CN1309157C - 低电压源磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

一种低电压源磁悬浮装置，包括磁悬浮电磁器件、浮体、传感器、旋转系统、控制系统、架箱体等，其特点是：采用了低电压控制和低功耗的设计及相应的元器件，并配用了包括电池盒在内的交直流两用的低电压源，浮体能在空间无支撑地磁悬浮并可自动旋转，在没有或脱离外界交流电源的情况下，可用自身配备的低电压电池，也可长时间地稳定运转，还具有对充电电池自动充电、断电保护等功能，呈现出便携、多功用和高性能的特点。所适用的浮体多种多样，如各类球体、广告展示品、玩具、形象标志品、装饰艺术品、雕刻造型等，相应的架箱体也可以是多式多样的。

Description

低电压源磁悬浮装置

技术领域：

本发明涉及磁悬浮装置，特别是一种低电压源磁悬浮装置。

背景技术：

发明人自1999年以来先后围绕磁悬浮装置提出了多项专利申请：如磁悬浮装置、磁悬浮装置及其控制系统和大型磁悬浮装置的控制系统，对磁悬浮装置及其控制系统已作了大量的描述。总的说来，磁悬浮装置包括设有悬浮永磁体和旋转永磁体的浮体；由绕有电磁线圈的铁芯、磁悬浮磁感应主传感器及其控制电路构成的磁悬浮主结构；由至少一对旋转磁感应传感器和旋转电磁线圈及其控制电路构成的浮体自动旋转系统，电源及供安装电源、控制电路的架箱体五部分组成，已为磁悬浮装置的基本结构奠定了基础，但是它还有进一步完善的必要。例如，磁悬浮装置需要供电是理所当然的，但是上述磁悬浮装置不仅需要外界交流电源供电，而且供电电压还是比较高的，一般都在12V以上，功耗也不小，较难采用低电压、小功率的电池作电源，因此便携式的磁悬浮装置还有待开发。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述背景技术的不足，提供一种低电压源磁悬浮装置，该磁悬浮装置应能在可用电池供电的低电压源供电的情况下进行稳定的工作，而且功耗要小。

本发明的磁悬浮装置应具有便携多功用的特点，体积要小，供电电压尽可能低，功耗要低，省电，即使采用低电压小功率的电池也可较长时间稳定地运行。

本发明的技术解决方案如下：

一种低电压源磁悬浮装置，包括一设有磁悬浮永磁体和旋转永磁体的浮体，架箱体，由电磁线圈和铁芯组成的磁悬浮电磁器件，磁悬浮主传感器，在架箱体内还安装有至少一个旋转传感器、至少一个旋转电磁线圈、电源及控制电路，其特征在于：

采用线性磁感应传感器作磁悬浮主传感器，平置于磁悬浮电磁器件的套有电磁线圈的铁芯的下端面处或下端部，紧密结合形成组合式磁悬浮主结构；

所述浮体是一壳体，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块钕铁硼高强磁悬浮永磁体；

所述浮体内壁嵌贴至少一块旋转永磁体，在架箱体的面板内壁安装有高效馈能的旋转系统，其包括至少一个旋转传感器和至少一个旋转电磁线圈它们均应与浮体内的旋转永磁体相对应；

所述的电源为用交流供电、或用直流供电、或用电池供电的低压电源，所述的控制电路为低电压源控制电路。

所述的铁芯下端具有开口朝下的筒形空腔或凹坑，所述的磁感应传感器平放在该筒形空腔或凹坑内，该磁感应传感器可采用线性的磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻、霍尔传感器或霍尔传感器集成电路元件。

所述的铁芯为螺丝形，其筒形空腔是铁螺丝头下端的凹坑，也可以是铁螺帽一部分拧入螺杆、另一部分尚未拧入而形成的筒形空腔，所述的磁悬浮电磁线圈是用导线绕制成圆形的低电阻的线圈紧套在该其杆上。

