專利名稱：磁斥型懸浮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮裝置，具體來說，涉及一種磁斥型懸浮裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有磁懸浮裝置一般為懸掛式，包括吸頭和懸浮體，利用位于懸浮體上方的吸頭內(nèi)設(shè)置的電磁鐵對懸浮體(其內(nèi)設(shè)有磁鐵)產(chǎn)生的磁吸力來平衡懸浮體重力從而使懸浮體懸浮及旋轉(zhuǎn)。
中國發(fā)明專利CN2569440Y公開了一種自動平衡式靜態(tài)磁懸浮裝置，包括底座和懸浮體，利用安裝在底座上的磁鐵所產(chǎn)生的頂推力(磁斥力)來平衡位于底座上方的懸浮體(其內(nèi)同樣設(shè)有磁鐵)。但是這種磁懸浮裝置的懸浮體上必須設(shè)置兩個水平排列并相連的懸浮永磁鐵，因此通常只能懸浮棒狀物體，并且這種懸浮體也不能以其垂直中心軸進行水平旋轉(zhuǎn)。
CN1156071C、CN2726048Y、CN1267121A以及US5168183A等公開了一些其它類型的磁懸浮裝置。但上述這些現(xiàn)有磁懸浮裝置均不能使懸浮體在底座上方懸浮及自由水平旋轉(zhuǎn)。
此外，在本申請人的名稱同樣為“磁斥型懸裝置”的一份在先專利申請(尚未公開)中，描述了一種包括懸浮體和底座的懸浮裝置，其中懸浮體通過磁斥力懸浮在底座上方，但懸浮體在底座上方預(yù)定高度的水平面內(nèi)能夠產(chǎn)生沿X軸和Y軸兩個方向的水平位移，即在該水平面內(nèi)的位移具有兩個自由度，因此需要采用兩組獨立的電磁控制裝置來控制這兩個水平自由度。因而這種裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本也比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種磁斥型懸浮裝置，其懸浮體能夠在基本水平的底座上方懸浮并圍繞一個基本垂直軸自由水平旋轉(zhuǎn)且不會上下翻轉(zhuǎn)，還能夠僅在單一方向例如僅沿X軸產(chǎn)生水平位移。
本發(fā)明的磁斥型懸浮裝置包括包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體包含至少一個永磁鐵，在工作狀態(tài)下，所述懸浮體的重力能夠被所述磁性底座和所述至少一個永磁鐵之間產(chǎn)生的磁斥力所平衡，以使所述懸浮體懸浮在所述底座上方的預(yù)定基準位置并可繞垂直軸作水平轉(zhuǎn)動。所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵設(shè)置在所述懸浮體的重心垂線上或環(huán)繞其對稱分布。所述底座包含環(huán)形永磁鐵，基本水平設(shè)置在所述底座內(nèi)，在工作狀態(tài)下，所述環(huán)形永磁鐵的朝向所述懸浮體的環(huán)形表面的磁性與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的朝向所述底座一端的磁性相反，由此所述懸浮體能夠懸浮于所述基準位置；在所述環(huán)形永磁鐵的朝向所述懸浮體的環(huán)形表面上相對所述環(huán)形永磁鐵的一個對稱軸對稱設(shè)置的兩個永磁鐵，在工作狀態(tài)下，所述兩個永磁鐵的朝向所述懸浮體一端的磁性均與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的朝向所述底座一端的磁性相同，由此可以將所述懸浮體的水平運動限制在平行于所述對稱軸的方向上；和懸浮體水平運動控制裝置，當所述底座上方懸浮的所述懸浮體在平行于所述對稱軸的水平方向上偏離所述基準位置時，控制所述磁性懸浮體返回所述基準位置。
