穩定磁懸浮物體的方法

2023-05-30 06:57:16 1

專利名稱：穩定磁懸浮物體的方法
穩定磁懸浮物體的方法本發明涉及一種用於穩定磁懸浮物體的方法，並且還涉及一種磁懸 浮裝置。磁場可被用於在各種致動器中產生力，以允許這些致動器經歷無摩 擦運動和無噪音操作。當常規機械系統到達它們的極限並不再適用時， 就使用這種致動裝置。更具體地說，存在需要非常高轉速的應用情況， 對於這些應用情況，使摩擦損失最小化和/或避免磨損，和/或避免存在不 能使用潤滑劑的情況是特別需要的。這些優點對於這些應用例子來說是特別需要的，在其它的例子中， 這些應用例子是慣性飛輪系統和磁懸浮列車。這些慣性飛輪系統構成了 用於存儲能量的裝置，這些能量以動能形式儲存在每分鐘旋轉幾千轉的 飛輪中。對於磁懸浮列車，只剩下空氣摩擦，這些列車可達到遠高於每小時400千米的速度。最新可用的磁力致動器利用僅處於一個自由度中的；茲懸浮。以電動 馬達為例，其中僅使用用於驅動該馬達的磁力。在許多這些應用的情況下，使存在的阻力最小化，以降低能量損耗， 降低它們產生的噪音是特別合乎需要的，並且為了做到這樣，普遍證實 了必須在多個自由度中磁性控制物體的必要性。目前，當想通過利用磁場將物體保持在完全懸浮狀態，也就是說在 空間中具有六個自由度時，使該物體穩定住是特別困難的。在1839年， 科學家S.Earnshaw ( S .厄恩肖)論證了不可能將》茲極化的顆粒穩定在靜 力場中。結果，利用永久性磁鐵或鐵磁元件以磁懸浮方式穩定鐵磁體是 不可能的。但是，多種避免Earnshaw定理(厄恩肖定理)的解決辦法已 經被設想出，而且被廣泛用於穩定磁懸浮物體。第 一種解決辦法在於利用抗磁材料。不同於具有永久磁化的鐵磁材 料，這種抗f茲材料在受到的外部》茲場的作用下產生》茲場。該感應^U為通
過總是反向平4亍於該外部石茲場而傾向於與該外部-茲場相對抗，並由此在 磁懸浮物體遠離其平衡位置時，該感應磁場總是與由該懸浮物體所導致 的場變動相對抗。因此，存在一種保持物體穩定的恢復力。這是利用超 導體的磁懸浮的情況。但是，該解決辦法難於實施，這是由於這些材料 通常必須在液氮中被冷卻到非常低的溫度，以便能夠達到超導狀態。因 此，儘管該方法從理論觀點來說是滿足需要的，但該方法仍然特別難於 實現應用，並需要消耗大量能源的冷凍裝置。第二種解決辦法在於利用電磁鐵。這是由於抗磁材料永久產生與受 到的外部磁場反向的；茲場，利用該同樣的方式，調整由電石茲鐵產生的場， 以補償懸浮物體相對於預期的平衡位置的偏移是可能的。因此，這並沒有違反Earnshaw定理，在恆定電流通過該電i茲鐵，並因此產生穩定i茲場 的情況下，該磁懸浮是不可能的，但是通過調整由該電磁鐵產生的磁場， 該^茲場是可變的，並且這些》茲場由此所產生的方向也是可變的，/人而可 避免產生穩定磁場。第三種解決辦法在於利用線圈所產生的交變場。該場變動在導體中 產生被稱為渦流的感應電流，這些電流而後產生足以提升該物體的排斥 力。但是，由於需要電能來利用電磁鐵和線圈產生足夠強的磁場，因此 該第二和第三種解決辦法具有較大的缺點。此外，需要永久控制由該電磁鐵所產生的磁場，這就要求安裝複雜的控制系統，該系統同樣消耗電 能，且必須具有極短的響應時間。由於該系統通常具有非線性的傳遞函 數，因此難於實現該限制。這種懸浮模式被稱為"有源的"懸浮，這與 利用永久性磁鐵的懸浮相反，利用永久性磁鐵的懸浮並不消耗額外的能 量，並由此被稱為"無源的，，懸浮。應該提及第四種解決辦法，它使得具有永久磁化的物體能夠懸浮保 持在永久的場中。該物體以商標為LEVITRON⑧加以銷售，並呈陀螺形， 當該陀螺旋轉時，它可被保持懸浮於穩定的磁場中。與外形相反，該物 體並不違背Earnshaw定理。這是由於，處於穩定場中的任何懸浮系統總 是存在固有的不穩定性，然而這種不穩定性被該陀螺旋轉產生的穩定回 轉效應所補償。但是，由此獲得的該平衡是相對不穩定的，且該穩定條
