CN105553337B - 一种磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮系统，该系统包括磁性底座和悬浮磁性元件；其中，悬浮磁性元件包括倒锥底部；磁性底座包括：至少三个底座磁铁，其在磁性底座圆周上均匀分布形成一环状矩阵，至少三个底座磁铁的上表面与水平面倾斜形成一倾斜角度，至少三个底座磁铁的上表面磁性与倒锥底部的磁力面磁性相反；倒锥底部与水平面的夹角和倾斜角度相等；和悬浮磁性元件偏移控制机构。该磁悬浮系统通过具有倒锥底部的悬浮磁性元件与倾斜设置在磁性底座上的磁铁组合使用，大幅减少悬浮磁性元件在水平方向偏移的可能，使得悬浮磁性元件放置操作更为简便，无需多次调试，大幅降低控制电路磁场修正的频率和幅度，让磁悬浮系统更加稳定，不易掉落。

Description

一种磁悬浮系统

技术领域

本发明涉及电磁领域，尤其涉及一种磁悬浮系统。

背景技术

磁悬浮技术已经成为一种普遍技术，在各种产品中得到广泛的应用，比如在工艺品摆设、磁悬浮音箱等领域。但是，现有的磁悬浮技术还存在一些问题，比如悬浮体放置操作难度大，需要进行多次的调试才能找到悬浮磁场的平衡位置，悬浮不稳定、容易掉落；而且悬浮体容易频繁产生大幅水平方向的偏移，控制电路不能对悬浮体的频繁偏移做出及时迅速的调整，造成控制电路存在瞬间反峰电流过大，引起磁场不稳定导致悬浮体突然掉落等问题。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种磁悬浮系统，其通过具有倒锥底部的悬浮磁性元件与倾斜设置在磁性底座上的磁铁组合使用，大幅减少悬浮磁性元件在水平方向偏移的可能，使得悬浮磁性元件放置操作更为简便，无需多次调试，大幅降低控制电路磁场修正的频率和幅度，让磁悬浮系统更加稳定，不易掉落；解决了现有技术中悬浮磁性元件放置时需多次调试，操作难度大，且悬浮不稳定，容易掉落的问题。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种磁悬浮系统，该系统包括磁性底座和悬浮于该磁性底座上方的平衡位置的悬浮磁性元件；其中，

所述悬浮磁性元件包括倒锥底部；

所述磁性底座包括：

至少三个底座磁铁，其在所述磁性底座圆周上均匀分布形成一环状矩阵，所述至少三个底座磁铁的上表面与水平面倾斜形成一倾斜角度，用以在所述环状矩阵中心上方形成一窝状磁场，所述至少三个底座磁铁的上表面磁性与所述悬浮磁性元件的倒锥底部的磁力面磁性相反，以将所述悬浮磁性元件悬浮于所述窝状磁场内的平衡位置；所述倒锥底部与水平面的夹角和所述倾斜角度相等；和

悬浮磁性元件偏移控制机构，其设置在所述磁性底座内，当悬浮在所述磁性底座上方的悬浮磁性元件偏离所述平衡位置时，将所述悬浮磁性元件推回所述平衡位置。

进一步地，所述悬浮磁性元件为一倒锥型磁铁或由至少三个磁铁块组成的倒锥体阵列；所述至少三个磁铁块与至少三个底座磁铁对应设置，且所述至少三个磁铁块的下表面与所述至少三个底座磁铁的上表面相互平行。

进一步地，所述悬浮磁性元件偏移控制机构包括：

至少两组电磁铁，每组电磁铁包括两个对称设置的电磁线圈，同一组电磁铁通电时两个电磁线圈的上表面极性相反，用以在所述悬浮磁性元件偏离所述平衡位置时，将其推回所述平衡位置；

