圆柱体形的转子，该转子在两个产生1.1特斯拉的场的稀土永久性磁铁之间悬浮，但仅确保了径向稳定。当缺少辅助稳定时，该系统由此在轴向上非常不稳定。为了获得该稳定，将每个永久性磁铁与伺服控制电磁铁相连，从而确保该转子在平均的平衡位置附近轴向稳定。永久性磁铁的使用一方面能够具有带有线性传递函数的系统，另一方面即使是在不对电磁铁供电的情况下，也能够通过磁阻来确保中心定位，该电磁铁仅用于增大或减小所施加的恒定场，并由此替代被施加在该转子上的力的平衡。但是，该系统的耗电量保持得相对较高，且仍然需要安装与复杂而高速的伺服控制系统相连的传感器。

由于这些技术和经济上的限制，该技术仅用于非常特定的几乎不考虑能耗的应用中。

当前磁悬浮的一个主要应用就是用于磁推轴承(palier magnétiques)，特别是用于惯性飞轮系统和其它旋转装置的磁推轴承。惯性飞轮系统用于将能量以动能的方式存储在旋转的飞轮中，该旋转飞轮的轴由磁推轴承保持恒定，以便在发生电流被切断或不规则供电的情况下恢复该能量。例如，当风轮机的发电足以向电力系统供电时，该电流中的部分被用于通过马达/发电机来驱动该惯性飞轮系统，并将该飞轮的转速保持在每分钟几千转。在该风轮机的发电降低时，则由于同样的马达/发电机在发电机模式下进行工作，因此该惯性飞轮系统的速度被转换成电能。这能够确保恒定的电能供应，直到发电提高。为了使能量存储最优化，使摩擦损失最小，并为了在尽可能的最长时段中以最大的效率恢复能源，该飞轮的悬浮必须被非常精确地加以控制，并必须消耗尽可能最少的电能来控制该悬浮。如上所述，大多数当前解决方法并没有实现这些目的-即由于Earnshaw定理，利用不会消耗电能的永久性磁铁的悬浮是不可能，而有源的悬浮特别需要非常大量的电能。该问题还适用于磁悬浮列车，对于该磁悬浮列车而言，除了已有的高昂的安装成本以外，无论该悬浮是利用需要非常高的电能的线圈加以提供，还是使用通常必须被保持在液氮槽中的超导体，与预期的盈利能力相比，运行成本都是过多的。

本发明的目的是，克服上述缺点，并为此，包括一种稳定受到至少一个恒定磁场的磁悬浮物体的方法，所述物体至少在一个方向上稳定，并在至少一个其它方向上不稳定，其特征在于，该方法包括当需要就加以重复的稳定步骤，该稳定步骤在于施加通过至少一个受到第二磁场作用的传导元件的电流，以便在不稳定方向上产生补偿洛伦兹力(Force deLaplace)。

因此，由于补偿洛伦兹力的施加，补偿系统中固有的磁不稳定性，并同时使该系统的耗电量最小化是很容易的。

这是由于处于稳定磁场中的物体具有简谐型的势能，该势能的拉普拉斯算子，即相对于空间坐标的第二偏导数的总和是零。因此，当完全稳定的平衡是期望的时候，该势能相对于每个空间坐标的第二偏导数不能全是负数。结果，仍然存在至少一个坐标系，该势能相对于该坐标系的第二偏导数是正数，因此对于该坐标系而言，不存在稳定的平衡位置。已经令人惊讶地发现，通过在不稳定的方向上施加洛伦兹力来为系统提供势能是可能的，该洛伦兹力的势能(potentiel)是二次(quardratique)的，由此存在稳定点。因此，将大功率的电磁体用于稳定这种系统不再是必需的，从而使全部耗电量得到了显著降低。

用于悬浮物体的磁场可由一个或多个磁场源根据物体的几何形状产生。可以证明，有必要利用至少两个磁场源在预期的方向上产生磁场，以提高物体的稳定性。

有利地是，稳定步骤的目的是，将物体保持在预期的平均的平衡位置的上边界和下边界之间。这是由于，较大或较小的洛伦兹力必须根据预期的稳定程度加以施加。平衡必须被保持得越精确，就越有必要通过施加较大的补偿力来对系统的不稳定性作出补偿。有利地是，施加洛伦兹力来提供需要用来悬浮物体的全部升力的约10％，而其余的90％由永久性磁铁提供是可能的。

