專利名稱：磁力懸浮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用磁力懸浮物體的系統(tǒng)。
我們已設(shè)計出在相對于一固定或活動結(jié)構(gòu)的一被控制位置處懸浮支撐一物體的系統(tǒng)，物體與結(jié)構(gòu)間有一較大的空氣空隙，并且系統(tǒng)的能源消耗較少。
根據(jù)本發(fā)明，提供一磁力懸浮系統(tǒng)，它包括一電磁鐵和安裝在固定或移動結(jié)構(gòu)上的一第一永久磁鐵，一具有一第二永久磁鐵的物體至少部分地被在所述兩塊永久磁鐵間產(chǎn)生的吸引磁場懸浮地設(shè)置在電磁鐵下方一位置，安裝在固定位置上的探測裝置用來探測所述第二永久磁鐵的磁場，控制裝置向電磁鐵提供一電流，根據(jù)所述探測裝置的一輸出信號，變化所述電流使所述物體相對于電磁鐵保持在一預(yù)定位置。
我們發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)可在相對于固定或活動結(jié)構(gòu)的一被控制位置處懸浮物體，并且在物體和電磁鐵間有一較大的空氣間隙。
較可取的是，支撐結(jié)構(gòu)還設(shè)置一導(dǎo)磁材料制成的本體，這樣物體也可由它的永久磁鐵和支撐結(jié)構(gòu)上導(dǎo)磁材料制成的本體間產(chǎn)生的一吸引磁場部分地懸浮。
較可取的是，設(shè)置控制裝置，當(dāng)探測裝置測得的磁場從物體位于所述位置時測得的磁場發(fā)生變化時，用它向電磁鐵提供一電流。
較可取的是，設(shè)置控制裝置，向電磁鐵提供電流，使物體和支撐結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生一磁場，當(dāng)探測裝置測得的磁場低于預(yù)定極限值時，這個磁場將把物體吸向支撐結(jié)構(gòu)。
較可取的是，設(shè)置控制裝置，向電磁鐵提供電流，使物體和支撐結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生一磁場，當(dāng)探測裝置測得的磁場高于預(yù)定極限值時，這個磁場將使物體推離支撐結(jié)構(gòu)。
因為僅當(dāng)物體離開基本由物體和支撐結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生的永久磁場懸浮的位置時，電磁鐵才通電，所以這個裝置只用少量電流。
較可取的是，流向電磁鐵的電流被脈沖寬度調(diào)制。
較可取的是，設(shè)置控制裝置，當(dāng)測得的磁場變化量增加時，提高所述電流量，這樣當(dāng)物體離上述位置越遠，產(chǎn)生更強的磁場。
較可取的是，設(shè)置控制裝置，使電磁鐵通過，稍稍推動在所述位置的物體，這樣當(dāng)電源失效時，由永磁場將物體吸向支撐結(jié)構(gòu)。
較可取的是，電磁鐵包括一線圈。較可取的是控制裝置包括第一和第二開關(guān)，以及第三和第四開關(guān)，兩對開關(guān)分別串聯(lián)連接并與一直流電源并聯(lián)，線圈的相對端部分別與第一和第二開關(guān)以及第三和第四開關(guān)之間的連接點連接，并且設(shè)置控制裝置，根據(jù)所需的電流方向來起動所述第一和第三開關(guān)或所述第二和第四開關(guān)。
