УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ И ЕГО МЕХАНИЗМ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
MAGNETIC LEVITATION DEVICE AND ITS LINEAR MOVEMENT MECHANISM

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к системам магнитной левитации.
Уровень техники
Существующая система магнитной левитации, например, в форме настольной лампы, колонки или глобуса и т.п., как правило, содержит основание магнитной левитации и левитируемый объект. Основание и левитируемый объект содержат оба магнит(ы), и магнит в основании может левитировать левитируемый объект на заданном расстоянии над основанием посредством магнитного воздействия (такого как магнитная отталкивающая сила), что приводит к плавающему фантастическому визуальному эффекту, который сейчас популярен среди людей.
Тем не менее, при реализации левитации традиционной системы магнитной левитации, левитируемый объект обычно должен быть вручную помещен в правильное положение левитации относительно основания, чтобы левитируемый объект мог стабильно плавать. Для первоначального (неопытного) пользователя, ручной поиск правильной позиции левитации будет трудным и может показаться длительным процессом, и они могут потерять свое терпение и интерес соответственно.
В патентных документах заявителя WO2016/202187A1, CN104901587A, CN204687868U, CN205666775U и т.п. раскрыта система магнитной левитации, которая содержит основание и левитируемый объект, причем основание содержит магнитный левитатор и подъемник, и магнитный левитатор, имеющий кольцевой магнит, расположен на подъемнике и поднимается или опускается с подъемником таким образом, чтобы реализовать автоматическое левитирование или опускание левитируемого объекта относительно основания.
CN102315805A и CN207202600U также раскрывают подъемный механизм для аналогичной системы магнитной левитации, и высота всего основания значительно увеличивается из-за простого наложения вверх-вниз магнитного левитатора и подъемного механизма, так что вся система не может быть уменьшена.
CN102570927A или CN202503460U также раскрывает другой подъемный механизм для аналогичной системы магнитной левитации, причем подъемный механизм, имеющий подъемную стойку и лоток, непосредственно выступает из верхней поверхности основания для подъема левитируемого объекта. Такая конструкция приводит к тому, что основание не является целостностным и разрушает замечательную декоративную ценность, представленную автоматическим левитированием левитируемого объекта.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение направлено на создание такой системы магнитной левитации, чтобы не только левитируемый объект системы магнитной левитации мог осуществлять автоматическую левитацию, но и чтобы вся конструкция системы была простой и компактной.
В данном контексте термин "кольцевой магнит" включает в себя один кольцевой магнит и множество магнитов, объединенных в кольцевую форму; термин "резьбовой штифт" или, в качестве альтернативы, прямой винтовой стержень может относиться к штифту либо с внутренней резьбой, либо с внешней резьбой; выражение "резьбовой штифт, установленный без возможности смещения относительно основания" означает, что резьбовой штифт не смещается по отношению к основанию, но не исключает вращения резьбового штифта вокруг своей собственной продольной оси вращения; термин "смещение" включает, но без ограничения, вертикальное подъемное движение. Кроме того, термины «магнит» и «ферромагнит» имеют одинаковое значение и относятся к магнитному элементу, образованному N и S полюсами, которые могут быть сконструированы отдельно или в комбинации с образованием «магнитного узла».
Согласно первому аспекту изобретения предложен механизм линейного перемещения или механизм подъема для системы магнитной левитации, причем система магнитной левитации содержит основание, включающее первый магнитный узел, и левитируемый объект, включающий второй магнитный узел, причем первый магнитный узел и второй магнитный узел выполнены с возможностью создания силы магнитного баланса, необходимой для стабильной левитации левитируемого объекта относительно основания, и механизм линейного перемещения подлежит расположению в основании и содержит:
резьбовой штифт, установленный без возможности смещения относительно основания, причем указанный резьбовой штифт имеет резьбу по меньшей мере на части его длины; и
опору смещения для поддерживания первого магнитного узла основания, причем опора смещения снабжена резьбовой частью, сопряженной с резьбой резьбового штифта таким образом, что опора смещения приводит к соответствующему смещению в направлении длины резьбового штифта, когда осуществляется относительное вращение резьбовой части опоры смещения к резьбовому штифту.
