CN110266215B - 垂直永磁悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直永磁悬浮装置，垂直永磁悬浮装置采用垂直方向设置的无能耗永磁悬浮构件；无能耗永磁悬浮构件的固定磁体的轴线和位于固定磁体的筒体内的悬浮磁体的轴线垂直于水平面，固定磁体的下端的磁极与悬浮磁体的下端的磁极相同；在固定磁体的内壁和悬浮磁体的外壁之间的区域内，在从下到上的方向上，固定磁体的静磁能曲线逐渐降低，形成固定磁场静磁能曲线；悬浮磁体所受到的重力与悬浮磁体所受到的向上的磁力的大小相等方向相反，悬浮磁体在其它方向受到的磁力大小相等方向相反，使悬浮磁体悬浮态为稳定态。本发明克服了现有的电磁悬浮、超导悬浮和陀螺力悬浮装置结构复杂、能耗高、成本高的缺点。

Description

垂直永磁悬浮装置

技术领域

本发明涉磁悬浮领域。具体为一种垂直永磁悬浮装置。

背景技术

磁悬浮技术可以使得相对运动的部件之间分离实现无接触承载并保持相对的稳定，从而减少了部件在接触状态下产生的摩擦、振动、噪音和磨损能耗发热，并且可实现低速和高速运转同时无需润滑油和润滑***。目前，在磁悬浮领域实现了电磁悬浮和超导悬浮，其中的超导悬浮需要使用液态氮维持超导材料，其实现的成本非常高，电磁悬浮已经获得了较为广泛的应用，然而电磁悬浮一方面需要消耗电能，另一方面电磁悬浮是一种不稳定的悬浮，需要另外设置控制装置来进行调节，其成本也很高。

为了解决以上问题，物理学界进行了长期的探索，希望能实现永磁悬浮，因为永磁悬浮是利用了永磁体本身的特性进行悬浮，是不需要耗电的。永磁悬浮一旦实现，将使悬浮的成本和30年运行费降低至电磁悬浮的几百分之一和超导悬浮的几千分之一。物理界的科学家们做了不计其数的实验来试图实现永磁悬浮。然而，“可也怪了，人们试了几千年，却从来没有成功过”（《磁悬浮的惊人秘密》[J]物理，2013，01，第63-66页，吴建永（美国乔治城大学））。

根据麦克斯韦静电场理论，点粒子集不能被稳定维持在仅由电荷的静电相互作用构成的一个稳定静止的力学平衡结构***中。这一定理运用至磁场中被称为恩绍大定理，即当悬浮体系中没有电流时，静磁场的拉普拉斯方式为：

式中W为体系的静磁能，根据恩绍的结论，为了使体系平衡，必须满足公式（2），但要达到稳定，体系的静磁能的二阶微分必须大于零，即

显然，（2）和（3）不可能同时满足，据此认为在重力场中，永磁体不能仅依靠永磁力来实现稳定的悬浮。

另外，假定物体在x、y、z方向上的刚度分别为

式中Fx、Fy和Fz分别为作用在物体x、y、z方向上的力，如果物***移的方向和作用力的方向相同，则物体会被加速偏离原有位置，此时刚度为负，物体处于不稳定状态；如果物***移的方向和作用力的方向相反，则物体会被拉回原有位置，此时刚度为正，物体处于稳定状态。从公式（2）看出：

在磁场中，

，即

，如果***以z轴为对称，则

，这说明，如果物体在z轴方向上实现了稳定，就会产生两倍径向上的不稳定，同理在实现了径向上的稳定时，便会产生二分之一轴向上的不稳定。

根据以上理论，永磁体只有在其能量最低态才能维持稳定，具体为在永磁体的同极相对时，产生相互排斥的力，永磁体在磁力的作用下相互远离直至静磁能最低位置并在此状态下维持稳定。在永磁体的异极相对时，在磁力的作用下磁体相互靠近，直至吸在一起，其静磁能最低并在此状态下保持稳定。

2017年发表的几十篇文章，说明了从1839年至2017年，在科学界仍然认可恩绍大定理，例如，Allaivk.G.Rauch.J，静电场中的电介质和导体的非稳定性（2017），旋转力学与分析文库，224（1），第223-268证明了1873年发表的世界名著麦克斯韦电磁学专著116中的大多数论断，并断言，在外部静电场中，不存在导体和电介质的稳定平衡结构，这被很多科学家应用到永磁领域而被成为恩绍定理。

