CN104270035A - 具三轴控制的混合磁力悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具三轴控制的混合磁力悬浮装置，包括悬浮体以及底座，悬浮体包括水平固定于底部且磁极垂直方向设置的悬浮永磁铁；底座包括其内水平固定、磁极垂直方向设置的斥力永磁铁，其上磁极端与所述悬浮体下磁极端磁极相同；以及包括提供作用于悬浮体电磁吸力并分别控制其在X、Y、Z轴方向位置的三轴控制系统；工作状态时，悬浮体的重量被永磁斥力以及电磁吸力的混合磁力作用所平衡，并被控制稳定悬浮于底座上方平衡位置。该装置具有三维可控、磁力优化、容易悬浮的特点，可应用于磁悬浮地球仪、磁悬浮工艺品、磁悬浮展示品等。

Description

具三轴控制的混合磁力悬浮装置

技术领域

本发明涉及下推式磁悬浮装置技术领域。

背景技术

磁悬浮技术作为普及型产品的应用，主要包括下推式以及上拉式磁悬浮技术，本发明涉及下推式磁悬浮技术。

公开号为CN1819436A的磁斥型悬浮装置，包括固定于悬浮体的永磁性悬浮磁铁、固定于磁性底座的永磁性环形磁铁以及水平位置控制装置；该磁斥型悬浮装置根据环形磁铁中心孔的磁场与端面磁场磁极相异的特点，利用中心孔对悬浮体的斥力以及上端面对悬浮体的吸力作用，使得悬浮体在底座上方不会翻转并平衡悬浮体的重量；根据公知技术，环形磁铁的端面磁力以及中心孔磁力的关系相对固定且不受控制，作用于悬浮体的端面吸力相对于中心孔的斥力较强，悬浮体在平衡位置附近的磁势梯度较大；因此，该装置存在以下问题：第一：当我们手动放置悬浮体时，悬浮体容易受到环形磁铁上端面的过强吸力作用而向外滑移，不易找到平衡位置；第二：过强的吸力抵消掉部分斥力，降低了悬浮体的悬浮高度以及悬浮重量；第三：生产实践中，悬浮磁铁的端面尺寸一般小于环形磁铁中心孔的尺寸，因此，环形磁铁较大的尺寸限制了该装置的应用范围。

公开号为CN202076972U专利公开了采用集成旋转系统的下托式磁悬浮装置，包括设置于悬浮体的悬浮永磁铁以及设置于下箱体内的下托力电磁环、中心电磁铁，下托力电磁环以及中心电磁铁均为电磁铁，根据公知技术，下托力电磁环若要产生能平衡悬浮体重量的电磁斥力，需要消耗悬浮体本身的重力以及中心电磁铁的电磁吸力，需要较大功率的电磁铁才能实现，因此，该装置存在产品的体积较大，功耗较大，温升高等问题。

在下推式磁悬浮技术领域，本发明人已知的现有技术基本都是通过单轴或双轴对悬浮体进行控制，尚未发现作用于悬浮体的三轴控制系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种三维可控、磁力优化、容易悬浮的具三轴控制的混合磁力悬浮装置。

该装置包括悬浮体以及底座；悬浮体包括水平固定于底部且磁极垂直方向设置的悬浮永磁铁；底座包括其内水平固定、磁极垂直方向设置的斥力永磁铁，其上磁极端与所述悬浮体下磁极端磁极相同；以及包括提供作用于悬浮体电磁吸力并分别控制其在X、Y、Z轴方向位置的三轴控制系统；工作状态时，悬浮体的重量被永磁斥力以及电磁吸力的混合磁力作用所平衡，并被控制稳定悬浮于底座上方平衡位置。

本发明的斥力永磁铁包括以Z轴为中心设置的一个永磁铁或由以Z轴为中心阵列的至少三个永磁铁组成，采用一个永磁铁时，其中心设置有不影响磁性特征的通孔，该通孔以容纳传感器组件的尺寸为准；斥力永磁铁的端面外尺寸不大于悬浮永磁铁的端面尺寸。