В настоящем изобретении опора смещения может быть выполнена за одно целое с первым магнитным узлом в целом или соединена с ним.
В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения первый магнитный узел содержит кольцевой магнит, прикрепленный к опоре смещения, и резьбовой штифт проходит через полую часть кольцевого магнита. В этом случае механизм линейного перемещения согласно настоящему изобретению может дополнительно содержать по меньшей мере один направляющий стержень, неподвижно установленный относительно основания и расположенный параллельно резьбовому штифту. Предпочтительно, направляющие стержни также проходят через полую часть кольцевого магнита.
Механизм линейного перемещения согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит привод для создания движущей силы, необходимой для относительного вращения резьбового штифта к резьбовой части опоры смещения.
В соответствии со схемой привода согласно настоящему изобретению резьбовой штифт может быть установлен с возможностью вращения относительно основания, причем резьбовая часть опоры смещения выполнена за одно целое с опорой смещения или снабжена отдельным резьбовым элементом, таким как гайка, неподвижно прикрепленная к опоре смещения, и привод неподвижно установлен относительно основания и используется для приведения резьбового штифта во вращение относительно основания.
В приведенной выше схеме привода червячное колесо может быть неподвижно установлено относительно основания, резьбовой штифт включает один резьбовой штифт, а его нижний конец соединен с червячным колесом, причем привод представляет собой двигатель с выходным вращающимся валом, который ориентирован перпендикулярно резьбовому штифту (таким образом, что высота основания дополнительно уменьшается, или основание является более компактным) и неподвижно установлен на червяке для зацепления с червячным колесом, так что червяк приводится во вращение через вращающийся вал двигателя, а затем вращает червячное колесо, которое, в свою очередь, вращает резьбовой штифт. При использовании одного резьбового штифта резьбовой штифт предпочтительно проходит по центру через полую часть кольцевого магнита.
В указанной схеме привода червячное колесо и зубчатая передача могут быть неподвижно установлены относительно основания, зубчатая передача содержит ведущую шестерню и по меньшей мере две ведомые шестерни, резьбовой штифт включает по меньшей мере два резьбовых штифта, расположенных параллельно друг другу с интервалами, привод представляет собой двигатель с выходным вращающимся валом, который ориентирован перпендикулярно резьбовому штифту и неподвижно установлен на червяке, зацепленном с червячным колесом, каждый резьбовой штифт соединен с соответствующей ведомой шестерней, и червячное колесо зацеплено или входит в зацепление с ведущей шестерней. Таким образом, при условии, что червяк приводится во вращение вращающимся валом двигателя, червяк приводит во вращение червячное колесо, и червячное колесо, в свою очередь, приводит во вращение ведущую шестерню зубчатой передачи, а ведомая шестерня, наконец, приводит во вращение соответствующую резьбовой штифт. При этом два резьбовых штифта могут симметрично проходить через полую часть кольцевого магнита относительно центральной оси симметрии кольцевого магнита.
Приводная шестерня может содержать или не содержать промежуточную шестерню, при условии, что ведомая шестерня может приводиться в движение ведущей шестерней.
Согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения привод представляет собой двигатель с выходным вращающимся валом, который также может быть ориентирован параллельно резьбовому штифту и неподвижно закреплен на зубчатой передаче, причем резьбовой штифт неподвижно закреплен на концентрической шестерне, которая находится в зацеплении с зубчатой передачей. Таким образом, вращающийся вал двигателя приводит в движение зубчатую передачу, причем зубчатая передача, в свою очередь, приводит во вращение концентрическую шестерню; и концентрическая шестерня, наконец, приводит в движение соответствующий резьбовой штифт.
