CN105790641A - 磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

磁悬浮装置，包括：包含第一磁体的悬浮体，其中第一磁体具有磁性相反的上表面和下表面；以及包含第二磁体和斥力磁体的底座，用于将悬浮体悬浮于空中，其中第二磁体和斥力磁体均具有磁性相反的上表面和下表面。正常工作状态下，悬浮体悬浮在底座上方的基准位置，并且第一磁体的下表面磁性与第二磁体的上表面磁性相反但与斥力磁体的上表面磁性相同。本发明打破了目前磁斥型悬浮思想的固有束缚，底座磁铁不再受已有环形磁铁或者分开散布磁体的结构限制，甚至是一整块磁铁饼就能作为底座悬浮结构。

Description

磁悬浮装置

技术领域

本发明总体涉及磁悬浮领域，更具体地涉及磁斥型悬浮装置。

背景技术

由于悬吊式磁悬浮装置的底座需要另行设计上方悬臂以悬吸悬浮体，因此底座结构复杂且视觉效果不佳。故而，目前市场上现有的磁悬浮装置基本以磁斥型悬浮装置为主，例如CN1729614B、CN100544183C、CN204993114U等。

CN1729614B公开的底座包含一组或两组呈对称布置的磁铁以形成水平单轴控制磁场，另外可选择性增设同向磁性的外围环形磁铁以增强防侧翻能力。这种底座结构相对复杂且悬浮不稳定。

CN100544183C公开的底座包括单个环形磁铁以形成水平双轴控制磁场并且同时形成足够的防侧翻能力。这种底座虽然结构简单且悬浮稳定，但悬浮高度不够理想。

CN204993114U公开的底座包括环形磁铁以及在环形磁铁中央布设成反向磁性的柱形磁铁。这种底座虽然顾及了悬浮高度，但却给水平控制机构例如电磁铁的布置造成了空间障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁悬浮装置，其能够克服上述现有磁悬浮装置的某种或某些缺陷。

本发明的第一方面提供了一种磁悬浮装置，其包括：

包含第一磁体的悬浮体，其中第一磁体具有磁性相反的上表面和下表面；以及

包含第二磁体和斥力磁体的底座，用于将悬浮体悬浮于空中，其中第二磁体和斥力磁体均具有磁性相反的上表面和下表面，

其中正常工作状态下，悬浮体悬浮在底座上方的基准位置，并且第一磁体的下表面磁性与第二磁体的上表面磁性相反但与斥力磁体的上表面磁性相同。

第一磁体、第二磁体以及斥力磁体可以是例如永久磁铁，不再受限于柱形或环形磁铁，只要各磁体自身上下表面(或顶面和底面)的磁性相反即可。本发明彻底摆脱了受底座磁体形状限制的问题，其构思为：悬浮磁体与底座磁体相对面磁性相反以使悬浮磁体不会相对于底座磁体发生侧翻，然后再提供斥力手段例如斥力磁铁以使二者上下隔开一定距离。因此，对于本发明而言，打破了目前磁斥型悬浮思想的固有束缚，底座磁铁不再受已有环形磁铁或者分开散布磁体的结构限制，甚至是一整块磁铁饼就能作为底座悬浮结构，只要同时辅以相应的斥力手段以产生能够使二者上下分开的趋势即可。

根据本发明的磁悬浮装置，第一磁体、第二磁体和斥力磁体中的至少一个可以具有基本圆柱形外轮廓，并且斥力磁体优选布置在第二磁体的中央位置。例如，第二磁体可以是圆饼或圆环(或环形磁铁)，第一磁体可以是圆柱或圆环，斥力磁体也可以是圆柱或圆环。各磁体采用这种圆柱形外轮廓使得所形成的磁场更加均匀并因此更容易控制。