本發(fā)明的環(huán)形永磁鐵基本水平固定在懸浮體下方的底座內(nèi)，能對環(huán)形永磁鐵上方懸浮的永磁鐵產(chǎn)生向上的磁斥力以平衡懸浮體的重力從而實現(xiàn)懸浮體在垂直方向的平衡，此時懸浮體只能在一個基本水平的平面內(nèi)作二自由度的移動；另外兩個對稱布置在底座內(nèi)環(huán)形永磁鐵上的較小永磁鐵則可以將懸浮體的水平自由移動限制在其連線方向上。另外懸浮永磁鐵處于基本垂直平衡懸浮狀態(tài)下，在環(huán)形永磁鐵的作用下，懸浮體還不會在垂向翻轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的電磁線圈固定在底座內(nèi)，優(yōu)選為兩個沿底座的環(huán)形永磁鐵的內(nèi)圓周對稱設(shè)置的線圈。
本發(fā)明的傳感器由固定在底座內(nèi)、靠近電磁線圈上端的、優(yōu)選為兩個相同的磁性傳感器組成，以檢測懸浮永磁鐵在兩個電磁線圈連線方向上的位置偏移矢量信號。
本發(fā)明的控制電路由傳感器信號檢測電路、與信號檢測電路相接的放大電路、與放大電路相接的功放電路以及與上述各部份相接的電源電路組成。其中信號檢測電路優(yōu)選為減法電路，兩個傳感器的輸出信號相減而合成一個信號變化量，從而有效控制懸浮體的懸浮穩(wěn)定性。
本發(fā)明的磁斥型懸浮裝置利用環(huán)形磁鐵中心磁力頂托(排斥)的方式使物體懸浮并能夠在不額外設(shè)置旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的情況下使其在水平方向旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一種全新的懸浮效果。由于只需要控制懸浮體在水平方向上的一個運動自由度，從而簡化了懸浮體水平方向控制裝置，降低了裝置的生產(chǎn)成本。本發(fā)明的磁斥型懸浮裝置可廣泛應(yīng)用于各種場合，如玩具、禮品、廣告等領(lǐng)域，具有極強的觀賞性。


以下參照附圖，通過優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步描述，其中圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明底座內(nèi)一組電磁鐵線圈的連接示意圖；圖3是本發(fā)明底座內(nèi)控制電路的示意框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明基于這樣一個物理學原理環(huán)形磁鐵的環(huán)形表面區(qū)域附近的磁性與環(huán)形磁鐵的該環(huán)形表面以外的圍繞其中心垂直軸的某個預(yù)定區(qū)域內(nèi)的磁性相反。例如，如果水平放置的環(huán)形磁鐵的上表面的極性為S，那么該環(huán)形磁鐵上方圍繞其中心垂直軸的某個預(yù)定區(qū)域的極性為N，并且該區(qū)域的極性N的強弱會隨垂向或水平位置的變化而發(fā)生變化。
參見圖1，本發(fā)明的磁斥型懸浮裝置包括球形懸浮體1和平面底座2。懸浮體1的內(nèi)壁固定有圓柱形永磁鐵11。底座2內(nèi)固定有水平放置的環(huán)形永磁鐵3。根據(jù)上述原理，如果平面底座2內(nèi)的環(huán)形永磁鐵3的上環(huán)形表面的磁性為S，那么在環(huán)形永磁鐵3上方的中心線附近一定有由環(huán)形永磁鐵3形成的磁性為N的區(qū)域。如圖1所示，將懸浮體1放置在該磁性為N的區(qū)域內(nèi)，并將固定在懸浮體1內(nèi)的圓柱形永磁鐵11的N極端(即圓柱形永磁鐵11的下磁性端，也就是懸浮體1的下磁性端)朝下(朝向環(huán)形永磁鐵3)，那么由于眾所周知的同性相斥原理，通過調(diào)節(jié)懸浮體1的位置(從而調(diào)節(jié)磁斥力的大小)，在該區(qū)域內(nèi)的某點處，懸浮體1的重力會被磁斥力所平衡，從而產(chǎn)生懸浮效果。同時，懸浮體1不會產(chǎn)生垂向翻轉(zhuǎn)運動(即圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)的運動)。
