《磁斥型懸浮裝置》是肇慶市衡藝實業有限公司於2006年3月17日申請的專利，該專利的公布號為CN1819436，申請號為2006100653361，授權公布日為2006年8月16日，發明人是王曉冰、李良清。
《磁斥型懸浮裝置》能夠使懸浮體在底座上方懸浮及自由水平旋轉。該裝置包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體為單個永磁性懸浮體，在工作狀態下，其重力能夠被底座和懸浮體之間產生的磁斥力所平衡，從而懸浮於底座上方的預定基準位置，磁性懸浮體在懸浮時的下磁性端具有單一磁性，其中底座包含：一個環形永磁鐵和/或排列成環形的多個永磁鐵，基本水平設定在底座內，其上環形表面的磁性與磁性懸浮體下磁性端的磁性相反，由此磁性懸浮體能夠懸浮於基準位置；以及設在底座內的控制裝置，當底座上方懸浮的磁性懸浮體在水平方向上偏離基準位置時，控制磁性懸浮體返回基準位置。該裝置可用作玩具等，具有極強的觀賞性。
2021年6月24日，《磁斥型懸浮裝置》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《磁斥型懸浮裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：磁斥型懸浮裝置
- 公布號：CN1819436
- 公布日：2006年8月16日
- 申請號：2006100653361
- 申請日：2006年3月17日
- 申請人：王曉冰、李良清
- 地址：廣東省深圳市福田長城大廈9號A1401
- 發明人：王曉冰、李良清
- Int. Cl.：H02N15/00(2006.01)
- 專利代理機構：北京銀龍智慧財產權代理有限公司
- 代理人：張敬強
背景技術,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
背景技術
截至2006年3月17日，相關磁懸浮裝置一般為懸掛式，包括吸頭和懸浮體，利用位於懸浮體上方的吸頭內設定的電磁鐵對懸浮體（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）來平衡位於底座上方的懸浮體（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定兩個水平排列並相連的懸浮永磁鐵，因此通常只能懸浮棒狀物體，並且這種懸浮體也不能以其垂直中心軸作為旋轉軸來進行旋轉。
CN1156071C、CN2726048Y、CN1267121A以及US5168183A等公開了一些其它類型的磁懸浮裝置。但上述這些相關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。
發明內容
專利目的
《磁斥型懸浮裝置》的目的是提供一種磁斥型懸浮裝置，能夠使懸浮體在底座上方懸浮及自由水平旋轉，同時不會上下翻轉。
技術方案
《磁斥型懸浮裝置》包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體為單個永磁性懸浮體，在工作狀態下，其重力能夠被底座和懸浮體之間產生的磁斥力所平衡，從而懸浮於底座上方的預定基準位置，磁性懸浮體在懸浮時的下磁性端具有單一磁性，其中底座包含：一個環形永磁鐵和/或排列成環形的多個永磁鐵，基本水平設定在底座內，其上環形表面的磁性與磁性懸浮體下磁性端的磁性相反，由此磁性懸浮體能夠懸浮於基準位置；以及懸浮體水平運動控制裝置，設定在底座內，當底座上方懸浮的磁性懸浮體在水平方向上偏離基準位置時，控制磁性懸浮體返回基準位置。
該發明的環形永磁鐵水平固定在懸浮體下方的底座內，能對環形永磁鐵上方中心線處懸浮的懸浮永磁鐵產生向上的磁斥力以平衡懸浮體的重力從而實現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作二自由度的移動；另外懸浮永磁鐵處於基本垂直平衡懸浮狀態時，在環形永磁鐵的作用下，懸浮體還不會在垂直平面內翻轉。
該發明的電磁鐵固定在底座內，優選為四個，在水平面內以環形永磁鐵的軸線為中心而分布，再按中心對稱地兩兩串聯或並聯成一組並使同一組電磁鐵的同向端在通電後磁性相反，當其作用於電磁鐵組上方的懸浮永磁鐵時，會在懸浮永磁鐵上合成一個水平力。合成的水平力可以控制懸浮體的一個水平自由度，這樣兩組相互垂直的電磁鐵就可以控制水平面內的二個自由度，從而使懸浮體平衡於底座上方。
該發明的感測器控制系統是由固定在底座內、靠近電磁鐵上端的、優選為每組兩個共兩組四個的相同的磁性感測器組成，每一組感測器對應一組電磁鐵，以檢測懸浮永磁鐵在該組電磁鐵對應方向上的位置信號，安裝時每組感測器的排列方向需要對應於相應的電磁鐵組的排列方向。
