CN206323314U - 两点磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种两点磁悬浮系统，包括固定部和设置在固定部下方的非接触的悬浮部，测距组件取得表征上拉式磁悬浮臂末端与其下方对应的悬浮铁质磁路的非接触距离的距离信号；控制器依据竖直平衡点的距离设定值和距离信号通过功率放大电路调节两处上拉式磁悬浮线圈中的电流大小，产生必要的磁场作用力使得悬浮部稳定悬浮于固定部下方的竖直平衡点处，由此两处竖直平衡点确定了悬浮部空间平移运动所在的直线位置，悬浮部在固定凸起磁路和悬浮凸起磁路的相互作用下稳定停留在磁场势能最低的水平平衡点处。

Description

两点磁悬浮系统

技术领域

本实用新型属于磁悬浮技术领域，具体涉及一种两点磁悬浮系统。

背景技术

上拉式磁悬浮技术已经被广泛应用于开发各类工艺品、隔震产品等实际应用。如中国专利申请CN03142900.9，公开日为2004年3月10日，公开了一种通过使磁力和重力保持平衡而不需要物质支撑的支撑物体的装置，其包括：一个由一个较高站点和支撑较高站点的一个结构组成的支撑架，完全包含在较高站点内的一个永磁铁、一个电磁铁和一个传感器系统，一个包含有永磁铁的物体，一个理论平衡点，一个动态平衡点，其在理论平衡点之下，一个反馈电路，其中该装置还包括一个用于检测供给电能损失的第二电路，通过向电磁铁提供足够的电流使该反馈电流和/或第二电路对检测到的电能损失作出响应，拉动该物体向上运动，高出理论平衡点，这样，如果电源完全断掉，该物体则停靠在较高站点附近。以上设置的磁悬浮装置，仅采用单点悬浮的方式，容易受外力干扰而失稳。

又如中国专利ZL200610078634.4，授权公告日为2008年5月7日，公开了一种磁浮球控制系统实验装置，应用于自动控制领域，包括磁悬浮本体、供电电路、控制电路、驱动电路、位置检测电路和磁浮球；还包括发光元件，采用激光发射器或红外发送管组件，所述的位置检测电路为光电检测电路，由光电接收器件、I/V转换器、放大偏置电路和反相放大电路组成；发光元件发出的光束覆盖整个检测区域，其发出的光信号经光电接收器转化为电流信号，再经I/V转换器转化为电压信号，然后经放大偏置电路和反相放大电路输出位置反馈信号。以上设置的磁浮球控制系统实验装置，主要从单点磁浮系统的控制器角度对单点磁悬浮系统装置进行了说明。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种两点磁悬浮系统，在左右两侧两组上拉式磁悬浮共同作用下，确定了悬浮部空间平移运动所在的直线位置；并在凸起磁路的协调下，稳定停留在磁场势能最低的水平平衡点处；进一步可通过分散凸起磁路为多磁齿结构，实现并控制悬浮部的左右运动。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：

两点磁悬浮系统，包括固定部和设置在固定部下方的非接触的悬浮部，

所述固定部进一步包括两组上拉式磁悬浮臂和至少一路固定凸起磁路，其中每组上拉式磁悬浮臂包括上拉式磁悬浮线圈、固定铁质磁路、测距组件、控制器和功率放大电路，所述上拉式磁悬浮臂由固定凸起磁路分别向左右延伸；

所述悬浮部进一步包括至少一路与固定凸起磁路对应的悬浮凸起磁路和延伸至上拉式磁悬浮臂末端下方的悬浮铁质磁路；

所述测距组件取得表征上拉式磁悬浮臂末端与其下方对应的悬浮铁质磁路的非接触距离的距离信号；

所述控制器依据竖直平衡点的距离设定值和所述距离信号通过所述功率放大电路调节两处上拉式磁悬浮线圈中的电流大小，产生必要的磁场作用力使得悬浮部稳定悬浮于固定部下方的竖直平衡点处，悬浮部在固定凸起磁路和悬浮凸起磁路的相互作用下稳定停留在磁场势能最低的水平平衡点处。

