磁悬浮的故事(下) – 动态磁悬浮

今天接着上次的内容,继续分享动态磁悬浮。

话说恩绍大定理问世以后,在很长的一段时间内,如果某个物理学家宣布要制造磁悬浮,一定会受到同行们的羞辱,因为这个跟永动机一样是不可能的。可惜的是,有无数的民间“科学家”不认得恩绍,更不知道什么大定理小定理,他们日复一日的做各种尝试。奇迹往往就这样产生了,1993年美国的一位叫罗来.哈里根(Roy Harrigan)的民间发明家申请了一项磁悬浮的专利。玩过陀螺的人一定都注意到一个现象:静止的陀螺是不可能直立的,但是只要旋转起来,就能保持平衡。哈里根同学的方法就是这样,虽然静止的磁铁不能保持稳定,但是可以做成一个陀螺,让它旋转起来就可以保持悬浮状态。

后来有两位无耻的物理学家(美国拉斯维莫斯国家实验室,所以大家也别相信美国的所谓社会公德),作为学院派的人物,他们抱着找茬的态度联系了发明家。在亲眼目睹了这个神奇的发明之后,他们骗走了一套陀螺回去研究。之后的事情大家应该能猜到了,他们稍作修改,申请了新的专利,并制作了一种叫Levitron的玩具大赚特赚。这次为了研究磁悬浮,我也特地从淘宝买了一套,只需要15元:

不用电的磁悬浮,但是需要很高的技巧

不用电的磁悬浮,但是需要很高的技巧

说到这里必须多提两句。据专家分析,这种陀螺在磁体上几十毫米的空中浮动,但稳定区域只有4毫米左右,陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定。不仅如此,陀螺的重量必须精确到1%左右,轻则飞出,重则落地。加之陀螺的稳定还随环境温度变化,必须随时调整。使用者还要学会在磁体强烈的斥力下把陀螺转到一定的转速,快了慢了都不能稳定。作为一个成熟产品,我大概玩了一个小时才能掌握让它浮起来的技巧,真不知道这些发明家们经历了多少失败才发明出来的!在此向这些伟大的DIY玩家致敬!

这个不用电的陀螺虽然能悬浮,但是只能保持几分钟(空气阻力)。然后21世纪到了!集成电路,霍尔传感器,钕铁硼强磁….科技的进步让我这样的业余玩家也可以在家做磁悬浮,这就是所谓的站在巨人肩膀上。这次我做了两种磁悬浮:上拉式和下推式。其中用到的一个关键器件是线性霍尔传感器,这种传感器简而言之就是能够感知磁场的大小:

线性霍尔传感器

线性霍尔传感器

这种传感器的安装要非常小心,因为它测量的是通过那个小小的平面的磁通量,如果磁场和表面平行,那么再强的磁场也测不出来。另外这里必须用线性霍尔,而不是开关型霍尔,我选用的型号是UGN3503。

有了传感器,其他的事情就好办了。例如上拉式磁悬浮,如果检测到磁铁向下运动,就加大电流把它吸上来;反之如果向上运动,就减小电流让它下落。当然这里面也需要一些编程上的技巧,我后面会介绍PID算法原理。

上拉式磁悬浮原理图

上拉式磁悬浮原理图

下推式悬浮原理很类似(其实两种悬浮我用的是同一块电路板),但是需要横竖两个方向共同合作。以一个方向上的截面为例:

下推式磁悬浮原理图

下推式磁悬浮原理图

它的原理是:霍尔传感器在浮子的正下方,当检测到浮子向左运动时,两边的线圈一个吸一个拉,把它推向右;反之如果浮子想右运动,那么两个线圈的电流都反向,把它推向左。用前后左右共四个线圈,两个霍尔传感器配合,就可以把浮子稳定的悬浮住。

至于让浮子旋转,我参考的是鼠笼式电动机的原理,基本上是依据楞次定律,制造一个旋转磁场,以此让浮子无接触的转动。这个实验没有成功,我觉得主要是因为线圈的电磁场随距离衰减过快,无法驱动陀螺。不过这次实验倒是让我学习了一些数字电路的知识,改天也会总结一下发上来。

鼠笼式电动机原理

鼠笼式电动机原理

有了磁悬浮的基础,可以有一些很酷的应用。你可以想象一个悬浮的无线供电灯泡,或者一个悬浮的广告灯箱。有一家叫Crealev的荷兰公司专门做磁悬浮产品,效果非常酷,看下面的产品图:

悬浮台灯

悬浮台灯

悬浮的儿童不宜

悬浮的儿童不宜

昨天跟一群同事一起去吃烤肉,那些肉特别容易粘在篦子上,贪吃的你一定知道的。同事们开玩笑说,你发明个东西,让肉飘在空中吧,无接触式翻烤。呼呼,这还真是个有意思的创意!

好了,磁悬浮的背景故事说完了。还有几句题外话:
上面说起了永动机,不得不再提一下民间发明家们。即使是现在,依然有很多人在孜孜不倦的发明永动机,大部分人当然是浪费时间,但是依然有一些非常有创意的小发明问世,姑且称之为“准永动机”。比如我们常见的自动手表,就是通过人体运动驱动摆锤自动上发条。还有一种神奇的喝水鸟,只要一天的温差超过几度,它就可以不停的点头喝水,很好玩 :)

靠温差运动的神奇“喝水鸟”

靠温差运动的神奇“喝水鸟”



对 “磁悬浮的故事(下) – 动态磁悬浮” 的 149 条 评论

  1. dead_lee 说:

    轉動這個問題應該不是磁力不夠,否則也無法維持平衡了, 應該是轉動的要求和求穩的要求衝突了, 需要修改程序.

    • 恩,你说的这个理由我也考虑过
      确实很有可能
      另外一种可能的情况是:我这种依次切换线圈电流的方式根本不能产生旋转磁场
      因为这几天我试了用一根细线吊一个很轻的铜丝圈,依然没法驱动

      我原来觉得悬浮困难,旋转好做,现在看来旋转也没那么容易
      应该是思路不对

      dead_lee你如果有什么想法一定要不吝赐教啊 :)

      • 老张 说:

        俺就提醒一下,那个利用笼式电动机原理驱动陀螺旋转的那个创意,从原理上讲,不是单单旋转磁场就可以驱动的。应该用两个异步的旋转磁场,一个用来产生感应电流,一个用来对电流产生洛伦兹力。必须至少两个异步的磁场才可以动起来,两个磁场有个相位差。

    • 我最近在看一些无线供电的东西
      如果可以的话,不但可以旋转,还可以做出很多有趣的东西

  2. ajian55 说:

    能不能发下电路图 还有所需的材料?

