1.本发明涉及一种磁悬浮装置，具体涉及一种磁斥型磁悬浮装置。
背景技术：2.现有的下推式磁斥型磁悬浮装置基本原理为浮子位于上方中心处，下方安装有励磁线圈和环形磁铁，环形磁铁产生斥力与浮子的重力平衡，励磁线圈产生的电磁合力可以控制悬浮子的稳定，以此可以使浮子稳定的悬浮在环形磁铁的中心位置。励磁线圈的数量一般为4个(发明专利cn1819436a、cn110677075a)或者更多(发明专利us20070170798a1)，其基本原理是以成对的一组2个线圈控制浮子水平x方向的自由度，以成对的另一组2个线圈控制浮子水平y方向的自由度，因此现有下推式磁斥型磁悬浮装置中励磁线圈的数量至少有4个，且成对出现。
3.随着对磁悬浮装置小型化需求的增强，如何能减小装置体积是一个研究方向。而通过减少励磁线圈实现小型化的方案还没得到很好解决。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明提供了一种使用更少数量励磁线圈即可使下推式磁斥型磁悬浮装置实现稳定悬浮的方案，该方案使用2个或3个励磁线圈实现悬浮，突破使用成对的一组2个线圈只实现控制某一方向自由度的限制，能够节约空间，节省材料，有助于磁悬浮装置的小型化，有利于磁悬浮装置应用场景的拓展。
5.为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
6.一种磁悬浮装置，包括：浮子、磁性底座和控制器；浮子为圆柱形永磁体；磁性底座包括底盘、2个或3个励磁线圈、永磁体阵列和浮子位置监测单元；
7.底盘为励磁线圈和永磁体阵列的安装面；所有励磁线圈和永磁体阵列均以底盘圆心为中心点q呈现对称分布；永磁体阵列中各永磁体中心组成的环线位于各励磁线圈的中心所组成的环线的外侧；浮子位置监测单元设于所述中心点q处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置p(x
p
,y
p
)，传递给控制器；
8.控制器将当前位置值p(x
p
,y
p
)与目标位置值进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变所有励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力f
p
能够将浮子拉至目标位置值。
9.其中，励磁线圈为2个，控制的目标位置值为平衡位置点o(0,0)时：
10.以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，以两个励磁线圈a、b的中心点a、点b的连线为x轴，线段ab的垂直平分线为y轴建立平面直角坐标系；将两个励磁线圈的吸引力垂直投影在基准面上，投影吸引力分别为fa和fb；fa和fb的大小记为|fa|、|fb|；
11.由fa、fb的数学表达式和
可以得到合力fa+fb的数学表达式，通过调整数学表达式中|fa|、|fb|的大小，可组合出由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-μ(x
pex
+y
pey
)，f
p
可将浮子拉回至平衡位置处；其中，a为线段ab的长度，μ是一个实系数；e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。
12.优选地，当|fa|、|fb|满足时，可组合出适当的合力f
p
＝-μ(x
pex
+y
pey
)，其中系数f
p
可将浮子从当前位置p(x
p
,y
p
)拉回至平衡位置处。
13.其中，励磁线圈(3)为3个，控制的目标位置值为平衡位置点o(0,0)时：
14.以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，三个励磁线圈a、b、c的中心点a、b、c构成等边三角形，以等边三角形abc的中心o点为坐标原点，oa为y轴方向建立平面直角坐标系；
15.将三个励磁线圈的吸引力垂直投影在基准面上，投影吸引力分别为fa,fb,fc；fa,fb,fc的大小记为|fa|、|fb|、|fc|；
16.由fa、fb、fc的数学表达式的数学表达式可以得到合力fa+fb+fc的数学表达式，通过调整数学表达式中|fa|、|fb|、|fc|的大小，可组合出由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-β(x