圓柱形永磁鐵11能夠與環(huán)形永磁鐵3相互作用來平衡懸浮體1的重力且不會產(chǎn)生垂直方向的翻轉(zhuǎn)，這正是本發(fā)明的關(guān)鍵之處，因為本領(lǐng)域技術(shù)人員通常會認為懸浮體和底座內(nèi)的磁鐵需要同性相斥才能平衡懸浮體的重力，而不會認為相對端磁性相反的磁鐵會產(chǎn)生平衡懸浮體重力的效果。發(fā)明人正是基于實驗時的偶然發(fā)現(xiàn)，克服人們的上述技術(shù)偏見而完成了本發(fā)明?？蛇x擇地，可以在懸浮體1內(nèi)另外增設(shè)懸浮時下表面磁性與環(huán)形永磁鐵3上表面磁性相同的環(huán)形磁鐵8，并且環(huán)形磁鐵8的垂向投影基本落入環(huán)形永磁鐵3的環(huán)形表面區(qū)域內(nèi)以輔助平衡懸浮體1的重力，從而能夠適應(yīng)懸浮體1的體積和重量都比較大的情況。
雖然這種磁斥力可以平衡懸浮體1的重力(因而在懸浮過程中無需控制懸浮體1的垂向運動)，但由于在實際懸浮過程中，懸浮體1還會在水平方向上前后左右運動，即在圖1所示的X、Y方向產(chǎn)生運動，因此還必須控制懸浮體1在水平方向上的運動(即X、Y方向的運動)。在本發(fā)明中采用的水平位移控制手段為在環(huán)形永磁鐵3的上表面上另外設(shè)置兩個相對X軸對稱的永磁鐵71、72，這兩個永磁鐵71、72的上表面的磁性與圓柱形永磁鐵11在懸浮時的下表面的磁性相反，由此可以約束懸浮體1在Y軸方向的水平運動，即懸浮體1在懸浮時只在預(yù)定水平面內(nèi)沿X軸方向產(chǎn)生位移，因此現(xiàn)在只需設(shè)置控制懸浮體1沿X軸方向運動的單一水平自由度控制裝置。雖然這種控制技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言屬于常規(guī)手段，但為了便于更好地理解本發(fā)明，以下作為示例描述了一種懸浮體水平運動控制裝置。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，本發(fā)明不限于使用這種類型的水平運動控制裝置，其它任何能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制功能的裝置都是可以的。
為了控制懸浮體1在X軸水平方向上的運動，平面底座2內(nèi)還設(shè)有由帶鐵芯4的兩個線圈31、32所組成的電磁鐵組。如圖1所示，線圈31、32沿環(huán)形永磁鐵3的X軸方向排列。通電后線圈組31、32鄰近懸浮體1或鄰近柱形永磁鐵11的一端(例如圖2所示的上端)的磁性彼此相反(參見圖2)。
在底座2內(nèi)靠近各線圈31、32頂端的位置還分別安裝有兩個霍爾元件傳感器(磁性傳感器)51、52，來控制線圈31、32的勵磁電流，進而控制懸浮體1在X方向上的自由移動。
另外，參見圖1，在底座內(nèi)還安裝有控制電路板6，其上的控制電路控制線圈組31、32的勵磁電流?？刂齐娐钒ㄋ膫€電路部份8-11，現(xiàn)說明如下傳感器組51、52的輸出電壓值分別接入信號檢測電路部分8的減法電路的兩個輸入端，因此其輸出電壓值反應(yīng)了懸浮體1在線圈組31、32連線方向上(即X方向)的位置，該輸出電壓通過前級放大電路部分9進行放大，再經(jīng)減法電路部分10與基準電壓U0進行比較，確定合適的輸出電壓U1，并傳輸?shù)焦Ψ烹娐凡糠?1中。當懸浮體1在線圈組31、32連線方向(即X方向)上的位置與基準電壓U0所表示的基準位置重合時，其輸出電壓U1為零，當懸浮體1的位置偏離基準電壓所表示的基準位置時，其輸出電壓U1不為零。該輸出電壓U1改變壓控電阻13的阻值，即改變功放電路部分11的反饋電阻阻值，以增大或減小線圈31、32的勵磁電流，從而使懸浮體1回到基準位置。并由此達到完全控制懸浮體1的三維空間位置從而達到使懸浮體1懸浮的目的。
