CN102118126A - 可自动旋转的磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

一种可自动旋转的磁悬浮装置，该装置包括支架；电磁铁，其设于所述支架内；悬浮体，其内设有悬浮永磁体和旋转永磁体；所述悬浮体能够磁悬浮于该电磁铁下方，并可双向自动旋转；位移传感器，其设于所述支架内；旋转作用线圈，其设于所述支架内，用于检测悬浮体的旋转运动，又用于驱动悬浮体的旋转运动；控制电路，其设于所述支架内，所述电磁铁、位移传感器及旋转作用线圈均与该控制电路连接。该装置的悬浮体可稳定地悬浮于空中，并能作双向自动旋转，还可对悬浮体进行断电保护，且控制结构简单。该装置还具有功耗低、发热小、产品使用寿命长的特点。该装置可用作工艺品、展示架等。

Description

可自动旋转的磁悬浮装置

【技术领域】

本发明涉及磁悬浮装置，特别是涉及一种可用于磁悬浮地球仪、磁悬浮相框、磁悬浮广告展示架、磁悬浮佛像等工艺品的可自动旋转的磁悬浮装置。

【背景技术】

现有的自动旋转型磁悬浮装置一般为悬浮体旋转检测与旋转驱动分开。中国专利CN1801595A和CN1599228A中，旋转系统采用的方式都是检测与驱动分开的。中国专利CN101572521A中，旋转系统采用的是由两组线圈合并的感力合件，一组用于检测，另一组用于驱动。它们均无法实现既做传感器检测又做旋转驱动。

此外，在目前的磁悬浮装置中，通常不带断电保护功能，因而在断电时容易导致悬浮体跌落受损。中国专利CN1476158A的装置中虽具有断电保护功能，但其断电保护是通过内置电池实现的。在现有的磁悬浮产品中，即便有断电时能吸起悬浮体的保护电路，也因未设置浪涌保护电路，导致在开机时容易出现火花较大以及烧坏电源开关或电路的现象。

现有的磁悬浮产品，当长时间工作时，电磁铁常因发热较大而导致温度较高，存在功耗较大以及加速产品老化的问题。

【发明内容】

本发明旨在解决上述问题，而提供一种悬浮体可稳定地悬浮于空中，并能作双向自动旋转，还可对悬浮体进行断电保护，电磁铁发热量小，控制结构简单的可自动旋转的磁悬浮装置。

为实现上述目的，本发明提供一种可自动旋转的磁悬浮装置，该装置包括：

支架；

电磁铁，其设于所述支架内；

悬浮体，其内设有悬浮永磁体和旋转永磁体，悬浮体的重力能够被电磁铁和悬浮永磁体之间产生的磁吸力所平衡，从而，悬浮体能够磁悬浮于该电磁铁下方；

位移传感器，其设于所述支架内，用于检测悬浮体在竖直方向的位移；

旋转作用线圈，其设于所述支架内，用于检测悬浮体的旋转运动，又用于驱动悬浮体的旋转运动，悬浮体在旋转永磁体和旋转作用线圈的磁力作用下可作双向自动旋转；

控制电路，其设于所述支架内，所述电磁铁、位移传感器及旋转作用线圈均与该控制电路连接，该控制电路用于使悬浮体能稳定悬浮于空中，并作双向自动旋转。

所述支架为中空框架结构或天花板结构，所述悬浮体为球状体、矩形框体或其它艺术造型体，在悬浮体内的顶部设有悬浮永磁体且按该悬浮永磁体的磁极方向竖直放置，在悬浮体内的顶部、底部或侧面设有旋转永磁体。

所述控制电路包括位移检测电路、位移控制模块、电磁铁驱动电路、旋转控制模块、旋转驱动电路、旋转检测电路以及补偿电路，其中：位移传感器、位移检测电路、位移控制模块、电磁铁驱动电路以及电磁铁依次连接；旋转作用线圈、旋转检测电路、旋转控制模块以及旋转驱动电路依次连接，旋转驱动电路的输出端又与旋转作用线圈连接，补偿电路的输入端与旋转驱动电路连接，补偿电路的输出端与旋转检测电路连接。所述位移控制模块是PID控制器，该PID控制器是电路或单片机。