有利地是，根据本发明所述的方法包括如下步骤，即检测物体的位置，该位置能够启动和/或断开通过该传导元件的电流。因此，该电流仅在需要让物体返回到其平均的平衡位置时加以施加，从而进一步降低了消耗量。接受了围绕预期的平均的平衡点的轻微振动，来进一步降低系统的耗电量是可能的。

本发明的主题还有一种磁悬浮装置，该装置包括处于悬浮状态、并受到至少一个恒定磁场作用的物体，该物体能够与该悬浮物体的相应磁化装置相互作用，其特征在于，该磁悬浮装置一方面包括能够产生第二磁场的第二磁元件，另一方面包括受到该第二磁场作用的至少一个传导元件，以致当电流流经该传导元件时，在该悬浮物体上产生补偿洛伦兹力。

应该注意到，术语“通过相应的磁化装置”应该被理解成，是指任何对于周围磁场感到敏感的材料。这种材料当然是与其它磁铁起反应的磁铁以及铁磁材料，这些铁磁材料当被放置到磁场中时，本身不磁化，但是磁性地被定向。

必须清楚地了解，恒定磁场由至少一个场源所产生，对于磁场源以及相应的磁化装置来说，以这种方式被反向是可能的，这种方式是指将该场源放置在物体上，并与外部相应的磁化装置相互作用。

优选地，该磁场与相应的磁化装置一起产生施加在该悬浮物体上的吸引力。对于该磁场，与相应的磁化装置一起，产生施加在该悬浮物体上的吸引力和排斥力同样是可能的。

根据替换实施例，该磁场由至少两个磁场源产生，该悬浮物体的磁场源和相应的磁化装置在相同的方向上具有平行的磁极取向。例如，在具有对称旋转的系统的情况下，利用两个相互作用的同心永久性磁铁圈，一个圈与定子成为一体，而另一个圈与该悬浮物体、例如转子成为一体。

优选地，该传导元件是线圈。一般而言，传导元件由银制成是优选的，这种金属是公知的最佳导体中的一种。也可以设想利用碳纳米管。当然，所产生的洛伦兹力的强度可根据线圈的纵横比发生变化，该纵横比优选地被加以限定，以使得在对于线圈中具有最小电流时在该方向上产生最大的洛伦兹力以有助于该稳定。有利地，该线圈是宽而薄的。

也优选地，该磁场源和/或辅助磁化装置和/或第二磁元件为永久性磁铁。有利地是，该永久性磁铁为以钕-铁-硼(neodium-iron-boron)为成分的磁铁。也优选地，这些磁铁被放置在称为阿尔巴赫(Halbach)的构造中，以便既获得最大的主要场又获得最小的附加场。

根据替换实施例，该第二磁元件与至少一个被定形的铁磁材料相互作用，以允许该第二磁场被再定方向。

优选地，该装置包括至少一个传感器，该传感器能够根据该悬浮物体的位置启动或断开通过该传导元件的电流。因此，对该传导元件永久供电不是必需的，由此进一步降低了系统的耗电量。在该传导元件中的电流还可根据该悬浮物体的位置，受到开/关型、比例型、积分或微分型伺服控制电路的控制，或者是受到这些电路的任意组合的控制。

