CN117980602A - 用于产生向心力差的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于产生相对向心力差的系统包括具有多个伸缩式辐条元件的转台，所述多个伸缩式辐条元件围绕转台的中心沿着径向线布置。每个辐条元件具有附接到转台的固定端和与固定端相对的可移动自由端。当转台旋转时，每个辐条元件的自由端移动，使得该自由端在通过最小距离区域时处于最小距离处，在通过与最小距离区域相对的最大距离区域时处于最大距离处，并且在通过在最小距离区域和最大距离区域的任一侧的过渡区域时增加或减小。

Description

用于产生向心力差的设备

技术领域

本发明总体上涉及用于产生向心力差的机器系统，并且更具体地涉及一种旋转系统，该旋转系统使用永磁体和电磁体的组合来对抗围绕偏心路径旋转的磁块的向外力。

背景技术

当质量块绕轴线旋转时，在离轴线一定距离处产生向心力。向心力用于抵消质量块沿直线移动的趋势，从而导致质量块遵循围绕旋转轴线的曲线。理解向心力对于许多科学和工程努力是至关重要的。虽然当考虑完全圆形的旋转路径时，向心力相对易于理解，但是不平衡的影响并不是直观理解的。

不平衡系统的一个例子是通常用在移动通信装置中以产生振动的偏心凸轮。偏心凸轮安装在小型电动机的心轴上。为了产生振动，电动机被致动并且凸轮围绕心轴旋转。由于在凸轮的一侧上存在更多的质量，当凸轮围绕电动机的心轴旋转时，向心力存在不平衡，从而导致振动。振动由旋转产生的力不平衡引起。旋转系统中的力的大小取决于被旋转的质量以及角速度。当然，产生不平衡的偏心率不断地围绕电动机循环以产生振动，并且凸轮的较长凸角比相对侧产生更大的向心力。

对向心力的影响的研究通常限于像偏心凸轮那样的偏心旋转质量块，或经典的“花样滑冰者”效应，其中，质量块相对于旋转轴线被拉入或延伸以观察对角速度和角动量守恒的影响。然而，很少有装置或系统可用来证明固定偏心旋转路径的效果，其中，偏心率相对于旋转中心是固定的，而旋转部分旋转并根据其旋转位置改变长度。这产生了固定的向心力差，该向心力差可用于证明各种物理现象，这些物理现象包括运动、能量和热力学定律。

因此，需要克服上述现有技术的问题。

发明内容

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于产生向心力差的系统。该系统包括转台，该转台限定平面并具有中心，其中，所述转台围绕所述中心旋转，使得穿过所述中心的旋转轴线垂直于由所述转台限定的所述平面。该系统还包括多个辐条元件，所述多个辐条元件围绕所述旋转轴线径向地并且对称地布置在所述转台上，所述多个辐条元件中的每一个具有邻近所述转台的中心的固定端和与该固定端相对的自由端，其中，所述自由端能在最小径向距离与最大径向距离之间移动。围绕所述转台的区域被限定成最小径向距离区域，在该最小径向距离区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述最小径向距离区域时，该辐条元件的自由端被控制在所述最小径向距离处。该区域还包括最大径向距离区域，该最大径向距离区域相对于所述转台的中心与所述最小径向距离区域相对，并且在该最大径向距离区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述最大径向距离区域时，该辐条元件的自由端被控制在所述最大径向距离处。该区域还包括第一过渡区域，该第一过渡区域在第一侧位于所述最小径向距离区域与所述最大径向距离区域之间，在该第一过渡区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述第一过渡区域时，该辐条元件的自由端被控制为从最小径向距离过渡到最大径向距离。该区域还包括第二过渡区域，该第二过渡区域在第二侧位于所述最小径向距离区域与所述最大径向距离区域之间，在该第二过渡区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述第一过渡区域时并且紧接在穿过所述最大径向距离区域之后，该辐条元件的自由端从所述最大径向距离到所述最小径向距离。该系统还包括马达，该马达在所述旋转轴线上连接到所述转台，所述马达被配置成旋转所述转台和所述多个辐条元件，其中，每个辐条元件能操作成当该辐条元件随着所述转台的每次旋转而旋转通过所述最小径向距离区域、所述第一过渡区域、所述最大径向距离区域和所述第二过渡区域时调节该辐条元件的长度。

根据另一特征，

根据另一特征，所述系统还包括多个磁性元件，所述多个磁性元件围绕所述最小径向距离区域、所述最大径向距离区域、所述第一过渡区域和所述第二过渡区域设置在框架上。所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括永磁体，并且其中，所述永磁体的磁场与每个磁性元件的磁场相反，使得所述多个辐条元件中的每一个的自由端处的永磁体之间的磁排斥被选择为控制所述多个辐条元件中的每一个的长度。

根据另一特征，在所述最小径向距离区域和所述最大径向距离区域中的所述磁性元件是永磁体，并且在所述第一过渡区域和所述第二过渡区域中的所述磁性元件是电磁体。所述系统还包括配电器，该配电器与所述转台的旋转同步地向每个电磁体提供电流脉冲。

根据另一特征，所述多个辐条元件中的每一个包括线性推进器，该线性推进器操作成当所述转台旋转时移动该辐条元件的自由端。

根据另一特征，所述多个辐条元件包括在所述转台的顶部上的一组顶部辐条元件和在所述转台的底部上的一组底部辐条元件。

根据另一特征，所述多个辐条元件包括四对相对的辐条元件。

根据另一特征，所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括滚子，该滚子与围绕所述转台的框架的框架边缘接合。

根据另一特征，所述滚子安装在联接到所述辐条元件的弹簧上。

根据另一特征，所述多个辐条元件中的每一个是具有多个伸缩区段的伸缩式辐条元件。

根据另一特征，该系统还包括围绕转台的框架，该框架具有上框架构件、下框架构件和在所述上框架构件与所述下框架构件之间的中间侧壁区段，所述转台安装在所述上框架构件与所述下框架构件之间。