В соответствии с альтернативной схемой привода согласно настоящему изобретению резьбовая часть опоры смещения снабжена резьбовым элементом, таким как гайка, которая установлена с возможностью вращения, но без возможности смещения (например, с помощью подшипника скольжения или подшипника качения) на опоре смещения, резьбовой штифт установлен без возможности вращения относительно основания, и привод неподвижно установлен на опоре смещения и используется для приведения резьбового элемента во вращение относительно резьбового штифта. В этом случае можно избежать вращения опоры смещения, чтобы избежать так называемой проблемы скрутки провода.
В соответствии с другой альтернативной схемой привода согласно настоящему изобретению резьбовая часть опоры смещения выполнена за одно целое со опорой смещения или снабжена отдельным резьбовым элементом, неподвижно прикрепленным к опоре смещения, резьбовой штифт включает один резьбовой штифт, который неподвижно установлен относительно основания, привод неподвижно установлен на опоре смещения и используется для приведения в движение резьбовой части опоры смещения для вращения относительно резьбового штифта. В этом случае из-за относительного вращения опоры смещения левитируемый объект может автоматически находиться во вращающемся состоянии в момент отделения от основания, то есть левитируемый объект может находиться во вращающемся состоянии для удобного просмотра или тому подобного без дальнейшего ручного перемешивания.
Механизм линейного перемещения согласно настоящему изобретению может также содержать верхний концевой выключатель и, соответственно, нижний концевой выключатель, неподвижно установленные относительно опоры смещения.
В соответствии с другим аспектом изобретения также предложено основание для системы магнитной левитации, которое содержит вышеупомянутый механизм линейного движения и магнитный узел, расположенный на опоре смещения механизма линейного движения. Основание может также содержать привод для управляемого приведения в действие механизма линейного перемещения. Основание может дополнительно содержать контроллер и другие связанные с ним электромагнитные элементы или тому подобное для управления левитируемым объектом в сбалансированном положении левитации относительно основания в реальном времени. Кроме того, основание может содержать верхний концевой выключатель и нижний концевой выключатель, и контроллер также может соответственно управлять верхним концевым положением и нижним концевым положением механизма линейного перемещения через верхний концевой выключатель и нижний концевой выключатель.
Контроллер согласно настоящему изобретению может быть неподвижно установлен относительно основания или неподвижно установлен на опоре смещения.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения также предложена система магнитной левитации, содержащая вышеупомянутое основание и левитируемый объект, имеющий магнитный узел, при этом наружная поверхность (например, верхняя поверхность) основания снабжена позиционирующим элементом для первоначального позиционирования левитируемого объекта.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные варианты осуществления настоящего изобретения могут включать признаки или комбинации признаков друг в друге, только если это явно не применимо.
В системе магнитной левитации, раскрытой в изобретении, поскольку основание содержит механизм линейного перемещения, который является простым по конструкции и разумным по пространственной компоновке, все основание является более компактным и надежным по производительности.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 проиллюстрирован общий схематический вид системы магнитной левитации, содержащей левитируемый объект и основание согласно настоящему изобретению;
На фиг. 2 проиллюстрирован частичный вид в поперечном сечении основания с фиг. 1; и
На фиг. 3-5 показаны различные варианты осуществления изобретения с основанием с фиг. 2, соответственно.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на примеры и чертежи. Специалистам в данной области техники будет понятно, что примеры и чертежи предназначены только для лучшего понимания изобретения и не предназначены для его ограничения.