因此，几千年来人们也无法实现稳定的永磁悬浮，目前在磁悬浮领域中应用的是电磁悬浮、超导悬浮、电磁与永磁相结合、超导与永磁相结合、涡流与永磁抗磁悬浮结合或者陀螺力与永磁结合，以上悬浮均为有能耗的磁悬浮，同时实现悬浮的条件也非常复杂，例如，电磁悬浮需要进行电磁控制***，超导悬浮需要-180℃液态氮，陀螺力悬浮则对陀螺的重量、转速等具有严苛的条件，且陀螺力悬浮实现稳定悬浮的区域也非常小，只有4mm左右，目前仅应用于玩具上。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的电磁悬浮、超导悬浮、陀螺力悬浮结构复杂、运行成本高的缺点，提供一种无能耗且结构简单的无能耗永磁悬浮构件和采用该装置的水平永磁悬浮装置和垂直永磁悬浮装置。

本发明的技术方案是这样的：

无能耗永磁悬浮构件 ，包括由永磁体构成的固定磁体和永磁体构成的悬浮磁体；所述固定磁体被固定在支撑上，所述固定磁体和悬浮磁体均为筒体状，所述悬浮磁体筒体同轴向设置于固定磁体筒体内且构成它们的永磁体沿轴向排布且它们之间构成斥推磁路结构，各筒体的两端分别为第一端和第二端，所述悬浮磁体的两端端口位于所述固定磁体的两端端口内，两筒体在径向构成径向稳定；所述固定磁体筒体侧壁内、悬浮磁体筒体侧壁外在相同径向距离的点的静磁能在轴向形成固定磁场静磁能曲线，所述悬浮磁体筒体对应位置上的点的静磁能在轴向形成悬浮磁场静磁能曲线，所述固定磁场静磁能曲线从固定磁体第二端向第一端静磁能逐渐降低，曲线朝向悬浮磁体外凸，所述悬浮磁场静磁能曲线从悬浮磁体第二端向第一端静磁能逐渐增高，曲线朝向固定磁体外凸，在从第二端向第一端的方向上，所述固定磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位之前，所述固定磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位之后。

本发明还提供水平永磁悬浮装置，所述水平永磁悬浮装置包括水平方向对称设置的第一永磁悬浮构件和第二永磁悬浮构件，第一永磁悬浮构件和第二永磁悬浮构件均采用如上所述的无能耗永磁悬浮构件，第一永磁悬浮构件的固定磁体，即第一固定磁体，与第二永磁悬浮构件的固定磁体，即第二固定磁体，同轴且轴线平行于水平面设置，第一固定磁体的第一端与第二固定磁体的第一端相对且磁极极性相同；第一永磁悬浮构件的悬浮磁体，即第一悬浮磁体，与第二永磁悬浮构件的悬浮磁体，即第二悬浮磁体，同轴设置，第一悬浮磁体的第一端与第二悬浮磁体的第一端磁极极性相同且通过连接件固定在一起；第一固定磁体的第一端的磁极极性与所述第一悬浮磁体的第一端的磁极极性相同，第二固定磁体的第一端的磁极极性与所述第二悬浮磁体的第一端的磁极极性相同；

在第一固定磁体的内壁和第一悬浮磁体的外壁之间的区域内，在从第一固定磁体的第二端到其第一端的方向上，第一固定磁体的静磁能逐渐降低，形成第一固定磁场静磁能曲线，同时在该方向上第一悬浮磁体的静磁能逐渐增高，形成第一悬浮磁场静磁能曲线，产生从第二端到第一端方向的第一斥力；

在第二固定磁体的内壁和第二悬浮磁体的外壁之间的区域内，在从第二固定磁体的第二端到其第一端的方向上，第二固定磁体的静磁能逐渐降低，形成第二固定磁场静磁能曲线，同时在该方向上第二悬浮磁体的静磁能逐渐升高，形成第二悬浮磁场静磁能曲线，产生从第二端到第一端方向的第二斥力；第一斥力和第二斥力大小相同、方向相反，两永磁悬浮构件的对称设置形成轴向稳定，使悬浮磁体悬浮态为稳定态。

第一悬浮磁体和第二悬浮磁体所受到的重力G与第一悬浮磁体和第二悬浮磁体所受到的向下的磁力之和的大小等于第一悬浮磁体和第二悬浮磁体所受到的向上的磁力的大小，第一悬浮磁体和第二悬浮磁体在其它方向受到的磁力大小相等方向相反；

