一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法专利检索-磁路零部件专利检索查询-专利查询网

一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法
申请号	CN202310623695.8	申请日	2023-05-30	公开(公告)号	CN116915091A	公开(公告)日	2023-10-20
申请人	泉州装备制造研究所;			发明人	邓舒同; 邹圣楠; 李诗铸; 褚褚; 陈建;
摘要	一种侧向平衡式磁悬浮装置，悬浮磁体设于竖立平面的一侧空间，竖立平面上设有磁体组件，其中的上磁极组对悬浮磁体吸引，下磁极组对悬浮磁体排斥，同时，在悬浮磁体中靠近竖立平面的磁极下方，设置非磁性物体，以平衡悬浮磁体所受磁力而产生的力矩，由此使得悬浮磁体实现受力平衡而悬浮，大大降低了悬浮磁体绕其自身中心点在竖直平面内发生旋转的可能性，提高了悬浮的稳定性；同时，悬浮组件平衡悬浮于固定立板侧面，悬浮磁体上方与下方均为开放空间，可为商业产品提供新的设计基础，扩宽磁悬浮产品的应用范围。
权利要求	1.一种侧向平衡式磁悬浮装置，其特征在于，包括：磁体组件，悬浮组件，以及用于安装固定所述磁体组件的竖立平面，其中：所述磁体组件包括多个永磁体和/或电磁体，各磁体沿所述竖立平面中的一面平行排布，两个磁极的布设方向与平面垂直；且磁体组件包括上组磁体和下组磁体，上组与下组的磁极布置方向相反；所述悬浮组件包括悬浮磁体和非磁性物体，其中：所述悬浮磁体的磁极布置方向与竖立平面中的磁体磁极方向平行，其中一个磁极朝向所述竖立平面，与平面中上组磁体的外端磁性相吸，与下组磁体的外端磁性相斥；所述非磁性物体安装于所述悬浮磁体中朝向竖立平面的磁极的正下方，其提供的重力与磁体组件提供的磁力共同作用下，悬浮磁体所受合力及合力矩均为零，平衡悬浮于所述竖立平面的一侧。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁体组件包括若干电磁体，同时，还包括：磁场传感器，以及控制装置，其中：磁场传感器，安装于所述竖立平面中，用于检测悬浮磁体位置状态；控制装置，用于根据磁场传感器的数据，对各电磁体的功率进行单独控制，以对悬浮磁体的位置或状态进行调整或使其保持于平衡状态。 3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述竖立平面上的磁体呈环形阵列排布，各磁体相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布：上方的为上组磁体，下方的为下组磁体。 4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述磁体组件包括多个永磁体和多个电磁体，两种磁体分别构成环型阵列，且同轴布置，电磁体形成的环形阵列位于内侧，所述磁场传感器设于环形阵列轴心位置。 5.根据权利要求2‑4中任一所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器包括横向检测元件和纵向检测元件。 6.一种应用权利要求4或5所述装置的侧向平衡式磁悬浮方法，包括以下步骤：将悬浮磁体以两个磁极分布于左右两侧的状态置入所述竖立平面的侧方区域，调整悬浮磁体的位置，至其轴心与各永磁体环形阵列的轴心位置重合；选择合适的非磁性物体，使其质心位置和质量的大小满足：悬浮磁体所受到的相对于其两个磁极中心点O的总力矩τ＝M+q＝0，其中τM为悬浮磁体受永磁体磁力产生的力矩，τq为非磁性物体所受重力对于O点的力矩。 7.根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：当出现外界干扰时，磁场传感器实时监测悬浮磁体位置状态，并将位置状态信息数据传递给控制装置；控制装置根据数据对各电磁体的功率进行单独控制，对悬浮磁体施加电磁力，将其调整回平衡状态并保持。