根据本公开的一些实施例，提供了一种用于产生相对向心力差的设备，该设备包括：转台，该转台在平面中围绕所述转台的中心的旋转；以及多个辐条元件，所述多个辐条元件安装在所述转台上。所述多个辐条元件围绕所述转台的中心以相对对的方式布置，所述多个辐条元件中的每一个具有邻近所述转台的中心的固定端和沿从所述转台的中心开始的径向线与所述固定端相对的自由端，并且其中，所述自由端能相对于所述固定端沿所述径向线在至少最小距离与最大距离之间移动。该设备还包括马达，该马达联接到所述转台以旋转所述转台。当所述转台旋转时，所述多个辐条元件中的每一个的长度被控制为：在该辐条元件穿过围绕所述转台的最小距离区域的同时处于所述最小距离，其中，所述最小距离区域被限定为在围绕所述转台的区域中覆盖所述转台的约180度旋转。该长度被进一步控制为当该辐条元件穿过与所述最小距离区域直接相对的最大距离区域时处于所述最大距离，该最大距离区域被限定为覆盖约60度旋转。该长度被进一步控制为在该辐条元件穿过第一过渡区域时从所述最小距离增加到所述最大距离，所述第一过渡区域被限定为在所述转台的第一侧在所述最小距离区域与所述最大距离区域之间覆盖约60度旋转。该长度被进一步控制为在该辐条元件穿过第二过渡区域时从所述最大距离减小到所述最小距离，所述第二过渡区域被限定为在所述转台的第二侧在所述最大距离区域与所述最小距离区域之间覆盖约60度旋转。

根据另一特征，所述设备还包括多个磁性元件，所述多个磁性元件围绕所述最小距离区域、所述最大距离区域、所述第一过渡区域和所述第二过渡区域设置在框架上。该设备还包括：所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处具有永磁体，并且其中，所述永磁体的磁场与每个磁性元件的磁场相反，使得在所述多个辐条元件中的每一个的自由端处的永磁体之间的磁排斥被选择成控制所述多个辐条元件中的每一个的长度。

根据另一特征，在所述最小距离区域和所述最大距离区域中的所述磁性元件是永磁体，并且在所述第一过渡区域和所述第二过渡区域中的所述磁性元件是电磁体。该设备还包括配电器，该配电器与所述转台的旋转同步地向每个电磁体提供电流脉冲。

根据另一特征，每个辐条元件包括线性推进器，该线性推进器操作成当所述转台旋转时移动该辐条元件的自由端。

根据另一特征，所述多个辐条元件包括在所述转台的顶部上的一组顶部辐条元件和在所述转台的底部上的一组底部辐条元件。

根据另一特征，所述多个辐条元件包括四对相对的辐条元件。

根据另一特征，所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括滚子，该滚子接合围绕所述转台的框架的框架边缘。

根据另一特征，所述滚子安装在联接到所述辐条元件的弹簧上。

根据另一特征，所述多个辐条元件中的每一个是具有多个伸缩区段的伸缩式辐条元件。

根据本发明的一些实施例，提供了一种产生向心力差的方法，该方法包括：提供能够围绕中心旋转的转台、安装在该转台上的多个辐条元件，所述多个辐条元件围绕所述中心以相对对的方式布置。所述多个辐条元件中的每一个都是能伸缩的，并且具有邻近所述中心安装在所述转台上的固定端和沿从所述中心开始的径向线与所述固定端相对的自由端，该自由端能在最小距离与最大距离之间移动。该方法还包括：围绕所述转台限定围绕所述中心的多个旋转区域，所述旋转区域包括：最小距离区域，该最小距离区域被限定为围绕所述中心覆盖约180度；与所述最小距离区域直接相对的最大距离区域，该最大距离区域被限定为围绕所述中心覆盖约60度；第一过渡区域，该第一过渡区域被限定为在所述最小距离区域和所述最大距离区域的第一侧在所述最小距离区域与所述最大距离区域之间覆盖约60度；以及第二过渡区域，该第二过渡区域被限定为在所述最小距离区域和所述最大距离区域的第二侧在所述最大距离区域与所述最小距离区域之间覆盖约60度。该方法还包括：旋转所述转台；并且在旋转所述转台的同时，控制所述多个辐条元件中的每一个，使得所述多个辐条元件中的每一个的自由端：当该辐条元件旋转通过所述最小距离区域时，处于所述最小距离处；当该辐条元件旋转通过所述第一过渡区域时，从所述最小距离增加到所述最大距离；当所述辐条元件旋转通过所述最大距离区域时，处于所述最大距离处；并且当所述辐条元件旋转通过所述第二过渡区域时，从所述最大距离减小到所述最小距离。

尽管本发明在这里被示出和描述为体现在用于产生差动向心力的系统、设备和方法中，然而，本发明并不限于所示的细节，因为在不脱离本发明的精神和在权利要求的等同物的范围和范围内可以进行各种修改和结构改变。此外，将不详细描述或将省略本发明的示例性实施例的公知元件，以免混淆本发明的相关细节。

在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特征的其他特征。根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。因此，这里公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础和作为教导本领域普通技术人员以实际上任何适当的详细结构不同地采用本发明的代表性基础。此外，本文使用的术语和短语不旨在是限制性的；而是提供对本发明的可理解的描述。虽然本说明书以定义了被认为是新颖的本发明的特征的权利要求书结束，但认为，通过结合附图考虑以下描述将更好地理解本发明，在附图中相同的附图标记保留。附图没有按比例绘制。

在公开和描述本发明之前，应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在限制。本文所用的术语“一个”被定义为一个或多于一个。这里使用的术语“多个”被定义为两个或多于两个。这里使用的术语“另一个”被定义为至少第二个或更多。在此使用的术语“包含”和/或“具有”被定义为包括(即开放式语言)。这里使用的术语“联接”被定义为连接，尽管不一定是直接连接，也不一定是机械连接。术语“提供”在本文中以其最广泛的含义定义，例如，整体或多个部分地或在一段时间内带来/进入物理存在，变得可用和/或供应给某人或某物。