件是極苛刻的。因此，必須對該陀螺的質量非常精確地進行調整，且該 陀螺的轉速和相對於重力方向的》茲場方向同樣如此。為了緩和這些缺點中的幾個缺點，已經研究出第五種解決辦法，該 辦法依賴於既利用永久性石茲鐵又利用電；茲鐵的混合系統，並由此允許該 系統的耗電量略有減少。這種懸浮被稱為"部分無源的，，懸浮。因此， 部分無源的懸浮裝置是公知的，該裝置包括圓柱體形的轉子，該轉子在 兩個產生1.1特斯拉的場的稀土永久性磁鐵之間懸浮，但僅確保了徑向穩 定。當缺少輔助穩定時，該系統由此在軸向上非常不穩定。為了獲得該 穩定，將每個永久性磁鐵與伺服控制電磁鐵相連，從而確保該轉子在平 均的平衡位置附近軸向穩定。永久性磁鐵的使用 一方面能夠具有帶有線 性傳遞函數的系統，另一方面即使是在不對電磁鐵供電的情況下，也能 夠通過磁阻來確保中心定位，該電磁鐵僅用於增大或減小所施加的恆定 場，並由此替代被施加在該轉子上的力的平衡。但是，該系統的耗電量 保持得相對較高，且仍然需要安裝與複雜而高速的伺服控制系統相連的 傳感器。由於這些技術和經濟上的限制，該技術僅用於非常特定的幾乎不考 慮能耗的應用中。當前》茲懸浮的一個主要應用就是用於-茲推軸承(palier magn6tiques ), 特別是用於慣性飛輪系統和其它旋轉裝置的磁推軸承。慣性飛輪系統用 於將能量以動能的方式存儲在旋轉的飛輪中，該旋轉飛輪的軸由磁推軸 承保持恆定，以便在發生電流被切斷或不規則供電的情況下恢復該能量。 例如，當風4侖機的發電足以向電力系統供電時，該電流中的部分#1用於 通過馬達/發電機來驅動該慣性飛輪系統，並將該飛輪的轉速保持在每分 鍾幾千轉。在該風輪機的發電降低時，則由於同樣的馬達/發電機在發電 機模式下進行工作，因此該慣性飛輪系統的速度被轉換成電能。這能夠 確保恆定的電能供應，直到發電提高。為了使能量存儲最優化，使摩擦 損失最小，並為了在儘可能的最長時段中以最大的效率恢復能源，該飛 輪的懸浮必須被非常精確地加以控制，並必須消耗儘可能最少的電能來 控制該懸浮。如上所述，大多數當前解決方法並沒有實現這些目的-即 由於Earnshaw定理，利用不會消耗電能的永久性磁鐵的懸浮是不可能，而有源的懸浮特別需要非常大量的電能。該問題還適用於磁懸浮列車， 對於該磁懸浮列車而言，除了已有的高昂的安裝成本以外，無論該懸浮 是利用需要非常高的電能的線圈加以提供，還是使用通常必須被保持在 液氮槽中的超導體，與預期的盈利能力相比，運行成本都是過多的。本發明的目的是，克服上述缺點，並為此，包括一種穩定受到至少 一個恆定磁場的磁懸浮物體的方法，所述物體至少在一個方向上穩定， 並在至少一個其它方向上不穩定，其特徵在於，該方法包括當需要就加 以重複的穩定步驟，該穩定步驟在於施加通過至少一個受到第二磁場作用的傳導元件的電流，以便在不穩定方向上產生補償洛倫茲力(Force de Laplace )。因此，由於補償洛倫茲力的施加，補償系統中固有的磁不穩定性， 並同時使該系統的耗電量最小化是很容易的。這是由於處於穩定磁場中的物體具有簡諧型的勢能，該勢能的拉普 拉斯算子，即相對於空間坐標的第二偏導數的總和是零。因此，當完全 穩定的平衡是期望的時候，該勢能相對於每個空間坐標的第二偏導數不 能全是負數。結果，仍然存在至少一個坐標系，該勢能相對於該坐標系 的第二偏導數是正數，因此對於該坐標系而言，不存在穩定的平衡位置。 已經令人驚訝地發現，通過在不穩定的方向上施加洛倫茲力來為系統提 供勢能是可能的，該洛倫茲力的勢能(potentiel)是二次(quardratique) 的，由此存在穩定點。因此，將大功率的電磁體用於穩定這種系統不再 是必需的，從而使全部耗電量得到了顯著降低。用於懸浮物體的磁場可由 一個或多個磁場源根據物體的幾何形狀產 生。可以證明，有必要利用至少兩個》茲場源在預期的方向上產生》茲場， 以提高物體的穩定性。有利地是，穩定步驟的目的是，將物體保持在預期的平均的平衡位 置的上邊界和下邊界之間。這是由於，較大或較小的洛倫茲力必須根據 預期的穩定程度加以施加。平衡必須被保持得越精確，就越有必要通過 施加較大的補償力來對系統的不穩定性作出補償。有利地是，施加洛倫 茲力來提供需要用來懸浮物體的全部升力的約10%,而其餘的90%由永
