CN102029072B - 一种磁浮陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮陀螺，涉及玩具陀螺，尤其涉及一种利用磁力悬浮于空中的陀螺；包括基底磁体组、磁体盒、磁体盒下盖、磁场方向调节螺丝、托板、陀螺磁体、陀螺转柄、若干配重片及压紧螺母；基底磁体组由在上面的多边形平面磁体或圆形平面磁体和在下面的环形磁体同心叠合而成，平面磁体和环形磁体的磁化方向相同；悬浮在基底磁体组上方的陀螺的陀螺磁体和配重片套在有螺纹的陀螺转柄上，由压紧螺母将配重片和陀螺磁体紧固于陀螺转柄上；其有益效果是使得磁悬浮陀螺操作容易、悬浮高度高，时间长、稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种陀螺，特别涉及一种仅利用看不见的磁力悬浮于空中的陀螺。
背景技术
磁浮陀螺是一种包含许多物理知识的高科技玩具，也可以作为教具。其现象是：一个以小磁体为主要转动惯量的旋转着的陀螺，在没有任何其他外力的支持下悬浮在一块大的基底磁体的上方达几分钟，令人称奇。要指出的是，这种悬浮技术也应用于有磁矩的单个微观粒子(例如中子，单个原子等)的捕获，所以这种玩具的原理在物理学中也有其地位。
磁浮陀螺是美国人哈里根(见文献1)经过多年的研究发明的，在研发期间，许多科学家劝其不要浪费时间，说这是不可能成功的。因为恩绍(SamuelEarnshaw)早在1842年就证明：静态磁悬浮不可能实现。这就是著名的恩绍大定理(Earnshaw theorem，见文献2)。但静态磁悬浮毕竟太诱人了，没上过大学的哈里根却不信邪，坚持试验，最后用让陀螺旋转的方法在不违反恩绍大定理的情况下实现了悬浮。要指出的是，实现悬浮要满足许多条件：陀螺在基底磁体上方几十毫米的空中浮动，但稳定区域只有4毫米左右宽，陀螺必须呆在这一看不见摸不着的狭小区域中才能稳定悬浮。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。陀螺的转动惯量和磁矩必须合适，加之陀螺的悬浮力还随环境温度的变化而变化，必须随时调整。使用者还要学会在基底磁体强烈的磁倾覆力下把陀螺转到一定的转速，快了慢了都不能稳定。从这点看，哈里根先生真是高人。天知道他怎么能在无数的失败中找出这么多条件的成功组合。
有的专利提出，美国人尼尔是第一个发明磁悬浮的人(见文献3)。这不符事实。因为尼尔不是让嵌有磁体的被悬浮的物体旋转，而是缓慢旋转基底磁体。这违反恩绍大定理，被浮物必然倾覆而跌落。所以尼尔的专利是无法实施的。
接着，美国人威廉姆.霍恩(William G.Hones)和他的在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的父亲爱德华.霍恩(Edward W.Hones)对哈里根的发明作了改进，并申请了专利(见文献4)。
在这里需要指出，在以前中请的专利中有许多错误的观点。例如：
有的专利认为下凹的碟形基底磁体产生使陀螺稳定的向心力，这是误解。事实是 
(这里Z为垂直向上方向的坐标，X为水平方向坐标，Bx为磁通密度的水平分量， 
为偏微分算符)产生向心力，即是磁场的水平分量在垂直方向的梯度产生向心力，而不是磁场的方向会产生向心力，因为陀螺是作为一个磁偶极子悬浮在基底磁体产生的磁场中。
有的专利声称可以在被悬浮陀螺的下方接一个有长的摆杆的摆可以实现稳定悬浮，这是不能实现的，因为也这违反恩绍大定理。
有的专利断言，圆形周边的饼状基底磁体，不能使陀螺悬浮。这也不符合实实。文献[4]和我们的实验都证明圆形周边的基底磁体和其他周边形状的磁体悬浮得一样好。
有的专利声称，配重片必须用非磁性材料，我们的实验证明，用铁磁性材料的配重片悬浮效果也很好。
有的专利还用数学证明，被悬浮的磁体(本专利中称陀螺磁体)一定要是环形的，且其内径必须大于20毫米。我们的实验证明，不存在这种限制，即使内径为零，也一样能悬浮。
