CN1200792A - 磁力悬浮系统 - Google Patents

Abstract

一用磁力悬浮一物体(O)的悬浮系统,它包括一电磁线圈(L),该线圈具有一轴向延伸的由导磁材料制成的磁心(13)和一设置于轴线上的永久磁铁(14)。在物体(O)也设置一永久磁铁(10),这样的结构使它和线圈(L)上的永久磁铁(14)和导磁磁心(13)相互吸引,通过吸引力使物体(O)悬浮在线圈(L)下方的一位置上。线圈(L)上的传感器(15、16)探测物体(O)内永久磁铁(10)的磁场,并向控制电路提供信号,当测得的磁场低于预定极限时控制电路向线圈提供电流来吸引物体,当测得的磁场高于预定极限值时推开物体。以这种方式,因为仅当物体运动离开由永久磁铁(10、14)的磁场所支撑的位置时,线圈(L)才通电,所以能使用较低的电流使物体(O)保持在适当的位置。

Description

磁力悬浮系统

本发明涉及一种用磁力悬浮物体的系统。

我们已设计出在相对于一固定或活动结构的一被控制位置处悬浮支撑一物体的系统，物体与结构间有一较大的空气空隙，并且系统的能源消耗较少。

根据本发明，提供一磁力悬浮系统，它包括一电磁铁和安装在固定或移动结构上的一第一永久磁铁，一具有一第二永久磁铁的物体至少部分地被在所述两块永久磁铁间产生的吸引磁场悬浮地设置在电磁铁下方一位置，安装在固定位置上的探测装置用来探测所述第二永久磁铁的磁场，控制装置向电磁铁提供一电流，根据所述探测装置的一输出信号，变化所述电流使所述物体相对于电磁铁保持在一预定位置。

我们发现这个系统可在相对于固定或活动结构的一被控制位置处悬浮物体，并且在物体和电磁铁间有一较大的空气间隙。

较可取的是，支撑结构还设置一导磁材料制成的本体，这样物体也可由它的永久磁铁和支撑结构上导磁材料制成的本体间产生的一吸引磁场部分地悬浮。

较可取的是，设置控制装置，当探测装置测得的磁场从物体位于所述位置时测得的磁场发生变化时，用它向电磁铁提供一电流。

较可取的是，设置控制装置，向电磁铁提供电流，使物体和支撑结构间产生一磁场，当探测装置测得的磁场低于预定极限值时，这个磁场将把物体吸向支撑结构。

较可取的是，设置控制装置，向电磁铁提供电流，使物体和支撑结构间产生一磁场，当探测装置测得的磁场高于预定极限值时，这个磁场将使物体推离支撑结构。

因为仅当物体离开基本由物体和支撑结构间产生的永久磁场悬浮的位置时，电磁铁才通电，所以这个装置只用少量电流。

较可取的是，流向电磁铁的电流被脉冲宽度调制。

较可取的是，设置控制装置，当测得的磁场变化量增加时，提高所述电流量，这样当物体离上述位置越远，产生更强的磁场。

较可取的是，设置控制装置，使电磁铁通过，稍稍推动在所述位置的物体，这样当电源失效时，由永磁场将物体吸向支撑结构。

较可取的是，电磁铁包括一线圈。较可取的是控制装置包括第一和第二开关，以及第三和第四开关，两对开关分别串联连接并与一直流电源并联，线圈的相对端部分别与第一和第二开关以及第三和第四开关之间的连接点连接，并且设置控制装置，根据所需的电流方向来起动所述第一和第三开关或所述第二和第四开关。

特别希望磁场探测装置非常灵敏。较可取的是，这个探测装置包括一个或多个霍尔效应传感器：例如安装在电磁铁轴任一侧的两相对位置上的两上霍尔效应传感器，结合两个霍尔效应传感器的输出(即相加或取平均值)以便提供给用于电磁铁的控制装置的输出信号。另一方面，探测装置可以包括一非晶带传感器(anamorphous ribbon sensor)