pex
+y
pey
)；f
p
可将浮子拉回至平衡位置处；其中，a为等边三角形abc的边长，β是一个实系数；e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。
17.优选地，当|fa|、|fb|、|fc|满足|满足时，可组合出适当的f
p
＝-β(x
pex
+y
pey
)，其中系数fp
可将浮子从当前位置p(x
p
,y
p
)拉回至平衡位置处。
18.当使用3个励磁线圈时，还可以组合出适当的水平推力，使浮子在水平面内移动。
19.当使用3个励磁线圈，控制的目标位置值为p2(x2,y2)时：
20.改变励磁线圈a、b、c中电流大小和方向，分别产生合适的电磁力fa、fb、fc，
21.通过调整|fa|、|fb|、|fc|的大小，可组合出由当前浮子位置p1(x1,y1)指向目标位置p2(x2,y2)的合力f
p
＝γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)ey]，其中γ是一个实系数，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量；f
p
可以使浮子由p1点移动到p2点。
[0022]
优选地，当|fa|、|fb|、|fc|满足|满足时，可组合出适当的f
p
＝γ[(x
2-x1)ex+(y
2-y1)ey]，其中系数]，其中系数f
p
可以使浮子由p1点移动到p2点。
[0023]
对于装置结构上的设计，励磁线圈可以采用带磁芯的励磁线圈：励磁线圈和永磁体阵列均固定在底盘的上表面，励磁线圈以底盘圆心为中心点q呈现对称分布；永磁体阵列中的永磁体围绕励磁线圈外侧分布，且以中心点q为中心呈现环形对称分布。
[0024]
在另外一种设计上，励磁线圈也可以不含磁芯或永磁体：所述励磁线圈和永磁体阵列可拆分的上下叠放：励磁线圈固定在线圈底座平台上，线圈底座平台放置在永磁体阵列上表面，能够拆卸分离。
[0025]
浮子为圆柱形永磁体；磁性底座包括底盘、2个或3个带磁芯的励磁线圈、永磁体阵列和浮子位置监测单元；
[0026]
励磁线圈和永磁体阵列均固定在底盘的上表面，以底盘上表面圆心为中心点q，励磁线圈以中心点q为中心呈现对称分布，如果是2个励磁线圈，则两个励磁线圈的中心点a,b连接形成的线段ab的中点为q点且以直线ab作为x轴、以线段ab的垂直平分线作为y轴；如果是3个励磁线圈，则三个励磁线圈的中心点a,b,c构成等边三角形，且等边三角形abc的中心为q点，以直线qa作为y轴，以过q点且与直线qa垂直的直线作为x轴。
[0027]
永磁体阵列中的永磁体单元围绕励磁线圈外侧分布，且永磁体阵列以中心点q为
中心呈现环形对称分布。
[0028]
浮子位置监测单元设于该中心点q处，包含两个霍尔传感器，分别用于实时检测浮子在悬浮平面上的x方向和y方向当前位置值。
[0029]
由于外界扰动等原因会使浮子偏离平衡位置，浮子位置监测单元检测到当前的位置值p(x
p
,y
p
)，将数据实时发送至控制器，控制器将当前位置值与设定的平衡位置值进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变各个励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力能够将浮子拉回至平衡位置处，从而有效控制浮子的悬浮稳定性。
[0030]
进一步，使用3个励磁线圈，可组合出适当的水平推力，使浮子在水平面内移动。
[0031]
有益效果：
[0032]
(1)本发明使用更少数量的励磁线圈即可使下推式磁斥型磁悬浮装置实现稳定悬浮，且3个励磁线圈的实现方式突破了励磁线圈必须成对出现的限制，提供了全新的设计方法。
[0033]
(2)本发明2个励磁线圈的方案能够解决浮子在中心位置的稳定控制，3个励磁线圈的方案能够进一步解决到任意位置的控制。
[0034]
(3)在一优选实施例中，励磁线圈和永磁体阵列在空间上相分离，能够独立实现拆卸更换，易于维护。
[0035]
(4)励磁线圈和永磁体阵列采用线圈底座平台连接支撑，线圈底座平台直接安装在永磁体阵列上表面，便于进行拆卸分离，从而更加易于维护。
[0036]
