CN1729614A - 磁悬浮设备 - Google Patents

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Abstract

一种磁悬浮设备在磁场中支撑磁性元件。一个控制系统控制可变磁场以将磁性元件保持在相对不稳定轴的平衡位置上。在某些实施例中，所述可变磁场在不稳定轴的方向上具有梯度但不具有磁场分量。在某些实施例中，所述磁场由四个分离的磁铁阵列提供。在某些实施例中，附加的磁铁在平衡位置提供增强的场强，这增加了悬浮磁性元件的稳定性以防止翻转。光源和电源可以提供给悬浮磁性元件。

Description

磁悬浮设备
参照相关申请
本申请要求于2002年9月27日提交的美国专利申请No.60/413881的优先权。
技术领域
本发明涉及用于悬浮磁性元件的设备。
背景技术
悬浮物体受到关注并能用于各种应用中。磁学领域提供了一种能够用于悬浮磁性物体的工具。根据Earnshaw的理论，只利用静磁场不可能以稳定的方式支撑磁性物体。Earnshaw理论的一个命题是悬浮磁体不能通过任何静磁力和地磁力的组合保持稳定的平衡。
Whitehead在美国专利No.5,168,183中公开了一种磁悬浮系统，其中布置在所述系统中的分隔面一侧的磁铁能够支撑位于该分隔面另一侧的悬浮的磁性元件。这种磁性装置提供了一个静磁场，随着悬浮元件在平行于稳定平面方向的位移，在悬浮元件与静磁场之间的磁相互作用的势能增加。该磁性装置包括控制变力的控制系统，所述控制系统可以是一个可变磁场，以在垂直于稳定平面的方向稳定悬浮元件。
发明人确定由Whitehead公开的实施方式产生的磁场易于向悬浮磁性元件施加扭矩。这是因为在悬浮磁性元件的平衡位置，当用于在“不稳定”的方向上控制悬浮磁性元件的位置的可变磁场通常地定向于垂直静磁场的方向时，悬浮磁性元件的磁偶极子通常与静磁场对准。由这个扭矩产生的旋转能够导致悬浮元件的扭转和平移振动。在某些情况下，这不利地影响稳定反馈控制并且因此影响悬浮磁性元件的稳定性。
因此需要一种由Whitehead公开的具有理想工作特性，比如增强的悬浮磁性元件的稳定性和/或简单的结构的磁悬浮系统。对于某些应用，特别需要这种含有少量磁性材料并且制造成本低廉的悬浮系统。
发明内容
本发明的一个方面提供了用于悬浮磁性元件的设备。这种设备包括至少两个磁铁以产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场。在某些实施例中，至少两个磁铁含有四个菱形排列的磁铁。静磁场提供一个平衡位置，在所述位置上势能随磁性元件沿不稳定轴方向远离平衡位置的位移而减小，并且势能随磁性元件在任何垂直不稳定轴方向上远离平衡位置的位移而增加。所述设备包括用于产生表示磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号的位置传感器，为在电磁铁的电流通路上产生控制磁场的电磁铁，所述控制磁场对在平衡位置沿不稳定轴的位移具有梯度，以及与电磁铁连接以接收反馈信号并控制电磁铁中的电流以防止磁性元件偏离平衡位置附近的控制器。
在某些实施例中，电磁铁包括至少两个沿平行于不稳定轴的轴方向间隔的线圈。例如，电磁铁可以包括四个沿平行于不稳定轴的轴方向间隔的线圈，其中在通过四个线圈的电流通路上，四个线圈中的每一个都具有与四个线圈中的相邻的其他线圈相反的磁极性。
一个特定的实施例提供了一种设备，其中所述的至少两个磁铁包括在平行于不稳定轴的方向上以第一距离D1相互隔开的第一和第二磁铁，以及在不稳定轴的横向方向以第二距离D2相互隔开的第三和第四磁铁，其中D1＜D2，第一和第二磁铁中的每一个都与所述至少两个磁铁的对称轴等距，并且第三和第四磁铁中的每一个都与所述对称轴等距。每个第一和第二磁铁、第三和第四磁铁可以具有面向平衡位置的第一磁极和背离平衡位置的第二磁极。第一、二、三、四磁铁的第一磁极可以是共面的。
本发明的另一方面提供了用于悬浮磁性元件的设备。所述设备包括用于产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场的装置，所述静磁场提供一个平衡位置，在所述平衡位置势能随磁性元件沿不稳定轴方向远离平衡位置的位移而减小，并且势能随磁性元件在任何垂直不稳定轴方向上远离平衡位置的位移而增加。所述设备还包括用于产生表示磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号的装置和用于通过相应于反馈信号在平衡位置提供四极控制磁场将磁性元件引导到平衡位置的控制装置。