在本发明的实施例的描述中，除非另有说明，否则由诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“头”、“尾”等术语指示的方位角或位置关系是基于附图的方位角或位置关系，其仅是为了便于描述本发明的实施例并简化描述，而不是指示或暗示装置或部件必须具有特定的方位角，或者以特定的方位角来构造或操作。因此，这不能理解为对本发明实施例的限制。此外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语仅用于描述性目的，并且不能被解释为指示或暗示相对重要性。

在本发明的实施例的描述中，应当注意，除非另有明确定义和限制，否则诸如“安装”、“联接”，“连接”等术语应当被广义地解释，例如，其可以是固定连接的，或者可以是可拆卸连接的，或者是整体连接的；可机械连接，或可电连接；它可以直接连接，或者可以经由中间介质间接连接。如本文所用，术语“约”或“大约”适用于所有数值，无论是否明确指示。这些术语通常是指本领域技术人员认为等同于所述值(即具有相同的功能或结果)的数值范围。在许多情况下，这些术语可以包括四舍五入到最接近有效数字的数字。在本文中，术语“纵向”应理解为是指与辐条元件的伸长方向相对应的方向。本领域技术人员可以根据特定情况理解本发明的实施方式中的上述术语的特定含义。

附图说明

附图用于进一步示出各种实施例并解释根据本发明的各种原理和优点，在各个视图中，相同的附图标记表示相同或功能类似的元件，并且附图与下面的详细描述一起并入说明书并形成说明书的一部分。

图1是根据现有技术的用于产生向心力的装置的俯视平面图；

图2是根据一些实施例的用于产生不同向心力的装置的俯视平面图；

图3是根据一些实施例的围绕旋转轴线的偏心路径的图，围绕该轴线旋转的质量块遵循该偏心路径；

图4是根据一些实施例的围绕偏心路径旋转的质量块所经受的力的图表；

图5是根据一些实施例的用于产生差动向心力的装置的俯视平面图；

图6是根据一些实施例的用于产生差动向心力的装置的第一侧面剖视图；

图7是根据一些实施例的用于产生差动向心力的装置的第二侧面剖视图；

图8示出了根据一些实施例的配电器，该配电器用于结合质量块沿着偏心路径的移动来选择性地给电磁体通电以抵消向心力；

图9示出了根据一些实施例的相对辐条构件之间的峰值差的示例；

图10示出了根据一些实施例的相对于旋转轴线成相对对布置的多个伸缩式辐条元件；

图11示出了根据一些实施例的使用辐条元件的向心力差系统的俯视平面图，该辐条元件控制其自身的长度；以及

图12A和图12B示出了根据一些实施例的用作辐条元件的处于最小和最大延伸状态的线性推进器。

具体实施方式

虽然本说明书以定义了被认为是新颖的本发明的特征的权利要求书结束，但认为通过结合附图考虑以下描述将更好地理解本发明，在附图中相同的附图标记被向前携带。应当理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。

图1是根据现有技术的用于产生向心力的现有技术装置100的俯视平面图。装置100包括从旋转轴线112径向延伸的几个辐条元件102。在每个辐条元件的端部是质量块104。辐条元件102都具有相同的固定长度，并且每个质量块104的质量是相同的，并且它们具有相同的尺寸。因此，作用在每个质量块104上的向心力是相同的。如箭头110所示，辐条元件102围绕轴线112旋转；如箭头106所示，每个质量块104在给定时间点产生从轴线112径向向外的向心力。该力由保持每个质量块104的辐条元件102抵消，并且因此，每个质量块104遵循围绕轴线112的圆形轨道，而不是沿直线继续，如例如质量块104从其相应的辐条元件102分离时将发生的那样。当每个质量块104具有相同的大小，并且每个质量块位于距轴线112相同的距离处时，质量块的作用在轴线112上的向心力基本上被相对的辐条元件102和质量块104抵消。然而，如果使其中一个质量块比其相对的质量块元件更重或更轻，则在装置旋转期间将发生不平衡。同样地，如果使一个辐条元件比其相对的辐条元件更长或更短，则在开始旋转时将发生力的不平衡。如果存在不平衡，则净力将偏离中心(即，不在轴线112上)，并且装置将在旋转期间在不平衡元件的方向上被拉动，这可产生振动。

图2是根据一些实施例的用于产生差动向心力的装置200的俯视平面图。具体地，装置200产生力偏移，该力偏移相对于旋转轴线处于固定位置并且独立于旋转元件。转台202是大致圆形的，并且限定了平面，如该图所示，该平面与图纸的平面平行。转台202具有中心，旋转轴线204垂直于转台202的平面穿过该中心。驱动轴沿着轴线204联接到转台202，使得转动驱动轴导致转台202对应于驱动轴转动。安装在转台202上的是多个伸缩式辐条元件206。辐条元件206各自具有位于旋转轴线附近的第一端以及在转台202上相对于旋转轴线径向排列的细长主体。如这里所示，有四对相对的辐条元件206。

辐条元件206中的每一个都是可伸缩的，这意味着它们具有安装并固定到转台202的基部207以及相对于基部沿着从旋转轴线204向外延伸的径向线移动的至少一个可移动部分。如这里所示，每个辐条元件206具有基部207、中间伸缩区段209和远端伸缩区段211，远端伸缩区段211在离旋转轴线204最远的远端处具有质量块208。中间区段209和远端区段211相对于彼此和基部区段207滑动或以其他方式移动，并且嵌套到彼此中。可以使用滚子和轨道布置，使得例如中间区段209安装在滚子上，该滚子在基部区段207的内侧的轨道上滚动，并且远端区段211与中间区段209可以具有类似的互连。因此，当转台202旋转时，可伸缩的区段(例如209，211)将响应于向心力而被向外推动。远端区段211的端部包括由永磁体构成的质量块208，该永磁体进一步增加向心力的效果。