根据磁铁的同性相斥原理，由于斥力永磁铁的上磁极端与悬浮体的下磁极端磁极相同，因此，斥力永磁铁对悬浮永磁铁产生磁斥力，此磁斥力用以承受悬浮体的重量；但是，当悬浮体处于单方向斥力作用时，容易翻转，因此，本发明还提供了作用于悬浮体的吸力，斥力与吸力的合力作用，可以防止悬浮体的翻转并提供一个悬浮体的平衡位置，该吸力由下述的三轴控制系统提供。

本发明的三轴控制系统包括传感器组件、电磁铁组件以及控制电路。

传感器组件包括固定于底座内且贴近斥力永磁铁中心位置的X轴传感器、Y轴传感器以及Z轴传感器，该传感器为磁性传感器，其磁感应面垂直于对应轴，分别检测悬浮体在X轴、Y轴以及Z轴三个维度方向的位置。

电磁铁组件包括水平固定于底座内、磁极垂直方向设置的X轴电磁铁、Y轴电磁铁以及Z轴电磁铁；X轴电磁铁或Y轴电磁铁分别由对称于Z轴的两个电磁铁组成；Z轴电磁铁包括以Z轴为中心设置的一个环形电磁铁或由以Z轴为中心阵列的至少三个电磁铁组成，设置于斥力永磁铁外，与斥力永磁铁磁极方向相异。

控制电路连接传感器组件以及电磁铁组件，接受X轴传感器或Y轴传感器的水平位置信号以及Z轴传感器的垂直位置信号，并分别控制X轴电磁铁、Y轴电磁铁以及Z轴电磁铁响应位置信号产生相应的控制磁场。

传感器采用线性霍尔传感器，其输出电压与被测磁场强度呈线性关系，磁感应面垂直于对应轴，X轴传感器、Y轴传感器分别检测悬浮体在X轴、Y轴的方向的水平磁场，该水平磁场反映悬浮体在X轴、Y轴的位置，Z轴传感器检测悬浮体在Z轴方向的垂直磁场，该垂直磁场反映悬浮体在Z轴方向的位置。

电磁铁是通电产生电磁场的一种装置；电磁铁的磁性有无可以用通、断电流控制，磁场强弱可以用电流的大小或PWM信号的占空比来控制，磁极可以由改变电流方向来控制；即：电磁铁磁性有无、磁场强弱、磁极方向可以被控制；本发明的电磁铁均带有电工铁芯，X轴电磁铁、Y轴电磁铁产生的电磁力的水平方向分力用于悬浮体水平方向位置控制，垂直分力相互抵消；Z轴电磁铁的垂直分力用于悬浮体垂直方向位置控制，水平分力相互抵消。

控制电路包括信号处理电路、控制模块以及驱动电路；信号处理电路接收来自传感器组件的位置信号，对位置信号进行运算放大处理后输出到控制模块；控制模块为单片机电路，对输入信号进行判断计算，输出PWM控制信号到驱动电路；驱动电路为H桥双向驱动电路，接收PWM控制信号，驱动电磁铁组件产生磁场强度、磁极方向可控的电磁场。

工作状态时，斥力永磁铁提供永磁斥力，Z轴电磁铁通电受控产生电磁吸力，悬浮体受到永磁斥力以及电磁吸力的共同作用而不会翻转，悬浮体的重量被斥力与吸力的合力作用所平衡；此外，三轴控制系统检测悬浮体的X轴、Y轴、Z轴的位置信号，分别控制X轴电磁铁、Y轴电磁铁、Z轴电磁铁产生作用于悬浮体位置的电磁力，牵引悬浮体返回平衡位置；Z轴电磁铁在提供防翻转的电磁吸力的同时，进一步控制悬浮体在垂直方向一定范围的位置。

综上所述，本发明的一个明显改进特征是：本发明利用Z轴电磁铁产生可控电磁吸力，提供了一种永磁斥力与电磁吸力的混合磁力；明显效果是：优化了斥力与吸力的关系，悬浮体不容易向外滑移，更容易悬浮，同时提供了增大悬浮距离以及悬浮重量的可能性。

