靜態(tài)或運(yùn)動物體的磁懸浮的制作方法
【專利說明】靜態(tài)或運(yùn)動物體的磁懸浮
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本專利申請要求享有于2013年10月15日提交的題為“靜態(tài)或運(yùn)動物體的磁懸浮”的未決美國專利申請US 14/069，359的優(yōu)先權(quán)，其根據(jù)35 U.S.C § 119 (e)要求2013年3月15日提交的題目為“靜態(tài)或運(yùn)動物體的磁懸浮”的美國臨時專利申請序列號61/799,695的優(yōu)先權(quán)，這兩者都是全文引入作為參考并用于所有目的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及磁懸浮系統(tǒng)，尤其涉及通過產(chǎn)生感應(yīng)磁場的物體的靜態(tài)磁懸浮。
【背景技術(shù)】
[0004]眾所周知，根據(jù)磁體的磁極如何對齊，兩個永磁體將在近距離彼此吸引或排斥。當(dāng)對準(zhǔn)重力矢量時，排斥力可用于抵消重力并提升物體。為了提升物體，并且然后將其從一個位置移動到另一個位置，排斥力或者不穩(wěn)定或者太穩(wěn)定。特別地，相反的磁體可以對準(zhǔn)成使得物體保持在適當(dāng)位置，但是然后不能容易地移動到另一個位置或所述磁體可被對準(zhǔn)成使得物體容易地移動但不會保留在原位，而不是兩者都實(shí)現(xiàn)。
[0005]另一磁排斥作用與導(dǎo)電物體附近產(chǎn)生移動磁場有關(guān)。當(dāng)永磁體移動到導(dǎo)電物體附近，例如金屬物體時，渦電流在導(dǎo)電物體中建立，其產(chǎn)生相反的磁場。例如，當(dāng)將永磁體落下并穿過銅管，產(chǎn)生相反的磁場，相比于非磁性物體跌落經(jīng)過該管，該磁場明顯減慢了磁體。這種效應(yīng)已由楞次定律描述。
[0006]該渦電流效應(yīng)已經(jīng)被提議作為產(chǎn)生磁性提升的方法。例如，渦電流效應(yīng)已經(jīng)建議用在“Maglev(磁懸浮)”列車中(Maglev是磁懸浮的縮寫)。在使用禍電流效應(yīng)的磁浮列車應(yīng)用中，耦合到所述列車車廂的永磁體的磁性陣列在導(dǎo)電軌道上移動。由磁性陣列產(chǎn)生的磁場運(yùn)動在導(dǎo)電軌道感應(yīng)出相反的磁場，這樣可提升列車車廂。相比于采用兩組磁體具有相反的磁場(例如在軌道和火車車廂的磁性陣列)，這種方式的一個優(yōu)點(diǎn)是只有該系統(tǒng)的一部分即列車車廂需要永磁體或其它機(jī)構(gòu)用于有效地產(chǎn)生磁場。
[0007]在操作中，使用某些推進(jìn)機(jī)構(gòu)，磁性裝備的列車從靜止位置被加速，并且通過閾值速度。在此期間，導(dǎo)電軌道中感應(yīng)的反向磁場不足以提升該列車車廂。然而，一旦列車車廂達(dá)到所述閾值速度，則通過渦電流效應(yīng)在導(dǎo)電軌道感應(yīng)出足夠的反向磁場，使列車車廂在導(dǎo)電軌道上磁性地懸浮在一定高度。
[0008]由于列車車廂必須被移動來產(chǎn)生這種方式的磁性提升，所述系統(tǒng)不適合用于磁性地提升物體的同時保持在靜止位置。鑒于上述，需要新的方法和裝置用于產(chǎn)生磁性提升。特別是，需要如下的磁懸浮系統(tǒng)，其允許物體被磁性地提起，同時處于靜止位置，同時從靜止位置移動到另一個靜止位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]描述了一種磁性提升系統(tǒng)。該磁性提升系統(tǒng)包括磁性提升裝置和導(dǎo)電襯底。該磁性提升裝置被設(shè)置用于產(chǎn)生移動磁場，該移動電場在導(dǎo)電襯底中感應(yīng)出渦電流。該渦電流提供相反的磁場，該磁場產(chǎn)生磁性升力。磁性提升可在自由懸浮飛行中足以支撐磁性提升裝置和有效負(fù)載。在一個實(shí)施方案中，磁性提升裝置可以是懸浮板，其中有效負(fù)載為人。
