專利名稱：微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型主要涉及到磁懸浮控制領(lǐng)域，特指一種適用于禮品或展示用的磁懸浮
直O(jiān)
背景技術(shù) 磁懸浮裝置從懸浮原理上可分為電磁吸力型懸浮裝置和永磁斥力型懸浮裝置?；陔姶盼υ淼膽腋⊙b置應(yīng)用最為廣泛。它是通過可控電磁鐵吸引鐵磁性懸 浮物，使之無接觸地懸浮在空中。磁懸浮球裝置就是其中的典型應(yīng)用，它通過安裝在懸浮支 架頂部的電磁鐵吸引位于其下方的小鐵球，當吸力與小球重力相等時，小球就能漂浮在空 中。這種懸浮裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)；但是由于懸浮物上方還有其他必備裝置，因此影響 觀賞性。另外，這類裝置也無法用于那些不允許在懸浮物上方安裝設(shè)備的應(yīng)用場合。永磁斥力型懸浮裝置分別在底座和懸浮物上安裝有磁性相反的永久磁鐵，利用永 久磁鐵“同性相斥”的原理實現(xiàn)懸浮。但是該原理無法使物體穩(wěn)定地懸浮在空中。為此，通 ?？梢酝ㄟ^安裝垂向的限位裝置使懸浮物固定懸浮在一定范圍內(nèi)，但是這種結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)和 維護難度較大，并存在永久磁鐵破損、飛落等潛在危險。另一種方法是利用永磁鐵快速滑過 導(dǎo)線圈時感生的渦流的斥力，實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，這種系統(tǒng)是自穩(wěn)定的。但是其無法實現(xiàn)靜態(tài)懸 浮，且懸浮時存在振動問題，難以使用。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本實用新 型提供一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、供耗低、工作穩(wěn)定可靠的微功耗永磁斥力 型磁懸浮裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用以下技術(shù)方案。一種微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，包括底座、懸浮物以及懸浮控制機構(gòu)，所述底 座和懸浮物上裝設(shè)有磁性相反的永磁體，其特征在于所述底座上設(shè)有兩個沿底座中軸線 呈對稱布置的永磁鐵以及兩個沿底座中軸線呈對稱布置的電磁鐵，所述懸浮控制機構(gòu)包括 傳感器單元和主控制單元，所述傳感器單元用來檢測懸浮物到底座中軸線的距離，所述主 控制單元接收傳感器單元傳送來的信號并將處理后的控制信號傳送給電磁鐵。其中，底座 所設(shè)永磁體與懸浮物所設(shè)永磁體之間的斥力能克服懸浮物重力實現(xiàn)懸浮，而懸浮控制機構(gòu) 能使底座所設(shè)電磁鐵對懸浮物所設(shè)永磁鐵產(chǎn)生適當?shù)奈?斥力，從而確保懸浮的穩(wěn)定 性。作為本實用新型的進一步改進所述傳感器單元包括一個以上安裝于底座上的霍爾傳感器。所述傳感器單元為一個霍爾傳感器，所述霍爾傳感器安裝于底座中軸線上。所述傳感器單元為兩個霍爾傳感器，所述兩個霍爾傳感器裝設(shè)于底座中軸線的兩 側(cè)并呈對稱布置，所述兩個霍爾傳感器的檢測面朝向相反。[0012]所述懸浮控制機構(gòu)中包括微功耗控制電路單元，所述微功耗控制電路單元包括電 流反饋傳感器和處理器，所述電流反饋傳感器用來檢測電磁鐵得到的實際電流值I。，處理 器將實際電流值I0與期望電流值L進行比較得到誤差值，并將得到的誤差值處理后得出控 制信號，處理器輸出的控制信號送至主控制單元并與主控制單元輸出的控制信號疊加后傳 送給電磁鐵。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點就在于 (1)本實用新型的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、操作 簡便、懸浮穩(wěn)定范圍更大，且懸浮物易放置、抗干擾力強。(2)本實用新型的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，采用微功耗控制電路單元，利用 電流反饋，使電磁鐵的額定工作電流降低至幾十毫安，而普通磁懸浮裝置的則達到上百毫 安，因此更加節(jié)能；懸浮裝置功耗低，可以用電池供電實現(xiàn)長時間穩(wěn)定懸浮。(3)本實用新型的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，可采用電池和市電雙電源供電 系統(tǒng)，解決了普通永磁斥力型懸浮裝置掉電后懸浮物跌落的問題。(4)本實用新型的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，變化磁場弱，對外界的磁輻射 弱，因而更加環(huán)保、安全，不會對人體造成傷害。