久性磁鐵提供是可能的。有利地是，根據本發明所述的方法包括如下步驟，即檢測物體的位 置，該位置能夠啟動和/或斷開通過該傳導元件的電流。因此，該電流僅 在需要讓物體返回到其平均的平衡位置時加以施加，/人而進一步降低了 消耗量。接受了圍繞預期的平均的平衡點的輕微振動，來進一步降低系 統的耗電量是可能的。本發明的主題還有一種磁懸浮裝置，該裝置包括處於懸浮狀態、並 受到至少一個恆定磁場作用的物體，該物體能夠與該懸浮物體的相應磁 化裝置相互作用，其特徵在於，該磁懸浮裝置一方面包括能夠產生第二 磁場的第二磁元件，另 一方面包括受到該第二磁場作用的至少 一個傳導 元件，以致當電流流經該傳導元件時，在該懸浮物體上產生補償洛倫茲 力。應該注意到，術語"通過相應的磁化裝置"應該被理解成，是指任 何對於周圍^f茲場感到敏感的材料。這種材料當然是與其它^f茲鐵起反應的 磁鐵以及鐵》茲材料，這些鐵磁材料當被放置到磁場中時，本身不磁化， <旦是》茲性地#皮定向。必須清楚地了解，恆定^f茲場由至少一個場源所產生，對於^f茲場源以 及相應的磁化裝置來說，以這種方式被反向是可能的，這種方式是指將 該場源放置在物體上，並與外部相應的^f茲化裝置相互作用。優選地，該;茲場與相應的；茲化裝置一起產生施加在該懸浮物體上的 吸引力。對於該磁場，與相應的》茲化裝置一起，產生施加在該懸浮物體 上的吸引力和排斥力同樣是可能的。根據替換實施例，該》茲場由至少兩個》茲場源產生，該懸浮物體的磁 場源和相應的i茲化裝置在相同的方向上具有平行的/f茲才及取向。例如，在 具有對稱旋轉的系統的情況下，利用兩個相互作用的同心永久性磁鐵圈，一個圈與定子成為一體，而另一個圈與該懸浮物體、例如轉子成為一體。 優選地，該傳導元件是線圏。
一般而言，傳導元件由銀製成是優選 的，這種金屬是公知的最佳導體中的一種。也可以設想利用碳納米管。 當然，所產生的洛倫茲力的強度可根據線圈的縱橫比發生變化，該縱橫 比優選地被加以限定，以使得在對於線圈中具有最小電流時在該方向上 產生最大的洛倫茲力以有助於該穩定。有利地，該線圈是寬而薄的。也優選地，該^茲場源和/或輔助/磁化裝置和/或第二》茲元件為永久性》茲鐵。有利地是，該永久性磁鐵為以釹-鐵-硼(neodium-iron-boron )為 成分的》茲鐵。也優選地，這些;茲鐵被放置在稱為阿爾巴赫(Halbach)的 構造中，以便既獲得最大的主要場又獲得最小的附加場。根據替換實施例，該第二磁元件與至少 一個被定形的鐵磁材料相互 作用，以允許該第二》茲場:故再定方向。優選地，該裝置包括至少一個傳感器，該傳感器能夠根據該懸浮物 體的位置啟動或斷開通過該傳導元件的電流。因此，對該傳導元件永久 供電不是必需的，由此進一步降低了系統的耗電量。在該傳導元件中的 電流還可根據該懸浮物體的位置，受到開/關型、比例型、積分或微分型 伺服控制電路的控制，或者是受到這些電路的任意組合的控制。有利地是，該傳感器包括末端，該末端與該懸浮物體成為一體，並 能夠與開關相接觸，以便關掉該開關。本發明的實施將通過下述結合附圖的詳細說明而得到更好的理^f, 附圖為

圖1是利用本發明所述方法，軸向穩定慣性飛輪系統的第一實施例 的縱向截面示意圖；圖2是利用本發明所述方法，徑向穩定慣性飛輪系統的第二實施例 的縱向截面示意圖；圖3是利用本發明所述方法，軸向穩定慣性飛輪系統的第三實施例 的縱向截面示意圖；圖4是根據本發明穩定的慣性飛輪系統的第四實施例的縱向截面示 意圖，並且使用軟鐵再次為磁場定向；圖5是圖4所示慣性飛輪系統的剖面俯視圖；圖6和7示出了利用軟鐵再次為^f茲場定向的兩個實施例；圖8是不穩定性檢測器的第一實施例的示意圖；圖9是不穩定性檢測器的第二實施例的示意圖；圖10是圖9所示4企測器的俯視圖；和