  3. ZH 说:

    哇 动力哥我也在海淀 崇拜得不行啊 有时间能不能指教一下呢 我也是理工科学生

  4. 胡泊 说:

    又长见识了

  5. juqkai 说:

    很久都没来看了,谢谢你提供的资料

  6. xxn59 说:

    很佩服大大的智慧和动手能力,看完之后很有激情!很想马上自己也做一个!

    最近有在看电机的知识,看得不多,不知大大所说的鼠笼电机是不是一种无刷电机?

    关于不能旋转的问题,我的看法是这样的。。。

    像大大的图上那样,是外围线圈朝上放这样子的吗?如果是这样,因为每个线圈产生的磁链方向都是相同的,再改变每个线圈的电流,其和磁链方向都是向上(向下)不变的,所以无法产生旋转磁场。要产生水平方向的旋转磁场,线圈需得放射状朝向中心这样放置。

    然后想要转子旋转,转子内的磁铁也不能只有躺着放的一块,还需有块是竖直放置的,这样其自身磁场方向才能与外磁场方向产生水平夹角,从而被驱动水平旋转。

    不知这些会不会对大大有所帮助。。。

    还有很多东西想和大大探讨。。。

    • 嗯,线圈横过来的我也有试过,效果也非常不明显(但是那次电压只有9V,现在给拆了,原因不好查了)
      我的那个陀螺里面埋了很多金属线,绕成笼式
      也可能是原理有什么地方不对吧?

      至于转子里的磁铁,如果有块竖着的,肯定对旋转有帮助
      这点很有道理
      不过这样的话,旋转时对霍尔传感器影响非常大,会剧烈抖动
      相比之下,只有躺着的磁铁,稳定旋转时,对正下方的霍尔是没有影响的

    • 非常感谢你的建议:)
      我会陆续把我成功的和失败的步骤都贴出来
      到时候大家都可以帮我纠错

  7. xxn59 说:

    我在想,如果转子里使用线圈,那如果转子被成功驱动起来,线圈里也会产生反电动势,就相当于一个磁体了。
    刚分析了一下抖动的原因,应该是竖直的磁铁影响了躺着那块的磁感线分布,磁感线偏向了一边,而不是中心对称。
    延时没有想到什么好的解决办法…
    不过要是无线供电研究成功,是不是可以在转子内部加一个磁密闭行很好的微型电机,然后利用角动量守恒驱动转子…
    好像有点过了……纯属假想,哈哈…

    • 呵呵,大赞啊
      你的想法和我的完全一样
      竖直磁铁的磁力线不是中心对称,一定会造成抖动
      另外,我也在考虑用无线供电驱动电机的事情
      毕竟用旋转磁场,在发散环境下损耗巨大
      而无线供电耦合度高,驱动电机应该可行

      不过我的问题是怕在家焊电路影响孩子,现在把东西都收起来了
      不知道你有没有兴趣帮我做这个尝试 :)

  8. xxn59 说:

    兴趣很大啊,也想自己做一个呢,不过现在啥都没准备,只有一些设想。这段时间在做运动控制器,时间还蛮紧的,自己搭一个基板光实现悬浮可能都会花挺长时间的,所以短期内可能做不出来啊……

  9. xxn59 说:

    我留个qq吧,417871034,多多指教~~~
    要我帮啥忙的可以直接告诉我,能帮上的一定毫无保留哈~~
    无线供电现在有个小想法,就是耦合线圈应该会对霍尔元件产生影响。可以在霍尔上加一个滤波器,或者直接在霍尔采回来的信号里减去供电用的那个交流信号。

  10. 晓天 说:

    老哥 问一下···
    那个磁悬浮不用单片机能做成吗?
    我们只学了模拟电子技术 还没学单片机 不知道单片机是干什么的
    只用模拟电路能实现么?

  11. 桐桐老爸 说:

    关注你的博客挺久了,这是第一次留言。我去年也玩了挺久得arduino,但是主要是用做和flash动画结合的。也写过一些东西。不过最近带儿子累的很,好久没有动了。看了你用霍尔元件来测量磁场,我就想到用这个来做一个电流或者电压传感器。下次遇到问题了还忘指点一番。

    • 握手握手,带孩子真是很辛苦
      我记得以前学过一种钳形电流表的东西,
      利用电磁感应原理,不用接触就可以测量电流大小
      另外,有人用霍尔做过手持磁场检测仪
      你可以搜索下参考参考:)

      • 桐桐老爸 说:

        谢谢回复,那个钳形电流表是用来测交流电的,用的是变压器的原理。理论上讲线形霍尔元件除了可以测磁场外,如果我们已知磁场的话,那么它的电压就反映了流过它的电流的大小了,所以可以用来测电流了。不过我淘宝上买的霍尔元件还没有寄到,不知实际上会怎么样。

        • 嗯,理论上是可行
          有个小提醒,霍尔元件测量的是垂直它表面的磁通量
          所以不是任意放在磁场里,就可以测量该位置的磁场强度
          在旋转多个角度之后,读取的最大值才是你想要的

  12. keeds 说:

    那个磁悬浮我玩了半小时才成功了一次,介绍给朋友们,他们都玩不转,哈哈。上次拍的视频 http://v.youku.com/v_show/id_XMTg0NjQ5NzY4.html

  13. gowhere 说:

    关于陀螺的旋转:我在想博主你的陀螺里的扁平的磁铁是不是圆形的?把那个圆形磁铁的两边切去一部分,成为椭圆形,其它一切照旧。陀螺悬浮后先不要让它旋转,这时给四个线圈中处于对角线上的两个线圈叠加上相等的弱电流(可以通过加外线圈来实现),形成一个鞍形场,此时陀螺将旋转,直到椭圆形磁铁的长轴与叠加电流的两个线圈的圆心连线平行时陀螺才会处于平衡状态,在陀螺达到平衡位置的瞬间将叠加电流切换到另外一对线圈中,故陀螺将继续旋转,如此循环。通过调节叠加电流的强度和切换频率,应该可以实现陀螺的高速旋转。当然如何使陀螺的旋转和线圈电流的切换相同步是一个难题,或许将线圈由四个增加到六个或八个会解决问题。

  14. 老顽童 说:

    今天才仔细看了一下你想做的旋转.
    才真正知道了那四个线圈是通过霍尔得到的偏移信号来纠正和维持陀螺的中心位置的.