圖1是本實用新型的主視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型中底座的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2中A-A處的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型中懸浮控制機構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是具體實施例中傳感器單元的電路原理示意圖；圖6是具體實施例中微功耗控制電路單元的電路原理示意圖；圖7是傳感器單元為一個霍爾傳感器時的布置示意圖；圖8是傳感器單元為兩個霍爾傳感器時的布置示意圖。圖例說明1、底座；101、永磁鐵；102、電磁鐵；2、懸浮物；3、懸浮控制機構(gòu)；301、傳感器單元； 3011、霍爾傳感器；3012、傳感器信號處理單元；302、主控制單元；303、微功耗控制電路單 元；3031、電流反饋傳感器；3032、處理器；304、功率放大電路單元。
具體實施方式
以下將結(jié)合具體實施例和說明書附圖對本實用新型做進一步詳細說明。如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，包括底座1、 懸浮物2以及懸浮控制機構(gòu)3，底座1和懸浮物2上裝設(shè)有磁性相反的永磁體，永磁體通常 選用釹鐵硼材料，懸浮物2內(nèi)永磁鐵的磁場方向要與底座1垂直，懸浮物2位于底座1的上 方。參見圖1，永久磁鐵的外形尺寸可根據(jù)懸浮物的形狀而定。底座1上設(shè)有兩個沿底座1 中軸線呈對稱布置的永磁鐵101以及兩個沿底座1中軸線呈對稱布置的電磁鐵102，永磁 鐵101和電磁鐵102均為圓柱形磁鐵。懸浮控制機構(gòu)3裝設(shè)于底座1的下方。兩個永磁鐵 101和兩個電磁鐵102呈菱形布置且以底座1的中心軸為中心，其中，兩個永磁鐵101處在一條對角線上，而兩個電磁鐵102處在另一對角線上，這兩條對角線相互垂直。兩個永磁鐵101用來限制懸浮物2在一個水平方向的移動，當懸浮物2正好位于 底座1的中心軸上時，受到兩個永磁鐵101的斥力在該水平方向正好抵消，從而使懸浮物2 在該方向處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。兩個電磁鐵102控制懸浮物2在另一個水平方向的移動，電 磁力可以是吸力，也可以是斥力，從而可以控制懸浮物2在該方向上做左、右移動，通過適 當?shù)目刂?，就能使之穩(wěn)定地懸浮在底座1的中心軸上。當兩個方向都穩(wěn)定時，懸浮物2就能 懸浮在底座1的上方。如圖4和圖5所示，懸浮控制機構(gòu)3包括傳感器單元301和主控制單元302，傳感 器單元301用來檢測懸浮物2到底座1中軸線的距離，主控制單元302接收傳感器單元301 傳送來的信號并將處理后的控制信號傳送給電磁鐵102。傳感器單元301包括兩個安裝于 底座1中軸線上的霍爾傳感器3011和一個用來處理傳感器采集到信號的傳感器信號處理 單元3012。為了消除電磁鐵激勵磁場對懸浮物2磁場的共模干擾，參見圖8，本實施例中， 傳感器單元301使用兩個相同型號的霍爾傳感器3011，并且對稱地安裝在底座1中軸線兩 側(cè)，檢測朝向相反(即上面的霍爾傳感器3011的檢測面為正面，下面的霍爾傳感器3011的 檢測面為反面)，從而同時檢測到兩路混有相同幅度干擾信號的位置信號，并在后續(xù)處理中 對消干擾，提高位置檢測的準確度，進而改善懸浮穩(wěn)定性。參見圖7，在另外一個實施例中， 也可以傳感器單元301為一個霍爾傳感器3011，霍爾傳感器3011安裝于底座1中軸線上。 傳感器信號處理單元3012的輸出端與主控制單元302相連。