CN101882903A - 旋转磁悬浮装置及陀螺磁悬浮方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转磁悬浮装置，针对现有旋转磁悬浮装置中的陀螺容易发生漂移而导致稳定性差、陀螺自旋速度不能过快的缺点，本发明提出一种旋转磁悬浮装置，包括两磁极分别上下朝向的磁底板、两磁极在轴心线上的磁性陀螺，在磁底板的上方设有磁极分别上下朝向的磁性装置，磁性装置在磁底板的上方构成一容纳陀螺的空间，磁性装置与磁底板相邻磁极极性相同，磁性装置与陀螺的磁极极性朝向相同。该种旋转磁悬浮装置的磁场强度与陀螺重量精度要求低，抵抗外部扰动的能力强，稳定性好，陀螺悬浮时间大大加长等优点。本发明还提供一种简单易掌握的实现上述旋转磁悬浮装置中陀螺磁悬浮的方法。

Description

旋转磁悬浮装置及陀螺磁悬浮方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术，更具体地说，涉及一种旋转磁悬浮装置及陀螺磁悬浮方法。

背景技术

磁体的极性具有同性相斥，异性相吸的特性。利用磁体的该种特性，可使两磁体之间具有相互作用，但没有直接接触，这种特性的广泛应用就是磁悬浮。图1所示的是一种利用磁悬浮技术的旋转磁悬浮装置，可用作陀螺仪。该装置包括一在几何中心是弱磁或无磁的磁底板1、托板2、磁性陀螺3，磁底板1与磁性陀螺3相对的磁极极性相同，利用磁体极性相同相互排斥的原理，磁底板1可将旋转的磁性陀螺3托起，待陀螺3稳定后可将托板取走，使陀螺3不与托板接触，减少陀螺3因受到摩擦而损失能量，使其旋转时间更长久。该旋转磁悬浮装置是依赖磁斥力及自旋陀螺抗扭力(稳轴性)把陀螺浮起来。要把陀螺浮起来，陀螺得处于稳定平衡状态，因此需要陀螺处于一个对称磁场的中心，并借助陀螺的进动来追踪底板向上的磁力线使陀螺本身稳定悬浮。若陀螺一旦偏离磁场的中心，陀螺则受到磁场不对称的作用，会迅速向磁底板边沿漂移，从而失去稳定性。由于只有圆盘形磁底板中心很小的区域范围是稳定区域，因此该种旋转磁悬浮装置具有如下缺点：磁悬浮的平衡稳定区域十分狭窄，磁场强度与陀螺重量精度要求高，陀螺转速受限制，不能太快，实现陀螺磁悬浮的操作技术要求高、不容易掌握，外部稍微的扰动会使陀螺逃逸出平衡稳定区，从而使陀螺易失去稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有旋转磁悬浮装置中的陀螺容易发生漂移而导致稳定性差的缺点，提供一种旋转陀螺能够自我调整、防止漂移逃逸、实现陀螺磁悬浮操作简单易掌握、精度要求低、稳定性好，悬浮时间长的旋转磁悬浮装置，以及一种旋转磁悬浮装置实现陀螺磁悬浮的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种旋转磁悬浮装置，包括两磁极分别上下朝向的磁底板、两磁极在其转动轴心线上的磁性陀螺，在磁底板的上方设有磁极分别上下朝向的磁性装置，所述磁性装置在磁底板的上方围成一容纳陀螺的空间，所述磁性装置与磁底板相邻的磁极极性相同，所述磁性装置与陀螺的磁极极性朝向相同。具有该种结构的旋转磁悬浮装置，陀螺的旋转能够使其具有稳轴性，而磁底板磁场对陀螺的排斥作用能够克服陀螺的重力，使陀螺处于悬浮状态；由于越靠近磁性装置位置的磁场强度越大，因此当陀螺在磁性装置内向任何一侧漂移时，陀螺与磁性装置在这一侧的排斥作用得到加强，而相对一侧的排斥作用力则会减弱，这样使得磁性装置对陀螺产生一个与陀螺漂移方向相反的作用力，阻止陀螺继续向外漂移逃逸。由于陀螺不会发生逃逸，因此本发明中磁悬浮的平衡稳定区域宽广，磁场强度与陀螺重量精度要求低，陀螺转速受限制小，实现陀螺旋转磁悬浮的操作简单易掌握，抵抗外部扰动的能力强，稳定性好等优点。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁底板是旋转对称的磁体，旋转对称的磁体能在其上方产生一个对称的磁场，便于陀螺的稳定。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁性装置是绕磁底板中心旋转对称的磁性装置，旋转对称且中心与磁底板的中心重合的磁性装置其磁场与的磁场叠加后仍然为对称的磁场，有利于将陀螺稳定在中心转动，减少陀螺在磁性装置内的漂移。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁性装置包括若干根绕磁底板中心线周向排布的磁柱，所述磁柱的磁极极性朝向相同。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述各磁柱为相同的磁体。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁柱由若干个相同的永磁体层叠构成，相邻的两永磁体的相临磁极极性相异。采用这种结构，可通过增减层叠永磁体的个数而增减磁柱的长度，从而可实现调整陀螺的稳定范围。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁柱为电磁铁。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁性装置为环状永磁体。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述环状永磁体由若干个小磁环叠加而成，两相邻小磁环的相临磁极极性相异。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁底板为电磁铁。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁底板为是均匀磁化的永磁体。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁性装置与磁底板之间设置有水平的非铁磁性电绝缘体托板。托板的作用是在陀螺达到磁悬浮之前托住陀螺，使陀螺可在托板上转动并定位，非铁磁性的托板不会被磁场磁化，避免对陀螺造成不良影响，而电绝缘体材质可避免陀螺在转动的过程中产生电磁感应造成陀螺能量损失，托板可以是玻璃板、塑料板或木版等。托板可固定设置在磁性装置之上。