说明书全文	一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法技术领域 [0001] 本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法。背景技术 [0002] 磁悬浮技术以其非接触、无摩擦、无磨损等特点，在半导体集成电路装备、体外离心式血泵等领域中具有广阔的应用场景。此外，因其趣味性和所涉及磁场磁力、传感器、检测、信号处理、自动控制等多种技术，磁悬浮相关产品也广泛应用于教学、科研、玩具、观赏等领域，形成一定的产业规模，如磁悬浮木纹灯、磁悬浮地球仪、磁悬浮盆栽等。现有市面上磁悬浮相关产品，一般分为上拉式和托举式两种类型。上拉式磁悬浮装置的浮子下方是开放空间，例如磁悬浮吊灯，托举式磁悬浮装置的浮子上方是开放空间，例如磁悬浮盆栽；现有的磁悬浮应用产品的设计受限于上述两种磁悬浮方式，市场上的产品日趋同质化，若能提出新的磁悬浮结构设计，改变开放空间的形式，则可为商业化产品给出新的设计思路，推出与众不同的产品，扩宽磁悬浮产品的设计与应用范围。 [0003] 中国发明专利CN113381642A公布了一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法，该装置使得浮子上方与下方均为开放空间，但由于需要将浮子悬浮于两固定立板之间，导致浮子的侧向空间受限。中国发明专利CN114963135A公布了一种侧向环绕式悬浮装置及其照明产品，该装置中浮子上方与下方均为开发空间，并且定子只存在于浮子的一侧，浮子的另一侧也为开放空间，大幅度改变了开放空间的形式，但由于其定子中采用环形永磁体或是多颗磁铁阵列构成的环形永磁体，考虑环形永磁体中心所在水平面γ，在水平面γ以上或以下，环形永磁体的磁化方向均相同，导致能够提供的悬浮力有限；并且，定子中的环形永磁体或磁铁阵列对浮子的磁力会产生净力矩，可能使得浮子绕着自身中心在竖直平面内旋转从而导致不稳定。发明内容 [0004] 为克服现有技术中的不足，本发明提供一种侧向平衡式磁悬浮装置及方法，提高浮子所受悬浮力的大小，并充分考虑浮子受力平衡和力矩平衡，保证悬浮状态的稳定。 [0005] 本公开提供的侧向平衡式磁悬浮装置，包括：磁体组件，悬浮组件，以及用于安装固定所述磁体组件的竖立平面，其中： [0006] 所述磁体组件包括多个永磁体和/或电磁体，各磁体沿所述竖立平面中的一面平行排布，两个磁极的布设方向与平面垂直；且磁体组件包括上组磁体和下组磁体，上组与下组的磁极布置方向相反； [0007] 所述悬浮组件包括悬浮磁体和非磁性物体，其中： [0008] 所述悬浮磁体的磁极布置方向与竖立平面中的磁体磁极方向平行，其中一个磁极朝向所述竖立平面，与平面中上组磁体的外端磁性相吸，与下组磁体的外端磁性相斥； [0009] 所述非磁性物体安装于所述悬浮磁体中朝向竖立平面的磁极的正下方，其提供的重力与磁体组件提供的磁力共同作用下，悬浮磁体所受合力及合力矩均为零，平衡悬浮于所述竖立平面的一侧。 [0010] 进一步的，所述磁体组件包括若干电磁体，同时还包括：磁场传感器，以及控制装置，其中： [0011] 磁场传感器，安装于所述竖立平面中，用于检测悬浮磁体位置状态，可采用霍尔传感器； [0012] 控制装置，用于根据磁场传感器的数据，对各电磁体的功率进行单独控制，以对悬浮磁体的位置或状态进行调整或使其保持于平衡状态。 [0013] 进一步的，所述竖立平面上的磁体呈环形阵列排布，各磁体相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布：上方的为上组磁体，下方的为下组磁体。 [0014] 进一步的，所述磁体组件包括多个永磁体和多个电磁体，两种磁体分别构成环型阵列，且同轴布置，电磁体形成的环形阵列位于内侧，所述磁场传感器设于环形阵列轴心位置。 [0015] 进一步的，所述磁场传感器包括横向检测元件和纵向检测元件。 [0016] 本公开还提供了一种应用上述装置的侧向平衡式磁悬浮方法，包括以下步骤： [0017] 将悬浮磁体以两个磁极分布于左右两侧的状态置入所述竖立平面的侧方区域，调整悬浮磁体的位置，至其轴心与各永磁体环形阵列的轴心位置重合； [0018] 选择合适的非磁性物体，使其质心位置和质量的大小满足：悬浮磁体所受到的相对于其两个磁极中心点O的总力矩τ＝τM+τq＝0，其中τM为悬浮磁体受永磁体磁力产生的力矩，τq为非磁性物体所受重力对于O点的力矩。 [0019] 该方法还包括以下步骤： [0020] 当出现外界干扰时，磁场传感器实时监测悬浮磁体位置状态，并将位置状态信息数据传递给控制装置； [0021] 控制装置根据数据对各电磁体的功率进行单独控制，将悬浮磁体施加电磁力，将其调整回平衡状态并保持。 [0022] 与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)通过悬浮组件中的磁性物体和非磁性物体，使悬浮磁体所受合力矩为零，大大降低了悬浮磁体绕其自身中心点在竖直平面内发生旋转的可能性，提高了悬浮的稳定性；(2)悬浮组件平衡悬浮于固定立板侧面，悬浮磁体上方与下方均为开放空间，可为商业产品提供新设计的基础，扩宽磁悬浮产品的应用范围；(3)结构简单，易于实现。附图说明 [0023] 通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。 [0024] 图1为第一种根据本公开的示例性实施例结构示意图； [0025] 图2为第一种实施例的侧视及悬浮磁体受力图； [0026] 图3为第一种实施例固定立板及其上部件布局示意图； [0027] 图4为第二种根据本公开的示例性实施结构示意图； [0028] 图5为第二种实施例固定立板及其上部件布局示意图； [0029] 图中：1.悬浮磁体，2.固定立板，3.磁力支撑组件，3A.上磁极组，3B.下磁极组，31.永磁体，4.定位平台，5.调平组件，51.电磁体，511.圆柱状骨架，512.螺线管线圈，52.霍尔传感器，521.横向检测元件，522.纵向检测元件，53.控制器。具体实施方式 [0030] 下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。 [0031] 本发明提供的一种侧向平衡式磁悬浮装置，其中的悬浮磁体设于竖立平面的一侧空间，通过竖立平面上的磁体组件实现受力平衡而悬浮，磁体组件中的上磁极组对悬浮磁体吸引，下磁极组对悬浮磁体排斥，同时，在悬浮磁体中靠近竖立平面的磁极下方，设置非磁性物体，以平衡悬浮磁体所受磁力而产生的力矩，使悬浮磁体所受合力矩为零，大大降低了悬浮磁体绕其自身中心点在竖直平面内发生旋转的可能性，提高了悬浮的稳定性，同时，为磁悬浮应用产品的结构设计增加了更多的选择。 [0032] 实施例一 [0033] 根据本公开的一种侧向平衡式磁悬浮装置，如附图1至图3所示，包括定位平台1、固定立板2、磁力支撑组件3、悬浮组件4、调平组件5。其中： [0034] 固定立板2下端固定安装于定位平台1上，保持竖立状态；磁力支撑组件3包括若干永磁体31，各永磁体31分布设于固定立板2一面，并分为上磁极组3A，下磁极组3B。固定立板上还设有调平组件5，包括若干电磁体51、作为磁场传感器的霍尔传感器52、控制器53。永磁体和电磁体共同为悬浮组件提供磁场。 [0035] 固定立板2上的各永磁体31呈环形阵列布置，优选设置为8个永磁体31，各永磁体31相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，各永磁体31相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布，使位于横向平面上方的永磁体31为上磁极组3A，位于横向平面下方的永磁体31为下磁极组3B，上磁极组3A的各永磁体31朝外的磁极方向与下磁极组3B的各永磁体31朝外的磁极方向相反。 [0036] 调平组件5中的各电磁体51分布设于固定立板2设有永磁体31的一侧，电磁体51设于各永磁体31形成的环形阵列的内侧位置，且各电磁体51形成环形阵列布置，各电磁体51环形阵列轴心与各永磁体31环形阵列轴心同轴布置。优选地，固定立板2上设有4个电磁体51，其中两个位于阵列轴心所处的竖向平面上，另外两个位于阵列轴心所处的横向平面上，电磁体51包括圆柱状骨架511、螺线管线圈512，所述圆柱状骨架511内设有铁芯，所述螺线管线圈512绕设于圆柱状骨架511外。霍尔传感器52设于固定立板2上并位于环形阵列轴心位置，霍尔传感器52包括横向检测元件521、纵向检测元件522，用于检测悬浮磁体42位置状态，控制器53连接霍尔传感器52与各电磁体51，通过霍尔传感器52的数据，对各电磁体51的功率单独控制，进而将悬浮磁体42调整或保持处于平衡状态。 [0037] 悬浮组件4包括悬浮磁体42，非磁性物体43，以及用于连接固定两者的悬浮平台41。悬浮磁体42和非磁性物体43安装于悬浮平台41上，非磁性物体43位于悬浮磁体42的下方。悬浮磁体42具有两个磁极，其轴心与各永磁体31环形阵列的轴心形成同轴布置，且悬浮磁体42的一个磁极朝向固定立板2方向，与该固定立板2的上磁极组3A的悬浮磁体42的外端磁性相吸，与下磁极组3B的悬浮磁体42的外端磁性相斥。非磁性物体43位于悬浮磁体42中朝向固定立板2的磁极的正下方。在固定立板上磁体组件提供磁力和非磁性物体提供重力的共同作用下，使悬浮磁体所受合力及合力矩均为零。 [0038] 该种侧向平衡式磁悬浮装置的原理和方法如下： [0039] 悬浮磁体42以两个磁极分布于左右两侧的状态置入固定立板2的侧面，悬浮磁体42为圆柱形结构，调整至其轴心与各永磁体31环形阵列的轴心位置重合。在该状态下，悬浮磁体42朝向固定立板2的一端，与该固定立板2的上磁极组3A的永磁体31的外端磁性相吸，与下磁极组3B的永磁体31的外端磁性相斥。 [0040] 进一步具体分析如下： [0041] 以悬浮磁体42的中心O点为原点，竖直方向为z轴，悬浮磁体42的中轴线为y轴，建立空间直角坐标系，e1、e2和e3分别为x轴、y轴和z轴的基矢。在竖直方向上，考虑固定立板2的上磁极组3A对悬浮磁体42的吸引力F1的竖直分量F1⊥，和固定立板2的下磁极组3B对悬浮磁体42的排斥力F2的竖直分量F2⊥，F1⊥和F2⊥竖直向上，与悬浮组件4所受重力的方向相反，因此在固定立板2上磁力支撑组件3的共同作用下，可提供足够的悬浮力使悬浮磁体4在竖直方向上所受的悬浮力(F1⊥+F2⊥)与悬浮组件所受的重力相平衡。在水平方向上，考虑固定立板2的上磁极组3A对悬浮磁体42的吸引力F1的水平分量F1∥，和固定立板2的下磁极组3B对悬浮磁体42的排斥力F2的水平分量F2∥，由于各永磁体31相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，因此F1∥和F2∥均关于竖直平面yOz对称，考虑方向后，有F1∥＝\|F1∥\|e2，F2∥＝\|F2∥\|e2。又因为固定立板2上各永磁体31相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布，使得F1∥和F2∥大小相等，即\|F1∥\|＝\|F2∥\|，因此，水平方向上，悬浮磁体42受力F1∥+F2∥＝\|F1∥\|e2+\|F2∥\|e2＝0，处于受力平衡的状态。这样，在竖直方向和水平方向，悬浮磁体42均处于受力平衡的状态。 [0042] 进一步，考虑悬浮磁体42所受力矩。首先考虑悬浮磁体42受到磁力支撑组件3的各个永磁体31所产生磁力的力矩。