圖11是將根據本發明穩定方法應用於磁懸浮列車的另一種方式的示 意圖。如圖1所示，慣性飛輪系統1包括圓柱體形飛輪2，該飛輪2以^t懸 浮的方式位於下部-茲場源3和上部》茲場源4之間。每個f茲場源3、 4包括 相應的環形；茲鐵5、 6，該環形》茲鐵5、 6面對著相應的環形/磁鐵7、 8, 該環形i茲鐵7、 8相應於該飛輪2。此外，該飛專侖2具有中央下部空腔9和中央上部空腔10。該下部空 腔9容納有兩對疊置的附加磁鐵lla、 llb、 12a、 12b，由兩對附加磁鐵 lla、 llb、 12a、 12b中的一對產生的徑向》茲場與其它對附加》茲鐵12a、 12b、 lla、 llb所產生的場對抗。同樣地，上部空腔IO容納有兩對疊置的附加 磁鐵13a、 13b、 14a、 14b。下部空腔9和上部空腔10均:故用於分別容納一組導線15a、 15b、 15c、 16a、 16b、 16c，這組導線與相應的磁場源3、 4形成一體，並被垂直於飛 輪2的軸線》丈置。每組導線15a、 15b、 15c、 16a、 16b、 16c均被連接到 電源電路(未示出)上。將環形磁鐵5到8的磁極取向選擇成，以致一方面在環形磁鐵5、 7 之間和另一方面在環形磁鐵6、 8之間分別產生磁性吸引力。將環形磁鐵 5到8的功率選擇成，以致傾向於朝上部源4移動飛輪2的吸引力與傾向 於朝下部源3移動飛輪2的吸引力和由於重力、即飛輪2的重量所施加 的力(以箭頭象徵性地加以示出)的總和平衡。此外，磁鐵5、 6在飛輪2上施加較大的定中心力，所述磁鐵傾向於 將相應磁鐵7、 8的磁軸線與它們自身對正。該定中心力足以徑向穩定該 飛輪。才艮據Earnshaw定理，以懸浮的方式位於下部源3和上部源4之間的 飛輪2不可能穩定。明確地說，由於吸引設置的磁鐵5到8的定中心力 特別大，因此該力為飛輪2提供了徑向穩定性，但導致了軸向不穩定性。 因此，當不存在任何輔助的場調節時，飛輪2將自然具有與下部磁場源3 或上部f茲場源4 4妻觸的傾向。軸向穩定性由每個附加磁鐵lla到14b和相應導線組15a到16c之間
的相互作用所提供。所發生的是，當電流流經受到垂直磁場作用的導體 時，所述導體受到一種洛倫茲力的作用，該洛倫茲力與電流和場矢量形 成直角正交坐標系。因此，電流流經的每個導線組15a到16c與相應的附加》茲鐵lla到 14b相互作用。在這種情況下，將附加磁鐵對lla到14b的取向和電流流 經導線15a到16c的方向選擇成，以致當飛輪2接近下部源3時，所產生 的洛^侖茲力^皮軸向定向，並傾向於移動飛輪2遠離下部源3。相應地，當 飛輪2接近上部源4時，所產生的洛倫茲力必須被軸向定向，並傾向於 將飛輪2移動遠離該上部源4。在圖1所示的構造中，當飛輪2處於平衡時，導線15a到16c中的一 半受到附加》IH失對lla、 llb、 14a、 14b的徑向-茲場的作用，而導線15a 到16c中的另一半受到附加》茲4失對12a、 12b、 13a、 13b的徑向；茲場的作 用，這種徑向磁場與附加磁鐵對lla、 llb、 14a、 14b的場處於同一軸向， 但方向相反。因此這兩種效應所導致的洛4侖茲力為零。在這種情況下， 已經考慮到，例如，附加磁鐵lla到14b的功率是相同的，並且相同大小 的電流流經導線15a到16c。但是，利用具有不同功率且具有不同電流的 磁鐵來實現平衡當然也是可能的。然而，如已經所述的，飛輪2在軸向上是不穩定的，並傾向於或者 朝下部源3或者上部源4移動。當飛輪2朝下部源3移動時，導線15a 到15c因此主要受到附加磁鐵對12a、 12b的磁場的作用，而導線16a到 16c主要受到附加磁鐵對13a、 13b的磁場的作用，該附加磁鐵對13a、 13b 的磁場與附加磁鐵對12a、 12b的磁場具有相同的磁極取向。將流經導線 15a到16c的電流方向選擇成，以致飛輪2受到傾向於將該飛輪2朝上部 源4移動遠離下部源3的洛倫茲力。應該注意到，在使飛輪2處於懸浮 中以前，這種情況同樣適用於該飛輪2，由此產生的洛倫茲力用於提升該 飛輪從而遠離下部源3。同樣，當飛輪2朝上部源4移動時，導線組15a到15c主要受到附加 磁鐵對lla、 llb所產生的場的作用，而導線16a到16c主要受到附加磁 鐵對14a、 14b所產生的具有相同磁極取向的場的作用。由於磁鐵對lla、 lib以及14a、 14b的磁極取向一方面與磁鐵對12a、 12b的磁極取向相反，