在本发明所述的旋转磁悬浮装置中，所述磁底板与托板之间设置有调节磁底板与托板之间距离的调节装置。调节装置的作用是调节缩短托板与磁底板之间的距离，使托板之上的陀螺与磁底板之间的排斥作用加强从而托起陀螺使其处于磁悬浮状态。

本发明为实现其目的提供一种实现上述旋转磁悬浮装置的陀螺磁悬浮方法，该方法步骤为：转动位于磁性装置之中、托板之上的磁性陀螺，通过调节装置缩短磁底板与托板之间的距离，使陀螺与磁底板之间的作用力等于陀螺的重力。

在本发明所述的陀螺磁悬浮方法，在转动陀螺之前，通过调节装置使托板位于磁底板对陀螺的作用力小于陀螺重力的位置处，这样可方便陀螺在托板上旋转并稳定定位。

在本发明所述的陀螺磁悬浮方法，在缩短磁底板与托板之间距离的同时或之前，还调节磁性装置所围区域内的磁场强度。

在本发明所述的陀螺磁悬浮方法，调节磁性装置所围区域内的磁场强度包括增长或缩短磁性装置竖直方向上的长度，或者调节磁性装置所围区域内的磁场强度包括径向增大或缩小磁性装置的尺寸。如果磁性装置所围空间内的磁场太弱，则在缩短托板与磁底板距离时，陀螺在磁底板的斥力作用下可能漂移磁性装置所围区域的外侧。这时候要在缩短磁底板与托板之间距离的同时或之前适当地增长磁性装置竖直方向上的长度或径向缩小磁性装置的尺寸。若磁性装置空间内的磁场太强，在缩短托板与磁底板距离而使陀螺升起的时候，陀螺会跳高到比磁性装置较高的上空，然后掉下来被磁性装置的磁力吸住。这时候要在缩短磁底板与托板之间距离的同时或之前适当地缩短磁性装置竖直方向上的长度或者径向放大磁性装置的尺寸。