所述的磁悬浮电磁器件的铁芯为横臂形，其中心部分有垂直向下的导磁头，该导磁头也可以是螺丝形，自中心向外展出多条横臂，每条横臂各套设一电磁线圈。

所述的铁芯和电磁线圈的上端面加设有增强磁性的铁片或扁形永磁体，铁片也可成为铁质钟罩形上盖。

所述的旋转传感器可以采用线性或开关型磁感应传感器元件或干簧管；所述的旋转电磁线圈采用漆包线密绕而成，该旋转电磁线圈内还可加铁芯或磁芯。

所述的浮体下端的重心线穿过的地方置设有一个在轴向有二个侧面的竖置的旋转永磁体，相应地在架箱体的面板内以浮体的重心线的投影为圆心的一圆周上布设有至少一个旋转传感器和至少一个竖放的旋转电磁线圈，它可以有铁芯或磁芯，如果旋转传感器是采用干簧管，将一小块永磁体置于该干簧管近旁。

所述的浮体下方架箱体的底座台面内的重心线处横置一个长形的可以有铁芯或磁芯的旋转电磁线圈，它轴向的二个侧面，是对应于上方的浮体下部的竖置的永磁体的轴向二个侧面的。

所述的电源的构成包括除放置总电压≥4.5V的电池的电池盒外，还设有对可充电电池的充电器、断电保护器、低电压交直流电源、电源插头、交直流低压电源插头及插座。

磁悬浮主控制电路的构成是：利用线性霍尔传感器集成电路元件作磁悬浮磁感应主传感器，该霍尔元件一脚接电源正极，另一脚接电源负极，其输出端既经第一电阻接第一集成电路的负输入端，又经一第五电阻接第三集成电路的正输入端，第一集成电路的正向输入端经第四电阻接电位器的中间抽头，该电位器的一端接电源正极，另一端接电源负极，第一集成电路的输出端经第六电阻接第二集成电路的正输入端，第二集成电路的负输入端接第七电阻和可变电阻的节点，该第七电阻的另一端接电源正极，可变电阻的另一端接电路负极，第二集成电路的输出端输出的PWM信号经第八电阻接三极管的基极，其集电极通过磁悬浮电磁线圈与电源正极相连，其发射极接电源负极，第三集成电路的输出端接第一二极管的负极，该第一二极管的正极接第六电阻和第二集成电路的正向输入端的节点。

所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于：

所述的浮体为一地球仪，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块扁圆形钕铁硼永磁体；其下端重心线穿过的地方置设有一块竖置的钕铁硼旋转永磁体；

所述的架箱体底座向上弯曲地延伸两支架，其中一支架支撑一电磁盒，其内设置一螺丝形铁芯，其螺杆上紧紧地套有一用导线绕制成的扁圆形的低电阻的磁悬浮电磁线圈，该螺丝形铁芯下端的凹坑内平贴设有一霍尔传感器集成电路元件，该电磁盒的上盖是一铁质的钟罩结构，其下盖是非磁性材料可用铜或塑料制成的；

所述支架是空心管制成，还设有一浮体的外圈固定在支架纵向中部的横环，形成一框栏结构；它具有装饰作用，横环上可以安置些小型物件；

在所述底座偏离浮体重心线的面板内安设有旋转传感器和竖立的旋转电磁线圈，它可以有铁芯或磁芯。

所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于：

所述的架箱体的底座是一型箱体，该箱体上设有一球门的模型，该球门的横梁中设有横臂形铁芯，其中心部分有垂直向下的导磁头，该导磁头下端的凹坑内贴设有一霍尔传感器集成电路元件，该导磁头的顶部还可以加设有扁形磁钢，该横臂形铁芯自中心延球门向外展出两横臂铁芯，该两横臂铁芯各紧紧地套设一横置磁悬浮电磁线圈，在该横臂铁芯和电磁线圈的外侧横端面上还可以加设有增磁作用的铁板；

所述浮体是一壳型足球模型，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块扁圆形钕铁硼永磁体，其下端重心线穿过的地方置设有一竖置的钕铁硼旋转永磁体；

