一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统的制作方法

本实用新型涉及磁浮旋转支撑装置技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统。

背景技术：

磁浮是一种现代化悬浮技术，该技术通过磁场作用力，在不接触的条件下，控制两个物体之间的相对位置，常见的实现方式包括常导吸引式磁浮、常导排斥式磁浮、超导式磁浮。

常导排斥式磁浮，通常被称作“下推磁悬浮”，具有悬浮物体重心高于磁浮基座的特点。由于安装误差或基座倾斜，常导排斥式磁浮往往存在悬浮物体重心偏离磁浮平衡轴的情况；在重力力矩的作用下，悬浮物体开始绕磁浮平衡轴进行旋转运动；但是，该旋转运动并非匀速运动，且其角速度不易调节。

常导吸引式磁浮，通常被称作“上拉磁悬浮”，具有悬浮物体重心低于磁浮基座的特点。该悬浮物体的重心通常位于竖直的磁浮平衡轴上，并不能引起自发旋转运动。由于悬浮物体与外界并无机械接触，往往采用基于空气动力学的马达螺旋桨或基于电磁感应原理的交流电线圈驱动悬浮物体的旋转运动。但是，高速旋转的螺旋桨会对原有的磁浮系统造成机械振动干扰，降低磁浮系统的稳定性；交流电线圈固定在悬浮物体附近，而两者之间的水平位置关系难以精确控制，结构复杂且能耗大。

现有的常导吸引式磁浮系统亟需一种与之配套且行之有效的旋转驱动解决方案，为此我们提出一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统，包括支架，所述支架设置有控制器，所述控制器设置有固定供电系统和功率放大电路，所述支架的端部向下设置有线圈，所述线圈的底部设置有测距组件，所述线圈的下方设置有非接触的悬浮部；所述悬浮部包括悬浮主体，所述悬浮主体设置有永磁体、悬浮供电系统和旋转机构，所述永磁体的安装高度位于悬浮部的重心高度以上，所述旋转机构包括设置在悬浮主体上的马达和与马达的转轴相连的旋转体。

优选地，所述支架通过固定永磁体与线圈连接，所述线圈设置有采用高导磁软磁材料的铁芯，所述高导磁软磁材料包括电工纯铁、低碳钢、硅钢、铁镍合金、铁基或钴基非晶态合金、铁氧体。

优选地，所述测距组件采用红外线或霍尔效应中的任意一种工作方式。

优选地，所述控制器采用模拟控制电路或数字控制程序中的任意一种工作方式。

优选地，所述悬浮供电系统采用无线供电、太阳能面板或电池中的任意一种工作方式。

优选地，所述悬浮主体设置有遥控组件，所述遥控组件的工作方式为无线通信的方式。

优选地，所述旋转机构可以设置多组，每个所述马达至少驱动一件旋转体绕竖直轴进行旋转运动，且所述旋转体完全或部分向悬浮部外暴露。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1、原理简单：角动量守恒定律属于经典物理范畴，通俗易懂，清晰可靠；

2、操作简便：悬浮主体和旋转体从马达获得驱动力矩，马达的驱动力矩方向和输出功率直接影响两者旋转运动的方向和角速度，两者的竖直角动量亦增加了磁浮旋转系统抵御环境扰动的稳定性；

3、结构灵活：驱动马达设置在悬浮部上，摆脱了对外界结构的依赖；

4、安静节能：悬浮部与线圈或外界结构均无机械接触，空气阻力是磁浮旋转系统的主要阻力来源；磁浮旋转系统稳定运行时，可以给人一种放松安静的体验。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统的实施例一的结构示意图；

图2为图1的平面结构示意图；

图3为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统中测距组件、线圈和固定永磁体的连接结构示意图；

图4为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统中控制器、固定供电系统和功率放大电路的连接结构示意图；