[0010]在一個實(shí)施方案中，可以由一個或多個具有永磁體的排列的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生移動磁場。該轉(zhuǎn)子可以由發(fā)動機(jī)驅(qū)動，例如電動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)。該發(fā)動機(jī)可包括內(nèi)裝動力源，例如電池或容納可燃燃料的罐。
[0011]在操作中，通過發(fā)動機(jī)，一個或多個轉(zhuǎn)子可以從靜止加速轉(zhuǎn)動到高于閾值速度，其導(dǎo)致磁性提升裝置從導(dǎo)電襯底上升并在自由飛行中懸浮在適當(dāng)位置。導(dǎo)電襯底可以包括一些類型的非鐵磁導(dǎo)電金屬。例如，導(dǎo)電襯底可以是鋁或銅的薄片或柵格件。
[0012]雖然在所述襯底上懸浮，但所述磁性提升裝置和有效負(fù)載可以機(jī)動地從一個位置到另一個位置。例如，個人可以按下裝置從第一位置到另一個位置。當(dāng)磁性提升裝置定位在所需的位置中，轉(zhuǎn)子可以轉(zhuǎn)動下來，將磁性提升裝置和有效負(fù)載從懸浮自由飛行位置移動到導(dǎo)電襯底上靜止的所需位置。
[0013]這里描述的實(shí)施方案的一個方面一般可表征為磁性提升裝置。該磁性提升裝置可以包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有永磁體的排列。磁體可設(shè)置成偏置磁場的強(qiáng)度，使磁場的強(qiáng)度在轉(zhuǎn)子的一側(cè)強(qiáng)于轉(zhuǎn)子的相對另一側(cè)。例如，磁體可以設(shè)置成Halbach陣列以產(chǎn)生該效果。為了驅(qū)動轉(zhuǎn)子，發(fā)動機(jī)可耦合到轉(zhuǎn)子。
[0014]該磁性提升裝置可以包括被配置成接收有效負(fù)載的有效負(fù)載平臺。在一個實(shí)施方案中，有效負(fù)載平臺可以允許人站立在裝置上，同時其懸浮在適當(dāng)?shù)奈恢?。耦合到所述發(fā)動機(jī)的控制器可以配置為控制所述發(fā)動機(jī)以轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子，其使磁性提升裝置和有效負(fù)載在自由飛行中懸浮在導(dǎo)電襯底上方的高度。所述轉(zhuǎn)子、所述發(fā)動機(jī)、所述有效負(fù)載平臺和所述控制器可以結(jié)構(gòu)性彼此連接。另外，殼體可以圍繞發(fā)動機(jī)、轉(zhuǎn)子和控制器的全部或部分。
[0015]在各種實(shí)施方案中，磁性提升裝置可以包括多個不同的補(bǔ)充和/或支撐其運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。例如，轉(zhuǎn)輪或滾筒可以設(shè)置有磁性提升裝置。轉(zhuǎn)輪或滾筒可幫助磁性提升裝置從一個位置移動到另一位置，例如但不限于當(dāng)磁性提升不被產(chǎn)生時。此外，轉(zhuǎn)輪或滾筒可作為起落架。在一個實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)輪可以耦合到發(fā)動機(jī)，以產(chǎn)生推進(jìn)力用于將磁性提升裝置從一個位置移動到另一個位置。在另一個實(shí)施方案中，產(chǎn)生推力的推進(jìn)機(jī)構(gòu)，例如渦輪或螺旋槳，可以被耦合到磁性提升裝置。在另一個實(shí)施例中，陀螺儀或其他穩(wěn)定機(jī)構(gòu)可以被耦合到磁性提升裝置，以穩(wěn)定并控制其運(yùn)動，例如在飛行期間。
