CN116635122A - 使用偏置磁阵列实现磁悬浮和移动的装置和应用 - Google Patents

Abstract

我们使用永磁体来使重物悬浮和运输重物。选择性地致动永磁体床以使位于床上方的磁体阵列悬浮，使得悬浮阵列中的磁体与致动的磁体相反，并且磁极相同，从而产生排斥力。致动的磁体与永磁体床中未致动的磁体相抵，从而将最大悬浮力施加予悬浮阵列中的磁体。我们的系统使用磁排斥力在仓库中使货物悬浮并运输货物，模拟行走或跑步(诸如在跑步机或虚拟游戏平台上)，以及运输人员(诸如移动的人行道上)。我们的系统是使用磁悬浮来固定设备或使设备悬浮的电机，并且还使用永磁体来无线传输电力。

Description

使用偏置磁阵列实现磁悬浮和移动的装置和应用

背景技术

磁悬浮是一个古老的概念，其利用两块磁体之间的排斥或吸引力将物体提升。任何玩磁体的孩子都会发现两块磁体可以互相推开，并且可能会尝试排列这两块磁体，使一块磁体漂浮在另一块磁体的上方。他们很快发现，让磁体稳定地漂浮在空中在实践中是困难的，甚至是不可能的。

Neal在20世纪40年代就披露了使用永磁体将轻型物体悬浮以进行显示的系统示例(US2,323,837A)。该系统只能提升轻型物体，比如鞋子，并且有一个严重的问题，即在不增加复杂性的情况下，被提升的物体是否会保持稳定(参见US 5，168，183A和后来对恩绍(Earnshaw)定理的讨论)。

Harrigan在20世纪70年代就披露了另一个使用永磁体将轻型物体悬浮的系统示例(US4,382,245)。该系统使用碗形的底层磁体，并需要轻型悬浮物体旋转以保持稳定。

有时在某些应用中使用的是永磁体阵列而不是一体式磁体。Halbach阵列是一种磁体排列，它大大增强了阵列一侧的磁场，同时大大减弱了另一侧的磁场。Halbach阵列中的各个单独的磁体必须是定向的，以便每个磁体都具有一个磁场，指向与接触它的每个磁体相差90度。

Halbach阵列很难组装，因为所需的不同磁方向使组件磁体相互排斥。可能很难保证阵列将保持在一起。此外，随着时间的推移，每个磁体的力都会使其相邻的磁体退磁，具体取决于磁性材料的矫顽力。此外，加热磁体通常会降低其矫顽力。

Whitehead在20世纪90年代初期披露了一种悬浮系统(US 5,168,183A)，该系统使用永磁体进行提升并且使用带有传感器的电磁体进行反馈控制，以确保稳定性，该系统可以用于提升轻型玩具。Davis于2009年加入Whitehead，一起描述了一种改进的悬浮系统，该系统同样使用永磁体进行提升并使用带有传感器的电磁体进行反馈控制以确保稳定性(US7,505,203)，该系统声称具有更好的稳定性，可以以更低的成本以及更少的磁性材料来提升同样的轻型玩具。

也可以使用旋转磁体阵列产生悬浮力，以在金属板中产生涡流。在实践中的一个示例是Hendo悬浮滑板，它具有圆盘形悬浮发动机，这些发动机是电磁体并且还在顺磁性铜或铝地板上感应产生涡流和排斥磁场。Hendo悬浮滑板只能悬浮在顺磁性地板上，并且在使用过程中，发动机和顺磁性地板都会变得非常热。悬浮滑板上的发动机消耗大量能量，所需的电池会增加悬浮滑板的质量，然后必须将其悬浮。

悬浮列车的行驶速度比传统车辆快得多，因为不需要轮子，因此车辆和导轨/道路之间无需克服摩擦。100多年来，人们一直致力于高速列车的磁悬浮技术。这些系统结合使用了永磁体、电磁体，有时还使用超导磁体。超导磁体的使用需要低温系统，但除了最大的工业应用(例如磁悬浮列车)之外，低温系统的价格昂贵得令人望而却步。电磁体的使用也存在问题，因为它需要大量的电力才能使相对较重的物体悬浮。Halbach永磁体阵列可用于磁悬浮列车轨道。

通过磁悬浮来运输物体基本上还停留在科幻小说的领域。想象一下，拨动一个开关，让一堆盒子悬浮在地板之上，这样您就可以在没有摩擦力的情况下，仅靠惯性和空气阻力推动它。这种运输系统之所以不存在，主要是因为用电磁体提升重物非常昂贵、能源消耗量大且会产生热量。

确实存在使用磁悬浮的小型运输系统。将直线电机用于磁悬浮列车，使其进行一维运动。1968年，Bruce Sawyer申请了第一台平面电机或Sawyer电机的专利，该电机可以在二维平面内移动质量很小的物体。这种类型的系统用于微芯片的精密光刻，因此通常悬浮的物体的质量仍然很小。Planar Motor公司目前提供的平面电机悬浮系统，声称能够提升质量高达14kg的物体。这些系统中的每一个系统都使用电磁线圈来产生排斥的磁升力。

全向跑步机，如电影《头号玩家》中展示的Infinadeck，是可用的，但不使用磁悬浮。Infinadeck的机构就像一条由较小的垂直输送带组成的传送带：例如，大型传送带向北或向南移动，而北/南运动的传送带上的较小条带分别向东或向西移动。尽管这种全向跑步机在二维中近似行走和慢跑运动，但它仍存在许多问题。直接驱动跑步机，如Infinadeck，面临着摩擦和惯性问题。摩擦力的存在限制了直接驱动跑步机对用户运动变化的反应速度，需要相对较大的驱动电机来克服系统上的摩擦阻力。同样，直接驱动电机的皮带和滑轮的惯性限制了该系统的反应时间。

使用永磁体进行磁悬浮用于旨在提升超过几磅的应用主要存在三个问题：

1.恩绍定理-数学上已经证明，使用任何固定的永磁体排列都不可能使物体稳定地悬浮。

2.缩放不良-随着固定厚度磁体的横向尺寸增加，悬浮力不随面积缩放。为了在单位面积上保持较大的力，磁体的厚度必须根据其横向尺寸进行缩放，这导致系统相对较重，适用性有限。

3.小磁体处于大磁体上方-如果小磁体(横向尺寸较小)在一个同等横向尺寸的磁体上使用磁斥力悬浮，则会产生相对较大的悬浮力。但是，如果增大其中一个磁体的横向尺寸，并且保持两个磁体的厚度不变，则悬浮力减小；如果增大其中一个磁体上的两个横向尺寸，则悬浮力减小幅度更大。这意味着很难将相对较小的磁体悬浮在更大的磁体上。

发明内容

本发明使用永磁体来产生磁悬浮所需的力。解决了在这些应用中使用永磁体进行磁悬浮的三个主要问题：恩绍定理中的不稳定性、缩放不良和将小磁体悬浮在较大的磁体上的困难。

发明者开发了一种系统，包括一个磁体床，其中每个单独的磁体都连接到线性致动器上，该致动器上下垂直地移动磁体。待磁悬浮的一个或多个磁体的另一较小阵列放置在所致动的磁体床上方。通过选择性地将单个或成组的被致动的磁体从磁床向上移动到子阵列中，然后向下移动，偏移子阵列直接保持在上层阵列的下方，使其悬浮。此外，该致动既可以稳定悬浮，也可以横向移动上层悬浮阵列。

该系统利用了以下发现：当将具有给定表面积和厚度的大磁体与具有相同表面积和厚度的较小磁体阵列进行比较时，具有间距的磁体阵列比实心磁体提供更大的升力。该系统还利用了以下发现：当下层阵列与上层悬浮阵列的尺寸接近时，它比下层阵列大于上层阵列时提供更好的升力。该系统尽可能使用永磁体，以减少总功耗，并避免或限制系统的悬浮部分对电源和电池的需求。

该系统还利用了以下发现：当使用间隔磁体阵列而不是实心磁体时，在小距离(小于1厘米，例如使用1/4英寸厚的钕磁体时)内产生的升力超过相同厚度和表面积的实心磁板产生的升力。因此，对于悬浮应用，特别是那些具有垂直脉冲力的应用而言，这种在小距离上增强的悬浮力有助于确保系统免受产生升力的下层磁体阵列与悬浮磁阵列或悬浮平台之间的碰撞。此外，对于在小距离(例如小于1/4厘米)内悬浮非常重的物体时，间隔较小的磁体阵列系统性能在升力方面远远优于相同尺寸的实心磁板。

该系统进一步利用下层磁体的垂直(z)运动来引起x-y平面的运动、加速和减速，以及对悬浮部分进行稳定性调整。最后，该系统可以利用这样的发现：尺寸给定的且中心磁体移除了的下层阵列可以举起大小大致相同且同样中心磁体移除了的上层悬浮阵列，当两个阵列都充满磁体时，下层阵列可以举起上层阵列的力大致相同。

发明者还创造了一个磁体阵列，其间隔为使得当彼此永久互锁成一个阵列时，在阵列的一侧产生N面力，在阵列的另一侧产生S面力，这两个力超过相同尺寸的平板永磁体的N面和S面排斥力。这样一来，会产生一个磁性系统，该系统在阵列的两侧都具有强大的排斥力。因此，这种排列提供了更大的力，需要更少的磁性材料，重量更轻，并且比其他结构的成本更低。

我们进一步描述了使用本文详细描述的创新机制和概念来使用排斥磁力的应用，包括将悬浮用于运输、娱乐和电力传输。

运输系统使用排斥磁力来使轻型负载以及从几磅到数千磅的重型负载悬浮，并允许负载在地板和负载之间没有任何摩擦的情况下移动。运输系统可以是简单的路径形永磁体阵列，每侧都有导轨，用户沿着该导轨在起始点和目的地之间的底面上推动自身带有磁体的货物集装箱。一旦负载被放置在运输系统上，除了用户努力沿着该路径控制和推动负载之外，这种简单的运输系统就不需要任何动力了。

这种运输系统可以通过多种方式变得更加通用、复杂和自动化，每次升级都需要一些动力。该基座路径中的致动永磁体(即磁体上下移动以形成凸起的子阵列，这些子阵列与该基座路径中的其余磁体发生垂直偏移)可以为货物集装箱提供额外的悬浮力，还可以使集装箱向前或向后移动、转弯、加速、减速或停止。

“偏移(Offset)”一词的两个独立定义适合描述凸起的下层子阵列。“位移”或“物体尺寸或轮廓的突然变化”(Merriam Webster)这一更模糊的定义描述了凸起的子阵列的形状-偏移子阵列磁体大大高于下层磁体床。“抵消(Counteract)”或“使对立力无效或效率较低的力或影响”(Merriam Webster)这一更常见的定义描述了凸起的子阵列对于下面的下层床中剩余磁体的影响-通过将偏移子阵列和悬浮阵列充分提升到下层床的上方，悬浮阵列摆脱了基座磁体床的吸引力，因此偏移子阵列的排斥力无需要与那些相反的吸引力竞争。

移动的致动磁体也会导致集装箱沿着该路径中的一个或另一个岔路口前进。致动磁体可以稳定集装箱，使导轨不那么重要或没有必要。在货物集装箱上的悬浮阵列下方提升一个小的磁体子阵列也能提供更大的单位面积升力。下层和/或上层阵列中或位于其他地方的传感器指示负载的位置，以及速度、加速度、横滚、俯仰、偏航和水平度等相关信息。然后，可以采用主动反馈方案，在该方案中，传感器测量悬浮阵列的位置，并且致动磁体进行调整以提供稳定力，以将负载保持在所需状态。这样一来，系统就不会遭受恩绍定理预测的无法克服的不稳定性，该定理仅适用于被动悬浮系统。

电磁体可以代替永磁体或作为致动永磁体的补充，用于悬浮、加速、减速、旋转和稳定负载。与单独的致动磁体相比，电磁线圈与致动永磁体的组合可以提供更大的升力以及更快、更精细的磁力变化。