在进一步的优选实施例中，第一磁体、第二磁体和斥力磁体中的至少一个可以具有上下贯通孔。第一磁体和斥力磁体的上下贯通孔可以作为某种通道例如线路或安装孔等；第二磁体的上下贯通孔则可以布置电磁控制机构或者斥力磁体以使装置更加紧凑或小型化。在一个更优选的实施例中，斥力磁体可以为由多个同向柱形永磁体构成的环形阵列，例如四个尺寸相同的同向圆柱形永磁铁所构成的方阵。

在本发明的可选实施例中，斥力磁体可以布置在第二磁体的上表面上。这种情况下，第二磁体的上表面可以是整个平面，在其上再布置斥力磁体以及电磁控制机构即可。这种结构使得制造以及组装过程更加简单方便。

在本发明的替代性实施例中，第二磁体可以为具有中央竖向孔的圆柱形磁体或磁体组，斥力磁体布置在中央竖向孔中。中央竖向孔可以是上部开口的盲孔或贯通孔。这种结构可以降低整个底座的高度并便于固定斥力磁体。

根据本发明的磁悬浮装置，第一磁体与斥力磁体的水平横截面外轮廓可以均小于第二磁体的水平横截面外轮廓。这种第二磁体占地面积更大的结构使得防侧翻效果更好。

在进一步的优选实施例中，第一磁体与斥力磁体可以均为圆柱形磁体，第二磁体则为具有上下贯通孔的圆柱形磁体。如上所述，这种结构所形成的磁场更加均匀且能够缩短底座高度。

更进一步，悬浮体还可以具有围绕第一磁体布置的辅助环形磁体，其具有磁性相反的上表面和下表面，并且辅助环形磁体的下表面磁性与第一磁体的下表面磁性相反。辅助环形磁体与第二磁体可以是单个环形磁体也可以是大致环形排列的多个分立磁体。工作状态下辅助环形磁体与第二磁体的上表面至少部分相对或投影重合。这种结构有效提供了进一步的斥力，使得悬浮高度进一步增加。

根据本发明的磁悬浮装置，第一磁体和斥力磁体中的至少一个可以为单个圆柱形永磁体或由至少两个尺寸不同的圆柱形永磁体加合而成的异型柱永磁体。这种例如大圆柱再叠加小圆柱的磁体结构可以更加适配某种具体应用例如悬浮体具有球面弧度的情况。

根据本发明的磁悬浮装置，悬浮体和底座中的至少一个还可以包括吸附板例如面积更大的铁板，第一磁体和斥力磁体或第二磁体可以吸附在相应吸附板上。采用这种结构不但可以更加方便地安装或固定相应磁铁，同时还使得相应磁体的磁场借助这种大面积铁板而能够得以有效外延或增大。

根据本发明的磁悬浮装置，底座还可以包括围绕斥力磁体布置的辅助防翻转磁体，辅助防翻转磁体具有磁性相反的上表面和下表面，并且辅助防翻转磁体的上表面磁性与第二磁体的上表面磁性一致。辅助防翻转磁体可以是直接布置在第二磁体之上或之中的单个环或排列成环状的多个磁柱。辅助防翻转磁体其实可以构成第二磁体的一部分，或者二者合起来亦可称作本发明意义下的“第二磁体”，只要整体上具有足够的防侧翻力即可。

根据本发明的磁悬浮装置，底座通常还包括水平电磁控制系统或机构，用于实时控制悬浮体相对于底座沿水平方向的偏移。这种情况下，水平电磁控制系统可以包括至少两组电磁铁、与所述至少两组电磁铁相对应的至少两个位移传感器、以及控制电路，用以分别控制悬浮体在水平方向上偏离所述基准位置的至少两个水平分量，即控制电路根据相应位移传感器所检测的悬浮体的水平偏移分量，控制相应组的电磁铁产生相应纠偏电磁力以使悬浮体返回基准位置。应当理解，本发明的“基准位置”是指悬浮体相对于底座具有悬浮平衡位置，该悬浮平衡位置或基准位置通常位于底座上方，随着底座的倾斜或平移也会随之发生相应改变。此外，本发明的位移传感器可以采用任何合适的传感器例如霍尔传感器或光学传感器或雷达传感器等。