当第一悬浮磁体和第二悬浮磁体受到向下的外力而向下运动时，其受到的与外力反向的磁力，即向上的磁力，逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力，即向下的磁力，逐渐减小，直至外力、向下的磁力和与重力之和与向上的磁力大小相等方向相反，第一悬浮磁体和第二悬浮磁体重新达到平衡；当第一悬浮磁体和第二悬浮磁体受到向上的外力而向上运动时，其受到的与外力反向的磁力，即向下的磁力，逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力，即向上的磁力，逐渐减小，直至外力、向上的磁力之和与重力和向下的磁力之和大小相等方向相反，第一悬浮磁体和第二悬浮磁体重新达到平衡；

当第一悬浮磁体和第二悬浮磁体在其它方向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力逐渐减小，直至外力和与外力同向的磁力之和与外力反向的磁力大小相等方向相反，悬浮磁体在新的位置达到稳定态，当外力消失时，第一悬浮磁体和第二悬浮磁体回到原位置重新达到稳定态。

作为优选，所述第一固定磁体和第二固定磁体均包括多个内径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从第二端向第一端的方向上，多个永磁体的外径依次减小；

第一悬浮磁***于所述第一固定磁体构成的圆柱形空间内，第二悬浮磁***于所述第二固定磁体构成的圆柱形空间内，所述第一悬浮磁体和第二悬浮磁体均包括多个外径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在第二端向第一端的方向上，多个永磁体的内径依次减小，所述第一悬浮磁体构成的圆柱形空间和第二悬浮磁体构成的圆柱形空间的轴是水平的。

作为优选，所述第一固定磁体的第一端与所述第二固定磁体的第一端通过位于二者之间的由非导磁材料制成的第一连接件固定连接在一起，所述第一悬浮磁体的第一端与所述第二悬浮磁体的第一端通过位于二者之间的由非导磁材料制成的第二连接件固定连接在一起。

作为优选，所述支撑包括由非导磁材料制成的筒状安装架，所述第一固定磁体和第二固定磁体固定在所述筒状安装架的内壁上；所述水平永磁悬浮装置还包括与所述第一悬浮磁体和第二悬浮磁体固定的承载装置。

本发明的垂直永磁悬浮装置采用垂直方向设置的如上所述的无能耗永磁悬浮构件，即所述固定磁体的轴线和位于所述筒形内的所述悬浮磁体的轴线垂直于水平面，所述固定磁体被固定在支撑上，所述固定磁体的下端的磁极与所述悬浮磁体的下端的磁极相同；

在固定磁体的内壁和悬浮磁体的外壁之间的区域内，在从下到上的方向上，固定磁体的静磁能曲线逐渐降低，形成固定磁场静磁能曲线，同时在从下到上的方向上悬浮磁体的静磁能曲线也逐渐增高，形成悬浮磁场静磁能曲线；

悬浮磁体所受到的重力与悬浮磁体所受到的向上的磁力的大小相等方向相反，悬浮磁体在其它方向受到的磁力大小相等方向相反，从而形成轴向稳定，使悬浮磁体悬浮态为稳定态；当悬浮磁体受到向下的外力而向下运动时，其受到的向上的磁力增加，当向上的磁力增加到与所述悬浮磁体受到的重力和外力之和大小相等时，悬浮磁体重新达到平衡，当悬浮磁体受到向上的外力而向上运动时，其受到的向上的磁力减小，当向上的磁力与向上的外力之和与重力大小相等时，悬浮磁体重新达到平衡；

当悬浮磁体在其它方向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力逐渐减小，直至外力和与外力同向的磁力之和与外力反向的磁力大小相等方向相反，悬浮磁体在新的位置达到稳定态，当外力消失时，悬浮磁体回到原位置重新达到稳定态。

作为优选，所述固定磁体包括多个内径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，多个永磁体的外径依次减小，所述固定磁体构成的圆柱形空间的轴线是竖直的；

所述悬浮磁***于所述固定磁体的圆柱形空间内，所述悬浮磁体包括多个外径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，多个永磁体的内径依次减小，所述悬浮磁体构成的圆柱形空间的轴线垂直于水平面。