在大型平面阵列或床中，致动磁体扩展到预设路径之外，可以使负载悬浮和推动或以其他方式移动到平面上的任何地方。一个或多个传感器、AI、用户输入以及附接到货物集装箱的悬浮阵列与底层磁体床之间的通信的组合允许磁体的致动子阵列在集装箱上悬浮阵列下方的正确位置通过磁排斥力提升并支撑货物集装箱。电磁体可以添加到致动永磁体的底层平面床上，以提高升力、反应时间和速度。除非可以选择在外边缘，否则导轨不会与该平面一起使用。

在需要用户推动负载的系统中，或者在人类或其他车辆行驶的地方，采用高于基座磁阵列的最高偏移水平之上的假地板进行指示，以防止用户或其他车辆踩踏或碾过移动的磁体或带电的磁体。

与覆盖整个车间的巨大致动磁体床不同，覆盖有致动磁体的可移动甲板可以从起始点移动到目的地反复重新排列，以便负载可以悬浮并在固定甲板上移动。

该公开进一步描述了一种用于锻炼和游戏的装置，如跑步机，它支持人在一个具有磁悬浮的地方保持静止、平衡、行走或跑步。与现有的受到大型传送带的摩擦和惯性限制的直接驱动跑步机相比，悬浮系统控制装置是单独致动磁体，每个磁体的质量很小，因此惯性也很小。此外，悬浮平台是单独控制的，质量低。这使得对用户跑步运动变化的反应更快。

该公开进一步描述了移动的人行道的多种配置，就像机场旅客熟悉的那样，它在悬浮平台上而不是在传送带上运送静止和行走的人。

该公开进一步描述了用于电力传输的装置，其中致动磁体使发电机轴旋转，产生例如可用于为电池充电或运行机器的电力。致动磁体同样可以引起振荡、往复或来回运动，这可以直接产生动力，或者反过来可以转化为发电机轴的旋转运动以产生动力，或者可以直接为车轴、皮带或其他机器部件提供动力。

附图说明

图1是货物运输系统的无偏移实施例的等距视图-磁体的基座路径、悬浮在上方的货物集装箱，以及保持货物集装箱在该路径上方居中的导轨。

图2是图1中货物运输系统的无偏移实施例的前视图，示出了悬浮在基座磁体路径上方、下方连接有磁体的货物集装箱，以及保持货物集装箱居中的导轨。

图3是货物运输系统的平行路径无偏移实施例的等距视图，示出了与图1相同的元件，但基座路径和悬浮磁体的配置不同。

图4是图3所示的货物运输系统的平行路径无偏移实施例的前视图。

图5是致动磁体床的等距视图，其中示出的2×2致动磁体子阵列在床的其余部分上方发生偏移。

图6是图5所示的同一致动磁体床的等距视图，其中减去中心磁体的致动磁体的3×3子阵列在床的其余部分上方发生偏移，从而使平台悬浮，该平台在其底面连接有匹配的磁体阵列。

图7是图6侧面的剖面图，示出了具有一些致动磁体的磁体床，以及下面连接有磁体的悬浮平台。

图8示出了磁体排列的几个示例，这些磁体可以很好地作为悬浮阵列使用，并且可以连接到悬浮物体的底面。

图9示出了具有排斥力和吸引力的磁体排列，用作悬浮阵列，并且可以连接到悬浮物体的底面。该排列包括显示排斥磁力的外围正方形磁体和显示吸引磁力的内部正方形磁体。

图10A示出了一个运输系统，其中底层的致动磁体从磁体床上升起，以支持和稳定货物集装箱，因为它可以在平面上向任何方向移动。假地板位于磁体床和货物集装箱之间。

图10B是图10A侧面的剖面图，示出了具有一些致动磁体的磁体床、假地板和悬浮的货物集装箱。

图11是由多个可移动甲板组成的运输系统的等距视图，每个甲板上都覆盖有致动磁体阵列，该系统可以像图5、6和7所示的运输系统一样使货物悬浮。

图12A是跑步机的等距视图，示出了人在行走区的悬浮平台上行走，跑步机的其余部分由上层假地板覆盖。

图12B是图12A所示的跑步机的等距视图，其中上层和下层假地板都被移除，露出了致动磁体床以及在非行走区域行驶的悬浮平台。

图12C是图12A和12B所示的跑步机的侧面剖面图，示出了具有一些致动以提升悬浮平台的磁体床；覆盖磁体床的下层假地板；行走区中的几个悬浮平台和非行走区中的两个悬浮平台；覆盖非行走区的上层假地板；和行走者。

图13A是无线电力传输系统的等距视图，其中致动磁体向上推动上层磁体，而上层磁体又通过轴和活塞连接，或通过线圈引起振荡磁通量，作用于发电机、发动机或机器。

图13B是无线电力传输系统的等距视图，其中一组致动磁体对一组上层磁体施加水平力，产生扭矩，使上层磁体旋转其连接的轴。旋转轴反过来作用于发电机、发动机或机器。

图14是平面移动进器的侧面剖面图，其具有为悬浮平台提供升力、水平力和稳定力的底层致动磁体床，以及为悬浮平台提供进一步的水平和稳定力的一组架空的致动磁体。悬浮平台连接到水平轴上。

具体实施方式

本公开中描述的系统克服了前面描述的三个问题中的每一个问题，实现了能够在横向尺寸高达几英尺或更大的悬浮平台上支撑重达几百磅或更重的悬浮系统。

问题1：恩绍定理

1842年，英国数学家塞缪尔·恩绍(Samuel Earnshaw)证实了一个数学证明，即仅通过电荷的静电作用，不可能使点电荷集合稳定地悬浮在平衡状态中。这意味着悬浮应用中磁体的任何配置都必须进行动态控制。在许多应用中，这种动态控制是通过电磁体(例如悬浮地球仪)实现的。例如，永磁体可以悬浮在连接到反馈伺服的电磁线圈阵列上方。该反馈使得电磁体中的电流是动态调整的，以确保永磁体保持在稳定的静止位置上。由于此方法使用主动反馈，因此不违反恩绍定理。

然而，鉴于功率要求，这种排列不太适合使重达数百磅的物体悬浮。我们估计这样的系统需要大于l0kW才能支撑一平方英尺重达300磅的区域。为了克服这种功率要求，本发明使用永磁体来提供悬浮力。为了使悬浮稳定，磁体在垂直方向上是动态控制的。作为仅使用永磁体进行动态控制悬浮的示例，排列两个相同大小的磁体，使一个磁体固定，另一个磁体以一定距离悬浮在其上方。四个较小的磁体连接到悬浮磁体每个侧面的线性伺服上。当该伺服上下移动时，它会产生水平力，从而在水平方向上排斥磁体。通过将该伺服连接到位置感应反馈系统，悬浮磁体会保持在稳定位置。由于悬浮力由永磁体提供，因此与使用电磁体提供悬浮力的系统相比，该系统使用的功率很小。唯一消耗的功率是提供主动反馈。

问题2：缩放不良

对于给定的磁体尺寸，悬浮应用中可以支持的重量是有限制的。一般来说，悬浮更多的重量需要更多的磁性材料。然而，对于给定的磁体厚度，随着磁体在横向尺寸上变大，每单位面积的悬浮力不与表面积成比例。为了证实缺乏缩放，我们模拟了两个N52钕磁体，每个钕磁体的厚度为25英寸，并间隔一定的悬浮间隙。我们改变了悬浮间隙和磁体的横向尺寸，同时保持厚度固定。结果表明：单位面积力随磁体宽度的增加而减小。

对于必须将大量重物(数百磅)悬浮在大型平台(横向尺寸为英尺)上的应用，这种缩放的缺乏是一个问题。如果用较小的子磁体阵列代替实心磁板，每个子磁体之间有间距，则升力会显着增加。当比较1英尺方形实心板N52钕磁体与1英尺×1英尺的25英寸厚的N52钕磁体阵列(磁体之间间距为1/8英寸)可以悬浮的重量时，当悬浮间隙为0.5厘米时，阵列的升力比实心板的升力大50％。在本公开中，我们在悬浮方案中利用间隔的磁体阵列来增加悬浮力。

问题3：大磁体上方悬浮小磁体

尝试将相对较小的磁体阵列悬浮在更大的阵列上似乎是合乎逻辑和实用的。然而，我们发现，随着下层磁体阵列尺寸的增加，尺寸固定的磁平台上的悬浮力会减小。我们的模拟和测试一致表明，随着下层磁体阵列的横向尺寸增加，传给尺寸固定的悬浮磁阵列的每单位面积的悬浮力也在减小。

我们模拟并试验了从主基座阵列中直接在悬浮磁体阵列下方提升磁体子阵列并使之偏移。我们发现，随着偏移距离(保持在基座水平的基座磁体与经偏移并升起的基座磁体之间的垂直距离)的增加，悬浮力也会增加到一定程度。

我们模拟并测试了三个场景：1)无偏移-下层阵列是10×10磁体阵列，下层阵列中的所有磁体都在同一平面上。2)有偏移-下层阵列是10×10磁体阵列，但位于悬浮磁体正下方的2×2组磁体在10×10平面的其余部分上方垂直偏移4厘米。3)小型下层阵列-下层磁体阵列与2×2上层磁体阵列具有相同的尺寸和间距。

测试数据密切跟踪我们计算的模拟。我们发现，当一个小型2×2阵列悬浮在较大的10×10阵列(无偏移组)上方时，与悬浮阵列和下层阵列尺寸相同(小型下层阵列组)的情况相比，提供的悬浮力相对较小。但是，当悬浮阵列正下方的较大10×10阵列中的磁体子组在10×10阵列的其余部分上方垂直偏移4厘米(有偏移组)时，悬浮力就恢复到小型下层阵列组的水平。

为了提供上下文背景，在无偏移测试中，下层10×10阵列根本无法抬起重约6磅的上层阵列结构或使之悬浮。有偏移和小型下层阵列测试都能够使悬浮重量超过20磅。这种使用偏移磁体子阵列增加来自大型下层阵列的悬浮力的概念是本发明的核心。

我们认为，这种现象是由于未处于悬浮阵列磁体正下方的基座磁体与悬浮阵列磁体之间存在吸引力造成的。我们观察到当下层阵列远离任何其他基座磁体时，将达到下层阵列的最大升力。我们发现，当使用厚度在1/4英寸到2英寸之间的磁体时，在偏移子阵列比基座阵列的其余部分高出4厘米时，偏移磁体子阵列就达到了提供给悬浮阵列的最大升力。我们发现，对于这些磁体厚度，并且在目标悬浮间隙为0.25厘米(偏移子阵列磁体和悬浮阵列中的磁体之间的间隙)，为了使偏移子阵列向悬浮阵列提供至少50％的最大升力，该偏移应至少为0.25厘米，与0.25厘米的悬浮间隙一起在悬浮阵列和未悬浮的基座磁体之间产生0.5厘米的目标间隙，从而充分摆脱与基座磁体的吸引力相互作用，从而使升力达到其最大升力的50％。

接下来，我们描述了货物运输系统的一个简化的无偏移实施例(此处的货物是指由Merriam Webster定义所接受和携带、运送或运输的一定质量或数量的货物)，它克服了恩肖定理、缩放不良和大磁体上方悬浮小磁体的问题。2×2磁体阵列悬浮在固定永磁体的长链上方。这种配置在只需一维横向运动的应用中非常有用。模拟表明，类似于大方形阵列上方悬浮小方形阵列的情况，单位面积的力随着基座阵列变大(在本例中更长)而减小。但是，与基座阵列在长度和宽度上都增加的情况相比，一维长度的增加而产生的衰减不太严重。

如图1和图2所示，该无偏移实施例包括狭长的永磁体阵列(1)，该阵列排列为水平路径，例如横跨2个磁体并长100个磁体，它们都连接到地板上。下层阵列中的所有磁体(2)具有相同的尺寸(例如1平方英寸和1/4英寸厚)和强度(例如N52钕)。每个磁体(2)的顶面和底面呈方形，每个磁体的高度都很小。每个磁体与其最近的邻磁体间隔1/8或1/4英寸。基座路径阵列(1)中的每个磁体(2)都有指向同一方向的磁极。物理导轨(3)平行于基座路径(1)，在基座路径的两侧，与基座路径的中心等距(假设货物的重心在货物的物理中心内)。导轨(3)的高度和导轨之间的距离是根据沿该路径移动的预期货物的大小和形状来选择的。导轨的目的是防止货物和货物集装箱(4)从任意一侧的路径上滑落。导轨是物理约束，有助于克服恩肖定理中描述的不稳定性。