特別希望磁場探測裝置非常靈敏。較可取的是，這個探測裝置包括一個或多個霍爾效應(yīng)傳感器例如安裝在電磁鐵軸任一側(cè)的兩相對位置上的兩上霍爾效應(yīng)傳感器，結(jié)合兩個霍爾效應(yīng)傳感器的輸出(即相加或取平均值)以便提供給用于電磁鐵的控制裝置的輸出信號。另一方面，探測裝置可以包括一非晶帶傳感器(anamorphous ribbon sensor)較可取的是，保護探測裝置不受電磁鐵和支撐結(jié)構(gòu)中永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場的磁性影響。較可取的是，由一非磁性材料，諸如鋁等來屏蔽探測裝置，它會阻止磁場的變化，但是不會阻止穩(wěn)定的磁場。較可取的是，探測裝置由一導(dǎo)磁材料(如鎳鐵高導(dǎo)磁率合金)屏蔽，它能阻止穩(wěn)定磁場，但不容易阻止變化的磁場。
較可取的是，被懸浮的物體包括一由導(dǎo)磁材料制成的一本體，并且對其安裝永久磁鐵，以作為一磁通量聚能器(flux concentrator)，并且使由其永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場更凸向支撐結(jié)構(gòu)。
較可取的是，支撐結(jié)構(gòu)包括一由導(dǎo)磁材料制成的一本體，并且對其安裝永久磁鐵，以作為一磁通量聚能器，并且使由永久磁鐵產(chǎn)生的磁場更凸向被懸浮的物體。
較可取的是，電磁鐵包括導(dǎo)磁材料制成的磁心。
較可取的是，導(dǎo)磁材料包括低碳鋼，硅鐵(SiFe)，鐵鈷合金(FeCo)，鐵鈷磁性合金(permendur)，或是一鎳鐵合金。
較可取的永久磁鐵是由一稀土材料如釹鐵硼(NdFeB)或其他高能材料形成。
希望電磁鐵線圈使用非常細的(小直徑)金屬絲，以便提高纏繞預(yù)定尺寸線軸的圈數(shù)(并且也增加了使用相同驅(qū)動電流產(chǎn)生的磁場強度)，或相反減小線圈的尺寸。但是金屬絲直徑的減小基本上提高了它的電阻，也提高了相同電流通過線圈的電壓。
因此，較可取的是在本發(fā)明懸浮系統(tǒng)中所使用的電磁鐵包括兩個或多個圍繞著同一軸卷繞并且并聯(lián)連接的金屬絲?？删砝@金屬絲分別形成頭尾相連的線圈，或它們也可卷繞在一起以形成一延伸電磁鐵長度的復(fù)合線圈。
對于這些線圈結(jié)構(gòu)，與類似尺寸由一單金屬絲卷繞的一線圈相比，每一根金屬絲的長度都縮短了(因此降低了電阻值)。因此可使用較細的金屬絲而不需增加驅(qū)動電壓來保持類似的電流。
僅將通過舉例的方法，并參考附圖對本發(fā)明實施例進行說明，其中

圖1是本發(fā)明磁力懸浮系統(tǒng)第一實施例的一示意圖2是圖1中磁力懸浮系統(tǒng)一控制電路的一方框圖；圖3是圖2電路中線圈電流與霍爾傳感器輸出值的線圖；圖4是本發(fā)明磁力懸浮系統(tǒng)第二實施例的一示意圖；圖5是本發(fā)明磁力懸浮系統(tǒng)第三實施例的一示意圖；圖6是本發(fā)明磁力懸浮系統(tǒng)第四實施例的一示意圖；參閱圖1，它示出一能使一物體O相對于一固定結(jié)構(gòu)懸浮在一被控制位置上的磁力懸浮系統(tǒng)。物體O具有一稀土永久磁鐵10，它裝配于一塊作為磁通量聚能器的低碳鋼11上。一電磁鐵12安裝在固定結(jié)構(gòu)上。在使用中，用磁力使物體O懸浮在具有一卷繞在線軸上線圈L的電磁鐵12的下方在所示的例子中，線圈L的軸垂直，但是它也可向水平方向傾斜，或者甚至接近水平。電磁鐵12具有一由低碳鋼或其他永磁性材料制成的磁心13，并且可放置在一嵌板上，嵌板具有與電磁鐵磁心對齊的中心孔。另外，將一第二稀土永久磁鐵14安裝在磁心13的底端，以吸引物體O的永久磁鐵10?？蓪⒋判?3制成兩部分，使磁鐵14位于它們中間，這樣可沿著磁心軸線將磁鐵14設(shè)置在一選定位置。也可用內(nèi)部有一空心通道的磁心代替，以便選擇或調(diào)節(jié)磁鐵14的軸向位置。將兩個霍爾效應(yīng)傳感器15、16安裝在電磁鐵12的下方，使它們基本不受電磁鐵磁場的影響。
導(dǎo)線17分別使霍爾效應(yīng)傳感器15、16與一控制電路18的相應(yīng)輸入端連接，線圈L與控制電路18的輸出端連接。