作为优选，所述支撑包括由非导磁材料制成的筒状安装架，所述固定磁体固定在所述筒状安装架的内壁上。

作为优选，垂直永磁悬浮装置还包括与所述悬浮磁体固定的承载装置。

作为优选，所述承载装置为穿过所述悬浮磁体构成的圆柱形空间并与悬浮磁体固定的垂直旋转轴。

本发明的无能耗永磁悬浮构件、水平永磁悬浮装置和垂直永磁悬浮装置与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明的无能耗永磁悬浮构件，固定磁体筒体和其内的悬浮磁体筒体构成斥推磁路结构，径向稳定；在从第二端向第一端的方向上，固定磁场静磁能曲线和悬浮磁场静磁能曲线具有特定的关系，所述固定磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位之前，所述固定磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位之后，当从筒体径向对称的全貌看，即加上对称方向的另一对曲线，就可以看出，悬浮磁体处于固定磁体静磁能最高态以上的位置，而磁体力图使静磁能最低，根据对称原则，则会形成朝单一方向轴向的力，通过重力或另一个单一朝向轴向的相反的力，就可以实现轴向稳定。即在轴向上，通过所述固定磁体与悬浮磁体特定的结构，形成上述能量曲线关系，就可以使悬浮磁体的悬浮态为稳定态。

2、因此，该无能耗永磁悬浮构件为两个且对称水平设置时，就能形成水平永磁悬浮装置，单个垂直设置时，就能形成无能耗垂直永磁悬装置，他们形成的磁场，可产生特定的磁场，使得悬浮磁体或者悬浮磁体及与悬浮磁体固定的物体在固定磁体的轴向和径向上实现额定幅度的稳定，当悬浮磁体或者与悬浮磁体固定的物体受到径向或者轴向上的不超过额定大小的外力移动时，当悬浮磁体在轴向和/或径向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，与外力同向的磁力（如果有）逐渐减小，直至悬浮磁体再次达到受力平衡，悬浮磁体在新的位置达到稳定态，外力消除时，悬浮磁体或者悬浮磁体及与悬浮磁体固定的物体回到原位置，从而使得浮磁体和/或与悬浮磁体固定的物体在额定的范围内实现稳定的悬浮。

3、当承载装置为水平轴时，水平永磁悬浮装置可以用作水平永磁悬浮轴承。

4、当承载装置为垂直轴时，垂直永磁悬浮装置可以用作垂直永磁悬浮轴承。

附图说明

图1为本发明的水平永磁悬浮装置的实施例的结构示意图，其中左图为主视方向上的剖视图，右图为左视图。

图2为本发明的水平永磁悬浮装置的实施例的结构和静磁能曲线叠加示意图。

图3为本发明的垂直永磁悬浮装置的实施例的结构示意图，其中上图为主视方向上的剖视图，下图为俯视图。

图4为本发明的垂直永磁悬浮装置的实施例的结构和静磁能曲线叠加示意图。

图1和图2：11第一固定磁体，12第二固定磁体，13第一悬浮磁体，14第二悬浮磁体，15第一部分，16第二部分，17水平旋转轴，18第一连接件，19第二连接件，^L1第一固定磁场静磁能曲线，L₂第一悬浮磁场静磁能曲线，L₃第二固定磁场静磁能曲线，L₄第二悬浮磁场静磁能曲线。

图3和图4：21固定磁体，22悬浮磁体，23筒状安装架，24垂直旋转轴，L₅固定磁场静磁能曲线，L₆悬浮磁场静磁能曲线。

具体实施方式

本发明的无能耗永磁悬浮构件，包括由永磁体构成的固定磁体和永磁体构成的的悬浮磁体，作为优选的方案，本发明中的永磁体均采用稀土永磁。所述固定磁体被固定在支撑上，所述固定磁体和悬浮磁体均为筒体状，所述悬浮磁体筒体同轴向设置于固定磁体筒体内且构成它们的永磁体分别沿轴向排布，且它们之间构成斥推磁路结构。各筒体的两端分别为第一端和第二端，所述悬浮磁体的两端端口位于所述固定磁体的两端端口内，固定磁体与悬浮磁体在径向上是同极相斥，根据磁的库伦定律，斥力与距离平方成反比，距离越小斥力越大，两筒体在径向构成径向稳定。

所述固定磁体筒体侧壁内、悬浮磁体筒体侧壁外在相同径向距离的点的静磁能在轴向形成固定磁场静磁能曲线，所述悬浮磁体筒体对应位置上的点的静磁能在轴向形成悬浮磁场静磁能曲线。所述固定磁场静磁能曲线从固定磁体第二端向第一端静磁能逐渐降低，曲线朝向悬浮磁体外凸，所述悬浮磁场静磁能曲线从悬浮磁体第二端向第一端静磁能逐渐增高，曲线朝向固定磁体外凸。在从第二端向第一端的方向上，所述固定磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位之前，所述固定磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位之后。

