CN1679069A - 用流体悬浮的自旋转体和方法 - Google Patents
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Abstract
在显示设备中,其中运动物体浸入填充透明密封容器(72)的流体中且通过内部电机构来旋转,电机构从光电池(128)获得功率和它的反转矩来自内部罗盘(140),所述流体的折射率通过添加水来调节,以匹配容器材料的折射率。所述流体的方案也适合于最小化被吸收入容器中的周围水分。在电动自旋机构的实施例中,磁铁作为用于马达的偏置罗盘和磁场发生器。在自旋机构的第二实施例中,定子通过多极环形磁铁(120)构成,多极环形磁铁(120)没有与偏置罗盘磁铁(140)的操作相抵触。电动自旋机构中的多个线圈被通过分环和电刷换向器(92)激励,分环和电刷换向器(92)将机构轴(122)当做导体。
Description
技术领域
本发明涉及自动启动和自驱动的显示设备,特别涉及由辐射能驱动的自旋球体。
背景技术
移动时没有明显的支撑、驱动机构、或者功率输入的各种类型的新颖结构通常用作玩具、装饰风俗画或者广告媒体。这种结构的各种实施例已在如下的专利中公开:Huang等人的美国专利No.5,435,086,Hirose Mamoru的日本专利Nos.10137451、101431101和10171383,Taragi Hiroshi的日本专利Nos.7210081,7219426和7239652和德国专利Nos.DE19706736 Fushoellier、DE3725723 Steinbrinck和DE41377175Lang。最近的实施例完全没有外部连接。如果它们没有牢固地固定至外部支撑物,则它们需要复杂而笨重的产生反转矩的机构,例如风扇叶或者其他内部笨重而复杂的系统,其耗费大量的电力。
产生反转矩的机构及其支撑物对于观察者很明显,且对环境能量场没有创造任何利益或增值。
美国专利No.4,419,283公开了使用两种或更多种不互溶流体的组合来通过浮力支撑小物体。这些专利未解决由于容器的扩展而导致出现气泡和由于吸收周围水汽而导致的过度内部压力所引起的问题。
本发明试图设计吸引人的和教育性的移动结构,其需要极低的从由电磁辐射的周围场所得到的功率,以及避免在一些显示设备的支撑流体中产生气泡以及由于过度内部压力而导致容器变形。
发明内容
本发明的主要及次要目的是提供最简单的和具有最小功率需求的旋转显示设备,其能够在极长的时间内工作,没有任何可看见的驱动机构、功率输入或支承轴承(support bearing),而且其可以适合于用作玩具、广告媒体、新产品、或远程空间或水下装置的自动元件。
在本发明的优选实施例中,这些及其他重要的目的通过漂浮在透明密封容器内的大量流体中自旋的密封且中空的物体来实现。容器是悬浮或者相反通过三脚架或其他类似的结构支撑。内部驱动机构被固定,换言之,内部驱动机构通过与地球磁场或另一人为磁场相互作用来产生旋转力或由其偏置。用于马达或电磁体的功率通过利用光电池来收集照射到外壳上的光波而获得。
公开了用于选择性地及顺序地启动该电磁体的各种换向机构。
本发明的优选实施例作为漂浮在空间种且以稳定的方式永远自旋的行星地球的复制品。
支撑外壳的流体是设定为抵抗吸收周围水汽的液体的组合。
驱动机构是紧凑的且独立的,即设置在物体内,如果不是容器的话。
附图说明
图1a是本发明优选实施例的侧面剖面图;
图1b是其顶视图;
图2是第一替换实施例的侧面剖面图;
图3是第二替换实施例的侧面剖面图;
图4a是第二替换实施例的驱动机构的展开侧面剖面图;
图4b是第二替换实施例的驱动机构的顶剖面图;
图5是第三替换实施例的侧面剖面图;
图6a是第四替换实施例的侧面剖面图;
图6b是其顶视图;
图7a是第五替换实施例的侧面剖面图;
图7b是其顶视图;
图8a是第六替换实施例的侧面剖面图;
图8b是其顶视图;
图9是第七替换实施例的侧面剖面图;
图10是个图表,示出了与空气中的水汽平衡的丙二醇/水混合物中所需的丙二醇的重量百分数,与空气的相对湿度有密切的关系;
图11是个图表,示出了二醇和水的各种混合物的折射率,与混合物中的二醇的重量百分数有密切的关系;
图12美国各种城市在两年内的平均相对湿度的图表;
图13a是驱动机构的优选实施例的侧面剖视图;
图13b是其基本元件的顶视图;
图14a、14b和14c是用于所述机构的换向顺序的顶视图;
图15是所述机构的第一替换实施例的侧面剖面图;
图16是所述机构的第二替换实施例的侧面剖面图;
图17是所述机构的第三替换实施例的侧面剖面图;
图18a是所述机构的第四替换实施例的侧面剖面图;
图18b是用于第四替换实施例的换向器环和电刷的展开顶视图;
图18c是图18a的设备的线圈和换向片之间的连接的电学示意性视图;
图19a是用于图1的优选实施例的驱动机构的侧面剖面图;
图19b是马达顶部被移开的顶视图;
图20a是特定相对角度方向上的图19a的设备的马达磁铁和罗盘磁铁;
图20b是不同相对角度方向上的图19a的设备的马达磁铁和罗盘磁铁(compass magnet);
图21是图19a的驱动机构如何安装在球内的侧面剖面图;
图22a是相对于图1b的环形磁铁的特定启动方向上的图19b的电枢结构的顶视图;
图22b是图21a的分环组件(splitring assembly)和电刷的展开图;和
图23a、23b、23c、23d、25a和25b是当环形磁铁和电刷被驱动以逆时针方向旋转时,电枢结构和环形磁铁及电刷的相对角定向的连续动作。
具体实施方式