作为本实用新型的进一步改进，所述固定铁质磁路与悬浮铁质磁路采用高导磁软磁材料或永磁体。

作为本实用新型的进一步改进，所述测距组件采用超声波，红外线，霍尔效应，激光或光线遮挡面积法工作方式中的任意一种。

作为本实用新型的进一步改进，所述固定部设置有固定支架。

作为本实用新型的进一步改进，所述固定支架采用非铁质材料。

作为本实用新型的进一步改进，固定部上设置有两路固定凸起磁路，悬浮部上设置有一路悬浮凸起磁路，此时形成两处分立的磁场势能最低的水平平衡点。

作为本实用新型的进一步改进，两固定凸起磁路各安装一个附加线圈，产生足够大的驱动磁场，实现悬浮部在双水平平衡点之间的左右运动。

作为本实用新型的进一步改进，固定部上设置有至少两路固定凸起磁路，且每路固定凸起磁路各安装一个附加线圈，悬浮部上设置有至少两路悬浮凸起磁路，在固定凸起磁路的附加线圈的有规律的交替通电作用下，实现悬浮部在多个水平平衡点之间的左右移动。

采用本实用新型具有如下的有益效果：

1、左右两侧两组上拉式磁悬浮臂，一方面，按照“两点确定一直线”原理，确定了悬浮部所处的空间位置；另一方面，按照杠杆原理，增大了固定部对悬浮部的磁场作用力。

2、凸起磁路确定了悬浮部的稳定水平平衡点。那么，整个两点磁悬浮系统对外界干扰具有更强的稳定性。

3、多路固定凸起磁路以及其上的附加线圈，可实现悬浮部的悬浮部在多个水平平衡点，并控制悬浮部在悬浮部在多个水平平衡点之间左右运动。

附图说明

图1为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的上拉式磁悬浮臂的工作原理图；

图2为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例1的立体结构示意图；

图3为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例1的正视结构示意图；

图4为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例1的受力分析示意图；

图5为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例2的立体结构示意图；

图6为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例2的正视结构示意图；

图7为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例3的立体结构示意图；

图8为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例3的正视结构示意图；

图9为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例4的立体结构示意图；

图10为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例4的正视结构示意图；

图11为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例4的直线坐标系示意图；

图12为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例4的附加线圈未通电状态下磁场势能示意图；

图13为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例4的附加线圈通电状态下磁场势能示意图；

图14至图19为本实用新型实施例的两点磁悬浮系统的应用实例5中的附加线圈依次通电以驱动悬浮部示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型一实施例公开了一种两点磁悬浮系统，包括固定部和设置在固定部下方的非接触的悬浮部，其中固定部进一步包括两组上拉式磁悬浮臂和至少一路固定凸起磁路，每组上拉式磁悬浮臂包括上拉式磁悬浮线圈、固定铁质磁路、测距组件、控制器和功率放大电路，上拉式磁悬浮臂由固定凸起磁路分别向左右延伸；悬浮部进一步包括至少一路与固定凸起磁路对应的悬浮凸起磁路和延伸至上拉式磁悬浮臂末端下方的悬浮铁质磁路；测距组件取得表征上拉式磁悬浮臂末端与其下方对应的悬浮铁质磁路的非接触距离的距离信号；控制器依据竖直平衡点的距离设定值和所述距离信号通过功率放大电路调节两处上拉式磁悬浮线圈中的电流大小，产生必要的磁场作用力使得悬浮部稳定悬浮于固定部下方的竖直平衡点处，由此两处竖直平衡点确定了悬浮部空间平移运动所在的直线位置，悬浮部在固定凸起磁路和悬浮凸起磁路的相互作用下稳定停留在磁场势能最低的水平平衡点处。