所述位移传感器是霍尔传感器，可以是一个传感器，水平设置于电磁铁底端，检测竖直方向的磁场，也可以是两个传感器，分别水平设置于电磁铁顶端和底端，方向一致，检测竖直方向的磁场，两个位移传感器的输出信号送到位移检测电路做减法运算，电磁铁可以由单向电流驱动，也可以由双向电流驱动。

控制电路还包括断电保护电路，该断电保护电路由低压检测电路、浪涌保护电路、储能电容及断电监控模块组成，其中，断电监控模块是电路或单片机，储能电容通过浪涌保护电路与电源连接，断电监控模块的输入端通过低压检测电路与电源连接，断电监控模块的输出端与电磁铁驱动电路连接。

旋转作用线圈设有铁芯、磁芯或硅钢等软磁材料制成的芯；旋转控制模块是电路或单片机。

旋转永磁体按其磁极方向水平设置在悬浮体的底部中央；旋转作用线圈按其磁极方向水平设置在旋转永磁体的下方。或者，旋转永磁体按其磁极方向水平设置在悬浮体的顶部，其位置偏离竖向中心线，其磁极方向与其旋转的圆周方向一致；旋转作用线圈按其磁极方向水平设置在旋转永磁体的上方，其磁极方向与旋转永磁体旋转的圆周方向一致。

本发明的贡献在于，其有效解决了现有技术中存在的旋转系统的检测与驱动分离、悬浮体无良好的断电保护措施及电磁铁发热大等问题。本发明通过旋转作用线圈实现了旋转系统的检测与驱动，因而简化了结构，提高了旋转系统控制的可靠性。同时，本发明可使悬浮体稳定地悬浮于空中，并能作双向自动旋转，因此用于工艺品、礼品等极具观赏性。还由于设置了断电保护电路，使得在断电时也可将悬浮体吸到顶端而不会掉下，保证了使用的安全性，而且该断电保护电路中还含有浪涌保护电路，保证了电路开机时的可靠性。另外，本发明通过双向电流驱动电磁铁的方案，有效降低了功耗，减小了发热，延长了产品的使用寿命。

【附图说明】

图1是本发明的实施例1整体结构示意图。

图2是本发明的实施例1控制电路框图。

图3是本发明的实施例1位移检测电路、低压检测电路及单片机电路原理图。

图4是本发明的实施例1双向电流驱动电路原理图。

图5是本发明的实施例1旋转驱动电路、旋转检测电路及补偿电路原理图。

图6是本发明的实施例1浪涌保护电路及储能电容电路原理图。

图7是本发明的实施例2支架整体结构示意图。

图8是本发明的实施例3整体结构示意图。

图9是本发明的单向电流驱动电路原理图。

【具体实施方式】

下列实施例是对本发明的进一步解释和说明，对本发明不构成任何限制。

实施例1

参阅图1，本发明的可自动旋转的磁悬浮装置包括支架10、电磁铁20、悬浮体30、位移传感器41和42、旋转作用线圈50及控制电路60。

如图1，所述支架10为中空框架，其内部设有电磁铁20、位移传感器41和42、旋转作用线圈50及控制电路60，且电磁铁20、位移传感器41和42、旋转作用线圈50均与控制电路60连接。

所述悬浮体30为球状体，如悬浮式地球仪；也可以是矩形框体，如放置相片用的磁悬浮相框、磁悬浮广告展示架等；还可以是其它艺术造型体，如磁悬浮佛像等。该悬浮体30磁悬浮于电磁铁20下方，并可双向自动旋转。

在悬浮体30内顶部设有悬浮永磁体31，其为圆柱形钕铁硼强磁铁，该悬浮永磁体按其磁极方向竖直粘接固定于悬浮体30内顶部中央；在悬浮体30内底部设有旋转永磁体32，其为钕铁硼强磁铁，该旋转永磁体32按其磁极方向水平粘接固定于悬浮体30内底部中央。

在所述支架10内底部，所述旋转永磁体32的正下方，设有旋转作用线圈50，其既用于检测悬浮体30的旋转运动，又用于驱动悬浮体30做旋转运动。该旋转作用线圈50设有铁芯或磁芯，其形状为条形，按其磁极方向水平设置。

