CN1325176A - 永磁势垒悬浮法及所制的浮碟与地球仪 - Google Patents

Abstract

永磁势垒悬浮法及所制造的浮碟与地球仪,属机械类磁应用技术领域。本发明可在不使用能源及不借助任何支点的条件下,仅以磁势垒约束方式来获得稳定平衡条件。如将悬体部件制成碟状(UFO造型),球状(地球造型),即是一个高档实用的工艺品,也能激发人们对宇宙空间的联想及对科学兴趣的启迪,可被广泛使用于民用,装饰,收藏、公益设施等场所。

Description

永磁势垒悬浮法及所制的浮碟与地球仪

本发明属机械类磁应用技术领域。

用磁力来悬浮物体已被用于许多场合、但现有的悬浮方法无法满足本发明结构的实际回转要求。有UFO外型的碟状结构及地球仪外型的球状结构都需要一根中垂的或略微偏斜的转轴，该转轴基本与重力方向一致。

本发明的目的就在于；

为解决已有技术的不足之处，用永磁势垒悬浮法来悬浮物体，所制成的浮碟(UFO)及地球仪，不但能被势垒基座稳定的浮起，又能绕垂向及偏斜垂向的转轴旋转，与实际效果情况相符。

本发明的特点是；

被悬浮时不需能源，浮起的高度大，平衡稳定性好，结构简单、效果逼真。

本发明的技术关键是；

在浮体(内含势垒浮体构件)与基座(内含势垒基座构件)的周边处，利用多个等效磁偶极子的同极性端附近处的永磁势垒来约束另一个磁偶极子的同极性端，产生的排斥力被用来抵抗重力，在浮体及底坐的中心点处所设置有磁偶极子(所谓磁偶极子是指：一个磁铁如果沿磁化方向的长度比沿与磁化垂直方向的长度大许多时，可被看作为磁偶极子，其场的特性与电偶极子类似)，两者的N极端及S极端相对，使其相吸，以维持综合平衡。在重力，重力矩，磁力，磁力矩，的共同作用下；任何方向及任何方位的有限偏移及转动(非轴向)，浮体都能在磁力及磁力矩，重力及重力矩的综合作用下被恢复到平衡位置。

其核心内容详述为：势垒基座向势垒浮体部分产生综合拆力；与重力场抗衡，而使势垒浮体稳定悬浮于空中；在势垒基坐及势垒浮体内的永磁部件的外形是一些柱面状及柱状的沿轴向磁化的永磁体；柱状永磁体位于柱面状永磁体的中心区域且与柱面状永磁体的中心轴的取向一致；势垒浮体及势垒基座中的多个柱面状永磁体是相互排斥状态，而中心区域的柱状永磁体则是相互吸引的；在永磁体的顶端可加有导磁介质用以集中磁力；势垒基座内的柱面状永磁体与势垒浮体中的柱面状永磁体同极相对，产生斥力而抵抗重力；势垒基座中心区的柱状永磁体与势垒浮体中心区的柱状永磁体异极相对，相互吸引而起到水平平衡的作用；使势垒浮体稳定浮于势垒基坐的上方。

另外在势垒浮体中安装有电机及惯性转轮，太阳能电池板，在角动量守恒定律的支配下，势垒浮体会反方向旋转。

以下结合附图就本发明的几个较佳实施例对本发明作进一步说明：

[图一]永磁势垒悬浮法原理示意图。

[图二]偏离平衡位置状态下的恢复力及力矩简图。

[图三]应用永磁势垒悬浮法所制的浮碟。

[图四]应用永磁势垒法所制的地球仪结构示意图。(垂轴式)

[图五]一种斜轴方式地球仪原理结构示意图。(斜轴式)

如[图一]所示：(1)、(2)为势垒浮体中的永磁部件，它们之间是刚性联接的(图中画出的联接部件是一些非磁性的固体添充材料)。(3)、(4)、(5)为势垒基座内的永磁部件，它们之间也是刚性联接的，实际上，3个永磁场柱面也可以是缺损柱面，或者是略微不规则的柱面，其结果是造成势垒浮体绕轴回转的卡滞。由于永磁柱体及柱面体都是轴向磁化，且有足够大的长度与壁厚的比值，因而从截面的形状(10)可以看出，一个狭长截面磁条所产生的磁力，从作用效果上来看，等效于一个磁偶极子(6)的作用效果。磁偶极子磁场的特点与电偶极子的电场分布特点相同，N、S磁极(可被看成等效磁荷)相当于正、负电荷的作用特点。

势垒浮体中的柱面状永磁体刚好处在势垒基座中的柱面状永磁体的上方的区域上，较近区域的表面磁荷之间的作用力最大，因而势垒浮体中的柱面状永磁体相当于处在下方的势垒基座中2个柱面状永磁体所形成的磁势场中，即磁势垒中，(11)为磁势垒曲线，中间存在势垒低谷。