较可取的是，保护探测装置不受电磁铁和支撑结构中永久磁铁所产生的磁场的磁性影响。较可取的是，由一非磁性材料，诸如铝等来屏蔽探测装置，它会阻止磁场的变化，但是不会阻止稳定的磁场。较可取的是，探测装置由一导磁材料(如镍铁高导磁率合金)屏蔽，它能阻止稳定磁场，但不容易阻止变化的磁场。

较可取的是，被悬浮的物体包括一由导磁材料制成的一本体，并且对其安装永久磁铁，以作为一磁通量聚能器(flux concentrator)，并且使由其永久磁铁所产生的磁场更凸向支撑结构。

较可取的是，支撑结构包括一由导磁材料制成的一本体，并且对其安装永久磁铁，以作为一磁通量聚能器，并且使由永久磁铁产生的磁场更凸向被悬浮的物体。

较可取的是，电磁铁包括导磁材料制成的磁心。

较可取的是，导磁材料包括低碳钢，硅铁(SiFe)，铁钴合金(FeCo)，铁钴磁性合金(permendur)，或是一镍铁合金。

较可取的永久磁铁是由一稀土材料如钕铁硼(NdFeB)或其他高能材料形成。

希望电磁铁线圈使用非常细的(小直径)金属丝，以便提高缠绕预定尺寸线轴的圈数(并且也增加了使用相同驱动电流产生的磁场强度)，或相反减小线圈的尺寸。但是金属丝直径的减小基本上提高了它的电阻，也提高了相同电流通过线圈的电压。

因此，较可取的是在本发明悬浮系统中所使用的电磁铁包括两个或多个围绕着同一轴卷绕并且并联连接的金属丝。可卷绕金属丝分别形成头尾相连的线圈，或它们也可卷绕在一起以形成一延伸电磁铁长度的复合线圈。

对于这些线圈结构，与类似尺寸由一单金属丝卷绕的一线圈相比，每一根金属丝的长度都缩短了(因此降低了电阻值)。因此可使用较细的金属丝而不需增加驱动电压来保持类似的电流。

仅将通过举例的方法，并参考附图对本发明实施例进行说明，其中：

图1是本发明磁力悬浮系统第一实施例的一示意图；

图2是图1中磁力悬浮系统一控制电路的一方框图；

图3是图2电路中线圈电流与霍尔传感器输出值的线图；

图4是本发明磁力悬浮系统第二实施例的一示意图；

图5是本发明磁力悬浮系统第三实施例的一示意图；

图6是本发明磁力悬浮系统第四实施例的一示意图；

参阅图1，它示出一能使一物体O相对于一固定结构悬浮在一被控制位置上的磁力悬浮系统。物体O具有一稀土永久磁铁10，它装配于一块作为磁通量聚能器的低碳钢11上。一电磁铁12安装在固定结构上。在使用中，用磁力使物体O悬浮在具有一卷绕在线轴上线圈L的电磁铁12的下方：在所示的例子中，线圈L的轴垂直，但是它也可向水平方向倾斜，或者甚至接近水平。电磁铁12具有一由低碳钢或其他永磁性材料制成的磁心13，并且可放置在一嵌板上，嵌板具有与电磁铁磁心对齐的中心孔。另外，将一第二稀土永久磁铁14安装在磁心13的底端，以吸引物体O的永久磁铁10。可将磁心13制成两部分，使磁铁14位于它们中间，这样可沿着磁心轴线将磁铁14设置在一选定位置。也可用内部有一空心通道的磁心代替，以便选择或调节磁铁14的轴向位置。将两个霍尔效应传感器15、16安装在电磁铁12的下方，使它们基本不受电磁铁磁场的影响。

