CN2515866Y - 大型磁悬浮装置的磁结构 - Google Patents

Abstract

一种大型磁悬浮装置的磁结构,其特点在于:①所说的电磁器件是具有足够截面积的铁芯,外套有可通过足够大的电流的线圈构成的,而且其上、下两端可以添加有高强磁性的钕铁硼材料制成的永磁体;②所说的永磁体也采用钕铁硼高强永磁体。其优点是运行性能稳定,结构更合理,可有效地降低成本,更有利于大型磁悬浮装置的广泛实用,包括磁悬浮的模型展示、大型商品广告、科教演示(大型磁悬浮地球仪、天体模型)、大型艺术造型(体育、艺术品)、大型企业形象、标志物、吉祥物、展览物,甚至是大型雕塑像、魔术等。

Description

大型磁悬浮装置的磁结构

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮装置，特别是一种大型磁悬浮装置的磁结构。

背景技术

本发明人曾于1999年12月29日申请并获得专利权的“磁悬浮装置”(专利号ZL 99252312.5)和2000年10月13日申请的“磁悬浮装置及其控制系统”(专利申请号00115354.4)文献中对磁悬浮装置的磁结构作了阐述，请参见图1，磁结构包括：

在电磁盒1内垂直安放着由一棒形铁磁体11及套在其外的线圈12构成的电磁器件A；

底座4台面安装有中心传感器L，偏离它的位置独立且靠近地安装偏转力发生器P和磁感应传感器Z；

在浮体3重心线穿过的该浮体3的上端面和下端面的位置分别安装永磁体B和永磁体C，在浮体3下端面偏离永磁体C适当距离的对称位置分别安装永磁体D和永磁体E；

当浮体3上永磁体B受电磁器件A的吸引力而悬空时，上述安装应使电磁器件A、永磁体B、永磁体C和中心传感器L均位于浮体3的重心线上，而且永磁体D或E与永磁体C之间的中心距离应等于偏转力发生器P与中心传感器L之间的中心距离，而偏转力发生器P与磁感应传感器Z靠近，即都应同时在永磁体D或E的磁作用范围内；

在控制系统的控制下，浮体3依靠上述磁结构不仅能悬浮起来，而且能稳定地旋转。磁悬浮装置的成功，市场立即提出了大型磁悬浮装置的要求，因为大型磁悬浮装置可用于大型的磁悬浮的模型展示、大型商品广告、科教演示(大型磁悬浮地球仪、天体模型等)、大型艺术造型(体育、艺术品)、大型企业形象、标志物、吉祥物、展览物、甚至是大型雕塑像、魔术等。用途广泛、市场很大、效益好、投资价值理想。

所谓大型磁悬浮装置是指它的整体较庞大，特别是其中的被“磁悬浮”的浮体的体积较大、重量较重，间隙较大(指浮体周围特别是它上方和下方的空间距离较大)。例如，浮体的体积可以在几个立方米以上，重量在十几公斤以上，浮体上方的间隙在二百毫米以上。如此庞大沉重的浮体，还需自动旋转。要完成如此巨大的工程，仅采用普通小型磁悬浮装置所使用的部件，简单地尺寸放大，电功率加大，是很难达到目的的。国内外在该领域作了长期艰苦努力，总感到不很理想完美，性能也难以稳定可靠，或者整个机构过于庞大、制作困难、功耗太大、成本太高。因此，磁悬浮装置的进一步“大型化”，就必须克服和改进有关的一些关键性的技术问题。其中，“大型化”中的“磁结构”是最重要的，对此作出新的设计是必要的，不仅是要能够确实地完成“大型化”，还需使庞大的整体做到结构合理紧凑，功耗较低，成本较低，较易制作。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题，就是进一步完善磁悬浮装置的磁结构，提供一种大型磁悬浮装置的磁结构，使浮体可以做得足够大，而装置的体积又相对紧凑，结构合理，功耗较低，浮体悬浮旋转稳定。

