CN106508086B - 一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，技术特征在于：采用分布式电磁与液浮的混合悬浮方式克服物体的重力同时提供水平运动的驱动力，实现米级高度下的稳定悬浮同时可实现悬浮状态下水平方向上的运动。其中，物体的大部分重力通过液体的浮力克服(粗配平)，电磁吸力作为悬浮的辅助力克服剩余小部分的重力，通过调节电流改变电磁场强度，从而调节电磁力实现悬浮。物体悬浮高度的调节通过位置反馈控制分布式线圈电流强度的方法，主要控制中央线圈的电磁力来实现。物体水平位置的控制通过改变分布式阵列周围几个线圈组电压电流的方式实现。

Description

一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法

技术领域

本发明涉及一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，涉及米级高度下的悬浮技术。

背景技术

磁悬浮在现实的生活中受到了广泛的应用，例如磁悬浮列车、磁悬浮地球仪、地悬浮编钟等等，如下图所示，它们都是基于磁场/电磁场的特性。

磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。

磁悬浮地球仪利用电流磁效应使地球仪漂浮在半空中。地球仪顶端有一个磁铁，圆环形塑胶框内部顶端有一个金属线圈，金属线圈通过电流就会成为电磁铁。电磁铁与地球仪顶端磁铁间的吸力可抵消地球仪所受重力，因此地球仪可漂浮在半空中。地球仪底端也有一个磁铁。塑胶框内部底端有一个霍尔侦测器，可侦测地球仪底端磁铁的磁场变化。地球仪偏离平衡位置时，霍尔侦测器侦测到地球仪底端磁铁的磁场变化，便会产生一补偿电流。补偿电流流到塑胶框顶端金属线圈时，金属线圈磁场增加，可将地球仪拉回平衡位置。

磁悬浮编钟的工作原理是：每一个编钟的上面都有一个稀土元素制作的钕铁硼强磁，其上有特制线圈，线圈中装有传感器，高精度的传感器每秒钟上千次地高速自动检测青铜编钟的悬浮位置，并通过控制电流作出及时的调整，使得编钟一直保持悬浮的状态。

以上这些已有技术的应用都有一个限制条件：即悬浮高度(气隙间距)都很小，基本上在几个毫米到几十个毫米之间。对于大高度下的电磁悬浮少见报道。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，可以用于高高度大范围的悬浮表演、空间微重力效应的地面模拟等。

一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据物体的质量和粗配平精度，计算进行精配平所需的电磁力F_电磁力＝mg(1-u)，其中F_电磁力为精确配平时所需的电磁力的大小，单位为牛，m为物体质量，单位为千克，g为重力加速度，取9.8m/s²，u为粗配平精度，用百分数表示；

步骤2：将永磁体连接在物体下部，N×N分布式励磁线圈阵位于永磁体下方作为电磁线圈组，每一个线圈由一个交直流电源控制；每一个励磁线圈参数和永磁体参数依据电磁力F_电磁力作为已知条件，基于Ansoft软件，在可提供的额定电流下，采用有限元法进行数值计算得到；所述励磁线圈参数为线圈面电流、截面积、匝数；所述永磁体参数为永磁体截面积和厚度；

步骤3：将电磁线圈组置于水箱内物体的下方，保持物体置于水中时在自由状态下呈平面水平状态；

步骤4：测量物体重力G1和浮力F1；

步骤5：根据粗配平精度，计算达到粗配平时所要求的浮力与重力的差δ，同时计算物体的重力G1和浮力F1的差值G1-F1＝Δ，进行重力的粗配平；

当G1-F1＝Δ＞0且Δ＞|δ|时，计算F＝Δ-|δ|的值，并以F作为物体需要增加的浮力施加于物体，使物体表面与永磁体表面相平行，并保证永磁体重心、物体重心、浮体重心在一条直线上，符合配平精度；

当G1-F1＝Δ＜0时，计算F‘＝|Δ|+|δ|的值，并以F‘作为物体需要增加的重力施加于物体，使物体表面与永磁体表面相平行，并保证永磁体重心、物体重心、浮体重心在一条直线上，符合配平精度；

当G1-F1＝Δ＞0，且Δ＜|δ|，符合配平精度；

步骤6：水箱注水后将物体放入，使其沉在水箱底部，使其位于某一励磁线圈的上方；

步骤7：以某一励磁线圈为中心线圈，首先给周围8个线圈通大小和极性都相同的电流，然后给中心线圈通电，中心线圈电流极性与周围8个线圈相同但大小不同；调节周围线圈和中心线圈电流大小使得物体，得到物体需要的悬浮高度；

步骤8、物体在水箱内的悬浮运动：

当物体需要竖直方向运动时：根据实际高度和设定高度之间的偏差，调节中心励磁线圈的电流或电压值，使物体上下运动而改变高度；

当物体需要水平面内运动时：根据设定的水平位置和当前水平位置的偏差，确定运动路径，按照运动路径选择相应的分布式电磁线圈组，依次顺序调整工作线圈的电流或电压值使物体左右运动而改变水平位置；所述的依次顺序调整为某一方向的增加以及相反方向的减少。