    有一个不成熟的想法,因为没试过,只好是不成熟. 只好是建议. 没法象抨击别人的输出级那样的坚决.

    建议这4个线圈不必精确控制.
    只要自顾自的顺序通电旋转就行了.
    无反馈的维持着,想来这陀螺也掉不下来.
    旋转磁场却有了. 这一步如果通过,就可行下一步.
    至于向上的推力大小,应该另外还有线性霍尔控制

    在这个基础上,再在陀螺上加一圈裙边,也就是短路环,五只或以上. 用很细的线(取电阻大)一匝肯定不够,多几匝,头尾短路. 就会有感应转矩.
    就可望让陀螺获得转矩……

    大致是这个意思. 先调出, 以后再优化.

    • 我就是这么计划的,周围一组(四对八个)线圈是没有反馈,自顾自旋转的,但是结果没有成功。也许是作用力太小了

      • 老顽童 说:

        你那个八只的图片我见过. 离陀螺太远,无法有效耦合.
        再说2套磁场也会干扰霍尔.

        我还是坚持前面的意见,就把中心那四只线圈旋起来,大都行得通,还是简化版的.

        理论要创新了.就是不必精确控制平衡. 只要介入一个干扰场进去,多半也能获得平衡. 原理就简单了.也说得通. 旋转也不用霍尔.

        我已绕好线圈,正在划印板,今晚可望调试.

        这是临时插队的节目,插在风扇铁芯的径向控制之前了.

        要是成功, 就再设法转起来.

        • oh,你说的是中心的那四个线圈
          这绝对是不行的,即使使用了PID,还需要精确的调节参数才能让陀螺平衡
          随意的旋转磁场,本质上来说没有产生动态调节,肯定是会失控的

          • 老顽童 说:

            所以,我要抓紧实战,验证一下究竟行不行.

            我判断还是有五五之数, 所以就上!

            失败了再检讨好了,咱不怕检讨.

          • 老顽童 说:

            昨晚没有来得及试了. 今晚试.
            也不是绝对没有自动调节, 有,只是在重力(垂直)方向上,只用一只线性霍尔.
            用以控制旋转的功率,意图不让浮物飞出去.

          • 如果是想做悬浮的话,这样肯定是不行的
            如果只是想旋转,倒是有可能

  15. 老顽童 说:

    行的,咱们的想法其实没分岐.
    你仔细看一下咱最早的帖子, 3月6日19时的.
    上面就说了,“至于向上的推力大小,应该另外还有线性霍尔控制”.

    控制什么呢? 当然是指旋转线圈中的直流成份啦.

    所以,理论上基本无漏洞.

    实际做起来······嗯,象咱这样还没有直接接触过磁悬浮的, 绝对会一头汗!

    咱本来好好的,正打算径向控制的, 唉, 自找!

    没好几天适应,肯定玩不转. 咱干实事的,这点自知之明还是有的: )

    • 太谦虚了,呵呵
      我也觉得做这个东西,用arduino的板子太浪费了
      其实只用电路应该是够的,单片机的成本贵的多

      • 老顽童 说:

        我在想只用2只霍尔试试. 风扇上拆的集成霍尔,含200mA内的输出.

        很可能灵敏度会不够,
        要不然,
        只用2只霍尔带着4只线圈,再一节电池就搞定了,
        也就太惊世骇俗了.

  16. 老顽童 说:

    所以要分2步走.

    第一步控制平衡,不让浮物飞出去或掉下去.

    第二步控制旋转.
    还得分几种方法. 具体依实验而定.

    先用最现成的50Hz, 从老式指示灯小变压器隔离取出.
    两组线圈,其间用电容移相.
    也不动脑子了,直接从示波器上看相位,定差电容量.

  17. 老顽童 说:

    更正: 直流偏置的概念是错的.

    这东东在垂直方向上,其特征就应该是“理想的零功耗”,“实际的微功耗”,和强大的爆发力.

    • 老顽童 说:

      再更正: (不断学习,深化认识).
      浮物是漂在相斥位置的,重量略大点小点都没关系.
      那么垂直方向上就不需要控制.
      向上的方向, 由于重力的作用,肯定飞不上去.

      只要管好水平的前后左右四个方向,别让滑下去就行了.
      有偏就纠,区别是力度的大小和时间的长短.

      思路基本理顺.
      先要达到常规,再考虑旋转.

      咱来试着设计一个简化的够用的电路.

      • 没错,垂直方向上是不需要控制的
        用手指头压下去,它都还能弹起来,是靠重力和斥力平衡的
        需要的是水平方向上的控制
        如果是做飞轮的话,其实在平衡位置附近加上轴承,这时候重力几乎已经被抵消了

      • 老顽童,找到一篇以前的资料,放上来了,不用单片机的
        你可以参考一下:
        基于微分电路的上拉式磁悬浮
        http://www.diy-robots.com/?p=823

        • 老顽童 说:

          哈哈, 对! 就应该是这样的风格,才对咱的口味!
          如嫌不足,也是可以优化的. 但基调己是简洁了.

          你看看咱今天22点13分的帖子,只打算用2只集成霍尔去搞定2路输出.
          希望还是很大的,灵敏度如果不够,可以磁路导向适当增强.

  18. 海天老林 说:

    学习了,感觉用电路实现确实比较简单,如果有单片机实在是太复杂了.还有:风扇上拆的集成霍尔,风扇上有这个东西吗?