至少一个位置传感器，其位于所述环状矩阵中心上，用于检测所述悬浮磁性元件相对所述磁性底座的垂向位移矢量及水平方向位移矢量并产生相应的检测信号；以及

一控制电路，用于接收并处理所述检测信号以控制所述至少两组电磁铁的励磁电流。

进一步地，所述至少两组电磁铁为两组电磁铁，分别位于所述环状矩阵内的X轴和Y轴方向。

进一步地，所述至少一个位置传感器为三个位置传感器，用于分别检测所述悬浮磁性元件在X轴、Y轴和Z轴方向的磁力变化并产生检测信号。

进一步地，所述倾斜角度为20°。

进一步地，所述位置传感器为磁感应式或者光感应式的位置传感器。

进一步地，所述位置传感器为霍尔传感器。

进一步地，所述控制电路与每组所述电磁铁之间并联有至少一个二极管。

进一步地，所述底座磁铁和/或磁铁块和/或倒锥型磁铁为永磁铁。

本发明具有如下有益效果：

该磁悬浮系统利用倾斜设置的底座磁铁与具有倒锥底部的悬浮磁性元件组合使用，底座磁铁不仅产生一窝状磁场，其对悬浮磁性元件形成托力大于悬浮磁性元件的重力使其悬浮，而且与倒锥底部的磁力面产生的磁斥力可以产生X轴和Y轴方向的磁力分量，磁力分量可以对悬浮的悬浮磁性元件形成推向矩阵中心即平衡位置的合力，大幅降低悬浮磁性元件在X，Y轴方向的位移可能；控制电路只需控制电磁铁产生微量的X，Y轴方向的磁力分量变化就可以使悬浮磁性元件稳定在平衡位置；使得悬浮磁性元件放置操作更为简便，无需多次反复调试，大幅降低控制电路磁场修正的频率和幅度，让磁悬浮系统更加稳定，不易掉落；解决了现有技术中悬浮磁性元件放置时需多次调试，操作难度大，且悬浮不稳定，容易掉落的问题。

在控制电路中设有多组并联于电磁铁的电磁线圈上的二极管，用于限制由于悬浮磁性元件偏移造成电磁线圈频繁调整带来的反峰电压，使悬浮控制电路更加稳定。

附图说明

图1为本发明提供的磁悬浮系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明中倒锥体阵列的磁铁块的分布示意图；

图3为本发明提供的磁悬浮系统磁力线示意图；

图4为本发明中控制电路的示意图。

具体实施方式

下面给出的全部描述、特定细节是为本发明提供更全面的理解，然而，本发明可以不利用这些细节实施。在其他的情况下，众所周知的部分不再详细表示或描述以避免对本发明不必要的模糊理解。因而，说明书和附图将被看做是描述性的，而不是限定性的。

一种磁悬浮系统，其包括磁性底座和悬浮于该磁性底座上方的平衡位置的悬浮磁性元件；其中，

所述悬浮磁性元件的底部为倒锥型；

所述磁性底座包括：

至少三个底座磁铁，其在所述磁性底座圆周上均匀分布形成一环状矩阵，所述至少三个底座磁铁的上表面与水平面倾斜形成一倾斜角度，用以在所述环状矩阵中心上方形成一窝状磁场，所述至少三个底座磁铁的上表面磁性与所述悬浮磁性元件的倒锥底部的磁力面磁性相反，以将所述悬浮磁性元件悬浮于所述窝状磁场内的平衡位置；所述倒锥底部与水平面的夹角和所述倾斜角度相等；和

悬浮磁性元件偏移控制机构，其设置在所述磁性底座内，当悬浮在所述磁性底座上方的悬浮磁性元件偏离所述平衡位置时，将所述悬浮磁性元件推回所述平衡位置。

需要说明的是，所述悬浮磁性元件上方可吸附等方式固定轻质物体形成悬浮体，但不局限于此。

本发明基于最基本的铁磁学原理：任何磁体外部的磁感线都是从磁铁的N极出发，回到S极；磁体内部磁感线由S极出发回到N极，如图3所示；当多个单磁体组成环状矩阵排列时，在环状矩阵的中心上方形成一个窝状磁场区域H，其极性与单个磁体表面的极性相反。

根据这一铁磁学原理，本发明采用至少三个的底座磁铁均匀地倾斜设置在所述磁性底座的圆周方向上，在本发明中，所述至少三个的底座磁铁优选但不限定为8个底座磁铁，特别优选的，8个底座永磁铁。值得注意的是，所述倾斜设置是指所述底座磁铁上表面与水平面形成一定角度。