所述的步骤5中需要浮力时选用密度小于水的平板型浮体，要求该浮体产生的纯浮力F＝Δ-|δ|；所述的纯浮力是指浮力减去自身的重力。

所述的步骤5中需要增加重力时选用密度大于水的配重块，要求该配重块产生的附加重力的大小F‘＝|Δ|+|δ|；所述的附加重力是指重力减去自身的浮力。

本发明提出的分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，采用分布式电磁与液浮的混合悬浮方式克服物体的重力同时提供水平运动的驱动力，实现米级高度下的稳定悬浮同时可实现悬浮状态下水平方向上的运动。其中，物体的大部分重力通过液体的浮力克服(粗配平)，电磁吸力作为悬浮的辅助力克服剩余小部分的重力，通过调节电流改变电磁场强度，从而调节电磁力实现悬浮。物体悬浮高度的调节通过位置反馈控制分布式线圈电流强度的方法，主要控制中央线圈的电磁力来实现。物体水平位置的控制通过改变分布式阵列周围几个线圈组电压电流的方式实现。

本发明可以实现米级悬浮高度下物体的稳定悬浮，同时通过合理选择分布式线圈组的组合，可以实现物体在水平方向上的运动和竖直方向上的运动，而且物体高度和位置可调可控。

本发明原理简单，实施简单，操作方便。

附图说明

图1：分布式电磁-液浮混合悬浮系统的组成及原理图；

1-实验物体，2-单个电磁线圈，3-电磁线圈组，4-水箱，5-水，6-导线，7-交直流电源控制柜其内部装有N*N个可单独控制的交直流电源；

图2：分布式工作线圈布局。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

实现本方法的系统包括液体水箱、电磁线圈组、实验体、直流电源转换器等设备组成。系统中悬浮物体的重量可达100kg，重力粗配平精度达到98％即可。电磁系统进行重力精确配平时可提供2％G的电磁力，悬浮高度(距离水箱底面)0-1m，电磁系统额定电流12A，额定电压250V。

采用3*3九宫格布置励磁线圈组，每个线圈结构相同，周围八个线圈通以相同大小和极性的电流，中间线圈电流极性与周围相同，但大小不同。物体底部安装硼铷稀土永磁体，整个物体重量54kg。实验证明，即使物体初始位置不在九宫格的中央，在一定距离范围内，都可以自动回到中央位置。在米级悬浮高度下，通过调整中央线圈的电流，可以实现稳定悬浮和高度控制。通过选择不同的电磁线圈组合，可以实现悬浮状态下物体在水平面内的运动。

第一步：根据物体的质量和粗配平精度，按照公式F_电磁力＝mg(1-u)，计算进行精配平所需的电磁力大小，其中F_电磁力为精确配平时所需的电磁力的大小，单位为牛，m为物体质量，单位为千克，g为重力加速度，取9.8m/s²，u为粗配平精度，用百分数表示。

第二步：采用3*3分布式励磁线圈阵，使永磁体呈水平位于此阵的上方，励磁线圈阵通电后对永磁体产生电磁力。将所需电磁力F_电磁力作为已知条件，基于Ansoft软件，在可提供的额定电流下，采用有限元法进行数值计算，得到每一个励磁线圈参数和永磁体的大小参数。基于此，选择符合参数要求的永磁体和励磁线圈。

第三部：将永磁体连接在物体下部(将此物体称为实验体)，使连接了永磁体的物体置于水中时在自由状态下永磁体呈平面水平状态。

第四步：测量实验体重力G1和浮力F1。

第五步：重力的粗配平。根据粗配平精度，计算达到粗配平时所要求的重力与浮力的差δ。比较重力和浮力的大小，若G1-F1＝Δ＞0且Δ＜|δ|，表明粗配平精度已达到。若G1-F1＝Δ＞0且Δ＞|δ|，选用密度小于水的平板型浮体，要求该浮体产生的纯浮力(浮力减去自身的重力)的大小F＝Δ-|δ|，之后将该平板型浮体加装在实验体上，使其表面与永磁体表面相平行，并保证永磁体重心、物体重心、浮体重心在一条直线上。若G1-F1＝Δ＜0，选则密度大于水的配重块，要求该配重块产生的附加重力(重力减去自身的浮力)的大小F＝|Δ|+|δ|，之后将该配重块加装到实验体上，使其位于永磁体低下，且保证两者重心重合。

第六步：液体水箱外底面下加装分布式电磁线圈组，线圈按照N行N列紧密排列(N＞3)，线圈与交直流电源控制器相连通，一个线圈对应一个交直流电源控制器，保证每一个线圈的电流电压可以通过对应的控制器单独进行控制。

