CN2831605Y - 低电压、低功耗磁悬浮球装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低电压、低功耗磁悬浮球装置，它由悬浮物(10)、两枚悬浮用永磁体(11、17)、电磁铁(15、16)、光电位移传感器(13、14)及控制电路和旋转机构等组成。控制电路采用了一片低电压音频放大集成电路TDA2822作为代用功放。旋转机构由一片开有狭槽的园垫片(12)及两对小永磁体组成，不需要一般的旋转用传感器和旋转用电磁铁。本实用新型工作电压在3V左右且功耗低、结构简单、制造成本低；适用于科普玩具、课堂教具、工艺品、旅游纪念品、装饰及宣传、广告等方面。

Description

低电压、低功耗磁悬浮球装置

技术领域  本实用新型涉及一种利用永磁、电磁磁力将物体悬浮在空中旋转的装置，特别是一种低电压、低功耗磁悬浮球装置。

背景技术  磁悬浮技术，现在已逐渐深入到人们生活的各个方面。近年来，市场上及文献中出现了很多种磁悬浮球装置，但这些装置的功耗均较大，有关这方面的情况可参看文章“磁悬浮球述评及降低其功耗的方法”，该文刊登在“上海电机学院学报”2005年第3期第72-75页。就以上海龙阳路磁浮列车站礼品部出售的、深圳某公司制造的磁浮球工艺品及中国专利说明书CN1476158A所描述的低电压源磁悬浮装置来讲，前者的功耗达2W，后者最低工作电压只能达到4.5V、用电池只能工作几小时。美国专利说明书US6154353所公开的磁悬浮装置，虽然在气隙两端均安装了永磁体并采用了H桥功放，使功耗可以降低，但整个装置的结构以及控制电路都比较复杂，因此制造成本较高。

目前，磁悬浮球的旋转大多是在装置的底部另加一套电磁驱动部件来实现的。这种结构一方面比较复杂，另方面使装置的底部空间受到了限制。美国专利说明书US6154353描述了一种利用悬浮电磁铁本身使悬浮物旋转的机构，省去了旋转用传感器及旋转用电磁铁，使结构大为简化。但是因为该专利所述悬浮系统采用的是霍尔传感器，产生旋转力矩的电流不能以脉冲方式供给，所以效率不高。

实用新型内容  本实用新型针对现有技术中所存在的上述问题，提供了一种可用3V电源工作、低功耗、低成本、结构简单的磁悬浮球装置。为了解决上述技术问题，本实用新型采取了以下三个措施。其一，增加悬浮用永磁体的引力，使悬浮物重力与永磁体引力相平衡，电磁铁只起控制稳定的作用，从而降低功耗。为了要增加永磁体的引力，所以要装两枚永磁体。但是对于气隙小于3cm的小型装置，为了防止永磁体引力梯度过大而给电磁铁的设计、制造带来困难，所以一枚永磁体是装在电磁铁铁芯的上端，另一枚装在悬浮物的顶部，它们都呈园柱状，极性彼此相反。其二，所述的控制电路采用了代用功放集成电路TDA2822，这种集成电路不但工作电压低，而且可以接成H桥输出，为降低电压、降低功耗提供了必要条件。其三，所述的旋转机构是由装在悬浮物永磁体上端的、沿直径方向开有狭槽的园垫片及分别装在电磁铁线圈下端和悬浮物上端的两对小永磁体组成，省去了一般的旋转用传感器及旋转用电磁铁，使结构进一步简化。

本实用新型所述的控制电路，主要由一片热门的、廉价的音响集成电路TDA2822组成。该集成电路内含两个独立的音频放大器，闭环电压增益为40db，最低工作电压1.8V、最高15V；它原先是广泛用于便携式收录机作立体声或BTL功放，本实用新型将它代用为控制电路功放。在该控制电路中，TDA2822的两个输出端接电磁铁线圈L，D1-D4为续流两极管，TDA2822的两个反向输入端相互连接，两个正向输入端的电位差决定了L中电流的大小与方向。电源经电阻R1降压后向光电传感器的发射管LED供电，在LED上并联着由晶体三极管T、电阻R2、稳压管DW构成的简单稳压电路。输出的稳压电一路经电阻R6、可调电阻R7分压后送到TDA2822的一个正向输入端，使其有一定的偏置电压；另一路经光电接收管3DU及电阻R3、R4，将接收到的悬浮物位移信号经R3、R4分压后送到TDA2822的另一个正向输入端。电容C1与可调电阻R5的一个臂及电阻R4构成微分电路，这是使系统稳定必不可少的。

本实用新型所述的旋转机构，具有一片固定在悬浮物永磁体上端的园垫片，在园垫片上沿直径方向开有狭槽。当悬浮物转到某一位置时，狭槽的中心线正好与传感器发射的光线对准，从而给光电接收管一个光脉冲。这样，悬浮物每转一转给光电接收管两个光脉冲，因此使电磁铁线圈产生两个电流脉冲。紧靠着电磁铁铁芯下端的园周及悬浮物永磁体上端的园周，分别装有两对小永磁体，上述电流脉冲推动悬浮物上的小永磁体使其旋转。