现在参考附图,在图1a和1b中示出,显示设备包括透明壳体2,透明壳体2包含漂浮在诸如NOPAR 12的较轻流体8和诸如丙二醇的较重流体10的界面6附近的球4。球4能够通过内部机构被驱动而旋转,如下所述,且优选地在其表面具有图形特征,例如地球的特征。较轻流体8和较重流体10不互溶且优选地均为透明。球4的密度设置为处于较轻流体8和较重流体10的密度之间,因此当没有与壳体2的顶部内表面12或底部内表面14的任何机械连接时,球4将漂浮。
外壳或壳体2显示为一个整体部件,但是它事实上由适合于围绕球4且粘合在一起的至少两个部分形成,优选地留出看不见的或者难以看见的粘合线3。例如,能够通过公知的溶剂粘合处理来将丙烯酸粘合在一起,且所得的粘合线很难以看到。如果壳体2由玻璃构成,则粘合能够使用具有与玻璃相近的折射率的普通粘合剂之一来形成,或者在将玻璃按压在一起之前,玻璃能够通过加热待粘合的表面以软化它们来粘合。可以使用低温粘合玻璃来允许进行低温处理。
优选地,较轻流体8和较重流体10的折射率在数值上足够近,使得观察者不能看到界面6。进一步优选地,壳体2材料的折射率可以大约与流体8和10的折射率相同,使得流体和壳体之间的界面不会被看到。进一步优选地,流体8及10和壳体2材料具有相当相近的透射属性,例如颜色和透明度,使得当相对于向下看视线B而向下看视线A时,观察者不能判别整个块的外观中的任何差异。优选地,球4和壳体2之间的空间完全装满流体,没有气泡,以使观察者完全不知道壳体不是实体块材料。
由于种种理由,流体组合是有利的,如果适当的水量与丙二醇混合,则两种流体在20℃下能够具有1.421的折射率。
在由俄亥俄州哥伦布的Plaskolite公司制造的Plaskolite Optix RAcrylic Sheet中,丙烯酸的折射率能够低到1.46。当这与对于流体的值不是相同时,足可以使流体-壳体界面很难被看到,特别是如果在设计壳体的总体形状时采用光学设计的公知原理。例如,所有的角落和边缘为圆弧且壳体制造得相当薄。光透射的程度有利地类似于流体组合和丙烯酸。
对NORPAR 12/丙二醇流体组合的折射率的较好匹配能够通过使意大利米兰的Ausimont S.p.A公司制造的Ausimont XPH-353含氟聚合物来实现,这种氟聚合物具有1.434的折射率。
图1b的顶视图示出了壳体2内的中央位置中的球4。当球4没有移动时,流体8和10、界面16上的壳体内部和球2的表面之间的表面张力能够使中央位置处于用于球4的平衡位置。例如,如果壳体2由丙烯酸构成,和较轻流体为NORPAR 12且较重流体为15%重量的水和85%重量的丙二醇的混合物,且如果球4由丙烯酸构成和涂有诸如宾夕法尼亚州阿斯顿的McGee工业公司制造的SailkoteTM的表面活性剂,则球4将趋向于漂浮在平衡位置上,在界面16上没有与壳体内部接触。不管在球没有旋转时所处的位置,由于在球开始旋转时的流体切力(fluid shear force),球将趋向于移向中央位置,因为球经受到如相关申请中描述的周围能量场。
显示设备能够为观察者呈现若干吸引人的方面。首先,如果观察者未注意到界面6,由于流体8和10的折射率的相近性,所以观察者不会知道球2是被如何支撑而旋转的。即使界面6看得见,观察者也不会知道是什么原因致使球4旋转的。并且,如果壳体2如上所述地制造,则观察者也不会知道球4如何在貌似实体块塑料中旋转。
在图2所示的替换实施例中,用于球4的支撑物通过固定地附着于壳体2的轴20提供,并且连接到电动马达22的转子或定子,马达22由入射到太阳能电池24上的周围能量驱动,且通过未示出的电线连接到马达22。马达22内的未示出的轴承允许马达22绕轴20旋转。球4通过如下所述的各种装置来供电和驱动而旋转并且通过轴20和球4之间的轴承支撑,进行旋转。轴20优选地由小直径和上面描述的材料组成,其接近地匹配流体26的折射率。
球4现在通过轴20支撑,因此不必使用图1所示的较轻流体8和较重流体10,以稳定球4的高度。现在流体26只能为NORPAR 12,且球4的密度能够简单地制造为非常匹配NORPAR 12的密度。
在第二替换实施例中,如图3-4b所示,嵌入壳体2的下面部分中的马达组件28通过磁相互作用来驱动球30。该实施例使用较轻流体8和较重流体10来将球30支撑在底表面14的适当的上方。磁铁32包含在球30内,用于与由马达组件28产生的旋转磁场交界,从而致使球3旋转。
电动马达34通过固定地附着于马达组件壳体的轴36支撑。马达34的壳体固定地附着于具有定向为与所示的马达的轴36正交的N极和S极的磁棒40。太阳能电池42被安装在马达组件28内,在马达上面,如图4a所示。壳体2和流体8及10以及马达组件壳体都由足以允许足够的光量到达太阳能电池42的透明材料组成。马达34设定为由传递至马达轴36的电流驱动的马达类型。为了示出清楚,没有示出将太阳能电池42连接至马达轴36的电线。为了清楚示出,在示出马达34和磁棒40时,在图4b的顶视图中没有示出太阳能电池42,但是太阳能电池42可以具有与马达组件28相同的形状以及覆盖其大部分区域。
在操作中,马达34被驱动而旋转,其导致磁棒40的旋转,并且平行定向的磁棒40和球磁铁32之间的磁相互作用导致球30的旋转。通过本技术领域中公知的原理,磁棒40和磁铁32的强度和尺寸选择为具有足够强的磁相互作用,以允许待驱动的球的旋转,但不是强到使球30被向下拉到与底表面14接触。
图3和4所示的实施例的观察者可以欣赏到与图1的实施例所描述的相同视觉,除了由于马达组件28的不透明而导致的壳体2没有完全透明之外。然而,观察者仍然可以将壳体看作塑料实体块,如图1a和1b所述。马达组件优选地制造成薄的和能够在其上表面44压印各种半透明的图形特征,诸如允许该物体被用作广告赠券的标识。
物体的磁铁32和马达的磁铁40之间的磁相互作用倾向于将球30保持在外壳2的中央位置上。