本实用新型的技术解决方案如下：一种大型磁悬浮装置的磁结构，包括用于磁悬浮的电磁器件A、浮体上部永磁体B、浮体下部定位永磁体C和磁力偏转系统永磁体D，桌面定位永磁体L、偏转力发生器P和磁感应传感器Z，其特点在于：

①所说的电磁器件A是具有足够截面积的铁芯和其外套有可通过足够大的电流的线圈构成的，而且铁芯上、下两端可以贴附有高强磁性的钕铁硼材料制成的永磁体；

②所说的浮体上部的永磁体B也采用钕铁硼高强永磁体；

所说的电磁器件A的铁芯为具有三个支铁芯的卧式E型结构，其线圈处于中间支铁芯，或线圈分布在二侧支铁芯，或三个支铁芯都设线圈，三个支铁芯的下端可以都粘贴永磁体，而浮体上部的永磁体B也由多个钕铁硼高强永磁体构成；

所说的电磁器件A为罩形结构，除中间具有中心对称铁芯并缠绕线圈外，周围为罩式环形铁壁，该铁壁下沿的磁极性与中心铁芯的极性相反，该铁壁下沿和中心铁芯下端均可以贴加与贴体相同极性的永磁体，而所有浮体上部的永磁体B也相应地设有多个钕铁硼高强度永磁体，与中心铁芯和环形铁壁的磁极性相对应，以增强磁吸力；

所说的电磁器件A为多臂式组合结构，单臂形的铁芯和线圈呈横向布局，铁芯前端形成向下的导磁头，二臂或多个臂组合，电磁力都集中地导向中央的下端，其头上也可以加贴极性相同的永磁体；

所说的电磁器件A都加永磁体，但永磁体形成的磁吸力之和不应超过电磁吸力之和的50％；

所说的浮体下部的定位永磁体C为分散磁结构，即在浮体下部重心线位置设有永磁体C1外，在偏离重心的圆环上，均匀对称地还布设有两块或多块永磁体C2，它们应和桌面上布设的对应的多块永磁体L1形成异性相吸的定位作用；

所说的磁力偏转系统的永磁体D，由多块永磁体分别布设在浮体下部偏离重心的圆环上，在桌面上或架体上布设有多对相应的偏转力发生器P和磁感应传感器Z；

所说的磁力偏转系统的永磁体D，由多块磁体均匀地布设在浮体的周侧，而在架体上布设有多对相应的偏转力发生器P和磁感应传感器Z；

所说浮体下部的磁力偏转系统的永磁体D是由多块永磁体D、分别布设在浮体下部一偏离重心的圆环上，对应于该圆环在可绕浮体重心线旋转的桌面上也均匀地设有多块永磁体L1，当桌面绕重心线旋转时，由于磁力的作用，也可使浮体旋转。

附图说明

图1是已有磁悬浮装置的结构剖视示意图。

图2是本实用新型电磁器件示意图之一。

图3是本实用新型电磁器件示意图之二。

图4是本实用新型电磁器件示意图之三。

图5是本实用新型电磁器件示意图之四。

图6是本实用新型电磁器件示意图之五。

图7是本实用新型电磁器件示意图之六。

图8是本实用新型浮体上部永磁体B分布示意图之一。

图9是本实用新型浮体上部永磁体B分布示意图之二。

图10是本实用新型浮体下部永磁体C分布示意图之一。

图11是本实用新型浮体下部永磁体C分布示意图之二。

图12是本实用新型浮体下部永磁体C分布示意图之三。

图13是本实用新型大型磁悬浮装置的磁结构最佳实施例示意图。

具体实施方式

大型磁悬浮装置中的大型浮体是依靠磁力来达到“磁悬浮”状态的。“磁力”包括电磁力和永磁力。电磁力由电磁器件来提供，它由“铁芯”和线圈组成。所谓铁芯、其材质是铁制件，矽钢片、磁性材料等。永磁力来自于永磁体，材质是磁钢、稀土钕铁硼等。大型装置需用导磁很好的铁芯材料和高强磁力的永磁体，以减少体积和重量，减少功耗，提高性能。另外，电磁器件的形式及永磁体的结构分布，至关重要。

