移动式磁悬浮装置的制造方法
移动式磁悬浮装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及磁悬浮装置领域，具体涉及悬浮体在空间变换位置的磁悬浮装置。
【背景技术】
[0002]现有的磁悬浮装置(例如磁悬浮台灯、磁悬浮陀螺等)一般都包括基座和悬浮体，基座和悬浮体都包含有磁体，基座内的磁体通过磁性作用(例如磁斥力)能够将悬浮体悬浮在其上方预定距离处，产生漂浮的奇幻视觉效果，从而深受人们的喜爱。
[0003]但在现有的磁悬浮装置中，基座通常保持固定，悬浮体只能悬浮在某一特定位置，这使得磁悬浮装置的应用领域受到限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种移动式磁悬浮装置，其能实现悬浮体在悬浮状态下可变换空间位置。
[0005]根据本发明的第一方面，提供了一种移动式磁悬浮装置，包括:
[0006]具有磁体的悬浮体；以及
[0007]磁悬浮基座，包含:
[0008]磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及
[0009]移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。
[0010]在本发明的某些实施例中，移位机构包括:水平分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿水平方向产生位移。
[0011]在本发明的某些实施例中，移位机构包括:竖直分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿竖直方向产生位移。
[0012]在本发明的优选实施例中，其中磁悬浮基座具有第一临界防水平偏移机构，悬浮体具有第二临界防水平偏移机构，第一临界防水平偏移机构与第二临界防水平偏移机构被构造成相互配合以在悬浮体位于磁悬浮基座上时并且在磁悬浮机构上升过程中悬浮体处于悬浮临界点时防止悬浮体产生过度水平偏移而导致悬浮体无法正常悬浮。
[0013]在某些优选实施例中，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上设置的接合凸起，第二临界防水平偏移机构为悬浮体的悬浮底面上设置的接合凹槽，接合凹槽用于接收接合凸起。这种情况下，其中接合凸起优选为圆锥状或截头圆锥状，接合凹槽优选具有相应的圆锥状或截头圆锥状。
[0014]在某些优选实施例中，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上所形成的接合凹陷，第二临界防水平偏移机构则由悬浮体自身所具有的外轮廓构成，从而悬浮体能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。
[0015]在本发明的某些实施例中，其中移位机构与磁悬浮机构之间通过螺杆传动装置、齿轮传动装置或皮带传动装置进行传动。
[0016]在本发明的某些实施例中，其中移位机构为运送小车，磁悬浮机构由运送小车携载。
[0017]在本发明的某些实施例中，其中移位机构为具有设定路径的导轨装置，用于使磁悬浮机构沿其设定路径移位。
[0018]在本发明的某些实施例中，还包括控制器，用于控制移位机构。
[0019]根据本发明的第二方面，提供了一种磁悬浮装置，包括:
[0020]具有永磁体的悬浮体；和
[0021]磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定位置，其包含:
[0022]中心永磁体；以及
[0023]环形永磁体，围绕中心永磁体设置并与中心永磁体隔开，
[0024]其中当悬浮体正常悬浮在磁悬浮机构上方时，悬浮体的永磁体的下表面磁性与中心永磁体的上表面磁性相同并且与环形永磁体的上表面磁性相反。
[0025]在本发明中，中心永磁体可以对悬浮体产生向上的强磁斥力以平衡悬浮体的重力，并且在环形永磁体的进一步作用下，悬浮体不会在垂直平面内翻转，这样可以将悬浮体悬浮在理想预定高度。
[0026]在本发明的一个实施例中，环形永磁体为均匀外圆环形永磁体，并且中心永磁体为与外圆环形永磁体同心设置的均匀内圆柱形永磁体。
[0027]在本发明的一个实施例中，环形永磁体为均匀外圆环形永磁体，并且中心永磁体为与外圆环形永磁体同心设置的均匀内圆环形(空心)永磁体。这种情况下，控制系统的磁性传感器可以设置在空心圆柱(内圆环线永磁体)内部以节省空间。
[0028]在本发明的某些实施例中，还包括设置在磁悬浮机构内的水平电磁控制系统，用于实时控制悬浮体相对于磁悬浮机构沿水平方向的偏移。水平电磁控制系统包括至少两组电磁铁、与所述至少两组电磁铁相对应的至少两个磁性传感器、以及控制电路，用以分别控制悬浮体在水平方向上偏离所述预定位置的至少两个自由度。当悬浮体在所述预定位置的水平方向产生位移时，所述至少两个磁性传感器分别产生相应的控制信号，用来分别控制各组电磁铁的励磁电流，从而通过所述电磁铁所产生的可控磁力使所述悬浮体返回到所述预定位置。
[0029]本领域技术人员应当理解，根据本发明第一方面和第二方面的磁悬浮装置可以互相引入彼此的特征或特征组合，除非明显不适用。
[0030]本发明的磁悬浮装置实现了悬浮体在悬浮状态下可变换空间位置，从而大大扩展了磁悬浮装置的应用领域。
【附图说明】