通过以上设置的两点磁悬浮系统，上下运动通过调节左右两处上拉式磁悬浮臂的距离设定值实现，单侧上拉式磁悬浮臂的工作原理参见图1所示。在具体实例中，测距组件包括采用超声波，红外线，霍尔效应，激光或光线遮挡面积法工作方式中的任意一种。本领域技术人员可以理解的是，测距组件的实现方式不限于以上所述。如果采取光学原理，比如激光或红外线，则需要在悬浮磁路相应的位置安装反光材料；距离传感器可以设置在固定部或固定支架的支座，且与悬浮磁路的反光材料相对。如果采取电磁学原理，比如霍尔效应，则需要在悬浮磁路相应的位置安装适宜的永磁体。控制器可以通过数字或模拟的方法对距离信号进行处理。如采用数字控制器可以依靠单片机对距离传感器信号进行高频取样，并采取多样化的数据处理方法，生成控制信号。如采用模拟控制器可以是PID(Proportional Integral Derivative，比例积分导数)控制器，生成控制信号。控制信号通过功率放大电路作用在上拉式磁悬浮线圈上，使得悬浮铁质磁路被稳定悬浮于距离传感器下方的竖直平衡点处。那么，在两组上拉式磁悬浮臂共同作用下，悬浮部被稳定悬浮于固定部下方。以上对于测距组件和控制器的设置，采用现有技术中可实施的方案进行距离信号获取与控制信号生成即可，所述功率放大电路可以包含放大偏置或反相放大等功能，采用现有技术中可实施的方案进行控制信号放大即可，在此不进行赘述。

在一优化的实施例中，为了实现悬浮部相对于固定部的稳定平衡，两组上拉式磁悬浮臂产生的两处磁场作用力以及凸起磁路之间的磁场吸引力，三处磁场作用力的合力与悬浮部及其载荷所受重力等大反向，且悬浮部及其载荷的重心位于三处磁场作用力之合力作用点的下方。

在一优化的实施例中，为了节约电能，可对固定铁质磁路或悬浮铁质磁路采用高导磁软磁材料，可增强磁场作用力；或在固定铁质磁路或悬浮铁质磁路中设置适宜结构、适宜强度、适宜方向的永磁体，以增强不通电情况下固定部与悬浮部之间的磁场作用力。所谓“适宜”即表示，永磁体产生的磁场作用力可以抵消一部分悬浮部及其载荷所受的重力，使得悬浮部在更小的线圈电流下，即可稳定悬浮。特殊情况下，当该永磁体导致的磁场作用力过强时，两处悬浮臂线圈需要产生排斥力，方能实现悬浮部的稳定悬浮，具体见下述受力分析。

应用实例1

参见图2和图3，所示为本实用新型的两点磁悬浮系统一具体应用实例中简化的正视和立体结构示意图，本实施例的两点磁悬浮系统包括固定部10和悬浮部20，固定部10包括固定支架105，与固定支架105固接的固定铁质磁路101；固定铁质磁路101的左右两边分别套接两组上拉式磁悬浮线圈102，固定铁质磁路101下方安装距离传感器103，固定部10中央设置一路固定凸起磁路104；悬浮凸起磁路201与悬浮铁质磁路202连接，悬浮凸起磁路201稳定悬浮于固定凸起磁路104下方。固定支架105采用非铁质材料，以不影响磁场作用力为准。

参见图4，所示为受力分析示意图，设三处磁场作用力分别为F_左、F_中和F_右。F_中与悬浮部所受重力G处于同一直线上。又设F_左与G之间的水平距离为D_左；F_右与G之间的水平距离为D_右。设向上为作用力的正方向。F_中总是表现为吸引力，取正号。

根据四力平衡可得，F_左+F_中+F_右＝G；

以重心为支点，根据杠杆原理，可得，F_左×D_左＝F_右×D_右。

联立上述方程可解得，F_左＝D_右(G-F_中)/(D_左+D_右)，F_右＝D_左(G-F_中)/(D_左+D_右)。

那么，当F_中＜G时，F_左＞0，且F_右＞0，两处悬浮臂线圈产生吸引力；特别地，当F_中＞G时，F_左＜0，且F_右＜0，该情况发生于固定铁质磁路或悬浮铁质磁路中永磁体导致的磁场作用力过强时，两处悬浮臂线圈需要产生排斥力。