(5)采用线圈底座平台将励磁线圈太高，这样使得励磁线圈距离浮子更近，有利于增大二者之间的磁力，使得在励磁线圈内不设置磁芯或永磁体的情况下，也能够保证驱动线圈与悬浮磁体之间足够的电磁力。
[0037]
(6)本发明提供了一种超前调节控制方法，将最终目标值与实际位置的距离分为若干等间距的目标位置，依次比较实际位置与划分后的目标位置得出误差信息，基于该误差进行多次小步调节，达到目标位置。超前调节方法能够有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质。
附图说明
[0038]
图1为本发明定子包含2个励磁线圈的整体结构示意图；
[0039]
图2为本发明定子包含2个励磁线圈的定子俯视图；
[0040]
图3为本发明定子包含3个励磁线圈的整体结构示意图；
[0041]
图4为本发明定子包含3个励磁线圈的定子俯视图；
[0042]
图5为控制方法示意图；
[0043]
图6为实施例一水平方向上两个电磁线圈对浮子的作用力示意图；
[0044]
图7为实施例二水平方向上两个电磁线圈对浮子的作用力示意图；
[0045]
图8为实施例三水平方向上两个电磁线圈对浮子的作用力示意图；
[0046]
图9为实施例四上下叠放的励磁线圈和永磁体阵列的示意图。
[0047]
其中，1-浮子、2-永磁体、3-励磁线圈、4-浮子位置监测单元x方向霍尔传感器、5-浮子位置监测单元y方向霍尔传感器、6-线圈底座平台。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0049]
实施例一：
[0050]
本实施例的磁悬浮装置采用2个励磁线圈，实现下推式磁斥型磁悬浮装置的稳定悬浮，即从任意一点恢复到中心点。
[0051]
如图1-2所示，本实施例的磁悬浮装置包括浮子1、磁性底座和控制器(图中未示出)。浮子1为圆柱形永磁体，位于磁性底座上方的悬浮平面上，浮子与磁性底座磁力互斥，使得浮子自身重力与所受斥力平衡。磁性底座包括底盘，两个带磁芯励磁线圈3、永磁体阵列2和浮子位置监测单元4,5。
[0052]
带磁芯励磁线圈3和永磁体阵列2均固定在底盘的上表面，以底盘上表面圆心为中心点q，2个励磁线圈以中心点q为中心呈现对称分布，即2个励磁线圈的中心点a,b连接形成的线段ab的中点为q点。以直线ab作为x轴、以线段ab的垂直平分线作为y轴。永磁体阵列2中的组成单元，即永磁体围绕带磁芯励磁线圈3外侧分布，且永磁体阵列2以中心点q为中心呈现环形对称分布。
[0053]
浮子位置监测单元设于该中心点q处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值。浮子位置监测单元包括中具有x方向霍尔传感器4和y方向霍尔传感器5。
[0054]
由于外界扰动等原因会使浮子偏离平衡位置点o(0,0)，浮子位置监测单元检测到浮子当前的位置值p(x
p
,y
p
)，将数据实时发送至控制器，控制器将当前位置值p(x
p
,y
p
)与设定的平衡位置值o(0,0)进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变各个励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力f
p
能够将浮子拉回至平衡位置处，从而有效控制浮子的悬浮稳定性。
[0055]
具体求解合力f
p
的过程如下：
[0056]
如图6所示，以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，以线圈a、b的中心点a、点b的连线为x轴，线段ab的垂直平分线为y轴建立平面直角坐标系；设线段ab的长度|ab|＝a，则两点a,b的坐标分别为
[0057]
设浮子圆心在基准面上的垂直投影点p的坐标为p(x
p
,y
p
)，浮子受到两个励磁线圈的吸引力在基准面上的垂直投影分别为fa和fb，两个吸引力的合力为f
p
＝fa+fb，在合力f
p
的作用下，浮子回到原点。
[0058]
向量故有：
[0059]
[0060]
其中|fa|、|fb|分别表示fa、fb的大小，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。
[0061]