本发明的其他方面和本发明特定实施方式的特点将在下面描述。
附图说明
在下列图中描述了本发明非限定性的实施例，
图1是根据本发明的一个实施例的磁悬浮系统的局部示意图；
图1A和图1B是根据本发明的可选择实施例的磁悬浮系统的局部示意图；
图2A到图2C是表示根据悬浮磁性元件分别沿图1的系统的x、y和z轴偏离平衡位置的位移而产生的磁势能的变化的曲线；
图3是配置有控制线圈以在平衡位置产生四极磁场的磁悬浮系统的顶视图；
图4是具有磁铁以改善悬浮磁性元件稳定性以克服旋转的磁悬浮系统的顶部平面视图；
图5是具有用于支撑平衡位置附近的磁性元件的移动平台的磁悬浮系统的侧视图；
图6表示用于照明和驱动悬浮物体的装置；
图7是从经过本发明的一个实施例的控制线圈的x-z平面截取的截面图；
图8A和图8B表示根据本发明的可选择实施例的线圈的几何形状。
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作是描述性的，而不是限定性的。
图1表示根据本发明的磁悬浮系统10。所示系统10在平衡位置13悬浮一个磁性元件12。磁性元件12包括一个磁极或磁极阵列。磁性元件12可以包括附着在要被悬浮的轻质主体上的永磁铁。
系统10包括间隔距离为D1的第一磁铁对14(单独地为14A和14B)和间隔距离为D2的第二磁铁对16(单独地为16A和16B)，其中D2＞D1。在本发明当前优选实施例中，D2∶D1的比在1∶1到2∶2的范围内。
进一步与磁铁14分隔的磁铁16，优选地具有大于或等于磁铁14的偶极矩的偶极矩。磁铁16的磁偶极矩优选地足够大以抵消在缺少磁铁16时会出现的磁场的磁力线不希望有的曲率，但不要大到可以抵消低能量磁铁14的悬浮磁场，所述悬浮磁场由于接近磁铁14而对平衡位置13具有更大的梯度。优选地，磁铁14A和14B彼此具有相同的磁场强度并且磁铁16A和16B彼此具有相同的磁场强度。磁铁14的磁场强度M14优选地小于或等于磁铁16的磁场强度M16。在本发明的某些实施例中M16∶M14的比在1∶1到2∶1的范围内。
磁铁14理想化地排列为使磁铁14A和14B放置在第一轴并且磁铁16A和16B放置在垂直于第一轴的第二轴上。在下面的描述中，磁铁14和16被显示为与平面18相邻。一个具有在平面18内互相垂直的x轴和y轴以及垂直于平面18的z轴的笛卡尔坐标系相对于磁铁14和16是原点对称的。x轴延伸通过磁铁14并且y轴延伸通过磁铁16。所述系统10的坐标系的z轴作为系统10的对称轴。z轴延伸通过平衡位置13，所述平衡位置13与平面18距离D3。
如图1所示的磁铁14和磁铁16位于垂直轴上是理想情况，一些不背离本发明的偏离于理想位置的情况也是可以的。在示例性的实施例中，磁铁14和16被放置成菱形。笛卡尔坐标系的建立只是为了在描述示例性的设备的结构时更方便。其他坐标系也能够使用。
磁铁14和16优选地在尺寸上比磁铁14和16之间的距离小并且磁性元件12可以通过系统10在平衡位置13被悬浮。在这种情况下，每个磁铁14和16在平衡位置产生一个与在磁铁14或16的位置由一个单一磁偶极子产生的磁场基本相同的磁场。
在图1所示的实施例中，磁铁14和16都被极化为平行于z轴的相同方向。图1A示意性地表示本发明的一个可选择实施例，其中每个磁铁14以角度φ1倾斜于z轴，并且每个磁铁16以角度φ2倾斜于z轴。在某些实施例中φ1＝φ2。在其他实施例中φ1和φ2是不同的。如图1A所示，向z轴倾斜的磁铁14和/或16以减小一个或多个方向的稳定性为代价，易于获得一些磁性元件12沿一方向运动的悬浮“刚度”。
磁铁14和16具有指向第一方向(例如+z方向)的第一磁极(例如N)以及指向与第一方向相反的第二方向(例如-z方向)的第二磁极(例如S)。
任何适合的磁铁都可以用于磁铁14和16。磁铁14和16可以包括例如永磁铁和电磁铁。系统10可以通过根据总容量和峰值功率限定的电池或其它电源供电，或在希望系统10的电功率消耗最小化的情况下，磁铁14和16优选地为永磁铁。在某些实施例中，磁铁14和16含有NdFeB、钡铁氧体、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁。每个磁铁14和16可以包括一个磁偶极子的阵列。