有的将基底磁体的磁场的中央弱化作为独立权项来申请专利。这是不合理和不合法的。原因有三：
因为任何一块多边形或圆形平面磁体，只要其厚度小于对角线或直径，则在均匀磁场中充磁后，由于退磁效应，中央的磁通密度必然小于其外围区域。也就是说，多边形或圆形平面磁体的中央磁场的弱化是磁体的物理特性，不是一种结构上的发明。
哈里根在他的专利(文献1，见说明书第一页的倒数第6行)中已指出，在一些实施例中，中央磁通密度的弱化是优先选择的方案。所以，基底磁体的中央弱化，已是前人公开的技术。
文献6的作者于1997年就指出，美国某家公司生产的磁浮陀螺的基底磁体的磁场是中央弱化的。所以，有人在2005年再以基底磁体中央弱化作为独立权项申请专利是将前人的已公开的专利内容再次申请专利。
除了上述问题外，现在市面上流行的磁浮陀螺也存在一些缺点。
第一，一般的悬浮高度不足30毫米，悬浮效果不够明显。若要稍微增加悬浮高度，则要大幅度增加基底磁体的体积。以致在价格上难以承受，携带和操作都不方便。
第二，用手在托板上起转十分困难，这是阻碍这种高科技玩具推广的最大因素。这有两方面的原因：首先是单块基底磁体难以形成较大的向心力空间，以致难以先使陀螺在托板上做到稳定地旋转；其次是现有的磁浮陀螺都用橡胶圈来固定配重片，但是橡胶圈只产生径向力，没有轴向力。原则上只能阻止配重片滑出转柄，而不能压紧配重片，因而在起转时，陀螺转柄转动了，配重片却滞后，发出沙沙声，这也显著增加了起转的难度。
第三，对初次接触磁浮陀螺的人来说，判断和找到正确的配重既费时又十分困难。这使许多玩者半途放弃。
发明内容
本发明的第一个目的是：在基底磁体用量增加很少的情况下，用基底磁体组代替单块基底磁体，从而获得悬浮高度更高，起转更容易，悬浮时间更长、稳定性更好的基底磁体组合系统。
本发明的第二个目的是使操作变得容易。因为操作困难是阻碍本磁浮陀螺推广的最大原因，使磁浮陀螺的操作变得容易大大有利本玩具的推广。
本发明的技术方案是：一种磁悬浮陀螺，包括基底磁体组、磁体盒、磁体盒下盖、磁场方向调节螺丝、托板、陀螺磁体、陀螺转柄、若干配重片及压紧螺母，基底磁体组由在上面的多边形的或圆形的平面磁体和在下面的环形磁体同心叠合而成，平面磁体和环形磁体的磁化方向相同；悬浮在基底磁体组上方的陀螺的陀螺磁体和配重片套在有螺纹的陀螺转柄上，由压紧螺母将配重片和陀螺磁体紧固于陀螺转柄上。
下面对以上技术方案作进一步阐述：
陀螺磁体的形状为一内孔大小不限的环状磁体或者一中心无孔的圆饼状磁体。
基底磁体组中的环形磁体的外径与多边形的平面磁体的任意一条对角线或圆形的平面磁体的直径之比为5-0.2。
优选的范围是：基底磁体组中的环形磁体的外径与多边形的平面磁体的任意一条对角线或圆形的平面磁体的直径之比为1.5-0.6。
环形磁体的内径与陀螺磁体的外径之比为0.5-10。
优选的范围是：环形磁体的内径与陀螺磁体的外径之比为1-4。
环形磁体的厚度与多边形平面磁体或圆形平面磁体的厚度之比为0.1-10。
优选的范围是：环形磁体的厚度与多边形平面磁体或圆形平面磁体的厚度之比为0.3-3。
本发明有如下的有益效果：
加环形磁体后明显地增加了陀螺的悬浮高度。本发明人的实验证实，当单使用方块磁体(每块重485克)作基底磁体时，五块磁体的平均悬浮高度为25.2毫米，在下面贴上环形磁体(重47.3克)后，这五个基底磁体组的平均悬浮高度为31.0毫米。所以，增加9.8％的磁环重量，使悬浮高度增加23％。本发明人测量了 
曲线(Z为垂直方向坐标，即高度)。从 
曲线簇看，加了磁环以后， 
为正值的高度范围明显增加了；而在XY平面(水平面)内 
为正的范围扩大了，数值(指正值)也明显增大。在Z方向 
为正的范围的增加(结合 
)正表征了悬浮高度的增加；而 