另外，由于本發(fā)明磁斥型懸浮裝置所具有的獨特結(jié)構(gòu)特性——底座2內(nèi)基本水平設(shè)置的環(huán)形永磁鐵3的上環(huán)形表面的磁性(圖示為S極)與所述懸浮體1內(nèi)的永磁鐵11在懸浮時的下磁性端的磁性(圖示為N極)相反，除了能夠達到上述懸浮效果以外，懸浮體還能夠在基準位置作自由水平旋轉(zhuǎn)，從而具有獨特的視覺效果。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，上述實施方式僅起解釋本發(fā)明的作用，而不應(yīng)當理解為對其作出的任何限制。例如懸浮體水平運動控制裝置設(shè)置在底座內(nèi)的含義不局限于其必須設(shè)置在底座的外殼內(nèi)部，而應(yīng)當理解為其可以設(shè)置在底座的能控制水平運動的任何部位；懸浮體1不局限于球形，可以根據(jù)需要設(shè)計成其它形狀或者本身就是一個所需形狀的永磁鐵；永磁鐵11雖然優(yōu)選圓柱形，但條形以及由多個永磁鐵組合而成的能夠產(chǎn)生懸浮特性的永磁鐵組合體也是可以的；底座2內(nèi)的水平放置的永磁鐵3不局限于單個環(huán)形永磁鐵，還可以是在水平面內(nèi)以X軸為對稱軸疊加若干個柱形永磁鐵9、10在一起的組合體，其中在工作條件下，柱形永磁鐵9、10朝向懸浮體1一端的磁性均與懸浮體1的永磁鐵11的朝向底座一端的磁性相反，以更好地將懸浮體1的運動方向限制在X軸上；在底座2內(nèi)水平放置的環(huán)形永磁鐵3也可以稍微傾斜，即基本水平即可；所述環(huán)形永磁鐵3不限于圖示的圓形環(huán)，還可以是橢圓形、及其它形環(huán)等；傳感器的數(shù)目也不局限于兩個，只要能夠控制懸浮體1在水平面內(nèi)沿X軸或Y軸方向運動的一個自由度即可，例如1個，并且傳感器也不局限于磁性傳感器，其它傳感器例如壓力或光電傳感器等也是可以的；另外，電磁鐵也不局限于沿環(huán)形永磁鐵3的內(nèi)圓周表面設(shè)置，根據(jù)需要可以設(shè)在環(huán)形永磁鐵3的內(nèi)部、外部或上部，此外，電磁鐵也不局限于為帶鐵芯的線圈，同樣可以采用無芯線圈來作為電磁鐵。
權(quán)利要求
1.一種磁斥型懸浮裝置，包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體包含至少一個永磁鐵，在工作狀態(tài)下，所述懸浮體的重力能夠被所述磁性底座和所述至少一個永磁鐵之間產(chǎn)生的磁斥力所平衡，以使所述懸浮體懸浮在所述底座上方的預(yù)定基準位置并可繞垂直軸作水平轉(zhuǎn)動，其特征在于所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵設(shè)置在所述懸浮體的重心垂線上或環(huán)繞其對稱分布；以及所述底座包含環(huán)形永磁鐵，基本水平設(shè)置在所述底座內(nèi)，在工作狀態(tài)下，所述環(huán)形永磁鐵的朝向所述懸浮體的環(huán)形表面的磁性與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的朝向所述底座一端的磁性相反，由此所述懸浮體能夠懸浮于所述基準位置；在所述環(huán)形永磁鐵的朝向所述懸浮體的環(huán)形表面上相對所述環(huán)形永磁鐵的一個對稱軸對稱設(shè)置的兩個永磁鐵，在工作狀態(tài)下，所述兩個永磁鐵的朝向所述懸浮體一端的磁性均與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的朝向所述底座一端的磁性相同，由此可以將所述懸浮體的水平運動限制在平行于所述對稱軸的方向上；和懸浮體水平運動控制裝置，當所述底座上方懸浮的所述懸浮體在平行于所述對稱軸的水平方向上偏離所述基準位置時