因而浮体受到Y方向(垂向)的永磁托力：

F_y=η(y²+a²)^-3/2(η为常数，a为柱面间距)

Y轴方向获得稳定平衡的条件应是： $\frac{\mathrm{dFy}}{\mathrm{dy}}\≤0$

得Y≥a

因而永磁浮体获得垂向恢复力的条件为：Y≥a，当有少量垂向位移时，永磁力能平衡重力而恢复到原有位置。

*势垒基座与势垒浮体的位置对调其平衡条件不变。

*构成磁势垒约束条件的柱面状永磁体可以是多组(每组3个)，各组之间基本同轴。(7)为电动机，(8)为电机轴，当电动机带动惯性轮(8)转动时，与电机固为一体的势垒浮体将反向旋转。(角动量守衡)

如[图二]所示：当外界就动使势垒浮体部分偏离原来的平衡位置，产生ΔW的角位移及ΔX的平动位移(一定限量的)，此时将产生如下作作用力的改变量；(SNN NNNNN分别代表势垒浮体及势垒基坐中相互对峙的磁偶极子的磁极端)

1、F₁磁力的减少量(等效于反方向增加，重力产生余量)(向下)

2、F₂磁力的增加量(向下)

3、ΔF₃偏移磁力所产生的水平分力(与位移相反)

4、ΔF1；ΔF₂为偏移后永磁柱面所产生的额外小平分力(与位ΔX的方向相同)

扰动后的恢复方式：

1、F₁,F₂,F₃的力矩方向都与产生的角位移的方向相反，起恢复作用。

2、水平位移ΔX的恢复，取决于下述合力的结果：

F=ΔF₃-(ΔF₁+ΔF₂)＞0

上式也正是本发明结构特点的精华，在微小的平移ΔX的扰动下ΔF₁,ΔF₂要比ΔF₃小一个数量级以上。

因而任何方向及角度上的偏移，所产生的恢复力及恢复力矩都将使势垒浮体的偏移消除。

*如果将势垒浮体与势垒基座的结构对调，也不会破坏该平衡条件，可视具体情况灵活变动。

如[图三]所示：本图为局剖视图，(31)为浮体部分，(32)为基座，(33),(34),(35)为柱面状永磁体，其相对的端是同极端，呈排斥状态；(36)为碟形装饰物，(37)为永磁体的断面，(38)为势垒函数曲线。其相对的端是异性极性端，呈相互吸引状态；(38)为电动机，(39)为惯性转轮，当电机带动惯性转轮(39)转动时，由于转动反冲力矩的作用，浮体内的其它部分将沿惯性转轮(39)的反方向转动，转动角速度将反比于它们各自转动惯量的比值，如果在浮体的表面加上太阳能电池板，当光照射时即可使之产生电能来驱动电机，将带来更大的趣味性。

如[图四]所示：外壳装饰壳体是否被制成UFO外形的飞碟状还是被制成地球仪外形，其核心结构是没有本质上的区别的，只是外壳形状有所差异罢了。对于浮碟来说；基座为势垒基座；蝶体内安置有势垒浮体作为载体(也可一体化)；碟体内还内装置有电动机所带动的惯性转轮；在碟体表面安装有太阳能电池及发光灯。对于地球仪来说；由基座(40)及球壳体(42)组成，基座(40)也为势垒基坐；球壳体内安置有势垒浮体(41)作为载体(也可一体化)；球壳体内装置有电动机及电动机所带动的惯性转轮；球壳体表面上可以安装有太阳能电池及发光灯。

根据[图二]的图示及有关计算所给出的平衡条件，我们可以看出，基本平衡条件应是：

1势垒基座内2个同轴永磁柱面的半径差值应小于势垒浮体中永磁柱面的端口到基座表面距离的2倍。

2势垒浮体与势垒基座内的2个柱状永磁体的相对的两端应是相互吸引的，其磁力的大小在相对数值上与永磁柱面之间的排斥力相比应在同一个数量级上。

3永磁柱面及柱体应具有独够的长度，才能获稳定的平衡条件。(其相对长度应是它们之间距离的2倍以上)。

*需要说明一点：如果将基坐及浮体的内在结构对调(浮体中有2个永磁柱面，基座内有1个永磁柱面)，其浮起的力学特征应是不变的。

*如果想产生更大的升力，也可以在浮子及基座内装有更多的组柱面状永磁体。

*基座及浮体内的永磁柱面体及永磁柱状体之间的固定方式应是刚性的，也可选用一些轻质材料及轻质联接件，因为这些轻质材料不参与磁力间的相互作用，因而末被画出。

如[图五]所示：该结构只需略微改变基座的结构状态，而且为简单的括朴变化。

(50)；(51)；(52)分别为椭圆柱面状永磁体，而且(51),(52)的椭圆中心不重合，而同一永磁柱面不同位置的壁厚也不一样，拄面之间的间距较大处的柱面壁厚较厚，如(55),(56)处。而拄面之间的间距较小处的柱面壁厚较薄，如(53),(54)处。

