磁性懸浮裝置和方法

專利名稱：磁性懸浮裝置和方法
技術領域：
本發明涉及懸浮裝置和方法，特別涉及一種永久磁鐵不用機械約束或支撐在另一磁鐵(永久磁鐵或電磁鐵)產生的磁場中的漂浮或懸吊。
磁鐵，包括永久磁鐵和電磁鐵，在實用和娛樂裝置中得到廣泛應用。磁鐵的極取名為北極和南極，北極是在地球磁場中指向北的極，即磁鐵的指北端。當然，眾所周知，同性的極，如兩個北極，相互排斥，異性極，即一個北極和一個南極，相互吸引。
這種現象已用于把一個磁鐵懸浮在另一磁鐵之上，并提供大幅度降低摩擦的可能性。例如，磁性懸浮列車就是這個現象的一個實際應用。然而，在這類懸浮應用中，要求有非常復雜的控制裝置來控制電磁鐵的磁場以克服兩類磁極排斥力固有的不穩定性。在一個簡單的懸浮系統中，試圖把第一永久磁鐵的一個極懸浮在第二永久磁鐵一個同類極之上，這個系統的固有不穩定性導致第一磁鐵翻轉，以致于異性極吸引，聚集成一種穩定結構。
已經設計出了許多簡單的懸浮系統，利用專門形狀的永久磁鐵的安排以減少磁鐵懸浮的不穩定性，例如，授與尼爾(Neal)的美國專利US No.2323837中，公布了一個磁鐵系統，其基底磁鐵包含一個圓盤，在這個圓盤中，多個第一圓柱磁鐵繞圓盤軸線呈圓形配置。一個上磁鐵件包含一個球截體，在這個球截體中，多個第二圓柱磁鐵以比基底磁鐵圓形配置的直徑較小的直徑呈圓形配置。多個第一圓柱磁鐵配置有同性(北極)磁極，縱軸垂直向上或稍向圓盤軸線傾斜。多個第二圓柱磁鐵配置同性(北極)磁極，縱軸垂直向下或以與多個第一圓形磁鐵相同傾斜度傾斜。據說基底磁鐵的這種配置產生一個反向磁場錐，它環繞在上磁鐵相同極性較小直徑磁場周圍，因此說穩定了這個懸浮系統。
赫里根(Harrigan)的美國專利US No.4382245公開了另一個簡單的磁性懸浮系統，利用一個碟形下磁鐵磁力支撐或懸浮在下磁鐵上面共軸自轉的一個磁陀螺。據認為這個下磁鐵的碟形或凹形表面產生徑向向內的磁力線，并在磁陀螺旋轉的陀螺效應共同作用下，提供了該懸浮系統的穩定性。赫里根(Harrigan)的專利公開了另一個實施例，據認為是凹曲的下磁鐵表面與一個非磁質量引起的擺動效應的綜合作用提供了穩定性，這個非磁質量支持在穿過下磁鐵中心孔的上磁鐵延伸臂上并處于下磁鐵之下。還公開了一些其他實施例，在這些施例中，下磁場不是由碟形磁鐵提供，而是由類似于上述尼爾(Neal)的專利配置的配置的多個圓柱磁鐵提供。
本發明涉及利用以前未知的在一個均勻磁化表面之上的磁場物征，并結合被懸浮磁鐵的旋轉運動實現一個磁鐵在另一磁鐵之上的穩定、無約束懸浮的一種磁性懸浮裝置。雖然本發明的這種磁性懸浮裝置可以有不在這里專門敘述的其他應用，但它打算提供易于低成本制造的，能用最少指令簡單、可靠和反復操作的一種教學或娛樂裝置。
這里敘述的本發明使用一種均勻磁化平面或基本是平面的磁鐵基底，在它們的上面漂起或懸浮包含有一個平面環形磁鐵，一個非磁的紡錘形心軸以及一個或幾個非磁墊圈形配重的一個自轉磁陀螺。基底磁鐵和陀螺磁鐵最好是在與其水平面或平面表面垂直方向磁極化的板材，它們的磁場反向配置。用這種方式磁化的板材稱為磁殼。一個磁殼的磁場強度S定義為它的每個單位表面積的磁矩，即每個單位表面積上的單位磁極數乘以磁殼厚度。一個均勻磁殼的磁場與繞磁殼周邊流過的電流所產生的磁場相同，電流強度i在數值上與磁殼的磁場強度S相同，其單位為安培。相同均勻強度與相同外周邊的所有磁殼在外側所有的點都導致相同的磁場。換句話說，磁殼表面的剖面和形狀并不重要。基底磁鐵的表面由凹面代替平面，則不能在基底磁鐵的上方提供一個磁集中力。