图5所示的第三实施例的结构与操作类似于图3的实施例,除了球30和流体26类似于图2所示的对应部分之外。因而,马达组件28驱动球3的旋转,球3被浸于流体26中且由支柱20支撑,马达的转子被固定至支柱20。
图6a和6b示出了第四实施例,其包括卫星组件46(satelliteassembly),卫星组件46包括嵌入卫星壳50内的卫星球48。球组件52包括嵌入球壳54内的球4。卫星组件46和球组件都由较轻流体8和较重流体10的浮力支撑,以漂浮在流体界面6的附近。根据与对图1的实施例所描述的相同的光学原理,卫星壳50和球壳54优选地由具有与流体和外壳的折射率详见的折射率的材料组成,其对于观察者基本不可视。
图6b示出了固有接触和基本上漂浮在壳体2的中心的球组件52和卫星组件,漂浮是由于正确选择的流体和材料的表面张力而造成的。例如,卫星壳50和球壳52可以由丙烯酸构成,并且较重流体由15%重量的水和85%重量的丙二醇构成,且较轻流体可以为NORPAR 12。
球表面4和卫星球48优选地在它们的表面上具有图形特征,诸如用于球4的地球特征和用于卫星球48的月球特征,其与它们的相对尺寸和相对运动一致。
在操作中,球4被与在如下图21中所述相同类型的机构驱动而旋转,这致使球壳54的逆时针方向旋转56。由于球壳54和卫星壳50接近,力58倾向于沿着逆时针方向56拖拉卫星组件。流体切力60将产生与力58结合的力,其致使卫星组件46的顺时针方向旋转61。
观察者将看到球4旋转,其没有明显的支撑和没有明显的驱动机构,表面上在塑料实体块内,同时自旋卫星球环绕它旋转。
第五替换实施例在图7a中示出,其中球4固定地附着在透明盘62的中心的附近。球4和透明盘62通过壳体2内的较轻流体8和较重流体10支撑,以进行旋转。卫星球64被支撑在固定地附着于透明盘62的轴上,以进行旋转,轴66和叶片优选地由具有与流体8和10的折射率足够近的折射率的透明材料组成,以使其基本上不可见。叶片68的形状和位置设置成在盘62和球4自旋的时候致使卫星球64自旋。
在操作中,如图7b所示,球4被驱动而旋转,如前面的实施例所描述。透明盘62的逆时针方向旋转56致使卫星球64移动穿过较轻流体8,并且叶片68致使卫星球64的顺时针方向旋转61。观察者将看到与对图6a和6b的显示设备所描述的相同的视觉效果。
第六替换实施例在图8a和8b中示出,其中球4由轴20支撑,以进行旋转。臂70被固定地附着于球4,和固定地附着于臂70的轴66支撑卫星球72,以进行旋转。装满流体26的壳体2包括圆柱壁74,其设置成当球4旋转时接近卫星球。
在操作中,球4被驱动以逆时针方向56旋转,如先前的实施例描述,且球72以逆时针方向移动经过圆形路径,接近于圆柱壁74。卫星球72和圆柱壁74之间的流体切力驱动卫星球72的顺时针方向旋转61。显示设备给观察者呈现了与图6a和6b所描述的类似视景。
图9示出了第七替换实施例,其可以很类似于图2所示的实施例或其他实施例。壁具有厚度的壳体76内部具有腔78,其与球4的形状一致。当流体层26很薄时,如图所示,并且当流体26的折射率大于构成壳体78的材料的折射率时,则根据公知的光学原理,球4的表面上的图形特征将被放大且出现在腔78的内表面上,且观察者不会看得见所述腔。
上述实施例及其特征和部分可以结合现有技术。马达组件28能够不通过旋转磁棒40而是通过适当地施加电流到马达组件28内的电磁体上来产生旋转磁场,如下所述。各种驱动机构能够通过内部电池或得自电源而不是得自周围能量的功率来驱动。所有设计可以包括超过一个的类似于球4的球和诸如图6、7和8所描述的设计可以清楚地包括超过一个的卫星球。在大多数实施例中,旋转的物体不必是球形,实际上,它们可以具有事实上任何的三维形状,壳体2事实上可以制造为任何形状,例如圆柱体、箱体、圆锥体、金字塔、以至无规律的形状。
根据诸如折射率、清晰都、成本、抗化学性和毒性的因素,可以考虑各种各样的材料用于流体和壳体。例如,可以以各种比例将蔗糖与水混合,以产生具有在1.33和1.5之间的折射率的流体。下列的列表包括一些能被使用的流体和固体的进一步示例。这个列表示出了合适的材料的示例,但是不应该认为选择只限于这些,因为存在许多合适的材料,这对于本领域技术人员是公知的。
名称 折射率
乙酸苄酯 1.523
苯甲醚 1.518
各种植物油 1.48(大约)
蓖麻油 1.48
固体材料:
熔凝石英 1.459
派热克斯玻璃 1.48
丁酸盐 1.475
甲基戊烯(三井),美国化学公司 1.463
在显示设备的任何一个先前描述的实施例中,较轻流体8可以是纯石蜡油,或类似烃的混合物,例如美国得克萨斯州休斯顿的Exxon出售的NORPAR 12。较重流体是丙二醇和水的溶液,丙二醇重量88%和水重量12%。较轻流体8填充大约85%的外壳2,和较重流体10填充大约15%。
当外壳的体积大于流体的总体积时,外壳2内能够形成气泡,且这种气泡可以给观察者带来整个物体没有旋转的清晰显示。为此,应该注意不让气泡形成。总流体体积和外壳2的体积能够随温度而变化,和随外壳2和内部球4的材料所吸收的水量而变化。各种环境接触能够导致引起气泡形成的条件。制止这种情况的一般方式是在不大可能形成气泡的条件下,将外壳2填充至轻度过压。这可以在制造过程中完成。
然而,例如随着时间的流逝和暴露至超高温,所有的塑料在某种程度上将渗水且形状基本上发生变化。因而,在长时间暴露至诸如40℃的较高温度下之后,具有足够的过压以经受住在20℃下形成气泡的球和壳可以形成基本上更大的流体腔6。在这种情况下,将温度降低回到20℃将会促成气泡的形成。
通过利用外壳内的湿润剂液体,在这种情况下为丙二醇/水溶液,能够帮助克服渗水的问题,因为这种液体可以从周围大气中吸水和基本上提高外壳内的流体的总量。过去使用的液体组合,诸如NORPAR 12和PFPE 5060几乎不吸引水分和不能有效地吸收水分。