包括永磁体210和电磁体212的多个磁性元件以偏心形状包围转台202并安装在转台202周围的框架上。偏心形状包括相对于旋转轴线204具有恒定半径且在一侧围绕转台的半圆形。在转台的另一侧，磁性元件遵循非圆形路径，该非圆形路径具有距旋转轴线204较大距离的弓形部分和过渡区段。磁性元件布置成具有与每个伸缩式辐条元件206的远端上的永磁体208相反的极性。磁性元件的磁力(排斥力)被选择为等于并且抵消以转台202的选定角速度作用在永磁体208上的向心力。因此，当转台202旋转时，向心力将每个辐条元件上的永磁体208远离旋转轴线204向外推。当永磁体208经过磁性元件210，212时在永磁体208与磁性元件210，212之间产生的磁性排斥力对抗并抵消作用在永磁体208上的向心力的作用。在磁性元件210，212距旋转轴线较远的情况下，辐条元件206的伸缩布置允许永磁体从旋转轴线204延伸得更远。由于所有的永磁体208以相同的角速度运动，因此距旋转轴线更远的那些永磁体经受大的向心力，并且因此当永磁体208经过时在磁性元件210，212上施加更大的力。因此，在图2所示的特定布置中，假设转台处于运动和转动中，永磁体214比永磁体216受到更多的向心力，永磁体216与旋转轴线204相对并且在距旋转轴线204更短的距离处行进。因此，如果磁性元件被构造成完全排斥经过的永磁体208，则在靠近永磁体214的磁性元件上施加的力大于在靠近永磁体216的磁性元件上施加的力。磁性元件210，212被配置或选择为当辐条元件经过磁性元件210，212时控制辐条元件的自由端的延伸。

在磁性元件210，212中，永磁体210被选择为具有足以抵抗施加在永磁体208上的向心力的磁场强度，并且用在与旋转轴线204具有基本恒定半径的区域上。电磁体212用在过渡区域中，其中，到旋转轴线204的半径沿该区域变化。当每个永磁体208接近并经过时，电磁体212被打开，以产生可随转台204的角速度变化的排斥磁场。磁性元件210，212被定向为面向旋转轴线，尽管在半径减小的过渡区的开始处，磁性元件可以稍微远离旋转轴线204成角度。

图3是根据一些实施例的围绕旋转轴线(例如204)的偏心路径300的图，其中，如图2中那样围绕该轴线旋转的质量块遵循该偏心路径。该路径被映射在竖直轴线301和垂直于竖直轴线301的水平轴线304上。轴线301，304产生四个象限，这四个象限包括第一象限307、第二象限308、第三象限306和第四象限305。路径300在第三象限306和第四象限305中遵循半圆302，该半圆302具有从轴线301，304相交的中心303开始的半径318，中心303表示旋转轴线(例如204)。因此，在第三象限306和第四象限305中，半圆302与中心303相距相同的距离，并且是最小径向距离区域，或者简单地是最小距离区域。在半圆302的最小距离区域中，辐条元件处于最小距离构型，这意味着它们的自由端相对于旋转中心303(例如，转台的中心)完全缩回。最小距离区域被限定为覆盖大约180+/-3％度旋转。

在第一象限307中，路径遵循第一过渡区域或第一过渡区段310，其中，假设围绕中心303的逆时针行进方向，从中心的半径增加到弧形区段312，该弧形区段312可具有大于半圆302的半径的半径。在第一过渡区域310中，每个辐条元件的自由端被控制成延伸，从而将长度从最小距离增加到最大距离。最大距离区域312与半圆302的最小距离区域直接相对。在最大距离区域312中，辐条元件被控制成使得它们的自由端与中心303相距最大距离。也就是说，当辐条元件旋转通过最大距离区域时，它们的自由端是恒定的并且处于最大延伸或距离。第一过渡区段310在最大和最小距离区域(例如312和302)的第一侧，并延伸通过第一象限307的一部分，例如与水平轴线304成大约60度。最大距离区域312可以沿着其长度(约60度旋转或在竖直轴线301的任一侧上有约30度)具有恒定半径。在一些实施例中，最大距离区段312可以具有距中心303的变化距离，在顶部316处具有距中心303的峰值半径。第二过渡区段314在最大和最小距离区域的第二侧。在第二过渡区域314中，辐条元件的自由端被控制成从最大距离减小到最小距离。第二过渡区域314可以被限定为围绕中心303覆盖约60度旋转。因此，当永磁体208旋转时，它们根据它们相对于中心303的位置(例如它们的距离)而经受不同大小的向心力，并且向心力与它们距中心303的距离和旋转速度成比例。当磁性元件210，212沿着偏心旋转路径设置时，力被传递到那些磁性元件210，212。如这里可以看到的，旋转路径关于“y”轴316对称，并且关于“x”轴304不对称，从而导致辐条元件的自由端的偏心旋转路径。当转台旋转时，各个区域限定在围绕中心303的固定位置。

图4是根据一些实施例的围绕偏心路径旋转的质量块所经受的力的图表400。特别地，该路径可以是图2和图3所示的路径。图表400示出了水平轴线402和竖直轴线404。水平轴线表示旋转角度，而竖直轴线404表示由旋转产生的力的相对大小。该图表具有对应于图3的四个象限的四个象限。因此，在第三和第四象限中，沿着半圆，因为半径是恒定的，所以作用在沿着半圆旋转的质量块上的力是恒定的，如线408所示。力的大小由离水平轴线402的距离表示。水平轴线402的侧面(上方或下方)并不重要，因为所有向心力都是径向的。图表400将第一和第二象限(水平轴线402上方)中的力与第三和第四象限(水平轴线402下方)中的力分开。在第一和第二象限中，沿路径300旋转的质量块所经受的向心力由线410表示，该向心力变化是因为质量块(例如永磁体208)距旋转中心的径向距离在这些象限中变化，并且在由竖直线406表示的大约90度处具有峰值412。可以看出，产生了力差。除了偏心率相对于周围环境是固定的并且旋转的质量块沿着偏心路径移动之外，该效果与由绕轴线旋转的偏心凸轮产生的效果不同。由向心作用产生的力传递到磁性元件210，212，所述磁性元件固定在围绕路径和转台的结构上，并且转台202安装在该结构上。由永磁体208沿着偏心路径旋转产生的力可以在每个磁性元件210，212处使用例如应变仪来测量，以展示在偏心路径周围的不同位置处施加的不同力。