电磁铁20设置于支架10内顶部，其中一个磁极方向朝下。该电磁铁20由电磁铁芯和线圈构成，其中，电磁铁芯为铁芯、磁芯或硅钢等软磁材料制成的芯，其使得即使在电磁铁20不通电的情况下，当悬浮体30接近电磁铁20时，置于悬浮体30顶部的悬浮永磁体31也能对电磁铁20产生吸力，悬浮体30越接近电磁铁20，其产生的吸力就越大。同时悬浮体30也受到自身重力的作用，两种作用力之间会存在一个平衡点，即吸力与重力相等。由于该平衡点是一个非稳定平衡点，即受外界微小干扰时，如果悬浮体30向上偏离平衡点就会被吸到电磁铁20下，如果悬浮体30向下偏离平衡点就会跌落下来。因此，需要控制电路60给电磁铁20供电，使其对悬浮体30产生斥力或吸力，从而使悬浮体30能够稳定地悬浮在设定的平衡点上。

位移传感器41和42为霍尔传感器，分别水平设置于电磁铁20的顶端和底端，方向一致，用于检测悬浮永磁体31竖直方向的磁场强度，其两路检测信号被送到控制电路60中做减法运算，控制电路60由此判断悬浮体30的位置。

如图2，控制电路60包括位移检测电路61、位移控制模块621、电磁铁驱动电路63、旋转控制模块622、旋转驱动电路66、旋转检测电路68、补偿电路67以及断电保护电路，其中，断电保护电路包括低压检测电路64、浪涌保护电路65、储能电容C3及断电监控模块623。位移控制模块621、旋转控制模块622以及断电监控模块623在单片机62中通过软件实现。

两个位移传感器41、42均与位移检测电路61连接。如图3，电阻R2～R5与运算放大器U4A组成减法器，电阻R6、R7、R26与运算放大器U4B组成反相放大器，位移传感器41和42的两路信号经过位移检测电路61的差分、放大后，送到单片机62的模数转换器输入口。位移控制模块621是在单片机62中通过软件算法实现的PID控制器，即比例、积分、微分调节控制器，该PID控制器先从端口SENS获取位移信息，然后向电磁铁驱动电路63输出控制量，用于调节电磁铁20的驱动电流，从而使悬浮体30能够悬浮在电磁铁20下方。电磁铁驱动电路63为H桥驱动电路，如图4，H桥驱动电路用于为电磁铁20提供双向电流，使其对悬浮体30产生斥力或吸力。H桥驱动电路的工作原理是公知技术，这里不做解析。本例中，单片机62通过PWM信号来调节电磁铁的电流大小。

旋转控制模块622用于控制旋转作用线圈50的工作状态；旋转驱动电路66用于为旋转作用线圈50施加电流，使旋转作用线圈50与旋转永磁体32之间产生作用力，驱使悬浮体30旋转，其旋转速度可调节；旋转检测电路68用于检测旋转永磁体32与旋转作用线圈50相对运动而产生的感应电动势；补偿电路67用于减小旋转驱动电路66对旋转检测电路68的干扰。

如图5，旋转驱动电路66由电阻R8和续流二极管D2组成，电阻R8与旋转作用线圈50串联，续流二极管D2与旋转作用线圈50并联，当单片机的ROTATE端口输出高电平时，该端口输出电流通过电阻R8驱动旋转作用线圈50，使悬浮体30旋转，当单片机的ROTATE端口输出高阻态时，旋转作用线圈50检测磁场变化；所述旋转检测电路68由运算放大器U4C和U4D、电阻R9～R14以及电容C4组成，电阻R9和电阻R10提供直流偏压，电阻R11、电阻R12和运算放大器U4C组成信号放大电路，该信号放大电路将输出信号经电阻R13传送给运算放大器U4D输入端，电阻R14和电容C4组成低通滤波器，从运算放大器U4D的输入信号中提取直流电压，用做运算放大器U4D的基准电压，运算放大器U4D对输入信号波形整形，输出矩形波到单片机的DETECT端口；所述补偿电路67由二极管D3和电阻R15组成，在旋转作用线圈50用于驱动和用于检测之间切换时，可减小运算放大器U4D输入信号电压的波动，其中，二极管D3起到反向隔离的作用，如果使用独立的单片机引脚与ROTATE引脚保持同步输出，则可以不需要二极管D3，补偿效果是一样的。

