拓扑轨道超导磁悬浮装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种拓扑轨道超导磁悬浮装置，包括：拓扑轨道，包括：支承本体，具有将细长结构绕其长轴旋转预定角度后将所述细长结构的两端相接而形成的闭合环形形状，细长结构具有旋转对称的横截面形状，且具有N个旋转对称的表面，旋转角度为360/N，N是大于等于3的正整数，预定角度为n×360/N度，n是大于等于1的正整数；以及第一至第N磁组件，分别设置在细长结构的N个旋转对称的表面上，第一至第N磁组件亦呈旋转对称设置。该拓扑轨道超导磁悬浮装置可以应用于教具、诸如传送带之类的工业应用、或者诸如过山车之类的娱乐设施等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及磁悬浮，更特别地，涉及一种具有拓扑轨道的超导磁悬浮装置。
技术介绍
磁悬浮是一种有趣的物理现象，物体可以通过看不见的磁相互作用力而无接触地悬浮在空中。由于无接触，所以悬浮物体可以在较小阻力下运动，例如旋转或平移等，从而节省了能耗。因此，磁悬浮现象有巨大的实用价值，小到家庭的磁悬浮实用摆件，例如磁悬浮地球仪、磁悬浮台灯等，大到磁悬浮输运工具，例如磁悬浮传送带、磁悬浮列车等。超导磁悬浮由于其特殊的物理特性而一直是研究的热点。超导体有着各种奇特的性质，例如抗磁性，也称作迈斯纳效应。具体而言，当把处于超导状态的超导体放进小于临界磁场Hc的外磁场H中时，由于电磁感应作用，在超导体的表面形成感应电流，在超导体的内部，由感应电流激发的磁场和外磁场大小相等，方向相反，二者完全相互抵消，从而超导体内的磁场强度为0。因此，当把超导体放入磁场中时，如果磁相互作用产生的斥力与重力平衡，就实现了超导体的悬浮。超导体还有许多其他特殊的电磁特性，例如磁通量子效应等，这将在本说明书的后续部分进行详细描述。磁悬浮，尤其是超导磁悬浮，还是一个很好的科普题材。通过演示超导磁悬浮这种有趣的物理现象，能引起少年儿童的好奇心，大大激发他们探索科学奥秘的兴趣。然而，缺乏一种磁悬浮演示装置，尤其是超导磁悬浮演示装置，其设计巧妙，而又操作简单，并且能演示各种奇特的超导磁悬浮现象。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种拓扑轨道超导磁悬浮装置，其结构简单，便于操作，并且能够演示超导磁悬浮的各种奇特实验现象。根据一示范性实施例，一种拓扑轨道超导磁悬浮装置包括：拓扑轨道，包括：支承本体，具有将细长结构绕其长轴旋转预定角度后将所述细长结构的两端相接而形成的闭合环形形状，所述细长结构具有旋转对称的横截面形状，且具有N个旋转对称的表面，旋转角度为360/N，其中N是大于等于3的正整数，所述预定角度为n×360/N度，其中n是大于等于1的正整数；以及第一至第N磁组件，分别设置在所述细长结构的N个旋转对称的表面上，其中所述第一至第N磁组件亦呈旋转对称设置。在一示例中，所述第一至第N磁组件中的每个均包括：第一永磁体，其磁化方向垂直于其所位于的表面；第二永磁体，设置在所述第一永磁体的一侧，且其磁化方向反平行于所述第一永磁体的磁化方向；以及第三永磁体，设置在与所述第二永磁体相反的所述第一永磁体的另一侧，且其磁化方向也反平行于所述第一永磁体的磁化方向。在一示例中，所述第一、第二和第三永磁体中的每个均包括沿所述支承本体的长度方向拼接的多块磁体，并且所述多块磁体粘接到所述支承本体上。在一示例中，所述支承本体是软磁支承本体。在一示例中，n等于1。在一示例中，N等于3，所述支承本体具有正三角形横截面形状，且第一、第二和第三磁组件分别设置在所述正三角形的三条边上。在一示例中，N等于4，所述支承本体具有正方形横截面形状，且第一、第二、第三和第四磁组件分别设置在所述正方形的四条边上。在一示例中，所述正三角形或所述正方形具有倒圆角或斜切角。在一示例中，所述拓扑轨道超导磁悬浮装置还包括：悬浮单元，其包括非理想第II类超导体，且能悬浮在所述拓扑轨道上。在一示例中，所述非理想第II类超导体具有10nm至15mm之间的厚度。本专利技术的拓扑轨道超导磁悬浮装置可以应用到诸多方面。例如，该装置可以制作成教具，向学生或少年儿童演示上述奇异的磁学、拓扑几何、以及超导现象，有助于他们理解现象背后的物理原理，并且激发他们探索科学奥秘的好奇心。上述装置还可以应用于例如传送带等工业应用，或者例如过山车等娱乐设施。附图说明下面将参照附图来描述本专利技术的示范性实施方式，附图中相似的元件使用相似的附图标记来指示。应理解，下面参照附图描述的实施方式仅是示范性的，而无意在任何方面限制本专利技术的范围。图1是根据本专利技术一实施例的磁悬浮轨道的支承本体的立体图。图2是根据本专利技术一实施例的磁悬浮轨道的横截面图。图3示出图2所示的磁组件产生的磁场的示意图。图4示出超导磁悬浮体悬浮于图2所示的磁组件上方时的磁场的示意图。图5示意性示出图2所示的磁组件的横截面的磁场分布。图6示意性示出非理想第II类超导体的I-H特性曲线。图7示意性示出置于磁场中的处于正常状态的非理想第II类超导体。