实施本发明的旋转磁悬浮装置，具有以下有益效果：磁悬浮的平衡稳定区域宽广，磁场强度与陀螺重量精度要求低，陀螺转速受限制小，抵抗外部扰动的能力强，稳定性好，悬浮时间大大加长等优点；本发明中的陀螺磁悬浮方法具有操作简单，易实现与掌握的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有旋转磁悬浮装置结构示意图；

图2是本发明旋转磁悬浮装置第一实施例的结构示意图；

图3是本发明旋转磁悬浮装置第一实施例中陀螺尚未磁悬浮时的示意图；

图4是本发明旋转磁悬浮装置第一实施例中陀螺处于磁悬浮状态时的示意图；

图5是本发明旋转磁悬浮装置第二实施例的第一种结构示意图；

图6是本发明旋转磁悬浮装置第二实施例的第二种结构示意图。

具体实施方式

图2至图4示出了本发明的一个实施例。

如图2所示，在本实施例中的旋转磁悬浮装置，包括磁底板11、磁性陀螺16、磁性装置、托板13、调节装置12；磁底板11是水平放置的均匀磁化的圆盘状永磁体，其N极朝下，S极朝上；磁性装置位于磁底板11的正上方，由四根磁柱14构成；托板13是用非铁磁性的电绝缘体材料做成，水平放置磁柱14与磁底板11之间，磁柱14由若干个相同的小永磁体15层叠构成，两相邻小磁体的相临磁极极性相异，磁柱绕磁底板11中心旋转对称固定设置在托板13上且与托板13垂直，磁柱14的N极朝上，S极朝下。磁性陀螺16位于四根磁柱14所围成的区域内，且位于托板13之上。磁性陀螺16的两极在其旋转轴线上，且N极朝上，S极朝下。磁底板11与托板13之间通过调节装置12连接，调节装置12可以是蜗杆之类的机构，通过升降托板13或磁底板11而实现调节托板13与磁底板11之间的距离。

如图3所示，磁柱14和托板13的连接方式可以是在托板13上设置安装槽位131，该安装槽位131是以磁底板11中心为中心点呈辐射状设置，各安装槽位131的宽度与磁柱14的底面直径相适配，从而可将磁柱14卡接在托板13上，实现磁柱14和托板13的连接。当磁柱14卡入托板13上的安装槽位后，磁柱14可在安装槽位内131滑动，实现调节磁性装置径向的尺寸从而实现调节磁性装置所围区域内的磁场强度。另外，磁柱14和托板13的连接方式还可以是在托板13下侧面设置与每一磁柱对应的小磁体或铁磁性物块，位于托板13上下两侧的磁柱14与小磁体或铁磁性物块相互吸引而实现磁柱14连接在托板13上。由于磁柱14是由多个小永磁体15拼接而成，因此可通过控制小永磁体15的数量，控制磁柱14的长度。如图2和3所示，磁性陀螺16可以是有一个转轴和一个转盘构成，该转轴通过转盘的圆心穿过转盘，从而形成一个中心对称的旋转装置，其中，转轴与托板13的接触部分，可以是锥形结构，以利于磁性陀螺16的旋转，但是可以理解的，磁性陀螺16也可以通过其它形式和结构进行构造，只要使得其平衡及稳轴旋转就可。