[0031]图1为根据本发明的移动式磁悬浮装置一个实施例的示意图；
[0032]图2为根据本发明的移动式磁悬浮装置另一个实施例的示意图；
[0033]图3为包含有竖直分量移位机构的移动式磁悬浮装置的示意图；
[0034]图4为图3示出的移动式磁悬浮装置的悬浮过程示意图；
[0035]图5为根据本发明的磁悬浮装置中的悬浮体和磁悬浮机构的一个实施例的正视示意图；
[0036]图6为图5中示出的磁悬浮机构的俯视示意图；
[0037]图7为根据本发明的磁悬浮装置中的悬浮体和磁悬浮机构的另一个实施例的正视不意图；以及
[0038]图8为图7中示出的磁悬浮机构的俯视示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，本领域技术人员应该理解，实施例和附图只是为了更好地理解本发明，并不用来做出任何限制。
[0040]参见图1，根据本发明的移动式磁悬浮装置主要包括悬浮体I和磁悬浮基座3。悬浮体I初始位于磁悬浮基座3上并将悬浮或漂浮于其上方。悬浮体I中含有磁体2，磁体2优选为永磁体。磁体2的形状可以根据悬浮体I的需要进行设置，例如可以为圆柱形、阶梯型、截头圆锥形等。磁体2可以为一整块磁铁，也可以由多块磁铁拼接而成。磁悬浮基座3具有磁悬浮机构4和移位机构。磁悬浮机构4设置有磁体或磁体组，其能对悬浮体I中的磁体产生磁斥力从而将悬浮体I悬浮到磁悬浮机构4上方的预定距离(位置)处。移位机构用于移位磁悬浮机构4从而使处于悬浮状态的悬浮体I发生相应位移。在磁悬浮机构4内通常设置有水平电磁控制系统，用于实时控制悬浮体I相对于磁悬浮机构4沿水平方向的偏移。
[0041]当悬浮体I处于稳定悬浮状态后，移位机构用来驱动磁悬浮机构4产生位移，悬浮体I会随着磁悬浮机构4的移动而同步移动。移位机构可以包括水平分量移位机构和/或竖直分量移位机构。水平分量移位机构用于使磁悬浮机构4在水平分量(水平面)上产生位移。竖直分量移位机构用于使磁悬浮机构4在竖直分量(竖直平面)上产生位移。
[0042]在图1示出的实施例中，水平分量移位机构包括水平直线移位机构20，竖直分量移位机构包括竖直直线移位机构10。其中竖直直线移位机构10包括升降杆(管)11、竖直导轨15和竖直驱动机构。升降杆11的上端通过托盘或托架支撑磁悬浮机构4，竖直驱动机构能够驱动升降杆11沿竖直导轨15上下运动。水平直线移位机构20与竖直直线移位机构10连接，水平直线移位机构20包括水平导轨25和水平驱动机构，水平驱动机构能够驱动竖直直线移位机构10整体沿水平导轨25左右移动，从而带动磁悬浮机构4左右移动，并最终带动悬浮体I同步左右移动。在其它实施例中，也可以采用水平直线移位机构20直接与磁悬浮机构4连接，直接驱动磁悬浮机构4做左右移动；竖直直线移位机构10与水平直线移位机构10连接，在上下移动过程中，竖直直线移位机构10带动水平直线移位机构20整体上下移动，从而带动磁悬浮机构4上下移动，最终带动悬浮体I同步上下移动。上述的竖直驱动机构和水平驱动机构分别都包括电机和传动机构，传动机构可以采用螺杆传动、齿轮传动或皮带传动等方式。
[0043]图2示出了本发明的另一实施例，在图1示出实施例的基础上，水平分量移位机构还包括水平旋转移位机构30，其与水平导轨25连接，能够驱动水平导轨25在水平面内产生旋转运动，从而带动磁悬浮机构4在水平面内产生旋转运动，并最终带动悬浮体I在水平面内同步旋转运动。在其它实施例中，上述水平直线移位机构20、竖直直线移位机构10以及水平旋转移位机构30可以进行任意组合或只采用其中一种移位机构。
[0044]上述实施例中只是列举了驱动磁悬浮机构4移动的几种移位机构，在本发明的精神指引下，本领域技术人员可以根据具体应用场合来设计磁悬浮机构4的运动轨迹(例如斜坡运动、环形运动)，并采用相应类型的移位机构来驱动磁悬浮机构4按照预定的运动轨迹进行运动，最终带动悬浮体I同步运动。由移位机构的各种变形所构成的移动式磁悬浮装置都应属于本发明的保护范围内。例如在本发明的某些实施例中，其中移位机构可以为运送小车，磁悬浮机构4由运送小车携载，通过控制运送小车的运动来带动悬浮体I的同步运动。在本发明的某些实施例中，移位机构也可以为具有设定路径的导轨装置(例如传送带)，用于使磁悬浮机构4沿其设定路径移位。在某些场合下，操作者也可以直接采用手动来随意驱动磁悬浮机构4进行运动。
[0045]在现有的磁悬浮装置中，初始状态下需要手工找准悬浮体的悬浮位置，才能实现悬浮体稳定悬浮，这给操作者带来很不适的体验。在本发明中，可以将竖直分量移位机构兼做悬浮体I的自动悬浮机构，其具体实现过程如下文所进一步描述。
[0046]在图3不出的实施例中，竖直分量移位机构包括电机16、螺杆13、升降管11和竖直导轨15。螺杆13与电机16的输出轴17固定连接。升降管11的上端通过托盘或托架12支撑磁悬浮机构4。升降管11的内壁通过内螺纹14与螺杆13连接，升降管11的外壁与竖直导轨15滑动连接。升降管11相对于竖直导轨15能够上下滑动但不能转动，例如在导轨15上设置有竖直定位槽，升降管11外壁上设置有定位销，定位销在定位槽内只能竖向运动但不能转动。当电机16工作时，螺杆13驱动升降管11沿竖直导轨15做升降运动从而带 动磁悬浮机构4做升降运动。