有利地是，该传感器包括末端，该末端与该悬浮物体成为一体，并能够与开关相接触，以便关掉该开关。

本发明的实施将通过下述结合附图的详细说明而得到更好的理解，附图为：

图1是利用本发明所述方法，轴向稳定惯性飞轮系统的第一实施例的纵向截面示意图；

图2是利用本发明所述方法，径向稳定惯性飞轮系统的第二实施例的纵向截面示意图；

图3是利用本发明所述方法，轴向稳定惯性飞轮系统的第三实施例的纵向截面示意图；

图4是根据本发明稳定的惯性飞轮系统的第四实施例的纵向截面示意图，并且使用软铁再次为磁场定向；

图5是图4所示惯性飞轮系统的剖面俯视图；

图6和7示出了利用软铁再次为磁场定向的两个实施例；

图8是不稳定性检测器的第一实施例的示意图；

图9是不稳定性检测器的第二实施例的示意图；

图10是图9所示检测器的俯视图；和

图11是将根据本发明稳定方法应用于磁悬浮列车的另一种方式的示意图。

如图1所示，惯性飞轮系统1包括圆柱体形飞轮2，该飞轮2以磁悬浮的方式位于下部磁场源3和上部磁场源4之间。每个磁场源3、4包括相应的环形磁铁5、6，该环形磁铁5、6面对着相应的环形磁铁7、8，该环形磁铁7、8相应于该飞轮2。

此外，该飞轮2具有中央下部空腔9和中央上部空腔10。该下部空腔9容纳有两对叠置的附加磁铁11a、11b、12a、12b，由两对附加磁铁11a、11b、12a、12b中的一对产生的径向磁场与其它对附加磁铁12a、12b、11a、11b所产生的场对抗。同样地，上部空腔10容纳有两对叠置的附加磁铁13a、13b、14a、14b。

下部空腔9和上部空腔10均被用于分别容纳一组导线15a、15b、15c、16a、16b、16c，这组导线与相应的磁场源3、4形成一体，并被垂直于飞轮2的轴线放置。每组导线15a、15b、15c、16a、16b、16c均被连接到电源电路(未示出)上。

将环形磁铁5到8的磁极取向选择成，以致一方面在环形磁铁5、7之间和另一方面在环形磁铁6、8之间分别产生磁性吸引力。将环形磁铁5到8的功率选择成，以致倾向于朝上部源4移动飞轮2的吸引力与倾向于朝下部源3移动飞轮2的吸引力和由于重力、即飞轮2的重量所施加的力(以箭头象征性地加以示出)的总和平衡。

此外，磁铁5、6在飞轮2上施加较大的定中心力，所述磁铁倾向于将相应磁铁7、8的磁轴线与它们自身对正。该定中心力足以径向稳定该飞轮。

根据Earnshaw定理，以悬浮的方式位于下部源3和上部源4之间的飞轮2不可能稳定。明确地说，由于吸引设置的磁铁5到8的定中心力特别大，因此该力为飞轮2提供了径向稳定性，但导致了轴向不稳定性。因此，当不存在任何辅助的场调节时，飞轮2将自然具有与下部磁场源3或上部磁场源4接触的倾向。

轴向稳定性由每个附加磁铁11a到14b和相应导线组15a到16c之间的相互作用所提供。所发生的是，当电流流经受到垂直磁场作用的导体时，所述导体受到一种洛伦兹力的作用，该洛伦兹力与电流和场矢量形成直角正交坐标系。

因此，电流流经的每个导线组15a到16c与相应的附加磁铁11a到14b相互作用。在这种情况下，将附加磁铁对11a到14b的取向和电流流经导线15a到16c的方向选择成，以致当飞轮2接近下部源3时，所产生的洛伦兹力被轴向定向，并倾向于移动飞轮2远离下部源3。相应地，当飞轮2接近上部源4时，所产生的洛伦兹力必须被轴向定向，并倾向于将飞轮2移动远离该上部源4。

在图1所示的构造中，当飞轮2处于平衡时，导线15a到16c中的一半受到附加磁铁对11a、11b、14a、14b的径向磁场的作用，而导线15a到16c中的另一半受到附加磁铁对12a、12b、13a、13b的径向磁场的作用，这种径向磁场与附加磁铁对11a、11b、14a、14b的场处于同一轴向，但方向相反。因此这两种效应所导致的洛伦兹力为零。在这种情况下，已经考虑到，例如，附加磁铁11a到14b的功率是相同的，并且相同大小的电流流经导线15a到16c。但是，利用具有不同功率且具有不同电流的磁铁来实现平衡当然也是可能的。