由于电磁力fa、fb的方向固定，大小可调整，通过调整fa、fb的大小，根据矢量运算的平行四边形法则和力的叠加原理，可组合出方向由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-α(x
pex
+y
pey
)，其中α是一个实系数，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。由fa、fb的数学表达式的数学表达式和可以得到合力fa+fb的数学表达式，通过调整数学表达式中|fa|、|fb|的大小，可组合出具有-μ(x
pex
+y
pey
)形式的合力，使f
p
＝fa+fb可以将浮子拉回平衡位置。μ为一个实系数。
[0062]
例如，当|fa|、|fb|满足时，可组合出适当的f
p
＝-μ(x
pex
+y
pey
)，其中系数f
p
可将浮子拉回至平衡位置处。控制器根据位置偏差信号，改变励磁线圈中a、b中电流大小和方向，分别产生合适的电磁力fa和fb，其合力f
p
可将浮子拉回至平衡位置处。
[0063]
实施例二：
[0064]
本实施例的磁悬浮装置采用3个励磁线圈，实现下推式磁斥型磁悬浮装置的稳定悬浮，从任意一点恢复到中心点。
[0065]
如图3-4所示，本实施例的磁悬浮装置包括浮子1、磁性底座和控制器。浮子1为圆柱形永磁体，位于磁性底座上方的悬浮平面上，浮子与磁性底座磁力互斥，使得浮子自身重力与所受斥力平衡。磁性底座包括底盘，三个带磁芯励磁线圈3、永磁体阵列2和浮子位置监测单元4,5。
[0066]
带磁芯励磁线圈3和永磁体阵列2均固定在底盘的上表面，以底盘上表面圆心为中心点q，3个励磁线圈以中心点q为中心呈现对称分布，即3个励磁线圈的中心点a,b,c构成等边三角形，且等边三角形abc的中心为q点。以直线qa作为y轴，以过q点且与直线qa垂直的直线作为x轴。永磁体阵列围绕带磁芯励磁线圈外侧分布，且永磁体阵列以中心点q为中心呈现环形对称分布。
[0067]
浮子位置监测单元设于该中心点q处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值。浮子位置监测单元包括中具有x方向霍尔传感器4和y方向霍尔传感器5。
[0068]
由于外界扰动等原因会使浮子偏离平衡位置点o(0,0)，浮子位置监测单元检测到浮子当前的位置值p(x
p
,y
p
)，将数据实时发送至控制器，控制器将当前位置值p(x
p
,y
p
)与设定的平衡位置值o(0,0)进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变各个励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力f
p
能够将浮子拉回至平衡位置处，从而有效控制浮子的悬浮稳定性。
[0069]
具体求解合力f
p
的过程如下：
[0070]
如图7所示，以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，励磁线圈a、b、c的中心点a、b、c构成等边三角形，以等边三角形abc的中心o点为坐标原点，oa为y轴方向建立平面直
角坐标系。设等边三角形abc的边长|ab|＝a，则三点a,b,c的坐标分别为
[0071]
设浮子圆心在基准面上的垂直投影点p的坐标为p(x
p
,y
p
)，浮子受到三个电磁线圈的吸引力在基准面上的垂直投影分别为fa,fb,fc，三个吸引力的合力为f
p
＝fa+fb+fc，在合力f
p
的作用下，浮子回到原点。
[0072]
向量向量故有：
[0073][0074]
其中|fa|、|fb|、|fc|分别表示fa、fb、fc的大小，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。
[0075]
由于电磁力fa、fb、fc的方向固定，大小可调整，通过调整fa、fb、fc的大小，根据矢量运算的平行四边形法则和力的叠加原理，可组合出方向由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-β(x
pex
+y
pey
)，其中β是一个实系数，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。由fa、fb、fc的数学表达式的数学表达式可以得到合力fa+fb+fc的数学表达式，通过调整数学表达式中|fa|、|fb|、|fc|的大小，可组合出具有-β(x