另一方面與磁鐵對13a、 13b的磁極取向相反，因此所產生的洛倫茲力具 有相反的方向，並傾向於將飛4侖2移動遠離上部源4，從而^f吏該飛4侖2回 復到初始不穩定的平衡位置。以這樣的方式，該飛輪2被軸向穩定，而無需利用任何檢測器或任 何用於調整電流的系統，並且該飛輪2在平均的平衡位置的兩側振動。 實驗示出，需要用來穩定具有2.4kg質量的飛輪2的電流強度僅約為15 毫安。如圖2所示，慣性飛輪系統20包括不同於飛輪2的飛輪21，不同之 處主要在於這一事實，即該飛輪21受到下部磁場源3a的作用，該下部磁 場源3a包括環形;茲鐵5a，該環形；茲鐵5a與飛輪21的相應環形-茲鐵7a 相互作用，以致在它們之間產生排斥力，該排斥力與飛輪21因重力(通 過箭頭象徵性地加以示出)導致的下降對抗。不同於慣性飛輪系統1的 飛輪2,飛輪21軸向穩定，但徑向不穩定，下部磁場源3a傾向於橫向推 動飛輪21。因此，飛輪21利用根據本發明所述的方法進行徑向穩定。為此，飛輪21包括周邊橫向凹槽22,該橫向凹槽22包括相鄰的環 形上部附加,茲鐵23、 24和下部附加》茲鐵25、 26,這些》茲鐵同樣為環形的 且相鄰，所述4黃向凹槽22用於容納一組導線27a、 27b、 27c,這組導線 形成線圈27的臣，恆定電流流經該線圈27。附加》茲4失23和25 4皮此相對 放置，並具有相同的磁極取向。附加磁鐵24和26同樣彼此相對放置， 並具有相同的i茲極取向，但與附加f茲鐵23、 25的磁極取向相反。如在慣性飛輪系統1的示例中，當飛輪20平衡時，線圈27具有受 到附加磁鐵24、 26所產生的磁場作用的多匝，這些臣與受到附加磁場23、 25所產生的磁場作用的監一樣多，因此所產生的洛倫茲力為零。當飛輪 21徑向偏離時，在飛4侖21偏離的方向上，且無"^侖該方向如^f可，線圏27 主要受到附加,茲4失24、 26所產生的》茲場的作用，而在沿直徑 (diamaralement)相反的方向上，所述線圈27主要受到附加磁鐵23、 25 所產生的》茲場的作用，該》茲場與附加-茲4失24、 26所產生的-茲場對抗。由 於在飛輪21偏離的方向上流經線圈27的電流方向(sens)與在上述沿直 徑相反的方向上的電流方向相反，因此在飛4侖21的4壬一側上所產生的洛 倫茲力具有正好相同的方向。將流經線圏27的電流方向和附加磁鐵23
到26的取向選擇成，以致在飛輪21偏離的方向上所施加的洛倫茲力是 向心的，由此將飛輪21返回到其平衡位置上，因而在沿直徑相反的方向 上施加的相應洛^侖茲力是向心的。因此，飛輪21被徑向穩定，並圍繞其軸線振動。圖3示出了利用本發明所述方法穩定的慣性飛輪系統的第三實施例。 該慣性飛輪系統30包括圓柱體形飛輪31，該飛輪31具有軸32，並以石茲 懸浮的方式糹皮保持在下部石茲場源33和上部i茲場源34之間。每個石茲場源 均包括環形》茲4失35、 36，軸32穿過該-茲鐵35、 36,》茲4失35、 36具有軸 向磁極取向，並且每個磁鐵均與相應的同心磁鐵37、 38相互作用，該同 心》茲4夾37、 38位於飛4侖31的軸32上，並與所述不茲鐵35、 36處於同一 高度。將磁鐵35到38的取向選擇成相同的，在磁鐵35、 37之間以及磁鐵 36、 38之間分別產生用於對軸32定中心的磁力。因此，飛輪31是徑向 穩定的，但顯示出軸向不穩定性，該軸向不穩定性通過根據本發明所述 方法力口以穩、定。為此，飛輪31具有上周邊凹槽39，該凹槽39放置兩個疊置的圓形 外部附加^茲4失40、 41和兩個疊置的內部附加》茲4失42、 43,所述凹槽39 用於容納一組形成線圏44的匝的導線44a、 44b、 44c,恆定的電流流經 該線圏44。附加i茲4失40和42為同心的，並具有相同的》茲才及取向。附加 磁鐵41和43同樣為同心的，並具有相同的石茲極取向，但該磁極取向與 附加磁鐵40、 42的磁極取向相反。