以前未知的在一個磁殼上面的磁場的特征是磁殼外周邊形狀影響使用該磁殼的懸浮系統的穩定性。具有多邊形周邊(特別是矩形和正方形周邊)的磁殼在其磁殼表面以上幾厘米處和沿這個多邊形對角線存在一個區域，這里的磁場梯度可以在處于該區域的一個磁偶極上產生升力和集中力。其他非多邊形形狀的，如圓形、橢圓形等，則不出現存在升力和集中力的一個區域。
本發明上述的和其他的優點及特點在下文將更加清楚，參考下面關于本發明的詳細敘述，所附的權利要求書及附圖中的幾個圖可以更清楚地了解本發明的特點。


圖1圖示說明長度為l的一個磁偶極+m，-m，以及用于確定這個磁偶極周圍磁場中一個點P的位置的坐標r和θ。
圖2圖示說明具有靠近磁場對稱線的一個磁偶極+m，-m的環電流回路的磁場。
圖3表明，隨離正方形對角線磁鐵中心軸距離(h)的增加，在邊長10cm正方形永久磁鐵上面的磁場的垂直分量(Hz)對距離(Z)的垂直梯度(dHz/dZ)的計算值。
圖4表明，隨離正方形對角線磁鐵中心軸距離(h)的增加，在邊長為10cm正方形永久磁鐵上面的磁場的水平分量(Hx)對距離(Z)的垂直梯度(dHx/dZ)的計算值。
圖5—9是表明本發明的磁性懸浮裝置的一個實施例及操作本發明裝置的方法步驟的一個透視圖。
圖10是本發明的磁性懸浮裝置其他實施例的一個透視圖。
圖11是本發明的磁性懸浮裝置其他實施例的一個透視圖。
雖然不是用來限定本發明，但下面的操作說明有助于了解本發明。首先參考圖1，經圖示說明了具有一個北極(+m)和一個南極(-m)長度為l的一個磁偶極2。磁偶極2有一個磁矩M，其數值等于乘積ml。磁矩M是一個沿磁偶極2、方向從-m到+m的矢量。環繞磁偶極的磁場由下面的方程式給定Hr＝2M conθ/r3(1)Hθ＝M sinθ/r3(2)式中M是磁偶極磁矩；r和θ限定空間點P相對于用以測量該磁場的磁偶極的位置；Hr和Hθ是沿r增加和θ增加方向的磁場的分量，單位為高斯(gause)。
上述方程(1)和(2)也確定了由一個環電流回路產生的磁場，M是回路電流i和回路面積A的乘積，稱為這個電流回路的磁矩。
不采取某種形式的機械約束保持被懸浮磁鐵的穩定，即防止它側滑和翻轉，是很難實現一個永久磁鐵在另一永久磁鐵這上懸浮的。這種情況示于圖2。一個環電流回路i處于x—y平面。電流產生的磁場由沿回路i的一個直徑發出的若干磁場線表示。(按慣例，磁場方向是磁場施加在北極(+)上的力的方向)。磁場線隨電流回路i之上的高度增加而發散(即磁場變弱)。磁偶極2(+m，-m)位于接近磁場對稱軸，與垂直方向傾斜一個α角。磁場在+m極引起一個上升力，在-m極引起一個下降力。這些力產生一個扭矩使磁偶極趨于順時針方向旋轉。扭矩T約為T＝Hz mlsina＝Hz Msina(3)注意這個扭矩隨角度α增加而增加。在圖示位置這個磁偶極是不穩定的，將翻轉，使南極(-m)向下實現一種穩定結構。當按圖示取向時，磁偶極2也承受一個凈的上升力，因為在向上降低的磁場中，+m極上的上升力大于-m極上的下降力。凈的上升力由下式給定Fz＝M conα dHz/dZ(4)在x方向也有一個凈側向力，按下式給定Fx＝M conα dHx/dZ(5)如果Hx隨Z增加，則凈側向力將指向磁場軸線，即存在一個集中力使磁偶極不會側滑出磁場。磁偶極上的上升力和側向力，或平移力與磁場變化的空間比率(即梯度)成正比，與磁場大小無關。在一個完全均勻的磁場中，即使磁場非常強，磁偶極2也未受到平移力，它只承受這個扭矩。