在示例性的实施例中，最靠近平衡位置13的磁铁14和16的磁极是共面的并且都直接与平面18相邻。磁铁14和16可以被安装在基座17内(见图1B、5和6)。磁铁14和16和基座17可以在z轴上很薄。在某些实施例中，基座17具有远小于D3的厚度。例如，基座17可以具有1/2×D3或更薄的厚度。
磁铁14和16在平衡位置13产生支撑磁性元件12悬浮的静磁场。所述静磁场具有梯度，以便对于悬浮磁性元件12在平行于稳定平面20的方向(如图1中的y-z平面所示)上偏离平衡位置13的较小位移，使悬浮磁性元件12和静磁场之间的磁相互作用的势能增加。
图2A、2B和2C表示了根据磁性元件12分别沿x、y和z轴位移的位置的磁势能的变化。能看出随着沿y和z轴中任何一轴远离平衡位置13的位移，磁势能增加。因此磁性元件12关于沿那些轴远离平衡位置13的位移是稳定的。另一方面，随着沿x轴中任何方向远离平衡位置13的位移，磁势能减少。因此磁性元件12关于沿x轴远离平衡位置13的位移是不稳定的。
系统10包括在控制器24(见图1)的控制下产生可变磁场的控制线圈22(单独地为22A和22B)。当磁性元件12远离它的悬浮平衡位置13移动时，控制器24调整控制线圈中的电流使控制线圈22产生导致一个力施加到磁性元件12上的磁场。该力沿不稳定x轴的选定方向推动磁性元件12。由控制线圈中的电流通路产生的可变磁场稳定了悬浮磁性元件12在x轴方向上的运动。在图1描述的实施例中，线圈22A、22B彼此相邻，它们的中心沿x轴隔开，每个线圈22围绕一个磁铁14。
位置传感器26向控制器24提供表示悬浮磁性元件12在不稳定的x轴上位移的信号。在示例性的实施例中，传感器26位于平衡位置13正下方的系统10的对称中心。位置传感器26例如可以包括霍尔效应传感器。霍尔效应传感器可以被定向以检测在平行于x轴的方向上的悬浮磁性元件12的场强。当磁性元件12位于平衡位置13然后磁性元件12的磁偶极子与静磁场对准时，所述静磁场被定向于平行z轴的方向。磁性元件12的磁偶极子在传感器26的位置不产生平行于x轴方向的净磁场(net magnetic field)分量。如果磁性元件12沿不稳定x轴的任一方向移动，则由传感器26检测到的来自它的磁偶极子的磁场在x轴方向具有非零分量，所述磁场非零分量随着磁性元件12相对平衡位置13的位移的增加而增加。因此，由霍尔效应传感器26输出的信号可以用于为控制器24提供关于沿不稳定x轴的磁性元件12的位置的反馈。
控制器24调整线圈22中的电流以使磁性元件12保持在平衡位置13。控制器24可以包括任何适合的包括适合编程数据处理器，比如计算机、可编程控制器或数字信号处理器，或者适合的模拟或数字反馈控制电路的控制技术。
磁性元件12能够被稳定悬浮的平衡位置13和与磁铁14、16相邻的平面18之间的距离D3可以通过调整磁铁14A和14B之间的距离D1而改变。当磁性元件12被悬浮时略微减小距离D1会导致当增加磁性元件12关于距离稳定平面20(即图1中的y-z平面)上的平衡位置13的位移时距离D3减小。当磁性元件12被悬浮时略微增加距离D1会导致当减小磁性元件12关于距离稳定平面20上的平衡位置13的位移时距离D3增加。
优选地，平衡位置13是一个在线圈22中没有电流的情况下，磁铁14和16的静磁场提供了抵消磁性元件12在平衡位置13处的重力的位置。磁性元件12在x方向不稳定。线圈22被控制以抵消磁性元件12在x轴方向上的任何远离平衡位置13的运动。在这样的实施例中，当磁性元件12已经移动或正在移向远离平衡位置13的位置时，只需要使电流在线圈22中流动。这有可能使将磁性元件12稳定在平衡位置13所需的电功率消耗最小化。
控制线圈22的设置使得它们能够被控制以在平衡位置13附近提供足以控制磁性元件12在不稳定x轴上的位置的磁场梯度(dBz/dx)。线圈22的尺寸和位置可以方便地选择以便在平衡位置13附近由线圈22所产生的磁场的大小可以非常小。这使得磁性元件12稳定而不用引入明显的引起磁性元件12旋转的横向磁场分量。实际上，理想的是，在平衡位置13，当x方向具有足够大以提供足够的控制磁性元件12在x轴上位置的力的梯度(dBz/dx)时，线圈22的磁场在x、y和z轴上的分量与实际的一样小。