具体地，如图1所示，8个底座永磁铁11均匀分布在磁性底座1的圆周方向，形成一环状矩阵，优选分别位于所述磁性底座1的八等分线上；每一所述底座永磁铁11的上表面111与水平面形成一倾斜角度a，每一所述底座永磁铁11的上表面111靠近所述环状矩阵中心的一侧比远离所述环状矩阵中心的一侧低；每个所述底座永磁铁11的上表面111磁极为S极，所述环状矩阵上的8个底座永磁铁11在该环状矩阵中心上方形成一个N极朝上的窝状磁场区域H。所述悬浮磁性元件2具有倒锥底部21，其磁力面的极性为N极，与所述窝状磁场区域H的极性相同，根据同性相斥的原理，窝状磁场区域H的磁力对所述悬浮磁性元件2形成托力大于所述悬浮磁性元件2的重力，使所述悬浮磁性元件2可以在垂直方向悬浮处于平衡位置。

作进一步改进，所述倒锥底部21与水平面的夹角与所述倾斜角度a相等，优选但不限定为20°，即所述悬浮磁性元件2的倒锥底部21磁力面与所述底座永磁铁11的上表面111磁力面相互平行。所述底座永磁铁11的上表面111磁力面与所述悬浮磁性元件2的倒锥底部21磁力面产生的磁场力K在X轴和Y轴方向上会产生相应的磁场力分量Kx和Ky，当悬浮磁性元件2处于平衡位置的悬浮状态时，Kx和Ky磁力分量相互抵消，当悬浮磁性元件2发生偏移时，Kx和Ky磁力分量对所述悬浮磁性元件2会形成推向所述环状矩阵中心的合力，将所述悬浮磁性元件2推回平衡位置，保持平衡悬浮状态，大幅降低所述悬浮磁性元件2在X、Y轴方向的偏移可能。

通过具有倒锥底部21的悬浮磁性元件2与倾斜设置在磁性底座1上的永磁铁11组合使用，大幅减少悬浮磁性元件2在水平方向偏移的可能，使得悬浮磁性元件2放置操作更为简便，无需多次调试，大幅降低控制电路磁场修正的频率和幅度，让磁悬浮系统更加稳定，不易掉落；解决了现有技术中悬浮磁性元件2放置时需多次调试，操作难度大，且悬浮不稳定，容易掉落的问题。

作进一步改进，所述悬浮磁性元件2为一倒锥型磁铁或由至少三个磁铁块组成的倒锥体阵列，但不局限与此；所述至少三个磁铁块与至少三个底座磁铁对应设置，且所述至少三个磁铁块的下表面与所述至少三个底座磁铁的上表面111相互平行，优选地，如图2所示，所述至少三个磁铁块为8个磁铁块，每一磁铁块底面与所述底座永磁铁11的上表面111平行对应。

需要说明的是，所述倒锥型磁铁是指其底部加工成倒锥型结构的磁铁。所述由至少三个磁铁块组成的倒锥体阵列是指将至少三个磁铁块均匀分布贴合在一倒锥型壳体内。所述倒锥型磁铁和/或磁铁块优选但不限定为永磁体。

所述悬浮磁性元件偏移控制机构设置在所述环状矩阵内，其包括：至少两组电磁铁，每组电磁铁包括两个对称设置的电磁线圈，同一组电磁铁通电时两个电磁线圈的上表面极性相反，用以在所述悬浮磁性元件2偏离所述平衡位置时，将其推回所述平衡位置；至少一个位置传感器，其水平放置于所述环状矩阵中心上，用于检测所述悬浮磁性元件2相对所述磁性底座的垂向位移矢量及水平方向位移矢量并产生相应的检测信号；以及一控制电路，用于接收并处理所述检测信号以控制所述至少两组电磁铁的励磁电流。