主控制單元302的輸出端與 電磁鐵102之間設(shè)有功率放大電路單元304，本實施例中功率放大電路單元304采用H橋 推挽放大器，負責(zé)將控制信號轉(zhuǎn)換成大電流，以驅(qū)動電磁鐵102產(chǎn)生控制磁場，根據(jù)控制信 號的不同，放大電路可輸出雙向電流。功率元件可選用三極管或M0SFET。為了消除電磁鐵 激勵磁場對懸浮物2磁場的共模干擾，本實施例特使用兩個相同型號的霍爾傳感器3011， 并且對稱地安裝在底座1的中軸線上，從而同時檢測到兩路混有相同幅度干擾信號的位置 信號，以便在后續(xù)處理中對消干擾，提高位置檢測的準確度，進而改善懸浮穩(wěn)定性。傳感器 信號處理單元3012要將來自霍爾傳感器3011的微弱信號(通常為毫伏級)放大至利用主 控制單元302使用的較大幅度信號(伏級)，因此通常需要采用高增益、高精度放大電路實 現(xiàn)，但是這樣的成本較高。本實施例采用多個普通運放組成儀表放大器，實現(xiàn)高增益精確放 大，以較低成本獲得了與高性能放大器件相同的效果。如圖5所示，Kl和K2組成共模抑制 電路，能有效抑制傳感器信號中混有的共模電壓噪聲，K3構(gòu)成放大級電路，對有效信號進行 放大。每路傳感器的輸出信號都分別經(jīng)過一個圖5所示的電路，得到兩個初步放大的信號； 然后將這兩個信號再經(jīng)過1個圖5所示電路，目的是消除因電磁鐵電流引起而混入兩個傳 感器中的噪聲，最終得到真實的位置信號。如圖6所示，本實施例中，懸浮控制機構(gòu)3中還包括微功耗控制電路單元303，微 功耗控制電路單元303能通過比例積分控制使得當裝置穩(wěn)定懸浮時，電磁鐵的實際電流接 近零安培，從而實現(xiàn)微功耗懸浮。微功耗控制電路單元303 (K4和K5)包括電流反饋傳感器 3031和處理器3032，電流反饋傳感器3031用來檢測電磁鐵102得到的實際電流值I。，處理 器3032將實際電流值I。與期望電流值I,進行比較得到誤差值，并將得到的誤差值處理后 得出控制信號，處理器3032輸出的控制信號送至主控制單元302并與主控制單元302輸出 的控制信號疊加后傳送給電磁鐵102。其工作原理是電流反饋傳感器3031檢測得到的電磁鐵102的電流值I。，與期望的電流值I,比較后，得到的誤差先經(jīng)K4放大，再經(jīng)K5積分處 理后，得出適當?shù)目刂菩盘枺撔盘柉B加在主控制單元302輸出的控制信號上，將產(chǎn)生合適 的控制力，能迫使懸浮物2朝著穩(wěn)態(tài)工作電流減小的方向移動。這樣構(gòu)成的電流反饋回路， 能使懸浮系統(tǒng)在穩(wěn)定懸浮時，電磁鐵102的電流幾乎為零，從而實現(xiàn)微功耗懸浮。微功耗控 制電路單元303和主控制單元302可以用兩個模擬電路分別實現(xiàn)，也可以集成在同一個數(shù) 字信號處理芯片中。微功耗控制電路單元303的有益之處在于，第一，根據(jù)微功耗控制電路單元303的 原理可知，當懸浮物2位于理想中心位置附近時，懸浮控制機構(gòu)3就能自動地迫使懸浮物2 歸中，因此更容易放置。第二，微功耗控制電路單元303能使懸浮物2準確地懸浮在底座1 的中軸線上，與同類系統(tǒng)相比，其位置居中性更好，產(chǎn)品的一致性更好。第三，由于能實現(xiàn) 微功耗工作，因此可以采用電池供電，若在此基礎(chǔ)上構(gòu)成雙電源供電系統(tǒng)，則即使突然斷市 電，也能由電池維持較長的時間懸浮且不跌落，這就提高了系統(tǒng)的適用性和安全性。第四， 由于穩(wěn)態(tài)懸浮時電磁鐵102的電流幾乎為零，因此系統(tǒng)周圍的交變磁場極弱，不會對其他 電子設(shè)備的產(chǎn)生威脅，因此更環(huán)保、更安全。本裝置通電工作后，將懸浮物2放置于底座1中軸線附近。此時傳感器單元301中 位于中軸線上的霍爾傳感器3011開始檢測懸浮物2的懸浮位置，并輸出檢測信號給傳感器 信號處理單元3012，傳感器信號處理單元3012將接收到的檢測信號放大后傳送給懸浮主 控制單元302，主控制單元302將信號處理后又傳送至功率放大電路單元304，功率放大電 路單元304將控制信號轉(zhuǎn)換成大電流信號，輸出至電磁鐵102進而產(chǎn)生控制磁場，并維持懸 浮物穩(wěn)定懸浮。但是，此時懸浮物可能并非位于底座的幾何中心，因此電磁鐵電流較大。為 此需要增加微功耗控制，具體過程為微功耗控制電路單元303中的電流反饋傳感器3031 將檢測到的電磁鐵的工作電流信號傳送給處理器3032。處理器3032將實際電流值I。