[发明专利]垂直永磁悬浮装置

说明书

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。

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系统。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系统中。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，如果物体位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；如果物体位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 ，如果系统以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。