在本发明的一个优选实施例中，第二磁体还可以具有围绕中央竖向孔分布的至少一个外侧竖向孔，底座还包括水平电磁控制系统，用于实时控制悬浮体相对于底座沿水平方向的偏移，其中水平电磁控制系统至少部分设置在所述至少一个外侧竖向孔中。所述至少一个外侧竖向孔可以是多个例如四个上部开口的盲孔或贯通孔，通常围绕中央竖向孔均匀对称布置，至少可以用于例如方便地安放相应的电磁铁，以避免与斥力磁体发生占位干涉并降低底座整体高度。中央竖向孔以及外侧竖向孔的形状不受限制，但优选采用圆孔形状。

在进一步的实施例中，第二磁体可以由围绕斥力磁体布置的多个(例如四个)环形磁体组成，所述至少一个外侧竖向孔由各环形磁体自身的中央孔提供，而中央竖向孔则由所述多个环形磁体之间所形成的间隙提供。这种例如四个(通常尺寸相同的)环形磁铁共面两两接触(四个环心形成例如平行四边形或正方形)的结构非常实用：四者所共同围成的间隙或空隙可以放置例如斥力磁体，各自的中央孔则可以放置例如电磁铁。另外，这种多个共面阵列环形磁铁结构也完全不同于现有的单个环形磁铁结构，彻底颠覆了常规设计思想。

在进一步的替代实施例中，所述至少一个外侧竖向孔可以为在第二磁体上围绕中央竖向孔开设的偏心孔。这种在环形磁铁自身环体上再挖孔的设计思想同样能够有效避免例如斥力磁体与电磁铁之间的占位冲突。作为这种情况的一个可选择性实例，偏心孔与中央竖向孔还可以相互连通或融合为一个异型孔例如四瓣梅花孔。相对于中央竖向孔与偏心孔之间互不连通的实例，这种四瓣梅花孔会更加节省材料并使得线路设计更加简单：例如，这时水平电磁控制系统的所有位移传感器甚至可以集成或设计为一个单体件并安放在中央竖向孔中，同时可以方便地实现传感器、控制电路与电磁铁之间的线路通信。

本发明的第二方面提供了一种磁悬浮装置，其包括：

包含第一磁体的悬浮体，其中第一磁体具有磁性相反的上表面和下表面；

包含第二磁体的底座，用于将悬浮体悬浮于空中，其中第二磁体具有磁性相反的上表面和下表面，其中在正常工作状态下，悬浮体悬浮在底座上方的基准位置，并且第一磁体的下表面磁性与第二磁体的上表面磁性相反；以及

使第一磁体与第二磁体稳定保持至少部分悬空隔开的保持力产生手段。

根据本发明的保持力产生手段使得第一磁体与第二磁体能够稳定保持至少部分悬空隔开，即第一磁体相对于第二磁体悬浮或二者之间至少有一段高度距离完全由空气或真空隔开而无需任何其它物理实体介于其间来支撑第一磁体。

在本发明的一个具体实施例中，所述保持力产生手段为斥力(产生)磁体。这种情况下，斥力磁体优选设置在底座中，也具有磁性相反的上表面和下表面，并与第二磁体的上表面磁性相反。

本领域技术人员可以理解，虽然为了简明起见可能在本申请的说明书中没有具体描述，但是除非存在明显冲突本发明每个实施例的相关特征同样可以适用于其它实施例。另外，本发明意义下的“磁体”和“磁铁”这两个术语含义基本相同，均表示磁性体。

