專利名稱：具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種磁懸浮裝置，具體來說，涉及一種具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置。
背景技術：
現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設置的電磁鐵對懸浮體(其內設有磁鐵)產生的磁吸力來平衡懸浮體重力從而使懸浮體懸浮及旋轉。
中國實用新型專利CN2569440Y公開了一種自動平衡式靜態磁懸浮裝置，包括底座和懸浮體，利用安裝在底座上的磁鐵所產生的頂推力(磁斥力)來平衡位于底座上方的懸浮體(其內同樣設有磁鐵)。但是這種磁懸浮裝置的懸浮體上必須設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。
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。
此外，在本申請人的名稱同樣為“磁斥型懸裝置”的在先專利申請(尚未公開)中，描述了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定高度的水平面內能夠產生沿X軸和/或Y軸方向的水平位移，因此需要采用電磁控制裝置來控制其水平位移。
實用新型內容本實用新型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且不會上下翻轉，同時只需要控制懸浮體的垂向位移而無需控制其水平位移。
本實用新型的具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置包括磁性底座和懸浮體。其中懸浮體包含至少一個永磁鐵，在工作狀態下，懸浮體的重力能夠被磁性底座和至少一個永磁鐵之間產生的磁斥力所平衡，以使懸浮體懸浮在底座上方的預定基準位置并可繞垂直軸作水平轉動。懸浮體的至少一個永磁鐵的剖面形狀為大致T形或倒三角形。底座包含基本水平設置在所述底座內的大環形永磁鐵和小環形永磁鐵，在懸浮狀態下，大環形永磁鐵上環形表面的磁性與懸浮體的至少一個永磁鐵的下磁性端的磁性相反，小環形永磁鐵與大環形永磁鐵基本同軸且彼此上表面磁性相反，由此磁性懸浮體能夠懸浮于基準位置，并僅能在垂直軸向上下移動。底座還包含懸浮體垂向移動控制機構，其設置在底座內，當底座上方懸浮的磁性懸浮體在垂直軸向偏離基準位置時，控制磁性懸浮體返回基準位置。
本實用新型的大環形永磁鐵基本水平固定在懸浮體下方的底座內，能對大環形永磁鐵上方懸浮的永磁鐵產生向上的磁斥力以基本平衡懸浮體的重力，另一個與大環形永磁鐵同軸的小環形永磁鐵可以限制懸浮體水平平移，此時只需懸浮體下方的垂向移動控制機構提供可控的垂直方向的輔助力就能實現懸浮體在垂直方向的平衡。另外，懸浮永磁鐵處于基本垂直平衡懸浮狀態時，在大環形永磁鐵的作用下，懸浮體還不會在垂直平面內翻轉。
本實用新型的電磁鐵固定在底座內，并基本與大環形永磁鐵同軸，當其作用于電磁鐵上方的懸浮體的下端中心處的懸浮永磁鐵時，會在懸浮永磁鐵上與永磁斥力合成一個垂直可控的磁斥力。合成的可控磁斥力可以控制懸浮體在垂直軸方向上的未被約束的一個垂直自由度，從而使懸浮體平衡于底座上方，并能水平轉動。
本實用新型的傳感器控制系統是由固定在底座內、靠近電磁鐵上端的磁性傳感器組成，以檢測懸浮永磁鐵在電磁鐵對應方向上的位置信號。
本實用新型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。
本實用新型的具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置利用環形磁鐵中心磁力頂托(排斥)的方式使物體懸浮并能夠使其在水平方向旋轉，從而產生一種全新的懸浮效果。本實用新型的具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置可廣泛應用于各種場合，如玩具、禮品、廣告等領域，具有極強的觀賞性。
以下參照附圖，通過優選實施例對本實用新型作進一步描述，其中圖1是本實用新型優選實施例的結構示意圖；圖2是本實用新型底座內控制電路的示意框圖。
具體實施方式
本實用新型基于這樣一個物理學原理環形磁鐵的環形表面區域附近的磁性與環形磁鐵的該環形表面以外的圍繞其中心垂直軸的某個預定區域內的磁性相反。例如，如果水平放置的環形磁鐵的上表面的極性為S，那么該環形磁鐵上方圍繞其中心垂直軸的某個預定區域的極性為N，并且該區域的極性N的強弱會隨垂向或水平位置的變化而發生變化。
參見圖1，本實用新型的具有垂向移動控制機構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的內壁固定有大致T形圓柱永磁鐵5。底座2內固定有水平放置的大環形永磁鐵3。根據上述原理，如果平面底座2內的大環形永磁鐵3的上環形表面的磁性為S，那么在大環形永磁鐵3上方的中心線附近一定有由大環形永磁鐵3形成的磁性為N的區域。如圖1所示，將懸浮體1放置在該磁性為N的區域內，并將固定在懸浮體1內的T形圓柱永磁鐵5的N極端(即T形圓柱永磁鐵5的下磁性端，也就是懸浮體1的下磁性端)朝下(朝向環形永磁鐵3)，那么由于眾所周知的同性相斥原理，通過調節懸浮體1的位置(從而調節磁斥力的大小)，在該區域內的某點處，懸浮體1的重力會被磁斥力所平衡，從而產生懸浮效果。同時，懸浮體1不會產生垂向偏轉移動。
T形圓柱永磁鐵5能夠與環形永磁鐵3相互作用從而平衡懸浮體1的重力且不會使其在垂直方向翻轉，這一點對本實用新型是至關重要的，因為本領域技術人員通常會認為懸浮體和底座內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生平衡懸浮體重力的效果。發明人正是基于實驗時的偶然發現，克服人們的上述技術偏見而完成了本實用新型。
如圖1所示，在大環形永磁鐵3的上端還與其同心安裝有小環形永磁鐵4，小環形永磁鐵4上端面磁場極性與大環形永磁鐵上端面磁場極性相反，即磁性為N，這個小環形永磁鐵4的作用可以限制T形圓柱永磁鐵5的水平移動以使其趨向于磁場的中心點，但由于增加了小環形永磁鐵4，同時也使垂直方向的磁斥力的非線性度加劇，從而使懸浮體1難以在垂直方向自動平衡，因此還需設置垂向移動控制機構以輔助永磁斥力來使懸浮體1在垂直方向平衡。