【附圖說明】
[0016]所包含的附圖用于說明目的，并且只用于為公開的發(fā)明系統(tǒng)和方法提供可能結(jié)構(gòu)和工藝步驟的例子。這些附圖不以任何方式限制在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行的在形式和細(xì)節(jié)上的任何改變。
[0017]圖1是根據(jù)所述的實(shí)施方案的包括懸浮板的磁性提升系統(tǒng)的圖示。
[0018]圖2是示出了根據(jù)所述的實(shí)施方案的產(chǎn)生磁性提升的方法的框圖。
[0019]圖3和4是示出根據(jù)所述的實(shí)施方案的磁性提升系統(tǒng)的操作的圖。
[0020]圖5是示出了根據(jù)所描述的實(shí)施方案的磁性提升裝置的框圖。
[0021]圖6是根據(jù)所述的實(shí)施方案的使用轉(zhuǎn)動磁場的磁性提升裝置的圖示。
[0022]圖7是根據(jù)所述的實(shí)施方案的用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)動磁場的部件的圖示。
[0023]圖8是根據(jù)所述的實(shí)施方案的用于將磁場集中在特定方向的永磁體排列的圖示。
[0024]圖9是根據(jù)所述的實(shí)施方案的包括永磁體排列的圓形盤的圖示。
[0025]圖10是根據(jù)所述的實(shí)施方案的用以承載永磁體陣列的三個不同盤襯底的圖示。
[0026]圖11是根據(jù)所描述的實(shí)施方案的具有非平面配置的磁體的轉(zhuǎn)動盤的頂部透視圖和側(cè)視圖圖不。
[0027]圖12a和12b是根據(jù)所述實(shí)施方案的配置用以產(chǎn)生多個磁場配置的圓形盤的圖不O
[0028]圖13是根據(jù)所描述的實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁力提升的堆疊轉(zhuǎn)子構(gòu)造的圖示。
[0029]圖14是根據(jù)所述實(shí)施方案的包括兩個可獨(dú)立轉(zhuǎn)動的具有磁性陣列的盤的提升裝置的透視圖。
[0030]圖15是根據(jù)所描述實(shí)施方案的圖11中磁性提升裝置的分解軸向視圖。
[0031]圖16是根據(jù)所述實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁性提升的包括磁性陣列的兩個連接和轉(zhuǎn)動盤的俯視圖圖不。
[0032]圖17和18是示出了根據(jù)所述實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁力提升的包括磁性陣列的四個可轉(zhuǎn)動盤的兩個不同設(shè)置的俯視圖圖示。
[0033]圖19是根據(jù)所述的實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁性提升的包括三個可轉(zhuǎn)動盤排列的磁性提升裝置的俯視圖圖示，該可轉(zhuǎn)動盤包括磁性陣列。
[0034]圖20是根據(jù)所述實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁性提升的磁性提升裝置的俯視圖圖示，該磁性提升裝置包括四個轉(zhuǎn)動盤的排列，該轉(zhuǎn)動盤包括磁性陣列。
[0035]圖21為根據(jù)所述實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁性提升的磁性提升裝置的透視圖圖示，該磁性提升裝置包括八個轉(zhuǎn)動盤的排列，該盤包括磁性陣列。