然而，如已经所述的，飞轮2在轴向上是不稳定的，并倾向于或者朝下部源3或者上部源4移动。当飞轮2朝下部源3移动时，导线15a到15c因此主要受到附加磁铁对12a、12b的磁场的作用，而导线16a到16c主要受到附加磁铁对13a、13b的磁场的作用，该附加磁铁对13a、13b的磁场与附加磁铁对12a、12b的磁场具有相同的磁极取向。将流经导线15a到16c的电流方向选择成，以致飞轮2受到倾向于将该飞轮2朝上部源4移动远离下部源3的洛伦兹力。应该注意到，在使飞轮2处于悬浮中以前，这种情况同样适用于该飞轮2，由此产生的洛伦兹力用于提升该飞轮从而远离下部源3。

同样，当飞轮2朝上部源4移动时，导线组15a到15c主要受到附加磁铁对11a、11b所产生的场的作用，而导线16a到16c主要受到附加磁铁对14a、14b所产生的具有相同磁极取向的场的作用。由于磁铁对11a、11b以及14a、14b的磁极取向一方面与磁铁对12a、12b的磁极取向相反，另一方面与磁铁对13a、13b的磁极取向相反，因此所产生的洛伦兹力具有相反的方向，并倾向于将飞轮2移动远离上部源4，从而使该飞轮2回复到初始不稳定的平衡位置。

以这样的方式，该飞轮2被轴向稳定，而无需利用任何检测器或任何用于调整电流的系统，并且该飞轮2在平均的平衡位置的两侧振动。实验示出，需要用来稳定具有2.4kg质量的飞轮2的电流强度仅约为15毫安。

如图2所示，惯性飞轮系统20包括不同于飞轮2的飞轮21，不同之处主要在于这一事实，即该飞轮21受到下部磁场源3a的作用，该下部磁场源3a包括环形磁铁5a，该环形磁铁5a与飞轮21的相应环形磁铁7a相互作用，以致在它们之间产生排斥力，该排斥力与飞轮21因重力(通过箭头象征性地加以示出)导致的下降对抗。不同于惯性飞轮系统1的飞轮2，飞轮21轴向稳定，但径向不稳定，下部磁场源3a倾向于横向推动飞轮21。因此，飞轮21利用根据本发明所述的方法进行径向稳定。

为此，飞轮21包括周边横向凹槽22，该横向凹槽22包括相邻的环形上部附加磁铁23、24和下部附加磁铁25、26，这些磁铁同样为环形的且相邻，所述横向凹槽22用于容纳一组导线27a、27b、27c，这组导线形成线圈27的匝，恒定电流流经该线圈27。附加磁铁23和25彼此相对放置，并具有相同的磁极取向。附加磁铁24和26同样彼此相对放置，并具有相同的磁极取向，但与附加磁铁23、25的磁极取向相反。

如在惯性飞轮系统1的示例中，当飞轮20平衡时，线圈27具有受到附加磁铁24、26所产生的磁场作用的多匝，这些匝与受到附加磁场23、25所产生的磁场作用的匝一样多，因此所产生的洛伦兹力为零。当飞轮21径向偏离时，在飞轮21偏离的方向上，且无论该方向如何，线圈27主要受到附加磁铁24、26所产生的磁场的作用，而在沿直径(diamétralement)相反的方向上，所述线圈27主要受到附加磁铁23、25所产生的磁场的作用，该磁场与附加磁铁24、26所产生的磁场对抗。由于在飞轮21偏离的方向上流经线圈27的电流方向(sens)与在上述沿直径相反的方向上的电流方向相反，因此在飞轮21的任一侧上所产生的洛伦兹力具有正好相同的方向。将流经线圈27的电流方向和附加磁铁23到26的取向选择成，以致在飞轮21偏离的方向上所施加的洛伦兹力是向心的，由此将飞轮21返回到其平衡位置上，因而在沿直径相反的方向上施加的相应洛伦兹力是向心的。

因此，飞轮21被径向稳定，并围绕其轴线振动。

图3示出了利用本发明所述方法稳定的惯性飞轮系统的第三实施例。该惯性飞轮系统30包括圆柱体形飞轮31，该飞轮31具有轴32，并以磁悬浮的方式被保持在下部磁场源33和上部磁场源34之间。每个磁场源均包括环形磁铁35、36，轴32穿过该磁铁35、36，磁铁35、36具有轴向磁极取向，并且每个磁铁均与相应的同心磁铁37、38相互作用，该同心磁铁37、38位于飞轮31的轴32上，并与所述磁铁35、36处于同一高度。