一.用于磁悬浮的电磁器件A的设计和结构

电磁器件A处于整个装置的上方，其下部产生的电磁力，对处于其下方的浮体3产生上吸的磁力，平衡浮体的重量，使浮体达到“磁悬浮”状态。为增加“上吸力”，可以加用永磁力。在这种场合使用的电磁器件，在“大型装置”中需作特殊的设计和制作，就其结构而言，有复式柱形、E形、罩形、多臂形等，各有其特点和用途。

复式柱形的结构如图2所示。铁芯11是方的或圆的棒形、立式使用，其外套有线圈12，通以直流电，铁芯下方产生的电磁力的极性和其下方的浮体3上部的永磁体B形成异性相吸，可使浮体3受到向上提拉的磁力。该磁力可用公式

(系数)来描述。

由公式可知，电磁力F正比于电磁线圈的“安匝数”，即，电流I越大，卷绕的匝数N(圈数)越大，电磁力F就越大，电磁力F反比于“间隙”H的平方，间隙增大，力急剧下降。大型化装置的浮体重量很重，所需的F就很大，特别是在间隙增大到二百毫米以上，对电磁器件A的电磁力F要求很大，线圈的安匝数应在几万以上，其体积是很大的，很沉重的。而柱形铁芯的截面积可达一百平方厘米以上，也是又大又重。因此，在大型装置中，较先进合理的磁结构是如图3所示，即在铁芯11的下端或上端，或同时都加用永磁体1101、1102，可用高强磁的钕铁硼制成。永磁体1101、1102的极性应与电磁力的极性一致，形成合成的磁力，以加强对浮体的上吸力。这样可以使浮体进一步的大型化，可以有效地减少电磁器件A的体积重量，减少材料，降低成本，便于制作；或者说可以进一步加大“间隙”，完善大型化的效果。

另外，电磁器件A的形式还可改为下列形式：

E型结构，如图4所示：所谓E型，即它的铁芯11是具有三个支铁芯110、110′、110″的卧式E型结构。线圈12在中间支铁芯110上，二旁的极性和中间的极性是相异的(如图4)，也可以分散在二侧支铁芯110′、110″或三个支铁芯110、110′、110″都设线圈12、12′、12″(注意电流方向)如图5所示，由图可知，E型结构产生三股电磁力，由于这三股电磁力都集中在下部，如果浮体上部的永磁体B能与之相配合，可以更充分地利用电磁力，加大对浮体的上吸力。E型结构如果使用二个或三个线圈(如图5所示)，可以提高线圈的总匝数，也可进一步加大电磁力。E型结构铁芯三个支铁芯的三个端面，还可加用永磁体1101、1102，总之，都应与电磁力极性一致，加用后，可显著提高上吸的合成的磁吸力，更有利于大型装置的更大型化，并节省成本，减少能耗，易于制造。

罩形结构，如图6所示，这似乎是立体形的E形结构。除了中心铁芯110和线圈12时，周围为罩式环形铁壁111，该铁壁下沿的磁极性与中心铁芯110的极性相反，整体的电磁力更能集中在下方，电磁能利用率更高，对浮体的上吸力更均匀、更大、更合理、更有利于进一步的大型化。同样，该铁壁111的下沿和中心铁芯110下端均可加贴与贴体相同极性的永磁体1101、1110，以增强总的磁吸力、效果更显著。

多臂式结构，如图7所示，也叫横式结构，由图可见，单臂形的铁芯13和线圈14是横式布局的，铁芯前端形成向下的导磁头131，把电磁导向形成对下方浮体向上的电磁吸力。可以由二个臂或多个臂组合而成，电磁力都集中地导向中央的下端，其下端面也可以加用永磁体132(都是同极性的)。此结构用于分散电磁器件A的铁芯和线圈的体积和重量，可有效减少电磁器件A的高度，视感小巧，便于造型，易于制作。