[0047]磁悬浮基座3与悬浮体I分别设置有可相互配合(或接合)的临界防水平偏移机构，以在悬浮体I位于磁悬浮基座上3时并且在磁悬浮机构4上升过程中悬浮体I处于悬浮临界点时防止悬浮体I产生过度水平偏移而导致悬浮体I无法正常悬浮在磁悬浮基座3上方。在图3示出的实施例中，临界防水平偏移机构包括设置在磁悬浮基座3上表面的接合凸起6和设置在悬浮体I下表面的接合凹槽7。在其它实施例中，也可以通过在悬浮体I下表面设置接合凸起、在磁悬浮基座3上表面设置接合凹槽来形成临界防水平偏移机构。在图3示出的临界防水平偏移机构中，接合凸起6优选具有圆锥形的外形，圆锥的直径可以为3-10mm，高度为3_5mm ;与其配合的接合凹槽7具有相应尺寸的圆锥形配合面。接合凸起6与接合凹槽7之间光滑接触。
[0048]在本发明的另一个实施例中，虽然没有进行图示，但是临界防水平偏移机构也可以采用下述结构:磁悬浮基座3顶面上形成(或具有)接合凹陷，其对应于悬浮体I自身所具有的外轮廓，从而悬浮体I能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。例如，磁悬浮基座3顶面具有圆柱状凹陷或凹槽，悬浮体I则为相应的半径稍小的圆柱状。
[0049]图4为悬浮体I自动悬浮过程示意图，图4(a)为初始状态，磁悬浮机构4处于低位，悬浮体I通过上述临界防水平偏移机构的配合而处于磁悬浮基座3上的初始位置。此时，磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力小于悬浮体I的重力，设置在磁悬浮机构4内的水平电磁控制系统不工作。开启电机16，升降管11向上运动使得磁悬浮机构4向上运动，磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力逐渐增加。图4(b)为临界状态，也即磁斥力开始等于悬浮体I的重力时，悬浮体I与磁悬浮基座3的摩擦力为零。此时，虽然水平电磁控制系统可以启动工作，但由于悬浮系统自身的不对称性误差所造成的水平分力的影响，仍然会使悬浮体I迅速偏离中心点而难以控制。本发明的临界防水平偏移机构的主要作用就是辅助平衡悬浮体I的自动悬浮，防止其自动悬浮过程中在临界状态时发生过度水平偏移。随着悬浮体I的向上浮起，临界防水平偏移机构彼此脱离接合，水平电磁控制系统开始正常工作。图4 (C)为悬浮状态，此时，磁悬浮机构4处于高位，悬浮体I处于磁悬浮机构4上方预定距离处的悬浮位置，电机16停止工作。此时，磁斥力等于悬浮体I的重力，水平电磁控制系统正常工作，相对于磁悬浮机构4，悬浮体I不会发生水平方向上的过度偏移，悬浮体I处于稳定悬浮状态。
[0050]通过上述升降管11的上升运动，从而实现了悬浮体I从初始位置自动悬浮到悬浮位置。并且在临界防水平偏移机构的过渡作用下，能够有效克服悬浮临界状态时悬浮体I在水平方向上的振荡偏移。与上述过程相反，当升降管11向下运动时，磁悬浮机构4从高位往低位运动。磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力减小，悬浮体I在重力的作用下逐渐下落，最终实现悬浮体I从悬浮位置自动返回到初始位置。
[0051]在本发明的某些实施例中，移动式磁悬浮装置还可以包括控制器，与各移位机构的驱动电机连接，用来控制电机的运转。控制器还可以集成有磁悬浮控制电路或控制开关，用来控制磁悬浮机构4内的水平电磁控制系统工作。
[0052]在本发明的某些实施例中，自动磁悬浮装置还可以包括限位机构，用来对移位机构的运动进行限位。限位机构可以是设置在磁悬浮基座3上的限位挡块，限位挡块可以设置有触点开关，触点开关与控制器连接，当移位机构与限位挡块抵接时，触点开关能够发送电信号给控制器，控制器自动停止驱动电机的运行。
[0053]图5-6示出了本发明磁悬浮装置中的悬浮体和相应的磁悬浮机构的一个具体实施例。悬浮体中的磁铁2由两块圆柱形永磁体叠加而成，上方的永磁体201直径大于下方的永磁体202，这种布置方式非常适合于设置在球形悬浮体中。磁悬浮机构包括中心永磁体401、环形永磁铁402以及水平电磁控制系统。其中，中心永磁铁401为实心均匀圆柱形。当悬浮体正常悬浮在磁悬浮机构上方时，永磁体201和202的下表面磁性与中心永磁体401的上表面磁性相同并且与环形永磁体402的上表面磁性相反。中心永磁体401与永磁铁201和202的中心轴为同轴布置，从而中心永磁体401在Z轴方向上对悬浮体能够产生较大的磁斥力，从而能够将悬浮体悬浮在理想的预定高度。但在通常情况下，由于两个同极磁体之间会发生彼此的滑斥，仅依靠中心永磁体401的磁斥力很难将悬浮体悬浮起来。在本发明中，发明人在中心永磁铁401的外周还设置有环形永磁体402，环形永磁体402的上表面磁性与永磁体201和202的下表面磁性相反，在环形永磁体402的作用下，悬浮体不会在垂直平面内翻转。在优选情况下，在永磁体201的上表面设置有导磁片203，在中心永磁体401和环形永磁体402的下表面设置有导磁片403。通过导磁片203和403的导向作用，能够使悬浮体和磁悬浮机构之间的磁场作用更加集中，从而提高了效率。
[0054]在上述实施例中，水平电磁控制系统优选包括四个电磁铁411-414以及相对应的四个霍尔传感器(磁性传感器)422-424，四个电磁铁411-414在水平面内以环形永磁铁的轴线(X和Y轴)为中心而分布，再按中心对称地两两串联或并联成一组并使同一组电磁铁的同向端在通电后磁性相反，当其作用与电磁铁组上方的悬浮体的永磁铁2时，会在永磁铁2上合成一个水平力。合成的水平力可以控制悬浮体的一个水平自由度，这样两组相互垂直的电磁铁就可以控制水平面内的二个自由度，从而使悬浮体平衡于磁悬浮基座上方。具体的控制电路和控制原理已为本领域技术人员所公知，例如可以参见中国专利申请CN1819436A，在此以参见方式引入其全部内容。