将磁铁35到38的取向选择成相同的，在磁铁35、37之间以及磁铁36、38之间分别产生用于对轴32定中心的磁力。因此，飞轮31是径向稳定的，但显示出轴向不稳定性，该轴向不稳定性通过根据本发明所述方法加以稳定。

为此，飞轮31具有上周边凹槽39，该凹槽39放置两个叠置的圆形外部附加磁铁40、41和两个叠置的内部附加磁铁42、43，所述凹槽39用于容纳一组形成线圈44的匝的导线44a、44b、44c，恒定的电流流经该线圈44。附加磁铁40和42为同心的，并具有相同的磁极取向。附加磁铁41和43同样为同心的，并具有相同的磁极取向，但该磁极取向与附加磁铁40、42的磁极取向相反。

如在惯性飞轮系统1和20的情况下那样，当飞轮30处于平衡时，线圈44具有许多受到附加磁铁40、42所产生的磁场作用的多匝，这些匝与受到附加磁铁41、43所产生的磁场作用的匝一样多，因此，所产生的洛伦兹力为零。当飞轮30轴向偏离，并朝下部磁场源33移动时，线圈44主要受到附加磁铁41、43的磁场的作用。将附加磁铁41、43的取向和通过线圈44的电流方向选择成这样，以便所产生的洛伦兹力倾向于将飞轮30移动远离下部源33，并将它返回到最初的不稳定的平衡位置上。同样，当飞轮30朝上部磁场源34移动时，线圈44主要受到附加磁铁40、42的磁场的作用。由于附加磁铁40，42的取向与磁铁41、43的取向相反，因此所产生的洛伦兹力倾向于将飞轮30移动远离上部源34，并将它返回到最初的不稳定的平衡位置上。

由此，飞轮30被轴向稳定，并围绕平均的平衡位置振动。

作为变型，通过使用软铁来利用较少的磁铁、并控制它们的磁场方向是可能的。如图4所示的惯性飞轮系统50就是其中一个实施例子。

该惯性飞轮系统50包括圆柱体形飞轮52，该飞轮52以磁悬浮的方式保持在下部磁场源53和上部磁场源54之间。每个磁场源53、54包括各自的环形磁铁55、56，该环形磁铁55、56面对飞轮52的相应的环形磁铁57、58。

此外，飞轮52具有中央环形凹槽59，该凹槽59的中央放置产生轴向磁场的附加磁铁60，所述凹槽59具有被一层软铁61覆盖住的壁，以便在径向上再次为附加磁铁60所产生的磁场定向。软铁在附加磁铁附近的其它设置方式示于图6和7中。

凹槽59用于容纳一组形成线圈62的导线62a、62b、62c，该线圈62与上部源64成为一体，该线圈62具有与飞轮52的轴线重合在一起的轴线。该线圈62被连接到电源电路(未示出)上。

如在惯性飞轮系统1的情况下那样，将磁铁55到58的磁极取向选择成，使得一方面在磁铁55、57之间以及另一方面在磁铁56、58之间分别产生磁性吸引力。将磁铁55到58的功率选择成，使得倾向于将飞轮52朝上部源54移动的吸引力与倾向于将飞轮52朝下部源53移动的吸引力和被重力(以箭头象征性地加以示出)、即飞轮52的重量施加的力的总和平衡。

轴向稳定性由线圈62和由附加磁铁60产生的磁场之间的相互作用所提供，该相互作用产生了辅助洛伦兹力。

根据图4和5所示的构造，当飞轮52处于平衡时，不产生洛伦兹力，且并未向线圈62供电。当飞轮52朝下部源53移动时，电流被施加到线圈62的端子上，将电流方向选择成，以致产生被轴向定向并倾向于移动飞轮52远离该下部源53的洛伦兹力，以便将该飞轮52返回到初始的不稳定的平衡位置中。当飞轮52朝上部源54移动时，产生倾向于移动飞轮52远离该上部源54的洛伦兹力是必要的。为此，由于作用在线圈62上的附加磁铁的磁场是恒定的，因此将流经所述线圈62的电流方向反向是有必要的。

