[发明专利]稳定磁悬浮物体的方法

说明书

本发明涉及一种用于稳定磁悬浮物体的方法，并且还涉及一种磁悬浮装置。

磁场可被用于在各种致动器中产生力，以允许这些致动器经历无摩擦运动和无噪音操作。当常规机械系统到达它们的极限并不再适用时，就使用这种致动装置。更具体地说，存在需要非常高转速的应用情况，对于这些应用情况，使摩擦损失最小化和/或避免磨损，和/或避免存在不能使用润滑剂的情况是特别需要的。

这些优点对于这些应用例子来说是特别需要的，在其它的例子中，这些应用例子是惯性飞轮系统和磁悬浮列车。这些惯性飞轮系统构成了用于存储能量的装置，这些能量以动能形式储存在每分钟旋转几千转的飞轮中。对于磁悬浮列车，只剩下空气摩擦，这些列车可达到远高于每小时400千米的速度。

最新可用的磁力致动器利用仅处于一个自由度中的磁悬浮。以电动马达为例，其中仅使用用于驱动该马达的磁力。

在许多这些应用的情况下，使存在的阻力最小化，以降低能量损耗，降低它们产生的噪音是特别合乎需要的，并且为了做到这样，普遍证实了必须在多个自由度中磁性控制物体的必要性。

目前，当想通过利用磁场将物体保持在完全悬浮状态，也就是说在空间中具有六个自由度时，使该物体稳定住是特别困难的。在1839年，科学家S.Earnshaw(S·厄恩肖)论证了不可能将磁极化的颗粒稳定在静力场中。结果，利用永久性磁铁或铁磁元件以磁悬浮方式稳定铁磁体是不可能的。但是，多种避免Earnshaw定理(厄恩肖定理)的解决办法已经被设想出，而且被广泛用于稳定磁悬浮物体。

第一种解决办法在于利用抗磁材料。不同于具有永久磁化的铁磁材料，这种抗磁材料在受到的外部磁场的作用下产生磁场。该感应磁场通过总是反向平行于该外部磁场而倾向于与该外部磁场相对抗，并由此在磁悬浮物体远离其平衡位置时，该感应磁场总是与由该悬浮物体所导致的场变动相对抗。因此，存在一种保持物体稳定的恢复力。这是利用超导体的磁悬浮的情况。但是，该解决办法难于实施，这是由于这些材料通常必须在液氮中被冷却到非常低的温度，以便能够达到超导状态。因此，尽管该方法从理论观点来说是满足需要的，但该方法仍然特别难于实现应用，并需要消耗大量能源的冷冻装置。

第二种解决办法在于利用电磁铁。这是由于抗磁材料永久产生与受到的外部磁场反向的磁场，利用该同样的方式，调整由电磁铁产生的场，以补偿悬浮物体相对于预期的平衡位置的偏移是可能的。因此，这并没有违反Earnshaw定理，在恒定电流通过该电磁铁，并因此产生稳定磁场的情况下，该磁悬浮是不可能的，但是通过调整由该电磁铁产生的磁场，该磁场是可变的，并且这些磁场由此所产生的方向也是可变的，从而可避免产生稳定磁场。

第三种解决办法在于利用线圈所产生的交变场。该场变动在导体中产生被称为涡流的感应电流，这些电流而后产生足以提升该物体的排斥力。

但是，由于需要电能来利用电磁铁和线圈产生足够强的磁场，因此该第二和第三种解决办法具有较大的缺点。此外，需要永久控制由该电磁铁所产生的磁场，这就要求安装复杂的控制系统，该系统同样消耗电能，且必须具有极短的响应时间。由于该系统通常具有非线性的传递函数，因此难于实现该限制。这种悬浮模式被称为“有源的”悬浮，这与利用永久性磁铁的悬浮相反，利用永久性磁铁的悬浮并不消耗额外的能量，并由此被称为“无源的”悬浮。

应该提及第四种解决办法，它使得具有永久磁化的物体能够悬浮保持在永久的场中。该物体以商标为LEVITRON加以销售，并呈陀螺形，当该陀螺旋转时，它可被保持悬浮于稳定的磁场中。与外形相反，该物体并不违背Earnshaw定理。这是由于，处于稳定场中的任何悬浮系统总是存在固有的不稳定性，然而这种不稳定性被该陀螺旋转产生的稳定回转效应所补偿。但是，由此获得的该平衡是相对不稳定的，且该稳定条件是极苛刻的。因此，必须对该陀螺的质量非常精确地进行调整，且该陀螺的转速和相对于重力方向的磁场方向同样如此。