图5为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统的工作原理图；

图6为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统中实施例一的“空气阻力力矩-角速度”分析图；

图7为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统的实施例二的结构示意图；

图8为本实用新型提出的一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统的实施例三的结构示意图。

图中：1、支架；2、控制器；3、固定供电系统；4、功率放大电路；5、测距组件；6、线圈；7、固定永磁体；8、悬浮主体；9、永磁体；10、马达；11、旋转体；12、悬浮供电系统；13、遥控组件。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-8，一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统，包括支架1，支架1设置有控制器2，控制器2设置有固定供电系统3和功率放大电路4，支架1的端部向下设置有线圈6，线圈6的底部设置有测距组件5，线圈6的下方设置有非接触的悬浮部；悬浮部包括悬浮主体8，悬浮主体8设置有永磁体9、悬浮供电系统12和旋转机构，永磁体9的安装高度位于悬浮部的重心高度以上，旋转机构包括设置在悬浮主体8上的马达10和与马达10的转轴相连的旋转体11。

其中，固定供电系统3为控制器2、功率放大电路4、测距组件5和线圈6提供电量。测距组件5设置于相对应线圈6的底部，测距组件5对线圈6的下表面和与其对应的永磁体9之间的非接触距离进行测量和表征，并传递距离信号至控制器2，控制器2依据距离设定值和接收的距离信号产生控制信号，功率放大电路4根据控制信号调节线圈6两端直流电压的大小，线圈6与永磁体9之间产生磁场作用力，使悬浮部稳定悬浮于线圈6的下方；当环境扰动致使距离信号大于距离设定值时，控制器2将调高线圈6两端直流电压，使线圈6与永磁体9之间的磁场作用力增大并抬升悬浮部，从而降低距离信号，反之亦然；线圈6与永磁体9之间的非接触距离，即悬浮距离，一般控制在0.1～10毫米之间，由距离设定值决定。

其中，支架1通过固定永磁体7与线圈6连接。为了节约用电量，线圈6的上表面设置有适宜结构、适宜强度、适宜方向的固定永磁体7，以增强不通电情况下悬浮部受到的磁场作用力；所谓“适宜”即表示，固定永磁体7与永磁体9之间的磁场作用力能平衡一部分的悬浮部所受重力，使线圈6在更小的线圈电压下即可实现悬浮部的稳定悬浮。同样为了节约用电量，线圈6设置有采用高导磁软磁材料的铁芯，以增强线圈6与永磁体9之间的磁场作用力；高导磁软磁材料包括电工纯铁、低碳钢、硅钢、铁镍合金、铁基或钴基非晶态合金、铁氧体。

其中，测距组件5对线圈6的下表面和与其对应的永磁体9之间的非接触距离进行测量和表征采用红外线或霍尔效应中的任意一种工作方式。如果采用光学原理，比如红外线，则需要在永磁体9的相应位置安装反光材料；如果采用电磁学原理，比如霍尔效应，则可以直接利用永磁体9产生的磁场进行测量和表征。在以下三个实施例中，测距组件5采用itr8307红外线距离感受器，并紧贴线圈6下表面的正中央位置。

其中，控制器2采用模拟控制电路或数字控制程序中的任意一种工作方式对距离信号进行处理，以产生控制信号。如果采用模拟控制电路，控制器2是pid(proportionalintegralderivative，比例积分导数)控制电路；如果采用数字控制程序，控制器2依靠单片机对测距组件5产生的距离信号进行高频取样，并采用pid控制、模糊控制或预测控制中的任意一种工作方式。

其中，功率放大电路4根据控制信号调节线圈6两端直流电压的大小，线圈6与永磁体9之间产生磁场作用力，使悬浮部稳定悬浮于线圈6的下方，功率放大电路4可包含放大偏置或反相放大等功能，采用现有技术中可实施的方案进行控制信号的功率放大即可。

其中，为了使用户操作更加便捷，悬浮主体8设置有遥控组件13，遥控组件13的工作方式为无线通信的方式；遥控组件13接收用户指令并调整悬浮部的设置参数，比如马达10的驱动力矩方向或输出功率。