，控制所述磁性懸浮體返回所述基準位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體水平運動控制裝置包含至少一個線圈，通電后產(chǎn)生電磁場；至少一個傳感器，根據(jù)所述懸浮體的位置偏移矢量，產(chǎn)生相應(yīng)的信號；和至少一個電路，根據(jù)所述至少一個傳感器所產(chǎn)生的所述信號，控制所述至少一個線圈的勵磁電流，以當所述懸浮體在平行于所述對稱軸的水平方向上偏離所述基準位置時，使其返回所述基準位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述至少一個線圈為兩個沿所述環(huán)形永磁鐵的內(nèi)圓周設(shè)置的線圈，并且所述兩個線圈沿所述對稱軸方向設(shè)置，通電后，所述兩個線圈的朝向所述懸浮體一端的磁性相反；與此相應(yīng)，所述至少一個傳感器為兩個通過所述至少一個電路與所述兩個線圈連接的傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述至少一個電路為減法電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體內(nèi)部僅固定有一個柱形永磁鐵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體內(nèi)部還固定有環(huán)形磁鐵，在工作條件下，所述懸浮體的環(huán)形磁鐵的朝向所述底座的環(huán)形表面的磁性與所述底座的環(huán)形永磁鐵的朝向所述懸浮體的環(huán)形表面的磁性相同，并且所述懸浮體的環(huán)形磁鐵的垂向投影基本落入所述底座的環(huán)形永磁鐵的環(huán)形表面區(qū)域內(nèi)，以輔助平衡所述懸浮體的重力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述底座的環(huán)形永磁鐵為圓形環(huán)或橢圓形環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體為球形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述底座還包含另外兩個永磁鐵，其沿所述底座的環(huán)形永磁鐵的所述對稱軸設(shè)置，在工作狀態(tài)下，這兩個永磁鐵的朝向所述懸浮體一端的磁性均與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的朝向所述底座一端的磁性相反，由此可以將所述懸浮體的水平運動更好地限制在平行于所述對稱軸的方向上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁斥型懸浮裝置，其懸浮體能夠在基本水平的底座上方懸浮并圍繞一個基本垂直軸自由水平旋轉(zhuǎn)且不會上下翻轉(zhuǎn)，還能夠僅在單一方向例如僅沿X軸產(chǎn)生水平位移。該裝置包括包括磁性底座和懸浮體。懸浮體包含設(shè)置在懸浮體的重心垂線上或環(huán)繞其對稱分布的至少一個永磁鐵。底座包含環(huán)形永磁鐵；在環(huán)形永磁鐵的朝向懸浮體的環(huán)形表面上相對環(huán)形永磁鐵的一個對稱軸對稱設(shè)置的兩個永磁鐵，在工作狀態(tài)下，這兩個永磁鐵的朝向懸浮體一端的磁性均與懸浮體的至少一個永磁鐵的朝向底座一端的磁性相同；和懸浮體單一水平方向運動控制裝置。本發(fā)明的磁斥型懸浮裝置可廣泛應(yīng)用于各種場合，如玩具、禮品、廣告等領(lǐng)域，具有極強的觀賞性。
文檔編號H02N15/00GK1822487SQ20061006617
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月24日
發(fā)明者王曉冰, 李良清 申請人:王曉冰, 李良清