CN1055265A - 非接触引导的磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触引导的磁性悬浮装置，至少一个内磁 性件其磁极在其长度方向连续排列，两个外磁性件置 于内磁性件两侧，与之相邻但分开，其磁极沿其长度 方向连续排列。一个非磁性连接件与内磁性件分开， 把两外磁性件连在一起。一个固定件支撑并固定内、 外磁性件之一，而内、外磁性件中另一个保持悬浮状 态，此时，它在垂直和水平方向具有朝向其中心位置 的回复力，并且，该另一磁性件可在悬浮状态下沿其 长度方向被引导。

Description

本发明涉及一种用于使沿着不接触的预定路线的移动物悬浮起来的装置。

迄今为止，已经提出了结构类似于直线电机（见日本专利说明书No.49673/86）的此类装置。但是，这种已有技术中的例子采用了安排多个分置的磁极使移动物悬浮并加以引导的复杂结构。此外，由于移动物处于悬浮状态时垂直方向的稳定，是靠各个磁极之间的磁力来实现的，在引导移动物时，内外磁极的位置关系常常不是彼此正好相对，这样，移动物在垂直方向的稳定性通常就不是很高。而且，因为移动物无法在内外磁极不是彼此正好相对的位置停止，这就难以十分精确地使其停止在长度方向的所需位置。

本发明的一个目的，是提供一种结构简单，非接触引导的磁悬浮装置，在与引导移动物的方向正交的垂直和水平方向，它具有稳定的回复力。

为了实现上述目的，本发明的非接触引导的磁悬浮装置包括：至少一个在其长度方向连续排列磁极的内磁性件;置于该内磁性件两侧、与其相邻但分开的两个外磁性件，构成在其长度方向连续排列磁极;一个非磁性的连接件，与该内磁性件分开，用来把两个外磁性件连在一起;以及，一个固定件，用来支托并固定内、外磁性件中之一，而内、外磁性件中另一个则保持悬浮状态。在内磁性件和外磁性件之间的磁性吸力或它们的磁性吸力和斥力的合力作用下，具有恢复到垂直和水平方向中心位置的回复力，而且此磁性件可在悬浮状态沿其长度方向进行引导。

下面参照附图详细叙述本发明，其中：

图1是说明本发明原理的透视图，

图2和图3是说明本发明原理的特性图，

图4-8是说明本发明实施例的截面图和侧面图，

图9是表示图8（a）实施例的工作特性图。

首先叙述本发明的原理。

现在考虑图1所示结构，板状的磁性件10是移动物，将被引导沿着置于其两侧的板状磁性件20a和20b的长度方向移动。磁性件10做成沿其长度方向连续地排列着磁极，沿与引导方向正交的垂直方向极化。标号m₁和m₂′表示这些磁极假定数量的磁荷。板状磁性体20a和20b也各自沿长度方向形成连续排列的磁极，沿与引导方向正交的垂直方向极化。标号m₁和m₂′代表这些磁极假定数量的磁荷，Z表示磁荷m₁与m₂和磁荷m′₁与m₂′在垂直方向的位置差。磁性件10在引导方向的长度由1表示，座标轴原点在磁性件10的中心（1/2处）。

点P₁（x₁、y₁、z₁）处的磁荷m₁与点P₂（x₂、y₂、z₂）处的磁荷m₂之间吸引力的x分量f_X由下式给出：

f_X=m₁m₂(cosα cosβ)/(D²) ……（1）

这里：

则

f_X=m₁m₂(x₂-x₁)/(｛(x₁-x₁)²+(y₂-y₁)²+(z₂-z₁)²｝^3/2) ……（3）

此处，X₂＝G、X₁＝△G、Z₂＝O、Z₁＝Z，

分别用f_XR和f_XL表示右侧板状磁性体20b在x方向的力和左侧板状磁性件20a在x方向的力，这些力f_XR和f_XL如下：

……（4）

让下方磁荷m₁′和m₂′在右侧和左侧方向的力分别由f_XR′和f_XL′来表示，并且，如果m₁＝m₁′以及m₂＝m₂′，则

这样，x方向的全部力f_X由下式给出：

f_X=2(f_XR+f_XL)

=2m₁m₂［ (G-△G)/(｛(G-△G)²+(y₂-y₁)²+z²｝^3/2)

