展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统技术方案

本发明专利技术涉及一种展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，其结构包括定子和浮子；所述定子包括底板、设置在底板上的左支架和右支架、设置在左支架上的浮子牵引线圈、设置在右支架上的定位线圈组和位置传感器、设置在底板中部的旋转驱动线圈组以及设置在底板上的左端托举磁体和右端托举磁体；所述浮子包括横置的轴杆、穿接在轴杆中部的旋转磁体组以及设置在轴杆端部的左端悬浮磁体和右端悬浮磁体。本发明专利技术磁悬浮演示系统可将浮子展示成为卧式转轴的状态，浮子不仅能够稳定悬浮，而且可以受控旋转，其启停功能由自身的悬浮结构和电气环节予以保证，没有机械运动支撑结构，可以大幅降低自动悬浮运行与演示的故障率。动悬浮运行与演示的故障率。动悬浮运行与演示的故障率。

【技术实现步骤摘要】
展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统


[0001]本专利技术涉及一种物理教学用具，具体地说是一种展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统。

技术介绍

[0002]磁悬浮系统是利用磁力使物体处于无机械接触的悬浮状态，其相关产品应用广泛。目前，在市面上则是更多见于教学、科普和观赏等诸多领域，而且，以直立轴向的浮子结构居多。另有一些水平轴向的卧式磁悬浮产品，却是需要进行一个轴向维度的机械支撑，并非完整的磁悬浮机构，无助于磁悬浮概念的正确理解和把握。另外，大多数产品的启动阶段均需要手工进行浮子的放置，但需要一定的经验或练习，摸索到其磁场规律才能完成。这对于初次使用者而言，具有一定的操作困难。
[0003]CN204261350U号专利是在参照了门多西诺电机结构的基础上，公开了一种浮子可以按照水平轴向旋转的、具有比静止磁悬浮更具观赏性的玩具和科普装置，这种结构需要将悬浮体的一端以机械方式支撑在悬浮装置的托板上，以限制其轴向运动的自由度。如果按照前述定义严格说来，这个只能产生“半悬浮”效果的浮子并不能实现完整的六自由度磁悬浮状态。而CN2569440Y号专利公开了一种以电磁方式提供其水平轴向悬浮支撑的方法，以期解决前述浮子的不完全磁悬浮的问题。然而，在该方法所用装置中，其磁力线圈的轴向与浮子的轴向并不重合，所提供的电磁作用的效果只是在永久磁体原本固有的磁场方向上予以加强或减弱。具体体现在水平浮子的受控一端，则更多的是影响了径向的位移而并非轴向的位移，因此难以提供稳定的悬浮控制。CN111726038A号专利公开了一种浮子自动居中和位置提升方法，但其机械运动机构较为复杂，长期运行演示时难免发生故障。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是提供一种展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，以解决现有磁悬浮演示装置需要手工实现浮子初始置位和悬浮的问题，并实现浮子的受控转动。
[0005]本专利技术是这样实现的：一种展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，包括定子和浮子；所述定子包括底板、设置在底板上的左支架和右支架、设置在左支架上的浮子牵引线圈、设置在右支架上的定位线圈组和位置传感器、设置在底板中部的旋转驱动线圈组以及设置在底板上的左端托举磁体和右端托举磁体；所述浮子包括横置的轴杆、穿接在轴杆中部的旋转磁体组以及设置在轴杆端部的左端悬浮磁体和右端悬浮磁体；所述左端悬浮磁体与所述左端托举磁体上下相对，所述右端悬浮磁体与所述右端托举磁体上下相对，用以产生托举浮子的磁斥力；所述旋转磁体组中的磁体与所述旋转驱动线圈组中的线圈一一对应且上下相对，用以产生使浮子旋转的驱动力。
[0006]进一步地，所述左端托举磁体和所述右端托举磁体均是由两个圆柱形磁体并排间
隔设置而成；两个圆柱形磁体均为轴向充磁，且磁化方向一致，以在二者的中部形成稳定且均匀的托举磁场。
[0007]进一步地，所述左端悬浮磁体为圆柱形磁体，轴向充磁，并与左端托举磁体中磁体对的充磁方向相同；所述右端悬浮磁体为圆柱形磁体，轴向充磁，并与右端托举磁体中磁体对的充磁方向相同。
[0008]进一步地，所述定位线圈组包括有物理结构和电气参数相同的四个线圈，四个线圈分布在位置传感器的上、下、左、右的四个方位上，四个线圈分为上下一组和左右一组，每组中的两个线圈采用串联或并联方式相接，其通电电流的方向相反。
[0009]进一步地，所述位置传感器与定位线圈组中的四个线圈的距离相同，其突出于支架板面的高度为线圈高度的一半。
[0010]进一步地，所述旋转磁体组包括至少三个圆环状的永磁体，所述永磁体为径向充磁，并以等间距的方式穿接固定在所述轴杆上；各永磁体的磁场指向在轴杆的径向圆周上为等角度分配，即各永磁体以各自的磁极方向顺序等分浮子圆周角的角度。