丙二醇将从环境大气中吸水,直到达到极限,其取决于环境大气的相对湿度。这个关系在图10中示出,使用密歇根州米德兰Dow化学公司出版的数据。该图表示出在水和丙二醇以88%丙二醇和1 2%水的重量百分数进行混合的时候,混合物在35%的相对湿度(″RH″)的空气中处于平衡状态。
当湿润剂液体被包含在容器中时,例如外壳2中,水分从环境大气18扩散经过外壳2的材料的速率与环境大气18和平衡湿度值之间的湿度差成比例,其中平衡湿度值对应于里面的特定丙二醇/水混合物。例如,在所提议的88/12%混合物的情况下,所有的一切都相等,如果环境大气18的湿度为70%RH,则水分将以如果湿润剂液体是纯丙二醇的情况下的速率的一半速率从环境大气18扩散入外壳2中,因为丙二醇和水的88/12%混合物在35%的相对湿度下处于平衡状态,因此有效的湿度差为35%而不是70%。当水分扩散入丙二醇/水混合物中时,丙二醇和水的相对重量百分数发生变化,一般导致越来越慢的扩散速率。
水的吸收致使外壳2内的压力增加。塑料可以在渗水过程中慢慢地改变它们的尺寸,如上面所提到,但是如果拉紧速率和总数量降低,则塑料事实上破裂的可能性大大地降低。在70%环境湿度的情况下,以88/12/5的丙二醇和水将吸收率减少一半以及将最终吸收的总水量减少一半。
图12中的图表示出了来自明尼苏达州明尼阿波利斯的联合化学公司(Allied Chemical)的数据,其是在两年内美国的一组城市的平均相对湿度的数据。平均值为475。丹佛为最干燥,35%RH,而迈阿密为最潮湿,63%RH。显而易见,在一年内在所有的地区存在很小的变化,但是水扩散的过程缓慢,和吸收是可逆的,因此壳内球(ball-in-shell)不会因季节而胡乱地摇摆。在丹佛,用优选88/12%的丙二醇和水的溶液制成的壳内球不会形成气泡,且在其它城市将慢慢地吸水和膨胀,再次避免气泡的形成。
壳内球将最终吸收的水量也与流体腔内的湿润剂流体的总量成比例。为此,使用小量的重流体10是个好主意。然而,当每种流体的数量相等时,两种流体将最有效地稳定随温度而改变的内部球4的高度。当较重流体10或较轻流体8的百分比设置为零时,调节内部球的漂浮高度的两种流体组合的能力完全消失。选择使用多少的较重流体是对有效高度调整的需求和对降低将最终扩散入外壳2的水的总量的需求之间的折衷。
如果两种流体的折射率基本上相近,则壳内球的视觉的效果也得到很大的改善。这使得流体之间的界面难以被注意到,从而除去观察者看到物体的本来面目的可能。在25℃下,PFPE 5060和NORPAR 12的折射率分别为1.251和1.416。从图11的图表上看,纯丙二醇的折射率为1.431,其比PFPE 5060更匹配NORPAR 12,但是所建议的每体积88/12%的丙二醇和水溶液具有1.423的折射率。纯丙二醇与NORPAR 12的折射率的比率为1.005,其接近于理想值1。
由外部球形容器内的球组成的显示设备的示例具有以下的特征:
1)容器和内部球4由丙烯酸构成。
2)内部球4的外径为150mm,厚为3mm。
3)外壳的内径为156mm和厚为3mm。
4)在大气压力下和在10℃下,容器完全装满流体。较轻流体8填充大约85%的外壳2,和较重流体10填充大约15%。
5)驱动机构的质量14设置为使得在20℃下,内部球4漂浮在与外壳2接触距离3mm的垂直高度上。
本发明只示出了如何应用本发明的一个示例。显然可以制造其他尺寸和形状的物体。可以使用除了丙烯酸之外的其他材料。流体腔中的两种流体的相对量可以改变,以实现高度调整和将吸收的水量之间的不同折衷方案。根据本发明的教导,本领域技术人员可以知道使用许多湿润剂和使用可以代替石蜡油的其它流体。
丙二醇与水的确切比率可以换为其他值,并且甚至增加水与乙二醇的小百分数会有所帮助。例如,如果已知特定壳内球将在很潮湿的环境中操作,例如在63%的迈阿密,则丙二醇与水的体积比可以设置为丙二醇75%和水25%。也可以选择丙二醇78%和水22%的比率,以实现在25℃下的事实上理想的折射率匹配。78/22比率在53%RH的环境大气下处于平衡状态,其接近于美国平均的47%。用78/22比率制作的物体将具有事实上不可见的流体界面和在美国和世界上平均将以很慢的速率失水。不同的湿润剂的混合物显然可以被制成实现各种各样的稀释剂/水溶液,其可以在合理的平衡相对湿度值范围内,匹配NORPAR 12的折射率,和可以选择具有不同折射率的石蜡油,以增大能够匹配的相对湿度的范围。
除了图11中所示的之外,其他烃类丙三醇也可以方便地与水混合,以调节溶液的折射率,和水分被吸收入外壳中的程度。
以下元件驱动机构用作先前描述的显示设备中的马达。
图13a示出了包含驱动机构的无磁马达壳体72的侧面的剖面图。线轴74以竖直的方向安装,通过包括由蓝宝石杯状物78支撑的球76的轴承来支撑,所述杯状物的边侧通过支架8来限定,支架8可以作为马达壳体72的一部分。线轴74在其顶部的边侧通过圆柱轴径80来限定,圆柱轴径80可以作为马达壳体的模制部分。由例如软铁的透磁材料组成的盘82固定地附着于线轴74,垂直于所述线轴。盘82具有形成在所述盘的外部分的上方的中心部分14。两个半环形永久磁铁,磁铁和磁铁MB,固定地安装至盘84,如图13a和图13b的顶视图所示。磁铁与线轴或轴74同轴。磁铁MA的整个上表面被磁化为N极,磁铁MB的整个上表面被磁化为S极。
如上所述安装的线轴74与盘82和磁铁MA和MB包含罗盘组件86,只要线轴74大致地呈垂直方向,且所述罗盘组件自身与周围的磁场对准,周围磁场可以只是地球的磁场,所述罗盘组件将线轴保持在固定的旋转位置上。
安装在磁铁附近的线圈组73,线圈A、线圈B和线圈C,可从图13b清楚地看到。侧面剖面图示出了线圈A的侧视图且虚线示出了线圈B和C所处的位置。所有的线圈A、B和C都固定地附着于马达壳体72的内部上表面。