pex
+y
pey
)形式的合力。
[0076]
例如，当|fa|、|fb|、|fc|满足|满足时，可组合出适当的f
p
＝-β(x
pex
+y
pey
)，其中系数)，其中系数f
p
可将浮子拉回至平衡位置处。控制器根据位置偏差信号，改变励磁线圈中a、b、c中电流大小和方向，分别产生合适的电磁力f
p
＝fa+fb+fc，其合力f
p
可将浮子拉回至平衡位置处。
[0077]
实施例三：
[0078]
本实施例的磁悬浮装置结构与实施例二相同。本实施例目的是控制浮子从p1点移动到非零点的p2点。
[0079]
本实施例的磁悬浮装置，包括浮子，浮子为圆柱形永磁体，磁悬浮装置还包括磁性底座，浮子位于磁性底座上方的悬浮平面上，浮子与磁性底座磁力互斥，使得浮子自身重力与所受斥力平衡。
[0080]
磁性底座包括底盘，3个带磁芯励磁线圈、永磁体阵列、浮子位置监测单元和控制器。
[0081]
带磁芯励磁线圈和永磁体阵列均固定在底盘的上表面，以底盘上表面圆心为中心点q，3个励磁线圈以中心点q为中心呈现对称分布，即3个励磁线圈的中心点a,b,c构成等边三角形，且等边三角形abc的中心为q点。永磁体阵列围绕带磁芯励磁线圈外侧分布，且永磁体阵列以中心点q为中心呈现环形对称分布。
[0082]
浮子位置监测单元设于该中心点q处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置，并得到当前位置值。
[0083]
浮子位置监测单元检测到浮子当前的位置值p1(x1,y1)，将数据实时发送至控制器，控制器将当前位置值p1(x1,y1)与设定的需要移动到目标位置值p2(x2,y2)进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变各个励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力f
p
能够将浮子移动到目标位置处。
[0084]
具体求解合力f
p
的过程如下：
[0085]
如图8所示，以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，励磁线圈a、b、c的中心点a、b、c构成等边三角形，以等边三角形abc的中心o点为坐标原点，oa为y轴方向建立平面直角坐标系。设等边三角形abc的边长|ab|＝a，浮子初始位置圆心在基准面上的垂直投影点p1的坐标为p1(x1,y1)，将浮子移动到目标位置，目标位置浮子圆心在基准面上的垂直投影点p2的坐标为p2(x2,y2)。浮子受到三个电磁线圈的吸引力在基准面上的垂直投影分别为fa,fb,fc，三个吸引力的合力为f
p
＝fa+fb+fc[0086]
三点a,b,c的坐标分别为向量故有：
[0087][0088]
其中|fa|、|fb|、|fc|分别表示fa、fb、fc的大小，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。
[0089]
由于电磁力fa、fb、fc的方向固定，大小可调整，通过调整fa、fb、fc的大小，根据矢量运算的平行四边形法则和力的叠加原理，可组合出方向由当前浮子位置p1(x1,y1)指向目标位置p2(x2,y2)的合力f
p
＝γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)ey]，其中γ是一个实系数，e
x
、ey分别表示x轴、y轴单位向量。由fa、fb、fc的数学表达式的数学表达式可以得到合力fa+fb+fc的数学表达式，通过调整数学表达式中|fa|、|fb|、|fc|的大小，可组合出具有γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)ey]形式的合力。
[0090]
例如，当|fa|、|fb|、|fc|满足
时，可组合出适当的f
p
＝γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)ey]，其中系数]，其中系数f
p
可以使浮子由p1点移动到p2点。控制器根据位置偏差信号，改变励磁线圈中a、b、c中电流大小和方向，分别产生合适的电磁力fa,fb,fc，其合力f