第七步：液体水箱注水，将实验体放入，使其沉在水底。

第八步：实验体悬浮。初始时刻，实验体放置在水箱底部，使其位于某一励磁线圈的上方，选择以该线圈为中心的3*3个电磁线圈作为有效线圈。首先给周围8个线圈通大小和极性都相同的电流，然后给中心的线圈通电，中间线圈电流极性与周围相同但大小不同。调整电流方向使对实验体产生吸力。根据实验体需要的悬浮高度，调节周围线圈、中心线圈电流大小，直至实验体运动到所需高度为止，保持各线圈参数不变，实验体悬浮。

第九步：竖直方向运动。在上一步基础上，当悬浮高度需要变化时，根据实际高度和设定高度之间的偏差，只需调节中心励磁线圈的参数(电流、电压值)，就可使物体上下运动而改变高度，形成竖直方向运动。

第十步：实验体在水平面内运动。在第八步悬浮的基础上，根据设定的水平位置和当前水平位置的偏差，确定运动路径，选择相应的分布式电磁线圈组及其开启顺序。以5*5的分布式电磁线圈为例，如图所示，若初始时刻实验体位于33上方，则选择以33为中心的9个线圈。若实验体要向左运动，则先逐渐减小左侧32的电流，同时逐渐增加33的电流，当实验体运动到32区域时，开启21，31，41，同时关闭24，34，44，在此过程中使32和33电流恢复到初始值，形成以32为中心的工作线圈组。同理可实现其它方向的运动。该动作可以通过逻辑编程自动实现。

实验时，将实验体沉在水底，电磁线圈阵布置于水箱下面，通电后产生电磁场，对置于其中的铁磁性实验体产生电磁作用力，使实验体悬浮，同时可实现悬浮状态下物体在水平面内的运动。

Claims (3)

1.一种分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据物体的质量和粗配平精度，计算进行精配平所需的电磁力F_电磁力＝mg(1-u)，其中F_电磁力为精确配平时所需的电磁力的大小，单位为牛，m为物体质量，单位为千克，g为重力加速度，取9.8m/s²，u为粗配平精度，用百分数表示；

步骤2：将永磁体连接在物体下部，N×N分布式励磁线圈阵位于永磁体下方作为电磁线圈组，每一个线圈由一个交直流电源控制；每一个励磁线圈参数和永磁体参数依据电磁力F_电磁力作为已知条件，基于Ansoft软件，在可提供的额定电流下，采用有限元法进行数值计算得到；所述励磁线圈参数为线圈面电流、截面积、匝数；所述永磁体参数为永磁体截面积和厚度；

步骤3：将电磁线圈组置于水箱内物体的下方，保持物体置于水中时在自由状态下呈平面水平状态；

步骤4：测量物体重力G1和浮力F1；

步骤5：根据粗配平精度，计算达到粗配平时所要求的浮力与重力的差δ，同时计算物体的重力G1和浮力F1的差值G1-F1＝Δ，进行重力的粗配平；

当G1-F1＝Δ＞0且Δ＞|δ|时，计算F＝Δ-|δ|的值，并以F作为物体需要增加的浮力施加于物体，使物体表面与永磁体表面相平行，并保证永磁体重心、物体重心、浮体重心在一条直线上，符合配平精度；

当G1-F1＝Δ＜0时，计算F‘＝|Δ|+|δ|的值，并以F‘作为物体需要增加的重力施加于物体，使物体表面与永磁体表面相平行，并保证永磁体重心、物体重心、浮体重心在一条直线上，符合配平精度；

当G1-F1＝Δ＞0，且Δ＜|δ|，符合配平精度；

步骤6：水箱注水后将物体放入，使其沉在水箱底部，使其位于某一励磁线圈的上方；

步骤7：以某一励磁线圈为中心线圈，首先给周围8个线圈通大小和极性都相同的电流，然后给中心线圈通电，中心线圈电流极性与周围8个线圈相同但大小不同；调节周围线圈和中心线圈电流大小使得物体，得到物体需要的悬浮高度；

步骤8、物体在水箱内的悬浮运动：

当物体需要竖直方向运动时：根据实际高度和设定高度之间的偏差，调节中心励磁线圈的电流或电压值，使物体上下运动而改变高度；

当物体需要水平面内运动时：根据设定的水平位置和当前水平位置的偏差，确定运动路径，按照运动路径选择相应的分布式电磁线圈组，依次顺序调整工作线圈的电流或电压值使物体左右运动而改变水平位置；所述的依次顺序调整为某一方向的增加以及相反方向的减少。

2.根据权利要求1所述的分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，其特征在于：所述的步骤5中需要浮力时选用密度小于水的平板型浮体，要求该浮体产生的纯浮力F＝Δ-|δ|；所述的纯浮力是指浮力减去自身的重力。

3.根据权利要求1所述的分布式电磁与液浮的混合悬浮方法，其特征在于：所述的步骤5中需要增加重力时选用密度大于水的配重块，要求该配重块产生的附加重力的大小F‘＝|Δ|+|δ|；所述的附加重力是指重力减去自身的浮力。