通过在线轴74上摩擦的线轴电刷88和在滑环92上摩擦的滑环电刷90,电位从外源传递至线圈组,如图13a所示,所述滑环的形状为圆柱形,与线轴74同心和与所述线轴电绝缘。线轴74为导电的。电位的外源没有示出,但是可以是安装在马达壳体外的顶部或其它地方的电池或太阳能电池。为简单起见,没有示出将电位源与电刷88和90连接的电线。
分环组件94也安装在线轴74上。这由两个半部分组成,负极半部分96和正极半部分98,从图13b可清楚地看到。每个环是180°分段的圆柱且安装在线轴74上,使得每个分段的中轴线与线轴74的中轴线一致。通过为了清楚显示而未示出的电线,正极半部分96与线轴74电连接和负极半部分98与滑环92电连接。电位的外源被连接,以提供正电位给电刷88和提供负电位给电刷90。
三个导电刷,电刷BA、电刷BB和电刷BC可从图13b的顶视图清楚地看到。图1a中的侧视图只示出这些电刷中的一个,电刷BC,以清楚显示。这些电刷通过未示出的电线与线圈A、B和C连接。所述电刷安装在电刷架100上,电刷架100固定地附着于马达壳体72,如图13a中的电刷BC。
图14a示出了图13b中的物体的示意性视图,具有为了清楚显示而放大的开环组件94。来自每个线圈的两个电线标记有+和-的标号,以指示线圈的相同终端。图14a所示的电线95将电刷BA连接至线圈A-和线圈B+,将电刷BB连接至线圈B-和线圈C+,将电刷BC连接至线圈C-和线圈A+。
图14a中的罗盘组件16示出为N极在左边和S极在右边,如果地球磁场的N极向右和S极向左,罗盘组件16则会自行进行对准。其他周围磁场可以加入到地球磁场中,但是这些不会影响操作,除非净磁场变成基本上为零。
对于图14a所示的初始条件,通过线圈A的电流以推动线圈A以逆时针方向移动的方向而流动,线圈B可以没有电流,因为电刷BA和BB通过滑环组件94的正极半部分96而短路,且线圈C具有电流在其中流动,但是几乎没有产生转矩,因为其处于几乎均强磁场的区域中。通过线圈所产生的转矩被传递到马达壳体中且整个壳体被推动逆时针方向旋转。磁铁组件同时被推动顺时针方向旋转,但是与周围场的相互作用阻碍了这种旋转。如果马达壳体自由地旋转,由于马达壳体安装在诸如上面描述的漂浮物体内,所以马达壳体开始逆时针方向旋转。
在旋转大约30°之后,达到图14b所示的方向。在此,线圈A和线圈B两个都接收电流,其推动进行继续的逆时针方向旋转,同时线圈C变短路且没有产生转矩。在逆时针方向旋转另一30°之后,达到图14c所示的方向。在此,线圈B产生逆时针转矩,线圈A接收电流,但是几乎没有产生转矩,因为其处于几乎均强磁场的区域中,和线圈C由于短路而没有接收到电流。继续的逆时钟方向旋转继续施加电流给线圈,以推动继续的逆时钟旋转。
图15示出了非常类似于图13的驱动机构的驱动机构,但是已增加了顶部铁盘102,其固定地附着于线轴74,接近于线圈和平行于盘82。线圈A、B和C不能直接安装在马达壳体72上,因此支架104用于将线圈托架106安装至马达壳体72。利用这种布置,来自磁铁MA和MB的磁通量将更加聚集在线圈A、B和C移动的区域内,使得线圈产生的转矩较高。必须在合乎需要的效果和削弱罗盘组件86所产生且自行与周围磁场对准的磁场之间进行折衷。在具有驱动机构被设计成进行工作的最弱周围场的任何环境中,最佳设计允许在驱动机构的操作期间只有足够的磁通量漏出罗盘组件,以停止罗盘的旋转。漏出的磁通量取决于磁路设计的公知原理。直径较大、较厚、较靠近盘82和由具有较高饱和磁化强度的材料组成的顶部铁盘192会将更多的磁通量保持在线圈区域中。
图16示出了类似于图13的设计,除了图13a中的盘82已用固定盘106替换之外,固定盘106固定地附着于马达壳体72,接近于磁铁和在线圈的对边。
磁铁A和B通过非磁支架108固定地附着于线轴74。固定盘106和磁铁MA和MB之间的缝隙应该合理地小到可以促使固定盘106和磁铁A和B之间的磁通转换。固定盘106应该由具有极低磁滞的软磁性材料组成,降低固定盘106和磁铁MA和MB之间的磁阻。这个驱动机构的优点是降低球76和蓝宝石杯状物78之间的负荷。
图17示出了类似于图15的驱动机构的驱动机构,除了太阳能电池110已固定地附着于线轴74的顶部之外。太阳能电池110可以是盘形状,在中心具有孔,以允许线轴通过。电流源在线轴74上,因此图15的线轴电刷88、滑环电刷90和滑环92已除去。这允许盘82为平面盘112。
图18a和18b示出了一种替换换向结构。示出了电刷安装棒114固定地附装在线轴74的顶部附近。电刷BD和BE固定地附着于电刷安装棒114且电刷BD和BE设置为在三分段分环组件116上摩擦,分环组件116固定地附着于马达壳体72。
三分段分环组件116在图18b的顶视图中详细示出。线轴74示出为中空管,其边侧通过形成三分段的分环组件116的内部的管118来限定。绝缘层120围绕管148和三个滑环分段122,三分段分环组件116的圆周的每个稍微小于120°的每个分段安装在绝缘材料层120之外。
电位被提供给图13所描述的线轴74上的导体且该电位被通过为了清楚显示而未示出的电线传递至电刷BD和BE,和通过滑动触点传递至三分段分环组合116,然后传递至线圈A、B和C。图18c示出了线圈A、B和C如何通过导体95连接至滑环分段122的电学原理图。
图18a、18b和18c所示的结构是新的,但是最终发生的换向顺序在本技术领域中已公知且在此不进行描述。
可以组合和通过许多途径修改各种马达设计。例如,图15的设计可以与图17所示的概念结合,和太阳能电池110可以安装在顶部铁盘102上。
磁铁MA和MB和盘82可以替换为一片由各向同性磁性材料组成且磁化作为罗盘的盘状磁铁。