如在慣性飛輪系統1和20的情況下那樣，當飛輪30處於平衡時， 線圏44具有許多受到附加磁鐵40、 42所產生的磁場作用的多臣，這些 匝與受到附加石茲鐵41、 43所產生的》茲場作用的匝一樣多，因此，所產生 的洛倫茲力為零。當飛輪30軸向偏離，並朝下部磁場源33移動時，線 圏44主要受到附加磁鐵41、 43的磁場的作用。將附加磁鐵41、 43的取 向和通過線圈44的電流方向選擇成這樣，以4更所產生的洛倫茲力傾向於 將飛輪30移動遠離下部源33,並將它返回到最初的不穩定的平衡位置上。 同樣，當飛輪30朝上部磁場源34移動時，線圏44主要受到附加磁鐵40、 42的磁場的作用。由於附加磁鐵40， 42的取向與磁鐵41、 43的取向相 反，因此所產生的洛倫茲力傾向於將飛輪30移動遠離上部源34,並將它返回到最初的不穩定的平衡位置上。由此，飛輪30被軸向穩定，並圍繞平均的平衡位置振動。 作為變型，通過使用軟鐵來利用較少的磁鐵、並控制它們的磁場方向是可能的。如圖4所示的慣性飛輪系統50就是其中一個實施例子。 該慣性飛輪系統50包括圓柱體形飛輪52，該飛輪52以^f茲懸浮的方式保持在下部磁場源53和上部》茲場源54之間。每個》茲場源53、 54包括各自的環形》茲鐵55、 56,該環形》茲鐵55、 56面對飛輪52的相應的環形磁鐵57、 58。此外，飛輪52具有中央環形凹槽59,該凹槽59的中央放置產生軸 向磁場的附加磁鐵60,所述凹槽59具有被一層軟鐵61覆蓋住的壁，以 便在徑向上再次為附加磁鐵60所產生的磁場定向。軟鐵在附加磁鐵附近 的其它設置方式示於圖6和7中。凹槽59用於容納一組形成線圈62的導線62a、 62b、 62c,該線圈62 與上部源64成為一體，該線圏62具有與飛輪52的軸線重合在一起的軸 線。該線圏62被連接到電源電路(未示出)上。如在慣性飛輪系統1的情況下那樣，將磁鐵55到58的磁極取向選 擇成，使得一方面在i茲鐵55、 57之間以及另一方面在磁鐵56、 58之間 分別產生磁性吸引力。將磁鐵55到58的功率選擇成，使得傾向於將飛 輪52朝上部源54移動的吸引力與傾向於將飛輪52朝下部源53移動的 吸引力和被重力(以箭頭象徵性地加以示出)、即飛輪52的重量施加的 力的總和平衡。軸向穩定性由線圏62和由附加,茲4失60產生的^茲場之間的相互作用 所提供，該相互作用產生了輔助洛倫茲力。根據圖4和5所示的構造，當飛輪52處於平衡時，不產生洛倫茲力， 且並未向線圏62供電。當飛輪52朝下部源53移動時，電流被施加到線 圈62的端子上，將電流方向選擇成，以致產生^^皮軸向定向並傾向於移動 飛輪52遠離該下部源53的洛4侖茲力，以便將該飛輪52返回到初始的不 穩定的平衡位置中。當飛輪52朝上部源54移動時，產生傾向於移動飛 輪52遠離該上部源54的洛倫茲力是必要的。為此，由於作用在線圈62 上的附加磁鐵的磁場是恆定的，因此將流經所述線圈62的電流方向反向 是有必要的。作為本裝置的補充，因此提供用於檢測是否飛輪52朝下部源53或 上部源54移動的傳感器是必要的，以便在需要時，在所需要的方向上施 加電流。與前述裝置不同，前述裝置無需傳感器，但是在前述裝置中， 電導體被永久供電，慣性飛輪系統60的線圈62無需永久供電，由此進 一步降低了該裝置的耗電量。但是，它要求將電源電路與傳感器連接在 一起。傳感器的示例示於圖8到10中。圖8示出了機械傳感器100，該傳感器包括具有極為靈敏且堅固的點 的末端101,該點的端部是由非常硬的材料製成的具有非常小直徑(小於 lmm)的球，所述末端被固定到飛輪52的中心。開關102包括兩塊傳導 板103、 104，該板104為固定的，並被固定到慣性飛輪系統的框架上。 這兩塊板103、 104^皮連接到電源上。更為^青確地說，該板103用於與末 端101相接觸，並出於此目的，該板103包括由紅寶石(rubis)製成的 非常硬的板105。當飛輪52在洛倫茲力的作用下朝下部源53移動時，該 末端在板105上施加極小的力(幾百毫克)，並推動板103與板104接觸， 從而閉合電路，並導致電流流動。