本发明的水平永磁悬浮装置，如图1和图2所示，所述水平永磁悬浮装置包括水平方向对称设置的第一永磁悬浮构件和第二永磁悬浮构件，在本实施例中，水平永磁悬浮装置的结构相对于对称平面对称，对称平面为垂直于水平永磁悬浮装置的轴线，且通过图1和图2中的L线的平面，即第一永磁悬浮构件和第二永磁悬浮构件相对于该平面对称。

第一永磁悬浮构件和第二永磁悬浮构件均采用如上所述的无能耗永磁悬浮构件，第一永磁悬浮构件的固定磁体，即第一固定磁体11，与第二永磁悬浮构件的固定磁体，即第二固定磁体12，同轴且轴线平行于水平面设置，两固定磁体11、12靠近L线所在对称平面的一端为第一端，远离的为第二端，第一固定磁体11的第一端与第二固定磁体12的第一端相对且磁极极性相同；第一永磁悬浮构件的悬浮磁体，即第一悬浮磁体13，与第二永磁悬浮构件的悬浮磁体，即第二悬浮磁体14，同轴设置，两悬浮磁体13、14靠近L线所在对称平面的一端为第一端，远离的为第二端，第一悬浮磁体13的第一端与第二悬浮磁体14的第一端磁极极性相同且通过连接件固定在一起；第一固定磁体11的第一端的磁极极性与所述第一悬浮磁体13的第一端的磁极极性相同，第二固定磁体12的第一端的磁极极性与所述第二悬浮磁体14的第一端的磁极极性相同，从而形成斥推磁路结构。

在第一固定磁体11的内壁和第一悬浮磁体13的外壁之间的区域内，在从第一固定磁体11的第二端到其第一端的方向上，在相同的径向距离的位点沿轴向第一固定磁体11的静磁能逐渐降低，形成第一固定磁场静磁能曲线L₁，同时在该方向上相同位点第一悬浮磁体13的静磁能逐渐增高，形成第一悬浮磁场静磁能曲线L₂，产生从第二端到第一端方向的第一斥力。

在第二固定磁体12的内壁和第二悬浮磁体14的外壁之间的区域内，在从第二固定磁体12的第二端到其第一端的方向上，第二固定磁体12的静磁能逐渐降低，形成第二固定磁场静磁能曲线L₃，同时在该方向上第二悬浮磁体14的静磁能逐渐升高，形成第二悬浮磁场静磁能曲线L₄，产生从第二端到第一端方向的第二斥力；第一斥力和第二斥力大小相同、方向相反，轴向的斥力也与距离的平方成正比，距离越小斥力越大，两永磁悬浮构件的对称设置形成轴向稳定，使悬浮磁体悬浮态为稳定态。本发明的结构实现了几千年来未实现的在径向稳定的同时轴向也达到稳定。

第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14所受到的重力G与第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14所受到的向下的磁力之和的大小等于第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14所受到的向上的磁力的大小，第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14在其它方向受到的磁力大小相等方向相反。

当第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14受到向下的外力而向下运动时，其受到的与外力反向的磁力，即向上的磁力，逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力，即向下的磁力，逐渐减小，直至外力、向下的磁力和与重力之和与向上的磁力大小相等方向相反，第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14重新达到平衡。当第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14受到向上的外力而向上运动时，其受到的与外力反向的磁力，即向下的磁力，逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力，即向上的磁力，逐渐减小，直至外力、向上的磁力之和与重力和向下的磁力之和大小相等方向相反，第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14重新达到平衡。

当第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14在其它方向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力逐渐减小，直至外力和与外力同向的磁力之和与外力反向的磁力大小相等方向相反，第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14在新的位置达到稳定态。当外力消失时，第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14回到原位置重新达到稳定态。悬浮磁体上可以承载物体，从而使得悬浮磁体和与悬浮磁体固定的物体在额定的范围内实现稳定的悬浮。

在本发明中，所谓“外力”是指不超过额定大小的外力，外力可能是外界突然施加的力，也可能负载本身的振动。当外力超过磁场的承受极限时，将无法实现悬浮，例如，施加足够大的径向力可以克服固定磁体与悬浮磁体之间的排斥力使二者贴在一起，或者施加足够大的轴向力也可以将悬浮磁体推出固定磁体的圆筒。本发明中的“外力”排除了这些外力。本发明中的“其它方向”是指径向和轴向，除了其中的上和下。

其中，所述第一固定磁体11的第一端与所述第二固定磁体12的第一端相对设置且磁极相同，在本实施例中均为S极，同一磁体的第一端的磁极的极性与第二端的磁极的极性是不同的，因此，所述第一固定磁体11的第二端与所述第二固定磁体12的第二端磁极相同而二者相互远离，在本实施例中均为N极。相对设置即相互靠近但在水平方向上具有一定距离。