顶部铁盘102可以以使盘82变成图16中的盘106相同的方式安装在马达壳体上。在这种情况下,磁铁A和B的磁引力倾向于升高线轴74和降低球76和蓝宝石杯状物78之间的轴承上的负载。
在显示设备中心的自旋物体可以通过马达壳体72构成。可选的,马达壳体可以附装在自旋物体的内部,诸如图21示出的图1的球4。
下述驱动机构使用能够通过与周围磁场(例如地磁场)相互作用而产生转矩的四极磁铁,其中所述驱动机构没有遭受磁的顿转(magnetic cogging),和其中所述驱动机构的电枢由轻质材料构成,以最小化支撑电枢的用于相对旋转的轴承中的摩擦。
如图19a-25b所示,图19a中的马达壳体72包括盘形马达顶部114、盘形马达底部116和圆柱壁118。环形磁铁120被包含在马达壳体组件72内。所述环形磁铁120与轴122同轴且磁化为平行于其厚度方向且以导致其上表面上的四个磁化区域TNa、TSa、TNb、和TSb的图形进行磁化,可从图19b中顶部看到。这些标志中的″T″表示所指的磁极在环形磁铁120的顶部上,″N″和″S″分别表示北磁极和南磁极。″a″和″b″字母表示正在指哪两对北南磁极中的磁极。图19a清楚地示出环形磁铁120在其底表面上也具有一组相反磁极,显示为BSa(对应Tna)、BNa(对应TSa)。未示出的为BSb(对应TNb)和BNb(对应TSb)。
马达壳体72由诸如软铁的软磁的铁磁金属构成,和用于提供用于环形磁铁120产生的磁通的返回路径。马达壳体72的各个部分的最佳厚度通过公知的磁性规律来确定和取决于结构的确切几何形状和取决于环形磁铁120的属性以及取决于构成马达壳体的材料的饱和磁通密度。设计的目的是在环形磁铁120的顶部和马达顶部114的底表面之间的区域中创建箭头M所表示的强磁场。
例如,马达用软铁马达壳体组件制成,马达顶部的厚为.12″厚和直径为3.7″。马达底部是与顶部的直径相同的.125″厚,且圆柱壳为.05″厚。环形磁铁120由加利福尼亚州布雷森莎的A-L-L Magnetics公司制造的5级铁氧体(ferrite)构成,厚度为.33″,OD为2.8″,ID为1.2″。环形磁铁5的顶部和马达顶部2的底表面之间的缝隙为.175″且峰值磁场强度为2.1kg。
驱动机构进一步包括轴122,通过位于宝石轴承杯状物78中的球状末端76支撑,以在底部上进行旋转。所述轴的顶部附近通过轴122的顶部部分所形成的轴颈轴承和马达顶部114的中心中的孔124的内表面来限定。罗盘磁铁140包括诸如NdFe的永久磁化材料的棒,附着于轴122的底部部分,其NS轴线垂直于该轴的轴线。驱动机构一般通过该垂直的轴来定向,使得罗盘磁铁能够与诸如地磁场的任何周围磁场自行对准成正交于所述轴。轴122经过马达底部中的孔126,和通过凸缘130附着于滑环组件92和线圈组128。
电刷134和138被通过绝缘安装架132和134安装在马达底部126的上表面上。电刷134在旋转时与轴122接触,电刷138在旋转时与滑环组件92接触。
在图19a中示出线圈组128的横截面,但是在图19b中除去马达顶部则显示得更加清楚。线圈组件包括三个盘状线圈C1、C2和C3,附着于凸缘13,凸缘13安装在轴122上,线圈被等距地绕所述轴的轴线设置。为简单起见,图19b和后面的图示出了线圈只是作为电线的一个圈,但是应当理解,它们事实上由许多相同方向的圈组成。用于上述测试马达的线圈为大约1.7″OD X.69″ID X.100″厚和每个具有大约6000圈的#44规格电线,热粘合以形成自持线圈。
图20a和20b示出了安装在轴122上的环形磁铁120和罗盘磁铁140的顶视图,用于示出为什么事实上由于罗盘磁铁和环形磁铁之间的磁相互作用而绕所述轴的轴线没有产生转矩。由于所有环形磁铁120的磁极都具有相同尺寸和强度,所以罗盘磁铁140的TNa极和S极之间的磁引力与环形磁铁的TSa极和罗盘磁铁的N极之间的磁引力完全大小相等方向相反,因此,这些相互作用没有产生净转矩。类似地,罗盘磁铁140的TSb极与S极以及TNb极与N极的磁斥力没有导致净转矩。而且,由于相同的理由,罗盘磁铁的TNa极和TSb极与N极之间的磁相互作用没有产生净转矩,以及TSa和TNb极与S极之间的磁相互作用没有产生净转矩。
当罗盘磁铁140和环形磁铁120之间的方向为任何任意定向时,如图20b所示,可以应用这些相同的论据。在图20a中,罗盘磁铁140的S极稍微靠近环形磁铁120的TSb极,和稍微远离TNa极;净转矩仍然基本上相同,和仍然与TSa和TNb极通过与罗盘磁铁140的N极相互作用所产生的净转矩相反。类似的论据可以应用于所有其它对的磁极的相互作用,包括BNa极、BSa极、BNb极和BSb极与罗盘磁铁140的N极和S极的相互作用。因而,在这些理想化的壳体中,在环形磁铁120和倾向于使它们绕轴122的轴线相对地旋转的罗盘磁铁140之间从未存在任何磁相互作用。
图19a和19b所示的驱动机构可以通过如图21所示的安装架142安装在球4中,以致使球旋转。线圈组件128被通过电线提供电流,未示出其将太阳能电池144连接至电刷134和138。假设球76内的质量分布成使得球在底部较重且通过基本上直立的轴122而漂浮。罗盘磁铁140自行与周围磁场AF对准,优选地为与地磁场对准。由于与环形磁铁120产生的磁场相互作用,施加至线圈C1、C2和C3的电流将在线圈上产生力,以致使环形磁铁及其附着于它上面的一切进行旋转。线圈组件128、轴122、罗盘磁铁1140和滑环组件92没有旋转。