如图3，低压检测电路64由电阻R16和电阻R17组成，其对12V电源分压后输出低压检测信号，送到单片机62的模数转换器输入口LVD，供断电监控模块检测。如图6，浪涌保护电路65由二极管电阻R1和D1并联而成，储能电容C3为容量较大的电解电容，用于电源断电时能够继续为控制电路60供电。

本例中，控制电路60中的单片机62的型号为STC12C5A56S2(图中，其它引脚未画出)，其内部集成了时钟振荡电路、复位电路、ADC模数转换器以及PWM信号发生器等硬件资源。

工作过程：

当12V直流电源上电时，电流经过电阻R1给电容C3充电，由于电阻R1起到了限流的作用，因此在12V电源上电的瞬间，不会因过大的浪涌电流而在开关上产生较大火花，以及导致对电源开关和电路造成损坏。

上电工作后，手动将悬浮体30移到电磁铁20下方，置于悬浮体重力与电磁铁吸力相当的平衡点附近，平衡点对应的检测电压可通过电阻R26调节，控制电路60通过位移传感器41、42检测悬浮体30的位置。当悬浮体向上偏离平衡点时，电磁铁20下端产生与悬浮永磁体31上端磁极相同的磁场，也就是使悬浮电磁场对悬浮永磁体31产生斥力，使其下移；当悬浮体30向下偏离平衡点时，电磁铁20下端产生与悬浮永磁体31上端磁极相异的磁场，也就是使悬浮电磁场对悬浮永磁体产生吸力，使其上移。整个悬浮控制环路，由单片机62进行计算和控制。因此，在控制电路60及电磁铁20的作用下，可松手放开悬浮体30，悬浮体30可稳定地悬浮于空中。通过调节电阻R26，电磁铁20的工作电流可以变得非常小。

在悬浮体30悬浮于空中之后，可通过手动拨转悬浮体30，使其以竖向中心线为轴心做旋转运动，旋转永磁体32进入旋转作用线圈50的感应区域时，会在该区域产生变化的磁场，旋转作用线圈50由此产生感应电动势，感应电动势会在闭合电路中产生感应电流。根据电磁学原理可知，感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，也就是说感应电流的磁场总是阻碍悬浮体30的运动。此时，如果电路给旋转作用线圈50施加与感应电流方向相反的电流，那么旋转作用线圈50产生的磁场会驱使悬浮体30运动，从而使悬浮体30能够克服空气阻力，一直旋转下去。

当单片机62的ROTATE端口输出高阻态时，旋转作用线圈50一直在检测周围磁场的变化，由于其感应电动势十分微弱，因此续流二极管D1处于截止状态。前级运算放大器U4C组成的线性放大电路对微弱的感应电动势进行反相放大，然后将信号送到后级运算放大器U4D作同相整形，输出矩形波到DETECT端口。单片机62检测到DETECT端口的方波信号为低电平时，输出远高于感应电动势的驱动电压到ROTATE端口，使旋转作用线圈50产生与感应电流方向相反的驱动电流，从而产生电磁场驱使悬浮体30朝原方向运动。单片机62经过一定延时后，或检测到方波信号的高电平时，停止驱动，将ROTATE端口恢复到高阻态，使旋转作用线圈50又回到检测工作状态。

悬浮体30具有双向自动旋转的功能，旋转方向取决于手动拨转的方向，也可随时手动改变其自动旋转的方向。悬浮体30的旋转速度可通过调节电阻R1的大小来改变，也可以通过调节每次驱动的时间长度，或调节驱动的时间间隔长度来改变。

在工作中，单片机62一直在检测LVD端口的电压。电源断电时，12V直流电源电压迅速下降，电容C3经过二极管D1为电路继续供电。当LVD端口的电压低于设定的阀值时，单片机62通过电磁铁驱动电路63控制电磁铁20将悬浮在空中的悬浮体30吸起。由于悬浮永磁体31与电磁铁20的铁心之间存在吸力，因此，在电容C3放完电后，悬浮体30也会一直被电磁铁20吸住。

