拓扑轨道超导磁悬浮装置的制作方法

本发明总体上涉及磁悬浮，更特别地，涉及一种具有拓扑轨道的超导磁悬浮装置。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明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发明的示范性实施方式，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发明的范围。

图1是根据本发明一实施例的磁悬浮轨道的支承本体的立体图。

图2是根据本发明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示出根据本发明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是根据本发明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。因为本发明的磁悬浮轨道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具有将细长结构扭曲之后，再将其两端彼此连接而形成的形状。第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140采用与支承本体相同的旋转对称布置，可以确保支承本体110上的磁组件的连续性，不会在某处发生磁场突变。

具体而言，第一磁组件120包括第一永磁体122以及对称地设置在第一永磁体122的相对两侧的第二永磁体124和第三永磁体126。第二永磁体124和第三永磁体126可以具有与第一永磁体122相同或不同的尺寸。例如，第二永磁体124和第三永磁体126可以具有与第一永磁体122相同的厚度，从而提供平坦的表面，但是具有比第一永磁体122更小的宽度，这有助于在第一永磁体122上方形成后面详细论述的磁隧道。优选地，第二永磁体124和 第三永磁体126可以具有彼此相同的尺寸和形状。第一永磁体122的磁化方向可以垂直于支承本体110的第一表面112，例如竖直向上。换言之，第一永磁体122的北极(N极)设置为向上，南极(S极)设置为向下。第二永磁体124和第三永磁体126中的每个的磁化方向可以设置为与第一永磁体122的磁化方向反平行。换言之，第二永磁体124和第三永磁体126中的每个的南极(S极)设置为向上，北极(N极)设置为向下。

第二磁组件130包括第一永磁体132以及对称地设置在第一永磁体132的相对两侧的第二永磁体134和第三永磁体136。第三磁组件140包括第一永磁体142以及对称地设置在第一永磁体142的相对两侧的第二永磁体144和第三永磁体146。如前所述，为了确保第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140的旋转对称设置，所以第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140每个的第一至第三永磁体具有相同的物理布置和磁场性质，因此此处不再对第二磁组件130和第三磁组件140进行详细描述。

虽然上面参照附图2描述了第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140的具体磁化方向设置，但是应理解，这只是示范性的。在另一实施例中，可以采用相反的磁化方向设置，例如第一磁组件120的第一永磁体122的磁化方向设置为竖直向下，第二永磁体124和第三永磁体126的磁化方向设置为竖直向上，第二磁组件130和第三磁组件140可以采用类似的磁化方向设置。

顾名思义，第一、第二和第三永磁体122、124、126、132、134、136、142、144和146均可以由永磁材料制成，例如由NdFeB材料制成。并且，第一、第二和第三永磁体122、124、126、132、134、136、142、144和146每个可包括多块磁体，其沿轨道延伸方向布置，并且粘接在轨道表面上。

支承本体110可以采用铸造锻造法整体形成，或者可以采用多个块材焊接而成。支承本体110还可以采用3D打印技术打印而成。

应理解的是，虽然这里参照图2的截面图描述了第一磁组件120、第二磁组件130和第三磁组件140，以及支承本体110的第一表面112、第二表面114和第三表面116，但是如前所述，就图1所示的轨道形状而言，亦可以说其只具有一个表面，因为如前所述，第一至第三表面112、114和116彼此连接成一个连续表面，从图1所示的表面上的A点行进三圈之后，即可回到A点。从该意义上，亦可以说支承本体110只具有一个表面，且磁悬浮 轨道100只具有一个磁组件，其延伸在支承本体110的该一个表面上。应理解的是，这仅是描述方式的不同，无论如何描述，本发明的磁悬浮轨道100的形状、结构等是明确且清楚的。

图3示出图2所示的磁组件，例如第一磁组件120上方的磁场，即磁力线。如图3所示，磁力线从第一永磁体122的北极出发，分别到达第二永磁体124的南极和第三永磁体126的南极。在第一永磁体122上方磁场最强，向两侧朝向第二永磁体124和第三永磁体126，磁场逐渐减弱，然后在第二永磁体124和第三永磁体126上方磁场又变得较强，但是方向与第一永磁体122上方的磁场相反。