请参考图1，所述至少两组电磁铁优选为两组电磁铁12A、12B，分别位于所述环状矩阵内的X轴和Y轴方向，电磁铁12A用于控制X轴方向的电磁力变化，电磁铁12B用于控制Y轴方向的电磁力变化。当所述悬浮磁性元件2在X轴或Y轴方向出现偏移，通过电磁铁通电电流方向及强弱变化产生新的电磁力将悬浮磁性元件2推回所述平衡位置。优选地，所述电磁铁采用电磁线圈。

所述至少一个位置传感器为三个位置传感器13A、13B、13C，水平放置于所述环状矩阵中心上，用于分别检测所述悬浮磁性元件2在X轴、Y轴和Z轴方向的磁力变化并产生检测信号。所述位置感应器包括磁场感应式的，光学感应式等，本发明优选采用磁场感应式的霍尔传感器。其中，霍尔传感器13C用于感应Z轴方向的磁力变化，当所述悬浮磁性元件2放置在所述磁性底座1上方时，霍尔传感器13C感应到所述悬浮磁性元件2的磁力，霍尔传感器13C给出信号到控制电路开启控制电路开始工作；霍尔传感器13A用于感应X轴方向上的磁力变化，当所述悬浮磁性元件2在X轴方向出现偏移，霍尔传感器13A给出信号到控制电路，控制电路调节控制X轴方向磁力的电磁铁12A中的电流，从而改变控制X轴方向磁力的电磁铁组的磁性及磁力达到平衡所述悬浮磁性元件2在X轴方向上的偏移；霍尔传感器13B用于感应Y轴方向上的磁力变化，当所述悬浮磁性元件2在Y轴方向出现偏移，霍尔传感器13B给出信号到控制电路，控制电路调节控制Y轴方向磁力的电磁铁12B中的电流，从而改变控制Y轴方向磁力的电磁铁组的磁性及磁力达到平衡所述悬浮磁性元件2在Y轴方向上的偏移。

所述控制电路通过执行电路检测所述悬浮磁性元件2偏移并通过X轴和Y轴方向的电磁铁12A和12B来纠正此偏移。如图4所示，由三个霍尔传感器13A、13B、13C来分别取得所述悬浮磁性元件2的X轴偏移参量、Y轴偏移参量、Z轴检测所述悬浮磁性元件2存在信号。所述控制电路的控制过程具体如下：

Z轴霍尔传感器13C检测Z轴方向的磁力变化信号经由放大电路31放大处理后分别驱动X轴偏移纠正电路与Y轴偏移纠正电路，当所述悬浮磁性元件2未被放置在所述磁性底座1上，Z轴无信号,将不能打开X轴或Y轴上的功能电路，达到极低的无悬浮工作电流状态。

X轴霍尔传感器13A信号取得X轴线性偏移信号后由功能电路32A来进行信号的初步处理，使其幅度与驱动能力提高，处理完偏移信号后，通过霍尔传感器13C信号控制的电路U2A来传递信号给后面的信号变换电路33A与功率输出电路34A、34B、保护二极管D1~D4。信号变换电路33A取得来自U2A传递过来的信号后经芯片变换成极性互为相反的两组信号分别输出到34A、34B两组差分对管，共同来驱动电磁铁12A电磁线圈的电磁磁能大小与电磁极性方向，当悬浮磁性元件2处于X轴中心点时悬浮磁性元件2处于平衡状态，信号变换电路33A两组输出信号接近为0，此时线圈电流几乎为0。其中，并联于34A、34B上的4个二极管D1~D4用于防止所述悬浮磁性元件2沿X轴来回偏移造成信号变换电路33A输出不断变换的输出极性而带来的电磁线圈极性不断来回翻转时产生的电感反峰电压，使得磁悬浮系统工作更加稳定，避免由于此反峰电压造成的悬浮失稳与器件损毁等问题。