附图说明

图1为根据本发明的磁悬浮装置的一个实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例的一个变型；

图3为根据本发明的磁悬浮装置的另一个实施例的结构示意图；

图4为根据本发明的磁悬浮装置的又一个实施例的结构示意图；

图5是根据图4实施例的一个变型；

图6是根据图3所示实施例的一个变型；

图7示出了图6所示实施例的磁铁的变型；

图8所示实施例的底座包括四个邻近的环形磁铁；

图9所示实施例是图8所示实施例的改进；以及

图10所示实施例是图6所示实施例的改进。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

图1是根据本发明的磁悬浮装置的一个实施例的结构示意图。该实施例的磁悬浮装置包括底座10和悬浮体20。底座10包括圆板形永久磁铁11和圆柱形永久磁铁12，磁铁12居中布置在磁铁11的平整上表面上，磁铁12上表面磁性为N，磁铁11上表面磁性为S。悬浮体20包括较大的圆柱形永久磁铁21和较小的圆柱形永久磁铁22，磁铁22居中吸附在磁铁21上，二者的下表面磁性均为N。此外，悬浮体20还包括圆形铁板23，磁铁21居中吸附在铁板23上。

根据上述图1所示布置结构，位于上方的包括磁铁21和22的悬浮体20将不会相对于位于下方的包括磁铁11的底座10产生侧翻或翻转趋势，并且由于底座10中的磁铁12可以产生足够斥力，悬浮体20将不再相对于底座10形成吸附或靠近趋势，即二者通过斥力以及重力作用的相互平衡将能够上下保持一定距离。因此，除了悬浮体20相对于底座10的横移或水平移动趋势以外，上述图1所示结构已经完全具备其它悬浮条件，即已经自我消除了竖直移动趋势以及翻转趋势。而悬浮体相对于底座的仅存横移趋势的控制技术早已是本领域公知常识，亦如下所简单举例说明。

图1所示结构还示出了横移或水平移动控制机构，包括四个由铁芯13和线圈14所组成的电磁铁以及相应的传感器15，四个电磁铁围绕磁铁12均匀间隔布置在磁铁11上表面(形成具有X轴和Y轴的十字架结构)。横移控制机构通常还具有控制电路，为了简明起见未在图中示出。传感器15实时监控或感测悬浮体20相对于底座10的横向偏移或水平分量偏移并将感测结果实时反馈给控制电路，控制电路根据反馈结果实时控制相应的电磁铁产生相应的纠偏电磁力，从而完成横移趋势的消除，实现悬浮体20相对于底座10的稳定悬浮。

图2是图1所示实施例的一个变型。与图1所示实施例的不同之处在于，图2所示结构的磁铁12不再是单个柱形磁铁，而是四个分立磁铁所形成的矩形阵列。这种方阵或环形阵列的斥力磁铁可以提供更加稳定的斥力，同时还在其中提供了布置例如一体集成传感器的空间。

图3是根据本发明的磁悬浮装置的另一个实施例的结构示意图。与图1所示实施例的不同之处在于，图3所示结构的圆板形磁铁11不再具有平整上表面，而是具有相应的盲孔16以分别容纳电磁铁以及磁铁12。这种盲孔结构可以便于电磁铁或磁铁的安装定位，并减小底座高度。

图4是根据本发明的磁悬浮装置的又一个实施例的结构示意图。与图1所示实施例的不同之处在于，图4所示磁铁11不再是圆板而是中间具有圆筒状贯通孔17的圆环。四个传感器15近距离围绕实心圆柱磁铁12布置，X轴与Y轴各两个并对称布置，四个电磁铁远距离围绕磁铁12，均位于贯通孔17内。此外，底座10还包括环形铁板18，吸附在磁铁11底部，外沿向外延伸超过磁铁11外沿，内沿与磁铁11内沿对齐。

图5是根据图4实施例的一个变型。与图4所示实施例的不同之处在于，图5所示磁铁12不再是实心圆柱而是具有上下贯通孔120的空心圆柱。2个传感器15布置在贯通孔120中，X轴与Y轴各一个。这两个传感器15既可以制成分立件，也可以制成一体集成件。