因此，为了实现两点磁悬浮系统的稳定平衡，在具体应用实例中，两组上拉式磁悬浮臂产生的两处作用力可以是吸引力，也可以是排斥力；不论如何，凸起磁路之间的磁场作用力，总表现为吸引力。

在其他应用实例中，也可设F_中与悬浮部所受重力G并非处于同一直线上。比如，假设F_中偏向F_左，且F_中与G之间的水平距离为D_中。

根据四力平衡可得，F_左+F_中+F_右＝G；

根据杠杆原理，以重心为支点，可得，F_左×D_左+F_中×D_中＝F_右×D_右。

联立上述方程可解得，F_左＝[D_右G-(D_中+D_右)F_中]/(D_左+D_右)，F_右＝[D_左G-(D_左-D_中)F_中]/(D_左+D_右)。

那么，当(D_中+D_右)F_中＜D_右G时，F_左＞0；特别地，当(D_中+D_右)F_中＞D_右G时，F_左＜0，该情况发生于永磁体导致的磁场作用力过强时，左侧线圈需要产生排斥力。

当(D_左-D_中)F_中＜D_左G时，F_右＞0；特别地，当(D_左-D_中)F_中＜D_左G时，F_右＜0，该情况发生于永磁体导致的磁场作用力过强时，右侧线圈需要产生排斥力。

应用实例2

参见图5与图6，与图2和图3所示的两点磁悬浮系统，其区别点在于上拉式磁悬浮线圈102横置于固定铁质磁路101上，压缩了固定部竖直方向的空间尺寸。

应用实例3

参见图7与图8，与图2和图3所示的两点磁悬浮系统，其区别点在于，悬浮铁质磁路202拥有一定的弧度，非直线结构。那么，需要对整体结构，如固定铁质磁路101和距离传感器103，做出适当调整。在这种情况下，两个竖直平衡点在空间上确定了一个圆。

通过应用实例1，应用实例2以及应用实例3的设置可知，存本实用新型具体实施过程中，并不具体限定上拉式磁悬浮线圈、悬浮铁质磁路及距离传感器等的结构安排，只需实现悬浮部相对于固定部的稳定平衡即可。

应用实例4

本实用新型又一实施例提供的两点磁悬浮系统，参见图9与图10，固定部10上设置有两路固定凸起磁路104，悬浮部上设置有一路悬浮凸起磁路201。参见图11，以固定部的中轴线为基准，设向右为正方向，建立一维直线坐标系x。在两处竖直平衡点的作用下，根据“两点确定一直线”原理，悬浮部被确定于某一平行于坐标系x的直线上。当固定部的固定凸起磁路分为两路时，每一路都会在其自身周围产生一个磁场；两处磁场线性叠加，作用于悬浮部的悬浮凸起磁路上。当悬浮凸起磁路处于x坐标系中的不同位置时，磁场势能的大致分布如图12所示。由图12可见，该线性叠加的磁场有两处势能最低的水平平衡点，分别位于两路固定凸起磁路的下方附近。那么，悬浮部可以稳定停留于任何一水平平衡点处。

为了实现悬浮部空间平移运动，在两固定凸起磁路104各安装一个附加线圈106，通过对附加线圈106选择性地交替通断电，产生足够大的驱动磁场，可实现悬浮部在双水平平衡点之间的左右移动。比如，向右侧固定凸起磁路的附加线圈通入正向电流，增强其附近的磁场，并向左侧固定凸起磁路的附加线圈通入反向电流，减弱其附近的磁场。那么，图13代表了附加线圈通电下的线性叠加的磁场势能，原本左侧的磁场势能最低点不复存在，悬浮部将运动并稳定停留在右侧的磁场势能最低点处；此时切断两侧附加线圈中的电流，悬浮部将依旧稳定停留于图12中右侧的磁场势能最低点处。同理，增强左侧磁场、减弱右侧磁场，让原本右侧的磁场势能最低点不复存在，悬浮部将运动并稳定停留在左侧的磁场势能最低点处；此时切断两侧附加线圈中的电流，悬浮部将依旧稳定停留于图12中左侧的磁场势能最低点处。