在箱体台面内足球重心线穿过的地方横置一个长形的旋转电磁线圈，该线圈内可以加设有铁芯或磁芯，在该旋转电磁线圈的旁侧，设有旋转磁感应传感器；

在箱体内安装有交流或直流低电压源或总电压≥4.5V的电池控制电路板，充电器及断电保护器。

本发明的技术效果：

1.本发明将小型的能设计成在很低的电压下正常工作的线性磁感应传感器引入了磁悬浮装置，由于它们具有体积小和优良的磁感应效率的特性，因而可巧妙地安设在磁悬浮主结构的电磁器件的铁芯下端面处或下端部，紧密结合形成高效馈磁的组合式磁悬浮主结构，特别是安设在铁芯的筒形空腔内，更能直接、准确、可靠地感知铁芯下端面与悬浮永磁体之间的距离，可通过控制电路更灵敏感地控制浮体的位置，使浮体的悬浮状态更稳定；

2.由于采用了作为小型线性磁感应传感器的比较理想的霍尔传感元件平放在铁芯的筒形空腔内，该霍尔元件的上表面朝向铁芯，下表面朝向下方浮体顶部的磁悬浮永磁体，该霍尔元件工作时，上、下二侧面磁感应同时发生，因而输出信号是该两种磁感应的综合作用的结果，经专门设计的电路放大后，以PWM信号输向功放管，磁悬浮电磁线圈中的激磁电流呈脉冲波形，则功放管处于“开关”状态，这样有助于大幅度降低能耗，可以不加用散热器，也为磁悬浮装置有效降低能耗、缩小体积和降低成本创造了条件；

3.此外，还采取了很多有节电、降耗的措施，例如浮体采用轻质薄壳结构；悬浮永磁体和旋转永磁体都采用钕铁硼高强永磁体；还在铁芯和电磁线圈上端加设有增强磁性的材料或永磁体；旋转电磁线圈内加设铁芯或磁芯；

4.经实验证明，本发明的电源有≥4.5V的电池即可对磁悬浮装置进行低电压直流供电，工作达几小时，本发明的低电压源为包括电池盒在内的交、直流两用的低压电源，内置电池充电器、断电保护，在有交流供电场所，通过插头插座采用交流供电，使用时，可同时对内置充电电池充电，断电时，又可利用内藏的电池快速自动投入供电，本发明磁悬浮装置照样能正常工作，达到理想效果。

附图说明：

图1是本发明低电压源磁悬浮装置实施例1的结构示意图。

图2是本发明低电压源磁悬浮装置实施例2的结构示意图。

图3是本发明低电压源磁悬浮主控电路原理图。

图中：

1-磁悬浮螺丝形铁芯  2-磁悬浮扁圆形电磁线圈

3-铁罩上盖          4-下盖(非铁磁材料)

5-线性霍尔传感器集成电路件  6-磁悬浮钕铁硼永磁体

7-浮体(地球仪等)  8、8’-空芯管支架  9-横环

10-竖立旋转永磁体  11-旋转传感器

12-竖立旋转电磁线圈  13-底座

14-横臂形双臂铁芯  15-横置磁悬浮电磁线圈

16-横臂铁芯导磁头  17-铁皮(板)  18-扁磁钢

19-横置旋转电磁线圈  20-横置的铁芯  21-控制电路板

22-电池盒  23-电池充电器  24-断电保护器

25-交流低压电源  26-电源插头(外电源)

27-交流低压电源插头  28-交流低压电源插座  29-球门架

30-箱体  31-足球模型浮体  32-电源开关(2×2)

33-电源指示灯  34-工作状态指示灯

具体实施方式：

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明，低电压源的磁悬浮装置，它必须具有低功耗、多功用和便携式的结构特点，具体地说，该磁悬浮装置必须解决如下的问题并使之：供电电压要尽可能低些，以减少电池的数量，减小体积和重量，降低成本；要降低功耗、省电，采用小功率电池也可以使浮体悬浮并绕其重心线而旋转，并理想地运行较长时间。为此，本发明采用了：高效馈磁的组合式磁悬浮主结构；旋转系统的磁力高效馈能系统；低电压控制电路及采用在很低电压下仍然可以使用的元器件；实现优化性能下的多功用性。