由本实例可知，电磁铁20与悬浮永磁体31之间存在两种作用力，即电磁铁芯与悬浮永磁体31之间产生的吸力(以下称之为永磁力)，以及电磁场与悬浮永磁体31之间产生的吸力或斥力(以下称之为电磁力)，永磁力主要用于克服悬浮体30的重力，电磁力主要用于调节悬浮体30的位移，使之稳定悬浮于电磁铁20的下方。因此，电磁铁20只要有一个磁极方向朝下即可，其形状可以是圆柱形，还可以是T形、E形等其它形状。

在悬浮体30旋转时，只要旋转永磁体32能够使旋转作用线圈50产生交变的感应电动势，那么，通过控制电路60给旋转作用线圈50施加与感应电流方向相反的电流，就能驱使悬浮体30运动。因此，旋转永磁体32和旋转作用线圈50的形状、个数、设置位置、设置角度等因素，对本装置并无太大影响。

实施例2

如图7，支架10为天花板结构，内部设置有电磁铁20、位移传感器41～42、旋转作用线圈50以及控制电路60，电磁铁20、位移传感器41～42以及旋转作用线圈50均与控制电路60连接。旋转作用线圈50按其磁极方向水平设置，与旋转永磁体32相近且方向一致。电磁铁20、位移传感器41～42的设置方式均与实例1相同。

悬浮体30顶部中央设置有悬浮永磁体31，悬浮体30顶部偏离中心线的位置水平设置有旋转永磁体32。悬浮永磁体31的设置方式与实例1相同，旋转永磁体32的磁极方向与其旋转的圆周方向一致。工作时，悬浮体30可悬浮于电磁铁20的下方，并做双向自动旋转。整个装置的工作原理与实例1相同，这里不再解析。

在图7中，如果围绕中心线对称设置多个旋转作用线圈和/或多个旋转永磁体，显然也是可以的。

实施例3

本实例对实例1做了简化，如图8所示，仅在电磁铁20的下端设置了位移传感器42，用于检测竖直方向的磁场，并且采用单向电流驱动电路为电磁铁20提供电流，如图9所示。

图8中，悬浮永磁体31粘接固定于悬浮体30顶部中央的表面，其磁极方向竖直。旋转永磁体32粘接固定于悬浮体30底部中央的表面，其磁极方向水平。电磁铁20下端磁极与悬浮永磁体31上端磁极相异，即电磁力只能是吸力。

工作时，悬浮体30的重力由永磁力和电磁力共同克服，控制电路60通过加强或减弱电磁力的方式调节悬浮体30的位移，使之稳定悬浮于电磁铁20的下方，并做双向自动旋转。整个装置的工作原理与实例1基本相同，这里不再解析。

Claims (10)

1.一种可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，该装置包括：

支架(10)；

电磁铁(20)，其设于所述支架(10)内；

悬浮体(30)，其内设有悬浮永磁体(31)和旋转永磁体(32)，悬浮体(30)的重力能够被电磁铁(20)和悬浮永磁体(31)之间产生的磁吸力所平衡，从而，悬浮体(30)能够磁悬浮于电磁铁(20)下方；

位移传感器，其设于所述支架(10)内，用于检测悬浮体(30)在竖直方向的位移；

旋转作用线圈(50)，其设于所述支架(10)内，用于检测悬浮体(30)的旋转运动，又用于驱动悬浮体(30)的旋转运动，悬浮体(30)在旋转永磁体(32)和旋转作用线圈(50)的磁力作用下可作双向自动旋转；

控制电路(60)，其设于所述支架(10)内，所述电磁铁(20)、位移传感器及旋转作用线圈(50)均与该控制电路(60)连接，该控制电路(60)用于使悬浮体(30)能稳定悬浮于空中，并作双向自动旋转。

2.如权利要求1所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述支架(10)为中空框架结构或天花板结构，所述悬浮体(30)为球状体、矩形框体或其它艺术造型体，在所述悬浮体(30)内的顶部设有悬浮永磁体(31)且按该悬浮永磁体(31)的磁极方向竖直放置，在所述悬浮体(30)内的顶部、底部或侧面设有旋转永磁体(32)。