在这个最简单的无偏移实施例中，运输系统只使用一种尺寸的货物或货物集装箱。货物集装箱(4)具有磁体阵列(5)，该阵列由与下层阵列中磁体(2)的子组具有相同大小、形状、类型和强度的磁体组成。该上层悬浮阵列连接到货物集装箱(4)的底层，如图2所示，其所有磁体(5)的磁极都指向下方并与下层阵列磁体(2)指向上方的磁极相同，使得上层悬浮阵列排斥下层路径阵列(1)。悬浮阵列的宽度与基座路径阵列(1)的宽度相同，悬浮阵列(5)位于货物集装箱(4)的底层中心，以实现平衡和稳定性。

当货物集装箱(4)放置在路径阵列(1)上方时，由于悬浮阵列和基座路径磁体阵列之间的排斥，货物集装箱(4)会被悬浮起来。导轨(3)可防止货物集装箱(4)左右移动，因此悬浮阵列(5)总是精确地位于基座路径阵列(1)的某些部分上方。用户可以从后面推动或从前面拉动货物集装箱(4)，在基座路径阵列(1)行走，使货物集装箱(4)很容易沿着导轨(3)之间的路径移动。

这一最简单的无偏移实施例利用了横向尺寸受限的较窄基座阵列增加的悬浮力，这与尺寸不受限制的大型基座阵列相反。正如我们的研究表明，相对于上层阵列而言，宽度和长度较大的下层平面阵列并不能提供太多(如果有的话)整体悬浮力。模拟表明，这是由于基座阵列中每个悬浮磁体与相邻磁体之间存在吸引力造成的。下层磁体和正上方的悬浮磁体之间的相互作用纯粹是排斥性的。然而，当悬浮磁体从下层磁体横向位移到其宽度的82％到100％之间时，相互作用变得具有吸引力(这种位移的确切数字取决于每个磁体的厚度)。

如果我们考虑在下层磁体的二维阵列上悬浮单一的悬浮磁体，我们可以使用单个磁体模拟来预测悬浮磁体上的净力。考虑到悬浮磁体下方和最靠近悬浮磁体的下层磁体的3×3平面阵列，一个下层阵列磁体具有很强的排斥力，而悬浮磁体下方和周围的8个最近邻磁体相互吸引。相比之下，线性阵列具有较少的具有吸引力的最近邻磁体。例如，1磁体宽的基座阵列上的单个悬浮磁体在基座阵列中只有两个有吸引力的最近邻磁体。

限制基座阵列的一个维度，如在用于货物运输的无偏移实施例中，允许基座路径阵列每单位面积表现出相当大的悬浮力，尽管它每单位面积的悬浮力仍然比一系列小型致动偏移子阵列在上层悬浮阵列上表现出的悬浮力要小。

货物集装箱(无论有无货物)也可以在没有人为干预的情况下横穿基座路径。沿着从起始点到目的地的路径推动悬浮货物集装箱的任何手段都可以作为本发明的一部分，包括：例如机械(例如通过单个或多个轮子，或与下层阵列顶面或导轨持续或临时接触的臂)增压空气(例如由船上风扇产生)、压缩空气或加压气体排放、对船帆施力的大气气流，或推动或拉动悬浮货物的小型机器人“拖轮”。这些“拖轮”机器人还可以在一侧或多侧上连接到货物集装箱上，以提供稳定力，以及传递运动的力。

上层和下层阵列中的各个磁体的尺寸或形状可以与简单的无偏移实施例中描述的不同，例如，每个单独的磁体的顶面侧或底面侧的形状可以是正方形或矩形(如矩形棱镜)，或圆形(如圆柱体)或其他形状。每个单独的磁体可能是一个球体。这些磁体可以按规则图案排列，与所描述的方形、矩形或线性阵列不完全相同。上层阵列中的磁体与下层阵列中的磁体在尺寸或强度上可能不完全相同，并且磁体之间的横向间距可能也不相同。在这种情况下，可以计算任何特定磁体尺寸的力曲线，并用于预测这些力，找到提供最大悬浮的最佳排列。货物集装箱的尺寸和形状可以变化，只要在导轨之间限制其横向运动即可，并且可以对其负载进行分配，以便在施加到连接至货物集装箱底面的磁阵列上的排斥磁力的支持下，其能够适当平衡。

为了增加施加到悬浮货物集装箱上的总悬浮力，如图3和图4所示，无偏移实施例可以由多个线性下层阵列组成，每个线性下层阵列与其他阵列平行，每个线性下层阵列(1)由横向间距隔开，以减少最近邻阵列的吸引力。每个货物集装箱(4)中的数百或数千磅重物都可以用这样的系统来移动。横向间距尺寸是根据特定磁体尺寸和厚度进行优化的。对于0.85英寸宽和0.25英寸厚的方形磁体而言，当下层阵列中的磁体之间的横向间距为磁体宽度的50％时，吸引力大大降低，约为峰值吸引力的25％，而横向间距约为磁体宽度5％时，吸引力最大。为了在给定的移动器区域实现最佳悬浮力，每个无偏移线性基座路径内的磁体(2)将尽可能靠近放置在一起，而每个线性基座路径之间的距离约为线性基座路径中使用的磁体宽度的50％。请注意，图3和图4示出了多个基座路径(1)，它们之间的距离比此示例性的最佳配置更远。

在该无偏移多平行路径实施例中，悬浮的货物集装箱(4)可以具有多个较长而呈线性的上层磁体阵列(5)，如图3所示，每个磁体将悬浮在较长而呈线性的下层阵列上方。沿外边缘下层阵列的导轨(3)限制了货物集装箱(4)。

在可选的无偏移多平行路径实施例中，该配置由一个磁体宽的下层阵列路径和一个磁体宽的上层阵列组成。例如，由单个磁体宽的横向间距隔开的多个磁体宽的下层阵列可以组合在一起，以增加由多个不同长度、单个磁体宽度的上层阵列组成的货物集装箱上的悬浮力，每排上层阵列磁体也由单个磁体宽的横向间距隔开。

我们发现，当悬浮磁体在下层磁体和磁体之间的间隙上移动时，最近邻磁体之间的横向间距会导致当悬浮力发生变化，从而导致颠簸行驶。这很直观，因为当悬浮磁体直接处于下层磁体上方时，排斥力最大，而当悬浮磁体直接处于下层磁体之间的空间上方时，排斥力最小。我们发现，随着悬浮间隙的减小，该力的变化更大，当悬浮磁体在静态阵列上方移动时，该力的变化高达25％，因此在将负载手动推到未致动的下层阵列的应用中，用户需要克服负载位于力曲线为最小值的自然趋势。

有多种方法可以克服较窄上层阵列在较窄下层阵列上方的这种力变化(颠簸行驶)。在一种方法中，沿着路径长度运行的多个较窄阵列(每个阵列具有一个或两个磁体宽)将通过横向间距隔开，从而减少磁体与相邻较窄阵列之间的吸引力。然后，每个较窄下层阵列在Y维度(路径长度)上与相邻较窄下层阵列中的磁体略有偏移。通过使每个较窄下层阵列偏移，当悬浮平台由多个较窄上层阵列组成、每个上层阵列沿X和Y维度对齐时，施加在悬浮平台上的平均垂直悬浮力在较窄下层阵列上沿Y轴移动时变得平滑。

减少悬浮平台上的垂直力变化(颠簸行驶)的另一种方法是在上层阵列和下层阵列上使用更强的磁体(例如较厚的磁体)。随着上层阵列磁体在下层阵列磁体上方移动，保持较大的悬浮间隙可减少悬浮力的变化。因此，对于给定的负载，使用更强的磁体会增加悬浮间隙，从而减少悬浮阵列在下层阵列上方移动时的力变化，由此提供更平滑的运动。

在不增加磁力提升系统本身任何复杂性的情况下，这些无偏移实施例可以具有带有曲线的磁体路径，以及由用户选择以一种或另一种方式推动货物集装箱的叉车。导轨将继续需要保持货物集装箱(包括附接到其底面的磁阵列)在该路径上方居中。

通过在路径中的磁体添加线性致动器，使磁体单独上升和降低，可以使无偏移实施例变得更加强大，并能够提升更重的负载。当用户沿着该路径推动负载时，来自基座路径的致动磁体(位于附接到货物集装箱底面的悬浮阵列下方)上升以支撑负载。线性致动器经过动态调整，使得来自基座路径的磁体子组升高或偏移足够的高度，以便被提升的偏移阵列和悬浮阵列都能够摆脱床中其余磁体的吸引力。可以根据用户输入、路径上的传感器、货物集装箱上的传感器、视频监控、路径与货物集装箱之间的通信以及其他方法中的一种或多种来控制底层磁体上的线性致动器。在该实现方式中，可以安装一个非磁性地板(即假地板)，刚好在致动磁体的最高预期位置上方，以防止用户直接踩到移动的磁体和传感器，并损坏它们或跳闸。还可以开发其他方法，防止用户(或其他机器或物体)直接踩到路径中的磁体或与其接触。

当使用假地板时，来自偏移子阵列的悬浮力可用于将悬浮物体提升到足以使其可以轻松地在假地板上滑动。指示地板和悬浮物体之间的低摩擦界面-例如光滑的地板或悬浮物体下方附接的滚珠轴承。这种摩擦的减少，除了悬浮物体和地板之间带有气隙的实际悬浮之外，可能会为某些应用提供足够的价值，在这些应用中，可能不需要实际的浮动悬浮。对于某些应用，低摩擦界面和从偏移子阵列传递到物体上的上层阵列的水平力的组合将足以使物体在地板上移动。

虽然有许多种类的线性致动器，但通常类型可分为四类：机电致动器、液压致动器、气动致动器和压电致动器。虽然这些类别中的致动器都有其优点，但线性致动器的选择必须由各种属性决定，包括但不限于：运动范围、速度、精度、强度、尺寸、自我控制、维护水平和成本效率。致动器必须具有足够大的运动范围，以便在悬浮阵列上为特定应用施加必要的力和扭矩。例如，在提升力至关重要的应用中，我们发现4厘米是一个很好的最小位移。在速度更为关键的不同应用中，较小的致动范围可能是理想的。我们发现，在示例性配置中，0.25厘米的致动升力允许偏移阵列在0.25厘米的悬浮间隙下向悬浮阵列提供50％的最大排斥升力。因此，在许多应用中，致动器的合理最小运动范围为0.25厘米。致动速度必须足够高，以便能够根据实时主动反馈进行调整。致动器的调整必须在致动范围内具有连续的精度。致动器必须足够小以满足应用的尺寸限制，并且必须自我控制，以保持致动机构的简单性。此外，还要考虑维护水平和成本效率。我们发现微机电线性致动器最能满足上述限制。对于跑步机应用而言，我们预计在300毫秒的时间跨度内致动距离为4厘米(要求速度为13厘米/秒)。

用于将磁体移动到偏移位置的致动器可以采用多种形式，包括图5、6和图7所示的(10)，它们以伸缩方式移动。致动器的其它实施例包括但不限于：螺旋轨道，在该轨道中向一个方向扭转致动器导致磁体上升，而向另一个方向扭转使磁体降低；以及具有水平轴和安装在曲面上的磁体的旋转盘或圆柱体，使得当圆柱体将磁体旋转到最高点时，磁体处于偏移位置。