图6是根据图3所示实施例的一个变型。与图3所示实施例的不同之处在于，在图6中，磁铁11上的盲孔16变为了相应的通孔，从而可以进一步减小底座高度。另外还附加了铁板18，但铁板18上仅仅开设有与四个电磁铁(或通孔)对应的孔以避免对电磁铁产生影响而不开设与磁铁12相对应的孔。

图7示出了图6所示实施例的磁铁11的变型，其中图6所示磁铁11上开设的5个分立通孔在图7中互相连通，总体形成一个四瓣梅花通孔。

图8所示实施例有些近似图6所示实施例。但是，在图8中，底座10中的磁铁11不再是单个磁铁，而是由四个环形磁铁11’互相邻近而构成。各环形磁铁11’自身的中央圆孔110’用以放置相应的电磁铁，而由四个环形磁铁11’所围成的中空部分111’则用来放置磁铁12。铁板18上也仅仅开设有与四个圆孔110’对应的孔以避免对电磁铁产生影响而不开设与中空部分111’相对应的孔。

图9所示实施例是图8所示实施例的改进。图9所示悬浮体20还包括外围磁铁环，由多个分立圆柱形磁铁24构成，磁铁24下表面磁性为S。这种外围磁铁环进一步增强了斥力，甚至可以取代底座10中的磁铁12。

图10所示实施例是图6所示实施例的改进。图10所示悬浮体20也增加了由多个分立圆柱形磁铁24构成的外围磁铁环。此外，底座10中还增加了由多个分立圆柱形磁铁19所构成的磁铁环，围绕磁铁12布置，但上表面磁性为S。

本领域技术人员应该理解，上述实施例仅用于说明而非限制本发明。例如，虽然所示磁铁截面形状为圆形或圆环形，但也可以采用任何其它合适的截面形状例如方形截面等，只要其上下表面磁性相反即可；所有盲孔或通孔的截面形状也均不限于图示的圆形，可以采用任何其它合适截面形状例如多边形等。

Claims (10)

1.一种磁悬浮装置，包括：

包含第一磁体的悬浮体，其中第一磁体具有磁性相反的上表面和下表面；以及

包含第二磁体和斥力磁体的底座，用于将悬浮体悬浮于空中，其中第二磁体和斥力磁体均具有磁性相反的上表面和下表面，

其中正常工作状态下，悬浮体悬浮在底座上方的基准位置，并且第一磁体的下表面磁性与第二磁体的上表面磁性相反但与斥力磁体的上表面磁性相同。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中第一磁体、第二磁体和斥力磁体中的至少一个具有基本圆柱形外轮廓，并且斥力磁体布置在第二磁体的中央位置。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮装置，其中第一磁体、第二磁体和斥力磁体中的至少一个具有上下贯通孔。

4.根据权利要求2所述的磁悬浮装置，其中斥力磁体布置在第二磁体的上表面上。

5.根据权利要求2所述的磁悬浮装置，其中第二磁体为具有中央竖向孔的圆柱形磁体或磁体组，斥力磁体布置在中央竖向孔中。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中第一磁体与斥力磁体的水平横截面外轮廓均小于第二磁体的水平横截面外轮廓。

7.根据权利要求6所述的磁悬浮装置，其中第一磁体与斥力磁体均为圆柱形磁体，第二磁体为具有上下贯通孔的圆柱形磁体。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮装置，其中悬浮体还具有围绕第一磁体布置的辅助环形磁体，具有磁性相反的上表面和下表面，并且辅助环形磁体的下表面磁性与第一磁体的下表面磁性相反。

9.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中第一磁体和斥力磁体中的至少一个为单个圆柱形永磁体或由至少两个尺寸不同的圆柱形永磁体加合而成的异型柱永磁体。

10.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中悬浮体和底座中的至少一个还包括吸附板，第一磁体和斥力磁体或第二磁体吸附在相应吸附板上。