[0036]圖22是示出了根據(jù)所述實(shí)施方案的用于產(chǎn)生磁性提升的八個可轉(zhuǎn)動盤的不同排列的頂視圖，該盤包括磁性陣列。
[0037]圖23和24是根據(jù)所述的實(shí)施方案的兩個磁性提升系統(tǒng)的圖示。
[0038]圖25是根據(jù)所述的實(shí)施方案的磁性提升和加熱系統(tǒng)的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明現(xiàn)在將參照附圖來詳細(xì)描述一些在附圖中示出的優(yōu)選實(shí)施方案。在下面的描述中，許多具體細(xì)節(jié)被闡述以提供對本發(fā)明的徹底的理解。然而，顯然，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可以在沒有一些或全部具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。在其它情況下，公知的工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)沒有詳細(xì)描述，以免不必要地模糊了本發(fā)明。
[0040]參考下文的附圖和章節(jié)，描述了磁性提升系統(tǒng)及其操作。尤其是對于包含圖1-6的第一章節(jié)，其標(biāo)題為“磁性提升系統(tǒng)、組件和操作”，描述了磁性提升系統(tǒng)的可能部件、相關(guān)元件和它們的排列的一些一般例子以及操作的原理。在第二章節(jié)，其標(biāo)題為“用于產(chǎn)生移動磁場的機(jī)構(gòu)”，包含圖7-13，描述了用于產(chǎn)生移動磁場的部件的排列。特別地，描述了具有耦合到發(fā)動機(jī)的永磁體的排列的轉(zhuǎn)子。在第三章節(jié)，題目為“具有多個轉(zhuǎn)動盤的磁性提升系統(tǒng)”，包括圖14-20，描述了利用多個轉(zhuǎn)動盤用于產(chǎn)生移動磁場的磁性提升裝置的實(shí)施方案。特別地，對于具有兩個、三個和四個轉(zhuǎn)子的裝置，描述了轉(zhuǎn)動盤和發(fā)動機(jī)連接機(jī)構(gòu)的不同設(shè)置。描述這些配置僅僅為了說明的目的，因?yàn)榫哂懈鄠€轉(zhuǎn)子的裝置也是可能的。最后，在第四章節(jié)，標(biāo)題為“磁性提升系統(tǒng)應(yīng)用”，包括圖21-25，描述了用于磁性提升裝置的幾種可能的應(yīng)用和操作情況。
[0041 ] 磁性提升系統(tǒng)、部件和操作
[0042]在本章節(jié)中，描述了產(chǎn)生磁性提升的方法、用于產(chǎn)生磁性提升的部件、磁性提升系統(tǒng)及其操作。圖1是磁性提升系統(tǒng)2的圖示，其包括懸浮板8。如下描述，該懸浮板8可被配置為產(chǎn)生磁性提升。該磁性提升允許裝置懸浮在導(dǎo)電襯底上方，如半管6。所產(chǎn)生的磁性提升可足以支撐人的重量，如人4。
[0043]在圖1中，人4乘坐導(dǎo)電表面6之上的懸浮板8。導(dǎo)電表面6包括多個彎曲的部分。在2中，導(dǎo)電表面是半管形狀。半管的底部可以是相對平的。在操作中，例如4的人，可使用懸浮板8在半管的側(cè)面上下懸浮。下面將描述如系統(tǒng)2的磁性提升系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，其允許人乘坐懸浮板。
[0044]圖2是示出了根據(jù)所述實(shí)施方案的產(chǎn)生磁性提升的方法的方框圖。在具體實(shí)施方案中，電磁渦電流效應(yīng)用于產(chǎn)生磁性提升。該電磁渦電流效應(yīng)與楞次定律相關(guān)聯(lián)。楞次定律表明由于磁場改變引起的電路中的感生電流被引導(dǎo)以對抗磁通量中的變化或施加相反于運(yùn)動的機(jī)械力。