本实施例中的旋转磁悬浮装置实现陀螺雌悬浮方法如下：先通过调节装置12调节使托板13与磁底板11之间具有足够的距离，使磁场对陀螺16向上的作用力小于陀螺16的重力，陀螺16位于托板13之上。如图3所示；旋转陀螺之后，通过调节装置12缩短托板13与磁底板11之间的距离，使磁场对陀螺16向上的作用力逐渐增大，最终等于陀螺16的重力。为了在缩短磁底板与托板之间距离时，陀螺不会漂移出磁性装置所围的区域，可在缩短磁底板与托板之间距离的同时或之前，调节磁性装置所围区域内的磁场强度。调节磁性装置所围区域内的磁场强度应根据给定的陀螺作相应的调整。如果磁性装置所围空间内的磁场太弱，则在缩短托板与磁底板距离时，陀螺在磁底板的斥力作用下可能漂移磁性装置所围区域的外侧。这时候磁性装置所围区域内的磁场强度可通过适当地增长磁性装置竖直方向上的长度即通过增加构成磁柱的小永磁体的个数，也可将构成磁性装置的各磁柱向中心径向移动缩小磁性装置的径向尺寸来实现增强磁性装置所围区域内的磁场强度。若磁性装置空间内的磁场太强，在缩短托板与磁底板距离而使陀螺升起的时候，陀螺会跳高到比磁性装置较高的上空，然后掉下来被磁性装置的磁力吸住。这时候要通过适当地缩短磁性装置竖直方向上的长度即减少构成磁柱的小永磁体的个数或者将构成磁性装置的各磁柱背想中心径向移动放大磁性装置的尺寸来减弱磁性装置所围区域内的磁场强度。

由于旋转的陀螺16具有稳轴性，可使其不倒；而在竖直方向上，磁场对陀螺16向上的作用力与重力相等，达到平衡，因此陀螺16可脱离托板13实现旋转磁悬浮，如图4所示。在磁柱的磁场中，越靠近磁柱14的两极，其磁场强度就越大。当陀螺16在磁柱所围成的区域内向任何一侧偏移时，陀螺的N极与S极分别靠近磁柱的N极与S极，使磁柱磁场对陀螺的排斥作用加强，产生一个与陀螺漂移方向相反的作用力，阻止陀螺向外漂移，从而将陀螺限制在磁柱所围成的区域内实现长时间稳定的旋转磁悬浮。由于有磁柱14防止陀螺16漂移出去，因此磁场强度与陀螺重量精度要求可相对降低，实现陀螺磁悬浮的操作也就简单且易掌握。

在本实施例中，陀螺的个数可以是一个，也可以是多个，当有多个陀螺时，陀螺之间会由于同性相斥而彼此分开，不会碰撞，各自旋转磁悬浮。

在本实施例中，磁底板11可以是电磁铁；磁柱14可以是整体的永磁体，也可以是电磁铁，同时磁柱14的根数可以是三根或更多，绕磁底板11中心呈正多边形或近似正多边形排列。

在本实施例中，磁底板11、磁性装置、陀螺的N极与S极朝向可同时翻转，既磁底板11的N极朝上S极朝下，陀螺16与磁柱14的N极朝下S极朝上。

图5、图6示出了本发明的第二个实施例。

如图5所示的一种结构中，同样该旋转磁悬浮装置包括磁底板11、磁性陀螺16、磁性装置17、调节装置12、托板13；磁底板11是水平放置的均匀磁化的圆盘状永磁体，其N极朝下，S极朝上；磁性陀螺16位于磁性装置所形成的区域内。磁性陀螺16的两极在其旋转轴线上，且N极朝上，S极朝下。磁底板11与磁性装置17之间通过调节装置12连接，调节装置12可以是蜗杆之类的机构，通过升降磁性装置17或磁底板11而实现调节托板13与磁底板11之间的距离。如图5所示，该磁性陀螺16也是有一个转轴和一个转盘构成，该转轴通过转盘的圆心穿过转盘，从而形成一个中心对称的旋转装置，但是可以理解的，磁性陀螺16也可以通过其它形式和结构进行构造，只要使得其平衡及稳轴旋转就可。