图4示出当超导磁悬浮体150悬浮于第一磁组件120上方时，第一磁组件120上方的磁场分布。如图4所示，当超导磁悬浮体150处于超导状态时，其具有抗磁性(即迈斯纳效应)，磁力线不能穿过超导磁悬浮体150。这样，在第一磁组件120上方的磁力线发生弯曲，形成一个隧道样的空间152，超导磁悬浮体150可以悬浮在该隧道空间152中。由于沿轨道延伸方向上，磁力线相同，所以悬浮的超导磁悬浮体150可以在该隧道中沿轨道方向自由移动。而在上、下、左和右另外四个方向上，超导磁悬浮体150移动时均需要克服磁力线做功，所以能将超导磁悬浮体150束缚在该隧道空间152中，而不会脱离磁悬浮轨道100。

图5示出第一磁组件120的横截面上的磁场分布。如图5所示，磁场在第一永磁体122上方最强，向两侧朝向第二永磁体124和第三永磁体126，磁场逐渐减弱，然后在第二永磁体124和第三永磁体126上方磁场又变得较强，只是方向与第一永磁体122上方的磁场相反。可以看出，通过在第一永磁体122的两侧设置第二永磁体124和第三永磁体126，并且将第二永磁体124和第三永磁体126的磁化方向设置为与第一永磁体122反平行，可以增大第一永磁体122两侧的分别与第二永磁体124和第三永磁体126的界面处的磁场梯度，从而加强对超导磁悬浮体150的磁束缚。

可以理解的是，其他结构的磁组件也是可行的。例如，磁组件可以包括单个磁体，其亦可以实现磁悬浮，但是具有较弱的磁束缚，因此稳定性较差。另一方面，磁组件可以具有更多永磁体，例如具有S-N-S-N-S结构，以提高悬浮于其上(或其下)的超导体的平稳性。

返回参照图1，由于磁悬浮轨道100具有旋转对称的横截面以及扭曲连 接形状，所以其可以提供各种悬浮位置。例如，从图1所示的A点出发，超导磁悬浮体150行进三圈之后，将回到A点位置。在该行进过程中，可以将超导磁悬浮体150的轨迹分解为沿轨道轴前进和绕轨道轴旋转这两种运动，三圈之后，绕轨道轴旋转了一圈，即360度。因此在该过程中，超导磁悬浮体150经历了各种悬浮位置，从浮于轨道上方旋转到悬吊在轨道下方，再继续旋转回到浮于轨道上方。因此，通过提供磁悬浮轨道100，可以演示超导磁悬浮体150的各种不同的磁悬浮状态。而且，由于磁束缚，超导磁悬浮体150其始终被束缚在轨道的表面上方的磁隧道中，不会脱离轨道。

本发明的超导磁悬浮体150可包括非理想第II类超导体，或由其制成。第I类超导体具有完全排除磁通的迈斯纳效应，即完全抗磁性。它从迈斯纳态变为正常态时，不存在任何中间状态。第II类超导体由迈斯纳态变为正常态或处在临界磁场窗口内的磁场中由正常态转变为超导态时，需要经过一个中间混合态。处于中间混合态时，部分磁通可穿过超导体，属于抗磁性不完全的超导状态。第II类超导体又可以分为理想的第II类超导体和非理想第II类超导体。图6示出非理想第II类超导体的I-H特性曲线。如图6所示，当外磁场H小于下临界磁场Hc1时，非理想第II类超导体具有完全抗磁性；当外磁场H大于下临界磁场Hc1且小于上临界磁场Hc2时，非理想第II类超导体处于中间混合态，临界电流I不为零。当外磁场H大于上临界磁场Hc2时，非理想第II类超导体进入正常状态。对于理想第II类超导体而言，在Hc1至Hc2之间的混合状态中，临界电流I几乎等于零。已知的是，许多高温超导体例如YBaCuO都属于非理想第II类超导体。