[0055]图7-8示出了本发明磁悬浮装置中的悬浮体和相应的磁悬浮机构的另一个具体实施例。与图5-6所示出的实施例不同之处在于，中心永磁体401为空心圆柱形，并且霍尔传感器仅设置两个(422和423)，分别用来检测X轴和Y轴方向上的励磁电流。其中霍尔传感器422和423设置在中心永磁体401的中心孔中，从而减少元件数目并节省空间。
[0056]在本发明的磁悬浮装置中，悬浮体I可以制成各种日用品、装饰品或玩具等，例如可以是灯具、音箱、地球仪、陀螺、相框、茶具等等。在某些优选实施例中，本发明的移动式磁悬浮装置中的磁悬浮基座3优选具有封闭壳体，磁悬浮机构4和移位机构都设置在封闭壳体内，只将悬浮体I设置在封闭壳体外。从而在磁悬浮装置工作过程中，通过控制器从外面自动控制位于封闭壳体内的移位机构和磁悬浮机构4，人们从外面只会看到悬浮体I自动按预定轨迹进行运动。
[0057]下面介绍本发明的磁悬浮装置应用在茶艺演示领域的一个具体实例。将茶杯制成悬浮体，观赏者面前的桌子制成支架，支架内设置有磁悬浮基座和移位机构(外界不可视)，控制器设置在演示者一侧。当演示者向茶杯内沏好茶水后，启动控制器。先启动竖直分量移位机构，茶杯从桌面自动漂浮到空中。再启动水平分量移位机构，茶杯自动漂移到观赏者面前。观赏中从空中拿起茶杯进行品尝。通过该演示过程，能够给观赏者以神奇的美妙体验。
[0058]本领域技术人员应当理解，上述实施方式仅起解释本发明的作用，而不应当理解为对其作出的任何限制。例如环形永磁体402不局限于单个环形永磁体，还可以是在水平内环形分布的三个以上的柱形永磁体组或是一个环形永磁体与环形分布的柱形永磁体组在垂直方向叠加在一起的组合体。电磁铁也不局限于4个，能够分成两组(每组至少包含一个电磁铁)以上以控制水平方向上的两个自由度都是可以的，例如6个等，与此对应，能够控制悬浮体在水平方向上二维自由度运动的任何数目的传感器都是可以的。另外，电磁铁的布置方式还可以有多种，根据需要可以设置在环形永磁体402的内部、外部或上部，或与组成环形永磁体402的多个柱形永磁体在圆周方向上间隔排列。此外，电磁铁也不局限于带铁芯的线圈，同样可以采用无芯线圈来作为电磁铁。
【主权项】
1.一种移动式磁悬浮装置，包括:具有磁体的悬浮体；以及磁悬浮基座，包含:磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。2.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，移位机构包括:水平分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿水平方向产生位移。3.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，移位机构包括:竖直分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿竖直方向产生位移。4.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中磁悬浮基座具有第一临界防水平偏移机构，悬浮体具有第二临界防水平偏移机构，第一临界防水平偏移机构与第二临界防水平偏移机构被构造成相互配合以在悬浮体位于磁悬浮基座上时并且在磁悬浮机构上升过程中悬浮体处于悬浮临界点时防止悬浮体产生过度水平偏移而导致悬浮体无法正常悬浮。5.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上设置的接合凸起，第二临界防水平偏移机构为悬浮体的悬浮底面上设置的接合凹槽，接合凹槽用于接收接合凸起。6.根据权利要求5所述的磁悬浮装置，其中接合凸起为圆锥状或截头圆锥状，接合凹槽具有相应的圆锥状或截头圆锥状。7.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上所形成的接合凹陷，第二临界防水平偏移机构则由悬浮体自身所具有的外轮廓构成，从而悬浮体能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。8.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中移位机构为运送小车，磁悬浮机构由运送小车携载。9.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中移位机构为具有设定路径的导轨装置，用于使磁悬浮机构沿其设定路径移位。10.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，还包括控制器，用于控制移位机构。
【专利摘要】移动式磁悬浮装置，包括：具有磁体的悬浮体；以及磁悬浮基座，其中磁悬浮基座包含：磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。通过本发明的移动式磁悬浮装置，悬浮体能够按照预定轨迹在空中移动，能够大大拓展磁悬浮装置的应用领域。
【IPC分类】H02N15/00
【公开号】CN104901587
【申请号】CN201510337505
【发明人】王云川, 李才力, 李良清, 王晓冰