按照本發明，利用了在一個磁殼之上的磁場的過去未知的一種特性，就是，在磁殼表面以上幾厘米處有一個區域，這里的梯度可以在一個磁偶極上提供一個升力(dHz/dZ為負)和一個集中力(dHx/dZ為正)。圖3和圖4就一個邊長10cm正方形磁殼圖示說明了這個特性。在這些圖中，對于沿強度為每平方厘米(cm2)780個單位磁極的邊長為10cm的正方形磁殼的對角線上其間隔為0.5cm的若干點，繪制了表示dHz/dZ(圖3)和dHx/dZ(圖4)與高度Z的關系的曲線。在圖3中，dHz/dZ在所有徑向位置都達到一個最大的負值，隨著離正方形中心(h＝0.0cm)的距離增加，這個最大負值變大，而其垂直位置變低。如圖4所示，在沿正方形對角線低于約2.3cm的垂直距離內，dHx/dZ曲線都是正值，即都是集中的。
現在，假定沿其軸線從磁殼升高(增加Z)一個磁偶極，如一個小的穿透其厚度磁化的薄環磁鐵。磁鐵上的上升力增加直至達到峰值負梯度dHz/dZ，在此之后這個力下降。每個距離h的峰值dHz/dZ都標志著可以克服重力浮起最大重量磁偶極的高度。其重量稍微低于這個最大重量的一個磁偶極將由磁場升起通過峰值dHz/dZ，因此將超過那個點上浮起一小段距離。如果那個點dHx/dZ是負值，例如圖3中Z＞2.3cm，這個磁偶極將側滑出這個磁場，因為沿基底磁鐵對角線沒有正的集中力或磁場。因此，可以穩定懸浮的這個區域是低于Z＞2.3cm，圖3和圖4中的曲線提示，環形磁鐵內徑不得小于約2cm，其外徑可以大到3cm。在這些尺寸條件下，環形磁鐵可以被浮起并可定心(即不會側滑出這個磁場)。
一個圓形磁殼的計算磁場沒有導致集中區與最大負值dHz/dZ的重疊，就是說，集中區的有限高度(即dHx/dZ由正變為負的高度)在相應于距離h的所有徑向距離中都低于峰值(dHz/dZ為負)力。因此，一個永久磁鐵在一個圓形基底永久磁鐵上的懸浮是不可能的。其他形狀，如三角形，x形等，的永久磁鐵試驗都已表明，正方形接近最佳形狀。
雖然從可能性和理論上講，一個環形磁鐵將在上面討論的邊長為10cm的正方形基底磁殼的上面懸浮和集中，但如未約束，這個環形磁鐵將翻轉并落到基底磁鐵上。防止這種現象的約束是使環形磁鐵處于繞其軸線的自轉中，并依靠其陀螺作用使它不翻轉。如果這個環形磁鐵自轉快于某個角速度，則它將轉動豎起在基底磁鐵之上而不擺動。如由于空氣摩擦而轉速降低，環形磁鐵將開始章動和進動直至最終翻轉。其臨界轉速按式(6)計算，高于該臨界轉速，環形磁鐵將穩態懸浮，低于臨界轉速將開始章動。
Ω2＝4MHIx/Iz2(6)式中，Ω＝自轉速率(弧度/秒)；M＝環形磁鐵磁矩；H＝基底磁鐵產生的磁場強度；Ix＝環形磁鐵相對于其直徑的慣性矩，Ix＝m(r12＋r22)/4；Iz＝環形磁鐵相對于其對稱軸的慣性矩，Iz＝m(r12＋r22)/2；r1和r2是磁化環形磁鐵的內和外半徑，m是它的質量。對于這里敘述本發明所用的尺寸參數，要求自轉速率約每秒20轉(20r/s)以防止環形磁鐵翻轉。
圖5示出本發明的一個最佳實施例。邊長為10cm，厚度為0.7cm的第一或基底正方形陶瓷磁鐵10水平配置在一個表面T上。磁鐵10被垂直磁化到它的大的表面積且其北極(+)向上(為敘述方便)。一塊非磁性的升降板12，如透明塑料板，放置在基底磁鐵10上，且一個邊緣11延伸超出基底磁鐵10。在這塊升降板12上，使用者的手握住一個陀螺13并按后面所述方式進行操作。陀螺13包含一個第二磁鐵，如陶瓷環形磁鐵14，其北極(為敘述方便)向下指向第一或基底磁鐵的同性北極。最好由非磁性材料制作的一個紡錘形心軸緊固定入環形磁鐵14的中心孔內以便手動給予環形磁鐵自轉。一個或幾個非磁性墊圈16置于紡錘形心軸18上，并按圖5所示方式適當地固定在紡錘形心軸18上。墊圈16按后面更詳細敘述用于磁陀螺13的重量調整。陀螺13支持在基底磁鐵10的幾何中心G上方的升降板12上，用手或用其他適當機構，如繩索，使其自轉。