首先请参阅图1，图1是本发明低电压源磁悬浮装置实施例1的结构示意图。由图可见，本发明低电压源磁悬浮装置实施例1的浮体是一个轻质薄壳的地球仪7，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块钕铁硼高强永磁体6作悬浮永磁体，其下端重心线穿过的地方置有一块竖置的钕铁硼高强永磁体10作旋转永磁体。

该装置的底座13向上弯曲地延伸两支架8、8’，其中一支架8支撑一电磁盒，其内设置一螺丝形铁芯1，其螺丝杆上紧紧地套有一用较粗导线绕制的扁圆形低电阻线圈作电磁线圈2，该螺丝形铁芯1的下端的凹坑内贴设一霍尔传感器集成电路元件5，该电磁盒的上盖3是铁质的成钟罩形，其目的是增加铁芯1的电磁力，其下盖4是由非磁性材料制成的。

所述支架8、8’是由空心管制成的，并设有装饰作用的外圈的一横环9，其上可放置小型的车模、玩具、形象品等，在所述底座13的面板内，偏离浮体7重心线的地方安置有相应的旋转传感器11和竖立的旋转电磁线圈12，他们与浮体7或其他浮体下端的竖立的旋转永磁体10间歇地相互作用，推动地球仪7绕重心线为轴而旋转。所述的低电压源和低电压低功耗的控制电路都安装在底座13内，图中未示。

利用线性霍尔传感器集成电路元件5作磁悬浮感应传感器，它下侧面受下方浮体上端的磁悬浮永磁体的上侧面的磁场感应，它上侧面受其上面铁芯的电磁场的磁感应，这二者联合作用，所输出的传感电压信号，经放大后，形成PWM信号输向功放管，形成磁悬浮电磁线圈中的脉冲波形激磁电流，而功放管处于“开关”放大状态，显著地减少了发热，因而有效降低了功耗，达到电节能效果，以上的控制均属低电压源和低电压控制，该磁悬浮主结构的控制电路原理图如图3所示，它的工作原理如下：该霍尔元件5一脚接电源正极，另一脚接电源负极，其输出端既经第一电阻R₁接第一集成电路IC₁的负输入端，又经一第五电阻R₅接第三集成电路IC₃的正输入端，第一集成电路IC₁的正向输入端经第四电阻R₄接电位器W₁的中间抽头，该电位器W₁的一端接电源正极，另一端接电源负极，第一集成电路IC₁的输出端经第六电阻R₆接第二集成电路IC₂的正输入端，该第二集成电路IC₂的负输入端接第七电阻R₇和可变电阻W₂的节点，第七电阻R₇的另一端接电源正极，可变电阻W₂的另一端接电路负极，第二集成电路IC₂的输出端输出的PWM信号经第八电阻R₈接三极管BG₁的基极，其集电极通过电磁线圈L与电源正极相连，其发射极接电源负极，该第三集成电路IC₃的输出端接第一二极管D₁的正极接第六电阻R₆和第二集成电路IC₂的正向输入端的节点。因PWM信号经功放后，在线圈L中形成脉冲波电流，则功放管处于“开关”状态，降低了热耗。

图2是本发明装置实施例2的结构示意图，是一浮体足球31悬浮在足球球门29之中的模型，它由显示场景作用的箱体30、球门架29和足球模型31构成，箱体30上设一球门架29，球门架的横梁中设有横臂形铁芯14，其中心部分有垂直向下的导磁头16，该导磁头16下端的凹坑内平贴设一线性霍尔传感器集成电路元件5，该导磁头16的顶部可以加设有增加磁力的扁磁钢18，该横臂形铁芯14自中心沿门架向外伸展两横臂铁芯并且各紧紧地套没一横置磁悬浮电磁线圈15，在该电磁线圈15和双横臂铁芯14的外端的横侧面处还可以加设有铁17，其目的都是为了增加磁力，降低功耗。