參閱圖2，在控制電路18內(nèi)部，霍爾傳感器15、16的輸出端與一總計或平均電路20連接。總計或平均電路20的輸出端與一個將霍爾傳感器15、16傳出的總計或平均信號與一參考標準進行比較的比較器21或一誤差放大器相連接，通過調(diào)節(jié)一可調(diào)電阻VR1來設(shè)定參考標準，電阻VR1與電阻R2串聯(lián)，并與直流電源并聯(lián)。比較器21有兩個分別與脈沖寬度調(diào)制器22、23連接的輸出端。兩對串聯(lián)的絕緣門二極晶體管(IGBTs)TR1、TR2和TR3、TR4與直流電源并聯(lián)地平行連接。線圈L的一端與晶體管TR1和TR2間相互的連接點連接，另一端與晶體管TR3和TR4間相互的連接點連接。晶體管TR1的門與晶體管TR4的門連接，并且還與一個脈沖寬度調(diào)制器22的輸出端連接。類似的，晶體管TR2的門與晶體管TR3的門連接，并與另一脈沖寬度調(diào)制器23的輸出端連接。
再參閱附圖1，設(shè)置物體O的永久磁鐵10和線圈L的永久磁鐵14，使它們相互吸引，在物體O上的永久磁鐵還被電磁鐵的鋼磁心13吸引。如果物體O的重量小于兩磁鐵10、14間的最大吸引力，應(yīng)該理解，可以調(diào)節(jié)磁鐵間的間距，這樣在某一點上，物體的重力正好等于磁鐵10、14間的吸引力在這所謂的平衡點上，物體將懸浮于中間的空氣中。平衡點是受限制的，并且在實踐中沒有某種控制形式是很難使物體浮起的。
參閱附圖3，可以理解，傳感器15、16處的磁場將根據(jù)物體O磁體10的接近度變化。由傳感器15、16探測到這個磁場，并向控制電路18輸出一相應(yīng)的信號VHALL?？刂齐娐分械谋容^器電路21將霍爾傳感器15、16的聯(lián)合輸出信號與一由可調(diào)節(jié)電阻VR1設(shè)定的參考值進行比較。如果霍爾傳感器的輸出值在參考值之上，就將向脈沖寬度調(diào)制器電路22輸出一表示其差值大小的信號，相反，如果輸出值在參考值之下，就將向另一脈沖寬度調(diào)制器電路23輸出一表示其差值大小的信號。
設(shè)置每一個脈沖寬度調(diào)制器22、23用來輸出一矩形波，它的傳號-空號率取決于比較器電路21發(fā)出的各信號大小。如果從比較器電路21發(fā)出的信號較小，傳號-空號率將低至1∶49(2％打開)，相反，如果信號值較高，傳號-空號比將高達49∶1(98％打開)。當(dāng)一個脈沖寬度調(diào)制器，即22的輸出值很高時，晶體管TR1和TR4將導(dǎo)電，使電流IR流過線圈L。同樣當(dāng)另一脈沖寬度調(diào)制器23的輸出值很高時，晶體管TR2和TR3將導(dǎo)電，使電流IA沿著相反方向流過線圈L。
假設(shè)物體的重量和永久磁鐵10、14的強度使得上述平衡點發(fā)生在間距為4cm處，然后調(diào)節(jié)可調(diào)電阻VR1，使得在那一點上沒有電流IA、IR流過線圈L在實際操作中，可調(diào)電阻VR1設(shè)定一小范圍參考點，沒有電流在參考點的范圍之間流動，以避免通過線圈L的電流循環(huán)。如果物體O離開線圈運動，霍爾傳感器15、16處的磁場FMAG將減小，并且輸入到比較器21的輸入信號將下降到參考標準之下，因此引起脈沖寬度調(diào)制器23工作，這樣電流IA流過線圈L。當(dāng)電流IA流動時，線圈L產(chǎn)生的電磁場補充磁鐵10、14間的磁場，并且將物體O吸向線圈L。線圈電流IA的大小，因此產(chǎn)生的磁場力強度，將取決于物體O離開線圈L的距離。
如果物體O被拉近線圈并超過了平衡點，這時控制電路18工作，使得反向電流IR流過線圈L。這個反向電流IR引起一排斥磁鐵10的磁場，使得物體離開線圈L運動。
可以理解，由于線圈僅在物體O離開平衡點時才通電，所以僅有少量電流流過線圈L。以這種方式，可使用一小型低壓直流電池向本發(fā)明的裝置供電，并且在電池用完前可保持一較長的時間。另外，可利用一低壓直流電源通過電力線向電路供電。