На фиг. 1 система мегнитной левитации согласно настоящему изобретению, как правило, содержит левитируемый объект 6 и основание 1. Левитируемый объект 6 первоначально расположен на верхней поверхности основания 1, например, в его позиционирующем углублении, и должен быть левитирован или плавать на нем. Левитируемый объект 6 имеет магнитный узел 60, который содержит цилиндрический постоянный магнит 61 и магниты 62 смещения, симметрично расположенные с обеих его сторон с помощью фиксирующей пластины 63. Благодаря магнитам 62 смещения, магнитный узел 60 левитируемого объекта 6 выполнен с возможностью ограниченного или несвободного вращения относительно магнитного узла основания 1 во время стабильной левитации и, таким образом, может применяться в определенных случаях, которые должны ограничивать свободное вращение левитируемого объекта 6. В качестве альтернативы, магниты 62 смещения также могут быть симметрично расположены на магнитном узле 40 основания 1, например, на верхней поверхности его кольцевого магнита, как описано ниже.
На фиг. 2 показан схематический частичный вид в поперечном сечении основания 1, проиллюстрированного на фиг. 1. Основание 1 содержит нижнюю пластину 10, вертикальный резьбовой штифт 20, закрепленный на нижней пластине 10, лоток или опору 30 смещения в резьбовом соединении с резьбовым штифтом 20 и магнитный узел 40, закрепленный на опоре 30 смещения и содержащий кольцевой магнит или магниты, расположенные в кольцевой форме. Электромагнитные (управляющие) элементы, такие как электромагнитные катушки 41 и датчики Холла, прикреплены к опоре 30 смещения и расположены в полой части кольцевого магнита с зазорами между ними.
Резьбовой штифт 20, показанный на фиг. 2, включает один штифт, имеющий резьбу на своей длине или в своем продольном направлении, причем нижний конец установлен на нижней пластине 10 (неподвижной части) основания 1, верхний конец проходит по центру через полую (зазор) часть кольцевого магнита, и промежуточная часть проходит по резьбе через резьбовую часть или резьбовой сегмент 31 опоры 30 смещения. Хотя резьбовой сегмент 31 опоры 30 смещения, показанный на фиг. 2, снабжен отдельным полым резьбовым элементом или гайкой, прикрепленной без возможности поворота к опоре 30 смещения, он также может быть выполнен как одно целое с опорой 30 смещения. Нижний конец резьбового штифта 20 прикреплен к держателю 16 с помощью крепежного элемента 17 таким образом, что они могут вращаться вместе относительно нижней пластины 10. Двигатель 12, имеющий горизонтальный выходной вал 13, неподвижно установлен на нижней пластине 10, выходной вал 13 двигателя 12 снабжен червяком 14, который зацепляется с червячным колесом 15, а червячное колесо 15 и держатель 16 неподвижно соединены друг с другом. Таким образом, когда червяк 14 приводится во вращение через вращающийся вал 13 двигателя 12, он приводит во вращение червячное колесо 15, затем червячное колесо 15 приводит во вращение резьбовой штифт 20, и, наконец, благодаря резьбовой посадке между резьбовым штифтом 20 и резьбовым сегментом 31 опоры 30 смещения, опора 30 смещения может перемещаться вверх и вниз вдоль резьбового штифта 20.
На фиг. 2 также показаны четыре направляющих стержня 11, проходящих параллельно и равномерно вокруг резьбового штифта 20, чтобы способствовать направлению опоры 30 смещения вверх и вниз вдоль резьбового штифта 20. Нижний конец каждого направляющего стержня 11 также расположен соответственно на нижней пластине 10 основания 1, верхний конец соответственно проходит через полый зазор кольцевого магнита, и промежуточная часть соответственно проходит через опору 30 смещения со скольжением, так что направляющие стержни 11 имеют двойные функции направления, а также предотвращения вращения опоры 30 смещения только в одном направлении.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 3, представляет собой вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 2, в котором резьбовой штифт 20 неподвижно установлен на нижней пластине 10, внешняя периферия резьбового сегмента 31 в виде гайки, установленной на опоре 30 смещения с помощью подшипника (не показана), прикреплена к большой шестерне 19, которая зацеплена с малой шестерней 18, малая шестерня 18 и червячное колесо 15 скреплены друг с другом. Двигатель 12, червяк 14, червячное колесо 15 и т.п. зацепляются друг с другом одинаково, но все они расположены на опоре 30 смещения. В этом варианте осуществления резьбовой штифт 20 не вращается, и подъем или спуск опоры 30 смещения, магнитного узла 40 и тому подобного осуществляется путем вращения большой шестерни 19 или резьбового сегмента 31 вверх или вниз до резьбового штифта 20.