附图说明

图1为本发明优选实施例的工作状态立体示意图；

图2为本发明优选实施例的立体结构示意图；

图3为本发明优选实施例的三轴控制系统框图；

图4为本发明优选实施例的X轴电路原理图；

图5为本发明优选实施例的Z轴电路原理图；

图6为本发明其它实施例的变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图及优选实施例对本发明作进一步说明。

参照图1：本发明工作状态立体示意图，悬浮体10为地球仪，悬浮于底座20上方的平衡位置。

参照图2、图3。

本发明的具三轴控制的混合磁力悬浮装置包括悬浮体10以及底座20；悬浮体10包括水平固定于底部且磁极垂直方向设置的悬浮永磁铁11；底座20包括其内水平固定、磁极垂直方向设置的斥力永磁铁21，其上磁极端与所述悬浮体10下磁极端磁极相同；以及包括提供作用于悬浮体10的电磁吸力并分别控制其在X、Y、Z轴方向位置的三轴控制系统22；工作状态时，悬浮体10的重量被永磁斥力以及电磁吸力的混合磁力作用所平衡，并被控制稳定悬浮于底座20上方平衡位置。

本优选实施例的斥力永磁铁21由以Z轴为中心阵列的四个永磁铁21A-21D组成，斥力永磁铁21的端面外尺寸不大于悬浮永磁铁11的端面尺寸，如悬浮永磁铁的上端面磁极为N，则斥力永磁铁的上端面磁极为S，因此，斥力永磁铁21对悬浮永磁铁11产生永磁斥力。

本优选实施例的三轴控制系统22包括传感器组件221、电磁铁组件223以及控制电路222。

传感器组件221包括固定于底座20内、贴近斥力永磁铁21中心位置的X轴传感器SX、Y轴传感器SY以及Z轴传感器SZ，传感器为磁性传感器，磁感应面垂直于对应轴，分别检测悬浮体10在X轴、Y轴以及Z轴三个维度方向的位置。

电磁铁组件223由水平固定于底座20内、磁极垂直方向设置的X轴电磁铁、Y轴电磁铁以及Z轴电磁铁组成；X轴电磁铁或Y轴电磁铁分别由对称于Z轴、磁极方向相异的两个电磁铁LX1-LX2、LY1-LY2组成；Z轴电磁铁由以Z轴为中心阵列的四个电磁铁LZ1-LZ4组成，设置于斥力永磁铁21外，与斥力永磁铁21磁极方向相异。

控制电路222连接传感器组件221以及电磁铁组件223，接受X轴传感器SX或Y轴传感器SY的水平位置信号以及Z轴传感器SZ的垂直位置信号，并分别控制X轴电磁铁LX1-LX2、Y轴电磁铁LY1-LY2以及Z轴电磁铁LZ1-LZ4响应位置信号产生相应的控制磁场。

控制电路222包括信号处理电路222A、控制模块222B以及驱动电路222C；信号处理电路222A接收来自传感器组件221的位置信号，对位置信号进行运算放大处理后输出到控制模块222B；控制模块222B为单片机电路，对输入信号进行判断计算，输出PWM控制信号到驱动电路222C；驱动电路222C为H桥双向驱动电路，接收PWM控制信号，驱动电磁铁组件223产生磁场强度、磁极方向可控的电磁场。

参照图4，以X轴为例，进一步说明本发明X轴位置控制的工作原理：

信号处理电路222A接收X轴传感器SX的检测信号，电阻R1、R2、可调电阻W与运算放大器U1组成反向放大电路，对该信号进行处理，其中，R2/R1为放大倍数，可调电阻W用于调整基准电压，对应悬浮体10悬浮时的中心位置，处理后的信号输出到控制模块222B的ADC输入端。

控制模块222B为单片机电路，内部集成了时钟电路、复位电路、数模转换、PWM信号发生器等，该单片机电路通过编程实现PID(比例、微分、积分)控制，通过对该输入信号判断出悬浮体10在X轴的相对于Z轴的位置，计算出控制量，输出PWM(脉宽调制)控制信号到驱动电路222C。