偏移磁体的提升可以通过多种方式完成，并且对线性致动器的描述并不意味着将本发明仅仅限制于使用线性致动器来提升偏移磁体。作为进一步的示例，偏移磁体可以由电磁体提升，电磁体构造是在下层磁体阵列下面存在一个电磁体阵列。为了隔离电磁体对下层阵列磁体的影响，电磁体作用于附接到下层阵列磁体的第二个磁体上(而不是直接作用在下层阵列磁体上以将其提升到偏移位置)，并位于电磁体和下层阵列磁体之间。下层阵列中的每个磁体都附接到磁体和下层电磁体之间的另一个磁体上，从而形成一个两磁体垂直系统。当电磁体打开时，它会在致动运动方向向上排斥该两磁体系统。该凸起的两磁体系统成为偏移阵列的一部分，并例如通过机械齿轮锁定到位。然后，使用该机械齿轮根据需要动态调整偏移磁体的垂直高度。推/拉式电磁阀系统可以实现类似的方法，使得下层阵列磁体可以定位在每个螺线管的顶部，当螺线管被激活时，下层阵列磁体被移动到偏移阵列中。更一般地说，只要偏移磁体升高，就可以以任何方式抬起偏移磁体，然后可以在基座阵列上方的偏移高度上动态调整，以实现悬浮阵列的控制和运动。

线性致动器需要电力才能向上移动。当致动器必须提升额外的质量时，需要更多的电力。但是，一旦致动器到达给定位置，它就可以无限期地保持在该位置，而无需任何更多电力。一组提升的磁体可以在负载上连续提供排斥磁力，而无需使用任何电力。与使用电磁体进行提升相比，该特征具有很大的不同，因为电磁体必须连续使用电力来产生任何磁场。

电力比较：在两种情况下，我们可以比较基于偏移永磁体的致动系统和传统的基于电磁的系统悬浮所需的电力：静态负载和动态负载。在静态负载情况下，基于偏移永磁体的致动系统(忽略主动反馈所需的动力)不需要任何电力。相比之下，基于电磁的系统需要不断向线圈供电，以产生磁场使静态负载悬浮。

我们描述了四个概念：

1)在主动反馈方案中动态调整磁体的垂直位置(例如，使用线性致动器)，以克服稳定磁悬浮的恩绍定理。

2)与实心磁板相比，使用相对薄的磁体阵列(磁体之间有间距)，以增加悬浮力。

3)小型磁阵列悬浮在大型磁体阵列上，其中大型阵列中的一些磁体垂直偏移。

4)能够通过将子组磁体单独动态提升和降低到一系列偏移阵列中，使悬浮阵列在大型下层阵列上横向移动。

在已经描述的无偏移路径实施例中，通过在所述路径的两侧使用导轨来提供稳定的负载。导轨和路径限制了负载的起点和终点，而不可调导轨限制了可以运输的货物的大小和形状。提高系统通用性的一种方法是使用相同的方法来升高小型偏移阵列，但使用更大的平面下层磁体床，从而覆盖仓库地板的更大比例的占地面积，例如，其中下层阵列的长度和宽度不受限制。导轨与这样的实现方式不兼容(除了可能在边缘上的情况外)，以确保负载不会从边缘掉下来。

我们结合这些元素来实现如图5、6和图7所示的系统概念。图中示出了磁体(13)的磁体床(12)连接到垂直上下移动的线性致动器(10，11)。在致动磁体(13)的磁体床(12)上方是另一个更小的磁体(5)的磁悬浮阵列(16)，其附接到悬浮物体或平台(17)(如图6和图7所示，图5未示出)。通过在尺寸与悬浮阵列相似的子阵列(15)中选择性地上下移动致动磁体(14)，偏移子阵列(15)尽可能直接保持在悬浮阵列(16)正下方，并且这种致动器既可以稳定悬浮，又可以横向移动悬浮阵列(16)和物体/平台(17)。

在示例性实施例中，所有使用的磁体都是1×1平方英寸、1/4英寸厚的N52钕磁体，间隔1/4英寸。磁体床由这些磁体的10×10方形矩阵组成，每个磁体都连接到垂直致动器，该致动器可以将每个单独的磁体提升到最低阵列平面上方4厘米处，并且每个磁体的方向为N朝上。上层阵列由这些磁体的2×2方形矩阵组成，永久附接到平台或物体上，所有磁体的方向为N朝下朝向最低阵列。

在该实施例的演示中，由永磁体产生的排斥力能够将20-25磅重物提升1厘米，并将5磅重物提升近3厘米。

该示例实施例的许多变体将提供足够的悬浮力来抬起一个人。每个悬浮阵列或磁体的排列可以是矩形或方形图案，或六边形图案，或同心圆的片段图案，或其他有规律的图案，其中磁体可以有规律地间隔。该阵列可能充满磁体，或者一些中心或内部磁体可能会被移除。

通过实验和模拟，我们发现偏移和悬浮阵列不需要填充；相反，磁体可以从悬浮阵列的中心区域移除，而不是为偏移阵列抬起磁体。如图6所示，中心移除型配置提供的升力与使用完全填充型配置相当，可能至少部分是因为悬浮阵列的磁体更少，因此质量更小。这种阵列配置为系统开辟了可能性，与完整阵列相比，悬浮阵列中使用的磁体更少，成本更低，重量更轻，同时具有几乎相同的提升力。

每个悬浮阵列中的磁体不能过于紧密；相反，每个磁体与其邻磁体隔开必须隔开一定的空间。例如，方形磁体的侧面最好不要相互接触，我们的模拟和测试表明，该间距也应小于磁体宽度。最简单的实施例包括方形磁体的方形矩阵，其中每个磁体与其相邻磁体之间存在一个小空间。或者，方形磁体的一角可以接触另一个方形磁体的一角或侧面，因为这种配置在每个磁体周围都留下了足够的空间。同样地，圆柱形和球形磁体可以相互接触，因为即使是最紧凑的圆形配置也只在每个圆周上的几个点上相互接触，并且每个单独的磁体周围都有足够的空间。六边形阵列中配置的六边形磁体可能太过紧密，因此就像方形矩阵一样，每个磁体与其邻磁体之间的每侧都需要一个小空间，没有磁体相互接触以实现最大的悬浮力。悬浮阵列中的磁体可能彼此相距很远。

磁体床中的致动磁体可以非常靠近，只要它们不干扰彼此的致动，并且间隔不应超过磁体床的最小横向尺寸。

在另一个实施例中，多个2×2磁体阵列(方形矩阵)被安装在非磁性平台的底面。这些2×2阵列彼此不相邻，因此例如，将每个安装的2×2阵列分隔开一个阵列的宽度。该平台上安装了多个2×2阵列，现在位于下层磁体阵列上。在平台上2×2阵列所在的每个位置，磁体从下层阵列升起，使得每个2×2阵列下方都存在一个偏移阵列，每个偏移阵列都有助于悬浮力施加到平台上。我们发现，阵列之间的间距足以避免不必要的交互作用，并提供足够的空间来允许每个悬浮阵列进行横向控制技术。

最小或最佳偏移间隙，即磁体(13)的基座阵列(12)和已被抬高到基座阵列上方的磁体(14)的偏移子阵列(15)之间的垂直距离，将发生变化，使得在偏移子阵列和悬浮阵列之间产生足够的、所需的或最佳的排斥力。悬浮阵列需要最小距离才能摆脱较大基座阵列中磁体的吸引力的影响。此最小距离的变化将取决于每个阵列中磁体的大小和强度；所需的提升力；所需的悬浮间隙；偏移和悬浮阵列的大小，以及其他因素。然而，我们发现，无论大小和形状如何，基座阵列和偏移子阵列之间的偏移最少为0.25厘米，偏移子阵列和悬浮阵列之间的悬浮间隙为0.25厘米，才能将基座阵列对悬浮阵列的吸引力减少50％。

所需的悬浮间隙，即磁体(14)的子阵列(15)和磁体(5)的悬浮阵列(16)之间的垂直距离，将根据应用的细节和所需提升的量而变化。请记住，随着悬浮间隙的减小，排斥力/提升力也会增加。例如，当物体落到悬浮平台上时-物体撞击的更大冲击力将悬浮平台推近偏移阵列，减小了悬浮间隙，但同时提升力增加，因此偏移子阵列和悬浮阵列不太可能发生碰撞。如果该技术的应用包括偏移子阵列和悬浮阵列之间的物理屏障，那么就需要最小的悬浮间隙。

我们研究了磁体厚度对可悬浮重量的影响，作为悬浮间隙的函数，并发现将提升(下层)磁体和悬浮(上层)磁体的厚度增加一倍，悬浮力会增大约一倍，而仅将其中一个磁体的厚度增加一倍，悬浮力就会增大约50％。这使得在给定应用中，可以在悬浮力与系统尺寸和重量之间进行权衡。这也允许更大的悬浮间隙，从而提升相同量的重物。

最大限度地降低了系统成本和悬浮平台重量的最佳阵列设计将取决于众多应用设计目标。如前所述，要优化的变量可能包括：偏移间隙和悬浮间隙，以及每个阵列中使用的磁体的厚度、大小和形状、阵列的大小、每个阵列中磁体之间的间距、全阵列与从阵列中心移除的磁体的阵列与其他优化形状(图8所示的示例)，以及悬浮阵列在应用中的位置。

横向运动

为了使不动的负载悬浮，附接到负载底面的上层阵列下方的一组磁体必须抬得足够高，高于下层磁体床的其余部分，以便悬浮阵列摆脱最低的大型磁体床的干扰和吸引力的影响。在使用1/4英寸厚和1平方英寸的N52磁体的示例性实施例中，发现4厘米的垂直偏移悬浮间隙足以实现最大升力。如果负载移动，则来自下层床的致动磁体必须自行升高，以便创建一个适当大小的偏移子阵列，尽可能精确地位于负载的阵列下方。已经升起但不再精确地位于负载的悬浮阵列下方的致动磁体必须下降到下层床水平。随着悬浮平台的继续移动，下层床阵列的不同部分被升高和降低，以便偏移子阵列始终(尽可能)直接位于悬浮阵列下方。

除了提供悬浮所需的力外，升高和降低磁体床不同部分的能力也提供了一种产生引起这些横向运动所需的水平力的方法。通过在悬浮阵列边缘附近提升和降低磁体，就会产生水平力。考虑在另一个2×2阵列上方悬浮一个2×2磁体阵列。另外一组两个磁体在下层磁体阵列边缘附近偏移。当额外的两个偏移磁体被拉高时，悬浮磁体上会产生水平力，该力与重力相结合，使悬浮磁体横向移动。通过调整额外的两个磁体的高度，可以调节悬浮阵列上的水平力。由于除了空气阻力外没有需要克服的摩擦力，并且利重力用于增强水平力，因此移动悬浮阵列不需要太大的力。在另一个实施例中，磁体从悬浮阵列平台本身降低和升高到悬浮阵列边缘附近。类似于从下层阵列将磁体升高和降低到边缘附近，上层磁体和下层磁体之间的相互作用会产生水平力，这可能导致悬浮阵列的横向运动。

在另一个示例中，为了使负载向右移动，位于负载当前位置左侧的一个或多个致动磁体和/或当前支撑负载的最左侧的致动磁体向上移动了一小段距离。在无摩擦力的情况下，这种力与重力相结合，有效地提供了向右的推动力。另一个使负载向右移动的方法涉及到使位于负载当前位置右侧的一个或多个致动磁体和/或当前支撑负载的最右侧的致动磁体向下移动一小段距离。在无摩擦力的情况下，作用在负载上的这种力的变化允许重力将负载向右拖动。这两种方法都可以使用，也可以只使用一种。同时，或在轻推和/或拖曳后的一瞬间，必须升高负载右侧的致动磁体以支撑移动的负载。

为了使负载停止，在其移动路径中，必须升高位于负载前面的一系列一个或多个致动磁体以向后推动负载，使其充分减速并停止。

偏移阵列内部和周围的致动磁体可以用足够的水平力推动上层阵列，使上层阵列移动、加速、减速、旋转、改变方向和停止。在执行这些功能时，下层磁体额外提供悬浮力。下层致动磁体阵列也可用于提供自适应控制，通过增加和减少其高度来帮助稳定上层阵列，从而保持悬浮平台稳定。

每个偏移磁体都会使巨大的垂直和水平力作用在上方的悬浮磁体上，确切的力取决于悬浮磁体相对于下层偏移磁体的位置。通过计算和绘制力曲线，我们可以执行约束型优化，以确定悬浮负载所需的致动器位移，并提供所需的水平力。