В качестве улучшения варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 3, направляющие стержни 11 могут быть опущены, и тем временем подшипник опущен, а резьбовой сегмент 31 неподвижно закреплен на опоре 30 смещения. При этом, поскольку резьбовой штифт 20 не вращается, вращательное восхождение или спуск опоры 30 смещения и магнитного узла 40 и тому подобного достигается вращением большой шестерни 19 или резьбового сегмента 31 относительно резьбового штифта 20 таким образом, что левитируемый объект 6 может автоматически вращаться в момент отделения от основания 1 (левитируемый объект 6 будет находиться во вращающемся состоянии для удобного просмотра без необходимости ручного перемешивания левитируемого объекта 6). В этом случае электрический щеточный механизм может быть дополнительно расположен между опорой 30 смещения и резьбовым штифтом 20, чтобы избежать проблемы скручивания проволоки (вызванной относительным вращением электрического провода для подачи питания на двигатель 12, электромагнитный элемент и тому подобное на опоре 30 смещения к внешнему стационарному источнику питания).
На фиг. 4 проиллюстрирован другой вариант осуществления изобретения с фиг. 2, в котором расположенный по центру однозаходный резьбовой штифт 20, проиллюстрированный на фиг. 2, заменен двумя резьбовыми штифтами 201, проиллюстрированными на фиг. 4, и два резьбовых штифта 201 симметрично расположены вместо соответствующих направляющих стержней 11, проиллюстрированных на фиг. 2, соответственно. В этом варианте осуществления червячное колесо 15 и небольшая шестерня 191 неподвижно установлены друг на друге, и малая шестерня 191 зацепляется с промежуточной шестерней 190. Редуктор 193 и промежуточная шестерня 190 неподвижно установлены друг на друге, соответственно зацепляясь с большими шестернями 192 с обеих сторон. В этом варианте осуществления изобретения, поскольку резьбовой штифт не расположен по центру через полую часть кольцевого магнита, интерференция с обычными датчиками Холла или подобными датчиками, в целом, расположенными в центре кольцевого магнита, не произойдет. Кроме того, использование двух резьбовых штифтов 201 также делает подъем опоры 30 смещения более плавным.
Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 5, представляет собой модификацию варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 4, за исключением того, что приводной механизм перемещается от нижней пластины 10 к опоре 30 смещения, как в варианте осуществления изобретения с фиг. 3, таким образом, имея преимущество плавности подъема.
Конечно, хотя это и не показано, основание 1 может также содержать контроллер и верхний и нижний концевые выключатели для управления верхним и нижним концевыми положениями механизма линейного перемещения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные термины направления, описанные выше, включая "верхний", "нижний" и тому подобное, предназначены только для иллюстрации, а не для ограничения изобретения, в сочетании с вариантами осуществления изобретения, показанными на прилагаемых чертежах. Действительно, для такого устройства магнитной левитации, например, со ссылкой на патент заявителя CN1819436B, левитируемый объект не только способен вертикально и стабильно левитировать над основанием, но также способен стабильно левитировать в относительно наклонном положении, например, где угол между горизонтальной плоскостью и линией центра тяжести, проходящей через цилиндрический магнит левитируемого объекта и кольцевой магнит основания, находится в диапазоне 0-90 градусов; это связано с тем, что влияние гравитации левитируемого объекта может быть полностью компенсировано сбалансированным магнитным полем в реальном времени, сформированным системой магнитной левитации.