所述第一固定磁体11和第二固定磁体12均包括多个内径相同的筒状的永磁体，各永磁体沿轴向的长度可以相同，也可以不同。相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，作为优选的方案，所述第一固定磁体11的永磁体之间通过胶粘接在一起，第二固定磁体12的永磁体之间通过胶粘接在一起，在本实施例中，永磁体之间的粘接采用的是商标为“乐泰326＃”的胶加促进剂7649。多个固定在一起的筒状的永磁体的内部空间连接起来，形成圆柱形的空间。

在其它的实施例中，第一固定磁体11的第一端与所述第二固定磁体12的第一端之间可通过空隙相隔。在其它的实施例中，第一固定磁体11的相邻的永磁体之间可以具有空隙，各个永磁体分别与安装架固定在一起，第二固定磁体12、第一悬浮磁体13、第二悬浮磁体14也可进行类似设计，但需要形成前面描述的静磁能曲线形状和走势。

在从第二端向第一端的方向上，多个永磁体的外径依次减小，使得第一固定磁体11和第二固定磁体12分别形成宝塔形梯度结构，为外梯度结构，且两个宝塔形的塔尖相对。所述第一固定磁体11构成的圆柱形空间和第二固定磁体12构成的圆柱形空间同轴，且所述第一固定磁体11构成的圆柱形空间和第二固定磁体12构成的圆柱形空间的轴是水平的。上述结构能使在固定磁体和悬浮磁体之间相同的径向距离上的位点在轴向形成的固定磁场静磁能曲线从固定磁体第二端向第一端静磁能逐渐降低，曲线朝向悬浮磁体外凸。见图2。两个固定磁体11、12均形成许多这样的固定磁场静磁能曲线。

第一悬浮磁体13位于所述第一固定磁体11构成的圆柱形空间内，第一悬浮磁体13沿轴向的长度小于第一固定磁体11沿轴向的长度，且在静态和动态下，第一悬浮磁体13的两端均位于第一固定磁体11构成的圆柱形空间的内部。第二悬浮磁体14位于所述第二固定磁体12构成的圆柱形空间内，第二悬浮磁体14沿轴向的长度小于第二固定磁体12沿轴向的长度，且在静态和动态下，第二悬浮磁体14的两端均位于第二固定磁体12构成的圆柱形空间内。

所述第一悬浮磁体13的第一端与所述第二悬浮磁体14的第一端相对设置且磁极相同，在本实施例中为S极。所述第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14均包括多个外径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起。作为优选的方案，所述第一悬浮磁体13的永磁体之间通过胶粘接在一起，第二悬浮磁体14的永磁体之间通过胶粘接在一起。

在从第二端向第一端的方向上，多个永磁体的内径依次减小，即形成内梯度结构，所述第一悬浮磁体13构成的圆柱形空间和第二悬浮磁体14构成的圆柱形空间同轴，所述第一悬浮磁体13构成的圆柱形空间和第二悬浮磁体14构成的圆柱形空间的轴是水平的。

第一固定磁体11的第二端的磁极与所述第一悬浮磁体13的第二端的磁极相同，第二固定磁体12的第二端的磁极与所述第二悬浮磁体14的第二端的磁极相同。上述两个悬浮磁体的结构能使在固定磁体和悬浮磁体之间相同的径向距离上的位点在轴向形成的悬浮磁场静磁能曲线从悬浮磁体第二端向第一端静磁能逐渐增高，曲线朝向固定磁体外凸，两悬浮磁体13、14均形成大量这样的悬浮磁场静磁能曲线。在从第二端向第一端的方向上，所述固定磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位之前，所述固定磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位之后，图2表达了这样的静磁能关系。

作为优选的方案，所述第一固定磁体11的第一端与所述第二固定磁体12的第一端通过位于二者之间的由非导磁材料制成的第一连接件18固定连接在一起，所述第一悬浮磁体13的第一端与所述第二悬浮磁体14的第一端通过位于二者之间的由非导磁材料制成的第二连接件19固定连接在一起。

所述支撑包括由非导磁材料制成的筒状安装架，筒状安装架的轴也是水平的，所述第一固定磁体11和第二固定磁体12固定在所述筒状安装架23的内壁上。连接第一固定磁体11的第一端与所述第二固定磁体12的第一端的第一连接件18可以是筒状安装架23的一部分，也可以独立于筒状安装架23。

