磁悬浮设备制造技术

一种磁悬浮设备在磁场中支撑磁性元件。一个控制系统控制可变磁场以将磁性元件保持在相对不稳定轴的平衡位置上。在某些实施例中，所述可变磁场在不稳定轴的方向上具有梯度但不具有磁场分量。在某些实施例中，所述磁场由四个分离的磁铁阵列提供。在某些实施例中，附加的磁铁在平衡位置提供增强的场强，这增加了悬浮磁性元件的稳定性以防止翻转。光源和电源可以提供给悬浮磁性元件。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于悬浮磁性元件的设备。
技术介绍
悬浮物体受到关注并能用于各种应用中。磁学领域提供了一种能够用于悬浮磁性物体的工具。根据Earnshaw的理论，只利用静磁场不可能以稳定的方式支撑磁性物体。Earnshaw理论的一个命题是悬浮磁体不能通过任何静磁力和地磁力的组合保持稳定的平衡。Whitehead在美国专利No.5,168,183中公开了一种磁悬浮系统，其中布置在所述系统中的分隔面一侧的磁铁能够支撑位于该分隔面另一侧的悬浮的磁性元件。这种磁性装置提供了一个静磁场，随着悬浮元件在平行于稳定平面方向的位移，在悬浮元件与静磁场之间的磁相互作用的势能增加。该磁性装置包括控制变力的控制系统，所述控制系统可以是一个可变磁场，以在垂直于稳定平面的方向稳定悬浮元件。专利技术人确定由Whitehead公开的实施方式产生的磁场易于向悬浮磁性元件施加扭矩。这是因为在悬浮磁性元件的平衡位置，当用于在“不稳定”的方向上控制悬浮磁性元件的位置的可变磁场通常地定向于垂直静磁场的方向时，悬浮磁性元件的磁偶极子通常与静磁场对准。由这个扭矩产生的旋转能够导致悬浮元件的扭转和平移振动。在某些情况下，这不利地影响稳定反馈控制并且因此影响悬浮磁性元件的稳定性。因此需要一种由Whitehead公开的具有理想工作特性，比如增强的悬浮磁性元件的稳定性和/或简单的结构的磁悬浮系统。对于某些应用，特别需要这种含有少量磁性材料并且制造成本低廉的悬浮系统。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了用于悬浮磁性元件的设备。这种设备包括至少两个磁铁以产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场。在某些实施例中，至少两个磁铁含有四个菱形排列的磁铁。静磁场提供一个平衡位置，在所述位置上势能随磁性元件沿不稳定轴方向远离平衡位置的位移而减小，并且势能随磁性元件在任何垂直不稳定轴方向上远离平衡位置的位移而增加。所述设备包括用于产生表示磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号的位置传感器，为在电磁铁的电流通路上产生控制磁场的电磁铁，所述控制磁场对在平衡位置沿不稳定轴的位移具有梯度，以及与电磁铁连接以接收反馈信号并控制电磁铁中的电流以防止磁性元件偏离平衡位置附近的控制器。在某些实施例中，电磁铁包括至少两个沿平行于不稳定轴的轴方向间隔的线圈。例如，电磁铁可以包括四个沿平行于不稳定轴的轴方向间隔的线圈，其中在通过四个线圈的电流通路上，四个线圈中的每一个都具有与四个线圈中的相邻的其他线圈相反的磁极性。一个特定的实施例提供了一种设备，其中所述的至少两个磁铁包括在平行于不稳定轴的方向上以第一距离D1相互隔开的第一和第二磁铁，以及在不稳定轴的横向方向以第二距离D2相互隔开的第三和第四磁铁，其中D1＜D2，第一和第二磁铁中的每一个都与所述至少两个磁铁的对称轴等距，并且第三和第四磁铁中的每一个都与所述对称轴等距。每个第一和第二磁铁、第三和第四磁铁可以具有面向平衡位置的第一磁极和背离平衡位置的第二磁极。第一、二、三、四磁铁的第一磁极可以是共面的。本专利技术的另一方面提供了用于悬浮磁性元件的设备。所述设备包括用于产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场的装置，所述静磁场提供一个平衡位置，在所述平衡位置势能随磁性元件沿不稳定轴方向远离平衡位置的位移而减小，并且势能随磁性元件在任何垂直不稳定轴方向上远离平衡位置的位移而增加。所述设备还包括用于产生表示磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号的装置和用于通过相应于反馈信号在平衡位置提供四极控制磁场将磁性元件引导到平衡位置的控制装置。本专利技术的其他方面和本专利技术特定实施方式的特点将在下面描述。