导线17分别使霍尔效应传感器15、16与一控制电路18的相应输入端连接，线圈L与控制电路18的输出端连接。

参阅图2，在控制电路18内部，霍尔传感器15、16的输出端与一总计或平均电路20连接。总计或平均电路20的输出端与一个将霍尔传感器15、16传出的总计或平均信号与一参考标准进行比较的比较器21或一误差放大器相连接，通过调节一可调电阻VR1来设定参考标准，电阻VR1与电阻R2串联，并与直流电源并联。比较器21有两个分别与脉冲宽度调制器22、23连接的输出端。两对串联的绝缘门二极晶体管(IGBTs)TR1、TR2和TR3、TR4与直流电源并联地平行连接。线圈L的一端与晶体管TR1和TR2间相互的连接点连接，另一端与晶体管TR3和TR4间相互的连接点连接。晶体管TR1的门与晶体管TR4的门连接，并且还与一个脉冲宽度调制器22的输出端连接。类似的，晶体管TR2的门与晶体管TR3的门连接，并与另一脉冲宽度调制器23的输出端连接。

再参阅附图1，设置物体O的永久磁铁10和线圈L的永久磁铁14，使它们相互吸引，在物体O上的永久磁铁还被电磁铁的钢磁心13吸引。如果物体O的重量小于两磁铁10、14间的最大吸引力，应该理解，可以调节磁铁间的间距，这样在某一点上，物体的重力正好等于磁铁10、14间的吸引力：在这所谓的平衡点上，物体将悬浮于中间的空气中。平衡点是受限制的，并且在实践中没有某种控制形式是很难使物体浮起的。

参阅附图3，可以理解，传感器15、16处的磁场将根据物体O磁体10的接近度变化。由传感器15、16探测到这个磁场，并向控制电路18输出一相应的信号V_HALL。控制电路中的比较器电路21将霍尔传感器15、16的联合输出信号与一由可调节电阻VR1设定的参考值进行比较。如果霍尔传感器的输出值在参考值之上，就将向脉冲宽度调制器电路22输出一表示其差值大小的信号，相反，如果输出值在参考值之下，就将向另一脉冲宽度调制器电路23输出一表示其差值大小的信号。

设置每一个脉冲宽度调制器22、23用来输出一矩形波，它的传号-空号率取决于比较器电路21发出的各信号大小。如果从比较器电路21发出的信号较小，传号-空号率将低至1∶49(2％打开)，相反，如果信号值较高，传号-空号比将高达49∶1(98％打开)。当一个脉冲宽度调制器，即22的输出值很高时，晶体管TR1和TR4将导电，使电流I_R流过线圈L。同样当另一脉冲宽度调制器23的输出值很高时，晶体管TR2和TR3将导电，使电流I_A沿着相反方向流过线圈L。

假设物体的重量和永久磁铁10、14的强度使得上述平衡点发生在间距为4cm处，然后调节可调电阻VR1，使得在那一点上没有电流I_A、I_R流过线圈L：在实际操作中，可调电阻VR1设定一小范围参考点，没有电流在参考点的范围之间流动，以避免通过线圈L的电流循环。如果物体O离开线圈运动，霍尔传感器15、16处的磁场F_MAG将减小，并且输入到比较器21的输入信号将下降到参考标准之下，因此引起脉冲宽度调制器23工作，这样电流I_A流过线圈L。当电流I_A流动时，线圈L产生的电磁场补充磁铁10、14间的磁场，并且将物体O吸向线圈L。线圈电流I_A的大小，因此产生的磁场力强度，将取决于物体O离开线圈L的距离。

如果物体O被拉近线圈并超过了平衡点，这时控制电路18工作，使得反向电流I_R流过线圈L。这个反向电流I_R引起一排斥磁铁10的磁场，使得物体离开线圈L运动。

可以理解，由于线圈仅在物体O离开平衡点时才通电，所以仅有少量电流流过线圈L。以这种方式，可使用一小型低压直流电池向本发明的装置供电，并且在电池用完前可保持一较长的时间。另外，可利用一低压直流电源通过电力线向电路供电。

如果电源切断或电池用完了，那么可以理解物体O可能会掉到地上，这当然是不希望发生的。因此，在另一替换实施例中，设定可调电阻VR1使得物体在最小排斥电流I_A流动时被支撑在一位置上，因此产生一排斥力，来保持物体离开线圈L。如果线圈没有电时，这个排斥力将停止，物体O将被吸向线圈，并在那儿由永久磁铁10、14间的吸引力所支撑。