- (G+△G)/(｛G＋△G）²＋（y₂－y₁）²＋z²｝^3／2) ……（6）

用F_X表示将该式对y₂从-∞至+∞和对y₁从-1/2至1/2积分所得到的值，则

- (G+△G)/(｛G＋△G）²＋（y₂－y₁）²＋z²｝^3／2) ］dy₂dy₁……（7）

图2以Z/G为参数表示当板状中心磁性件10在与其引导方向正交的两个方向上移动△G时该值F_X的变化。

图1中，当中心磁性件10与两侧磁性件20a和20b之间的磁荷高度差Z对其间隙G的比Z/G为0.5时，图2中的特性F_X值随△G的增大而增大，但是在△G/G比达到约0.55后，F_X值开始下降，当△G/G比达到0.88左右，F_X值变为零，即两侧均不受力，中间的磁性件10停止不动。当磁性件10进一步向右移，△G/G比相应增大，力F_X的方向为反方向，磁性件10被吸引朝向两侧磁性件20a和20b的正中。这样，在Z/G＝2.5时，△G/G＝0.88的附近是一个稳定点，磁性件10在此处于停止不动。另一方向，当在0点，磁性件稍许被移动向右，即朝着△G/G比的正方向，力F_X朝右施力，结果，磁性件10被进一步向右移动，而当磁性件10是朝反方向移动时，力也施加向这一反方向。因此，点0是不稳定点。

此外，在Z/G＝1和Z/G＝1.5时，点0与稳定点重合，这样，当中心磁性件10朝左或朝右移动，就一直有使其恢复到其中心位置的力对它起作用。换句话说，一个回复力施加到磁性件10上，于是，中心磁性件10总是不能与其两侧的磁性件20a和20b接触。

图3用比Z/G作为参数，表示对于中心磁性件10在Z方向位移△Z时力F_Z在Z方向的特征。该力F_Z用式（7）中的相同方法计算。当Z/G＝1.5时，在△G/G＝-1与△G/G＝1之间没有稳定点，但是当Z/G＝1和Z/G＝0.5时，零点是稳定点。这样，当中心磁性件10上下移动时，力F_Z的作用总是朝向零点，因而存在一个朝着零点的回复力，磁性件10趋于停在中心点。如果假定其重量为零，则磁性件10悬浮在Z＝0处。考虑到其重量，则磁性件10悬浮在其重量与重力平衡的一点上。由此，图2和图3表明比Z/G应为1，以得到在水平和垂直方向对零点的回复力。

在Z/G＝1，有可能使磁性件10悬浮在垂直方向的Z＝0点处附近，而使其正好处于两磁性件20a和20b正中。这些计算是将每一磁荷当作一个点看待，因此，在实践中必须通过实验对其进行修正。但是，我们以简单样品进行的实验结果表明，上述方法已相当符合要求。

图4（a）的实施例中，磁性板20a和20b构成引导件，而其间的磁性件10为移动物。标号30a代表一个与移动物10和一起被引导的非磁性移动物，而标号40a代表一个把磁性板20a和20b连在一起并把它们固定住的非磁性固定件。图4（b）的实施例中，中心磁性板10作为引导体，其两侧的磁性板20a和20b作为移动物。标号40b代表非磁性连接件，而标号30b代表非磁性固定件。在这两个例子中，两侧磁性板20a和20b的磁极离穿过磁性板10、20a和20b中心的水平面的距离大于磁性板10的磁极的距离，意即磁性板20a和20b的磁极的位置高于中心磁性板10。

图5（a）中，两侧磁性板20a和20b形成了引导，而在图5（b）中，中心磁性板用作引导。这两个例子中，中心磁性板10的磁极位置高于磁性板20a和20b。

图4（a）、4（b）和图5（a）、5（b）中，左侧的图为侧面图，右侧的图为沿P-Q线的截面图。

图6、图7说明本发明的其它实施例，其中的中心磁性体10由两个板状磁性件10a和10b构成。图6（a）中，两侧磁性体20（a）和20（b）用作引导;图6（b）中，中心磁性板10a和10b用作引导。每一例子中，磁性板20a和20b的磁极位置高于磁性板10a和10b。图7（a）中，磁性板20a和20b用作引导，图7（b）中，磁性板10a和10b用作引导。每一例子中，磁性板10a和10b的磁极位置高于磁性板20a和20b。

图8表示本发明的另一实施例，其中，中心磁性体由两磁性板10a和10b构成，每板上下部分各有磁荷m₂和m₂′，而两侧磁性板20a和20b分别由两个向内弯曲的磁性件20a-1、20a-2和20b-1、20b-2组成，弯曲的磁性体20a-1和20a-2（或20b-1和20b-2）由一连接件50a（或50b）连在一起。该实施例的构成使磁荷m₁、m₀、m₁和m₁′、m₀′、m₁′如图中所示沿垂直方向位于弯曲磁性件20a-1、20a-2和20b-1、20b-2上，并且磁荷m₁与m₂、m₁′与m₂′彼此排斥，磁荷m₂与m₀、m₂′与m₀′。彼此吸引。现在，分别用Z和G表示磁荷m₁与m₂之间和m₁′与m₂′之间在垂直和水平方向的距离，分别用Z₀和G₀表示磁荷m₂与m₀和m₂′与m₀′在垂直和水平方向的距离。如图9所示，在水平方向和垂直方向移动中心磁性板△G和△Z时在这两方向施力F_X和F_Z得到相同的曲线，力F_X和F_Z分别相对于△G/G和△Z/G画出。