为正值的范围和数值的增加表征了磁浮陀螺在各个高度上稳定性的增加，从而减轻了再托板上起转的难度。如果用增加单块基底磁体的厚度的办法来增加同样的悬浮高度和相同的稳定度，则基底磁体的质量要成倍的增加。
实验也证实了这个的有益效果：因为能使陀螺在托板上稳定旋转的托板厚度有一定的范围，我们以这个范围的大小来部分衡量其稳定性。上述五块磁体的实验结果是：单块方块磁体的平均稳定范围为6.4毫米；加上磁环后的平均稳定范围是9.4毫米。增加了47％。另一个表现是陀螺悬浮时对基底磁体的倾斜不再敏感。
1)本发明用压紧螺母代替橡胶圈使操作变得容易。因为磁浮陀螺的操作程序是：在陀螺悬浮之前，先要使陀螺在托板上稳定地旋转，然后用托板将陀螺提升至稳定悬浮点。本发明以螺丝和螺母替代了以前的橡胶圈将配重片紧固于转柄上，这有两个方面使操作容易。首先，螺丝和螺母有轴向压力，这使被悬浮的陀螺整体更紧固，不会产生配重片的转动滞后于陀螺的现象，使陀螺在托板上起转更容易；其次，寻找准确的配重对初次接触磁浮陀螺的人来说也是既费时又困难的任务。采用螺母紧固配重片后，可以在出厂前将配重调好，用螺母紧固，使玩者在操作时只需微调，使操作大为容易(若用橡胶圈，因为橡胶圈易老化，厂家要求不玩时将橡胶圈从转柄上取下，故出厂时不能将配重片调节好，并用橡胶环固定之)。
3)延长了悬浮时间。这是稳定性提高后带来的附带好处。
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图标说明：10基底总成，11磁体盒，12磁体盒下盖，13基底磁体组，14平面磁体，15环形磁体，16、17螺丝，18支腿，19托板；20陀螺总成，21陀螺转 柄，22陀螺磁体，23配重片，24螺纹，25陀螺尖，26压紧螺母。
附图说明
图1为磁浮陀螺悬浮时的情况，10为基底总成，20为陀螺总成，19为托板，C为陀螺轴线和磁体盒的交点。
图2为基底总成，下面为俯视图，上面为沿A-A线的剖视图。11为磁体盒，12为磁体盒下盖，13为基底磁体组，14为平面磁体，15为环形磁体。多边形(或圆形)平面磁体14和环形磁体15封闭在磁体盒11和磁体盒下盖12形成的空间内。螺丝16和螺丝17为调节基底磁体组磁场方向的螺丝，18为支腿。
图3基底磁体组13的排布图。基底磁体组13包括多边形或圆形平面磁体14和磁环15，环形磁体15在多边形(或圆形)平面磁体14的下方。这种结构使悬浮高度和稳定性明显增加。
图4陀螺总成的轴剖面图，20表示陀螺总成，21为陀螺转柄，22为陀螺磁体，23为配重片，24为的螺纹，25为陀螺尖，26为压紧螺母。压紧螺母26和螺纹24的配合使整个陀螺成为紧固的整体，易于在托板19上起转。
图5为陀螺转柄21的轴剖面图，21为陀螺转柄，24为螺纹，25为陀螺尖。
具体实施例
现结合实施例对本发明作进一步描述。
图1是磁浮陀螺在悬浮时的情况。陀螺总成20在基底总成10的上方旋转并悬浮在基底总成10的上方，其三维悬浮完全由磁力来完成，没有任何其他支撑。图中19是托板。操作时先用手将陀螺在托板19上快速旋转，由于基底磁场对陀螺施加有向心力，故陀螺会在基底磁体组13中央稳定地旋转。接着借助 托板19将陀螺缓缓抬升，当接近悬浮点时陀螺会从托板19跳起而悬浮于空中。
本实施例由两部分组成：基底总成10和陀螺总成20。
基底总成10包括磁体盒11，磁体盒下盖12，基底磁体组13(基底磁体组13包括多边形或圆形平面磁体14和环形磁体15)和托板19组成。磁体盒盖12上有一个不可调支腿18和两个可调螺丝16、17，这三者呈三角形排布并支撑整个基底总成10。两个螺丝16、17用来调节基底磁体的磁场方向。基底磁体组13由多边形或圆形周边的平面磁体14和环形磁体15同心叠合而成，两者的磁化方向相同且垂直于平面。这种组合磁体只增加一个簿磁环，却显著增加了陀螺的悬浮高度和悬浮的稳定性，并使陀螺在托板19上容易起转。磁体盒11和磁体盒下盖12是为了将基底磁体组13包住，以增加美观和避免基底磁体组13被碰环。托板19是提升陀螺用的：先将托板19放在基底磁体盒11上，让陀螺以陀螺尖25为定点在托板19上稳定地旋转。缓缓提升托板19，接近悬浮点时，陀螺会自动跳起并悬浮在空中。这时托板19的任务已完成，可以拿走。要避免用导电和导磁的材料来做托板19。