以上所有的附加的永磁体的永磁力不宜过大，否则会削弱电磁力的控制能力，永磁体形成的磁吸力之和不应超过电磁吸力之和的50％，否则使浮体在悬浮时处于难控状态。

为了与电磁器件A的结构相呼应和配合，形成更大的浮体的悬浮力，浮体上部的磁结构也是至关重要的。

二.浮体上部的磁结构B

浮体的外壳的内部的上方在浮体的重心线的上方的中央位置，需安装永磁体B，而且要采用高强磁性材质制成的。可用一块较大的扁平形钕铁硼，或用几块同极性的小的钕铁硼永磁体紧密合并而成，对于上述的柱形电磁器件，只用这种结构就可以了，在这个中央永磁体B的下侧，可贴有铁板31，如图8所示，可以加大此永磁体的向上的吸力，以利于大型化，此法简单，成本低。此结构当然也适用于单极性吸力的上述的多臂横式的电磁器件的结构。

为配合上述E形或罩形结构的电磁器件A，浮体上部的永磁体B的结构和分布最好如图9所示，即除上部中央的永磁体B1以外，在其四周即对应于E形和罩形电磁器件A的二旁或四周的异极性的电磁力的发力位置的正下方的浮体3上增加一圈永磁体B2，该永磁体B2的极性与中央永磁体B1极性相异，为便于制作，可用密集排列的小的永磁体连成一个圆圈，它们的下端可以贴有一圈铁板，以增强永磁力和固定这一群永磁体B2。这样，对应于上方的电磁力，充分利用此吸力更有利于磁悬浮装置的大型化。

三.浮体3下方的磁结构的方式和作用如下：

“定位”用永磁体C：浮体处于悬浮态时，特别是悬浮且旋转时，会摇摆、失控。用磁力的异性相吸，可作“定位”用。简单的办法及结构是，浮体3最下端在重心线位置，加用一块永磁体C，如图10所示。它的极性与设置在下方台面上的另一块永磁体L形成磁吸力，从而对浮体的摇摆予以有效地控制。另一种是分散的磁结构，即在浮体下方偏离中心的一圆环上，均匀地布置有二块和多块永磁体C2，如图11所示。它们也应和下方桌面内布有的多块永磁体L2形成异性相吸，从而实现“多点”“定位”，对于大型磁悬浮体3宜采用多点定位。

磁力偏转系统的永磁体D：由一块或多块永磁体分别布置在浮体下方偏离中心的圆环上。如图12所示，这里画了两块永磁体示意，由浮体下方桌面上的偏转力发生器P发出的电磁力，作用于上述的永磁体D，产生的磁力使浮体旋转。所谓偏转力发生器P，实际上也是一种电磁器件，由磁芯和线圈组成，通电时产生电磁力。在它的旁边布有磁感应传感器Z。浮体旋转时，浮体下方的上述永磁体接近该传感器，以磁力作用使传感器发出信号，通过线路，使该线圈通电而产生磁力，作用于其上方的浮体，使浮体获得旋转力。由于浮体的旋转，该电磁力是间隙的。该传感器也称为同步式传感器。浮体3上的磁力偏转永磁体D也可安装在浮体3的侧面，与之对应的架体上也相应布设有偏转力发生器P及传感器Z，采用一对还是多对，视情况而定，对大型装置来说，多对更有利获得较大推力和旋转稳定性。

上述浮体下方的分散的磁结构的形式，除定位作用外，如果其下方桌面上相应的永磁体随桌面围绕浮体重心轴线旋转时，也可吸动上方浮体作绕轴旋转，这也是一种磁力偏转系统的方式。

四.固定在架体上的磁结构

该磁结构应和浮体的永磁体相呼应和配合使用。用于偏转力发生器中的电磁器件可以采用多个并分布于架体旁侧部位。

图13是本实用新型大型磁悬浮装置的磁结构实施例的综合示意图。其中：电磁器件A采用E型结构铁芯，三个支铁芯110、110′、110″分别设有线圈12、12′、12″，而且三个支铁芯的下端都贴有永磁体1101、1102。

所说的浮体3的上部的永磁体B，则由位于重心线的永磁体B1和偏离重心线一定距离的圆周上均匀分布有若干个永磁体B2组成的，B1与中央支铁芯110相互吸引，而B2则与两侧支铁芯110′、110″相互吸引，共同形成对浮体3的悬浮力。