【申请人】肇庆市衡艺实业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及磁悬浮装置领域，具体涉及悬浮体在空间变换位置的磁悬浮装置。
【背景技术】
[0002]现有的磁悬浮装置(例如磁悬浮台灯、磁悬浮陀螺等)一般都包括基座和悬浮体，基座和悬浮体都包含有磁体，基座内的磁体通过磁性作用(例如磁斥力)能够将悬浮体悬浮在其上方预定距离处，产生漂浮的奇幻视觉效果，从而深受人们的喜爱。
[0003]但在现有的磁悬浮装置中，基座通常保持固定，悬浮体只能悬浮在某一特定位置，这使得磁悬浮装置的应用领域受到限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种移动式磁悬浮装置，其能实现悬浮体在悬浮状态下可变换空间位置。
[0005]根据本发明的第一方面，提供了一种移动式磁悬浮装置，包括:
[0006]具有磁体的悬浮体；以及
[0007]磁悬浮基座，包含:
[0008]磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及
[0009]移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。
[0010]在本发明的某些实施例中，移位机构包括:水平分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿水平方向产生位移。
[0011]在本发明的某些实施例中，移位机构包括:竖直分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿竖直方向产生位移。
[0012]在本发明的优选实施例中，其中磁悬浮基座具有第一临界防水平偏移机构，悬浮体具有第二临界防水平偏移机构，第一临界防水平偏移机构与第二临界防水平偏移机构被构造成相互配合以在悬浮体位于磁悬浮基座上时并且在磁悬浮机构上升过程中悬浮体处于悬浮临界点时防止悬浮体产生过度水平偏移而导致悬浮体无法正常悬浮。
[0013]在某些优选实施例中，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上设置的接合凸起，第二临界防水平偏移机构为悬浮体的悬浮底面上设置的接合凹槽，接合凹槽用于接收接合凸起。这种情况下，其中接合凸起优选为圆锥状或截头圆锥状，接合凹槽优选具有相应的圆锥状或截头圆锥状。
[0014]在某些优选实施例中，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上所形成的接合凹陷，第二临界防水平偏移机构则由悬浮体自身所具有的外轮廓构成，从而悬浮体能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。
[0015]在本发明的某些实施例中，其中移位机构与磁悬浮机构之间通过螺杆传动装置、齿轮传动装置或皮带传动装置进行传动。
[0016]在本发明的某些实施例中，其中移位机构为运送小车，磁悬浮机构由运送小车携载。
[0017]在本发明的某些实施例中，其中移位机构为具有设定路径的导轨装置，用于使磁悬浮机构沿其设定路径移位。
[0018]在本发明的某些实施例中，还包括控制器，用于控制移位机构。
[0019]根据本发明的第二方面，提供了一种磁悬浮装置，包括:
[0020]具有永磁体的悬浮体；和
[0021]磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定位置，其包含:
[0022]中心永磁体；以及
[0023]环形永磁体，围绕中心永磁体设置并与中心永磁体隔开，
[0024]其中当悬浮体正常悬浮在磁悬浮机构上方时，悬浮体的永磁体的下表面磁性与中心永磁体的上表面磁性相同并且与环形永磁体的上表面磁性相反。
[0025]在本发明中，中心永磁体可以对悬浮体产生向上的强磁斥力以平衡悬浮体的重力，并且在环形永磁体的进一步作用下，悬浮体不会在垂直平面内翻转，这样可以将悬浮体悬浮在理想预定高度。
[0026]在本发明的一个实施例中，环形永磁体为均匀外圆环形永磁体，并且中心永磁体为与外圆环形永磁体同心设置的均匀内圆柱形永磁体。
[0027]在本发明的一个实施例中，环形永磁体为均匀外圆环形永磁体，并且中心永磁体为与外圆环形永磁体同心设置的均匀内圆环形(空心)永磁体。这种情况下，控制系统的磁性传感器可以设置在空心圆柱(内圆环线永磁体)内部以节省空间。
[0028]在本发明的某些实施例中，还包括设置在磁悬浮机构内的水平电磁控制系统，用于实时控制悬浮体相对于磁悬浮机构沿水平方向的偏移。水平电磁控制系统包括至少两组电磁铁、与所述至少两组电磁铁相对应的至少两个磁性传感器、以及控制电路，用以分别控制悬浮体在水平方向上偏离所述预定位置的至少两个自由度。当悬浮体在所述预定位置的水平方向产生位移时，所述至少两个磁性传感器分别产生相应的控制信号，用来分别控制各组电磁铁的励磁电流，从而通过所述电磁铁所产生的可控磁力使所述悬浮体返回到所述预定位置。
[0029]本领域技术人员应当理解，根据本发明第一方面和第二方面的磁悬浮装置可以互相引入彼此的特征或特征组合，除非明显不适用。
[0030]本发明的磁悬浮装置实现了悬浮体在悬浮状态下可变换空间位置，从而大大扩展了磁悬浮装置的应用领域。
【附图说明】