作为本装置的补充，因此提供用于检测是否飞轮52朝下部源53或上部源54移动的传感器是必要的，以便在需要时，在所需要的方向上施加电流。与前述装置不同，前述装置无需传感器，但是在前述装置中，电导体被永久供电，惯性飞轮系统60的线圈62无需永久供电，由此进一步降低了该装置的耗电量。但是，它要求将电源电路与传感器连接在一起。

传感器的示例示于图8到10中。

图8示出了机械传感器100，该传感器包括具有极为灵敏且坚固的点的末端101，该点的端部是由非常硬的材料制成的具有非常小直径(小于1mm)的球，所述末端被固定到飞轮52的中心。开关102包括两块传导板103、104，该板104为固定的，并被固定到惯性飞轮系统的框架上。这两块板103、104被连接到电源上。更为精确地说，该板103用于与末端101相接触，并出于此目的，该板103包括由红宝石(rubis)制成的非常硬的板105。当飞轮52在洛伦兹力的作用下朝下部源53移动时，该末端在板105上施加极小的力(几百毫克)，并推动板103与板104接触，从而闭合电路，并导致电流流动。这具有消除洛伦兹力的作用，而后飞轮52向下退回，远离上部源54移动。这将末端101移动离开，并再次断开电路，这具有再次形成洛伦兹力的作用。对于下部源53，同样利用第二传感器进行。此类操作意味着，飞轮52在亚稳的Earnshaw平衡点的两侧上或者在非常接近于该点的地方的两侧上进行非常小幅度的振动，从而在考虑飞轮52的重量的情况下，可以使其能够将悬浮功率限制到非常小的数值上。

图9和10示出了传感器110，该传感器110包括分别位于通道上方和下方的下部磁铁圈111和上部磁铁圈112，该通道用于两块磁铁114、115，这两块磁铁114、115与飞轮52成为一体、并可具有相反的磁极取向。。当然将若干与磁铁114、115相似的磁铁以均匀的间隔放置在飞轮52的周边上方是可能的，这可以改变它们的磁极取向。当飞轮旋转时，下部磁铁圈111和上部磁铁圈112受到交变场的作用，该交变场在该圈111、112中感应出反相的交变电流。这些感应电流通过比较器(comparateur)116叠加，并且所产生的电流被引入到线圈62中，以便为其供电。作为选择，在感应电动势不够大的情况下，对其增加可操作的放大器是可能的。这是由于当飞轮52朝上部源54移动时，上部磁铁圈112比下部磁铁圈111受到更强的磁场的作用，并由此产生较高的感应电动势，该感应电动势的总和因此有利于上部圈112，并且线圈62由沿相应的方向流动的电流供电。相反，当飞轮52朝下部源53移动时，上部磁铁圈112比下部磁铁圈111受到较弱的磁场的作用，并由此产生不是很强的感应电动势，该感应电动势的总和因此有利于下部圈111，并且线圈62由沿与上述情况相反的方向流动的电流供电，并产生反向的洛伦兹力。

应该注意到，上述示例说明了与上部和/或下部源成为一体的线圈或导线，同时飞轮包括附加磁铁。当然，该构造可以反过来，线圈或导线被结合到飞轮中，而附加磁铁被结合到上部和/或下部源中，并且利用位于飞轮内部的发电机产生用于线圈或导线的电源。但是，本实施例更加难于实施，并且如上所述的构造是优选的。