  19. 海天老林 说:

    刚马上下楼去找了一个CPU风扇,酷冷至尊,以前P4的时候用的风扇.然后暴力破解,呵呵,发现里面只有一个集成块,是4只脚,图片放在我博客上:http://zpht2010.blog.163.com/album/#m=2&aid=217734343&pid=6811395858
    好象也是霍尔元件,请高手指点一下,可否使用?

    • 老顽童 说:

      整个风扇内唯有一只集成的,就是带输出的集成霍尔了. 可多种用途.

      可仔细看型号. 大多也有线性接法的.

      老男孩拆的风扇是比较老式的那种. 现在只有大号风扇才有分立元件了.

  20. 海天老林 说:

    再请教一下,那个霍尔元件在家用电器上,是哪里有这种线性的?

  21. 老顽童 说:

    详细信息
    原厂提供系列霍尔元件替代:
    MLX90248,ATS276/7,ATS177,FTC211,SS41,SS40,SS49E,A3144,A3212,UGN3503,US1881,US5881等等。

    ES277:
    替代ATS277、ATS276。 互补输出锁存型霍尔开关,用于驱动无刷直流马达和散热风扇。

    ES1881:
    替换US1881。CMOS低功耗、锁存型霍尔开关,特别适合无刷电机的换向应用。高温性能直流散热风扇,无刷直流电机换向,速度检测,线性位置检测,旋转计数,电流传感器。如无刷电机,电动车刹把,助力器,出租汽车计价器,跑步机,塑封电机,水表,热水器等。

    ES5881:
    替换US5881,A3144。CMOS低功耗、单极开关霍尔开关,特别适合无刷电机的换向应用。磁位置接近开关,电流传感器,断续器,电流限制,限制开关,固态开关。如电脑绣花机,电动缝纫机,里程表,转速表,水表,冰箱开门亮灯开关、接近开关等等

    EST248:
    替代MLX90248, A3212,TLE4913。低功耗全极性霍尔开关,用于手机、小灵通、无绳电话、Notebook、PDA翻盖电路,智能远传水表、智能远传气表计数。

    ES211:
    替代FTC211,FS211。互补输出锁存型霍尔开关(带FG输出),用于驱动无刷直流马达和风扇、速度测量。

    ES49E:
    替换SS49E,AH41E。为线性霍尔元件(霍尔传感器),可应用于:电动车调速转把(手把),电流检测传感器, 接近检测器, 运动检测器,齿轮传感器, 电动机控制, 旋转编码器,铁金属探测器,液位传感器。

    ES41:
    是专为直流无刷电机设计的双级霍尔开关电路,响应速度快,灵敏度高,具有较高的工作温度范围及可靠性。它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。

  22. 海天老林 说:

    如果是要有线性输出的话,那277可以就不能拿来做这个碰悬浮喽?

    • 老顽童 说:

      不一定绝对不能用. 我拆的也是277. 正在作实测.和动脑子.

      软驱中有霍尔. 硬盘,光驱中,有些有, 有些没有.

      电动车把手上肯定是线性霍尔. 可以去修理摊收一只废把手. 比问他买新霍尔还便宜.

      • 开关型的霍尔,虽然精度不够,但是用来把位置限制在某一区域还是有可能的
        但是直观上觉得震动会大一点
        老顽童说的那些霍尔我都没听说过,我用的是UGN3503
        挺便宜的,在淘宝上买的

        • 老顽童 说:

          3503 hw01 s1881等都是线性霍尔.

          试过了,277没法用, 还不光是灵敏度问题.
          主要问题是锁存型的, 要换了极性才能够触发了变换状态.
          这类的也只有用在电机上了.

        • 老顽童 说:

          半月前我在赛格买了十只,据说是线性的,到现在还没核对过. 要2元一只.
          还有一家要价8元,说是进口的.
          明知淘宝有七角的,还是挨宰算了, 这东东卖的地方少.

  23. 海天老林 说:

    多谢二位的指点,“电动车把手上肯定是线性霍尔. 可以去修理摊收一只废把手. 比问他买新霍尔还便宜”,这句话说得挺有趣的,如果这些东西都找到了,接起来,就可以搞定,那么让些小学生来自己DIY,怎么样?

  24. 老顽童 说:

    要找到开关型的霍尔,只要在0.5mm的范围内能有反应,也算可以用.

  25. 老顽童 说:

    官方资料:
    ES277:
    替代ATS277、ATS276。 互补输出锁存型霍尔开关,用于驱动无刷直流马达和散热风扇。
    ······
    但是,世界上的事情不是绝对的! 变通的办法还是找到了.

    经多次实验证实,277的供电回路中不串任何电阻,表现出锁存特征.
    串了30欧电阻,就锁不住了.

    串了200欧电阻,就反映出线性了: ) 嘻嘻!

    不过,妄图靠一只277直接驱动2只线圈的神话,算是彻底破灭了.
    因为线性状态下,输出很小,必须要在后面再加一只输出管.

    看来,霍尔的问题是不大了.

    大家都抓紧去收集旧风扇,软驱,光驱,硬盘,······样样都好啊!

    开关型霍尔改线性霍尔的“创造发明”,就是在供电回路中串电阻!

  26. 海天老林 说:

    呵呵,老顽童好厉害啊,必须要在后面再加一只输出管,加一个9013就可以了吧?

  27. 海天老林 说:

    呵,只懂点皮毛,没什么实践,要向你们多学学。

  28. 海天老林 说:

    奇怪呀,8050电流有1A,9013才0.5A。
    8050 NPN EBC 高频放大40V1.5A1W100MHZ
    9013 NPN EBC 低频放大50V0.5A0.625W

    • 老顽童 说:

      因为都在1角以下了,成本就不重要了,电流大的管子,压降就小.

      其实8050还分两种,好象是带S的才是1A,不带的才0.5A.

      市场上,假冒的很多, 9013的才0.25,8050的才0.5,2500的才1.0······

      重要应用场合,要抽样核实.

      如果你手头只有9013,也完全可用. 我估计,即使只用4V电源,调整电流也不过0.1A左右.

  29. 老顽童 说:

    昨晚又没空实践. 今天继续丫丫.

    理论先导还是要的.
    发现原4线圈的对角推拉方式不尽合理. 还可以更完善.

    因为悬浮物在相斥的“坡顶”,垂直方向是靠重力平衡,
    如果线圈位置是在同一水平的前后左右,应该是用对角推拉.