本实施例与第一实施例相比，其不同点在于磁性装置17。在本实施例中，磁性装置17包含的是圆环形的磁体，如图5所示，该圆环形的磁体可以是整块磁体，也可以是多个圆环形的小磁环叠加而成，两相邻小磁环的相临磁极极性相异，因此可通过控制小磁环的数量，从而控制圆环形的磁体的高度，并且用来调节磁性装置17中空间的磁场强度，使陀螺在缩短托板与底板距离时可以稳定悬浮。

如图6所示的另一种结构中，同样该旋转磁悬浮装置包括磁底板11、磁性陀螺16、磁性装置18、调节装置12，托板13；磁底板11是水平放置的均匀磁化的圆盘状永磁体，其N极朝下，S极朝上；磁性陀螺16位于磁性装置所形成的区域内。磁性陀螺16的两极在其旋转轴线上，且N极朝上，S极朝下。磁底板11与磁性装置18之间通过调节装置12连接，调节装置12可以是蜗杆之类的机构，通过升降磁性装置18或磁底板11而实现调节托板13与磁底板11之间的距离。同理，如图6所示，该磁性陀螺16也是有一个转轴和一个转盘构成，该转轴通过转盘的圆形穿过转盘，从而形成一个中心对称的旋转装置，但是可以理解的，磁性陀螺16也可以通过其它形式和结构进行构造，只要使得其平衡及稳轴旋转就可。

图6所示的实施结构与图5所示的实施结构的不同之处在于，将图6所示的磁性装置18的磁体进行变形，例如可以是正方形的磁环，或矩形的磁环，可以理解的，该磁性装置18的磁体也可以是其他的正多边形结构。

本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (16)

1.一种旋转磁悬浮装置，包括两磁极分别上下朝向的磁底板、两磁极在轴心线上的磁性陀螺，其特征在于，在磁底板的上方设有磁极分别上下朝向的磁性装置，所述磁性装置在磁底板的上方围成一容纳陀螺的空间，所述磁性装置与磁底板相邻的磁极极性相同，所述磁性装置与陀螺的磁极极性朝向相同。

2.根据权利要求1所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁底板是旋转对称的磁体。

3.根据权利要求2所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁性装置是绕磁底板中心旋转对称的磁性装置。

4.根据权利要求3所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁性装置包括若干根绕磁底板中心线周向排布的磁柱，所述磁柱的磁极极性朝向相同。

5.根据权利要求4所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁柱由若干个相同的永磁体层叠构成，相邻的两永磁体的相临磁极极性相异。

6.根据权利要求4所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁柱为电磁铁。

7.根据权利要求3所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁性装置为环状永磁体。

8.根据权利要求7所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述环状永磁体由若干个环形小磁环叠加而成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁底板为电磁铁或均匀磁化的永磁体。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁性装置与磁底板之间设置有水平的非铁磁性电绝缘体托板。

11.根据权利要求10所述的旋转磁悬浮装置，其特征在于，所述磁底板与托板之间设置有调节磁底板与托板之间距离的调节装置。

12.一种实现权利要求11中旋转磁悬浮装置的陀螺磁悬浮方法，其特征在于，该方法步骤为转动位于磁性装置中、托板之上的磁性陀螺，通过调节装置缩短磁底板与托板之间的距离，使陀螺与磁底板之间的作用力等于陀螺的重力。

13.根据权利要求12所述的陀螺磁悬浮方法，其特征在于，在转动陀螺之前，通过调节装置使托板位于磁底板对陀螺的作用力小于陀螺重力的位置处。

14.根据权利要求12或13所述的陀螺磁悬浮方法，其特征在于，在缩短磁底板与托板之间距离的同时或之前，还调节磁性装置所围区域内的磁场强度。

15.根据权利要求14所述的陀螺磁悬浮方法，其特征在于，调节磁性装置所围区域内的磁场强度包括增长或缩短磁性装置竖直方向上的长度。

16.根据权利要求14所述的陀螺磁悬浮方法，其特征在于，调节磁性装置所围区域内的磁场强度包括增大或缩小磁性装置的径向尺寸。

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