当一个小型悬浮阵列在下层阵列上移动时，一组致动装置提供了恒定的悬浮力。另一组致动装置用于悬浮负载并施加固定的水平力以在下层大型阵列上移动小型悬浮阵列。致动装置还可以使用主动反馈来稳定悬浮。在主动反馈方案中，一个或多个位置传感器用于确定悬浮平台是否偏离所需位置。然后，调整致动装置以提供水平力，使平台向右或向左移动，以保持所需的位置。还可以调整致动装置以提供扭矩力来旋转平台，从而维持所需的方向。

在悬浮阵列的另一种变体中，可以使用磁极相反的磁体来进一步稳定阵列并产生有吸引力的水平力。图9示出了连接到悬浮平台底面的磁体的适当配置，相排斥磁体(5)放置在平台的周边，而相吸引(相反磁极)磁体(6)放置在平台的中心。很明显，在上层相反磁极的磁体附近抬起的下层磁体将产生有吸引力的水平力，可用于横向移动阵列。

在悬浮阵列暴露的内边缘附近升高和降低的磁体可以从下层阵列升高和降低，或者从悬浮阵列平台本身降低和升高。在任何一种情况下，都会产生水平力，从而在悬浮阵列内产生横向运动。

可以添加电磁体以提供额外的稳定性控制和运动控制。这些电磁体可以穿插在下层阵列的永磁体之间或与之结合，并以不同的电流强度随意打开和关闭。

电磁体可以取代下层阵列上的全部或部分永磁体。这些电磁体不会上下移动；相反，它们会打开和关闭，每个电磁体提供的磁力都与偏移永磁体提供的磁力相似。每个电磁体也可以以较低的电流强度打开，以模拟部分升高的偏移永磁体，或以更高的电流强度打开以提供更大的磁力。

传感器是有效进行反馈稳定性控制的必要条件。不同类型的传感器，如光学、霍尔效应、超声波、电容和电感传感器，可用于确定悬浮阵列是否处于所需位置以及是否稳定。例如，每个致动磁体上的传感器都可以确定悬浮阵列的距离是否合适。在另一示例中，传感器可以部署在悬浮阵列上，无论是在阵列的边缘还是中间均可，以检测悬浮阵列是否居中位于偏移阵列的上方。深度传感器、麦克风和光学传感器(如可见光和红外摄像机)可以位于系统内外的任何位置。

提供了一种基于偏移磁阵列的用于工厂和仓库运输系统的悬浮系统。

利用悬浮平台系统以及前面描述的作为基座的悬浮平台的移动装置，图10A和10B在基座磁阵列(12)上方添加了一个“假地板”(20)，以及一个或多个偏移磁铁子阵列(14)。假地板(20)上方是一个或多个悬浮的平台/物体/货物(21)，上面连接有上层磁体阵列(5)，这些磁体阵列由假地板下方的偏移子阵列进行悬浮和自适应控制。在工厂环境中，通过偏移磁体子阵列自适应控制和移动悬浮货物(21)，允许将放置在悬浮磁性平台上的材料从工厂内的一个位置运输到另一个位置。此外，磁体的悬浮阵列(5)可以内置到用于将材料从一个位置运输到下一个位置的结构中，诸如悬浮存储箱或者悬浮磁性平台可以内置到从一个位置移动到下一个位置的机械部件中，诸如工具箱或风扇中。

用户或其他一些外力可以将负载推过地板并推到地板之上，悬浮在致动磁体床上方。底层的致动磁体(14)上升，在货物(21)上的悬浮阵列下方形成小型动态偏移子阵列，如图5、6、7、10A和10B所示。然而，如果没有物理约束，上层阵列的位置本质上是不稳定的(参见恩绍定理的讨论)。正如我们在美国专利申请62/706，355中所讨论的，传感器可用于感测上层悬浮阵列相对于偏移子阵列和整个下层床的位置，以及感测悬浮阵列的速度、加速度和旋转。响应于这些信息，使用自适应反馈过程，偏移子阵列内部和周围的磁体升高和降低以提供力，将悬浮阵列推入并拖拽动到尽可能接近偏移子阵列上方的位置，使其保持稳定。

一旦一件货物(21)被运输到其所需位置，偏移子阵列(15)只需降低到基座水平，货物就不再悬浮，并停留在假地板(20)上。虽然上面描述的为假地板，但地板本身可能具有适当的耐用性且结构合理，以允许正常的行人交通和机械化工厂设备在其上穿越。

偏移子阵列内部和周围的磁体不需要外力来推动和引导悬浮货物，而是可以用更大的力推动货物下方的悬浮阵列，使悬浮阵列和附接货物移动、加速、减速、改变方向、旋转和停止。在执行这些功能时，偏移子阵列磁体同时提供悬浮力并稳定悬浮阵列。来自用于实现稳定的相同传感器的信息也可用于通知和指示致动磁体如何移动，以便引起悬浮阵列和附接货物集装箱的加速和减速。如果用户不需要随货物一起行走，则可能不需要假地板来覆盖下层磁体床。

可以想像这种运输系统的许多变化，诸如从具有预设轨道和目的地的系统到允许悬浮物体在系统内任何地方移动的系统。周边带有悬浮的磁体阵列的机器人吸尘器可以在不接触或尽量不接触地板的情况下清洁地板，并且可以比带轮子的吸尘器更精确地移动。更一般地说，任何机器人系统都可以与悬浮磁性平台集成在一起，从而成为悬浮物体，并且无需运输轮。

这些系统可以扩展到许多环境(例如工作台面)中工作，适当地移动或悬浮在家庭用品或电子设备上，以协助日常活动，诸如烹饪，其中书籍或电子设备中的食谱可以悬浮并在台面上移动而不会被弄脏。它可以在医院中使用，人们通常使用轮式机器和床通过悬浮机器运送到医院，因此当他们从一个地方到另一个地方时，不会接触地板并传播污染物。患者可以快速、轻松、平稳和安静地在床上移动。医生和护士可以在医院周围的悬浮平台上骑行(功能类似于今天的赛格威)，同样避免接触地板。该系统可用于制造或仓库环境中，将机器人系统从一个任务运输到下一个任务。

在大型悬浮阵列中实现侧向力的另一种方法是去除阵列中心附近的一些磁体。如前所述，在这种情况下，悬浮力并没有严重降低。我们可以在这个悬浮阵列的裸露内边缘附近使用偏移磁体来产生水平力，而不是或另外使用阵列外边缘附近的偏移磁体来产生水平力。当磁体靠近悬浮阵列的内边缘时，会产生相当大的水平力。

下层阵列的形状和大小几乎可以无限变化。它可能很窄很长，或可能是一个大圆圈，或者一个矩形，或者一个锯齿形的轨道。偏移阵列和上层阵列的形状和大小也可能有所不同。

下层阵列不必完全平面化；它可以有斜坡和滑梯。偏移阵列和上层阵列相对于下层阵列或彼此之间可能不是完全平面的。

如图11所示，可移动的甲板消除了下层磁体床永久固定或永久附接到特定位置的需求；取而代之的是，底层的下层致动磁体阵列附接到一个或多个可移动的甲板(25)，这些甲板可以沿着地面行进，为货物形成一条固定的路径-也就是说，当货物在甲板(25)上面时是静止的。这些甲板可以在轮子(26)或其他装置上移动。两个或多个甲板串联一起工作，也可能并联工作(例如，有具有4个或更多可移动甲板的情况下，2个甲板并排在货物下方)，以便在货物集装箱移动时支撑货物集装箱。每个甲板都有一个覆盖其顶面的致动磁体阵列(13、14)。在货物集装箱移动到甲板上之前，甲板必须牢固地固定在地面上，例如将其轮子锁定到位，伸出稳定器以抬起其轮子，或者抬起轮子或降低甲板，使甲板的框架接触轮子周围的地板。甲板也尽可能保持自身水平。用户引导并推动货物集装箱穿过不移动的水平甲板，同时致动偏移磁阵列从甲板上升和降低，以使货物集装箱悬浮并使之稳定。另一个甲板移动到第一个甲板附近的位置，并在货物集装箱移动到其顶部之前自行设置。在货物集装箱之后，如果货物是由用户引导的，则用户离开第一甲板，第一甲板自行展开设置，以便甲板可以移动到货物集装箱投影路径中的下一个位置。两个或多个独立的轮式甲板连续工作，使货物集装箱沿其预定路径悬浮。

移动甲板可能位于较薄的假地板下方，该地板位于移动甲板(25)运行的区域上方。推动货物的用户必须在假地板上行走，该地板位于移动甲板上方和悬浮货物下方。假地板的支柱或其他加固和结构支持假地板上的其他交通，这也为移动甲板之间的支柱提供了空间。

如果较薄而平坦的假地板不能为预期在其上停留或移动的重物提供足够的支撑，则可以将假地板的替代版本与移动甲板一起使用。请记住，相互排斥的磁体应该非常接近，地板可以有一个与其成一体的较厚而结实的梁格栅，带有规则的孔或开口，与甲板顶部致动磁体的图案和形状相匹配，这样甲板就可以在网格地板下方对齐，并且致动磁体可以沿着格栅中的开口向上延伸，靠近磁体底部移动货物。与大型较薄的假地板一样，甲板需要绕过地板支柱。

在没有更大假地板的情况下，移动甲板也可以在地板顶部或地面上运行。在这种情况下，一块假地板被集成到可移动甲板的顶部，允许用户推动货物走过已牢固固定的可移动甲板，而无需踩到底层的下层致动磁体阵列。

可移动甲板顶部的下层致动磁体阵列还可以在可移动甲板的表面上使货物集装箱悬浮、稳定和加速/减速，无需用户或外力来推动或引导货物。一系列的两个或多个甲板共同形成一条路径，并沿该路径磁性支撑货物集装箱。如果没有用户走过移动甲板，则可能不需要假地板。

虽然前面的描述假设载荷承载在基座水平的平面上，但使用致动磁体的任何这些实现方式也可以在斜坡和高度逐渐变化上起作用。在承载载荷穿过通常恒定高度的表面上的情况下，可移动甲板还可以在甲板的所有侧面(从甲板的一侧到另一侧)调整其高度，以便即使在底层地形不是平坦的情况下，甲板的顶面也基本上是平的。悬浮的货物集装箱前面的可移动甲板设置的高度与当前悬浮货物集装箱的可移动甲板的高度基本相同。当货物集装箱通过下一个可移动甲板时，第一可移动甲板自行展开设置并移动到投影路径的下一个位置，并再次将自己设置为基本水平配置。

如果地形是向下倾斜的，那么下一个可移动甲板必须抬高其顶面，使其基本上与已经容纳有悬浮货物的甲板在同一平面上。可移动甲板将相互通信，以便每个甲板都知道其相对于另一个移动甲板的相对顶部表面高度。如果下坡陡峭，在将货物传递到下一个可移动甲板之前，装有货物的可移动甲板可以使货物保持稳定，然后降低其顶面，而下一个可移动甲板可以抬高其顶面，使两个甲板的平面处于同一高度，并且货物集装箱可以从一个甲板传递到另一个甲板。

如果地形是向上倾斜的，那么下一个可移动甲板必须降低其顶面，使其基本上与已经容纳有悬浮货物的甲板在同一平面上。另外，在将悬浮货物传递到下一个甲板之前，当前的可移动甲板可以使货物保持稳定，然后抬高其顶面，以便两个可移动甲板的平面相同，货物集装箱可以从一个甲板传递到另一个甲板。

只要每个可移动甲板的高度可以被调整到超过整个甲板长度的地形高度变化，那么就可以连续传递抬高的货物。

在可移动甲板的另一个实施例中，每个下层可移动甲板可以使用底层电磁体床来移动，而不是使用轮子。在该实施例中，底层电磁体将通过以下方式来模拟小型偏移阵列：打开每个磁体以模拟凸起的磁体；关闭每个磁体以模拟降低的磁体；提高功率来模拟偏移磁体向上移动，并将物体向上推移；以及降低功率来模拟偏移磁体向下移动并将物体向下浸入该位置。可移动甲板将在其底面上具有永磁体阵列，底层电磁体床作用于这些永磁体以使可移动甲板悬浮和重新定位。每个空载的可移动甲板的质量远小于待移动的货物的质量。电磁体使用大量但可管控的电量来使空甲板悬浮、稳定和移动。当甲板作为路径的一部分到达目的地时，底层电磁体会逐渐关闭以将甲板放在地面上。当甲板设置好并且不可移动时，它就可以致动其自身的致动永磁体，以使开始穿过所设置甲板的重物悬浮。