這具有消除洛倫茲力的作用，而後飛 輪52向下退回，遠離上部源54移動。這將末端101移動離開，並再次 斷開電路，這具有再次形成洛倫茲力的作用。對於下部源53，同樣利用 第二傳感器進行。此類操作意味著，飛輪52在亞穩的Earnshaw平衡點的 兩側上或者在非常接近於該點的地方的兩側上進行非常小幅度的振動， 從而在考慮飛輪52的重量的情況下，可以使其能夠將懸浮功率限制到非 常小的數值上。圖9和10示出了傳感器110，該傳感器110包括分別位於通道上方 和下方的下部^茲鐵圈111和上部》茲鐵圈112，該通道用於兩塊》茲鐵114、 115,這兩塊^茲鐵114、 115與飛輪52成為一體、並可具有相反的》茲極取 向。。當然將若干與浪M失114、 115相似的》茲鐵以均勻的間隔放置在飛輪 52的周邊上方是可能的，這可以改變它們的磁極取向。當飛輪旋轉時， 下部^f茲鐵圈111和上部》茲鐵圈112受到交變場的作用，該交變場在該圈 111、112中感應出反相的交變電流。這些感應電流通過比較器(comparateur ) 116疊加，並且所產生的電流被引入到線圈62中，以便 為其供電。作為選擇，在感應電動勢不夠大的情況下，對其增加可操作 的放大器是可能的。這是由於當飛輪52朝上部源54移動時，上部磁鐵 圈112比下部磁鐵圈111受到更強的磁場的作用，並由此產生較高的感應 電動勢，該感應電動勢的總和因此有利於上部圈112，並且線圈62由沿 相應的方向流動的電流供電。相反，當飛4侖52朝下部源53移動時，上 部磁鐵圈112比下部》茲鐵圈111受到較弱的》茲場的作用，並由此產生不是 很強的感應電動勢，該感應電動勢的總和因此有利於下部圈111，並且線 圏62由沿與上述情況相反的方向流動的電流供電，並產生反向的洛倫茲 力。應該注意到，上述示例說明了與上部和/或下部源成為一體的線圏或 導線，同時飛輪包括附加磁鐵。當然，該構造可以反過來，線圏或導線 被結合到飛輪中，而附加磁鐵被結合到上部和/或下部源中，並且利用位 於飛輪內部的發電機產生用於線圈或導線的電源。但是，本實施例更加 難於實施，並且如上所述的構造是優選的。圖11示出了將根據本發明所述的方法用於磁懸浮列車200的另一方 式。該列車200通過》茲鐵203、 204以；茲懸浮的方式位於下部導軌201和 上部導軌202之間，每個磁鐵203、 204與位於列車上的磁鐵205、 206 協作，以使得下部導軌201的磁鐵203與列車200上相應的磁鐵205產 生排斥力，而上部導軌202的磁鐵204與列車200上相應的i茲鐵206產 生吸引力。根據Earnshaw定理，該列車橫向是不穩定的，必須利用根據 本發明所述的方法加以穩定。為此，該列車200裝備有由軟鐵製成的側 嚮導軌207,這些導軌207包括具有垂直》茲化的附加磁鐵208。該導軌207 用於容納固定的附加導軌209，該導軌209與該列車沿其移動的通道210 成為一體。通過該附加導軌209的是導線211,這些導線211被供電，並 受到由附加^茲《失208所產生的-茲場的作用。因此，產生施加在列車200 上的洛倫茲力，並允許該列車的磁性不穩定性得到矯正是可能的。應該注意到，構成本發明主題的方法和裝置的主要缺點之一是，它 不是通過調整提升和定位磁場來進行工作的，並且懸浮物體的位置位於 亞穩的Earnshaw平衡點上或非常接近該點，從而在考慮該懸浮物體的質 量大小的情況下，使其可以將懸浮功率限制在極低的數值上。儘管已經結合特定實施例對本發明進行說明，但是它當然絕不被限 定於此，它包括所有落入本發明範圍內的上述裝置及其組合的技術等效 物。
權利要求
1、一種穩定受到至少一個恆定磁場作用的磁懸浮物體(2，21，31，32，52，200)的方法，所述物體在至少一個方向上是穩定的，並且在至少一個其它方向上是不穩定的，其特徵在於，所述方法包括當需要就加以重複的穩定步驟，所述穩定步驟在於施加通過至少一個受到第二磁場作用的傳導元件(15a到16c，27，44，62，2 11)的電流，以便在所述不穩定方向上產生補償洛倫茲力。