为了适应低电压源低功耗的要求，所述浮体足球31采用轻质薄壳材料以降低自重。其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块扁圆形钕铁硼高强永磁体6，其下端重心线穿过的地方置设有一竖置的钕铁硼旋转高强永磁体10，同时在箱体30台面内沿足球31重心线穿过的地方横置一个长形的旋转电磁线圈19，该线圈可以穿设一铁芯20，与该旋转电磁线圈19相配用，设一旋转磁感应传感器11。

所述的旋转磁感应传感器11，可以采用磁感应传感器，如线性磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻、霍尔传感器，所述的旋转电磁线圈19应采用较细的漆包线密绕而成。旋转传感器11受足球浮体31的旋转永磁体10的磁感应而发出有效传感信号，经过电路，给旋转电磁线圈通入电流而发出电磁场，作用于浮体的旋转永磁体10，产生对浮体足球31的旋转力源。

上述旋转传感器11如果采用干簧管，则应在它的近旁设置一小块的永磁体，形成一预置的“磁场环境”。

在本实施例2中，标示出在箱体30内安装有包括电池盒22在内的交直流两用低电压源和低功耗控制电路板21，电池盒22内可放置电压为4.5V的多节充电电池，还设有电池充电器23、断电保护器24、箱体30上设有电源开关32、电源指示灯33、装置工作状态指示灯34、交流低压电源插座28。该装置还有附件：交流低压电源25，该电源25有外接电源插头26，可接交流220V或110V，另一端为交流低电源插头27，插入插座28，即可将交流220V或110V的电源变成交流低电压(6伏)电源供装置使用。拔出插头27可使用内置电池供电。

当然，电源电路所采用的都是已有的电路，在此不详加描述。但电路应包括：

①.整流、滤波、稳压电路，外接的交流低压电源，经全波整流和大容量电容的滤波，成为纹波系数较低的直流电，再经低电压稳压电路或元件，形成低于4.5V的稳压源。

②.电池充电器、内置的充电电路、在使用外界交流电时，所得的直流电、通过充电器自动对充电电池组充电，直至充电完毕、处于“浮充”状态，以作为备用。

断电保护，使用外界交流电时，突然停电，内置的控制部件快速将电池供电，避免了中断运行的弊端，交流电恢复后，电池停止供电并充电。

上面仅对以地球仪和足球作浮体的低电压源磁悬浮装置作了描述。本发明低电压源磁悬浮装置的浮体显然可以是多种多样的，例如各类球体、广告展示品、玩具、模型、形象标志品、装饰工艺品、体育或宗教雕塑造型等等，所用的架箱体也可以是五花八门的，如单边支架式、双边框架式、箱体式等等。

因此本发明低电压源磁悬浮装置，具有实用、便携、多功用、高性能等优点，有较好的开发应用前景。

Claims (15)

1、一种低电压源磁悬浮装置，包括一设有磁悬浮永磁体和旋转永磁体的浮体，架箱体，由电磁线圈和铁芯组成的磁悬浮电磁器件，磁悬浮主传感器，在架箱体内还安装有至少一个旋转传感器、至少一个旋转电磁线圈、电源及控制电路，其特征在于：

采用磁感应传感器作磁悬浮主传感器，平置于磁悬浮电磁器件的套有电磁线圈的铁芯的下端面处或下端部，紧密结合形成组合式磁悬浮主结构；

所述浮体是一壳体，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块钕铁硼磁悬浮永磁体；

所述浮体内壁嵌贴至少一块旋转永磁体，在架箱体的面板内壁安装有馈能的旋转系统，其包括至少一个旋转传感器和至少一个旋转电磁线圈它们均应与浮体内的旋转永磁体相对应；

所述的电源为用交流供电、或用直流供电、或用电池供电的低压电源，所述的控制电路为低电压源控制电路。

2、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的铁芯下端具有开口朝下的筒形空腔或凹坑，所述的磁感应传感器平放在该筒形空腔或凹坑内，该磁感应传感器为线性的磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻、霍尔传感器或霍尔传感器集成电路元件。