附图说明在下列图中描述了本专利技术非限定性的实施例，图1是根据本专利技术的一个实施例的磁悬浮系统的局部示意图；图1A和图1B是根据本专利技术的可选择实施例的磁悬浮系统的局部示意图；图2A到图2C是表示根据悬浮磁性元件分别沿图1的系统的x、y和z轴偏离平衡位置的位移而产生的磁势能的变化的曲线；图3是配置有控制线圈以在平衡位置产生四极磁场的磁悬浮系统的顶视图；图4是具有磁铁以改善悬浮磁性元件稳定性以克服旋转的磁悬浮系统的顶部平面视图；图5是具有用于支撑平衡位置附近的磁性元件的移动平台的磁悬浮系统的侧视图；图6表示用于照明和驱动悬浮物体的装置；图7是从经过本专利技术的一个实施例的控制线圈的x-z平面截取的截面图；图8A和图8B表示根据本专利技术的可选择实施例的线圈的几何形状。具体实施例方式下面给出的全部描述、特定细节是为本专利技术提供更全面的理解。然而，本专利技术可以不利用这些细节实施。在其他的情况下，众所周知的部分不再详细表示或描述以避免对本专利技术不必要的模糊理解。因而，说明书和附图将被看作是描述性的，而不是限定性的。图1表示根据本专利技术的磁悬浮系统10。所示系统10在平衡位置13悬浮一个磁性元件12。磁性元件12包括一个磁极或磁极阵列。磁性元件12可以包括附着在要被悬浮的轻质主体上的永磁铁。系统10包括间隔距离为D1的第一磁铁对14(单独地为14A和14B)和间隔距离为D2的第二磁铁对16(单独地为16A和16B)，其中D2＞D1。在本专利技术当前优选实施例中，D2∶D1的比在1∶1到2∶2的范围内。进一步与磁铁14分隔的磁铁16，优选地具有大于或等于磁铁14的偶极矩的偶极矩。磁铁16的磁偶极矩优选地足够大以抵消在缺少磁铁16时会出现的磁场的磁力线不希望有的曲率，但不要大到可以抵消低能量磁铁14的悬浮磁场，所述悬浮磁场由于接近磁铁14而对平衡位置13具有更大的梯度。优选地，磁铁14A和14B彼此具有相同的磁场强度并且磁铁16A和16B彼此具有相同的磁场强度。磁铁14的磁场强度M14优选地小于或等于磁铁16的磁场强度M16。在本专利技术的某些实施例中M16∶M14的比在1∶1到2∶1的范围内。磁铁14理想化地排列为使磁铁14A和14B放置在第一轴并且磁铁16A和16B放置在垂直于第一轴的第二轴上。在下面的描述中，磁铁14和16被显示为与平面18相邻。一个具有在平面18内互相垂直的x轴和y轴以及垂直于平面18的z轴的笛卡尔坐标系相对于磁铁14和16是原点对称的。x轴延伸通过磁铁14并且y轴延伸通过磁铁16。所述系统10的坐标系的z轴作为系统10的对称轴。z轴延伸通过平衡位置13，所述平衡位置13与平面18距离D3。如图1所示的磁铁14和磁铁16位于垂直轴上是理想情况，一些不背离本专利技术的偏离于理想位置的情况也是可以的。在示例性的实施例中，磁铁14和16被放置成菱形。笛卡尔坐标系的建立只是为了在描述示例性的设备的结构时更方便。其他坐标系也能够使用。磁铁14和16优选地在尺寸上比磁铁14和16之间的距离小并且磁性元件12可以通过系统10在平衡位置13被悬浮。在这种情况下，每个磁铁14和16在平衡位置产生一个与在磁铁14或16的位置由一个单一磁偶极子产生的磁场基本相同的磁场。在图1所示的实施例中，磁铁14和16都被极化为平行于z轴的相同方向。图1A示意性地表示本专利技术的一个可选择实施例，其中每个磁铁14以角度φ1倾斜于z轴，并且每个磁铁16以角度φ2倾斜于z轴。在某些实施例中φ1＝φ2。在其他实施例中φ1和φ2是不同的。如图1A所示，向z轴倾斜的磁铁14和/或16以减小一个或多个方向的稳定性为代价，易于获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于悬浮磁性元件的设备，所述设备包括：　　　　至少两个磁铁，用以产生提供与磁性元件相互作用的依赖位置势能的静磁场，所述静磁场提供一个平衡位置，其中势能随所述磁性元件沿不稳定轴方向远离所述平衡位置的位移而减小，并且势能随所述磁性元件在任何垂直于不稳定轴的方向上远离所述平衡位置的位移而增加；　　　　位置传感器，用于产生表示所述磁性元件在不稳定轴上的位置的反馈信号；　　　　电磁铁，用以在通过所述电磁铁的电流通路上产生控制磁场，所述控制磁场在平衡位置上具有关于沿不稳定轴的位移的梯度；以及　　　　控制器，其被连接以接收反馈信号并且控制所述电磁铁中的电流以防止所述磁性元件离开平衡位置附近。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：哈罗德戴维斯，洛恩怀特黑德，
申请(专利权)人：不列颠哥伦比亚大学，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]