作为优选的方案，固定磁体的外壁与筒状安装架的内壁之间可以填充非导磁材料，使得固定磁体与与筒状安装架的内壁之间不具有空隙，从而实现更高的安装精度和更高的稳定性。

作为优选的实施例，筒状安装架可以分成两个部分，如图1所示，两部分的内径相同，这样两个部分的长度都比较短，可以将第一固定磁体11安装在第一部分15内，将第二固定磁体12安装在第二部分16内，第一部分15与第二部分16通过螺栓固定在一起。

所述水平永磁悬浮装置还包括与所述第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14固定的承载装置。在本实施例中，所述承载装置为穿过所述第一悬浮磁体13构成的圆柱形空间和第二悬浮磁体14构成的圆柱形空间并与所述第一悬浮磁体13和第二悬浮磁体14固定的水平旋转轴17。这样，水平永磁悬浮装置便成为一个水平永磁悬浮轴承。旋转轴或者其它类型的承载装置也可以承载其它的物体，从而使物体依靠永磁力稳定地悬浮。

作为优选的方案，在所述承载装置空载的情况下，所述第一悬浮磁体13的轴线高于所述第一固定磁体11的轴线，这样可使得承重的承载装置的位置更靠近轴线，从而可在更大的范围内保持稳定悬浮。

本发明的垂直永磁悬浮装置，采用垂直方向设置的如上所述的无能耗永磁悬浮构件，如图3和图4所示，将上述无能耗永磁悬浮构件在垂直方向设置，即所述固定磁体21和位于所述固定磁体21的筒形内的所述悬浮磁体22的轴线均垂直于水平面，所述固定磁体21被固定在支撑上，所述固定磁体21的下端的磁极与所述悬浮磁体22的下端的磁极相同。

在固定磁体21的内壁和悬浮磁体22的外壁之间的区域内，在从下到上的方向上，固定磁体21的静磁能曲线逐渐降低，形成固定磁场静磁能曲线L₅。同时在从下到上的方向上悬浮磁体22的静磁能逐渐增高，形成悬浮磁场静磁能曲线L₆。

悬浮磁体22所受到的重力与悬浮磁体22所受到的向上的磁力的大小相等方向相反，悬浮磁体22在其它方向受到的磁力大小相等方向相反，从而形成轴向稳定，使悬浮磁体悬浮态为稳定态。

当悬浮磁体22受到向下的外力而向下运动时，其受到的向上的磁力增加，当向上的磁力增加到与所述悬浮磁体受到的重力和外力之和大小相等时，悬浮磁体22重新达到平衡。当悬浮磁体22受到向上的外力而向上运动时，其受到的向上的磁力减小，当向上的磁力与向上的外力之和与重力大小相等时，悬浮磁体22重新达到平衡。

当悬浮磁体22在其它方向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力逐渐减小，直至外力和与外力同向的磁力之和与外力反向的磁力大小相等方向相反，悬浮磁体22在新的位置达到稳定态，当外力消失时，悬浮磁体22回到原位置重新达到稳定态。

在本实施例中固定磁体21包括多个筒状永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，固定磁体21的多个永磁体的外径依次减小，所述固定磁体21构成的圆柱形空间的轴线是竖直的。

所述悬浮磁体22位于所述固定磁体21的圆柱形空间内，所述悬浮磁体22包括多个外径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，多个永磁体的内径依次减小，所述悬浮磁体22构成的圆柱形空间的轴线垂直于水平面。

所述固定磁体21的下端的磁极极性与所述悬浮磁体22的下端的磁极极性相同，从而形成斥推磁路结构。在本实施例中下端均为N极，上端为S极。当然，也可以下端均为S极，上端均为N极。同一磁体的上端和下端的磁极极性永远是不同的。悬浮磁体22的长度小于固定磁体21的长度，且悬浮磁体22的上端位于固定磁体21的上端的下方，悬浮磁体22的下端位于固定磁体21的下端的上方。

所述支撑包括由非导磁材料制成的筒状安装架23，所述固定磁体21固定在所述筒状安装架23的内壁上。

垂直永磁悬浮装置还包括与所述悬浮磁体22固定的承载装置。在本实施例中，所述承载装置为穿过所述悬浮磁体22构成的圆柱形空间并与悬浮磁体22固定的垂直旋转轴24。因此，垂直永磁悬浮装置可以作为垂直轴承来使用。当然，承载装置还可以是其它形状，用来承载其它物体使其在磁力作用下稳定悬浮。