驱动电路222C包括由MOS管Q1-Q4组成的H桥双向驱动电路，H桥驱动电路连接两个串联的X轴电磁铁LX1、LX2，当控制端A为高电平，电磁铁LX1、LX2的电流方向为M到N，反之，当控制端B为高电平，电磁铁LX1、LX2电流方向N到M；因此，控制模块223B(单片机)可以通过控制X轴电磁铁的电流方向来控制磁极方向，同时可以通过PWM信号的占空比控制X轴电磁铁的磁场强度，由于两个电磁铁串联连接，当被驱动时，LX1、LX2分别产生磁极方向相异的电磁场，分别对悬浮体10产生斥力及吸力作用，其垂直分力相互抵消，水平分力的合力牵引悬浮体10返回平衡位置。

当悬浮体10处于平衡位置时，控制模块222B输入端ADC的输入几乎为零，电磁铁的电流也几乎为零，当悬浮体10受到扰动而产生偏移时，电磁铁将产生受控的磁场控制悬浮体10稳定悬浮。

本领域技术人员应该了解，控制模块不仅是单片机电路，还包括模拟电路；电磁铁组件不仅可以通过占空比进行控制，还可以通过励磁电流进行控制。

如上所述，Y轴位置控制的工作原理与X轴完全相同，这里不做解析。

参照图5，以Z轴为例，进一步说明Z轴控制的工作原理：

Z轴传感器SZ检测悬浮体10在Z轴方向的磁场强度，输出响应磁场强度的电压信号，此信号可以反映出悬浮体10在Z轴上的位置。

Z轴的信号处理电路222A以及控制模块222B与X轴的工作原理相同，这里不再说明。

驱动电路222C包括采用单向电流驱动电路，接收来自控制模块222B的PWM信号，晶体管Q起开关及功率放大作用，Z轴电磁铁线圈与二极管D组成续流回路，通过调整PWM信号的占空比可以调整流经Z轴电磁铁的电流，从而控制电磁铁的磁场强度，通过设置Z轴电磁铁的方向控制磁极，使得Z轴电磁铁按设定的要求产生对悬浮体的电磁吸力。

本优选实施例的Z轴电磁铁由四个电磁铁LZ1-LZ4组成，四个电磁铁可采用串联连接，磁极同方向设置，与斥力永磁铁磁极方向相异，悬浮体10在其吸力作用下将不会翻转。

另一方面，悬浮体处于悬浮状态时，设悬浮体的重量为G，斥力永磁铁21斥力的垂直分力为F1，Z轴电磁铁LZ吸力的垂直分力为F2，其力学矢量关系为：则G＝F1-F2，因此，当G一定时，通过调整Z轴电磁铁LZ的电磁力F2的大小，F1将被动调整，F1的大小跟悬浮体10与斥力永磁铁21间的距离有关；因此，可以调节悬浮体10在Z轴方向的悬浮位置，当悬浮体10处于平衡位置时，G＝F1-F2。

综上所述，本优选实施例工作状态时，悬浮体10受到来自斥力永磁铁21的永磁斥力以及来自Z轴电磁铁LZ的电磁吸力的共同作用而不会翻转，悬浮体10的重量被斥力与吸力的合力作用所平衡；三轴控制系统22检测悬浮体10位置信号，并分别控制悬浮体10在X轴、Y轴、Z轴方向的位置，使其稳定悬浮于平衡位置。

以下对本发明的其它实施方式进一步作出说明，参照图6。

图6A所示，Z轴电磁铁LZ由X轴电磁铁以及Y轴电磁铁的四个电磁铁LX1、LX2、LY1、LY2组成，四个电磁铁磁极方向相同设置并可被单独控制，控制电路同时控制四个电磁铁产生与斥力永磁铁21A-21D磁极方向相异的Z轴控制磁场，并分别单独控制响应X轴、Y轴位置信号产生相应的X轴、Y轴水平分量控制磁场。