与现有电磁体移动集成：可移动的甲板可以与电磁体移动器集成在一起或放在电磁体移动器(诸如Planar Motor或Bechoff制造的电磁体移动器)顶部。这些移动器系统负载能力低、能量高。通过将我们的可移动甲板系统与这些平面移动器系统集成在一起，我们赋予这些系统重载能力，能够使用我们的致动磁体系统提升数百甚至数千磅的重量。与前面描述的甲板实施例类似，包含下层致动磁体床的可移动甲板由底层的平面电机系统从一个位置输送到下一个位置，并且一个接一个地设置下来以在可移动的甲板表面上运输悬浮的货物容器。

在所有货物运输实施例中，货物集装箱可以是平台、桶、箱、板条箱、床、椅子或其它可以承载负载或人或动物的物体。只要一个或多个磁阵列可以牢固地连接到该物品的底面或与之结合，并且可以根据其重心来平衡该物品，将可以将待移动的物体替换为其本身可以悬浮的物体。负载的移动可以通过路径实施例中的导轨处理，并通过稳定致动磁体的运动来处理。

下层阵列内的磁体尺寸可能会有所不同，并且连接到悬浮的货物集装箱的磁体可能与下层阵列中的磁体的尺寸、形状、类型和强度不同。

在我们的早期研究中，我们发现，当从下层阵列的磁体提升上层阵列的磁体或使其偏移时，上层阵列上的悬浮力增加。我们后来观察到，当来自下层阵列的磁体在下层阵列内的非偏移磁体床上方偏移时，悬浮阵列磁体也会远离下层阵列内非偏移磁体床。悬浮阵列磁体与下层阵列内所有相邻非偏移磁体的位移很重要，因为它将悬浮阵列(部分或全部)脱离这些相邻的下层阵列磁体的吸引力范围。来自悬浮阵列下方抬起的磁体的排斥力继续作用在悬浮阵列上，而之前与排斥力相竞争的来自相邻床磁体的吸引力现在大大减少了。结果是每单位面积的悬浮力增加。此外，通过观察调整悬浮磁体之间的间距会降低相邻磁体吸引力，我们现在可以更好地描述潜在的最佳上层阵列几何形状。

可以通过优化上层阵列和下层偏移阵列之间的单位面积的悬浮力来确定悬浮上层磁体阵列的最佳配置。由于我们通过模拟表明，当1英寸*1英寸的下层阵列磁体移动约105％时(或由磁体宽度5％的横向间隙隔开时)，相邻的移位磁体和悬浮磁体之间的吸引力最大，我们知道，上层阵列中的每个磁体和下层阵列内的偏移磁体之间需要适当的间距，以便在悬浮磁体和悬浮平台上产生最佳的单位面积力。将间距纳入悬浮阵列设计的示例性设计包括：周长、X形、棋盘格和小正方形图案，如图8所示。为了通过这些设计提升和移动悬浮阵列，下层阵列内的致动偏移磁体将最佳地反映悬浮阵列设计，并使用额外的战略定位偏移磁体以产生运动所需的水平力。

对于悬浮阵列和下层阵列，阵列中磁体的分开间距不需要相同，也不需要统一。例如，悬浮阵列中的磁体间距可以大于下层平台阵列中的磁体间距，并且可以针对不同的应用进行优化。例如，在一个应用中，磁体间距可以进行优化以产生最大升力，而不同的阵列间距则可以产生最大的水平力。此外，下层偏移阵列和/或悬浮阵列都可以包括允许动态控制磁体间距的功能，以便磁体间距可以作为时间的函数或根据要执行的任务而改变。悬浮阵列还可以包括改变其几何形状的功能。

假定上述货物运输实施例是为了将负载从一个地方移动到另一个地方，并且它们都服务于该目的-达到目标。然而，有时旅程才是重要的，例如在游乐园游玩一样。本文描述的悬浮系统可用于创建具有虚拟现实功能的游乐设施，沿路径运送骑手，提供加速和减速、颠簸、旋转以及迪斯尼世界游乐园游客熟悉的其他触觉和本体感受效果。

与从A点到B点旅行相反，下一组实施例的目的是支持和使人感觉他们在空间中漫游，而实际上他们仍停留在一个地方，类似于跑步机。

在图12A、12B和12C所示的跑步机实施例中，阵列形式的下层致动磁体床(30)位于能够支撑人体重量的下层假地板(31)之下。有一个中央“行走区”部分，在该部分中，悬浮平台(32)暴露在外，并且行走区外有一个“返回区”，在该区中，能够支撑人体重量的上层假地板(34)覆盖了不在行走区内的任何悬浮平台(33)。在中央行走区中，多个小平台(32)(每个小平台的底面都有一个磁体阵列(5))悬浮在下层假地板(31)上方，以矩形网格覆盖整个行走区，悬浮平台之间的空间很小。如上所述，每个平台都由下层磁体床(30)的小型凸起偏移磁体阵列(35)进行悬浮和稳定。用户用第一只脚踏上悬浮平台中的任何一个或其组合，并开始行走，用第一只脚向后推。作为回应，整个矩形平台网格向后移动，返回区的其他平台加入前面的网格，从而使整个行走区保持覆盖。用户用第二只脚踏上矩形平台网格内的悬浮平台中第二个单独悬浮平台或其组合平台。重复悬浮平台之后滑回行走者身体下方的过程，将一连串与行走者预定方向的相反方向移动的悬浮平台放置在行走者面前，呈现直线行走的模拟体验。每个平台都自适应和动态地支持每次脚踏的重量，以最大限度地减少下沉和弹跳。假设用户移动双腿以向前运动行走，行走区中的所有平台都以与用户脚相同的速度向后移动。当一只脚从悬浮平台抬起向前迈步时，悬浮平台现在没有负载，继续向后走到行走区的后面，由底层磁体偏移阵列支撑，并且当所述悬浮平台到达行走区的后边缘时，悬浮平台通过一个插槽被带到装置的返回区，该插槽位于上层假地板下方并通向行走区旁边的返回路径。悬浮平台在上层假地板下方移动时被隐藏起来，并被带到装置的前部周围，在那里它们从另一个插槽中显露出来，加入行走区上的网格，准备再次支撑一只脚。多个悬浮平台以这种方式绕环路移动，因此悬浮平台始终准备就绪，以支持用户的下一次脚步。

当行走者(跑步者)改变他们的行走速度时，行走者下方每个悬浮平台的速度都会自适应控制以响应这种速度变化。该系统允许悬浮平台的速度瞬时变化，非常接近地模拟自然行走或跑步的开始和停止运动。

我们将传统的跑步机系统与我们的悬浮系统进行了比较。在传统的跑步机中，旋转电机和滑轮用于在连续的循环中移动灵活的跑步表面。电机、皮带轮等都很大的质量和惯性，这与跑步表面的运动相关。要改变跑步表面的方向，驱动系统的旋转必须改变旋转方向。然而，系统的惯性减慢了系统的响应时间，使得方向难以快速变化。相比之下，悬浮系统将控制系统的运动与移动器的运动分离。控制系统由垂直于移动面移动的小型致动磁体组成。小质量实现了驱动力的快速变化，并且驱动系统的惯性与移动器表面正交，因此移动器的惯性不会减慢致动器的响应时间。

行走区中的悬浮平台的速度和方向可以通过用户输入进行控制，就像在普通的运动跑步机中一样-更高和更低的速度、前进或后退。这些平台也可以从行走平台的一端连续倾斜到另一端，以模仿上山或下山的行走。为了使平台在假地板行走区上连续倾斜，行走区前面的下层阵列致动磁体将延伸得更高(更接近假地板)，并且致动磁体的延伸高度将逐渐降低，模拟悬浮平台上所需的坡度。

为了避免悬浮平台之间的间隙，在运动被限制为仅向前和向后运动的实施例中，非磁性材料可用于连接悬浮平台内的每个永磁体，并用于将悬浮平台与其他悬浮的磁性平台互连，以提供坚固的屏障，从而防止行走者穿过磁性平台之间的间隙，并撞击到假地板。

在产生坡度的另一种方法中，也可以对整个下层阵列及其假地板进行倾斜，这也提供了山丘的模拟效果。在产生坡度的任一方法中，如果行走者停止，则下层阵列将对悬浮平台施加水平力，从而保持平台(和行走者)的位置。如前所述，这种水平力通过改变适当偏移磁体的不同高度施加在平台上的。

这些平台中的每个平台都可以有模仿不同运动表面的覆盖物(永久或可更换的)，如木制篮球场、或草地、或人造草皮、或聚氨酯或橡胶跑道等。

由于插槽允许平台进入和退出仅位于前面和后面的行走区，所以前面的跑步机实施例仅允许向前和向后运动。

需要传感器对底层的偏移磁体阵列进行反馈调整，以稳定悬浮平台，保持其平衡，并处理每次脚踏的额外力。

一种可能的稳定方案包括反馈回路，该反馈回路感测悬浮平台的角度和垂直位移的变化，并使致动器响应以应对这些变化。由于预计需要以小于一毫米的精度来检测位移，因此有多种传感器是可行的，包括光学、电容、电感、霍尔效应和超声波传感器。我们预先计算提供恢复所需的致动器位移。一旦传感器检测到悬浮平台的运动，致动器就会被激活以提供恢复力。

该跑步机还可以在中心建造一个行走区，在行走区的所有侧面上建造一个360°覆盖的返回路径。该跑步机实施例可以限制为向前和向后运动，也可以是全向跑步机，允许平台网格在水平面上向任何方向上移动，并且包括所有侧面的插槽，平台可以适当退出或进入行走区，以模拟360°运动自由度。

在悬浮平台平面上可以向任何方向运动的情况下，为了消除或最小化间隙，悬浮平台可以有多种形状，诸如正方形、三角形或六边形，从而最小化相邻平台之间的间隙。

可替代地，悬浮磁性平台封装体(由悬浮磁性平台和非磁性材料组成，非磁性材料与悬浮平台内的每个永磁体相互连接并组合)可以被构造为比控制悬浮的磁性平台封装体的偏移阵列更大。通过将偏移阵列放置在略有不同的高度(而不是全部在同一平面上)，悬浮平台封装体将重叠，从而消除了悬浮的平台封装体与地板之间的任何间隙。此外，由于悬浮平台封装体比偏移阵列大，因此允许偏移阵列之间保持所需的间距，从而实现所需的悬浮提升力。

前述跑步机实施例允许进行预先计划的运动-以预设的速度向前或向后运动。为了适应用户的计划外运动，例如为了更流畅的跑步体验或虚拟现实应用进程，使用了更多的传感和人工智能。在这些实施例中，通过在行走者身上使用嵌入下层阵列内平台中的传感器或诸如摄像头等外部传感器，该系统通过计算用户的步幅和速度、位置和撞击时间等方式来检测行走者所需速度的瞬时变化，并调整底层平台的速度以模拟行走者的预期配速。

随着两个相排斥磁体之间的分离距离减小，磁力增加为1/r³，其中r是磁体-磁体的分离距离。这种缩放有助于减轻脚踏导致悬浮磁体撞击假地板的可能问题。当两个磁体相互接近并且悬浮间隙缩小时，悬浮力急剧增加，这将有助于防止悬浮阵列应用中发生碰撞。这些力是用1/4英寸厚的磁体计算的。在下层阵列、悬浮阵列或两者上使用较厚的磁体将进一步增加小型悬浮间隙处的悬浮力。

在跑步机应用等动态情况下，基于偏移永磁体的致动系统必须通过垂直移动下层阵列中的磁体来抵消悬浮阵列上重量的变化以响应悬浮负载的变化。我们通过比较单个线圈上的单个悬浮永磁体与永磁体上方的单个悬浮永磁体来计算动态功耗的差异。对于该分析，我们没有考虑主动反馈所需的功率，也没有考虑线性致动器的效率低下。因此，该分析为每个系统所需功率提供了下限。