应用实例5

本实用新型又一实施例提供的两点磁悬浮系统，固定部上设置有四路固定凸起磁路104，且每路固定凸起磁路各安装一个附加线圈106，悬浮部上设置有三路悬浮凸起磁路；在固定凸起磁路的附加线圈的有规律交替通断电的作用下，参见图14至图19所示，参照之前实施例，故未对其部件进行附图标记，悬浮部逐渐从左端运动至右端，或从右向左，实现了悬浮部在多个水平平衡点之间的左右移动。以上设置的两点磁悬浮系统，其工作原理与步进电机类似，分别将固定凸起磁路与悬浮凸起磁路分散为若干磁齿。特别地，可以称固定凸起磁路的磁齿为定子磁齿，悬浮凸起磁路的磁齿为动子磁齿。定子磁齿的间距小于动子磁齿的间距。在定子磁齿上安装附加线圈，并产生适宜的驱动磁场，作用于动子磁齿上，达到调节磁场势能分布、驱动动子的目的。若采用红外距离传感器测距，应适当增加悬浮铁质磁路上反光材料的长度，确保悬浮部在运动的过程中，两组上拉式磁悬浮仍能正常工作。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本实用新型的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (8)

1.两点磁悬浮系统，其特征在于，包括固定部和设置在固定部下方的非接触的悬浮部，

所述固定部进一步包括两组上拉式磁悬浮臂和至少一路固定凸起磁路，其中每组上拉式磁悬浮臂包括上拉式磁悬浮线圈、固定铁质磁路、测距组件、控制器和功率放大电路，所述上拉式磁悬浮臂由固定凸起磁路分别向左右延伸；

所述悬浮部进一步包括至少一路与固定凸起磁路对应的悬浮凸起磁路和延伸至上拉式磁悬浮臂末端下方的悬浮铁质磁路；

所述测距组件取得表征上拉式磁悬浮臂末端与其下方对应的悬浮铁质磁路的非接触距离的距离信号；

所述控制器依据竖直平衡点的距离设定值和所述距离信号通过所述功率放大电路调节两处上拉式磁悬浮线圈中的电流大小，产生必要的磁场作用力使得悬浮部稳定悬浮于固定部下方的竖直平衡点处，悬浮部在固定凸起磁路和悬浮凸起磁路的相互作用下稳定停留在磁场势能最低的水平平衡点处。

2.根据权利要求1所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，所述固定铁质磁路与悬浮铁质磁路采用高导磁软磁材料或设置永磁体。

3.根据权利要求1所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，所述测距组件采用超声波，红外线，霍尔效应，激光或光线遮挡面积法工作方式中的任意一种。

4.根据权利要求1至3任一所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，所述固定部设置有固定支架。

5.根据权利要求4所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，所述固定支架采用非铁质材料。

6.根据权利要求1至3任一所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，固定部上设置有两路固定凸起磁路，悬浮部上设置有一路悬浮凸起磁路，此时形成两处分立的磁场势能最低的水平平衡点。

7.根据权利要求6所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，两固定凸起磁路各安装一个附加线圈，产生足够大的驱动磁场，实现悬浮部在双水平平衡点之间的左右运动。

8.根据权利要求1至3任一所述的两点磁悬浮系统，其特征在于，固定部上设置有至少两路固定凸起磁路，且每路固定凸起磁路各安装一个附加线圈，悬浮部上设置有至少两路悬浮凸起磁路，在固定凸起磁路的附加线圈的有规律的交替通电作用下，实现悬浮部在多个水平平衡点之间的左右移动。