雖然這種控制懸浮體在垂直方向上移動的技術對于本領域技術人員而言屬于常規手段(現有的懸掛式磁懸浮裝置就是采用了這種垂向移動控制技術來平衡懸浮體)，但為了便于更好地理解本實用新型，以下作為示例描述了一種懸浮體垂向移動控制機構。但是，本領域技術人員應當理解，本實用新型不限于使用這種類型的懸浮體垂向移動控制機構，其它任何能夠實現這種控制功能的機構都是可以的。
為了控制懸浮體1在垂直方向上的移動，平面底座2內還設有由帶鐵芯7的線圈12所組成的電磁鐵。如圖1所示，線圈12與大環形永磁鐵3同軸排列。通電后線圈12與T形圓柱永磁鐵5的電磁力可以輔助永磁斥力使懸浮體在垂直方向平衡。
在底座2內靠近鐵芯7頂端的中心位置還安裝有霍爾元件傳感器(磁性傳感器)6，控制線圈12的勵磁電流，進而控制懸浮體1在垂直方向上的自由移動。
另外，在底座內還安裝有控制電路板14，參見圖2，控制電路控制線圈組12的勵磁電流。控制電路包括四個電路部份8-11，現說明如下傳感器組6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了懸浮體1在垂直方向上的位置，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，并傳輸到功放電路部分11中。當懸浮體1在垂直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12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，由于本實用新型具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置所具有的獨特結構特性——底座內基本水平設置的大環形永磁鐵上環形表面的磁性與所述磁性懸浮體懸浮時的下磁性端的磁性相反，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，從而具有獨特的視覺效果。
本領域技術人員應當理解，上述實施方式僅起解釋本實用新型的作用，而不應當理解為對其作出的任何限制。例如懸浮體1不局限于球形，可以根據需要設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5雖然優選為T形圓柱組合體，但其它類似形狀如倒圓錐形也是可以的；所述底座的大環形永磁鐵3和/或小環形永磁鐵4可以由多個排列成環形的圓柱形或條形永磁鐵組成；在底座2內水平放置的大環形永磁鐵3也可以稍微傾斜，即基本水平即可；大環形永磁鐵3和/或小環形永磁鐵4不限于圖示的圓形環，還可以是橢圓形、及其它形環等；另外，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。
權利要求1.一種具有垂向移動控制機構的磁斥型懸浮裝置，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定基準位置并可繞垂直軸作水平轉動，其特征在于所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的剖面形狀為大致T形或倒三角形；以及所述底座包含基本水平設置在所述底座內的大環形永磁鐵和小環形永磁鐵，在懸浮狀態下，所述大環形永磁鐵上環形表面的磁性與所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵的下磁性端的磁性相反，所述小環形永磁鐵與所述大環形永磁鐵基本同軸且彼此上表面磁性相反，由此所述磁性懸浮體能夠懸浮于所述基準位置，并僅能在所述軸向上下移動；和懸浮體垂向移動控制機構，設置在所述底座內，當所述底座上方懸浮的所述磁性懸浮體在所述軸向垂直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.根據權利要求1所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體垂向移動控制機構包含至少一個電磁鐵，通電后產生電磁場，以在所述懸浮體垂向偏離所述基準位置時，控制其返回所述基準位置；至少一個傳感器，用于檢測所述懸浮體相對于所述底座的垂向位移矢量并產生相應的檢測信號；以及至少一個獨立的電路，用于處理相應的所述至少一個傳感器所產生的檢測信號以控制所述至少一個電磁鐵的勵磁電流。
3.根據權利要求2所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，在所述底座內設置一個電磁鐵，基本與所述大環形永磁鐵同軸，與此相應，在所述底座內設置一個磁性傳感器和一個獨立的電路。
4.根據權利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述懸浮體的所述至少一個永磁鐵為一個剖面形狀為大致T形的圓柱體永磁鐵。
5.根據權利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述底座的大環形永磁鐵和小環形永磁鐵均為圓形環。
6.根據權利要求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。
7.根據權利要求1-3之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特征在于，所述底座的大環形永磁鐵和/或小環形永磁鐵可以由多個排列成環形的永磁鐵組成。
專利摘要本實用新型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且不會上下翻轉，同時只需要控制懸浮體的垂向位移而無需控制其水平位移。該裝置包括磁性底座和懸浮體。懸浮體包含一個剖面形狀為大致T形或倒三角形的懸浮永磁鐵。底座包含基本水平設置的大環形永磁鐵和小環形永磁鐵，在懸浮狀態下，大環形永磁鐵上環形表面的磁性與懸浮永磁鐵的下磁性端的磁性相反，小環形永磁鐵與大環形永磁鐵基本同軸且彼此上表面磁性相反。底座還包含懸浮體垂向移動控制機構。本實用新型的磁斥型懸浮裝置可廣泛應用于各種場合，如玩具、禮品、廣告等領域，具有極強的觀賞性。
文檔編號A63H33/26GK2894076SQ200620019190
公開日2007年4月25日 申請日期2006年4月18日 優先權日2006年4月18日
發明者王曉冰, 李良清 申請人:王曉冰, 李良清