图3描述了具有一个控制线圈22的结构的系统10A，所述结构使平衡位置13附近的线圈22的磁场最小化。同样的标记数字用于表示图1的系统10中也能找到的系统10A的部件。系统10A具有四个线圈22，线圈22A、22B、22C和22D。线圈22A到22D是与平面18平行放置且彼此平行的矩形线圈。线圈22A到22D的长边平行于y轴且沿不稳定的x轴的横向延伸。线圈22A到22D沿x轴对称排列。如图所示，磁铁14A和14B可以分别在线圈22A和22B内。线圈22A到22D关于y-z稳定平面对称放置。理想地线圈22A和22B靠在一起，线圈22A和22C靠在一起而且线圈22B和22D靠在一起。线圈22C和22D优选地在平行于x轴的尺寸上比线圈22A和22B更宽。在示例性的实施例中，线圈22A具有与线圈22B相同的尺寸，并且线圈22C具有与线圈22D相同的尺寸。
理想地，至少那些由线圈22产生的平行于平面18的磁场分量至少在平衡位置13附近大体上互相抵消。这种结果可以通过适当地选择线圈22的尺寸以及在适当的方向将适当的电流通入线圈22来产生。以相反的方向将电流通入线圈22A和22B会在磁铁12上产生稳定的磁力。假如电流以顺时针方向通入线圈22A，则电流必须以逆时针方向通入线圈22B。同时，电流以逆时针方向通入线圈22C并且电流以顺时针方向通入线圈22D。这样就形成了一个稳定的磁场，所述磁场沿不稳定x轴的一个方向施加推进磁性元件12的力。要形成一个沿不稳定x轴的另一相反方向施加推进磁性元件12的力的稳定的磁场，则流入每个线圈22的电流的方向就要反过来。
当线圈22具有相同的匝数、适当的尺寸、以及在每个线圈中以正确方向加载相等的电流时，如图3所示的线圈22的排列就会在平衡位置13产生一个四极磁场。磁性四极就是一个点，在该点空间当磁场梯度是线性并且关于该点对称时，磁场的大小为零。在这种情况下，线圈22产生施加给磁性元件12的稳定磁力。施加到磁性元件12的稳定磁力的大小与磁性元件12的位置处的磁场梯度dBz/dz的大小成比例。
图7是取自通过线圈22的x-z平面的截面图。对于在平衡位置13产生四极磁场的线圈22，理想的情况是线圈22A和线圈22B具有相等的宽度W1，线圈22C和线圈22D具有相等的宽度W2，且W1与W2和距离D3根据W1＝D3且W2≥D3而相关。所有线圈22具有相同的长度。每个线圈22在横截不稳定x轴方向上的长度大于其宽度。
在磁性元件12在平衡位置13附近没有被传感器26探测到的情况下，控制器24优选地约束系统10的工作。例如，假如磁性元件12坠落，则理想的情况是防止控制器24试图通过在线圈22内通入电流来矫正磁性元件12的位置。这样会浪费能量，导致线圈22过热，并且在极端情况下会损坏向线圈22提供电源的控制电路。控制器24可以配置为在来自传感器26的信号表示磁性元件12不在平衡位置13的目标距离之内时切换到不活动模式。控制器24可以配置为在复位之前保持不活动模式。磁铁10可以包括一个能由用户操作以复位控制器24的复位开关。
在某些情况下，理想的情况是提供在平衡位置13增加静磁场强度的附加磁铁。磁性元件12克服倾覆力矩的稳定性由于在平衡位置13的静磁场的强度而增加。这是因为磁性元件12的磁偶极子容易将其与周围的磁场对准。如果磁性元件12的磁偶极子变得与磁场不重合则磁性元件12将受到一个矫正力矩。矫正力矩的大小与磁性元件12的位置处的磁场强度成比例。
图4表示附加磁铁30的排列，所述附加磁铁30增加平衡位置13的磁场强度，但不会反过来影响磁场梯度，所述磁场梯度形成用于将磁性元件12保持在平衡位置13的力。附加磁铁30排列成环31。每个附加磁铁30提供一个指向与磁铁14相同的磁偶极子。
环31位于平面18或平行于平面18的平面上。平衡位置13位于从环31中心垂直于环31所在平面的直线的延长线上。选择环31的半径以使由磁铁30产生的磁场的z分量在平衡位置13处沿z方向基本没有梯度(即在平衡位置13，dB(30)z/dz＝0)，其中B(30)z是由磁铁30产生的磁场的z分量。在上下文中，“基本没有梯度”的意思是所述梯度至少远小于由导致磁性元件12悬浮在平衡位置13的磁铁14和16所产生的静磁场的梯度，该梯度优选地小于所述静磁场的梯度的25％，最优选地小于所述静磁场的梯度的7％。由于在环31上的磁铁关于z轴对称，所以在平衡位置13上由磁铁30产生的磁场没有净水平分量，这会导致磁性元件12在除平行于z轴的任何方向都能自对准。