我们已发现，在使用所述悬浮系统时，物体O可被悬浮在一稳定的位置，并具有一大的空气间隙(直至60毫米)。基本上由永久磁铁10、14之间的吸引力悬浮物体，因此当物体处于平衡点时，对于电磁铁仅需小量电流(10mA)，和相应较低的电源消耗。但是当物体离开平衡点时，电流随着距离的增加呈指数级增加，使物体快速回到位置上。流过线圈的最大电流可高达700mA。

如图4所示的实施例，将霍尔效应传感器15、16安装在一突出部分32(即一管状套管)的下端，该突出部分从一电磁铁置于其上的带孔嵌板突出。由于传感器的灵敏性限制空气间隙的尺寸而不是永久磁铁10、14之间的力，所以这种结构能使物体O在电磁铁下方较大空气间隙(直至80或90毫米)处被悬浮。

参阅图5，示出了悬浮系统的又一实施例，相同的部分采用相同的标号。在这个实施例中，两稀土永久磁铁14、40沿线圈的垂直轴安装在线圈L的相对端面上。一第三永久磁铁91安装在线圈磁心的内部，并且位于两钢磁心部分13a、13b的中间。可在生产过程中调节磁心上的磁铁91位置来设定平衡点。设置磁铁14、40、91使它们各自相同的电极沿着线圈L的轴线具有相同的方向。一硅铁42安装在上部稀土磁铁40的顶端。下部稀土磁铁14穿过一安装于线圈L下方的铝盘43内的中心孔。霍尔效应传感器15、16安装在铝盘43的下侧，向下面对镍铁高导磁率合金的罩90。

悬浮物体O的永久磁铁10被吸向导磁材料块和两在支撑结构S内的磁铁40、14，永久磁铁10安装在一片硅铁11上。

在使用中，被悬浮的物体10从达到60毫米处被吸向支持结构S，但是这取决于磁铁的力和物体O的重量。

镍铁高导磁率合金罩90有助于霍尔传感器15、16不受线圈L产生的稳定磁场的影响，并且铝盘43有助于霍尔传感器不受线圈产生的变化磁场的影响。可以理解，由线圈L和在其上的永久磁铁40、14、91所产生的磁场单独地穿过盘43内的孔，并且再集中垂直向下。在上部永久磁铁40顶端上的硅铁片42有助于将磁场限定在朝下的方向。

如果希望支撑一较重的物体或增加空气间隙，可配置控制电路使线圈L吸引被悬浮物体O的磁铁10，从而增补支撑结构S内的两磁铁40、14的磁场。由线圈L引起的电流量将取决于所希望的空气间隙尺寸，但是通常可以调节它，使物体基本依靠永久磁铁10、40、14和91之间的吸引力而悬浮。

为了提供一更强的磁场而不增加所需的电压，或者说由较小尺寸制成的电磁铁仍能提供相同强度的磁场，图中所示的电磁铁包括缠绕线轴B相应部分，并由一隔离盘D分开的两线圈L1和L2：线圈L1和L2与驱动电源并联。这种结构允许线圈使用非常细小(小直径)的金属丝，而每一线圈的电阻不会过量，因为每个线圈相对较短。可以理解电磁铁可以包括两个或多个卷绕在线轴不同部分上并都相互并联的线圈：另外，两个或多个金属丝，即W1、W2可围着线轴卷绕在一起，如图6所示形成一延伸线轴长度的组合线圈，但是相应的金属丝并联连接。在另一实施例中，两个线圈可共同卷绕在线轴B上。

悬浮物体可以包括一环或一径向磁化的球形磁铁，使得物体在磁场内可自由转动或旋转。

一个或多个孔可轴向穿过线圈的磁心，每个传感器被轴向地设置在各个孔的下方。这种结构的优点在于仅有少量或没有与孔绕线管一致的磁通量，这样对磁性屏蔽传感器的要求较少。更可取的是，一孔沿着线圈的轴线穿过磁心，这样可使用一单个的中央定位传感器。