    但现在线圈只能在下方,那么改用四方“鬼打墙”就更合理,
    四只线圈由原二路串联供电改成四路独立供电, 但不必换向了.
    还是只用2只霍尔够了.反相输出成四路信号.
    悬浮物向哪方飘移,哪方的一只或两只线圈就相斥“打墙”阻止,…..

    理论上彻底否定了相吸的方法, 就不必输出换向了.
    单管输出就不再是低成本的权宜之计,
    而是当之无愧,非我莫属的最优设计了.
    ··········
    以上奠定了理论基础. 接下来的旋转也就好办了.

    让四只线圈依次导通,同一时间只通一只.
    环形循环达到无反馈的 旋转“鬼打墙”, 中心必然形成凹地……
    谁还认为“悬浮物“会飞出去的,赶紧举手.
    ······
    旋转场要是成立了. 实现同步或异步感应转矩的设想,就不远了.

    • 举手举手 :D
      虽然线圈们都在下方,但是也是按前后左右分布的,当陀螺失去平衡的时候,如果两边一起推,水平方向上实际合力为0,起不到控制平衡的作用。
      我认为错误的重点在于你说的“凹地”,如果合力向上,不会产生凹地,而是会把陀螺向上推,相当于是坡顶向上移动了

      • 老顽童 说:

        不是.
        具体位置上,你可以避开坡顶,在周围旋转,打一圈“动态的墙”.

        那个凌蒙初还是冯梦龙的故典中,就有张铁臂午刀,水泼不进的大话.

        • 我明白你的意思,事实上我可以证明你的这个想法不可行
          用一个假想试验:如果你的这种方式可行,那么我不要用旋转磁场,直接加上稳定的电压,是不是也可以形成“环形的墙”?
          而稳定电压的线圈,可以用固定的磁铁来模拟,那么这就相当于是稳定的静态磁悬浮了
          所以这种自顾自的旋转磁场一定是不可行的,水平方向没有控制,一定没法稳定
          必须加判断控制,哪怕用开关霍尔也行,但是必须有反馈-控制系统

          • 老顽童 说:

            稳定的电压和这性质不一样吧!

            现在是交变磁场,是要消耗能量的.
            就好象制造了一个旋涡, 使里面的东西跑不出来.

            又好象是反导,不是点对点的高难度防御,
            而是金属风暴,整出一堵动态的防御墙.也一样能有拦截作用.

            我大致猜到你想说什么,能不能说得更明白和直接点,更有说服力.
            这其中量变可否有质变?

            就比如,那个博士的垂直电控的飞轮.
            如果在轴向给一个不带反馈的,有一定幅度的定周期振动.
            可能建立平衡吗? 理论上怎样证明是或否呢?

          • 我倒是没办法从理论上证明
            只是觉得在线圈中高速旋转的磁场,本质上相当于一对固定电流的线圈绕陀螺高速旋转
            而这样,有相当于一块环形的磁铁(这点我没法证明,只是感觉)
            个人意见,自从看过那个玩具磁悬浮的故事,我就不敢乱下结论了

          • 老顽童 说:

            再举个例子.
            一支竹竿立在场地上,放手了,肯定站不住.
            人工托着底部作动态移动肯定没问题.

            现在如果在地面设一个立轴向上的电动转盘.
            把竹杆根部插在圆周上的孔洞中,作不带反馈的定周期旋转.
            这根竹竿是否一定就会倒下来?

            就些应该难不到老男孩. 咱可能出错,但总觉得不够清晰.

      • 老顽童 说:

        如果只是求平衡,
        浮物往哪偏,就在哪遇到阻击(动态凸起),也就可以了.
        如果是偏向45度分中线,同时触动2路阻击,也属正常.
        对中心坡顶,完全可以影响不大.(后方是否塌陷,无关紧要).
        电路实现就理所当然的简单了.

        这里只有时间响应和略带有线性作用.
        没有第三只霍尔的,就无法真正适应负荷变化(一般重量也不变的).

        • 对,这个想法靠谱
          不过对面线圈串联,是为了让牵引力更大,一个推一个拉嘛
          原则上推和拉其实用一个线圈就够了,只是会更费电

  30. 老顽童 说:

    4017好象是十进制计数器,只用4点循环,带动4只开关管,很方便,也便宜.

  31. 老顽童 说:

    磁场是看不见的.
    但“借用”另一块磁铁就可以用手感体会到相斥相吸的大致的“外形”.

    电磁线圈的导通与否,也不直观,
    特别是N只线圈的组合后的导通次序,更不直观.
    可以把5mmLED灯串个电阻并在线圈上,只起指示作用,耗电一点点就够了.

    上磁铁与霍尔的距离最重要,一切要以此为中心构建全局.

    以上是有感而发.
    谁要是走在咱前面了,恭喜!

  32. 海天老林 说:

    谁要是走在咱前面了,恭喜!
    我跟在你们后面,呵呵

  33. 老顽童 说:

    检讨一下: 关于单线圈驱动的说法是错误的.
    虽然也能实用.
    毕竟不完美. 还是推拉好.

    咱要重绕线圈了.
    不过这种简易型的,坚决不会去用全桥.

    还是老话,最简万岁.

    • 对,理论上应该是可用的,估计会振动稍大一点
      我怀疑主要是线圈的力量不够大,所以推拉的方式会更稳健一些

      • 老顽童 说:

        振动倒是不怕,是出力过头了,要纠正并不难.

        现在头痛的是:
        在驱动功率有限的条件下.
        怎样才能使电磁力作用得尽量远一点,这很重要!
        特别是针对玩具,要的就是浮空高度.
        这是与磁轴承的不同特色.

        改变线圈形状, 能有多大作用. 还可以有哪些具体做法.
        能否有铁芯,是利是弊,怎样扬长避短?
        这些都需要认识,或实践去体验.

        关于磁铁,是否一定要环形的,或多只摆布成环形.
        发现面对面的相斥作用距离最远,不大的强磁,可望轻松在5公分以上悬浮.
        为什么没人直接用这个方案,却非要用悬空不高的磁环,
        是因为霍尔在这种条件下无法正常工作吗? 怎样克服?
        甚至,不用霍尔可以吗?