p
＝fa+fb+fc可使浮子由p1点移动到p2点。
[0091]
当需要浮子稳定在p2点时，若由于外界扰动等原因使浮子位置偏离p2点，这时传感器将检测到浮子的实际位置，通过与稳定悬浮的目标位置p2点比较得出误差信息，进而根据受力分析计算结果并通过超前调节的控制方法得出各个励磁线圈电流的大小和方向，以调整|fa|、|fb|、|fc|，使f
p
＝fa+fb+fc可以将浮子调整回到目标稳定位置p2点。
[0092]
实施例四
[0093]
实施例一～三中，励磁线圈3为带磁芯的励磁线圈。励磁线圈3和永磁体阵列2均固定在底盘的上表面。在本实施例中，励磁线圈3为不含磁芯或永磁体的励磁线圈。如图9所示，励磁线圈3和永磁体阵列2可拆分的上下叠放：励磁线圈3固定在线圈底座平台6上，线圈底座平台6放置在永磁体阵列2上表面，能够拆卸分离。
[0094]
本实施例中，励磁线圈3和永磁体阵列2可拆分的上下叠放，这样使得驱动单元距离悬浮磁体更近，有利于增大二者之间的磁力。通过上述一系列的设置，使得在驱动线圈内不设置磁芯或永磁体的情况下，也能够保证驱动线圈与悬浮磁体之间足够的电磁力。而且，采用将励磁线圈设置在线圈底座平台的结构，线圈底座平台直接安装在磁性定子上表面，便于进行拆卸分离，从而更加易于维护。
[0095]
在上述实施例一～四中，均可以采用如图5所示的控制方法。如图5所示，位移传感器获得浮子位置后，经模数转换，与目标位置进行比较，以二者之差为0为控制目标，进行pd运算，输出结果生成pwm，经光耦隔离后，产生驱动信号输出给电磁线圈。控制过程可以加入超前控制：以小间距步进的方法实现浮子的位移，通过传感器实时检测浮子的实际位置，将最终目标值与浮子实际位置的距离分为若干等间距的目标位置，依此比较实际位置与划分后的目标位置得出误差信息，进而根据受力分析计算结果并通过超前调节的控制方法得出各个励磁线圈电流的大小和方向，产生朝向目标位置的电磁力，推动浮子朝向目标位置移动。这种超前调节控制方法，将最终目标值与实际位置的距离分为若干等间距的目标位置，依次比较实际位置与划分后的目标位置得出误差信息，基于该误差进行多次小步调节，达到目标位置。超前调节方法能够有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质。
[0096]
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种磁悬浮装置，其特征在于，包括：浮子(1)、磁性底座和控制器；浮子为圆柱形永磁体；磁性底座包括底盘、2个或3个励磁线圈(3)、永磁体阵列(2)和浮子位置监测单元(4,5)；底盘为励磁线圈(3)和永磁体阵列(2)的安装面；所有励磁线圈(3)和永磁体阵列(2)均以底盘圆心为中心点q呈现对称分布；永磁体阵列(2)中各永磁体中心组成的环线位于各励磁线圈(3)的中心所组成的环线的外侧；浮子位置监测单元设于所述中心点q处，用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置p(x
p
,y
p
)，传递给控制器；控制器将当前位置值p(x
p
,y
p
)与目标位置值进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变所有励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力f
p
能够将浮子拉至目标位置值。2.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，励磁线圈(3)为2个，控制的目标位置值为平衡位置点o(0,0)时：以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，以两个励磁线圈a、b的中心点a、点b的连线为x轴，线段ab的垂直平分线为y轴建立平面直角坐标系；将两个励磁线圈的吸引力垂直投影在基准面上，投影吸引力分别为f
a
和f
b
；f
a
和f
b
的大小记为|f
a
|、|f
b
|；由f
a
、f
b
的数学表达式和和可以得到合力f
a
+f
b
的数学表达式，通过调整数学表达式中|f
a
|、|f
b
|的大小，可组合出由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-μ(x