其中，悬浮供电系统12采用无线供电、太阳能面板或电池中的任意一种工作方式，并为马达10和遥控组件13提供电量。在以下三个实施例中，悬浮供电系统12采用电池。

其中，旋转机构可以设置多组，每个马达10至少驱动一件旋转体11绕竖直轴进行旋转运动，且旋转体11完全或部分向悬浮部外暴露。这样，旋转体11绕竖直轴进行旋转运动，其向外暴露部分受到空气阻力，并对悬浮部产生不为零的合力矩；根据“角动量守恒定律”，旋转体11受到的空气阻力力矩将进一步驱动悬浮主体8绕竖直轴、沿相反方向进行旋转运动。具体的受力分析参见实施例一。

实施例一

参照图1-6，为本实施例一的结构示意图，一种基于角动量守恒定律的常导吸引式磁浮旋转系统，包括支架1，支架1设置有控制器2，控制器2设置有固定供电系统3和功率放大电路4，支架1的端部通过固定永磁体7向下设置有线圈6，线圈6的底部设置有测距组件5，线圈6的下方设置有非接触的悬浮部；控制器2采用模拟pid控制电路；固定供电系统3采用usb5v供电接口，并为控制器2、功率放大电路4、测距组件5和线圈6提供电量；测距组件5采用itr8307红外线距离感受器；线圈6设置有采用高导磁软磁材料的铁芯，并使悬浮部稳定悬浮于线圈6的下方；悬浮部包括悬浮主体8，悬浮主体8设置有永磁体9、悬浮供电系统12、遥控组件13和旋转机构；永磁体9的安装高度位于悬浮部的重心高度以上；悬浮供电系统12采用电池，并为遥控组件13和旋转机构提供电量；旋转机构包括一个马达10和一件旋转体11；马达10将旋转体11连接于悬浮主体8的下方，并驱动旋转体11和悬浮主体8绕同一竖直轴、沿相反方向进行旋转运动。

为了实现稳定且可控的旋转运动，旋转体11在马达10的驱动下绕竖直轴进行旋转运动并受到空气阻力力矩；基于角动量守恒定律，悬浮主体8也在马达10的驱动下绕竖直轴进行旋转运动；针对这一物理过程，可以采用如下受力分析：

设马达10的输出功率为p马达；在稳恒条件下，设悬浮主体8旋转运动的角速度为w悬浮主体，设旋转体11旋转运动的角速度为w旋转体。

考虑到空气阻力是悬浮主体8和旋转体11进行旋转运动时的主要阻力来源；设悬浮主体8受到的空气阻力力矩为t阻，悬浮主体，与其角速度w悬浮主体有如下函数关系，

t阻，悬浮主体＝f悬浮主体(w悬浮主体)

设旋转体11受到的空气阻力力矩为t阻，旋转体，与其角速度w旋转体有如下函数关系，

t阻，旋转体＝f旋转体(w旋转体)

一般而言，f悬浮主体是w悬浮主体的增函数，f旋转体也是w旋转体的增函数。

由角动量守恒定律可知，悬浮主体8受到的空气阻力力矩与旋转体11受到的空气阻力力矩等大反向，

t阻，悬浮主体＝t阻，旋转体＝t阻

又由能量守恒定律可知，马达10的输出功率等于悬浮主体8与旋转体11受到的空气阻力做功之和，

p马达＝t阻，悬浮主体w悬浮主体+t阻，旋转体w旋转体＝t阻(w悬浮主体+w旋转体)

即，

w悬浮主体+w旋转体＝p马达/t阻

图6是一幅两条“空气阻力力矩-角速度”曲线反向叠加的分析图。横轴代表悬浮主体8与旋转体11的角速度，w悬浮主体和w旋转体；w悬浮主体的增大方向向右，而w旋转体的增大方向向左，且两者的变化区间均为[0,p马达/t阻]。两纵轴分别代表悬浮主体8与旋转体11受到的空气阻力力矩，t阻，悬浮主体(左轴)和t阻，旋转体(右轴)；两者的增大方向均向上。所以，悬浮主体8的“空气阻力力矩-角速度”曲线(t阻，悬浮主体＝f悬浮主体(w悬浮主体))与旋转体11的“空气阻力力矩-角速度”曲线(t阻，旋转体＝f旋转体(w旋转体))有相反的斜率。图6中，两条曲线的交点就是悬浮主体8与旋转体11两者各自的角速度(w悬浮主体和w旋转体)和空气阻力力矩(t阻)在稳恒条件下的解。如图6所示，若t阻，悬浮主体随着w悬浮主体的增长速度比t阻，旋转体随着w旋转体的增长速度快，则在稳恒条件下w悬浮主体比w旋转体小。