浮体3下部定位永磁体C，则由位于重心线的永磁体C1和偏离重心线一定距离的圆周上均匀分布的几个永磁体C2构成，与相应的位于桌面上的定位永磁体L1和L2构成浮体3的永磁定位结构，C1和L1相互吸引，而C2和L2也相互吸引，使浮体3的悬浮更稳定。

此外，浮体3下部还设有几个磁偏转永磁体D1，桌面上相应地设有几对磁感应传感器Z1和磁偏转力发生器P1，在浮体3的腰间也同样可以设有磁偏转永磁体D2，与此相对应，在支架的相对应位置也设有磁感应传感器Z2和磁偏转力发生器P2。多处间隙地给浮体3施加偏转力，这对大型浮体的运动是必要的。

采用这种设置，所能悬浮起的浮体的重量经实验证明，较已有技术例如ZL 99252312.5有了数量级的提高，效果令人满意。

本实用新型的技术效果：

采用上述大型磁悬浮装置的磁结构，可以使磁悬浮装置在大型化方面更进一步，并可以使大型磁悬浮装置的运行性能稳定可靠，并有效地降低成本，降低制作难度，更有利于大型磁悬浮装置的实用化和产品化。

Claims (9)

1、一种大型磁悬浮装置的磁结构，包括用于磁悬浮的电磁器件(A)、浮体上部永磁体(B)，浮体下部定位永磁体(C)和磁力偏转系统永磁体(D)，桌面定位永磁体(L)、偏转力发生器(P)和磁感应传感器(Z)，其特征在于：

①所说的电磁器件(A)是由具有足够截面积的铁芯，外套有可通过足够大的电流的线圈构成的，而且其上、下两端可以添加有高强磁性的钕铁硼材料制成的永磁体；

②所说的永磁体(B)也采用钕铁硼高强永磁体。

2、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的电磁器件(A)的铁芯为具有三个支铁芯的卧式E型结构，其线圈处于中间支铁芯，或线圈分布在二侧铁芯(110′、110″)，或三个支铁芯都设线圈，三个支铁芯的下端可以都粘贴永磁体，而永磁体(B)也由多个钕铁硼高强永磁体构成。

3、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的电磁器件(A)为罩形结构，除中间具有中心对称铁芯并缠绕线圈外，周围为罩式铁壁，该铁壁下沿的磁极性与中心铁芯的极性相反，该铁壁下沿和中心铁芯下端均可以贴加与贴体相同极性的永磁体，而所有永磁体(B)也相应地设有多个钕铁硼高强度永磁体，与中心铁芯和环形铁壁的磁极性相对应，以增强相互的磁吸力。

4、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的电磁器件(A)为多臂式组合结构，单臂形的铁芯和线圈呈横向布局，铁芯前端形成向下的导磁头，二臂或多个臂组合，电磁力都集中地导向中央的下端，其头上也可以加贴极性相同的永磁体。

5、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的电磁器件(A)都加永磁体，但永磁体形成的磁吸力之和不应超过电磁吸力之和的50％。

6、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的浮体下部的定位永磁体(C)为分散磁结构，即在浮体下部重心线位置设有永磁体(C1)，在偏离重心的圆弧线上，还均匀对称地布设有两块或多块永磁体(C2)，它们应和桌面上布设的对应的多块永磁体形成异性相吸的定位作用。

7、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的磁力偏转系统的永磁体，由多块永磁体(D、E)分别布设在浮体下部偏离重心的圆弧线上，在桌面上或架体上布设有多对相应的偏转力发生器(P)和磁感应传感器(Z)。

8、根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的磁力偏转系统的永磁体，由多块磁体(D、E)均匀地布设在浮体的周侧，而在架体上布设有多对相应的偏转力发生器(P)和磁感应传感器(Z)。

9.根据权利要求1所述的大型磁悬浮装置的磁结构，其特征在于所说的浮体下部偏转系统的永磁体D，是由多块永磁体D，分别布设在浮体下部的偏离重心的圆环上，对应于该圆环可绕浮体重心线旋转的桌面上也均匀地设有多块永磁体L1。

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