與期 望電流值I,進行比較得到誤差值，再將得到的誤差值處理后輸出控制信號，處理器3032輸 出的控制信號送至主控制單元302并與主控制單元302輸出的控制信號疊加后傳送給電磁 鐵102，電磁鐵102產(chǎn)生相應(yīng)的控制磁場能將懸浮物2的懸浮位置調(diào)整至底座的幾何中心軸 上，實現(xiàn)微功耗懸浮。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于 上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術(shù)方案均屬于本實用新型的保護范圍。應(yīng)當指 出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和 潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求一種微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，包括底座(1)、懸浮物(2)以及懸浮控制機構(gòu)(3)，所述底座(1)和懸浮物(2)上設(shè)有磁性相反的永磁體，其特征在于所述底座(1)上設(shè)有兩個沿底座(1)中軸線呈對稱布置的永磁鐵(101)以及兩個沿底座(1)中軸線呈對稱布置的電磁鐵(102)，所述懸浮控制機構(gòu)(3)包括傳感器單元(301)和主控制單元(302)，所述傳感器單元(301)實時檢測懸浮物(2)到底座(1)中軸線的距離，所述主控制單元(302)接收傳感器單元(301)傳送來的信號并將處理后的控制信號傳送給電磁鐵(102)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，其特征在于所述傳感器單 元(301)包括一個以上安裝于底座(1)上的霍爾傳感器(3011)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，其特征在于所述傳感器單 元(301)為一個霍爾傳感器(3011)，所述霍爾傳感器(3011)安裝于底座(1)中軸線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，其特征在于所述傳感器單 元(301)為兩個霍爾傳感器(3011)，所述兩個霍爾傳感器(3011)裝設(shè)于底座(1)中軸線的 兩側(cè)并呈對稱布置，所述兩個霍爾傳感器(3011)的檢測面朝向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，其特征在于 所述懸浮控制機構(gòu)(3)中包括微功耗控制電路單元(303)，所述微功耗控制電路單元(303) 包括電流反饋傳感器(3031)和處理器(3032)，所述電流反饋傳感器(3031)用來檢測電磁 鐵(102)中的實際電流值Io，處理器(3032)將實際電流值Io與期望電流值Ir進行比較得 到誤差值，并將得到的誤差值處理后得出控制信號，處理器(3032)輸出的控制信號送至主 控制單元(302)并與主控制單元(302)輸出的控制信號疊加后傳送給電磁鐵(102)。
專利摘要一種微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置，包括底座、懸浮物以及懸浮控制機構(gòu)，所述底座和懸浮物上設(shè)有磁性相反的永磁體，所述底座上設(shè)有兩個沿底座中軸線呈對稱布置的永磁鐵以及兩個沿底座中軸線呈對稱布置的電磁鐵，所述懸浮控制機構(gòu)包括傳感器單元和主控制單元，所述傳感器單元用來檢測懸浮物到底座中軸線的距離，并將距離量轉(zhuǎn)化為電信號，所述主控制單元接收傳感器單元傳送來的信號并將處理后的控制信號傳送給電磁鐵，使電磁鐵對懸浮物產(chǎn)生適當大小的吸引/排斥力，從而改變懸浮物的位置，使之穩(wěn)定地懸浮在底座中心點正上方的固定高度處。本實用新型是一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低廉、操作簡便、功耗低、懸浮穩(wěn)定的微功耗永磁斥力型磁懸浮裝置。
文檔編號H02N15/00GK201594802SQ20092031638
公開日2010年9月29日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者劉翔, 姚彥斌, 張鼎, 黃從爭, 龍功運, 龔江春 申請人:深圳博迪恒業(yè)科技有限公司