        太多的会影响到实际结构的疑问,都需要解答和探索和创新.

        看到阿莫磁坛那儿的冷清,看到有人在说,现在弄明白了就没兴趣了……
        真遣憾! 一门新兴的行业和技术,还没真正开始,就有人认为到头了?

        ········
        现在就想让线圈作用力远点,浮物高点,功率小点,另件少点,成本低点,制作容易点……呵呵,要让小学生也会做. 咱也曾经当过5年小学老师,还是民办的.

  34. 老顽童 说:

    动力老男孩:

    我作了个实验,
    发现底部磁铁的大幅度更换,对霍尔的开关影响并不大!

    那么,当初是谁最早提出的用大磁环的方案? 或者是多只强磁拼出环形的方案.
    理由是什么? 怎么就象是一个典型的少慢差费的案例.

    我己经可以初步认为,
    一小片钕磁片就可以顶替一个大磁环的浮力了.
    变着法子多次实验,还没有找到负面影响.

    你也试试?

    各位有兴趣的朋友也帮试试. 也许咱片面了呢.

    ·······

    如果没弄错, 这意味着什么?

    • 我还真试过这个,两者有区别
      用磁极对顶的方式把陀螺撑起来,在悬浮点,陀螺失控的方式是翻转(大头朝下)
      而磁环你注意看的话,会发现它的磁极是和陀螺相吸的(N对S),陀螺失控的方式是平移
      我们控制位置的时候,翻转很难扭回去,因为扭矩力量非常大,力量小的又浮不起来
      而平移就容易得多,在小范围内阻力很小

      • 老顽童 说:

        你说得很对!
        这是你自己想出来的,还是阿莫那儿以前有帖子说起过的?

        我是在想,第一个用这个磁环的不是蠢材就是天才.
        现在看来是天才了.

        本人观察和判断能力也不算差了. 却怎么也没看出来为什么要这样.

        • 哈哈,不算是我自己想的
          因为当时手头没有环形的大磁铁,我就先用一对钕铁硼试试看
          说实话悬浮高度真是比环形的那个高
          但是平衡几乎没法调

          后来也是想着试试看,买了块环形的 :)

          • 老顽童 说:

            我也想明白了,这确实巧妙! 除了佩服还得佩服.
            他老范要是支持这个创意为“基础研究”, 才不会把他自己也搭进去.

            手头有一块直径80mm,内孔40mm,高15mm的铁氧体硬磁.
            不管三七二十一,用四个线圈把内孔尽量塞满才是硬道理.
            磁力线都是从这儿出来的,
            咱卡在要道上调制,总不会错.

          • 哈哈,我的磁铁貌似比你的还要大一点

        • 老顽童,依你推测
          我的旋转磁场,最终没有成功,是因为距离太远?
          就是那八个线圈

          • 李宙恒 说:

            两位高人在此辩论

          • 李宙恒 说:

            动力兄 我要加你QQ。

          • 我是谷粉,平时用gtalk,地址就是页面右侧下方版权申明里的那个邮件地址
            因为邮件地址写出来的话,容易有垃圾邮件,所以放成图片了,呵呵 :)

          • 老顽童 说:

            我就是这样认为的. 主要是距离太远.
            ······

            另外,还是建议你先旋转四个靠近的线圈.(让霍尔等暂时靠边).
            因为你的硬件都是基本现成的,只要改变方法就行了.

            无反馈的旋转场是“强盗逻辑”,以强凌弱是天理.
            条件变了,思维也要变,这根本不受恩绍大定理制约.
            整个儿就是“蛮不讲理,我行我素”,
            “我的地盘我当家,我的规则我制定,咱是没文化,咱出蛮力还不行吗!” : )

            你想想,是不是这个理.
            这也叫秀才碰到兵,有理说不清,恩绍也只好躲一边去(其实是出了辖区).

            不信你试试, 一时不成功,也只会是调试不到位,而不是理论有问题.

          • 老顽童 说:

            还有, 喷泉上往往可以见到一只被悬空的球.
            掉不下来,也喷不出去.就这样动态的维持着,这也算是无反馈平衡的成功实例.

            所以,这个方向上,不要轻言放弃.

          • 这个例子有道理也好像没道理。没道理是因为有些东西不能类比,例如把鸡蛋扔到碗里,它自然能“无反馈平衡”,问题是磁场的磁力线真的能分布成凹碗型吗?
            有道理的地方是:虽然我没有把握说它是对的,但是我也没有把握说它是错的,所以不要轻言放弃很有道理!

          • 老顽童 说:

            咱试着来说服你:
            静态相斥的磁铁为什么不能平衡?
            因为它的初始势能必然会很快寻找到最易宣泄的途径,从而很快失去平衡.
            这一点,符合恩绍定理.

            动态相斥就不一样了.外加动能或电能形成的旋转磁场的速度,
            只要大于磁场失衡的速度,
            这个动态平衡就被强制,平衡就不会失败.
            也可以理解成,恩绍定理只适合静态,不适合动态.

            究竟怎样,需要实验,
            今天晚上,我先把2组线圈用50周交流电驱动,电容移相,旋转起来,
            因为这个最易实现.
            能否平衡,也与调试有关.
            成功了,马上可以证明.
            失败了,还得再找原因,末必就是真正失败.

          • 我也挺好奇能否成功,祝老顽童同学顺利搞定 :)

  35. 海天老林 说:

    哈哈,有意思

  36. 老顽童 说:

    直径80mm,内孔40mm,高15mm的铁氧体硬磁.
    内孔中能容下的4只线圈,
    每只 只能是16mm外径.高15mm, 绕不下多少线的.

    郁闷,
    只能先放弃双线并绕的方案了, 也不能用骨架乱绕了.
    只能是层层填薄纸排绕,才可能多绕几匝.
    找了几支直径7mm的吸管做线圈管.

    加工好的十片环氧档板算白费了.
    咱这次也算是不急不躁,尽量谋定而动的.
    无用功也己经有两次了.

    绕线去.