現在參考示出陀螺13順時針自轉的圖6，使用者拿著升降板12并沿箭頭20的方向垂直向上地提升。使用者用手緩慢地提升板12直至自轉陀螺13接近磁場垂直分量最大負梯度的高度。現在參考圖7，陀螺13已經通過引起它脫離升降板12表面沿箭頭22的方向升起或向上懸浮的最大負梯度(dHz/dZ)的高度。如圖8所示，升降板12可以按箭頭24指示的方向移掉。自轉陀螺13將如圖9所示仍然懸浮或漂在基底磁鐵10幾何中心G的上方，直至陀螺13的轉速降到保持穩態的轉速以下。
如果陀螺13不能如圖7所示自行脫離升降板12而升起，則它太重，在重復這個程序之前應拆去一個或幾個墊圈16。如果陀螺13突然跳離升降板12變得不穩定并下落，則這個陀螺太輕，在重復這個程序之前，應添加一個或幾個墊圈16到紡錘形心軸18上。陀螺的重量正確時，在接近峰值負dHz/dZ并懸浮時，它將緩慢地脫離升降板12而上升。在實際操作中，陀螺13將懸浮或漂浮幾分鐘，在這段時間里，它進動，章動，緩慢上下移動和從一側到一側移動，直至放慢并落在基底磁鐵上。
圖10示出本發明其他一些實施例。這些實施例與圖5—9所示實施例基本相同，但陀螺13懸浮的高度可以增加100％。這是通過在基底磁鐵10′的幾何中心G′弱化磁場而實現的。可以通過在基底磁鐵10′鉆一中心孔26(用虛線表示)或通過安裝一個反向極性的磁盤28，即在基底磁鐵10′的幾何中心G′之上磁盤28的南極(－)向上，來弱化幾何中心G′的磁場。磁盤28可以膠粘或用其他方法貼到基底磁鐵10′上。
現在參考圖11，圖中示出的仍是本發明其他一些實施例，用一個電磁鐵30，例如成形為多面體形狀(正方形)的一個線導體32，被用作基底磁鐵取代永久磁鐵。在電磁鐵30的一側，導體32向下彎曲形成閉合空間的終端34、36，跨這兩個終端施加一個直流電壓產生類似于圖5—9磁鐵10的磁場的一個磁場。按照與圖5—9有關的上述同樣方法，可能與陀螺13相同的一個磁陀螺40浮在電磁鐵30的上面。
另一方案是，可以把用虛線表示的另一磁鐵42放在電磁鐵30的幾何中心E，其用途與圖10中實施例的磁鐵28和孔26相同。磁鐵42可以是一個小的電磁鐵或一個圓形的，多面形或其他適當形狀的永久磁鐵，它的磁場方向與電磁鐵30的磁場方向相反。
本專業技術人員明白使用一種更強的磁性材料或一種更強的電磁鐵將允許使用具有更大慣性矩的。一個更重的陀螺以降低這個系統的穩態自轉速率和增加其懸浮時間。
雖然這里已經敘述了本發明目前一些最佳實施例，但是，對于與本發明有關的本專業技術人員很清楚可在不違背本發明精神和范圍情況下進行所述實施例的改型和改進。因此，本發明僅限于所附權利要求書和適用專利法所要求的范圍。
權利要求
1.一個懸浮裝置包含具有一個第一軸、一個周邊和一個基本上是平面的第一表面的第一磁鐵，上述第一磁鐵被與第一表面垂直，并與上述第一軸平行的方向磁化，使上述第一表面有第一磁極取向；具有一個第二軸和一個第二表面的第二磁鐵，上述第二磁鐵被與上述第二表面垂直，并平行于上述第二軸的方向磁化，使上述第二表面有與第一磁鐵第一表面有相同的磁極取向；繞第二軸轉動上述第二磁鐵的機構，因此，當上述第二磁鐵旋轉并垂直置于上述第一磁鐵之上其第一和第二表面相互對置時，上述第二磁鐵懸浮在上述第一磁鐵之上。
2.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于上述第一磁鐵的周邊是一個正方形。
3.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于上述第一和第二磁鐵包含陶瓷磁體。