在图2的实施例中，示出了布置成四个相对对的八个辐条元件206。图9示出了一个相对对的辐条元件206的示例。第一辐条元件900示出为处于延伸构型，而相对的第二辐条元件902处于收缩构型。第一辐条元件900可以例如处于偏心路径的+90°位置(例如图3的316)，并且第二辐条元件因此处于偏心路径的-90°位置(例如图3的318)。第一辐条元件900包括基部区段906、中间伸缩区段908和远端伸缩区段910。在远端伸缩区段910的远端是永磁体912。同样地，第二辐条元件902包括基部区段914，其中，中间区段完全收缩(并且未示出)到基部区段914中，并且远端区段916大部分(如果未完全)收缩到基部区段914中。远端区段916在此部分地示出仅用于指示其存在，而未示出该区段在实际操作中的确切位置。在远端区段916的远端是永磁体918。第一辐条元件900布置成围绕旋转轴线904与第二辐条元件902相对。辐条元件900，902两者沿着从旋转轴线904向外延伸的相对径向线布置。围绕旋转轴线904的旋转发生在附图的平面中，并且以角速度ω发生。给定辐条元件900，902相对于偏心路径的位置，第一辐条元件900完全延伸并且将永磁体912放置在距旋转轴线904达距离920处。第二辐条元件902完全收缩并将永磁体918放置在距旋转轴线904达距离922处，其中，距离920显著大于距离922。由于这两个永磁体912，918都以相同的角速度移动，并且假设永磁体912，918具有相同的质量，在旋转期间，作用在永磁体912上的力924将大于作用在永磁体918上的力926。结果，从旋转轴线904的角度看，净力将在第一辐条元件900的方向上。

图10示出了以相对对的方式布置的八个辐条元件的布置，该布置可以投影到图3的偏心路径上。因此，径向线1008上的位置1002处的辐条元件与径向线1006上的位置1004处的辐条元件相对。径向线1014上的位置1010处的辐条元件与径向线1016上的位置1012处的辐条元件相对。径向线1022上的位置1018处的辐条元件与径向线1024上的位置1020处的辐条元件相对。径向线1030上的位置1026处的辐条元件与径向线1032上的位置1028处的辐条元件相对。每个辐条元件是在其远端具有永磁体208的伸缩式辐条元件，并且所有永磁体具有基本相同的质量。位置1004，1012，1020，1026和1028处的辐条元件都处于其完全收缩(最短)构型。假设图10中所示的视图是辐条元件围绕旋转轴线1034旋转期间的时刻，所有永磁体208将经受向心力，该向心力导致永磁体遵循偏心路径。作用在每个永磁体上的力的矢量随着该永磁体移动而在方向和大小方面改变。在图1的现有技术布置中，通过辐条102的臂拉动质量块104而提供力。

在图2的本发明的布置中，如在图10中也示出的，力由辐条元件上的永磁质量块与围绕偏心路径定位的磁性元件之间的磁性排斥提供。图2的设备在适当的参考系内示出了在偏心旋转路径上如何发生净力不平衡。例如，在位置1026和1028处，相对的辐条元件完全收缩，或者以其他方式处于如下构型，使得辐条元件的端部处的质量块与旋转轴线1034等距。结果，作用在这些位置处的质量块(即永磁体)上的力相等且相反，彼此抵消。在位置1010和1012处，同样在位置1018和1020处，位置1010和1018处的质量块比它们在位置1012和1020处的相对质量块离旋转轴线1034更远。结果，作用在位置1010和1018处的质量块上的力大于作用在位置1012和1020处的质量块上的力。尽管这些力将沿着相应的径向线1014，1022和1016，1024被引导，但是这些力可以被分解为沿着穿过旋转轴线1034的垂直轴线的分量：“y”轴穿过位置1002和1004，并且垂直的“x”穿过位置1026和1028。由于位置1010，1018处的力大于位置1012，1020处的力，因此存在沿“y”轴的净力。除了在位置1002，1004处的质量块此时在“x”轴上没有力分量，在位置1002和1004处的这些质量块同样如此，仅有沿“y”轴的净力。当辐条元件沿着偏心路径旋转时，总是存在相对于旋转轴线1034的力差，该力差具有沿着“y”轴定位的净力偏移。例如，可以在磁性元件210，212中的每一个处测量这些力，并进行比较，以证明相对于旋转轴线沿偏心或偏移路径旋转相对质量块的效果。当然，这假定磁性元件210，212相对于旋转轴线和转台202固定就位。这意味着保持转台202的结构固定到保持磁性元件的结构。如本文所述，“净力”是相对于旋转的质量块而言的。当然，在整个系统中会出现其他反作用力。

图5是根据一些实施例的用于产生差动向心力的设备500的俯视平面图。该设备基本上类似于图2所示的设备，并且可以与图2所示的设备相同，在此示出了附加特征。图6示出了沿线A-A截取的设备500的侧剖视图，图7示出了沿线B-B截取的设备500的侧剖视图。如图6和图7所示，设备500包括处于堆叠关系的上部元件和下部元件。即，例如，在图5中示出了辐条元件206的情况下，如可以看到的，上部和下部的相同元件处于镜像关系。