[0031]图1为根据本发明的移动式磁悬浮装置一个实施例的示意图；
[0032]图2为根据本发明的移动式磁悬浮装置另一个实施例的示意图；
[0033]图3为包含有竖直分量移位机构的移动式磁悬浮装置的示意图；
[0034]图4为图3示出的移动式磁悬浮装置的悬浮过程示意图；
[0035]图5为根据本发明的磁悬浮装置中的悬浮体和磁悬浮机构的一个实施例的正视示意图；
[0036]图6为图5中示出的磁悬浮机构的俯视示意图；
[0037]图7为根据本发明的磁悬浮装置中的悬浮体和磁悬浮机构的另一个实施例的正视不意图；以及
[0038]图8为图7中示出的磁悬浮机构的俯视示意图。
【具体实施方式】
[0039]下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，本领域技术人员应该理解，实施例和附图只是为了更好地理解本发明，并不用来做出任何限制。
[0040]参见图1，根据本发明的移动式磁悬浮装置主要包括悬浮体I和磁悬浮基座3。悬浮体I初始位于磁悬浮基座3上并将悬浮或漂浮于其上方。悬浮体I中含有磁体2，磁体2优选为永磁体。磁体2的形状可以根据悬浮体I的需要进行设置，例如可以为圆柱形、阶梯型、截头圆锥形等。磁体2可以为一整块磁铁，也可以由多块磁铁拼接而成。磁悬浮基座3具有磁悬浮机构4和移位机构。磁悬浮机构4设置有磁体或磁体组，其能对悬浮体I中的磁体产生磁斥力从而将悬浮体I悬浮到磁悬浮机构4上方的预定距离(位置)处。移位机构用于移位磁悬浮机构4从而使处于悬浮状态的悬浮体I发生相应位移。在磁悬浮机构4内通常设置有水平电磁控制系统，用于实时控制悬浮体I相对于磁悬浮机构4沿水平方向的偏移。
[0041]当悬浮体I处于稳定悬浮状态后，移位机构用来驱动磁悬浮机构4产生位移，悬浮体I会随着磁悬浮机构4的移动而同步移动。移位机构可以包括水平分量移位机构和/或竖直分量移位机构。水平分量移位机构用于使磁悬浮机构4在水平分量(水平面)上产生位移。竖直分量移位机构用于使磁悬浮机构4在竖直分量(竖直平面)上产生位移。
[0042]在图1示出的实施例中，水平分量移位机构包括水平直线移位机构20，竖直分量移位机构包括竖直直线移位机构10。其中竖直直线移位机构10包括升降杆(管)11、竖直导轨15和竖直驱动机构。升降杆11的上端通过托盘或托架支撑磁悬浮机构4，竖直驱动机构能够驱动升降杆11沿竖直导轨15上下运动。水平直线移位机构20与竖直直线移位机构10连接，水平直线移位机构20包括水平导轨25和水平驱动机构，水平驱动机构能够驱动竖直直线移位机构10整体沿水平导轨25左右移动，从而带动磁悬浮机构4左右移动，并最终带动悬浮体I同步左右移动。在其它实施例中，也可以采用水平直线移位机构20直接与磁悬浮机构4连接，直接驱动磁悬浮机构4做左右移动；竖直直线移位机构10与水平直线移位机构10连接，在上下移动过程中，竖直直线移位机构10带动水平直线移位机构20整体上下移动，从而带动磁悬浮机构4上下移动，最终带动悬浮体I同步上下移动。上述的竖直驱动机构和水平驱动机构分别都包括电机和传动机构，传动机构可以采用螺杆传动、齿轮传动或皮带传动等方式。
[0043]图2示出了本发明的另一实施例，在图1示出实施例的基础上，水平分量移位机构还包括水平旋转移位机构30，其与水平导轨25连接，能够驱动水平导轨25在水平面内产生旋转运动，从而带动磁悬浮机构4在水平面内产生旋转运动，并最终带动悬浮体I在水平面内同步旋转运动。在其它实施例中，上述水平直线移位机构20、竖直直线移位机构10以及水平旋转移位机构30可以进行任意组合或只采用其中一种移位机构。
[0044]上述实施例中只是列举了驱动磁悬浮机构4移动的几种移位机构，在本发明的精神指引下，本领域技术人员可以根据具体应用场合来设计磁悬浮机构4的运动轨迹(例如斜坡运动、环形运动)，并采用相应类型的移位机构来驱动磁悬浮机构4按照预定的运动轨迹进行运动，最终带动悬浮体I同步运动。由移位机构的各种变形所构成的移动式磁悬浮装置都应属于本发明的保护范围内。例如在本发明的某些实施例中，其中移位机构可以为运送小车，磁悬浮机构4由运送小车携载，通过控制运送小车的运动来带动悬浮体I的同步运动。在本发明的某些实施例中，移位机构也可以为具有设定路径的导轨装置(例如传送带)，用于使磁悬浮机构4沿其设定路径移位。在某些场合下，操作者也可以直接采用手动来随意驱动磁悬浮机构4进行运动。
[0045]在现有的磁悬浮装置中，初始状态下需要手工找准悬浮体的悬浮位置，才能实现悬浮体稳定悬浮，这给操作者带来很不适的体验。在本发明中，可以将竖直分量移位机构兼做悬浮体I的自动悬浮机构，其具体实现过程如下文所进一步描述。
[0046]在图3不出的实施例中，竖直分量移位机构包括电机16、螺杆13、升降管11和竖直导轨15。螺杆13与电机16的输出轴17固定连接。升降管11的上端通过托盘或托架12支撑磁悬浮机构4。升降管11的内壁通过内螺纹14与螺杆13连接，升降管11的外壁与竖直导轨15滑动连接。升降管11相对于竖直导轨15能够上下滑动但不能转动，例如在导轨15上设置有竖直定位槽，升降管11外壁上设置有定位销，定位销在定位槽内只能竖向运动但不能转动。当电机16工作时，螺杆13驱动升降管11沿竖直导轨15做升降运动从而带 动磁悬浮机构4做升降运动。