如图6所示，线轴B最上面的部分93可由一导磁材料制成如钢，以便引导电磁铁部件95上端的磁通量径向向外，从而沿向下方向更加集中以便与从悬浮物体中永久磁铁10下侧发出的磁通线连接。较可取的是，线圈轴向上端包括延伸部94，它基本指向线圈轴以便将从电磁铁部件95发出的磁通量导向物体内的磁铁10。

可广泛应用上述磁力悬浮系统。例如可用于广告中悬挂招牌或其他展示的物体：可以理解当自由地悬浮在空气中时，物体可以转动。另外当油漆并干燥物体时可使用这个装置，以允许自由进入物体的各侧面。还可用这个装置将物体浸入酸或其他溶液中进行化学处理；可以实现完全的浸没而不需对物体的任何侧面进行接触支撑。另外本系统可用于风洞中的悬浮模型飞机，以得到一实际飞机飞行的较佳模拟。

Claims (15)

1.一种磁力悬浮系统，它包括一电磁铁和安装在固定或移动结构上的一第一永久磁铁，用来悬浮在电磁铁下方一位置并具有一第二永久磁铁的物体，至少部分地被所述两块永久磁铁之间产生的吸引磁场所吸引，安装在固定位置上的探测装置用来探测所述第二永久磁铁的磁场，控制装置用来向电磁铁提供一电流，根据所述探测装置的一输出信号，变化所述电流，使所述物体相对于电磁铁保持在一预定位置上。

2.如权利要求1所述的一磁力悬浮系统，其特征在于，在支撑结构上设置一由导磁材料制成的本体。

3.一种如权利要求1或2所述的悬浮系统，其特征在于，当探测装置测得的磁场从物体位于所述预定位置时所测得的磁场发生变化时，控制装置向电磁铁提供一电流。

4.一种如权利要求3所述的磁力悬浮系统，其特征在于，设置控制装置向电磁铁提供电流，使得在物体和支撑结构之间产生一磁场，当探测装置测得的磁场低于预定极限值时，所产生的磁场将把物体吸向支撑结构。

5.一种如权利要求3或4所述的悬浮系统，其特征在于，设置控制装置来向电磁铁提供电流，使得物体和支撑结构之间产生一磁场，当探测装置测得的磁场高于预定极限值时，所产生的磁场将使物体离开支撑结构。

6.一种如权利要求5所述的悬浮系统，其特征在于，控制装置包括串联连接并与直流电源并联的第一和第二开关，以及串联连接并与直流电源并联的第三和第四开关，电磁铁线圈的相对端部分别与第一和第二开关之间的点以及第三和第四开关之间的点连接，并且设置控制装置，根据所需的通过线圈的电流方向，来推动所述第一和第三开关或者所述第二和第四开关。

7.一种如前述任一权项所述的磁力悬浮系统，其特征在于，电流被脉冲宽度调制。

8.一种如前述任一权项所述的磁力悬浮系统，其特征在于，设置控制装置，向电磁铁提供推动在所述位置的物体的一电流。

9.一种如前述任一权项所述的磁力悬浮系统，其特征在于，被悬浮的物体包括永久磁铁对其产生影响的由导磁材料制成的本体。

10.一种如权利要求2所述的磁力悬浮系统，其特征在于，由导磁材料制成的本体包括一沿着电磁铁线圈轴向延伸的一磁心。

11.一种如权利要求10所述的磁力悬浮系统，其特征在于，线圈轴向地布置第一永久磁铁。

12.一种如权利要求10或11所述的磁力悬浮系统，导磁材料制成的本体包括一设置在磁心轴向上端部的磁通量聚能器。

13.一种如权利要求12所述的磁力悬浮系统，其特征在于，磁通量聚能器在电磁铁的轴向上端部上方延伸。

14.一种如权利要求13所述的磁力悬浮系统，其特征在于，磁通量聚能器包括一延伸部，设置它用来将电磁铁上端部的磁通量向下引向被悬浮的物体。

15.一种如权利要求1所述的磁力悬浮系统，其特征在于，电磁铁包括两个或更多个围绕一共同轴卷绕并且并联连接的金属丝。

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