环形磁铁120和倾向于制止其相对旋转的罗盘磁铁140之间的任何磁相互作用将与球的预期旋转抵触。上面的描述清楚地说明环形磁铁120的四极设计基本上消除了任何这种顿转转矩(cogging torque),甚至在马达壳体组件不在正确的位置上的情况中。添加马达壳体组件72提供了用于磁通的返回路径和大大地增大了线圈所工作的区域中的磁场M的强度,从而增大了马达为线圈C1、C2和C3中的任何给定电流所产生的转矩。马达壳体72也用来磁性地保护环形磁铁120不受罗盘磁铁140影响,从而进一步消除它们之间由于磁铁的各个部分中的不一致磁性和所述部分的不理想几何形状而可能发生的任何残余磁相互作用。由于四极环形磁铁和罗盘磁铁之间的固有缺乏磁相互作用,所以可以将马达壳体的厚度设计为足以充分地提供磁通返回路径,和不必要使其明显较厚和较重,这对于如果环形磁铁5的磁化模式为双极的情况,例如不是四极,则为必须的,以保护环形磁铁和罗盘磁铁18。
四极环形磁铁120事实上也没有与周围磁场AF发生顿转(cogging)相互作用,原因与由于与罗盘磁铁140的相互作用而没有顿转的情况相同。
图22b、23b、24b和25b示出电流如何分布给线圈C1、C2和C3,环形磁铁120和附着于它的一切从顶部看为逆时针方向旋转。“a”图示出在环形磁铁和线圈组件128的顶部上的磁极的相对方向。“b”图示出滑环组件92附近的区域的展开顶视图。
图22a示出线圈C1对称地位于环形磁铁120的TNa极和TSa极之间。为简单起见,没有示出凸缘130。图22b示出包括六个分段R2a、R2a、R3a、R1b、R2b和R3b的滑环组件92的放大展开图,其中通过为简单起见而未示出的电线,C1+电连接至R1a和R1b,C2+电连接至R2a和R2b和C3+电连接至R3a和R3b。分别由C1g、C2g和C3g表示的线圈C1、C2和C3的末端全部通过为简单起见而未示出的电线连接到轴6。电刷134与轴122接触和电刷138与滑环分段R1b接触。通过为简单起见而未示出的电线,图21的太阳能电池144的负极终端连接至电刷134和太阳能电池144的正极终端连接至电刷138。通过这些连接和电流流动,环形磁铁将经受其将推动它逆时针方向旋转的力。
图23a和23b示出了在环形磁铁120和附着于它的一切已逆时针方向旋转30°之后的相对定向。假设球体自由地旋转,而且罗盘磁铁140已将线圈组件128保持在固定的角位置中,如图所示。在示出的已旋转30°的方向上,滑环分段R1b和R2a暂时连接至和提供电流给线圈C1和C2,其倾向于驱动环形磁铁120继续逆时针方向旋转,其将导致线圈C2被激励接下来逆时针方向旋转60°。
图24a和24b示出了在环形磁铁120和附着于它的一切已逆时针方向旋转90°之后的相对定向。在示出的已旋转90°的方向上,滑环分段R2a和R3a暂时连接至和提供电流给线圈C2和C3,其倾向于驱动环形磁铁继续逆时针方向旋转,其将导致线圈C3被激励接下来逆时针方向旋转60°。
图25a和25b示出了在环形磁铁120和附着于它的一切已逆时针方向旋转150°之后的相对定向。在示出的已旋转150°的方向上,滑环分段R3a和R1a暂时连接至和提供电流给线圈C3和C1,其倾向于驱动环形磁铁继续逆时针方向旋转,其将导致线圈C1被激励接下来逆时针方向旋转60°。这个换向过程如上所述的继续进行,导致球4的连续旋转。
在显示设备的示例中,对于1.6″的总罗盘长度,罗盘磁铁包括两个NdFe圆柱磁铁,直径为.375″和长度为.375″,每个都装在长为.85″的软铁棒的末端上。罗盘磁铁安装在轴122上,罗盘的中心在马达壳体组件1的下部表面下2.27″处。磁力顿转是不重要的。
显然可以使用不同的换向环结构来布置其他换向方案。例如,以图122a所示的方向,线圈C1可以在旋转15°之后停止,和线圈C3则被激励旋转30°,电流方向与流入线圈C1的电流相反。然后,线圈C2被激励旋转接下来的30°,使用与线圈C1所使用的相同的电流方向,等等。
四极磁化模式可以由诸如八极模式的较高级模式替代。随着极数的上升,保护环形磁铁不受罗盘磁铁影响的问题降低了,因为来自密集放置的小磁铁的磁场不具有与来自较大磁铁的磁场那样大的空间程度。
Claims (30)
1.一种显示设备,包括:
密封外壳;
第一透明流体,填充所述外壳;和
被所述流体围绕的可移动物体;
其中,所述第一流体包括以一比率混合的第一液体和水的湿润剂溶液,所述比率调节成使通过所述外壳吸收的周围水分达到最小。
2.如权利要求1所述的设备,其中:
所述第一流体具有第一密度和第一折射率,和进一步包括与所述溶液不互溶的第二液体和具有不同于所述第一密度的第二密度和基本上与所述第一折射率相近的第二折射率;和
其中,在所述物体和所述外壳之间没有任何机械性连接时,所述所述溶液和第二液体的各自体积调节成漂浮所述物体。
3.如权利要求2所述的设备,其中所述第一液体包括烃类丙三醇。
4.如权利要求3所述的设备,其中所述丙三醇选自基本上包括乙二醇、二甘醇、三甘醇、丙二醇和双丙甘醇的组。
5.如权利要求3所述的设备,其中所述第二液体选自基本上包括PFPE 5060和NOPAR 12的组。
6.如权利要求2所述的设备,其中所述外壳由具有基本上与所述第一和第二折射率相近的折射率的材料构成。
7.如权利要求2所述的设备,其中所述外壳由具有基本上与所述第一和第二折射率相近的折射率的透明材料构成。
8.如权利要求7所述的设备,其中所述第一液体由丙二醇组成,和所述第二液体由NOPAR 12组成。
9.如权利要求8所述的设备,其中所述比率每单位重量为大约88%的第一液体和12%的水。
10.如权利要求7所述的设备,其中所述材料选自基本上包括派热克斯玻璃、丙烯酸、XPH-353含氟聚合物、熔凝石英、丁酸盐和甲基戊烯的组。
11.如权利要求1所述的设备,进一步包括:
固定支柱,附着于所述外壳的内部部分;
电动马达,具有转子和定子,所述转子和定子之一固定于所述支柱,所述转子和所述定子中的另一个固定于所述物体。