3.如权利要求1所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述位移传感器是霍尔传感器，所述控制电路(60)包括位移检测电路(61)、位移控制模块(621)、电磁铁驱动电路(63)、旋转控制模块(622)、旋转驱动电路(66)、旋转检测电路(68)以及补偿电路(67)，其中：

位移传感器、位移检测电路(61)、位移控制模块(621)、电磁铁驱动电路(63)以及电磁铁(20)依次连接；旋转作用线圈(50)、旋转检测电路(68)、旋转控制模块(622)以及旋转驱动电路(66)依次连接，旋转驱动电路(66)的输出端又与旋转作用线圈(50)连接，补偿电路(67)的输入端与旋转驱动电路(66)连接，补偿电路(67)的输出端与旋转检测电路(68)连接。

4.如权利要求3所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述位移传感器由一个位移传感器(42)组成，其水平设置于电磁铁(20)底端，检测竖直方向的磁场。

5.如权利要求3所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述位移传感器由两个位移传感器(41、42)组成，分别水平设置于电磁铁(20)的顶端和底端，方向一致，检测竖直方向的磁场，两个位移传感器(41、42)的输出信号送到位移检测电路(61)做减法运算；所述电磁铁驱动电路(63)是双向电流驱动电路。

6.如权利要求3所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述控制电路(60)还包括断电保护电路，该断电保护电路由低压检测电路(64)、浪涌保护电路(65)、储能电容(C3)及断电监控模块(623)组成，其中，断电监控模块(623)是电路或单片机，储能电容(C3)通过浪涌保护电路(65)与电源连接，断电监控模块(623)的输入端通过低压检测电路(64)与电源连接，断电监控模块(623)的输出端与电磁铁驱动电路(63)连接；所述位移控制模块(621)是PID控制器，该PID控制器是电路或单片机。

7.如权利要求3所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述旋转作用线圈(50)设有铁芯、磁芯或硅钢等软磁材料制成的芯；所述旋转控制模块(622)是电路或单片机。

8.如权利要求7所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述旋转控制模块(622)是单片机，所述旋转驱动电路(66)由电阻(R8)和续流二极管(D2)组成，电阻(R8)与旋转作用线圈(50)串联，续流二极管(D2)与旋转作用线圈(50)并联，驱动旋转时，驱动信号(ROTATE)经过电阻(R8)送到旋转作用线圈(50)；所述旋转检测电路(68)由运算放大器(U4C、U4D)、电阻(R9～R14)和电容(C4)组成，运算放大器(U4C)的正输入端通过电阻(R9)与电源(5V)连接，且通过电阻(R10)与地(GND)连接，运算放大器(U4C)的负输入端通过电阻(R11)与旋转作用线圈(50)连接，且通过电阻(R12)与其输出端连接形成负反馈；运算放大器(U4C)的输出端通过电阻(R13)与运算放大器(U4D)的正输入端连接，运算放大器(U4D)的负输入端通过电阻(R14)与其正输入端连接，且通过电容(C4)与地(GND)连接，电阻(R14)和电容(C4)组成低通滤波器，运算放大器(U4D)的输出端(DETECT)与旋转控制模块(622)连接；所述补偿电路(67)由二极管(D3)和电阻(R15)串联组成，其输入端与旋转驱动信号(ROTATE)连接，其输出端与运算放大器(U4D)的正输入端连接。

9.如权利要求7所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述旋转永磁体(32)按其磁极方向水平设置在悬浮体(30)的底部中央；所述旋转作用线圈(50)按其磁极方向水平设置在旋转永磁体(32)的下方。

10.如权利要求7所述的可自动旋转的磁悬浮装置，其特征在于，所述旋转永磁体(32)按其磁极方向水平设置在悬浮体(30)的顶部，其位置偏离竖向中心线，其磁极方向与其旋转的圆周方向一致；所述旋转作用线圈(50)按其磁极方向水平设置在旋转永磁体(32)的上方，其磁极方向与旋转永磁体(32)旋转的圆周方向一致。

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