在远侧区段的远端处，除了永磁体208之外，还存在抵靠围绕偏心路径的壁506或轨道的滚子502。滚子502安装在线性轴承503上，该线性轴承503抵靠安装在辐条元件206的远端区段211中的另一个线性轴承滑动。滚子502和线性轴承503联接到弹簧504，弹簧504安装到中间区段209上的固定支架505。当辐条元件206的永磁体208在旋转期间经过离散磁性元件210，212时，滚子502和弹簧504减轻振动。永磁体208沿着外表面(从旋转轴线204面向外)的形状是凸形的或弓形的，以进一步减轻振动并且允许在偏心路径的过渡区段(例如310，314)中的间隙。如果磁性元件210，212失效，或者如果转台202的角速度不在最佳范围内，滚子502还可以帮助引导永磁体。此外，可以看出，有导线508为电磁体212供电/激活。

在图6和图7中示出了两个侧剖视图。图6示出了沿线A-A观察时的设备500，图7示出了沿线B-B观察时的设备500。因此，在图6中，辐条元件206示出为分别在+90°和-90°位置处完全延伸和完全收缩。有一组顶部辐条元件和一组底部辐条元件，如这里所示，它们可以对齐，或它们可以偏移。在图7中，两个辐条元件206示出为当它们处于0°和180°位置时完全收缩。马达602设置在托架603上并驱动驱动轴604，该驱动轴具有限定旋转轴线204的轴线。驱动轴604直接或间接地联接到转台202，以相应地使转台和辐条元件旋转。托架603安装在上框架构件606上，该上框架构件606可以覆盖设备500的顶部并且形成上部结构部分。围绕上框架构件606的外周边，例如用螺栓附接有上侧壁区段616。上侧壁区段安装在中间侧壁区段618的顶部上，在该中间侧壁区段中设置有磁性元件210，212。中间侧壁区段618又安装在下侧壁区段614的顶部上，该下侧壁区段安装在下框架构件608上，该下框架构件水平延伸跨过设备500的底部并且可以进一步安装在固定装置上。

转台202联接到每个辐条元件206的固定区段207。转台202将设备500的上部与下部分开。转台202上方的上部和转台202下方的下部都具有多个辐条元件206和多个磁性元件210，212，辐条元件206在其远端具有永磁体208，磁性元件210，212围绕旋转轴线204围绕偏心路径布置。在本示例中，上部和下部中的辐条元件在数量上相同，在位置上(竖直地)对应，并且具有相同的尺寸。因此，上部和下部的辐条元件206在转台202的上方和下方相对于彼此以镜像配置布置。中间侧壁区段616保持上和下组磁性元件210，212，所述上和下组磁性元件210，212布置成与相应的上和下辐条元件206的永磁体208处于相同的高度。滚子502分别抵靠上侧壁区段616和下侧壁区段614的内竖直壁。

辐条元件206的固定区段207除了联接至转台202之外，还在其相对侧联接至轴承接口构件；上部中的辐条元件206联接至上轴承接口构件622，而下部中的辐条元件206联接至下轴承接口构件626。上轴承接口构件622还联接到上转台轴承610，上转台轴承610联接到上框架构件606。驱动轴604穿过上转台轴承610的中心。同样地，下轴承接口构件626还联接到下转台轴承612，下转台轴承612还联接到下框架构件608。上转台轴承610和下转台轴承612具有相对于彼此旋转的两个部分以及在这两个部分之间的滚子轴承界面，这是众所周知的。

驱动轴604延伸穿过转台组件，穿过下转台轴承612，到达配电器620，以转动电极元件，该电极元件将电流分配给每个电磁体212。因此，每组(上组和下组)辐条元件206具有电极，该电极与辐条元件一起转动并与串联的一系列电极中的每一个接触，该一系列电极中的每一个连接到电磁体212之一。图8示出了根据一些实施例的配电器620，其用于结合质量块沿偏心路径的运动来选择性地激励电磁体212，以抵消这些质量块的向心力。在视图800中，配电器620被示出为从转台202下方移除，以便更清楚地示出配电器620。由于存在八个辐条元件206，电极800具有八个臂，每个臂对应于辐条元件206中的一个(或上和下辐条元件对)。在电极800周围是具有单独的接触电刷的两个接触组801A和801B，每个接触电刷对应于电磁体212中的一个并且通过导线组802，804中的导线连接到其对应的电磁体。当每个电极臂经过接触电刷时，电极臂的远端与接触电刷接触，以瞬时完成电路并向对应的电磁体212提供电流。

电磁体212用在过渡区段310，314中，以当这些质量块208沿着与如图3中限定的第三和第四象限的弓形部分312或半圆302中的路径相比不理想的切向路径移动时随着每个永磁体质量块208经过每个相应的电磁体212而改变磁场强度。即，在区域302和312中，由于质量块208相对于中心204具有恒定的半径，质量块208相对于永磁体210主要切向地移动，但是在过渡区段310，314中，质量块208相对于中心204的半径变化。当质量块208向电磁体212之一移动时，则向电磁体212施加半正弦电流或矩形脉冲，以产生磁场，该磁场及时地具有磁通量以考虑质量块208的非切向移动，因为已经发现，当质量块208移动经过电磁体212时，在电磁体212的位置处的静磁场在质量块208中产生更多的振动。当质量块208与电磁体212直接对准(居中)时，提供给每个电磁体212的电流脉冲被定时为达到峰值。

因此，因为永磁体具有恒定磁通量的永磁场，所以电磁体用在过渡区段中。这样，如果永磁体用在过渡区段中的框架上，则框架磁体210和旋转质量块磁体208的磁场将彼此相互作用。这种相互作用将抵消由于在x轴之上和之下的区域之间的向心力差而产生的净增益，该向心力差由距旋转轴线的不同距离产生。由电磁体产生的磁场将仅在旋转质量块磁体面向(或垂直于)电磁体时被激活，并且一旦旋转质量块磁体不面向(或垂直于)电磁体，该磁场将被关闭。这种布置消除了抵消力，从而产生净增益。