p
e
x
+y
p
e
y
)，f
p
可将浮子拉回至平衡位置处；其中，a为线段ab的长度，μ是一个实系数；e
x
、e
y
分别表示x轴、y轴单位向量。3.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，当|f
a
|、|f
b
|满足时，可组合出适当的合力f
p
＝-μ(x
p
e
x
+y
p
e
y
)，其中系数f
p
可将浮子从当前位置p(x
p
,y
p
)拉回至平衡位置处。4.如权利要求1所述的磁悬浮装置，其特征在于，励磁线圈(3)为3个，控制的目标位置值为平衡位置点o(0,0)时：以励磁线圈中心点所在的水平面为基准面，三个励磁线圈a、b、c的中心点a、b、c构成等边三角形，以等边三角形abc的中心o点为坐标原点，oa为y轴方向建立平面直角坐标系；将三个励磁线圈的吸引力垂直投影在基准面上，投影吸引力分别为f
a
,f
b
,f
c
；f
a
,f
b
,f
c
的大小记为|f
a
|、|f
b
|、|f
c
|；由f
a
、f
b
、f
c
的数学表达式
可以得到合力f
a
+f
b
+f
c
的数学表达式，通过调整数学表达式中|f
a
|、|f
b
|、|f
c
|的大小，可组合出由当前浮子位置p(x
p
,y
p
)指向平衡位置o(0,0)的合力f
p
＝-β(x
p
e
x
+y
p
e
y
)；f
p
可将浮子拉回至平衡位置处；其中，a为等边三角形abc的边长，β是一个实系数；e
x
、e
y
分别表示x轴、y轴单位向量。5.如权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征在于，当|f
a
|、|f
b
|、|f
c
|满足时，可组合出适当的f
p
＝-β(x
p
e
x
+y
p
e
y
)，其中系数)，其中系数f
p
可将浮子从当前位置p(x
p
,y
p
)拉回至平衡位置处。6.如权利要求4所述的磁悬浮装置，其特征在于，使用3个励磁线圈，可组合出适当的水平推力，使浮子在水平面内移动。7.如权利要求6所述的磁悬浮装置，其特征在于，控制的目标位置值为p2(x2,y2)时：改变励磁线圈a、b、c中电流大小和方向，分别产生合适的电磁力f
a
、f
b
、f
c
，通过调整|f
a
|、|f
b
|、|f
c
|的大小，可组合出由当前浮子位置p1(x1,y1)指向目标位置p2(x2,y2)的合力f
p
＝γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)e
y
]，其中γ是一个实系数，e
x
、e
y
分别表示x轴、y轴单位向量；f
p
可以使浮子由p1点移动到p2点。8.如权利要求7所述的磁悬浮装置，其特征在于，当|f
a
|、|f
b
|、|f
c
|满足|满足时，可组合出适当的f
p
＝γ[(x
2-x1)e
x
+(y
2-y1)e
y
]，其中系数
f
p
可以使浮子由p1点移动到p2点。9.如权利要求1-8任意一项所述的磁悬浮装置，其特征在于，所述励磁线圈(3)为带磁芯的励磁线圈：励磁线圈(3)和永磁体阵列(2)均固定在底盘的上表面，励磁线圈以底盘圆心为中心点q呈现对称分布；永磁体阵列(2)中的永磁体围绕励磁线圈(3)外侧分布，且以中心点q为中心呈现环形对称分布。10.如权利要求1-8任意一项所述的磁悬浮装置，其特征在于，励磁线圈(3)内不含磁芯或永磁体：所述励磁线圈(3)和永磁体阵列(2)可拆分的上下叠放：励磁线圈(3)固定在线圈底座平台(6)上，线圈底座平台(6)放置在永磁体阵列(2)上表面，能够拆卸分离。
技术总结本发明公开了一种磁悬浮装置，包括浮子、磁性底座和控制器；磁性底座包括底盘、2个或3个励磁线圈、永磁体阵列和浮子位置监测单元；底盘为励磁线圈和永磁体阵列的安装面；浮子位置监测单元设于底盘中心点用于实时检测浮子在悬浮平面上的当前位置，传递给控制器；控制器将当前位置值与目标位置值进行比对，生成位置偏差信号，结合受力分析和励磁线圈与浮子电磁力的计算结果，改变所有励磁线圈中电流大小和方向，使得所有励磁线圈对浮子的合力F
技术研发人员：邓舒同 刘英 何云飞 邹圣楠 陈鹏荣 刘畅 褚褚
受保护的技术使用者：泉州装备制造研究所
技术研发日：2022.07.11
技术公布日：2022/11/1