图6B所示，Z轴电磁铁为单个环形电磁铁LZ，同心设置于斥力永磁铁21外，与斥力永磁铁21磁极方向相异。

图6C所示，斥力永磁铁21为以Z轴为中心设置的一个圆柱形永磁铁，其中心设置有不影响磁性特征的通孔(不应理解为环形磁铁特征)，传感器组件221安装在通孔中，斥力永磁铁21的外径不大于悬浮永磁铁11的外径；

底座20进一步包括同心设置于斥力永磁铁21外、与其磁极方向相异、起辅助磁力作用的吸力永磁铁23A-23D，增设吸力永磁铁23A-23D可以减小对Z轴电磁铁磁力要求。

以上所述实施例仅为说明本发明，不构成对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种具三轴控制的混合磁力悬浮装置，包括悬浮体以及底座，所述悬浮体包括水平固定于底部且磁极垂直方向设置的悬浮永磁铁，其特征在于，

所述底座包括其内水平固定、磁极垂直方向设置的斥力永磁铁，其上磁极端与所述悬浮体下磁极端磁极相同；

以及包括提供作用于所述悬浮体电磁吸力并分别控制其在X、Y、Z轴方向位置的三轴控制系统；

所述悬浮体的重量被永磁斥力以及电磁吸力的混合磁力作用所平衡，并被控制稳定悬浮于所述底座上方平衡位置。

2.如权利要求1所述的具三轴控制的混合磁力悬浮装置，其特征在于，

所述三轴控制系统包括传感器组件、电磁铁组件以及控制电路；

所述传感器组件包括固定于所述底座内且贴近所述斥力永磁铁中心位置的X轴传感器、Y轴传感器以及Z轴传感器，所述传感器为磁性传感器，其磁感应面垂直于对应轴，分别检测所述悬浮体在X轴、Y轴以及Z轴三个维度方向的位置；

所述电磁铁组件包括水平固定于所述底座内且磁极垂直方向设置的X轴电磁铁、Y轴电磁铁以及Z轴电磁铁；

所述控制电路连接所述传感器组件以及电磁铁组件，接受所述X轴传感器或Y轴传感器的水平位置信号以及Z轴传感器的垂直位置信号，并分别控制所述X轴电磁铁、Y轴电磁铁以及Z轴电磁铁响应位置信号产生相应的控制磁场。

3.如权利要求2所述的具三轴控制的混合磁力悬浮装置，其特征在于，

所述X轴电磁铁或Y轴电磁铁分别由对称于所述Z轴、磁极方向相异的两个电磁铁组成；

所述Z轴电磁铁包括以Z轴为中心设置的一个环形电磁铁或由以Z轴为中心阵列的至少三个电磁铁组成，设置于所述斥力永磁铁外，与所述斥力永磁铁磁极方向相异。

4.如权利要求2所述的具三轴控制的混合磁力悬浮装置，其特征在于，

所述Z轴电磁铁进一步包括采用X轴电磁铁以及Y轴电磁铁；

所述X轴电磁铁以及Y轴电磁铁由以所述Z轴为中心阵列、磁极方向相同的四个电磁铁组成，设置于所述斥力永磁铁外；

所述四个电磁铁被控制产生与所述斥力永磁铁磁极方向相异的Z轴控制磁场，并被单独控制响应X、Y轴位置信号产生相应的水平控制磁场。

5.如权利要求1所述的具三轴控制的混合磁力悬浮装置，其特征在于，

所述斥力永磁铁包括以所述Z轴为中心设置的一个永磁铁或由以Z轴为中心阵列的至少三个永磁铁组成，所述一个永磁铁中心设置有不影响磁性特征的通孔；

所述斥力永磁铁的端面外尺寸不大于所述悬浮永磁铁的端面尺寸。

6.如权利要求1所述的具三轴控制的混合磁力悬浮装置，其特征在于，

所述底座进一步包括同心设置于所述斥力永磁铁外、与所述斥力永磁铁磁极方向相异、起辅助磁力作用的吸力永磁铁。