图9中的曲线是表示在条件m₀/m₁＝-1及Z_o/Z＝G_o/G＝1、在条件m₀/m₁＝1及Z_o/Z＝G_o/G＝0.3以及在条件m₀/m₁＝-2及Z_o/Z＝G_o/G＝0.3下，力F_X和F_Z分别与△G/G和△Z/G的关系，这里磁荷m₁和m₂数量相等、极性相同，Z_o/G_o＝Z/G及m₀/m₁＜0，即磁荷的极性相反。在所有情况，零点是稳定点，而且力F_X和F_Z的大于前面的实施例，也就是说，可获得优良的特性。

图8（a）中，中心磁性板10a和10b用于引导，而在图8（b）中，外侧磁性件板20a和20b用于引导，内磁性件10由顶部和底部弯曲的两个磁性件10-1和10-2组成，用连接件G_o连在一起。图8中，左图是侧视图，右图是沿P-Q线的截面图。

尽管在上述的内磁性件10和外磁性件20a和20b均显示为矩形截面的板状件，但是很显然如用正方形截面的条形件也可取得与上述相同的结果。

在本发明的引导装置中，可采用合适的驱动系统作为长度方向的驱动器。更具体地说，在使用音圈马达原理的情况下，按照本发明保持悬浮状态的磁性件可通过把它连接到音圈马达的音圈上面以非接触方式沿其长度方向引导。

还有可能采用这样一种安排，即通过对设在悬浮磁性件一端的导板施加像瓦特计中的那种推动磁场来驱动它。

在任何情况，把本发明的装置与一具有位置传感器的止动装置相结合，均能够做到高速、精确的定位控制。

这种引导不必总是直线，可以光滑地逐渐弯曲。

如上所述，按照本发明，由于内侧和外侧磁性件的磁极在长度方向连续排列，处于悬浮状态的磁性件可在整个长度上保持非常稳定，此外，可用很小的驱动力沿其长度方向高速平稳地驱动和引导。再者，悬浮磁性件可停在理论上所希望的任一位置。

这样，本发明在用于要求精确的位置控制的机构中有着很大的用处，例如用于CD（光盘）播放器、软盘驱动器、视频信号盘播放器、磁光盘驱动器、X-Y轴绘图仪等。

Claims (4)

1、一种非接触引导的磁悬浮装置，包括：

至少一个内磁性件，其磁极沿其长度方向形成连续排列；

两个外磁性件，置于所述内磁性件两侧面与其相邻隔开，构成使磁极沿长度方向形成连续排列；

一个非磁性连接件，不与所述内磁性件接触，而把所述两个外磁性件连在一起；

一个固定件，用于支撑和固定内、外磁性件之一；

内、外磁性件中另一个保持悬浮状态，在所述内、外磁性件之间的吸引力或其吸引力和排斥力的合力作用下，具有朝向其垂直和水平方向中心位置的回复力；

所述的另一磁性件可在所述悬浮状态沿其长度方向被引导。

2、如权利要求1的非接触引导的磁悬浮装置，其特征在于其构成使Z/G＝1，这里，Z和G是所述内磁性件的磁极与所述外磁性件的磁极的吸引端之间在垂直和水平方向上的位置差。

3、如权利要求1或2的非接触引导的磁悬浮装置，其特征在于，所述内磁性件是由用一非磁性件连在一起的两个磁性件构成，所述两磁性件在水平方向彼此相对应的磁极为同一极性。

4、如权利要求1或2的非接触引导的磁悬浮装置，其特征在于，所述内磁性件是由用一非磁性件连在一起的两个磁性件构成;所述两磁性件在水平方向彼此对应的磁极具有同一极性;而且所述两外磁性件每一个是由被一连接件连在一起的上下两个向内弯曲的磁性件构成;所述向内弯曲的磁性件每一个在其两个端部具有磁极，其极性与所述内磁性件的对应磁极的极性相同;所述向内弯曲的磁性件的每一个的两内磁极位于穿过所述两个内磁性件的每一个的两个垂直对准磁极的第一条直线上;所述向内弯曲的磁性件每一个的两个外磁极位于穿过彼此水平相对的所述两个内磁极之另外两个磁极的第二条直线上，并与所述第一条直线垂直相交。

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