上述两个实施例中的旋转轴优选由碳纤维或者钛合金制成，具有更好的强度及其它力学性能，可以承受更高的转速，使用寿命更长。

本发明的无能耗永磁悬浮构件、水平永磁悬浮装置和垂直永磁悬浮装置的静磁能曲线和磁体结构是经过几十年的实验才得到的，实验的成功推翻了恩绍定理，同时，本发明的结构如果应用于磁悬浮轴承及其它领域实现无能耗的悬浮，将会大大减少能耗及磨损损耗，因此可创造巨大的经济价值。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.垂直永磁悬浮装置，其特征在于，所述垂直永磁悬浮装置采用垂直方向设置的无能耗永磁悬浮构件，无能耗永磁悬浮构件包括由永磁体构成的固定磁体和永磁体构成的悬浮磁体；所述固定磁体被固定在支撑上，所述固定磁体和悬浮磁体均为筒体状，所述悬浮磁体的筒体同轴设置于固定磁体的筒体内且构成它们的永磁体分别沿轴向排布、它们之间构成斥推磁路结构，各筒体的两端分别为第一端和第二端，所述悬浮磁体的两端端口位于所述固定磁体的两端端口内，两筒体在径向构成径向稳定；所述固定磁体的筒体侧壁内、悬浮磁体的筒体侧壁外在相同径向距离的点的静磁能在轴向形成固定磁场静磁能曲线，所述悬浮磁体的筒体对应位置上的点的静磁能在轴向形成悬浮磁场静磁能曲线，所述固定磁场静磁能曲线从固定磁体第二端向第一端静磁能逐渐降低，曲线朝向悬浮磁体外凸，所述悬浮磁场静磁能曲线从悬浮磁体第二端向第一端静磁能逐渐增高，曲线朝向固定磁体外凸，在从第二端向第一端的方向上，所述固定磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位之前，所述固定磁场静磁能曲线的最低静磁能的点位在所述悬浮磁场静磁能曲线上最高静磁能的点位之后；

所述固定磁体的轴线和位于所述固定磁体的筒体内的所述悬浮磁体的轴线垂直于水平面，所述固定磁体被固定在支撑上，所述固定磁体的下端的磁极与所述悬浮磁体的下端的磁极相同；

在固定磁体的内壁和悬浮磁体的外壁之间的区域内，在从下到上的方向上，固定磁体的静磁能曲线逐渐降低，形成所述固定磁场静磁能曲线，同时在从下到上的方向上悬浮磁体的静磁能曲线也逐渐增高，形成所述悬浮磁场静磁能曲线；

悬浮磁体所受到的重力与悬浮磁体所受到的向上的磁力的大小相等方向相反，悬浮磁体在其它方向受到的磁力大小相等方向相反，从而形成轴向稳定，使悬浮磁体悬浮态为稳定态；当悬浮磁体受到向下的外力而向下运动时，其受到的向上的磁力增加，当向上的磁力增加到与所述悬浮磁体受到的重力和外力之和大小相等时，悬浮磁体重新达到平衡，当悬浮磁体受到向上的外力而向上运动时，其受到的向上的磁力减小，当向上的磁力与向上的外力之和与重力大小相等时，悬浮磁体重新达到平衡；

当悬浮磁体在其它方向受到外力而运动时其受到的与外力反向的磁力逐渐增大，同时其受到的与外力同向的磁力逐渐减小，直至外力和与外力同向的磁力之和与外力反向的磁力大小相等方向相反，悬浮磁体在新的位置达到稳定态，当外力消失时，悬浮磁体回到原位置重新达到稳定态。

2.根据权利要求1的垂直永磁悬浮装置，其特征在于，所述固定磁体包括多个内径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，多个永磁体的外径依次减小，所述固定磁体构成的圆柱形空间的轴线是竖直的；

所述悬浮磁***于所述固定磁体的圆柱形空间内，所述悬浮磁体包括多个外径相同的筒状的永磁体，相邻的永磁体异极相吸且同轴地固定在一起，在从下向上的方向上，多个永磁体的内径依次减小，所述悬浮磁体构成的圆柱形空间的轴线垂直于水平面。

3.根据权利要求2所述的垂直永磁悬浮装置，其特征在于，所述支撑包括由非导磁材料制成的筒状安装架，所述固定磁体固定在所述筒状安装架的内壁上。

4.根据权利要求2所述的垂直永磁悬浮装置，其特征在于，垂直永磁悬浮装置还包括与所述悬浮磁体固定的承载装置。

5.根据权利要求4所述的垂直永磁悬浮装置，其特征在于，所述承载装置为穿过所述悬浮磁体构成的圆柱形空间并与悬浮磁体固定的垂直旋转轴。

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