图11示出了根据一些实施例的使用辐条元件的向心力差系统1100的俯视平面图，该辐条元件控制其自身长度。也就是说，在辐条元件的自由端自由移动的地方，不是使用在辐条元件的水平处设置在围绕转台1126的框架上的磁性元件来控制它们的长度，而是可以设想，可以等效地采用自调节辐条元件，例如线性推进器。这里，辐条元件1102，1108，1110，1112，1114，1116，1118和1120都是具有基座1106和沿直线移动的线性移动部分1104的线性推进器。每个辐条元件1102，1108，1110，1112，1114，1116，1118和1120的移动部分由安装在基座中的马达控制，该马达可操作成使移动部分在第一位置(例如最小距离或最小延伸)和第二位置(例如最大距离或延伸)之间移动。辐条元件1102，1108，1110，1112，1114，1116，1118和1120布置成使得每个辐条元件的移动部分沿着从中心1122延伸的径向线移动。当转台1126转动时(即，沿箭头1124的方向)，辐条元件1102，1108，1110，1112，1114，1116，1118和1120中的每一个控制它们各自的移动部分在最小距离位置和最大距离位置之间的延伸。如这里所示，辐条元件1112，1114，1116，1118和1120在最小距离区域中，因此这些辐条元件中的每一个的移动部分(例如自由端)缩回到相同的最小距离或最小延伸。辐条元件1102处于最大距离区域中并且完全延伸。辐条元件1108和1110分别位于第一和第二过渡区域中。因此，辐条元件1108的移动部分正从最小距离位置(当时它位于辐条元件1120所占据的位置)向外延伸到最大距离位置。同样，辐条元件1110的移动部分正从最大位置缩回到最小位置，使得当辐条元件1110到达当前示出的辐条元件1112的旋转点时，辐条元件1110将处于最小位置。

图12A和图12B分别示出根据一些实施例的用作辐条元件的处于最小和最大延伸状态的线性推进器1200。线性推进器1200包括：基座1202，其可安装到诸如转台的结构上；和移动部分1204，其具有自由端1208。移动部分以线性方式在基座1202内移动，并且可以位于基座1202中的轨道或其他引导结构上。马达1206用于将运动传递给移动部分1204，例如通过与衬套部分1204中的带齿轨道接合的链轮，使得链轮的旋转转换成移动部分1204的线性运动。线性推进器1200的示例可以是由ALLEN-BRADLEY公司制造并以名称LDAT SERIESINTEGRATED LINEAR THRUSTER销售的那些。在图12A中，线性推进器1200示出为处于缩回或最小距离构型，而在图12B中，线性推进器1200处于延伸位置。即，对于给定的应用，移动部分1204完全延伸，或至少处于最大延伸。多个线性推进器1200可以布置为如图11所示的辐条元件，并且被控制以通过旋转基于它们的位置延伸/缩回移动部分，使得每个线性推进器的自由端遵循图3的偏心路径。

因此，线性推进器的使用可以获得与在辐条元件上使用磁性元件和永磁体质量块类似的结果，如图1所示。线性推力电动机可以代替图1的伸缩式辐条元件，并且在致动臂的自由端具有静重。在这种布置中，线性推力电动机可以以与使用磁体的系统的辐条相同的方式布置。线性推力电动机可以是计算机控制的，使得它们的自由端遵循磁性系统中的偏心路径。在这种系统中，所有的力将被传递到旋转转台。在该系统中可以使用环形转矩电机，从而允许在中心旋转轴线处安装滑环所需的空间。滑环可用于传输操作线性推力电动机所需的电力和数据。该系统的优点在于，特别设计的推力电动机可用于在电动机处于施加向外的力的过渡象限(即，第一过渡区域)中时产生电力，并且在需要将质量块拉向旋转轴线的象限中(即，在第二过渡区域中)消耗电力。该系统仅需要旋转所需的功率，该功率理论上为零减去电和机械损耗。

因此，所公开的系统、设备和方法可用于产生基于向心力差的相对力偏移，以证明这些差如何影响系统以及如何使用它们。向心力差在系统的一部分中是明显的和可测量的，并且系统中的教育价值在于证明力的净效应。

所附权利要求旨在覆盖本发明的范围和精神内的所有修改和改变。

Claims (20)

1.一种用于产生向心力差的系统，该系统包括：

转台，该转台限定平面并具有中心，其中，所述转台围绕所述中心旋转，使得穿过所述中心的旋转轴线垂直于由所述转台限定的所述平面；

多个辐条元件，所述多个辐条元件围绕所述旋转轴线径向地并且对称地布置在所述转台上，所述多个辐条元件中的每一个具有邻近所述转台的中心的固定端和与该固定端相对的自由端，其中，所述自由端能在最小径向距离与最大径向距离之间移动，

其中，围绕所述转台的区域被限定成：

最小径向距离区域，在该最小径向距离区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述最小径向距离区域时，该辐条元件的自由端被控制在所述最小径向距离处；

最大径向距离区域，该最大径向距离区域相对于所述转台的中心与所述最小径向距离区域相对，并且在该最大径向距离区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述最大径向距离区域时，该辐条元件的自由端被控制在所述最大径向距离处；

第一过渡区域，该第一过渡区域在第一侧位于所述最小径向距离区域与所述最大径向距离区域之间，在该第一过渡区域中，当所述多个辐条元件中的每一个穿过所述第一过渡区域时，该辐条元件的自由端被控制为从所述最小径向距离过渡到所述最大径向距离；

第二过渡区域，该第二过渡区域在第二侧位于所述最小径向距离区域与所述最大径向距离区域之间，在该第二过渡区域中，当所述多个辐条元件中的每一个辐条元件穿过所述第二过渡区域时并且紧接在穿过所述最大径向距离区域之后，该辐条元件的自由端被控制成从所述最大径向距离过渡到所述最小径向距离；以及马达，该马达在所述旋转轴线上连接到所述转台，所述马达被配置成旋转所述转台和所述多个辐条元件，其中，每个辐条元件能操作成当该辐条元件随着所述转台的每次旋转而旋转通过所述最小径向距离区域、所述第一过渡区域、所述最大径向距离区域和所述第二过渡区域时调节该辐条元件的长度。