对于电磁线圈，该功率由P＝i²R获得，其中i是线圈电流，R是线圈电阻。对于永磁体，该功率是通过首先计算的能量来计算的，其中F是垂直力，dz是致动器移动以响应垂直负载时垂直距离的增量，T_max是撞击的总时间(每步为300毫秒)。平均功率为P＝E/T_max。

请注意，致动磁体只需要超过冲击曲线一半的功率。对于2磅(lb)的动态负载，平衡致动磁体的冲击曲线的峰值功率为几瓦(平均功率<1W)，而电磁外壳所需的峰值功率约为1kW(平均功率约为500W)。该分析表明，电磁悬浮配置所需的功率为致动的永磁体配置的功率的大约500倍(或更大)。我们可以将这些单个致动器值外推到更大的阵列中。下面总结了两个系统在不同动态负载下的平均功率比较：

悬浮动态负载(10×10阵列)	100lb	150lb	200lb
				永磁体(平均功率)	34W	51W	66W
电磁线圈(平均功率)	14.4kW	32kW	58kW

电磁线圈系统每平方英尺需要数十千瓦才能悬浮100磅或更多磅的重物，而永磁体系统需要不到100W。永磁体系统可以合理地提升和运输数百或数千磅的重物。

磁体床可以跟踪和预测用户的脚会落在哪里。这可以通过磁体床中的传感器、平台中的传感器、床与平台之间的视频监控和通信来实现，就像在运输实现方式中一样。此外，用户穿着的运动跟踪服或鞋，使用诸如美国专利申请号14/550，894中描述的技术，可以传达可用于计算平台和底层的偏移阵列应该在何时何地以及它们应该如何移动的信息，以便始终碰触、支撑和平稳地承载用户的脚。

磁体床内的致动永磁体可以与电磁体结合使用，电磁体是缠绕在每个磁体上的线圈。电磁体可以提供水平力来移动空载的悬浮平台，或微调悬浮磁体上的力以进行主动反馈控制。在这种情况下，底层永磁体提供了主要的悬浮力，而电磁体可以提供运动的水平力和平台稳定的自适应反馈力。例如，床中的每个单独的致动器和磁体都可能被电磁线圈包围。上面悬浮磁体上的任何磁力都是由于偏移磁体和电磁线圈引起的力的总和。来自电磁线圈的力将与偏移磁体引起的力相加或相减，具体取决于线圈中电流的方向。

电磁体允许微调上层阵列内悬浮磁体的位置，因此可以实现小而快速的位置变化，而无需使用机械致动器来改变下层阵列永磁体的位置。在需要快速动态调整悬浮力的情况下，诸如在高速自适应反馈场景中，偏移子阵列磁体提供主要的悬浮力，而变化的电磁力提供必要的微调垂直、水平和扭矩力调整，它们还可以提供水平力以驱动悬浮平台运动。

在单独的平台上支撑用户脚的另一种方法是提供一个平台，其中包含一个上层磁体阵列，用户可以像在滑板、Wii平衡板、冲浪板、滑雪板或赛格威上站立。用户可以在所述板上保持平衡，并且可以转移他们的重量，甚至可以在所述板悬浮时在上面迈出小步。底层的偏移磁阵列移动以稳定所述板，还可以移动所述板以模拟虚拟现实骑行中的运动，使用户能够体验转弯、颠簸、旋转力、运动和加速度。在该实现方式中，就不需要多个悬浮平台。

第三种选择包括只有两个平台的跑步机系统，这些平台始终停留在跑步机行走区，并跟踪用户的脚，向前和向后移动。每个平台(由底层的偏移磁体子阵列支撑)在用户的脚落下时与其碰触，随着脚向后移动以模拟自然的行走或跑步运动，然后一旦脚抬起，底层的偏移子阵列就会使悬浮平台反转方向并跟踪向前移动的脚的位置，使悬浮平台处于正确的位置，以支持下一次脚步。由于一些用户的跑步形式会导致左脚和右脚的每次脚都会撞击中线，甚至越过中线，因此每个悬浮平台的路径可能是弧形的，因为它首先跟随脚向后，然后向前成弧形以避免下一个平台沿着中线向后运动。在该实施例中，悬浮平台的表面积可以只比人的鞋子的表面积略大。为了在这个较小面积内提供所需的悬浮力，在磁体床和悬浮平台的一个或两个中使用较厚的磁体。为了在系统发生故障时确保安全，悬浮平台也可以沿着外边缘缓冲。

另一实施例涉及用户在鞋子中的每只脚上都佩戴有一个平台。虽然一个认真的跑步者可能不希望将磁阵列(平台)绑在脚上或集成到鞋子中，但该实施例可能对游戏玩家具有吸引力。只需要两个悬浮平台就可以了。底层的磁偏移阵列必须预测何时何地抬起，以支持每次脚踏，然后在每个平台移动时支撑它，模拟用户想要的运动(诸如行走、跑步、跳跃甚至滑冰)。例如，模拟打篮球的用户可以抬起左脚，用右脚推开，打算向左移动、落地、然后跳起来投篮、然后落地，然后向后跑。为了支持这种运动，底层磁体已经将双脚支撑到位，然后在用户向左跳跃时提供阻力感，然后在着陆时支撑双脚，从而通过偏移磁体从右侧提供阻力感，向左产生水平力，然后在双脚推开垂直跳跃时支撑双脚，在落地时再次支撑双脚，然后在用户开始后退时支撑每个脚步。为了让用户保持平衡，支撑每个悬浮平台的偏移阵列必须使平台保持稳定，并保持到位。

由于该平台-鞋子实施例中每个悬浮平台的表面积小于前面描述的跑步机实施例中使用的悬浮平台的表面积，因此使用了更强的磁体。可替代地或另外地，每个悬浮平台在负重时都可以展开，以提供更多的表面积，并在不负重时收缩到脚的大小，这样，例如在跑步同时向前摆动运动时，其不太可能与跑步者的另一条腿接触。

大范围感应、机器的所有部分与用户身体之间的通信以及人工智能对于支持用户快速、不可预测的各种运动是必要的。

在又一实施例中，悬浮平台不是使用悬浮平台来模拟行走或跑步运动，而是可以构成移动的人行道系统。移动的人行道系统由一个致动的偏移磁体床、多个悬浮平台(每个平台下面都附有一个或多个永磁体阵列)、可能位于假地板下的悬浮平台的返回路径，以及位于行走区的行走者的入口和出口点组成。

行走区的悬浮平台以相同的速度向前运动，直到到达人行道的尽头(出口)，在该尽头，它们被重新定向并循环回移动的人行道的起点(入口)。每个悬浮平台都通过致动偏移磁体来支撑，以提供所需的悬浮和稳定性控制力。

在相关系统实施例中，移动的人行道仅在行走者附近具有悬浮平台。每个行走者的悬浮平台由左侧的一个或多个平台和右侧的一个或多个平台组成，对应于行走者的左右脚。当行走者向前迈出一步时，对应于人的左侧或右侧的悬浮平台以适当的速度向前滑动，以提供稳定的行走面。对交替的侧面重复此过程，直到该人到达移动的人行道的出口点。

移动的人行道的第三个实施例，类似于图12A、12B和12C中所示的原始跑步机应用，为每个行走者提供一组悬浮平台，该组悬浮平台由行走者可在行走区域中站立或行走的若干平台以及行走者旁边隐藏在假地板下的若干平台组成。当行走者静止不动时，整组平台与行走者一起沿着人行道向前移动。如果行走者向前走，同时被移动的悬浮平台向前推进，那么额外的隐藏平台则必须循环到行走区供行走者踩踏，而行走区中的平台则循环出行走区，最终绕到行走者的前面。每个行走者到达出口后，他们的这组平台会循环回人行道的起点，供下一个用户使用。

功率传输/能量收集应用

利用磁排斥力移动物体的基本发明和方法也可用于通过非导电间隙传输能量，无需物理接触，具有非常高的电压隔离和高功率传输，并且成本可能很低。我们描述了这种电压隔离功率传输方法的三个独立实施例，并且可以理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

在图13A所示的功率传输线圈实施例中，致动磁体(31)上下移动，上下排斥和提升接收磁体(40)。接收磁体附接到垂直杆(41)，该垂直杆(41)允许接收磁体(40)上下移动，但使接收磁体保持在位于偏移磁体上方的线圈(42)的居中位置。垂直杆可以具有一个或多个附加磁体，进一步附接在(43)上方。当接收磁体(40)本身朝向或穿过上面的线圈时，或者当它导致额外的磁体在线圈中来回移动时，这种运动可用于产生电力。由此产生的磁体振荡会在线圈中产生不断变化的磁通量。根据楞次定律，在线圈中产生电流i，产生了开路电压(假设开路线圈)，可用于为电气设备供电或存储在电池中以供以后使用。我们说明使用致动的偏移磁体来产生振荡磁场，但是任何产生振荡磁场的方法都被并入本发明的一部分。

系统中可能包含多个线圈，并且每个线圈下方或穿过每个线圈的振荡致动磁体在每个线圈中产生变化的磁通量，从而产生更大的动力传输。

另一个使用相同类型的动力传输线圈系统的实施例可以使用致动磁体将接收磁体和附着的杆推向垂直方向以外的方向。单独的复位机构，如弹簧或排斥磁体标记为水平模型。

在同样如图13A所示的动力传输活塞和轴实施例中，致动磁体(31)上下移动，上下排斥和提升接收磁体(40)。接收磁体与活塞(44)连接，因此当接收磁体(40)上下移动时，它将活塞向上推，然后使它下降。这种往复运动可用于为机械机器提供动力或发电。可替代地，接收磁体可以用一个或多个枢轴连接件附接到轴或一系列轴(45)上，使得接收磁体的上下运动引起轴另一端的旋转运动。这种旋转运动可用于为机械机器提供动力或发电。

在另一个动力传输活塞和轴实施例中，多个致动的磁体上下移动，并作用于多个接收磁体，每个接收磁体都装在一个圆柱体中，当正下方的致动磁体振荡时，每个接收磁体都充当活塞。这些活塞中的每一个活塞都可以通过连杆连接到同一轴上，并且每个活塞下方的致动磁体的“点火”时间使得与每个活塞连接的轴以更快的速度或更大的力旋转，从而使发电机输出更大的电力。

在图13B所示的动力传输旋转实施例中，致动的下层磁体(31)用于向磁体(40)的接收上层排列施加扭矩力。上层排列中的磁体连接到沿其轴线旋转的垂直杆(41)。下层磁体(31)以适当的放置向上朝向上层磁体升起，以便向上层磁体提供水平力，从而围绕垂直轴产生扭矩力。由于这个扭矩力，悬浮的上层阵列(40)将开始以角速度ω旋转。

通过这种方式，可以旋转上层阵列并施加扭矩力，使连接的垂直杆沿其Z轴连续旋转，为连接的发电机提供动力。这种旋转能力能够以无线方式将功率传输到悬浮平台、轮式推车、电池或任何包含下层致动磁体阵列的系统，以及配置为允许接收阵列发生旋转运动的上层接收阵列。

在一个示例中，悬浮发电机平台的形状大致像一个盒子，发电机固定在盒子内。发电机的内部有一个连接到垂直轴的转子，要么环绕所述轴，要么首尾相连。垂直轴可以自由地在其垂直Z轴上旋转，并且在旋转时它也使发电机的转子旋转。垂直轴部分安装在悬浮发电机平台内，使其自由旋转，但不会在发电机平台的箱内或箱外移动。垂直轴的下端延伸到发电机平台下方，并且将一个底部带有磁体阵列的可旋转悬浮平台连接到垂直轴的下端，以便垂直轴、连接的发电机转子和可旋转悬浮平台可以一起旋转，而发电机平台和其余连接的发电机组件保持静止。

发电机平台延伸侧下周边的磁体使发电机平台能够悬浮并由底层的致动磁体床移动。当发电机平台没有受到悬浮力时，它会搁在地板上并保持静止。此时，来自底层的致动磁体床的凸起偏移磁体可以对连接在单独的可旋转悬浮平台下方的磁体施加一系列扭矩力，使可旋转平台、垂直轴和附接到轴的发电机转子旋转。当可旋转阵列旋转时，它通过发电机内的旋转转子发电。通过这种方式，电力从致动磁体床传输到可旋转阵列中，并进一步传输到发电机平台的发电机中。然后，电力被传输连接到、集成到或安装在发电机平台顶部的电池或设备上。