图8示意性示出置于磁场中的处于超导状态的非理想第II类超导体。图9示出根据本专利技术另一实施例的磁悬浮轨道的支承本体的立体图。具体实施方式图1是根据本专利技术一实施例的磁悬浮轨道100(见图2)的支承本体110的立体图。如图1所示，支承本体110大致上具有跑道形状。然而，与常规的平面轨道不同的是，支承本体110具有立体结构。具体而言，支承本体110具有将细长结构绕其长轴扭曲一定角度之后，再将细长结构的两端彼此连接而形成的形状。这样，磁悬浮单元150(见图4)在沿轨道悬浮滑行的同时，还绕轨道的长轴旋转，如下面将详细描述的那样。为了清楚地示出支承本体110的形状和结构，在图1所示的支承本体110上，尚未设置任何磁组件。图2示出了磁悬浮轨道100的横截面图，其显示了支承本体110以及设置在支承本体110上的第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140。下面将结合图1和图2来更详细地描述支承本体110。如图1和2所示，支承本体110可以具有正三角形横截面形状，其具有三个表面112、114和116。通过将具有正三角形横截面形状的细长结构绕其长轴扭曲预定角度，在图1中是120度，然后将细长结构的两端连接起来，即形成图1所示的形状。这样，如果沿顺时针方向扭曲120度，则第一表面112可以连接到第二表面114，第二表面114可以连接到第三表面116，第三表面可以连接到第一表面112。换言之，如果从图1所示的A点出发，沿轨道行进三圈之后，将会回到A点。并且在沿轨道行进三圈的同时，绕轨道长轴旋转了一圈(360度)。除了图1所示的示例，还可以有许多其他示例。例如，细长结构可以逆时针扭曲120度，这样第一表面112连接到第三表面116，第三表面116连接到第二表面114，并且第二表面114连接到第一表面112。或者，细长结构可以绕长轴扭曲120度的其他倍数，例如2倍、3倍、4倍等。应注意的是，当扭曲角度是360度或其倍数时，即使将细长结构的两端相接，上述三个表面不会连接到彼此，而是仍保持为彼此独立的三个表面。因为本专利技术的磁悬浮轨道100(或者说支承本体110)采用了拓扑几何构型，所以又可以称为拓扑轨道。图2示出磁悬浮轨道100的横截面图。如图2所示，磁悬浮轨道100还包括设置在支承本体110的第一表面112上的第一磁组件120、设置在支承本体110的第二表面114上的第二磁组件130、以及设置在支承本体110的第三表面116上的第二磁组件140。支承本体110可以由任何支承材料制成，优选由具有优良的导磁特性的软磁材料制成。例如，支承本体110可以是软磁支承本体，其由诸如铁之类的软磁材料制成。如图2所示，第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140设置为呈旋转对称布置，旋转角度同支承本体110的正三角形相同，亦为120度。也就是说，绕中心旋转120度之后，第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140将彼此重合。这是因为如前所述，支承本体110本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拓扑轨道超导磁悬浮装置，包括：拓扑轨道，包括：支承本体，具有将细长结构绕其长轴旋转预定角度后将所述细长结构的两端相接而形成的闭合环形形状，所述细长结构具有旋转对称的横截面形状，且具有N个旋转对称的表面，旋转角度为360/N，其中N是大于等于3的正整数，所述预定角度为n×360/N度，其中n是大于等于1的正整数；以及第一至第N磁组件，分别设置在所述细长结构的N个旋转对称的表面上，其中所述第一至第N磁组件亦呈旋转对称设置。

【技术特征摘要】
1.一种拓扑轨道超导磁悬浮装置，包括：拓扑轨道，包括：支承本体，具有将细长结构绕其长轴旋转预定角度后将所述细长结构的两端相接而形成的闭合环形形状，所述细长结构具有旋转对称的横截面形状，且具有N个旋转对称的表面，旋转角度为360/N，其中N是大于等于3的正整数，所述预定角度为n×360/N度，其中n是大于等于1的正整数；以及第一至第N磁组件，分别设置在所述细长结构的N个旋转对称的表面上，其中所述第一至第N磁组件亦呈旋转对称设置。2.如权利要求1所述的拓扑轨道超导磁悬浮装置，其中，所述第一至第N磁组件中的每个均包括：第一永磁体，其磁化方向垂直于其所位于的表面；第二永磁体，设置在所述第一永磁体的一侧，且其磁化方向反平行于所述第一永磁体的磁化方向；以及第三永磁体，设置在与所述第二永磁体相反的所述第一永磁体的另一侧，且其磁化方向也反平行于所述第一永磁体的磁化方向。3.如权利要求2所述的拓扑轨道超导磁悬浮装置，其中，所述第一、第二和第三永磁体中的每个均包括沿所述支...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆俊，魏红祥，沈保根，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11