[0047]磁悬浮基座3与悬浮体I分别设置有可相互配合(或接合)的临界防水平偏移机构，以在悬浮体I位于磁悬浮基座上3时并且在磁悬浮机构4上升过程中悬浮体I处于悬浮临界点时防止悬浮体I产生过度水平偏移而导致悬浮体I无法正常悬浮在磁悬浮基座3上方。在图3示出的实施例中，临界防水平偏移机构包括设置在磁悬浮基座3上表面的接合凸起6和设置在悬浮体I下表面的接合凹槽7。在其它实施例中，也可以通过在悬浮体I下表面设置接合凸起、在磁悬浮基座3上表面设置接合凹槽来形成临界防水平偏移机构。在图3示出的临界防水平偏移机构中，接合凸起6优选具有圆锥形的外形，圆锥的直径可以为3-10mm，高度为3_5mm ;与其配合的接合凹槽7具有相应尺寸的圆锥形配合面。接合凸起6与接合凹槽7之间光滑接触。
[0048]在本发明的另一个实施例中，虽然没有进行图示，但是临界防水平偏移机构也可以采用下述结构:磁悬浮基座3顶面上形成(或具有)接合凹陷，其对应于悬浮体I自身所具有的外轮廓，从而悬浮体I能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。例如，磁悬浮基座3顶面具有圆柱状凹陷或凹槽，悬浮体I则为相应的半径稍小的圆柱状。
[0049]图4为悬浮体I自动悬浮过程示意图，图4(a)为初始状态，磁悬浮机构4处于低位，悬浮体I通过上述临界防水平偏移机构的配合而处于磁悬浮基座3上的初始位置。此时，磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力小于悬浮体I的重力，设置在磁悬浮机构4内的水平电磁控制系统不工作。开启电机16，升降管11向上运动使得磁悬浮机构4向上运动，磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力逐渐增加。图4(b)为临界状态，也即磁斥力开始等于悬浮体I的重力时，悬浮体I与磁悬浮基座3的摩擦力为零。此时，虽然水平电磁控制系统可以启动工作，但由于悬浮系统自身的不对称性误差所造成的水平分力的影响，仍然会使悬浮体I迅速偏离中心点而难以控制。本发明的临界防水平偏移机构的主要作用就是辅助平衡悬浮体I的自动悬浮，防止其自动悬浮过程中在临界状态时发生过度水平偏移。随着悬浮体I的向上浮起，临界防水平偏移机构彼此脱离接合，水平电磁控制系统开始正常工作。图4 (C)为悬浮状态，此时，磁悬浮机构4处于高位，悬浮体I处于磁悬浮机构4上方预定距离处的悬浮位置，电机16停止工作。此时，磁斥力等于悬浮体I的重力，水平电磁控制系统正常工作，相对于磁悬浮机构4，悬浮体I不会发生水平方向上的过度偏移，悬浮体I处于稳定悬浮状态。
[0050]通过上述升降管11的上升运动，从而实现了悬浮体I从初始位置自动悬浮到悬浮位置。并且在临界防水平偏移机构的过渡作用下，能够有效克服悬浮临界状态时悬浮体I在水平方向上的振荡偏移。与上述过程相反，当升降管11向下运动时，磁悬浮机构4从高位往低位运动。磁悬浮机构4与悬浮体I之间的磁斥力减小，悬浮体I在重力的作用下逐渐下落，最终实现悬浮体I从悬浮位置自动返回到初始位置。
[0051]在本发明的某些实施例中，移动式磁悬浮装置还可以包括控制器，与各移位机构的驱动电机连接，用来控制电机的运转。控制器还可以集成有磁悬浮控制电路或控制开关，用来控制磁悬浮机构4内的水平电磁控制系统工作。
[0052]在本发明的某些实施例中，自动磁悬浮装置还可以包括限位机构，用来对移位机构的运动进行限位。限位机构可以是设置在磁悬浮基座3上的限位挡块，限位挡块可以设置有触点开关，触点开关与控制器连接，当移位机构与限位挡块抵接时，触点开关能够发送电信号给控制器，控制器自动停止驱动电机的运行。
[0053]图5-6示出了本发明磁悬浮装置中的悬浮体和相应的磁悬浮机构的一个具体实施例。悬浮体中的磁铁2由两块圆柱形永磁体叠加而成，上方的永磁体201直径大于下方的永磁体202，这种布置方式非常适合于设置在球形悬浮体中。磁悬浮机构包括中心永磁体401、环形永磁铁402以及水平电磁控制系统。其中，中心永磁铁401为实心均匀圆柱形。当悬浮体正常悬浮在磁悬浮机构上方时，永磁体201和202的下表面磁性与中心永磁体401的上表面磁性相同并且与环形永磁体402的上表面磁性相反。中心永磁体401与永磁铁201和202的中心轴为同轴布置，从而中心永磁体401在Z轴方向上对悬浮体能够产生较大的磁斥力，从而能够将悬浮体悬浮在理想的预定高度。但在通常情况下，由于两个同极磁体之间会发生彼此的滑斥，仅依靠中心永磁体401的磁斥力很难将悬浮体悬浮起来。在本发明中，发明人在中心永磁铁401的外周还设置有环形永磁体402，环形永磁体402的上表面磁性与永磁体201和202的下表面磁性相反，在环形永磁体402的作用下，悬浮体不会在垂直平面内翻转。在优选情况下，在永磁体201的上表面设置有导磁片203，在中心永磁体401和环形永磁体402的下表面设置有导磁片403。通过导磁片203和403的导向作用，能够使悬浮体和磁悬浮机构之间的磁场作用更加集中，从而提高了效率。
[0054]在上述实施例中，水平电磁控制系统优选包括四个电磁铁411-414以及相对应的四个霍尔传感器(磁性传感器)422-424，四个电磁铁411-414在水平面内以环形永磁铁的轴线(X和Y轴)为中心而分布，再按中心对称地两两串联或并联成一组并使同一组电磁铁的同向端在通电后磁性相反，当其作用与电磁铁组上方的悬浮体的永磁铁2时，会在永磁铁2上合成一个水平力。合成的水平力可以控制悬浮体的一个水平自由度，这样两组相互垂直的电磁铁就可以控制水平面内的二个自由度，从而使悬浮体平衡于磁悬浮基座上方。具体的控制电路和控制原理已为本领域技术人员所公知，例如可以参见中国专利申请CN1819436A，在此以参见方式引入其全部内容。