系统10可以通过最初在平衡位置13附近支撑磁性元件12而启动，接合控制器24，然后去除用于向磁性元件12提供最初支撑的任何支撑。例如，系统10可以包括非磁性支撑40，所述非磁性支撑40如图5所示可相对于磁铁14和16在下降位置42A和上升位置42B之间移动。
当支撑40在其上升位置42B时，它将磁性元件12支撑在平衡位置13。在系统10运转以将磁性元件12维持在平衡位置13后，支撑40可以被降到位置42A。
支撑40可以包括一个臂、一个台面、一根柱，或类似。支撑40可在其支撑磁性元件12的第一位置或平衡位置13附近和其脱离平衡位置13的第二位置之间移动。任何适合的机械装置都可以提供以使支撑40能够在第一和第二位置之间移动。所述机械装置可以包括，例如，一个或多个铰链、枢轴、滑动件、柔性件，或类似的构件。
如图1B所示，系统10可以选择性地包括一个或多个第二电磁铁22’。第二电磁铁22’可以用于进一步稳定磁性元件12。例如，一个关于z轴对称并且位置平行于平面18的电磁铁能够产生平行于z轴的磁场梯度，所述磁场梯度增大了来自磁铁14和16的静磁场。这个磁场梯度将对磁性元件12产生一个平行于z轴方向的力。力的大小和方向通过在第二电磁铁22’中流过的电流控制。确定方向以检测磁性元件沿z轴运动的第二传感器26B为第二控制器24B提供反馈(所述控制器24B可以是一条由用于提供控制器24的同样的硬件/软件提供的独立控制路径或者可以是一个单独的独立控制器)。控制器24B控制在第二电磁铁22’中流过的电流。第二电磁铁系统可以被用于抑制磁性元件12在平衡位置13附近沿z轴的振动或引起磁性元件12在+z或-z方向的移动。通过以合适的速度反复倒转在第二电磁铁22’中流动的电流，控制器24B能够使磁性元件12在平衡位置13附近沿z轴振荡。
在其他方向具有适当反馈传感器的电磁铁可以连同合适的控制器一起为磁性元件12提供沿y轴的力或为磁性元件12提供磁矩。以这种方式，悬浮元件能够在平衡位置附近被操纵到一个有限的角度或产生某个方向的振动。
系统10可以包括用以照明或驱动磁性元件12的装置。图6表示一种新玩具50，所述玩具50包括用于驱动磁性元件12的装置，以及用于照亮磁性元件12的系统。为了清楚起见，图6忽略了用于悬浮磁性元件12的装置的细节。所述悬浮装置可以装在基座17内。
在玩具50中，磁性元件12包括类似直升机机身的轻质外壳52。永磁铁54附于外壳52内。如上所述，磁铁54与悬浮系统相互作用，以在平衡位置悬浮起磁性元件12。玩具50包括一个驱动装置60。驱动装置60包括驱动水平旋翼56的小电机62。电机62通过高频耦合系统由电源供电。所述耦合系统可以包括空心变压器。安装在基座17内的发射线圈66被高频(例如射频)电信号激励。由发射线圈66发射的信号耦合到磁性元件12内的接收线圈67。这在接收线圈67中产生了感应电流。所述电流通过整流电路68整流以产生驱动电机62的电流。来自整流电路68的电流可以用于除电机62之外的功率电气设备。例如所述电流可以用于开启小灯(可以是例如发光二极管(LED))。
玩具50还包括照明系统70。照明系统70包括基座17中的高亮度光源72。光源72产生光束73。光束73照射磁性元件12上的受光器74。在描述性的实施例中，受光器74包括将来自光束73的光聚焦进一束光纤76的透镜75。光纤76延伸到外壳52上相应于导航灯光或类似的位置。光束73可以紧紧地限制以便人能够观察到玩具50。除光纤76以外，镜子，散光片或其他光学元件可以用于将来自受光器74的光导向以照亮磁性元件12的表面特征。
上述提及的部件(例如磁铁、部件、设备、电路等等)的地方，除非另外指出，对部件的提法(包括“装置”的提法)应该被解释为所述部件与任何执行所述部件功能的其他元件作为一个整体而等价(即功能等价)，所述整体部件可以在结构上与在本发明所描述的示例性实施例中执行所述功能的公开的结构不等价。
本领域技术人员应该清楚，在前述的内容中，在不背离本发明的精神和范围的情况下，许多改变和修改是可行的。例如：