該發明的控制電路由感測器信號檢測電路、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。其中信號檢測電路為減法電路，將每一組感測器中的兩個感測器的輸出信號相減而合成一個新的信號變化量，從而有效控制懸浮體的懸浮穩定性。
改善效果
《磁斥型懸浮裝置》利用環形磁鐵中心磁力頂托（排斥）的方式使物體懸浮並能夠在不額外設定旋轉機構的情況下使其在水平方向旋轉，從而產生一種全新的懸浮效果。該發明的磁斥型懸浮裝置可廣泛套用於各種場合，如玩具、禮品、廣告等領域，具有極強的觀賞性。
附圖說明
圖1是《磁斥型懸浮裝置》優選實施例的結構示意圖；
圖2是《磁斥型懸浮裝置》底座內一組電磁鐵線圈的連線示意圖；
圖3是《磁斥型懸浮裝置》底座內控制電路的示意框圖。
技術領域
《磁斥型懸浮裝置》涉及一種磁懸浮裝置，具體來說，涉及一種磁斥型懸浮裝置。
權利要求
1、一種磁斥型懸浮裝置，包括磁性底座和懸浮體，其中所述懸浮體為單個永磁性懸浮體，在工作狀態下，其重力能夠被所述磁性底座和所述磁性懸浮體之間產生的磁斥力所平衡，從而懸浮於所述底座上方的預定基準位置，所述磁性懸浮體在懸浮時的下磁性端具有單一磁性，其特徵在於，所述底座包含：一個環形永磁鐵和/或排列成環形的多個永磁鐵，基本水平設定在所述底座內，其上環形表面的磁性與所述磁性懸浮體的所述下磁性端的磁性相反，由此所述磁性懸浮體能夠懸浮於所述基準位置；以及懸浮體水平運動控制裝置，設定在所述底座內，當所述底座上方懸浮的所述磁性懸浮體在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、根據權利要求1所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，所述控制裝置包括：水平設定在所述底座內的至少兩組電磁鐵，用以分別控制所述磁性懸浮體在水平方向上偏離所述基準位置的至少兩個自由度；以及設在所述底座內並與所述至少兩組電磁鐵分別對應連線的至少兩組磁性感測器，當所述磁性懸浮體在所述底座上方產生偏離所述基準位置的水平方向的位移時，所述至少兩組磁性感測器分別產生相應的控制信號，用來分別控制各組電磁鐵的勵磁電流，從而通過所述電磁鐵所產生的可控磁力使所述磁性懸浮體返回所述基準位置。
3、根據權利要求2所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，在所述底座內設定兩組電磁鐵，每組包含兩個沿所述環形的內圓周方向相對設定的電磁鐵，通電後，同一組內的兩個電磁鐵的鄰近所述懸浮體的一端的磁性相反；與此相應，在所述底座內設定兩組磁性感測器，每組兩個，分別與對應的電磁鐵連線。
4、根據權利要求3所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，每組磁性感測器通過減法電路控制相應的一組電磁鐵。
5、根據權利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，所述懸浮體內部僅固定有一個柱形永磁鐵。
6、根據權利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，所述環為圓形環、橢圓形環、方形環、菱形環、或不規則多邊形環。
7、根據權利要求1-4之一所述的磁斥型懸浮裝置，其特徵在於，所述懸浮體為球形。
實施方式
《磁斥型懸浮裝置》基於物理學原理：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的某個預定區域的極性為N，並且該區域的極性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，《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的內壁固定有圓柱形永磁鐵1E平面底座2內固定有水平放置的環形永磁鐵3。根據上述原理，如果平面底座2內的環形永磁鐵3的上環形表面的磁性為S，那么在環形永磁鐵3上方的中心線附近一定有由環形永磁鐵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，並將固定在懸浮體1內的圓柱形永磁鐵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（朝向環形永磁鐵3），那么由於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不會產生垂向偏轉運動。
由於圓柱形永磁鐵11能夠與環形永磁鐵3相互作用從而平衡懸浮體1的重力，因此在懸浮體1內就無需另外設定懸浮時下表面磁性與環形永磁鐵3上表面磁性相同的環形磁鐵來平衡懸浮體1的重力，從而能夠大大減小懸浮體1的體積和重量。這一點對該發明是至關重要的，因為該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。發明人正是基於實驗時的偶然發現，克服人們的上述技術偏見而完成了該發明。