由图6可知，在稳恒条件下，对于悬浮主体8与旋转体11两者而言，空气阻力力矩(t阻)随角速度(w)的增长速度较快的物体，则拥有较慢的角速度(w)。一般而言，较复杂的几何外形、较大的表面积等因素，加快物体受到的空气阻力力矩(t阻)随角速度(w)的增长速度。

由于空气阻力比机械摩擦要小得多，所以一个较小的马达10输出功率，即可实现悬浮主体8与旋转体11之间较快速的相对旋转运动；且马达10的驱动力矩方向直接决定了两者旋转运动的方向，马达10的输出功率则直接影响两者旋转运动的角速度。同时，悬浮主体8与旋转体11的竖直角动量亦可增加悬浮部抵御环境扰动的稳定性。

值得指出的是，以上的受力分析着重考虑了悬浮主体8与旋转体11绕竖直轴的旋转运动。若马达10驱动旋转体11旋转运动的角速度有一个不为零的水平分量，则该水平分量会引起一个不为零的绕某一水平轴的空气阻力力矩。由磁浮旋转系统的结构可知，悬浮主体8并不能绕任何水平轴进行旋转运动；而该水平空气阻力力矩将驱动悬浮部倾斜，致使悬浮部的重心偏离竖直的磁浮平衡轴一个小位移a，产生一个重力力矩，以平衡水平空气阻力力矩。进一步分析可知，旋转体11的水平角动量会阻碍旋转体11绕竖直轴的旋转运动，致使悬浮部的重心偏离竖直的磁浮平衡轴另一个小位移b(与小位移a或叠加或抵消)。综上所述，从悬浮部的稳定性角度出发，应尽量减少旋转体11的水平角动量。

另外，悬浮部还涉及一些内部旋转组件，例如马达10中的转子、传动的齿轮和轴承等。由于它们处于悬浮部的内部，它们导致的空气阻力对悬浮部的合力矩为零，并不会对悬浮主体8与旋转体11的绕竖直轴的旋转运动造成影响。然而，旋转组件的水平角动量还是会阻碍悬浮主体8绕竖直轴的旋转运动，致使悬浮部的重心偏离竖直的磁浮平衡轴另一个小位移c(与小位移a、小位移b或叠加或抵消)。综上所述，从悬浮部的稳定性角度出发，应尽量减少旋转组件的水平角动量。

实施例一适用于“观音(悬浮主体8)+莲花座(旋转体11)”、“公仔(悬浮主体8)+舞台(旋转体11)”等造型。

实施例二

参照图7，所示为本实用新型的实施例二的结构示意图，与实施一所示的磁浮旋转系统相比，其区别在于悬浮部设置有两件旋转体11和两个马达10；一件旋转体11和一个马达10构成一组旋转机构；两组旋转机构分别设置于悬浮主体8的两侧，且分别竖直向上和竖直向下设置；在两个马达10的分别驱动下，两件旋转体11绕两个竖直轴、沿相同方向进行旋转运动并受到空气阻力力矩，而悬浮主体8绕另一竖直轴、沿相反方向进行旋转运动。

针对实施例二，可以采用如下受力分析：

设两个马达10的输出功率分别为p马达1和p马达2。在稳恒条件下，设悬浮主体8旋转运动的角速度为w悬浮主体，设两件旋转体11旋转运动的角速度分别为w旋转体1和w旋转体2。

考虑到空气阻力是悬浮主体8和两件旋转体11进行旋转运动时的主要阻力来源。设悬浮主体8受到的空气阻力力矩为t阻，悬浮主体，与其角速度w悬浮主体有如下函数关系，

t阻，悬浮主体＝f悬浮主体(w悬浮主体)