2.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括：

多个磁性元件，所述多个磁性元件围绕所述最小径向距离区域、所述最大径向距离区域、所述第一过渡区域和所述第二过渡区域设置在框架上；并且

所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括永磁体，并且其中，所述永磁体的磁场与每个磁性元件的磁场相反，使得所述多个辐条元件中的每一个的自由端处的永磁体之间的磁排斥被选择为控制所述多个辐条元件中的每一个的长度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中：

在所述最小径向距离区域和所述最大径向距离区域中的所述磁性元件是永磁体；并且

在所述第一过渡区域和所述第二过渡区域中的所述磁性元件是电磁体，该系统还包括配电器，该配电器与所述转台的旋转同步地向每个电磁体提供电流脉冲。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个辐条元件中的每一个包括线性推进器，该线性推进器操作成当所述转台旋转时移动该辐条元件的自由端。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个辐条元件包括在所述转台的顶部上的一组顶部辐条元件和在所述转台的底部上的一组底部辐条元件。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个辐条元件包括四对相对的辐条元件。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括滚子，该滚子接合围绕所述转台的框架的框架边缘。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述滚子安装在联接到所述辐条元件的弹簧上。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个辐条元件中的每一个是具有多个伸缩区段的伸缩式辐条元件。

10.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括围绕所述转台的框架，所述框架具有上框架构件、下框架构件和在所述上框架构件与所述下框架构件之间的中间侧壁区段，所述转台安装在所述上框架构件与所述下框架构件之间。

11.一种用于产生相对向心力差的设备，该设备包括：

转台，该转台在平面中围绕所述转台的中心旋转；

多个辐条元件，所述多个辐条元件安装在所述转台上，所述多个辐条元件围绕所述转台的中心以相对对的方式布置，所述多个辐条元件中的每一个具有邻近所述转台的中心的固定端和沿从所述转台的中心开始的径向线与所述固定端相对的自由端，其中，所述自由端能相对于所述固定端沿所述径向线在至少最小距离与最大距离之间移动；

马达，该马达联接到所述转台以旋转所述转台；

其中，当所述转台旋转时，所述多个辐条元件中的每一个的长度被控制为：

在该辐条元件穿过围绕所述转台的最小距离区域的同时处于所述最小距离，其中，所述最小距离区域被限定为在围绕所述转台的区域中覆盖所述转台的约180度旋转；

在该辐条元件穿过与所述最小距离区域直接相对的最大距离区域的同时处于所述最大距离，所述最大距离区域被限定为覆盖约60度旋转；

在该辐条元件穿过第一过渡区域时从所述最小距离增加到所述最大距离，所述第一过渡区域被限定为在所述转台的第一侧在所述最小距离区域与所述最大距离区域之间覆盖约60度旋转；以及

在该辐条元件穿过第二过渡区域时从所述最大距离减小到所述最小距离，所述第二过渡区域被限定为在所述转台的第二侧在所述最大距离区域与所述最小距离区域之间覆盖约60度旋转。

12.根据权利要求11所述的设备，该设备还包括：

多个磁性元件，所述多个磁性元件围绕所述最小距离区域、所述最大距离区域、所述第一过渡区域和所述第二过渡区域设置在框架上；并且

所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括永磁体，并且其中，所述永磁体的磁场与每个磁性元件的磁场相反，使得所述多个辐条元件中的每一个的自由端处的永磁体之间的磁排斥被选择为控制所述多个辐条元件中的每一个的长度。

13.根据权利要求12所述的设备，其中：

在所述最小距离区域和所述最大距离区域中的所述磁性元件是永磁体；并且

在所述第一过渡区域和所述第二过渡区域中的所述磁性元件是电磁体，该设备还包括配电器，该配电器与所述转台的旋转同步地向每个电磁体提供电流脉冲。

14.根据权利要求11所述的设备，其中，每个辐条元件包括线性推进器，该线性推进器操作成当所述转台旋转时移动该辐条元件的自由端。

15.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个辐条元件包括在所述转台的顶部上的一组顶部辐条元件和在所述转台的底部上的一组底部辐条元件。

16.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个辐条元件包括四对相对的辐条元件。

17.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个辐条元件中的每一个在所述自由端处包括滚子，该滚子接合围绕所述转台的框架的框架边缘。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述滚子安装在联接到所述辐条元件的弹簧上。

19.根据权利要求11所述的设备，其中，所述多个辐条元件中的每一个是具有多个伸缩区段的伸缩式辐条元件。

20.一种产生向心力差的方法，该方法包括：

提供能够围绕中心旋转的转台、安装在该转台上的多个辐条元件，所述多个辐条元件围绕所述中心以相对对的方式布置，所述多个辐条元件中的每一个是能伸缩的，并且具有邻近所述中心安装在所述转台上的固定端和沿从所述中心开始的径向线与所述固定端相对的自由端，该自由端能在最小距离与最大距离之间移动；

围绕所述转台限定围绕所述中心的多个旋转区域，所述旋转区域包括：最小距离区域，该最小距离区域被限定为围绕所述中心覆盖约180度；与所述最小距离区域直接相对的最大距离区域，该最大距离区域被限定为围绕所述中心覆盖约60度；第一过渡区域，该第一过渡区域被限定为在所述最小距离区域和所述最大距离区域的第一侧在所述最小距离区域与所述最大距离区域之间覆盖约60度；以及第二过渡区域，该第二过渡区域被限定为在所述最小距离区域和所述最大距离区域的第二侧在所述最大距离区域与所述最小距离区域之间覆盖约60度；

旋转所述转台；并且

在旋转所述转台的同时，控制所述多个辐条元件中的每一个，使得所述多个辐条元件中的每一个的自由端：

当该辐条元件旋转通过所述最小距离区域时，处于所述最小距离处；

当该辐条元件旋转通过所述第一过渡区域时，从所述最小距离增加到所述最大距离；

当所述辐条元件旋转通过所述最大距离区域时，处于所述最大距离处；并且

当所述辐条元件旋转通过所述第二过渡区域时，从所述最大距离减小到所述最小距离。