对应较厚壁厚的永磁椭圆柱面处，有着较强的磁场，相应的排斥力(对浮体)也大；对应着较薄的壁厚的永磁椭圆柱面处，有着相对较弱的磁场，相应的排斥力(对浮体)也小。

因而球状浮体将呈倾斜状态(回转对称轴倾斜且在适当的选择参数后，可获得稳定平衡；而浮体绕其对称轴旋转时又不能破坏其动平衡，而倾斜轴的转动状态更逼真于地球在宇宙空间的自然状态。

另外一种可行结构是：在中心区有2组或2组以上相对应的柱状永磁体，它们分别被置于势垒基座及势垒浮体内靠近中心轴附近的区域内，彼此相互吸引，由于力场势垒的因素，当势垒浮体绕其对称轴转动时将克服阻力屏障，因而势垒浮子不再能相对于势垒基座无势垒自由旋转；此种方式可以用于制作球形壳体与势垒浮体分立的地球仪，这样可在不失去回转平衡的条件下，将地球仪的轴的倾斜度任意选取，易做到22的斜轴角度。地球仪的壳体即可由壳体内的电机驱动，也可以由势垒基坐内的电磁线圈的交变电磁场驱动(事实上是驱动壳体上的永磁磁条)

该结构的优点：势垒浮体中的永磁部件可以是轴对称的，在设计上比较方便。

在上述地球仪及浮碟中，所述的载体，既可以是与球体的球壳及碟体的碟壳一体化也可以绕公共轴相互转动，该公共轴也正是它们共同的回转对称轴。

另外，本发明中的所有永磁体的端区都可以加装用高磁导率材料所制成的磁帽，来改善场的分布，有利于平衡设计。

为使浮碟及地球仪的效果更逼真，可在其上增设一些表征城镇的发光灯，加之地球仪表面上的立体状突起的地形，板块断裂处的发光条带，能给人们的视觉带来强烈的振撼------对浩瀚宇宙的敬畏！

Claims (7)

1、永磁势垒悬浮法；由势垒基座及势垒浮体部分组成，势垒基座向势垒浮体部分产生综合拆力；与重力场抗衡，而使势垒浮体稳定悬浮于空中；其特征就在于；在势垒浮体中安装有电机及惯性转轮，太阳能电池板；势垒基坐及势垒浮体内的永磁部件的外形是一些柱面状及柱状的轴向磁化的永磁体；柱状永磁体位于柱面状永磁体的中心区域且与柱面状永磁体的中心轴的取向一致；势垒浮体及势垒基座中的柱面状永磁体是相互排斥状态，而中心区域的柱状永磁体则是相互吸引的；在永磁体的顶端可加有导磁介质；势垒基座内的柱面状永磁体与势垒浮体中的柱面状永磁体同极相对，产生斥力而抵抗重力；势垒基座中心区的柱状永磁体与势垒浮体中心区的柱状永磁体异极相对，相互吸引而起到综合平衡的作用；使势垒浮体稳定浮于势垒基坐的上方。

2、如权利要求1所述方法；其特征就在于，所述惯性转轮，由电机驱动，惯性转轮的转轴与势垒浮体的回转对称轴重合。

3、如权利要求1所述方法，其特征就在于，所述的柱面状永磁体，可以是标准柱面状永磁体；斜口柱面状永磁体；壁厚不均匀柱面状永磁体。

4、如权利要求1所述方法，其特征就在于，所述的柱状永磁体；即可以是圆柱状也可以是椭圆拄状永磁体；势垒基座中的永磁柱体即可以是正心放置也可以是偏心放置。

5、势垒悬浮法所制成的浮碟；由基座及碟体组成，其特征就在于，基座为势垒基座；蝶体内安置有势垒浮体作为载体；碟体内还内装置有电动机所带动的惯性转轮；在碟体表面安装有太阳能电池及发光灯。

6、势垒悬浮法所制成的地球仪；由基座及球体组成，其特征就在于，基座为势垒基坐；球体内安置有势垒浮体作为载体；球体内装置有电动机及电动机所带动的惯性转轮；碟体表面安装有术阳能电池及发光灯。

7、如权利要求5,6所述的地球仪及浮碟，其特征就在于所述的载体，既可以与球体的球壳及碟体的碟壳一体化也可以绕公共轴相互转动。

Images