悬浮磁体42的磁化强度为M＝Me2，在磁力支撑组件3各永磁体31提供的外磁场B＝B1e1+B2e2+B3e3中，以O点为参考点，悬浮磁体42所受磁力组件3中各永磁体31磁力产生的力矩τM＝∫∫∫(M×V)dV＝∫∫∫(‑MB1e3+MB3e1)dV＝M(∫∫∫B3dVe1‑∫∫∫B1dVe3)(其中dV表示悬浮磁体42的体积微元)。由于磁力支撑组件3中各永磁体31相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，也即关于平面yOz对称分布，因此各永磁体31提供的外磁场B的x方向分量B1也关于平面yOz对称分布，根据对称性并考虑磁场方向后，有∫∫∫B1dV＝0。另外，磁力支撑组件3中各永磁体31相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布，但上磁极组3A的各永磁体31朝外的磁极方向与下磁极组3B的各永磁体31朝外的磁极方向相反，根据对称性并考虑磁场方向后，得到悬浮磁体42所受力矩τM＝∫∫∫B3dVe1，且∫∫∫B3dV<0(因为在悬浮磁体42内部，有B3<0恒成立)，该力矩使得悬浮磁体42绕着点O在平面yOz内旋转。为了平衡磁力所产生的力矩τM，使悬浮磁体42所受的合力矩为0，悬浮平台41上安装质量为mq的非磁性物体43，位于悬浮磁体42的正下方，非磁性物体43的质心Q位于平面yOz内，且质心Q到平面xOz的距离为lq。非磁性物体43所受重力‑mqge3对于参考点O点的力矩τq＝OQ×(‑mqge3)＝lqmqge1(其中g为重力加速度)，该力矩使得悬浮磁体42绕着点O在平面yOz内旋转。这样，悬浮磁体42所受到的相对于参考点O的总力矩τ＝τM+τq＝(M∫∫∫B3dV+lqmqg)e1，且有∫∫∫B3dV<0，lqmqg>0。选择合适的非磁性物体43，使lq和mq的大小合适，组合出总力矩τ＝0，这样便可使悬浮磁体42处于力矩平衡的状态。 [0043] 综上，悬浮磁体42所受磁力与悬浮组件4所受重力的合力为0，且悬浮磁体42所受合力矩为0，因此可使悬浮磁体42平衡悬浮于固定立板2的侧面。由于各永磁体31形成环形阵列布置，各永磁体31相对于阵列轴心所处的竖向平面前后对称分布，各永磁体31相对于阵列轴心所处的横向平面上下对称分布，该种对称的布局方式，使悬浮磁体42受到的磁力是均匀的多方向的，即使得悬浮磁体42具有一定的自调整能力及容错量，可弥补产品生产时的制作误差量。 [0044] 在外界振动、定位平台4放置位置非完全水平等情况下，悬浮磁体42会发生位置变动或位置变动的趋势，若位置变动过大，悬浮磁体42脱离了磁力支撑组件3可实现悬浮磁体平衡支撑的平衡范围，则会导致悬浮磁体42脱离悬浮状态。因此需要引入调平组件5进行弥补，霍尔传感器52包括横向检测元件521、纵向检测元件522，可对竖向平面覆盖检测，霍尔传感器52实时监测悬浮磁体42位置状态并将位置状态信息数据传递给控制器53，控制器53根据数据信息计算，若发现悬浮磁体42位置偏移，则对各电磁体51的功率进行单独控制，将悬浮磁体42施加电磁力，将其调整回平衡状态并保持。例如检测到悬浮磁体42朝一方向偏移，则增加或减少对应的电磁体51功率，形成一个反偏移方向的电磁力，将磁悬浮体1调整回平衡状态，而后再次减少或增加各电磁体51的功率，形成一个用于保持悬浮磁体42处于平衡状态的电磁力。调平组件5大大提高了该侧向平衡式磁悬浮装置自调节能力及容错力，提高了实际使用体验。 [0045] 实施例二 [0046] 参见图4和图5，本实施例的调平组件5中，各电磁体51环形阵列轴心与各永磁体31环形阵列轴心同轴布置，分别以阵列轴心所处的竖向平面β和阵列轴心所处的横向平面γ为对称平面，四个电磁体51，每2个一组，对称分布。这样可以有助于平衡分布各个电磁体电流，防止某个电磁体功率过大。其余结构与工作原理与具体实施案例一类似。 [0047] 上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

意见反馈