·在描述性的实施例中，磁铁14和16的磁偶极矩彼此平行。在本发明的某些实施例中，磁铁14和/或16被定向以便它们的磁偶极矩与平面18成锐角。
·在描述性的实施例中，磁铁14和16的最高极是共面的并且都与平面18相邻。磁铁14和16不必共面。
·在描述性的实施例中，磁铁14和16的“N”极面向平衡位置13。磁铁14和16的极性可以相反从而磁铁14和16的“S”极面向平衡位置13。
·控制线圈22不必由多个分离的线圈组成。可以排列成一个单一的绕组以提供与多个分离线圈所产生的磁场基本相同的磁场。
·可以提供与环31同心的附加磁偶极子环。由于优选地，所述环在平衡位置13产生dB(30)z/dz＝0的磁场，存在不同直径的环，每个环优选地与平衡位置13的距离不同以保持dB(30)z/dz＝0。
·环31可以包括一个或多个环形磁铁以取代分离的偶极子。
·磁铁14和/或磁铁16可以被能够产生相似的磁场的对称排列的较小磁铁的布置代替。然而，通常希望使用较少的而不是更多的分离磁铁以减少磁铁占用的空间。
·线圈22被描述为矩形，但其他线圈形状也可以用于产生对磁性元件12的稳定磁场力。例如，线圈可以是如图8A的线圈22E和22F的三角形或如图8B的线圈22G和22H的半圆形。
·任何适合的非接触传感器可以用于传感器26。传感器26可以，例如包括适合的光学式、电容式或其他传感器。传感器26能够以任何适合的方式检测磁性元件12沿不稳定轴的位置。在优选实施例中，传感器26能够检测磁性元件12从离开平衡位置13一段距离的位置沿不稳定轴的移动，所述距离等于平面18和平衡位置13之间的距离。
因此，本发明的范围根据所附权利要求书限定的主旨而被解释。

Claims (42)

1、用于悬浮磁性元件的设备，所述设备包括：
至少两个磁铁，用以产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于不稳定轴的方向上远离所述平衡位置的位移而增加；
位置传感器，用于产生表示所述磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号；
电磁铁，用以在通过所述电磁铁的电流通路上产生控制磁场，所述控制磁场在平衡位置上具有关于沿不稳定轴的位移的梯度；以及
控制器，其被连接以接收反馈信号并且控制所述电磁铁中的电流以防止所述磁性元件离开平衡位置附近。
2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电磁铁包括沿平行于不稳定轴的轴间隔的至少两个线圈。
3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述的至少两个线圈是具有沿横截于不稳定轴方向延伸的长边的矩形线圈。
4、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电磁铁包括四个沿平行于不稳定轴的轴间隔的线圈，其中在通过四个线圈的电流通路上，四个线圈中的每一个都具有与相邻的四个线圈中的其他线圈相反的磁极性。
5、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述电磁铁包括四个沿平行于不稳定轴的轴间隔的线圈，所述四个线圈包括位于第三和第四矩形线圈之间的第一和第二矩形线圈，其中在通过第一到第四线圈的电流通路上，由第一和第二线圈产生的磁场分量在平衡位置被第三和第四线圈产生的磁场抵消。
6、根据权利要求2到5中任一项所述的设备，其特征在于，所述电磁铁的线圈基本上共面。
7、根据权利要求1到6中任一项所述的设备，其特征在于，所述电磁铁用于在电流通路上的平衡位置上产生四极磁场。
8、根据权利要求1到7中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个磁铁包括以菱形排列的第一、第二、第三和第四磁铁，所述第一和第二磁铁比所述第三和第四磁铁靠得更近。
9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第三和第四磁铁比所述第一和第二磁铁的磁力更强。