3、根据权利要求2所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的铁芯为螺丝形，其筒形空腔是铁螺丝头下端的凹坑，也可以是铁螺帽一部分拧入螺杆、另一部分尚未拧入而形成的筒形空腔，所述的磁悬浮电磁器件的电磁线圈是用导线绕制成圆形的低电阻的线圈紧套在其杆上。

4、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的磁悬浮电磁器件的铁芯为横臂形，其中心部分有垂直向下的导磁头，自中心向外展出多条横臂，每条横臂各套设一电磁线圈。

5.根据权利要求4所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的该导磁头为螺丝形。

6、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的铁芯和电磁线圈的上端面加设有铁片或扁形永磁体，或铁质钟罩形上盖。

7、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的旋转传感器为线性或开关型磁感应传感器元件或干簧管。

8、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的旋转电磁线圈采用漆包线密绕而成。

9、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的浮体下端的重心线穿过的地方置设有一个在轴向有二个侧面的竖置的旋转永磁体，相应地在架箱体的面板内以浮体的重心线的投影为圆心的一圆周上布设有至少一个旋转传感器和至少一个竖放的旋转电磁线圈。

10、根据权利要求8或9所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的旋转电磁线圈内有铁芯或磁芯。

11、根据权利要求7所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的干簧管近旁置有一永磁铁。

12、根据权利要求9所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于所述的浮体下方架箱体的底座台面内的重心线处横置一个长形的有铁芯或磁芯的旋转电磁线圈，它轴向的二个侧面，是对应于上方的浮体下部的竖置的永磁体的轴向二个侧面的。

13、根据权利要求1所述的低压源磁悬浮装置，其特征在于所述的电源的构成包括除放置总电压≥4.5V的电池的电池盒外，还设有对可充电电池的充电器、断电保护器、低压交直流电源、电源插头、交直流低压电源抽头及插座。

14、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于：

所述的浮体为一地球仪，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块扁圆形钕铁硼永磁体；其下端重心线穿过的地方置设有一块竖置的钕铁硼旋转永磁体；

所述的架箱体底座向上弯曲地延伸两支架，其中一支架支撑一电磁盒，其内设置一螺丝形铁芯，其螺杆上紧紧地套有一用导线绕制成的扁圆形的低电阻的磁悬浮电磁线圈，该螺丝形铁芯下端的凹坑内平贴设有一霍尔传感器集成电路元件，该电磁盒的上盖是一铁质的钟罩结构，其下盖是非磁性材料制成的；

所述的支架是空心管制成，还设有一浮体的外圈固定在支架纵向中部的横环，形成一框栏结构；

在所述底座偏离浮体重心线的面板内安设有旋转传感器和竖立的旋转电磁线圈。

15、根据权利要求1所述的低电压源磁悬浮装置，其特征在于：

所述的架箱体的底座是一壳型箱体，该箱体上设有一球门模型，该球门的横梁中设有横臂形铁芯，其中心部分有垂直向下的导磁头，该导磁头下端的凹坑内贴设有一霍尔传感器集成电路元件，该导磁头的顶部加设有扁形磁钢，该横臂形铁芯自中心延球门向外展出两横臂铁芯，该两横臂铁芯各紧紧地套设一横置磁悬浮电磁线圈，在该横臂铁芯和电磁线圈的外侧横端面上还可以加设有增磁作用的铁板；

所述浮体是一壳型足球模型，其顶端重心线穿过的内壁嵌贴有一块扁圆形钕铁硼永磁体，其下端重心线穿过的地方置设有一竖直的钕铁硼旋转永磁体；

在箱体台面内足球重心线穿过的地方横置一个长形的旋转电磁线圈，该线圈内设有铁芯或磁芯，在该旋转电磁线圈的旁侧，设有旋转磁感应传感器；

在箱体内安装有包括电池盒在内的交流或直流低电压源或总电压≥4.5V的电池和控制电路板，还设有充电器及断电保护器。

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