本实用新型与类似的装置相比，在不降低性能的基础上，具有工作电压低、功耗低、结构简单、制造容易、成本低等特点；适用于科普玩具、课堂教具、工艺品、旅游纪念品、装饰及宣传、广告用品等方面。

附图说明  下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型的外观结构示意图。

图2是控制电路原理图。

图3是旋转机构示意图。

图4是图3中沿A-A线的剖视图。

图5是图3中沿B-B线的剖视图。

具体实施方式  图1所示的外观结构中，悬浮物10不一定是球形，可以是任何轴对称物体；支架9可以是悬臂式也可以是龙门式。永磁体11为铁氧体永磁，永磁体17的材料为铁氧体或NdFeB，它们的直径应不小于电磁铁铁芯16的直径。电磁铁铁芯16的材料为低碳园钢或低碳钢螺钉。因为铁芯中工作的交变磁通密度甚小，其频率也不高，故电磁铁铁芯可采用实心的。曾经用多根直径0.8mm的细铁丝拼装成电磁铁铁芯，结果其各方面性能与实心的基本相同。光电传感器的发射管13采用超高亮红色LED，接收管14为3DU型光敏三极管；工作时不能与强烈的阳光接近，以免干扰，但对灯光及雷闪、闪光灯等并不敏感。

图2所示的控制电路中，集成电路TDA2822的两个输出端1、3脚接电磁铁线圈L，两个反向输入端5、8脚互相连接，一个正向输入端7脚与可调电阻R7连接、另一个正向输入端6脚与可调电阻R5连接。因为放大器的增益达40db，所以一定要分压输入。集成电路的2、4脚分别接电源的正、负极。可调电阻R7用来改变正向输入端7的偏置电压的大小，以使系统能稳定地运行。可调电阻R5用来改变由C1、R4及R5的一个臂所构成的微分电路的时间常数。改变气隙长度即可调整电磁铁线圈L中电流的大小与方向。一般，悬浮物在稳定位置处时，应调整气隙长度使L中的电流接近于0。稳压管DW的稳定电压为1.5-1.8V。整个控制电路连同电池均放在盒18中。

在图3所示旋转机构示意图中，开有狭槽的园垫片12最好用导磁材料制成，当垫片直径在18mm左右时，狭槽的宽度一般为0.5-1mm，太窄了悬浮物不转、太宽了悬浮物要上下跳动。小永磁体19固定在悬浮物10上端、紧靠着永磁体11，小永磁体20固定在电磁铁线圈15的下端面、紧靠着电磁铁铁芯16。小永磁体19的中心连线与园垫片12上狭槽的中心线的夹角为0°，小永磁体20的中心连线与光电传感器13、14的轴线间的夹角α以10°-20°为佳。小永磁体19的极性与永磁体11相同，小永磁体20的极性与小永磁体19的相反。

本实施方式制成的一种低电压、低功耗磁悬浮球装置，用两节5号牡丹碱性电池可工作20余小时，工作电压最低可达2.1V；也可用两节镍氢、镍镉电池或一节可充锂电池供电。这种装置悬浮的气隙为1.5-2cm，悬浮物重60-70g。

Claims (3)

1.一种低电压、低功耗磁悬浮球装置，由悬浮物、悬浮用永磁体、电磁铁、传感器及控制电路和旋转机构等组成，其特征是：所述悬浮用永磁体有两枚，一枚(11)装在悬浮物(10)的顶部，另一枚(17)装在电磁铁铁芯(16)的上端，它们均呈圆柱状，彼此极性相反；所述控制电路主要由一片TDA2822集成电路构成；所述旋转机构是由装在永磁体(11)上端的、沿直径方向开有狭槽的圆垫片(12)及分别装在电磁铁线圈(15)下端和悬浮物(10)上端的两对小永磁体(19、20)组成。

2.如权利要求1所述的低电压、低功耗磁悬浮球装置，其特征是：所述控制电路中，集成电路TDA2822的两个输出端(1、3)分别接电磁铁线圈L，两个反向输入端(5、8)相互连接，一个正向输入端(7)接到由电阻R6、可变电阻R7构成的分压器上，由3DU接收到的信号经电阻R3、R4分压后送到TDA2822的另一个正向输入端(6)；电容C1、电阻R4及可调电阻R5的一个臂构成微分电路；稳压二极管DW、晶体三极管T及电阻R2构成稳压电路。

3.如权利要求1所述的低电压、低功耗磁悬浮球装置，其特征是：所述旋转机构的二对小永磁体(19、20)沿永磁体(11)及电磁铁铁芯(16)的直径方向安装并紧靠着(11)及(16)，小永磁体(19)的中心连线与圆垫片(12)上狭槽的中心线的夹角为0°，小永磁体(20)的中心连线与光电传感器(13、14)的轴线间的夹角α在10°-20°之间；小永磁体(19)的极性与永磁体(11)相同，小永磁体(20)的极性与小永磁体(19)的相反。

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