设两件旋转体11受到的空气阻力力矩分别为t阻，旋转体1和t阻，旋转体2，与其角速度w旋转体1和w旋转体2有如下函数关系，

t阻，旋转体1＝f旋转体1(w旋转体1)和t阻，旋转体2＝f旋转体2(w旋转体2)

一般而言，f悬浮主体是w悬浮主体的增函数，f旋转体1是w旋转体1的增函数，f旋转体2也是w旋转体2的增函数。

由角动量守恒定律可知，悬浮主体8受到的空气阻力力矩与两件旋转体11受到的空气阻力之合力矩等大反向，

t阻，悬浮主体＝t阻，旋转体1+t阻，旋转体2＝t阻

又由能量守恒定律可得，两个马达10的输出功率的表达式分别是，

p马达1＝t阻，旋转体1(w悬浮主体+w旋转体1)

p马达2＝t阻，旋转体2(w悬浮主体+w旋转体2)

以上受力分析涉及三个非线性方程(f悬浮主体，f旋转体1和f旋转体2)，和三个未知数(w悬浮主体，w旋转体1和w旋转体2)，所以不能直接求得解析解。从上述受力分析可知，两个马达10均对悬浮主体8的旋转运动做正功；在稳恒条件下，悬浮主体8的角速度与马达10的功率(p马达1和p马达2)成正相关，与旋转体11受到的空气阻力力矩随角速度的增长速度成正相关，并与悬浮主体8受到的空气阻力力矩随角速度的增长速度成负相关。一般而言，较复杂的几何外形、较大的表面积等因素，加快物体受到的空气阻力力矩(t阻)随角速度(w)的增长速度。

值得指出的是，当悬浮主体8绕竖直轴进行旋转运动时，设置于悬浮主体8外侧的旋转体11会受到空气阻力；旋转体11受到的空气阻力通过一段力臂作用在悬浮主体8上，成了悬浮主体8受到的一部分空气阻力力矩的来源。

另外，若两个马达10的分别驱动两件旋转体11绕两个竖直轴、沿相反方向进行旋转运动，则两件旋转体11受到的空气阻力力矩(t阻，旋转体1和t阻，旋转体2)会相互抵消，并极大地影响悬浮主体8的受到的空气阻力力矩(t阻，悬浮主体)的方向和大小；特别地，在稳恒条件下，当t阻，旋转体1和t阻，旋转体2等大反向时，悬浮主体8将停止旋转运动，即w悬浮主体＝0。

实施例二适用于“猫和老鼠”(均为旋转体11)、“地月系”(均为旋转体11)、“梁山伯于祝英台”(均为旋转体11)等造型。

实施例三

参照图8，所示为本实用新型的实施例三的结构示意图，与实施一所示的磁浮旋转系统相比，其区别在于悬浮部设置有多件旋转体11和一个马达10；多件旋转体11设置于悬浮主体8的周围，竖直向上或竖直向下设置，且通过齿轮结构与马达10相连；在马达10的驱动下，多件旋转体11绕不同竖直轴、沿相同方向进行旋转运动并受到空气阻力力矩，而悬浮主体8绕另一竖直轴、沿相反方向进行旋转运动。

通过与实施例一比较，实施例三等效增大了旋转体11的表面积和悬浮主体8几何外形的复杂度；在稳恒条件下，若马达10与实施例一中的马达10有相同的输出功率，则悬浮主体8与旋转体11两者角速度的比例变化，取决于旋转体11的表面积与悬浮主体8几何外形的复杂度两者强弱的相对变化。

实施例三适用于“旋转木马”、“跑马灯”、“八仙过海”、“太阳系”等造型。

通过比较实施例一、实施例二和实施例三的设置可知，在本实用新型具体实施过程中，并不具体限定支架1、控制器2、固定供电系统3、功率放大电路4、测距组件5、线圈6、固定永磁体7、悬浮主体8、永磁体9、马达10、旋转体11、悬浮供电系统12、遥控组件13等的数量或结构，只需满足以下两个特征即可：(一)在永磁体9与线圈6的相互作用下，实现悬浮部相对于线圈6的稳定悬浮；(二)在马达10的驱动下，实现旋转体11与悬浮主体8绕竖直轴、沿相反方向的旋转运动。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。