如果電源切斷或電池用完了，那么可以理解物體O可能會掉到地上，這當(dāng)然是不希望發(fā)生的。因此，在另一替換實施例中，設(shè)定可調(diào)電阻VR1使得物體在最小排斥電流IA流動時被支撐在一位置上，因此產(chǎn)生一排斥力，來保持物體離開線圈L。如果線圈沒有電時，這個排斥力將停止，物體O將被吸向線圈，并在那兒由永久磁鐵10、14間的吸引力所支撐。
我們已發(fā)現(xiàn)，在使用所述懸浮系統(tǒng)時，物體O可被懸浮在一穩(wěn)定的位置，并具有一大的空氣間隙(直至60毫米)?；旧嫌捎谰么盆F10、14之間的吸引力懸浮物體，因此當(dāng)物體處于平衡點時，對于電磁鐵僅需小量電流(10mA)，和相應(yīng)較低的電源消耗。但是當(dāng)物體離開平衡點時，電流隨著距離的增加呈指數(shù)級增加，使物體快速回到位置上。流過線圈的最大電流可高達700mA。
如圖4所示的實施例，將霍爾效應(yīng)傳感器15、16安裝在一突出部分32(即一管狀套管)的下端，該突出部分從一電磁鐵置于其上的帶孔嵌板突出。由于傳感器的靈敏性限制空氣間隙的尺寸而不是永久磁鐵10、14之間的力，所以這種結(jié)構(gòu)能使物體O在電磁鐵下方較大空氣間隙(直至80或90毫米)處被懸浮。
參閱圖5，示出了懸浮系統(tǒng)的又一實施例，相同的部分采用相同的標號。在這個實施例中，兩稀土永久磁鐵14、40沿線圈的垂直軸安裝在線圈L的相對端面上。一第三永久磁鐵91安裝在線圈磁心的內(nèi)部，并且位于兩鋼磁心部分13a、13b的中間?？稍谏a(chǎn)過程中調(diào)節(jié)磁心上的磁鐵91位置來設(shè)定平衡點。設(shè)置磁鐵14、40、91使它們各自相同的電極沿著線圈L的軸線具有相同的方向。一硅鐵42安裝在上部稀土磁鐵40的頂端。下部稀土磁鐵14穿過一安裝于線圈L下方的鋁盤43內(nèi)的中心孔?；魻栃?yīng)傳感器15、16安裝在鋁盤43的下側(cè)，向下面對鎳鐵高導(dǎo)磁率合金的罩90。
懸浮物體O的永久磁鐵10被吸向?qū)Т挪牧蠅K和兩在支撐結(jié)構(gòu)S內(nèi)的磁鐵40、14，永久磁鐵10安裝在一片硅鐵11上。
在使用中，被懸浮的物體10從達到60毫米處被吸向支持結(jié)構(gòu)S，但是這取決于磁鐵的力和物體O的重量。
鎳鐵高導(dǎo)磁率合金罩90有助于霍爾傳感器15、16不受線圈L產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場的影響，并且鋁盤43有助于霍爾傳感器不受線圈產(chǎn)生的變化磁場的影響?？梢岳斫?，由線圈L和在其上的永久磁鐵40、14、91所產(chǎn)生的磁場單獨地穿過盤43內(nèi)的孔，并且再集中垂直向下。在上部永久磁鐵40頂端上的硅鐵片42有助于將磁場限定在朝下的方向。
如果希望支撐一較重的物體或增加空氣間隙，可配置控制電路使線圈L吸引被懸浮物體O的磁鐵10，從而增補支撐結(jié)構(gòu)S內(nèi)的兩磁鐵40、14的磁場。由線圈L引起的電流量將取決于所希望的空氣間隙尺寸，但是通?？梢哉{(diào)節(jié)它，使物體基本依靠永久磁鐵10、40、14和91之間的吸引力而懸浮。
為了提供一更強的磁場而不增加所需的電壓，或者說由較小尺寸制成的電磁鐵仍能提供相同強度的磁場，圖中所示的電磁鐵包括纏繞線軸B相應(yīng)部分，并由一隔離盤D分開的兩線圈L1和L2線圈L1和L2與驅(qū)動電源并聯(lián)。這種結(jié)構(gòu)允許線圈使用非常細小(小直徑)的金屬絲，而每一線圈的電阻不會過量，因為每個線圈相對較短。可以理解電磁鐵可以包括兩個或多個卷繞在線軸不同部分上并都相互并聯(lián)的線圈另外，兩個或多個金屬絲，即W1、W2可圍著線軸卷繞在一起，如圖6所示形成一延伸線軸長度的組合線圈，但是相應(yīng)的金屬絲并聯(lián)連接。在另一實施例中，兩個線圈可共同卷繞在線軸B上。