本实施例的陀螺总成20由陀螺转柄21，陀螺磁体22，配重片23和压紧螺母26组成。25为陀螺转柄上的陀螺尖，陀螺转柄21上有与压紧螺母26相配的螺纹24，以便将陀螺磁体22和配重片23紧固到陀螺转柄21上。陀螺磁体22是一个磁偶极子。所以本实施例的物理图像是：一个高速旋转的陀螺磁体22在一个尺度较大的基底磁体组13产生的磁场中悬浮。在悬浮时基底磁体组13和陀螺磁体的磁化方向是相反(即相斥)的。
本实施例中的配重片用金属片(包括铁片)和塑料片搭配使用。质量大的用金属片或铁片，质量小的如用金属片或铁片则太簿，边缘大锋利，故改用密度较小的塑料片。
为减少初次接触磁浮陀螺的人的操作困难，在出厂之前，本实施例将每个陀螺的配重片大致配好，并用压紧螺母26固定，玩的人只要微调配重片23即可实现悬浮。若用橡胶圈来固定配重片23则难以办到这一点，因为要求不玩时将橡胶圈从陀螺转柄21上取下，以免时间久了失去弹性。
实施例2
本实施例中将基底磁体组13的多边形磁体14和环形磁体15在生产时做成为一体。其余的同实施例1
实施例3
当用实心的陀螺磁体22时，将图4中的陀螺转柄21的陀螺尖25沿D-D切下，装在陀螺磁体22的下方，剩下的陀螺转柄21部分装在陀螺磁体22的上方。其他的同实施例1。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (8)
1.一种磁悬浮陀螺，包括基底磁体组、磁体盒、磁体盒下盖、磁场方向调节螺丝、托板、陀螺磁体、陀螺转柄、若干配重片及压紧螺母，其特征在于：基底磁体组由在上面的多边形的或圆形的平面磁体和在下面的环形磁体同心叠合而成，平面磁体和环形磁体的磁化方向相同；悬浮在基底磁体组上方的陀螺的陀螺磁体和配重片套在有螺纹的陀螺转柄上，由压紧螺母将配重片和陀螺磁体紧固于陀螺转柄上。
2.根据如权利要求1所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：陀螺磁体的形状为一内孔大小不限的环状磁体或者一中心无孔的圆饼状磁体。
3.根据如权利要求1所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：基底磁体组中的环形磁体的外径与多边形的平面磁体的任意一条对角线或圆形的平面磁体的直径之比为5-0.2。
4.根据如权利要求1所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：基底磁体组中的环形磁体的外径与多边形的平面磁体的任意一条对角线或圆形的平面磁体的直径之比为5-0.2。
5.根据如权利要求1所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：环形磁体的内径与陀螺磁体的外径之比为0.5-10。
6.根据如权利要求5所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：环形磁体的内径与陀螺磁体的外径之比为1-4。
7.根据如权利要求1所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：环形磁体的厚度与多边形平面磁体或圆形平面磁体的厚度之比为0.1-10。
8.根据如权利要求7所述的一种磁悬浮陀螺，其特征在于：环形磁体的厚度与多边形平面磁体或圆形平面磁体的厚度之比为0.3-3。
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