10、根据权利要求1到7中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个磁铁包括在平行于不稳定轴的方向上以第一距离D1相互隔开的第一和第二磁铁，以及在不稳定轴的横截方向以第二距离D2相互隔开的第三和第四磁铁，其中D1＜D2，所述第一和第二磁铁中的每一个都与所述至少两个磁铁的对称轴等距，并且所述第三和第四磁铁中的每一个都与所述对称轴等距。
11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于，每个所述第一和第二磁铁与每个所述第三和第四磁铁是等距的。
12、根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，每个所述第一、第二、第三和第四磁铁都具有面向所述平衡位置的第一磁极和背离所述平衡位置的第二磁极，且所述第一、第二、第三、第四磁铁的第一磁极是基本共面的。
13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四磁铁的第一磁极基本与垂直于所述对称轴延伸的邻近平面共面。
14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述电磁铁包括至少两个平行于所述平面并与所述平面邻近的线圈。
15、根据权利要求1到14中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个磁铁包括永磁铁。
16、根据权利要求1到14中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个磁铁都是永磁铁。
17、根据权利要求10到14中任一项所述的设备，其特征在于，所述电磁铁包括至少两个沿平行于不稳定轴的轴间隔的线圈，并且所述至少两个线圈的第一个围绕所述第一磁铁延伸，而所述至少两个线圈的第二个围绕所述第二磁铁延伸。
18、根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述电磁铁的所述至少两个线圈中的每个都具有等于平衡高度D3的沿平行于不稳定轴的所述轴方向的宽度W1，其中所述平衡高度D3是所述平衡位置与通过所述至少两个线圈的平面之间的距离。
19、根据权利要求18所述的设备，其特征在于，包括沿平行于不稳定轴的轴放置在所述第一和第二线圈的任意一边和邻近所述第一和第二线圈的第三和第四线圈，以及所述第三和第四线圈具有至少等于所述第一和第二线圈的宽度W1的宽度W2。
20、根据权利要求17所述的设备，其特征在于，其特征在于，第三和第四永磁铁都位于所述至少两个线圈的任意一个的外边。
21、根据权利要求17到20中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个线圈包括矩形线圈。
22、根据权利要求17到20中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个线圈包括半圆形线圈。
23、根据权利要求17到20中任一项所述的设备，其特征在于，所述的至少两个线圈包括三角形线圈。
24、根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四磁铁被放置成使得通过所述每个第一、第二、第三和第四磁铁的第一和第二磁极的磁力线交叉并且与所述对称轴形成锐角。
25、根据权利要求8到24中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四永磁铁是从包括NdFeB、钡铁氧体、钐钴磁铁、铝镍钴磁铁的组中选择的永磁铁。
26、根据权利要求1到25中任一项所述的设备，其特征在于，包括一组磁场增强磁铁，被放置用以产生在平衡位置基本没有梯度并且增大了平衡位置附近的静磁场的磁场。
27、根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述的一组磁场增强磁铁包括至少三个间隔开以形成环状的磁偶极子。
28、根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述的至少三个磁偶极子包括至少三个间隔开以形成环状的永磁铁。
29、根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述的一组磁场增强磁铁包括第二电磁铁。