2、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述穩定步驟的目的是， 將所述物體(2， 31, 32， 52， 200)保持在預期的平均的平衡位置的上 邊界和下邊界之間。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述方法包括如下 步驟，即檢測所述物體(2， 31, 32, 52, 200 )的位置，所述物體的位 置能夠啟動和/或斷開通過所述傳導元件(15a到16c， 27， 44， 62, 211) 的電流。
4、 一種磁懸浮裝置(1, 20, 30, 50)，包括處於懸浮狀態、並受 到至少一個恆定i茲場作用的物體(2, 21, 31， 32， 52， 200),所述物 體能夠與所述懸浮物體的相應磁化裝置(7， 8， 7a， 37, 38， 57, 58， 205， 205 )相互作用，其特徵在於，所述磁懸浮裝置(1， 20, 30, 50) —方 面包括能夠產生第二》茲場的第二石茲元件(lla到14b， 23到26， 40到43， 60到62, 207, 208)，另 一方面包括受到所述第二-茲場作用的至少一個 傳導元件(15a到16c, 27, 44， 62, 211),以致當電流流經所述傳導元 件時，在所述懸浮物體上產生補償洛倫茲力。
5、 如權利要求4所述的裝置(1， 20， 50)，其特徵在於，所述磁 場與相應的磁化裝置(7, 8， 57, 58， 206) —起產生施加在所述懸浮物 體(2, 21， 52, 200)上的吸引力。
6、 如權利要求4所述的裝置(30),其特徵在於，所述磁場由至少 兩個^f茲場源(33， 34)產生，所述;茲場源和所述懸浮物體(31， 32)的 所述輔助磁化裝置(37, 38 )在相同方向上具有平行的磁極取向。
7、 如權利要求4到6中的任一項所述的裝置(20， 30, 50)，其特 徵在於，所述傳導元件是線圈。
8、 如權利要求4到7中的任一項所述的裝置(1, 20, 30, 50), 其特徵在於，所述石茲場源(3, 4, 3a， 33, 34， 53， 54， 201, 202)和/ 或所述輔助/磁化裝置(7， 8, 7a, 37, 38, 57, 58, 205, 206)和/或所 述第二石茲元件(lla到14b， 23到26， 40到43， 60到62, 207, 208)為 永久性》茲糹失。
9、 如權利要求4到8中的任一項所述的裝置(50)，其特徵在於， 所述第二磁元件(60)與至少一個被定形的鐵磁材料(61, 62)相互作 用，以允許所述第二磁場被再定方向。
10、 如權利要求4到9的任一項所述的裝置(50),其特徵在於， 所述裝置(50)包括至少一個傳感器(100, 110)，所述傳感器能夠根 據所述懸浮物體(52, 200)的位置，啟動或斷開通過所述傳導元件(62， 211 )的電流。
11、 如權利要求10所述的裝置(50)，其特徵在於，所述傳感器(IOO) 包括末端(101),所述末端(101)與所述懸浮物體(52)成為一體， 並能夠與開關(102)相接觸，以關掉所述開關。
全文摘要
本發明涉及一種用於穩定受到恆定磁場作用的磁懸浮物體(2，21，31，32，52，200)的方法，所述物體在至少一個方向上是穩定的，並且在至少一個其它方向上是不穩定的。本發明所述方法的特徵在於，它包括當需要就加以重複的穩定步驟，所述穩定步驟在於施加通過至少對一個受到第二磁場作用的傳導元件(15a到16c，27，44，62，211)的電流，該施加電流是以這種方式以便在該不穩定方向上產生補償洛倫茲力。本發明還涉及一種利用本發明所述方法加以穩定的磁懸浮裝置(1，20，30，50)。
文檔編號F16C32/04GK101115930SQ200680004258
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月15日 優先權日2005年2月15日
發明者米歇爾·聖-穆勒 申請人:萊維西公司