图11示出了将根据本发明所述的方法用于磁悬浮列车200的另一方式。该列车200通过磁铁203、204以磁悬浮的方式位于下部导轨20 1和上部导轨202之间，每个磁铁203、204与位于列车上的磁铁205、206协作，以使得下部导轨201的磁铁203与列车200上相应的磁铁205产生排斥力，而上部导轨202的磁铁204与列车200上相应的磁铁206产生吸引力。根据Earnshaw定理，该列车横向是不稳定的，必须利用根据本发明所述的方法加以稳定。为此，该列车200装备有由软铁制成的侧向导轨207，这些导轨207包括具有垂直磁化的附加磁铁208。该导轨207用于容纳固定的附加导轨209，该导轨209与该列车沿其移动的通道210成为一体。通过该附加导轨209的是导线211，这些导线211被供电，并受到由附加磁铁208所产生的磁场的作用。因此，产生施加在列车200上的洛伦兹力，并允许该列车的磁性不稳定性得到矫正是可能的。

应该注意到，构成本发明主题的方法和装置的主要缺点之一是，它不是通过调整提升和定位磁场来进行工作的，并且悬浮物体的位置位于亚稳的Earnshaw平衡点上或非常接近该点，从而在考虑该悬浮物体的质量大小的情况下，使其可以将悬浮功率限制在极低的数值上。

尽管已经结合特定实施例对本发明进行说明，但是它当然绝不被限定于此，它包括所有落入本发明范围内的上述装置及其组合的技术等效物。

Claims (11)

1.一种稳定受到至少一个恒定磁场作用的磁悬浮物体(2，21，31，32，52，200)的方法，所述物体在至少一个方向上是稳定的，并且在至少一个其它方向上是不稳定的，其特征在于，所述方法包括当需要就加以重复的稳定步骤，所述稳定步骤在于施加通过至少一个受到第二磁场作用的传导元件(15a到16c，27，44，62，2 11)的电流，以便在所述不稳定方向上产生补偿洛伦兹力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稳定步骤的目的是，将所述物体(2，31，32，52，200)保持在预期的平均的平衡位置的上边界和下边界之间。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤，即检测所述物体(2，31，32，52，200)的位置，所述物体的位置能够启动和/或断开通过所述传导元件(15a到16c，27，44，62，211)的电流。

4.一种磁悬浮装置(1，20，30，50)，包括处于悬浮状态、并受到至少一个恒定磁场作用的物体(2，21，31，32，52，200)，所述物体能够与所述悬浮物体的相应磁化装置(7，8，7a，37，38，57，58，205，205)相互作用，其特征在于，所述磁悬浮装置(1，20，30，50)一方面包括能够产生第二磁场的第二磁元件(11a到14b，23到26，40到43，60到62，207，208)，另一方面包括受到所述第二磁场作用的至少一个传导元件(15a到16c，27，44，62，211)，以致当电流流经所述传导元件时，在所述悬浮物体上产生补偿洛伦兹力。

5.如权利要求4所述的装置(1，20，50)，其特征在于，所述磁场与相应的磁化装置(7，8，57，58，206)一起产生施加在所述悬浮物体(2，21，52，200)上的吸引力。

6.如权利要求4所述的装置(30)，其特征在于，所述磁场由至少两个磁场源(33，34)产生，所述磁场源和所述悬浮物体(31，32)的所述辅助磁化装置(37，38)在相同方向上具有平行的磁极取向。

7.如权利要求4到6中的任一项所述的装置(20，30，50)，其特征在于，所述传导元件是线圈。

8.如权利要求4到7中的任一项所述的装置(1，20，30，50)，其特征在于，所述磁场源(3，4，3a，33，34，53，54，201，202)和/或所述辅助磁化装置(7，8，7a，37，38，57，58，205，206)和/或所述第二磁元件(11a到14b，23到26，40到43，60到62，207，208)为永久性磁铁。

9.如权利要求4到8中的任一项所述的装置(50)，其特征在于，所述第二磁元件(60)与至少一个被定形的铁磁材料(61，62)相互作用，以允许所述第二磁场被再定方向。

10.如权利要求4到9的任一项所述的装置(50)，其特征在于，所述装置(50)包括至少一个传感器(100，110)，所述传感器能够根据所述悬浮物体(52，200)的位置，启动或断开通过所述传导元件(62，211)的电流。

11.如权利要求10所述的装置(50)，其特征在于，所述传感器(100)包括末端(101)，所述末端(101)与所述悬浮物体(52)成为一体，并能够与开关(102)相接触，以关掉所述开关。

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