4.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于上述第二磁鐵包含具有中心孔的一個環形磁鐵，第二表面基本上是平面，上述旋轉機構包含固定在上述中心孔的一個紡錘形心軸。
5.按照權利要求4所述的懸浮裝置，其特征在于包括改變上述第二磁鐵重量以改變上述第二磁鐵懸浮在第一磁鐵上面的高度的機構。
6.按照權利要求5所述的懸浮裝置，其特征在于上述重量改變機構至少包含用于固定到上述紡錘形心軸的一個中心孔。
7.按照權利要求6所述的懸浮裝置，其特征在于上述墊片和上述紡錘形心軸由非磁性材料制造。
8.按照權利要求1所述懸浮裝置，其特征在于包括一個由非磁性材料制造的升降板。
9.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于上述第一和第二磁鐵是永久磁鐵。
10.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于包括通過上述第一磁鐵幾何中心配置的一個孔。
11.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于包括具有第三表面、其位置靠近第一磁鐵幾何中心的一個第三磁鐵，上述第三磁鐵與上述第三表面垂直方向磁化，使第三表面的磁極取向與第一磁鐵第一表面磁極取向相反。
12.按照權利要求11所述的懸浮裝置，其特征在于上述第三磁鐵是一個電磁鐵。
13.按照權利要求11所述的懸浮裝置，其特征在于上述第三磁鐵是一個永久磁鐵。
14.按照權利要求1所述的懸浮裝置，其特征在于第一磁鐵是一個電磁鐵。
15.懸浮一個磁鐵的一種方法，包括如下步驟在水平面上支撐具有第一軸和一個上表面的第一磁鐵，上述第一磁鐵垂直磁化到上述上表面，并平行于上述第一軸，使上述上表面有一個磁極取向；把一個非磁性升降板置于第一磁鐵上表面上面；把具有第二軸和一個下表面的第二磁鐵置于升降板上面，上述第二磁鐵與上述下表面垂直，并平行上述第二軸的方向磁化，使上述下表面與第一磁鐵上表面有相同的磁極取向；當第二磁鐵在升降板上時，繞第二軸線使第二磁鐵自轉；自轉的第二磁鐵的第二軸與第一磁鐵第一軸基本對準；從第一磁鐵上垂直向上提升升降板直至上述自轉的第二磁鐵懸浮在升降板和第一磁鐵上表面之上；從第一和第二磁鐵之間拆去升降板。
16.按照權利要求15所述的方法，其特征在于上述自轉步驟包含手工轉動上述第二磁鐵。
17.按照權利要求15所述的方法，其特征在于上述提升步驟包含手工提升上述升降板，上述拆去步驟包含手工拆去上述升降板。
18.按照權利要求15所述的方法，其特征在于上述第一磁鐵有一多邊形周邊和上述上表面基本上是平面。
19.按照權利要求18所述的方法，其特征在于多邊形周邊是正方形。
20.按照權利要求15所述的方法，其特征在于包括在第一磁鐵幾何中心附近放置第三磁鐵的步驟，上述第三磁鐵磁極取向與上述第一磁鐵磁極取向相反。
全文摘要
公開了不用機械約束元件懸浮一個磁鐵的一種磁浮裝置和方法。這種懸浮裝置包含具有多邊形周邊，最好是正方形，和垂直磁化的基本是平面的上表面的一個第一磁鐵以及具有使其旋轉或自轉機構的一個第二磁鐵。第二磁鐵在置于第一磁鐵上表面的升降板上旋轉或自轉，磁鐵同性磁極取向相互對置。當升降板在第一磁鐵上提升時，自轉的第二磁鐵懸浮在第一磁鐵和升降板之上，從第一和第二磁鐵之間拆去升降板。第二磁鐵重量可以變化以改變第二磁鐵在第一磁鐵之上的懸浮高度。
文檔編號H02N15/00GK1123064SQ95190052
公開日1996年5月22日 申請日期1995年1月5日 優先權日1994年2月17日
發明者愛德華·W·霍尼斯, 威廉姆·G·霍尼斯 申請人:創新禮品公司