懸浮物體可以包括一環(huán)或一徑向磁化的球形磁鐵，使得物體在磁場內(nèi)可自由轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)。
一個或多個孔可軸向穿過線圈的磁心，每個傳感器被軸向地設(shè)置在各個孔的下方。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于僅有少量或沒有與孔繞線管一致的磁通量，這樣對磁性屏蔽傳感器的要求較少。更可取的是，一孔沿著線圈的軸線穿過磁心，這樣可使用一單個的中央定位傳感器。
如圖6所示，線軸B最上面的部分93可由一導(dǎo)磁材料制成如鋼，以便引導(dǎo)電磁鐵部件95上端的磁通量徑向向外，從而沿向下方向更加集中以便與從懸浮物體中永久磁鐵10下側(cè)發(fā)出的磁通線連接。較可取的是，線圈軸向上端包括延伸部94，它基本指向線圈軸以便將從電磁鐵部件95發(fā)出的磁通量導(dǎo)向物體內(nèi)的磁鐵10。
可廣泛應(yīng)用上述磁力懸浮系統(tǒng)。例如可用于廣告中懸掛招牌或其他展示的物體可以理解當(dāng)自由地懸浮在空氣中時，物體可以轉(zhuǎn)動。另外當(dāng)油漆并干燥物體時可使用這個裝置，以允許自由進入物體的各側(cè)面。還可用這個裝置將物體浸入酸或其他溶液中進行化學(xué)處理；可以實現(xiàn)完全的浸沒而不需對物體的任何側(cè)面進行接觸支撐。另外本系統(tǒng)可用于風(fēng)洞中的懸浮模型飛機，以得到一實際飛機飛行的較佳模擬。
權(quán)利要求
1.一種磁力懸浮系統(tǒng)，它包括一電磁鐵和安裝在固定或移動結(jié)構(gòu)上的一第一永久磁鐵，用來懸浮在電磁鐵下方一位置并具有一第二永久磁鐵的物體，至少部分地被所述兩塊永久磁鐵之間產(chǎn)生的吸引磁場所吸引，安裝在固定位置上的探測裝置用來探測所述第二永久磁鐵的磁場，控制裝置用來向電磁鐵提供一電流，根據(jù)所述探測裝置的一輸出信號，變化所述電流，使所述物體相對于電磁鐵保持在一預(yù)定位置上。
2.如權(quán)利要求1所述的一磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置一由導(dǎo)磁材料制成的本體。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的懸浮系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)探測裝置測得的磁場從物體位于所述預(yù)定位置時所測得的磁場發(fā)生變化時，控制裝置向電磁鐵提供一電流。
4.一種如權(quán)利要求3所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置控制裝置向電磁鐵提供電流，使得在物體和支撐結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生一磁場，當(dāng)探測裝置測得的磁場低于預(yù)定極限值時，所產(chǎn)生的磁場將把物體吸向支撐結(jié)構(gòu)。
5.一種如權(quán)利要求3或4所述的懸浮系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置控制裝置來向電磁鐵提供電流，使得物體和支撐結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生一磁場，當(dāng)探測裝置測得的磁場高于預(yù)定極限值時，所產(chǎn)生的磁場將使物體離開支撐結(jié)構(gòu)。