[0011]进一步地，所述旋转驱动线圈组包括有与旋转磁体组中的永磁体数量相同的线圈，所有线圈沿长向一字排列在所述底板上，一个线圈与一个永磁体上下位置相对。
[0012]进一步地，左端悬浮磁体与右端悬浮磁体之间的设置间距不等于左端托举磁体与右端托举磁体之间的设置间距。
[0013]进一步地，旋转驱动线圈组中的线圈是沿着浮子的轴向呈线性排列的。
[0014]进一步地，旋转磁体组中的永磁体按照其磁极方向以螺旋方式安装。
[0015]本专利技术在电气上是由悬浮机构和旋转机构这两个相互独立的基本结构构成。其悬浮机构使用了间隔一定距离、相互独立的两个托举式磁悬浮节点，共同支撑一个水平轴向设置的、具有悬浮功能的浮子，在浮子两端各有一个轴向充磁的圆柱形悬浮磁体，分别受到定子两端的托举磁体的托举作用而实现稳定悬浮。浮子可以围绕轴杆自由转动，由此形成了一种磁悬浮技术与步进及同步电机控制技术相结合的可控悬浮、旋转的科教演示装置，还可作为一种桌面观赏摆件使用。
[0016]本专利技术是一种浮子可展示水平旋转状态的磁悬浮演示机构，系统中的浮子不仅能够稳定悬浮，而且可以受控旋转；特别是浮子的启停功能由自身的悬浮结构和电气环节予以保证，没有机械运动支撑结构，也不需要浮子的初始置位和初始悬浮的手动操作，并可大幅度降低自动悬浮运行与演示的故障率。
附图说明
[0017]图1是本专利技术磁悬浮演示系统的结构示意图。
[0018]图2是浮子牵引线圈的安装位置示意图。
[0019]图3是定位线圈组和位置传感器的布置示意图。
[0020]图4是左端的磁体悬浮关系图。
[0021]图5是右端的磁体悬浮关系图。
[0022]图6是本专利技术磁悬浮演示系统中左端磁体的径向受力分析图。
[0023]图7是本专利技术磁悬浮演示系统中右端磁体的轴向受力分析图。
[0024]图8是定位线圈组中同组线圈之间的磁力线构成图。
[0025]图9是旋转磁体组中各永磁体的磁极排列示意图。
[0026]图10是浮子加套筒后的本专利技术磁悬浮演示系统的结构示意图。
[0027]图11是系统控制器的结构框图。
[0028]图中：1、底板，2、浮子牵引线圈，3、左端悬浮磁体，4、轴杆，5、旋转磁体组，6、右端悬浮磁体，7、定位线圈组，8、浮子托垫，9、右端托举磁体，10、旋转驱动线圈组，11、左端托举磁体，12、位置传感器，13、左支架，14、右支架。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术做进一步详述。
[0030]如图1、图2、图3所示，本专利技术磁悬浮演示系统中的定子是在矩形平板状的底板1的一端设置有左支架13，在底板1的另一端设置有右支架14，左支架13与右支架14的板面相对。在左支架13的外侧面居中设置有浮子牵引线圈2；在右支架14的内侧面居中设置有浮子托垫8，在右支架14的外侧面居中设置有位置传感器12，在位置传感器12的上、下、左、右的四个方位上还分别设置一个线圈，四个线圈构成了针对浮子的定位线圈组7。在底板1的中部还设置有由四个线圈一字排列所组成的旋转驱动线圈组10，并且，这四个线圈是沿着浮子的轴向呈线性排列的。在左支架13内侧的底板1上还设置有左端托本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，包括定子和浮子，其特征是，所述定子包括底板、设置在底板上的左支架和右支架、设置在左支架上的浮子牵引线圈、设置在右支架上的定位线圈组和位置传感器、设置在底板中部的旋转驱动线圈组以及设置在底板上的左端托举磁体和右端托举磁体；所述浮子包括横置的轴杆、穿接在轴杆中部的旋转磁体组以及设置在轴杆端部的左端悬浮磁体和右端悬浮磁体；所述左端悬浮磁体与所述左端托举磁体上下相对，所述右端悬浮磁体与所述右端托举磁体上下相对，用以产生托举浮子的磁斥力；所述旋转磁体组中的磁体与所述旋转驱动线圈组中的线圈一一对应且上下相对，用以产生使浮子旋转的驱动力。2.根据权利要求1所述的展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，其特征是，所述左端托举磁体和所述右端托举磁体均是由两个圆柱形磁体并排间隔设置而成；两个圆柱形磁体均为轴向充磁，且磁化方向一致，以在二者的中部形成稳定且均匀的托举磁场。3.根据权利要求2所述的展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，其特征是，所述左端悬浮磁体为圆柱形磁体，轴向充磁，并与左端托举磁体中磁体对的充磁方向相同；所述右端悬浮磁体为圆柱形磁体，轴向充磁，并与右端托举磁体中磁体对的充磁方向相同。4.根据权利要求1所述的展示卧式转轴态的磁悬浮演示系统，其特征是，所述定位线圈组包括有物理结构和电气参数相同的四个线圈，四个线圈分布在位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钊，展永霞，聂昆仑，张坤，赵晓晨，李斌，张立辉，窦红，张焕，原硕朋，常盼盼，
申请(专利权)人：河北腾云信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：