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），但由於在實際懸浮過程中，懸浮體1還會在水平方向上前後左右運動，即在圖1所示的X、Y方向產生運動，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），即設定懸浮體水平運動（二自由度運動）控制裝置。雖然這種控制懸浮體在水平方向上運動（二自由度運動）的技術對於該領域技術人員而言屬於常規手段，但為了便於更好地理解該發明，以下作為示例描述了一種懸浮體水平運動控制裝置。但是，該領域技術人員應當理解，該發明不限於使用這種類型的懸浮體水平運動控制裝置，其它任何能夠實現這種控制功能的裝置都是可以的。
為了控制懸浮體1在水平方向上的運動，平面底座2內還設有由帶鐵芯4的四個線圈31、32、33、34所組成的電磁鐵組。如圖1所示，線圈31、32、33、34沿環形永磁鐵3的內圓周表面均勻分布，並且分別串聯成相互獨立的兩組線圈31、33以及32、34，即線圈組31、33和線圈組32、34分別沿圖中所示的Y、X方向排列。通電後各組線圈例如線圈組31、33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）的磁性相反（參見圖2）。
在底座2內靠近各線圈31、32、33、34頂端的位置還分別安裝有四個霍爾元件感測器（磁性感測器）51、52、53、54。四個感測器51、52、53、54分成兩組：51、53和52、54，分別控制兩組線圈31、33和32、34的勵磁電流，進而控制懸浮體1在Y和X方向上的自由移動。
另外，在底座內還安裝有控制電路板6，其上的控制電路由兩套完全相同且相對獨立的控制電路12組成。參見圖3，控制電路12分別控制線圈組31、33和線圈組32、34的勵磁電流。每個控制電路12包括四個電路部份8-11，現以線圈組31、33的控制電路12為例說明如下：
感測器組51、53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線上圈組31、33連線方向上（即Y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，並傳輸到功放電路部分11中。當懸浮體1線上圈組31、33連線方向（即Y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、33的勵磁電流，從而使懸浮體1回到基準位置。當兩組控制電路12同時工作時就可控制懸浮體1在懸浮水平面上的二維自由度（即Y和X方向）的運動，並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，由於該發明磁斥型懸浮裝置所具有的獨特結構特性——底座內基本水平設定的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，在不需要額外設定旋轉機構的情況下，懸浮時，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。
該領域技術人員應當理解，上述實施方式僅起解釋《磁斥型懸浮裝置》的作用，而不應當理解為對其作出的任何限制。例如：環形永磁鐵和懸浮體水平運動控制設定在底座內的含義不局限於其必須設定在底座的外殼內部，而應當理解為其可以設定在底座的任何部位；裝置懸浮體1不局限於球形，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11雖然優選圓柱形，但條形以及由多個永磁鐵組合而成的能夠產生懸浮特性的永磁鐵組合體也是可以的；底座2內的水平放置的永磁鐵3不局限於單個環形永磁鐵，還可以是在水平面內環形分布的三個以上的柱形永磁鐵組或是一個環形永磁鐵與環形分布的柱形永磁鐵組在垂直方向疊加在一起的組合體；在底座2內水平放置的環形永磁鐵3也可以稍微傾斜，例如與水平面成10度角，即基本水平即可；所述環形不限於圖示的圓形環，還可以是橢圓形、方形、菱形、規則或不規則多邊形環等；電磁鐵也不局限於4個，能夠分成兩組（每組至少包含一個電磁鐵）以上以控制水平方向上的兩個自由度都是可以的，例如6個等，與此相應，磁性感測器的數目也不局限於四個，能夠控制懸浮體1在水平方向上二維自由度運動的任何數目的感測器都是可以的；另外，電磁鐵也不局限於沿環形永磁鐵3的內圓周表面設定，根據需要可以設在環形永磁鐵3的內部、外部或上部，或與組成環形永磁鐵3的多個柱形永磁鐵在圓周方向上相互間隔排列；此外，電磁鐵也不局限於為帶鐵芯的線圈，同樣可以釆用無芯線圈來作為電磁鐵。
專利榮譽
2021年6月24日，《磁斥型懸浮裝置》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
