CN203899131U - 自励式电磁驱动陀螺 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种陀螺，特别涉及一种能够依靠陀螺本身激励的电磁驱动陀螺。本实用新型通过陀螺本体内部封装的条形永磁体随陀螺在底座上表面起转后产生的变化的磁场来激发底座下面自励式驱动电路中各个开关元件的导通与关断，从而使电路中驱动绕组产生正确的电流，在底座上表面中心处产生相应极性的磁场，该磁场反过来对上述条形永磁体产生力矩的作用，该力矩方向与陀螺旋转的方向相同，从而抵消因摩擦所损耗的动能，维持陀螺的持续转动。同时，该实用新型还进一步增设了高低速模式选择开关，该开关可以改变陀螺本体每旋转一周电磁脉冲力矩的次数，从而改变稳态时陀螺的转速。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种陀螺，特别涉及一种能够依靠陀螺本身激励的电磁驱动陀螺。
背景技术
陀螺作为一种古老的玩具深受人们的喜爱。传统的陀螺在手动起转后要依靠小的鞭子持续地沿陀螺旋转的方向抽动才能保持其持续旋转。现代，很多人对陀螺的驱动方式进行了改进，电磁驱动是采用较多的一种。在制作陀螺时将一个永磁体对称地封入陀螺中，陀螺下面的底座下通过机械的方式或电气的方式产生旋转磁场，通过旋转磁场对陀螺中永磁体的作用保持陀螺持续旋转。采用这种驱动方式的不足之处主要有两点：首先，陀螺要按照旋转磁场的方向起转，这无疑会降低玩具的趣味性。其次，如果陀螺停止转动或者被取走，但没有关闭上述机械或电气驱动装置时，还会消耗一定的能量，从而缩短电池的使用寿命。
发明内容
为了克服上述电磁驱动陀螺的不足，提供一种自励式电磁驱动陀螺，并增设了高低速模式的选择功能。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括陀螺本体和底座，所述的陀螺本体内部封装有一个条形的永磁体，永磁体与陀螺轴向垂直关于陀螺本体中心对称；所述底座上表面是一个圆形凹面，凹面中心处有一个小的圆形凸起，底座内部设置有由电池、晶体管、带铁芯的线圈构成的自励式驱动电路。所述的陀螺本体通过手动在底座凹面上起转后，其内部的永磁体会产生旋转磁场，当永磁体N极离凹面中心点较近时，并且仍在靠近时，使底座内带铁芯的线圈内产生感应电动势，并使相应的晶体管导通，从而线圈有电流流过，并且根据右手定则电流使铁芯上端的磁极性为S，根据不同磁极相吸的原理对永磁体产生与其转动方向相同的力矩。当永磁体N极离凹面中心点较近但正在远离时，底座内带铁芯的线圈内产生的感应电动势使相应的晶体管导通，使线圈有电流流过，使铁芯上端的磁极性为N，根据同磁极相斥的原理，仍然对永磁体产生与其转动方向相同的力矩。当永磁体S极离凹面中心点较近，工作原理情况类似，不再累述。
所述底座的上表面是一个直径为0.2m，曲率为2m-1的圆形凹面，这样可以使旋转中的陀螺向圆形凹面的中心靠近，从而产生足够大的感应电动势使晶体管导通，同时保证线圈产生的磁场对陀螺中永磁体产生较大的作用力矩。
所述底座上表面中心处有一个小的圆形凸起，确保陀螺不能在凹面中心处旋转，从而保证不会出现永磁体的N极和S极与中心点距离相等或上述距离不发生变化的情况，上述情况会导致线圈中没有感应电动势，从而无法驱动晶体管导通。
所述自励式驱动电路包括带铁芯的线圈L，电阻R1和R2，晶体管T1、T2、T3和T4，电池和开关K。
所述的带铁芯的线圈L的绕组分为三个部分，中间部分为驱动绕组，当相应的晶体管导通时产生某一极性的磁场，从而对陀螺中的永磁体近端磁极施加拉力或推力；上下两个绕组部分为感应绕组，当陀螺中永磁体近端磁极接近或离开时，使感应线圈中产生相应的感应电动势，保证晶体管按正确的顺序导通和关闭，从而线圈上方产生正确的极性。
所述带铁芯的线圈L，在位置上要紧贴着底座上表面，保证感应绕组能够得到做够大的感应电动势，同时保证驱动绕组产生的磁场对陀螺中永磁体力的作用足够大。