    • 老顽童做事风格真是值得学习。我最初绕线就是拿纸卷了个轴,然后胡乱绕上去。结果不行,换圆珠笔杆+可乐罐的铁皮,还不行。然后用乐高轴+铝片;最后用买来的骨架。
      但是从始至终,我绕的线都是胡乱缠的,非常难看!

    • 老顽童,我有个很有意思的发现
      不用外加磁场就可以旋转了
      现在看来,我那个陀螺做的太圆了,今天摔掉了一个角
      再放上去就自己开始转了,而且速度还不慢 :D
      我分析了一下,应该是磁场中轴和重力中轴不重合,通过磁场施加的力就变成扭矩!

      • 老顽童 说:

        对头! 这就是转矩的失衡.是需要的.

        对于旋转能否造成“悬浮”,
        我上午也想到了人为的制造不对称,只是还没来得及说.
        可能会有助于更容易的“悬浮成功”.

      • 老顽童 说:

        你两只霍尔可能没有对准另一组线包的中线.无法抵消.
        又,霍尔是线性的. 能反映这一点点误差.

      • 老顽童 说:

        巧妙的达到目的. 比技术堆砌有价值多了.

        阿莫他们解剖的地球仪,有停和转的选择,
        有可以调节转速的. 现在看来,应该也是用了类似原理.

      • 老顽童 说:

        祝贺你的这个发现. 有现实意义的.

        扩大战果.
        试试纠正几何误差,包括陀螺上的和霍尔上的. 使之停转.
        再设法加大电气误差,使之转动……就把握主动,也调节方便了.

      • 李宙恒 说:

        摔掉一个角居然就能转了。。。真是神奇啊!!!!岂不是和牛顿被苹果砸中了一样。。。。发现了万有引力。。。

  37. 老顽童 说:

    老男孩把悬浮的整出旋转来了.

    咱要把旋转的整出悬浮来.
    刚刚把移相电容配好. 乖乖,用了10只10微法的无极电容并联,
    才把移相电压到原值的2/3.

    可以去加磁铁试试啦.

  38. 老顽童 说:

    刚刚试了一下,没能稳住.

    但明显有效果.

    具体体现在浮磁比没加旋转时己好掌握多了. 只用2点就可很容易托住.

    再去加电容把两相尽量配平.

    还有永磁和电磁,和浮磁,这三者间的距离和水平等,都得设法满足.
    (相比,少了霍尔,己经少一个距离要求的注意事项了,).

  39. 老顽童 说:

    比3503更灵敏的有A1301和SS490。

  40. 老顽童 说:

    SS495
    http://www.sinocomopto.com/Upload/PicFiles/2008.2.27_10.13.41_5940.pdf

    霍尔的动作灵敏度,是制约浮空距离的最短板. 拥有灵敏霍尔很重要.

  41. 老顽童 说:

    此评论暂时不可见

    • 上拉下推双管齐下?加油加油 :)

      • 老顽童 说:

        不是上拉下推.是2个线圈的.

        磁铁也是“很创新”的那种摆布,不容易猜到的.

        但有效,也就是有那种“平坡的效果”.
        却又省成本.连环形的都不舍得用了.

        这一点上很感谢你上次的解说,要不是你说了这个关键点.
        我自己很难主动想到这上面去. 毕竟在永磁铁上的浸润还不够深透.
        现在理解透了,就有融会贯通的资本了.

        按理说,这个结构有新颖性和实用性.是可以去申报专利的.
        但想想主要方向不在这方面,就不想太“小家子气”了.
        让义乌市场去产业化吧.

        看明天的悬念哦! 咱很高兴的.

        这个世界如果没有专利制度,其实会更好! 咱的思想有点另类.

        • 如果是创新的话,可以去申请个专利,就算不赚钱,也别被奸商给抢注了 :)

          • 老顽童 说:

            你说的也正是我所担心的.
            咱要是自己给自己量身定制一付枷锁,就不好玩了.

            请收我的邮件.

            手上的工作正在进行,完工后先加个外罩,上效果图.

            至于原理,咱再另找一套适合普及的先共享.

          • 邮件已收到!有意思,这个周末我也试试。
            真是要感慨一下,我这个年轻人创新精神远不及前辈啊

          • 老顽童 说:

            搭了个电路,试了下,没调出. 抖晃得历害,幅度大于3-4mm.稳不住.

            应该是因为我用的开关型霍尔. 单独测试时,往复1mm就有反应.
            最终输出带负载后,惯性实在太大.
            只好改用线性霍尔了, 正月初十买的霍尔到现在还没打开看过.
            输入电路也得重来了. 要几天了.

            还是你先试试,成功率应该很高的.

          • 好,直接用电路实现的问题在于参数不太容易调节
            单片机的好处在于搭好电路之后,改程序就可以控制
            我觉得论证阶段,可以用单片机快速试验
            参数确定之后,对应的计算电容电阻,然后可以改造成纯电路形式

            以我之前的经验看,抖晃的很厉害,就是已经快成功了,只是反馈的力度过大
            在加上你用的是开关霍尔,能抖晃应该说明方案是可行的
            我的Arduino板子被封起来了,新买的还没到,我先用电路试试

          • 老顽童 说:

            今天出去办了点事,刚刚回来.

          • 我今天也没什么进展,杂事太多

          • 老顽童 说:

            这事就等你新买的电路.
            ······

            线圈输出现在成短板了.

            再看今天的推算, 原电路的输出效率和功率也实在无法容忍.

            这两天咱设法整一个大功率的输出.

            还有线性霍尔也要熟悉一下了,
            可能这东东的线性是次要的, 取其微小变量才是真正目的.

            使线圈和霍尔的作用都更远点, 浮空和就更优秀, 这应是重要指标.

          • 电路这部分我不熟悉,现在电流确实大的惊人。我需要用一个笔记本的20V,2A的直流电源来驱动。虽然平衡的时候电流没那么大,但是在矫正的时候,电流应该是非常大的。
            如果可以简单的控制电流,那么真的可以用几节电池当电源,平衡时几乎不会有消耗

          • 老顽童 说:

            关于线圈需要多大的功率,不能误解.
            控制距离越远,需要功率越大,是肯定的.
            大到什么程度? 现在还说不清.
            因为磁力线是闭合的.二次方关系肯定不够.
            三次方够不够,还难说.