[0045]使用渦電流效應(yīng)的磁性提升系統(tǒng)15可包括主磁場發(fā)生器10，磁感應(yīng)發(fā)生器12和導(dǎo)電物質(zhì)14。該磁場發(fā)生器10產(chǎn)生主磁場。磁感應(yīng)發(fā)生器12將運(yùn)動傳遞給磁性提升系統(tǒng)中的一個或多個組件。該運(yùn)動引起主磁場相對于導(dǎo)電物質(zhì)14的運(yùn)動，其在導(dǎo)電物質(zhì)14感應(yīng)出次要磁場18。
[0046]當(dāng)磁感應(yīng)發(fā)生器12工作時，次要磁場18在導(dǎo)電物質(zhì)14中被感應(yīng)。該次要磁場與主磁場相反。因此，當(dāng)所述主磁場在系統(tǒng)15的第一部件中產(chǎn)生并且次要磁場在系統(tǒng)15的第二部件中產(chǎn)生時，在第一部件和第二部件之間可以產(chǎn)生相斥力16。
[0047]在具體實(shí)施方案中，可以設(shè)置第一部件和第二部件，使得全部或部分的相斥力16與作用在第一部件或第二部件的重力反向。抵消了重力的相斥力16部分可作為磁性提升。例如，包括永磁體的第一部件可在第二部件的導(dǎo)電物質(zhì)表面上轉(zhuǎn)動，其中所述表面垂直于重力矢量。該第一部件的轉(zhuǎn)動造成與永磁體相關(guān)聯(lián)的所述主磁場的運(yùn)動，其在第二部件的導(dǎo)電物質(zhì)中感應(yīng)出次要磁場。然后，次要磁場使得第一部件上升到導(dǎo)電物質(zhì)表面上方的一定高度。參考圖3該效果被更詳細(xì)地描述。
[0048]通常，主磁場可以保持靜止并且該導(dǎo)電物質(zhì)可相對于所述主磁場移動，或所述導(dǎo)電物質(zhì)可以保持靜止而所述主磁場相對于導(dǎo)電物質(zhì)移動。也可以使主磁場與導(dǎo)電物質(zhì)兩個每個都能夠處于運(yùn)動，其中在兩者之間有一定的相對運(yùn)動。例如，可以通過選擇性地發(fā)送電流到一組線圈中的不同線圈以感應(yīng)導(dǎo)電物質(zhì)中的次要磁場，在一組線圈中產(chǎn)生移動的主要磁場，該導(dǎo)電物質(zhì)是靜止的或移動的。作為另一個例子，一組永磁體可以相對于導(dǎo)電物質(zhì)移動，該導(dǎo)電物質(zhì)是靜止或移動的，只要在導(dǎo)電物質(zhì)和永磁體之間存在相對運(yùn)動。作為又一個例子，導(dǎo)電物質(zhì)可相對于一組靜態(tài)永磁體移動。
[0049]在一些實(shí)施方案中，磁性提升系統(tǒng)15可包括組件25，該組件具有一個或多個永磁體，這些永磁體以一些類型的重復(fù)圖案移動。在足夠的速度下，永磁體在循環(huán)的模式中的運(yùn)動引起導(dǎo)電物質(zhì)14中的次要磁場，使得部件25被磁懸浮。磁體在重復(fù)圖案中被移動時，磁性提升系統(tǒng)可以保持在地面之上相對恒定的高度而不引起物體相對于地面的平移運(yùn)動，即物體可在靜態(tài)位置懸浮。
[0050]在一個實(shí)施方案中，一個或多個永磁體可以沿著安裝到襯底20的軌道移動。該軌道被設(shè)置成閉合回路，其可以是對稱的或不規(guī)則形狀。因此，磁體可環(huán)繞軌道在如搭接的重復(fù)圖案中那樣運(yùn)動。一種裝置，其導(dǎo)致磁體沿所述軌道移動且其電源還可耦合到襯底。例如，磁體可以耦合到皮帶或鏈條，其中皮帶或鏈條由發(fā)動機(jī)驅(qū)動。當(dāng)永磁體被移動得足夠快時，可以產(chǎn)生磁性提升。
[0051 ] 在其他實(shí)施