6.一種如權(quán)利要求5所述的懸浮系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置包括串聯(lián)連接并與直流電源并聯(lián)的第一和第二開關(guān)，以及串聯(lián)連接并與直流電源并聯(lián)的第三和第四開關(guān)，電磁鐵線圈的相對端部分別與第一和第二開關(guān)之間的點以及第三和第四開關(guān)之間的點連接，并且設(shè)置控制裝置，根據(jù)所需的通過線圈的電流方向，來推動所述第一和第三開關(guān)或者所述第二和第四開關(guān)。
7.一種如前述任一權(quán)項所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，電流被脈沖寬度調(diào)制。
8.一種如前述任一權(quán)項所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置控制裝置，向電磁鐵提供推動在所述位置的物體的一電流。
9.一種如前述任一權(quán)項所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，被懸浮的物體包括永久磁鐵對其產(chǎn)生影響的由導(dǎo)磁材料制成的本體。
10.一種如權(quán)利要求2所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，由導(dǎo)磁材料制成的本體包括一沿著電磁鐵線圈軸向延伸的一磁心。
11.一種如權(quán)利要求10所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，線圈軸向地布置第一永久磁鐵。
12.一種如權(quán)利要求10或11所述的磁力懸浮系統(tǒng)，導(dǎo)磁材料制成的本體包括一設(shè)置在磁心軸向上端部的磁通量聚能器。
13.一種如權(quán)利要求12所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，磁通量聚能器在電磁鐵的軸向上端部上方延伸。
14.一種如權(quán)利要求13所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，磁通量聚能器包括一延伸部，設(shè)置它用來將電磁鐵上端部的磁通量向下引向被懸浮的物體。
15.一種如權(quán)利要求1所述的磁力懸浮系統(tǒng)，其特征在于，電磁鐵包括兩個或更多個圍繞一共同軸卷繞并且并聯(lián)連接的金屬絲。
全文摘要
一用磁力懸浮一物體(O)的懸浮系統(tǒng),它包括一電磁線圈(L),該線圈具有一軸向延伸的由導(dǎo)磁材料制成的磁心(13)和一設(shè)置于軸線上的永久磁鐵(14)。在物體(O)也設(shè)置一永久磁鐵(10),這樣的結(jié)構(gòu)使它和線圈(L)上的永久磁鐵(14)和導(dǎo)磁磁心(13)相互吸引,通過吸引力使物體(O)懸浮在線圈(L)下方的一位置上。線圈(L)上的傳感器(15、16)探測物體(O)內(nèi)永久磁鐵(10)的磁場,并向控制電路提供信號,當(dāng)測得的磁場低于預(yù)定極限時控制電路向線圈提供電流來吸引物體,當(dāng)測得的磁場高于預(yù)定極限值時推開物體。以這種方式,因為僅當(dāng)物體運動離開由永久磁鐵(10、14)的磁場所支撐的位置時,線圈(L)才通電,所以能使用較低的電流使物體(O)保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 文檔編號F16C39/06GK1200792SQ9619671
公開日1998年12月2日 申請日期1996年9月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月2日
發(fā)明者N·希拉齊 申請人:磁懸掛系(愛爾蘭)有限公司