12.如权利要求11所述的设备,其中所述马达位于所述物体内。
13.如权利要求12所述的设备,其中所述外壳和支柱由具有第一折射率的透明材料组成和所述第一流体具有基本上与所述第一折射率相近的第二折射率。
14.如权利要求2所述的设备,进一步包括:
电动马达,具有轴和位于所述物体下面且与所述物体间隔开;
第一磁铁,具有定向为与所述轴正交的磁极和具有与所述轴连接的中间部分;和
第二磁铁,固定于所述物体和设置成方向平行于所述第一磁铁;
借此,所述第一磁铁通过马达的旋转导致所述第二磁铁和物体的旋转。
15.如权利要求14所述的设备,进一步包括被嵌入所述外壳的壁中的所述马达。
16.如权利要求14所述的设备,进一步包括提供电能给所述马达的太阳能电池。
17.如权利要求2所述的设备,进一步包括:
第二物体;和
透明件,将所述第二物体连接至所述第一物体。
18.如权利要求11所述的设备,进一步包括:
第二物体;和
透明件,将所述第二物体连接至所述第一物体。
19.如权利要求17所述的设备,其中所述第二物体被可旋转地附着于所述透明件,和包括一系列周边叶片,形状和位置设置成在所述第一物体自旋的时候致使所述第二物体的自旋运动。
20.如权利要求17所述的设备,进一步包括:
围绕所述第一和第二物体的透明圆柱壁;和
其中,所述第二物体被可旋转地附着于所述透明件和包括接近于所述壁的环形周边外围部分。
21.如权利要求2所述的设备,其中所述物体包括密封容器和设置在所述容器内的电动马达且包括:
轴,定向为绕第一线轴且在任一末端上通过所述容器可旋转地支撑;
双极磁铁,具有沿垂直于所述第一线轴的第二线轴定向的磁极和中心被固定地附着于所述轴;
借此,所述磁铁与周围固定磁场的相互作用将所述轴保持在固定旋转位置上;
所述马达进一步包括与所述第一线轴同轴的、固定地连接到所述容器和具有至少两对正反极的环形磁铁;
接近于所述第二磁铁的至少三个线圈,固定地附着于所述线轴和在圆周上绕所述第一线轴等距地间隔;
电能源;和
开关装置,用于交替地从所述电能源激励所述线圈和用于感应所述线圈和所述第二磁铁的磁极之间的磁转矩力,以致使所述第二磁铁和容器绕所述轴旋转;
借此,所述第一和第二磁铁之间的磁转矩力互相抵消和没有影响所述容器绕所述轴的运动。
22.如权利要求21所述的设备,其中所述容器包括密封的空心球体。
23.如权利要求2所述的设备,其中所述物体包括密封容器和设置在所述容器内的电动马达且包括:
轴,定向为绕第一线轴且通过所述容器在两个末端上可旋转地支撑;
由透磁材料组成的第一盘,固定地和轴向地连接至所述轴;
一对对称的半环形磁铁,设置在所述盘上,与所述轴同轴;
借此,所述磁铁与周围固定磁场的相互作用将所述物体保持在固定旋转位置上;
接近于所述磁铁的至少三个线圈,所述线圈固定地附着于所述容器和在圆周上绕所述线轴等距地间隔;
电能源;和
开关装置,用于交替地从所述电能源激励所述线圈和用于感应所述线圈和所述磁铁之间的磁转矩力,以致使线圈和容器绕所述轴旋转。
24.如权利要求23所述的设备,其中所述马达进一步包括铁盘,所述铁盘轴向地设置成接近于所述线圈,与所述第一盘相对。
25.如权利要求23所述的设备,其中所述马达进一步包括铁磁材料的盘,轴向地设置成接近于所述磁铁,与所述线圈相对。
26.如权利要求23所述的设备,其中所述电能源包括附着于所述容器的太阳能电池。
27.如权利要求23所述的设备,其中所述开关装置包括:
分环,安装在所述轴上和接触电刷换向器,其中:
所述分环包括三个分段,每个分段被固定地连接至一个线圈的正极端和另一线圈的负极端;和
其中所述换向器包括两个电刷,连接至所述电能源的极和在直径上的对置点上接触所述分环。
28.一种显示设备,包括:
密封外壳,由具有给定折射率的透明材料组成;
第一透明流体,填充所述外壳;和
被所述流体围绕的可移动物体;
其中,所述第一流体包括以一比率混合的第一液体和水的湿润剂溶液,所述比率调节成匹配所述折射率。
29.一种显示设备,包括:
密封外壳;
所述外壳中的第一透明流体;和
可移动物体,浸入所述流体中;和
电动马达,可旋转地驱动所述物体;
其中所述电动马达包括:
轴,定向为绕第一线轴且通过所述容器在任一末端上可旋转地支撑;
双极磁铁,具有沿垂直于所述第一线轴的第二线轴定向的磁极和中心被固定地附着于所述轴;
借此,所述磁铁与周围固定磁场的相互作用将所述轴保持在固定旋转位置上;
所述马达进一步包括与所述第一线轴同轴的、固定地连接到所述容器和具有至少两对正反极的环形磁铁;
接近于所述第二分段的至少三个线圈,固定地附着于所述线轴和在圆周上绕所述第一线轴等距地间隔;
电能源;和
开关装置,用于交替地从所述电能源激励所述线圈和用于感应所述线圈和所述第二磁铁的磁极之间的磁转矩力,以致使所述第二磁铁和容器绕所述轴旋转;
借此,所述第一和第二磁铁之间的磁转矩力互相抵消和没有影响所述容器绕所述轴的运动。
30.一种显示设备,包括:
密封外壳;
所述外壳中的第一透明流体;和
可移动物体,浸入所述流体中;和
电动马达,可旋转地驱动所述物体;
其中所述电动马达包括:
轴,定向为绕第一线轴且通过所述容器在两个末端上可旋转地支撑;
由透磁材料组成的第一盘,固定地和轴向地连接至所述轴;
一对对称的半环形的磁铁,设置在所述盘上,与所述轴同轴;
借此,所述磁铁与周围固定磁场的相互作用将所述物体保持在固定旋转位置上;
接近于所述磁铁的至少三个线圈,所述线圈固定地附着于所述容器和在圆周上绕所述线轴等距地间隔;
电能源;和
开关装置,用于交替地从所述电能源激励所述线圈和用于感应所述线圈和所述磁铁之间的磁转矩力,以致使所述线圈和容器绕所述轴旋转。
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