Y轴电路工作原理与X轴相同。Y轴霍尔传感器13B信号取得Y轴线性偏移信号后由功能电路32B来进行信号的初步处理，使其幅度与驱动能力提高，处理完偏移信号后，通过霍尔传感器13C信号控制的电路U2B来传递信号给后面的信号变换电路33B与功率输出电路34C、34D、保护二极管D5~D8。信号变换电路33B取得来自U2B传递过来的信号后经芯片变换成极性互为相反的两组信号分别输出到34C、34D两组差分对管，共同来驱动电磁铁12B电磁线圈的电磁磁能大小与电磁极性方向，当悬浮磁性元件2处于Y轴中心点时悬浮磁性元件2处于平衡状态，信号变换电路33B两组输出信号接近为0，此时线圈电流几乎为0。其中，并联于34C、34D上的4个二极管D5~D8用于防止所述悬浮磁性元件2沿Y轴来回偏移造成信号变换电路33B输出不断变换的输出极性而带来的电磁线圈极性不断来回翻转时产生的电感反峰电压，使得磁悬浮系统工作更加稳定，避免由于此反峰电压造成的悬浮失稳与器件损毁等问题。

需要说的是，根据检测信号，控制电路驱动电磁线圈的电磁磁能大小与电磁极性方向属于现有技术，在此不再赘述。

当所述悬浮磁性元件2产生水平位置的位移，位置感应器将位移信号传输给控制电路，控制电路处理位置感应器检测到的悬浮磁性元件2偏移的信号，根据位移幅度控制电磁铁的通电方向，通电电流强弱，改变电磁铁的磁场在水平面的磁力分量，将所述悬浮磁性元件2推回平衡位置。特别的设计多颗反峰保护二极管能保护悬浮磁性元件2在偏移时电磁铁的电磁线圈瞬间电压稳定，从而使得悬浮磁性元件2偏移纠正速度更加迅速有效，工作更加稳定，避免由于此反峰电压造成的悬浮失稳与器件损毁等问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁悬浮系统，其特征在于，该系统包括磁性底座和悬浮于该磁性底座上方的平衡位置的悬浮磁性元件；其中，

所述悬浮磁性元件包括倒锥底部；

所述磁性底座包括：

至少三个底座磁铁，其在所述磁性底座圆周上均匀分布形成一环状矩阵，所述至少三个底座磁铁的上表面与水平面倾斜形成一倾斜角度，用以在所述环状矩阵中心上方形成一窝状磁场，所述至少三个底座磁铁的上表面磁性与所述悬浮磁性元件的倒锥底部的磁力面磁性相反，以将所述悬浮磁性元件悬浮于所述窝状磁场内的平衡位置；所述倒锥底部与水平面的夹角和所述倾斜角度相等；和

悬浮磁性元件偏移控制机构，其设置在所述磁性底座内，当悬浮在所述磁性底座上方的悬浮磁性元件偏离所述平衡位置时，将所述悬浮磁性元件推回所述平衡位置；

其中，所述悬浮磁性元件为一倒锥型磁铁或由至少三个磁铁块组成的倒锥体阵列；所述至少三个磁铁块与至少三个底座磁铁对应设置，且所述至少三个磁铁块的下表面与所述至少三个底座磁铁的上表面相互平行；

其中，所述悬浮磁性元件偏移控制机构包括：

至少两组电磁铁，每组电磁铁包括两个对称设置的电磁线圈，同一组电磁铁通电时两个电磁线圈的上表面极性相反，用以在所述悬浮磁性元件偏离所述平衡位置时，将其推回所述平衡位置；

至少一个位置传感器，其位于所述环状矩阵中心上，用于检测所述悬浮磁性元件相对所述磁性底座的垂向位移矢量及水平方向位移矢量并产生相应的检测信号；以及一控制电路，用于接收并处理所述检测信号以控制所述至少两组电磁铁的励磁电流。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述至少两组电磁铁为两组电磁铁，分别位于所述环状矩阵内的X轴和Y轴方向。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述至少一个位置传感器为三个位置传感器，用于分别检测所述悬浮磁性元件在X轴、Y轴和Z轴方向的磁力变化并产生检测信号。

4.根据权利要求1或3所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述位置传感器为磁场感应式或者光场感应式的位置传感器。

5.根据权利要求1或3所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述位置传感器为霍尔传感器。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述控制电路与每组所述电磁铁之间并联有至少一个二极管。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述底座磁铁和/或磁铁块和/或倒锥型磁铁为永磁铁。

8.根据权利要求1所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述倾斜角度为20°。