[0055]图7-8示出了本发明磁悬浮装置中的悬浮体和相应的磁悬浮机构的另一个具体实施例。与图5-6所示出的实施例不同之处在于，中心永磁体401为空心圆柱形，并且霍尔传感器仅设置两个(422和423)，分别用来检测X轴和Y轴方向上的励磁电流。其中霍尔传感器422和423设置在中心永磁体401的中心孔中，从而减少元件数目并节省空间。
[0056]在本发明的磁悬浮装置中，悬浮体I可以制成各种日用品、装饰品或玩具等，例如可以是灯具、音箱、地球仪、陀螺、相框、茶具等等。在某些优选实施例中，本发明的移动式磁悬浮装置中的磁悬浮基座3优选具有封闭壳体，磁悬浮机构4和移位机构都设置在封闭壳体内，只将悬浮体I设置在封闭壳体外。从而在磁悬浮装置工作过程中，通过控制器从外面自动控制位于封闭壳体内的移位机构和磁悬浮机构4，人们从外面只会看到悬浮体I自动按预定轨迹进行运动。
[0057]下面介绍本发明的磁悬浮装置应用在茶艺演示领域的一个具体实例。将茶杯制成悬浮体，观赏者面前的桌子制成支架，支架内设置有磁悬浮基座和移位机构(外界不可视)，控制器设置在演示者一侧。当演示者向茶杯内沏好茶水后，启动控制器。先启动竖直分量移位机构，茶杯从桌面自动漂浮到空中。再启动水平分量移位机构，茶杯自动漂移到观赏者面前。观赏中从空中拿起茶杯进行品尝。通过该演示过程，能够给观赏者以神奇的美妙体验。
[0058]本领域技术人员应当理解，上述实施方式仅起解释本发明的作用，而不应当理解为对其作出的任何限制。例如环形永磁体402不局限于单个环形永磁体，还可以是在水平内环形分布的三个以上的柱形永磁体组或是一个环形永磁体与环形分布的柱形永磁体组在垂直方向叠加在一起的组合体。电磁铁也不局限于4个，能够分成两组(每组至少包含一个电磁铁)以上以控制水平方向上的两个自由度都是可以的，例如6个等，与此对应，能够控制悬浮体在水平方向上二维自由度运动的任何数目的传感器都是可以的。另外，电磁铁的布置方式还可以有多种，根据需要可以设置在环形永磁体402的内部、外部或上部，或与组成环形永磁体402的多个柱形永磁体在圆周方向上间隔排列。此外，电磁铁也不局限于带铁芯的线圈，同样可以采用无芯线圈来作为电磁铁。
【主权项】
1.一种移动式磁悬浮装置，包括:具有磁体的悬浮体；以及磁悬浮基座，包含:磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。2.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，移位机构包括:水平分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿水平方向产生位移。3.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，移位机构包括:竖直分量移位机构，用于使磁悬浮机构沿竖直方向产生位移。4.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中磁悬浮基座具有第一临界防水平偏移机构，悬浮体具有第二临界防水平偏移机构，第一临界防水平偏移机构与第二临界防水平偏移机构被构造成相互配合以在悬浮体位于磁悬浮基座上时并且在磁悬浮机构上升过程中悬浮体处于悬浮临界点时防止悬浮体产生过度水平偏移而导致悬浮体无法正常悬浮。5.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上设置的接合凸起，第二临界防水平偏移机构为悬浮体的悬浮底面上设置的接合凹槽，接合凹槽用于接收接合凸起。6.根据权利要求5所述的磁悬浮装置，其中接合凸起为圆锥状或截头圆锥状，接合凹槽具有相应的圆锥状或截头圆锥状。7.根据权利要求4所述的磁悬浮装置，其中第一临界防水平偏移机构为磁悬浮基座顶面上所形成的接合凹陷，第二临界防水平偏移机构则由悬浮体自身所具有的外轮廓构成，从而悬浮体能够以水平移动受限的方式接收在接合凹陷中。8.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中移位机构为运送小车，磁悬浮机构由运送小车携载。9.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，其中移位机构为具有设定路径的导轨装置，用于使磁悬浮机构沿其设定路径移位。10.根据权利要求1所述的磁悬浮装置，还包括控制器，用于控制移位机构。
【专利摘要】移动式磁悬浮装置，包括：具有磁体的悬浮体；以及磁悬浮基座，其中磁悬浮基座包含：磁悬浮机构，用于将悬浮体悬浮于其上方预定距离处；以及移位机构，用于移位磁悬浮机构从而使处于悬浮状态的悬浮体发生相应位移。通过本发明的移动式磁悬浮装置，悬浮体能够按照预定轨迹在空中移动，能够大大拓展磁悬浮装置的应用领域。
【IPC分类】H02N15/00
【公开号】CN104901587
【申请号】CN201510337505
【发明人】王云川, 李才力, 李良清, 王晓冰
【申请人】肇庆市衡艺实业有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月16日
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