其它无线电力传输实施例包括将悬浮平台内的往复或振荡垂直或水平运动转换为发电机轴的圆周运动的装置。悬浮平台内的一个或多个永磁体可以通过下层阵列内一个或多个磁体的重复致动运动而垂直或水平振荡。振荡运动可以转换为旋转运动，就像斯特林发动机和往复式或活塞发动机中常见的那样。

提供了一种基于偏移磁阵列的平面致动器系统的悬浮系统。

图14示出了平面致动器系统实施例，由一个顶部和底部都有磁体阵列的悬浮磁性平台(50)、下层致动磁体阵列和上层致动磁体阵列组成。

悬浮磁性平台(50)由磁性N向侧(51)和磁性S向侧(52)组成。N向侧可以面向任一方向，但在此讨论中，N向侧向下，S向侧朝上。因此，最低的磁体阵列(55、56)是N朝上，朝向悬浮磁性平台(50)。N向下层致动阵列(53、54、55、56)用于提供悬浮力并自适应控制悬浮平台。上层致动阵列的S朝下，朝向悬浮磁性平台。S朝下的上层致动阵列(57、58、59)也用于提供悬浮平台的反向悬浮力并自适应控制悬浮平台。随着致动的偏移阵列位置以来回方式穿过上下床，S上层和N下层偏移阵列一起稳定悬浮平台，并根据需要将上下床中的单个磁体升高或降低到偏移阵列位置，从而控制其在上下床上的方向。

悬浮磁性平台可以封装在另一个物体中，例如，根据其耐用性、重量、尺寸、粘附能力进行选择，即形成悬浮磁性平台封装体。

杆(60)可以连接到悬浮磁性平台(50)(或悬浮磁性平台封装体)的一侧，或者杆可以连接到悬浮磁性平台的两侧。当悬浮磁性平台来回往复运动时，杆在伸展和收缩位置之间交替，提供致动运动。

在另一个平面致动器实施例中，不使用上层和下层阵列，而是沿悬浮磁性平台的预期往复路径永久固定上层和下层偏移阵列。散布在偏移阵列内的电磁体以所需的电流强度打开和关闭，以提供任何必要的自适应控制，并引起悬浮磁性平台的往复运动。

可以想像这种平面致动器系统的变化，就像吊扇一样悬浮在下层阵列上方，并由风扇上方的磁体致动(被推动进行旋转运动)。滑动门可以进行悬浮起来被推开和关闭。

用于产生吸引力的磁阵列

为了增加悬浮(或排斥力)并最大限度地减少所需的磁体质量，本发明涵盖了在构成阵列的每个磁体之间具有间隙的磁阵列、由每个磁体之间具有间隙的磁体组成的磁偏移阵列以及完全移除中心磁体的磁阵列(偏移和悬浮平台)的使用。

这些相同的概念也适用于吸引力。因此，对于给定的表面，特别是对于较大的表面积，可以通过在阵列内合并磁体之间的间距以及进一步从阵列中移除中心磁体的组合来实现相对于磁体质量的最大吸引力。

此外，在需要重新定位吸引力的位置或打开或关闭吸引力的应用中，可以使用前面描述的偏移阵列，但嵌有与目标磁性平台极性相反的磁体的偏移阵列除外。

Claims (20)

1.一种悬浮和悬浮式运输系统，包括：

永磁体的基座平面排列，

其中，每个基座磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述基座磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述基座排列的所述平面垂直；并且

其中，每个所述基座磁体都连接到线性致动器，所述线性致动器可以在所述方向上将所述基座磁体或多个磁体提升到所述基座平面上方，而不改变被提升的磁体的磁化矢量的方向；并且

其中，每个所述基座磁体都与其相邻的最近邻磁体横向分离；和

一个或多个永磁体的一个或多个悬浮平面排列，

其中，每个悬浮磁体都牢固地连接到悬浮物体的底侧；并且

其中，每个所述悬浮磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述悬浮磁体的所述磁化矢量指向相同的方向，所述方向与所述悬浮排列的所述平面垂直，并且所述方向与每个所述基座磁体的方向相反；并且其中，所述永磁体的悬浮平面排列具有占地面积，所述占地面积被定义为由所有所述悬浮磁体所占的组合横向面积和图案。

2.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，每个所述基座磁体与其相邻的最近邻基座磁体横向隔开，其间距小于所述系统中使用的悬浮磁体的最小横向尺寸。

3.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

第一非磁性假地板，其位于所述永磁体的基座平面排列和所述一个或多个永磁体的悬浮平面排列之间，所述假地板具有与所述基座平面和所述悬浮平面平行的占地面积和平面。

4.根据权利要求3所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

第二非磁性假地板，其位于所述一个或多个永磁体的悬浮平面排列的上方，所述第二假地板具有与所述第一假地板平行的占地面积和平面。

5.根据权利要求4所述的悬浮和悬浮式运输系统，用作单向或全向类似跑步机的机器来支撑人体，进一步包括：

其中，所述悬浮物体包括多个悬浮物体，每个悬浮物体均被配置成接收和支撑人脚的重量；并且

其中，所述第二假地板的所述占地面积与所述第一假地板的所述占地面积不同。

6.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，所述永磁体的基座平面排列牢固地连接到可移动物体、甲板或车辆上。

7.根据权利要求3所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，所述永磁体的基座平面排列牢固地连接到可移动物体、甲板或车辆上。

8.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，所述永磁体的悬浮平面排列包括放置在周边地层中的多个磁体，以及无磁体的区域，所述无磁体区域位于所述周边内。

9.根据权利要求8所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

多个永磁体，称为吸引磁体，每个永磁体的磁化矢量均指向与所述基座磁体的磁化矢量相同的方向；并且

其中，所述吸引磁体被放置在所述无磁体区域内。

10.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，每个所述悬浮磁体与其相邻的最近邻磁体横向隔开，其间距与所述相邻最近邻基座磁体之间的所述横向间距不同。

11.根据权利要求1所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，每个所述基座磁体都连接到线性致动器上，所述线性致动器可以在所述方向上将所述基座磁体或多个磁体提升到所述基座平面上方至少0.25厘米处，而不改变被提升的磁体的磁化矢量的方向。

12.一种悬浮和悬浮式运输系统，包括：

永磁体的基座路径排列，

其中，所述路径排列具有宽度；并且

其中，每个基座磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述基座磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述基座排列的所述平面垂直；并且

其中，每个所述基座磁体与其相邻的最近邻磁体横向隔开；和

一个或多个永磁体的一个或多个悬浮平面排列，

其中，每个悬浮磁体牢固地连接到悬浮物体的底侧；并且

其中，每个所述悬浮磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述悬浮磁体的所述磁化矢量指向相同的方向，所述方向与所述悬浮排列的所述平面垂直，并且与每个所述基座磁体的方向相反；并且

其中，所述永磁体的悬浮平面排列具有占地面积，所述占地面积被定义为由所有所述悬浮磁体所占的组合横向面积；并且

其中，所述占地面积具有最小的横向尺寸，并且其中，所述最小的横向尺寸为所述基座路径的所述宽度的至少一半；和

一组2个导轨，所述基座路径的两侧各有一个导轨，所述导轨适当隔开以使所述悬浮物体在所述导轨之间适配，并且能够沿着所述路径上方和在所述导轨之间移动。

13.根据权利要求12所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，每个所述基座磁体与其相邻的最近相邻基座磁体横向隔开，其间距小于所述系统中使用的悬浮磁体的最小横向尺寸。

14.根据权利要求12所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括：

其中，所述磁体的基座路径排列包括多条平行的基座路径；并且

其中，所述磁体的悬浮平面排列包括多个单独的排列，所述悬浮排列的数量与所述基座路径的数量相匹配，并且所述悬浮排列的位置与所述平行基座路径的位置成镜像，使得每个所述悬浮排列在使用过程中通常始终位于所述基座路径之一的上方。

15.根据权利要求13所述的悬浮和悬浮式运输系统，进一步包括下述之一者或两者：

其中，当比较所述多条平行基座路径时，第一平行基座路径的所述基座路径磁体和所述基座路径磁体之间的横向间距与第二相邻平行基座路径的所述基座路径磁体和所述基座路径磁体之间的横向间距不完全匹配；或者

其中，当比较反映所述多个平行基座路径的所述多条平行悬浮磁体路径时，第一平行基座路径的所述悬浮路径磁体和所述悬浮路径磁体之间的横向间距与第二相邻平行悬浮路径的所述悬浮路径磁体和所述悬浮路径磁体之间的横向间距不完全匹配。

16.一种悬浮和悬浮式运输方法，使用根据权利要求1所述的系统，包括以下步骤：

使用所述致动器提升基座磁体的一个或多个偏移阵列，所述偏移阵列被配置为反映一个或多个所述悬浮磁体排列的占地面积，并且所述偏移阵列中每个磁体的至少一部分动态地直接位于所述悬浮磁体排列的正下方；并且

动态地将当前未位于所述悬浮磁体排列的正下方的任何凸起的偏移基座磁体降低到所述基座平面。

17.根据权利要求16所述的悬浮和悬浮式运输方法，进一步包括以下步骤中的一个或多个：

提升位于所述悬浮磁体排列旁边的一个或多个基座磁体，以便利用磁排斥力将所述悬浮磁体排列推离所述被提升的基座磁体；并且

提升一个或多个位于所述横向移动的悬浮磁体排列的前面或旁边的基座磁体，以便减缓或停止或重新定向所述悬浮磁体排列的所述运动；或者

降低位于所述悬浮磁体排列一侧下方的一个或多个被提升凸起的基座磁体，以使所述悬浮磁体排列沿正在降低的所述基座磁体的方向运动；或者

提升一个或多个位于所述悬浮物体下方和所述悬浮磁体排列旁边的基座磁体，以便推动、减缓、停止或重新定向所述悬浮磁体排列的运动。

18.一种无线电力传输系统，包括：

一个或多个驱动永磁体的平面排列，

其中，每个驱动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述驱动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述平面排列的所述平面垂直；并且

其中，每个所述驱动磁体都连接到线性致动器上，所述线性致动器可以在所述方向上移动所述驱动磁体或多个磁体远离所述平面，而不改变致动磁体的磁化矢量的方向；和

一个或多个永久可推动磁体的排列，

其中，每个所述可推动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述可推动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述驱动磁体的所述方向相反；并

且

其中，每个所述可推动磁体都连接到发电机、发动机或机器的往复式或旋转构件上。

19.一种无线电力传输系统，包括：

一个或多个驱动永磁体的平面排列，

其中，每个驱动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述驱动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述平面排列的所述平面垂直；并且

其中，每个所述驱动磁体都连接到线性致动器上，所述线性致动器可以在所述方向上移动所述驱动磁体或多个磁体远离所述平面，而不改变致动磁体的磁化矢量的方向；和

一个或多个永久可推动磁体的排列，

其中，每个所述可推动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述可推动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述驱动磁体的所述方向相反；并

且其中，每个所述可推动磁体被配置为被推向或通过一个或多个线圈，以产生磁通量，

从而产生电力。

20.一种无线电力传输系统，包括：

一个或多个驱动永磁体的平面排列，

其中，每个驱动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述驱动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述平面排列的所述平面垂直；并且

其中，每个所述驱动磁体都连接到线性致动器上，所述线性致动器可以在所述方向上移动所述驱动磁体或多个磁体远离所述平面，而不改变致动磁体的磁化矢量的方向；和

一个或多个永久可推动磁体的排列，

其中，每个所述可推动磁体都具有指向一个方向的磁化矢量，并且每个所述可推动磁体的所述磁化矢量都指向相同的方向，所述方向与所述驱动磁体的所述方向相反；并且

其中，每个所述可推动磁体连接到平台和轴上，所述平台和轴被配置为围绕所述轴的Z轴旋转；并且

其中，所述轴连接到发电机、发动机或机器上。