            用电池的,只能演示小玩意,比如给学生实验玩的. 但距离不会远.
            功率小的,才可能用线圈利用率低的简易电路.
            ··············
            就象无线供电一样,距离远了,电源效率会急剧降低.
            悬浮高了,控制功率也必然要猛增.
            ······
            现在己有的实物,如果说纠偏时需要40W,维持时只要1W.
            我个人认为这个比例就显得失调.
            因为这不是小间隙的磁轴承.
            这里为维持悬空高度付出点代价是应该的.

            那么在现有条件下,是否有可能把这个1W调到10W. 让悬空再远点.
            永磁场肯定有余量,不会有问题.
            霍尔灵敏度够不够? 能调出的可能也很大的.
            只有电磁才是真正短板, 功率加大10倍,应该能有看得见的效果.

            再说最大功率要多大呢?
            维持功率都取10W了,纠偏功率少说也得100W.
            把原输出级改合理了完全能达到.

            这里的100W只是养兵千日用兵一时的存在.
            能持续工作一分钟的,就够几十次秒级的纠偏了.

            电路内阻要按100W要求.
            电源容量按1分钟要求.(用大电解蓄一次用一次,还是用小超级电容蓄一分钟?)
            散热按15W要求.
            常规电源按15W要求,那个20V2A的电源盒还是足够用了.

  42. 老顽童 说:

    以下是我今天发在阿莫磁坛的一篇帖子,具体指出有关射极输出的问题.
    也顺便贴这儿了.
    ··············

    今天出去办了点事,本主题没什么进展.

    不过咱可以务虚.“实实在在”的务虚.
    只要咱说的有道理,也能算贡献啊.
    也不一定非要现在就先出实物.才能说话有真理,对吧. 嘻嘻.

    话说本坛普遍在用的射极输出全桥.好象是从磁动力论坛辗转过来的.
    好象本坛曾经有一位大侠怀疑过电路不正常,但只说了一句,没引起回应,也就没了下文……

    咱今天来定量的说说这个电路的损失有多大.
    为了确凿,刚刚特意测了一下手头的324运放.压降有1.82V.
    再加上输出管的e,b压降0.7V, 共2.52V.
    全桥对角导通, 要通过2只管子和2只运放.
    合计: 2.52·2=5.04V, 只算5V好了.

    电源总电压12V. 减去5V压降, 有效电压仅7V.
    这样的输出级算个什么名堂呢? 可是大家都在用.
    很可能不少厂家的正式产品,也难免这个套路.

    正常情况的压降应该是(全导通时,)每边压降不大于0.2V,两边不大于0.4V, 对12V而言,才可以忽略这点损失.

    耗电事小,不一定有人在乎,
    效率低了,出力就小, 调整力度就小……
    导致了浮空高度打折扣了,效果不好,就事大!

    打了多少折呢?
    7/(12-0.4)=0.603 六折!
    六折倒过来,就是1.66倍.
    输出功率与电压平方成正比.
    那么1.66·1.66=2.72倍.

    按功率计就是: 1/2.72

    按电流计:就是1/1.66
    ······
    以上是理论推导. 有实物的朋友可以实际测量.

    你可以把浮子故意推歪,让电路工作在大负荷状态.

    再去测量线圈两端的电压.

    这是真材实料了! 有多少伏?

    再测电源输出是多少伏.

    两者之差就是损失. 总压降大于0.4V的都可以视为不正常!

    ······

    怎样改正呢? 以后找机会再说.

    • 我在这里用L298N主要原因是不知道怎么控制电压变化,包括大小的变化和方向的变化。
      在单片机程序里,很容易可以控制输出0~5V的电压(用PWM模拟的)
      但是怎么把这个值加到线圈上我就不会了,因为单片机管脚功率非常低,电流稍大就会烧掉
      所以我就用了这个H双桥,放大电路也是直接采用了现有的芯片,门外汉的偷懒办法 :)
      静候老顽童的解决方案

  43. 楷哥 说:

    有没有电路图

  44. JMao 说:

    UNG3503应该是UNG3503

  45. 王紊 说:

    “动力老男孩”,你好!我现在正在做一个上面你介绍的磁悬浮,我采用上拉式磁悬浮,永磁体做浮子,我试想通过PID算法来使永磁体稳定在一固定位置,根据我选择的永磁体的正反面,当永磁体越接近霍尔元件时,霍尔元件输出的电压越小,现在我遇到的问题是,霍尔元件的电压与永磁体到霍尔元件距离的关系式是什么?非常感谢!

  46. 蕾蕾 说:

    你好~哈哈这个小proj很赞呢~
    一个问题,上面浮子的重力是完全靠下面的永磁体来抵消的吗?线圈里是不是基本没有什么直流电流?
    我觉得旋转没有成功的原因是因为上面的永磁体的磁极是向着正下方的,而旋转磁场的方向是正好沿着这个轴。永磁体不是导体,没有电涡流。如果上面的磁极是向左右的,就会像永磁电机一样可以动啦~

    • 我考虑了导体的问题,所以在陀螺的外面用铜丝绕了很多垂直方向的圈,不过也可能是旋转的磁场没有形成,也可能是磁场太弱,也可能频率不合适。
      条件简陋,没法仔细的测量,只能猜测了 :)

    • 另外,理论上在稳定的时候,线圈里的电流是比较小的,抖动的时候会有比较大的电流

  47. 蕾蕾 说:

    另外,线圈有铁芯吗?

  48. 蕾蕾 说:

    啊我错了,抱歉,不能有铁芯。石墨芯好一些:P 哈哈哈,赞楼主~~

  49. cixuanfu 说:

    你好 我注意您很久了 感觉你对磁悬浮这边了解很深 想请教一个问题 目前 磁悬浮艺品 下悬浮面临专利纠纷 感觉您了解颇深对下推式磁悬浮 能不能告诉下 下推式磁悬浮 最早那个人研究的或者哪个组织研究的 早于2006年即可 希望给予指点 谢谢 我开了一个店铺被一个叫衡艺术的sb给我搞了 老帅哥 你这个方面懂的多多 能不能给我找一个早于.专利号ZL200610065336.1号名称为“磁斥型悬浮装置”的发明专利, 小弟感激不尽

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