30、根据权利要求29所述的设备，其特征在于，包括用于控制通过所述第二电磁铁的电流的第二控制器和用于产生表示从穿过所述第二电磁铁的平面到所述磁性元件的距离的反馈信号的第二传感器。
31、根据权利要求1到30中任一项所述的设备，其特征在于，包括连接到频率超过10kHz的交流电源的的发射线圈，其中所述磁性元件包括接收线圈和由所述接收线圈中感应产生的电流供电的电气设备。
32、根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述电气设备包括向电机供送直流电的整流器。
33、根据权利要求31所述的设备，其特征在于，所述电气设备包括灯。
34、根据权利要求1到31中任一项所述的设备，其特征在于，包括定向以将受光器的光束引导到所述磁性元件上的光源，其中所述磁性元件包括用于将所述受光器上的光引导到一个或多个所述磁性元件上的可视位置的光学系统。
35、根据权利要求1到34中任何一项所述的应用，其特征在于，包括可在第一位置和第二位置之间移动的支撑，其中在所述第一位置上所述支撑将所述磁性元件大体上支撑在平衡位置，在所述第二位置上所述支撑远离平衡位置。
36、根据权利要求1到35中任一项所述的设备，其特征在于，包括配置以向所述悬浮的磁性元件施加力的第二电磁铁。
37、用于悬浮磁性元件的设备，所述设备包括：
用于产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场的装置，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于所述不稳定轴的方向远离所述平衡位置的位移而增加；
用于产生表示所述磁性元件在所述不稳定轴上的位置的反馈信号的装置；
用于通过响应于所述反馈信号在所述平衡位置提供四极控制磁场以引导所述磁性元件到所述平衡位置的控制装置。
38、用于在平衡位置悬浮磁性元件的方法，所述方法包括：
提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于所述不稳定轴的方向上远离所述平衡位置的位移而增加；
产生表示所述磁性元件在所述不稳定轴上的位置的反馈信号；
通过响应于所述反馈信号在所述平衡位置提供四极控制磁场以向所述磁性元件施加朝所述平衡位置方向的力。
39、用于悬浮磁性元件的设备，所述设备包括：
至少两个磁铁，被设置以产生提供与所述磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于所述不稳定轴的方向上远离所述平衡位置的位移而增加；所述的至少两个磁铁包括在平行于所述不稳定轴的方向上以第一距离D1相互隔开的第一和第二磁铁，以及在所述不稳定轴的横截方向以第二距离D2相互隔开的第三和第四磁铁，其中D1＜D2，所述第一和第二磁铁中的每一个都与所述至少两个磁铁的对称轴等距，并且所述第三和第四磁铁中的每一个都与所述对称轴等距；
位置传感器，用于产生表示所述磁性元件在所述不稳定轴上的位置的反馈信号；以及
控制器，其被连接以用于接收所述反馈信号并且控制用于向所述磁性元件施加可控制力以引导所述磁性元件到所述平衡位置的装置。
40、用于悬浮磁性元件的设备，所述设备包括：
至少两个磁铁，被设置以产生提供与所述磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于所述不稳定轴的方向上远离所述平衡位置的位移而增加；所述至少两个磁铁包括至少两个围绕环间隔的磁偶极子，所述至少两个磁偶极子在所述平衡位置提供基本不具有梯度的磁场分量；
位置传感器，用于产生表示所述磁性元件在所述不稳定轴上的位置的反馈信号；以及
控制器，其被连接以用于接收所述反馈信号并且控制用于向所述磁性元件施加可控制力以引导所述磁性元件到所述平衡位置的装置。
41、一种设备，具有新的、有用的和有创造力的特征，无论是否有另外要求保护，这里描述的任何特征的组合或特征的变形。
42、一种方法，具有新的、有用的和有创造力的步骤、效果，无论是否有另外要求保护，这里描述的任何具有步骤和/或效果的组合或步骤和/或效果的变形。
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