图7示出处于磁场中的正常状态的超导体。如图7所示，磁场可以自由地穿过正常状态的超导体。而当非理想第II类超导体处于混合状态时，会有部分磁场穿透超导体。产生穿透的位置是量子化的，如图8所示，在超导磁悬浮体150内产生了分离的磁通管道。超导磁悬浮体150被这些磁通管道钉扎住，从而实现磁悬浮，因此这种现象也称作“超导磁通量子锁定”。

当超导磁悬浮体150足够薄的时候，其内的磁通管道可因超导磁悬浮体150的悬浮姿势而发生变化。例如，初始状态时，超导磁悬浮体150可以平行于磁悬浮轨道100的表面而漂浮于其上。当改变超导磁悬浮体150的姿势，例如使其倾斜设置，从而其平面相对于磁悬浮轨道100的表面成一角度时，超导磁悬浮体150的磁通管道可以发生偏转，从而将超导磁悬浮体150钉扎 在该倾斜位置。而如果超导磁悬浮体150较厚时，其内的磁通管道难以发生这种偏转，而是将其钉扎在初始状态。例如，当使超导磁悬浮体150处于倾斜布置时，磁场钉扎将使超导磁悬浮体150恢复到初始的平行姿势。

为了能将超导磁悬浮体150钉扎在不同的姿势，超导磁悬浮体150的厚度应足够薄，例如在10nm至15mm之间，优选在100nm至1mm之间。这样，超导磁悬浮体150能以不同的姿势悬浮，并且保持这种姿势沿磁悬浮轨道100滑行。

上面描述了支承本体110具有正三角形横截面，其扭转角度可以是120度的整数倍。应理解的是，本发明不限于具有正三角形横截面的支承本体110。图9示出具有正方形横截面的支承本体210，其表面尚未贴装磁组件。正方形具有旋转对称结构，旋转角度是90度(360/4)。可以将具有正方形横截面的细长结构绕长轴扭转预定角度后，将两端对接而形成本发明的磁悬浮轨道，所述预定角度可以是旋转角度(90度)的整数倍，例如1倍、2倍、3倍、4倍、5倍等。图9示出1倍时的轨道，虽然未示出，但是磁组件可以粘接到正方形的四个表面上。对于图9所示的轨道，磁悬浮单元140旋转1440度(或4圈)后回到初始位置。图9所示装置的其他方面与前述实施例相同，此处不再赘述。

也就是说，本发明的磁悬浮轨道的支承本体可以具有任何正多边形横截面，包括正三角形、正方形、正五边形、正六边形等，其均具有旋转对称性，旋转角度等于360度除以边数，即360/N，其中N是旋转对称表面的数量，大于等于3。支承本体可以是将具有所述旋转对称横截面的细长结构绕长轴扭转n×360/N度之后，将两端对接而形成的闭合环形形状，其中n是大于等于1的正整数，优选为1。在一示例中，n优选不等于N。这样，横截面形状的一个表面在扭转之后将会连接到横截面形状的另一个表面。此外，第一至第N磁组件可以分别设置在所述细长结构的N个旋转对称的表面上，并且所述第一至第N磁组件亦呈旋转对称设置。

虽然上面描述了支承本体可以具有正多边形横截面，但是应理解的是，所述正多边形可以具有倒圆角或斜切角，以减小相邻表面上的磁体之间的相互影响。此外，支承本体中还可以形成有内部孔洞，利用用于引导其内的磁通走向。即使存在倒圆角、斜切角或内部孔洞，仍可以说其具有正多边形形状。

上面描述了本发明的拓扑轨道超导磁悬浮装置。该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拓扑几何、磁学以及超导现象，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。虽然上面未描述，但是超导磁悬浮体140上可以载有诸如低温辅助及其他非磁性载荷，使超导磁悬浮体150保持在超导状态同时完成运输任务。

虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。