所述的晶体管在电路中的连接方式如下：晶体管T1、T2、T3和T4构成桥式结构，T2集电极与开关K串联后与T1集电极相并联后接于电池E的正极；T3和T4采用共发射极连接，然后接于电池的负极；T1和T3桥臂的输出端连接到驱动绕组的上端，T2和T4桥臂的输出端连接到驱动绕组的下端；线圈L上端感应绕组输出端通过R1接于T2和T3的基极，下端感应绕组输出端通过R2接于T1和T4的基极。
所述的自励式驱动电路的开关K，可以使陀螺旋转在高速、低速两种模式下，当K断开时，驱动线圈只在N极靠近或S极离开中心点时，在其上端产生单一极性S极，陀螺每转一周产生两个磁驱动脉冲；当K闭合时，N极靠近或S极离开中心点时，驱动线圈上端产生S极磁脉冲，S极靠近或N极离开中心点时，驱动线圈产生N极磁脉冲，因此陀螺每转一周产生四个驱动脉冲，从而陀螺的稳态转速更高。
所述的自励式驱动电路在陀螺没有在底座上转动的情况下，其4个晶体管都不会导通，因此电路中没有电流，因此电池没有能量损耗。
本实用新型的有益效果是：不论初始旋转方向如何，只要陀螺在底座上起转，底座下面的自励式电磁驱动装置便会对其施加与其现转速相同脉冲力矩，从而维持陀螺的持续转动；当陀螺被取走或因为某种原因停止转动时，电磁驱动电路会停止工作，因此可以有效地节省能量，延长电池使用寿命；开关K的闭合和断开可以有效地将陀螺的稳态旋转方式在高速和低速模式间切换，进一步增加游戏的趣味性。
附图说明
图1是本实用新型具体实施方式的结构示意图。
图中标记说明：1.陀螺本体 ，2.条形永磁体，3.底座，4.底座凹面的中心凸起，5.驱动绕组，6.上端感应绕组 ，7.下端感应绕组 ，8.开关K，9.电池。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括陀螺本体1和底座3。关于陀螺本体1回转中心对称放有一条形永磁体2，其横截面积可以是圆形、方形或其它多边形。底座3上表面是一个直径为0.2m，曲率为2m-1的圆形凹面，中心处有一个小的圆形凸起4。底座内部的自励式电磁驱动电路中的带铁芯的感应线圈L的轴线垂直穿过底座3上表面中心处，线圈L分为三个同轴绕组，绕线方向一致，分别是：上端感应绕组6、驱动绕组5和下端感应绕组7。线圈L的绕线方向根据右手法则进行确定，使得当电流从线圈同名端流入时，线圈的上端极性是S。晶体管T1、T2、T3和T4构成桥式结构，T2集电极与开关K串联后与T1集电极相并联后接于电池9的正极。T3和T4采用共发射极连接，然后接于电池9的负极。T1和T3桥臂的输出端连接到驱动绕组5上端的抽头引线，T2和T4桥臂的输出端连接到驱动绕组5下端的抽头引线。上端感应绕组6的上端引线通过R1接于T2和T3的基极，下端感应绕组7的下端引线通过R2接于T1和T4的基极。
当陀螺本体1在底座3上表面起转后，由于中心凸起4的存在，陀螺本体1的中心轴不会在上表面的中心处重合，从而保证陀螺本体1中的条形永磁体2的N极和S极交替地作为底座3上表面中心处较近的一极，并且经历接近该中心处和远离该中心处两个阶段。
设某一时刻条形永磁体2的N极距中心处较近，并且处于持续接近的状态。向下穿过线圈L的磁通量会增加，根据电磁感应定律，下端感应绕组7的下端引线处感应出正的电动势，从而使T1和T4导通，此时驱动绕组5中的电流从同名端流入，在线圈L上方产生S极，根据不同磁极相吸的原理，对N极正在靠近中心处的永磁体2产生与陀螺本体1旋转方向相同的力矩。
当上述永磁体2的N极转过最近点开始远离中心点时，向下穿过线圈L的磁通量会减少，根据电磁感应定律，上端感应绕组6的上端引线处会感应出正的电动势，当K闭合时，会使T2和T3导通，此时驱动绕组5中的电流从同名端流出，在线圈L上方产生N极，根据同磁极相斥的原理，对N极正在远离中心处的永磁体2仍然产生与陀螺本体1旋转方向相同的力矩。而当K断开时，所有晶体管都不会导通，从而不会对陀螺本体1产生力矩作用。
当条形永磁体2的S极距中心处较近时，S极的接近与远离过程陀螺本体1的受力情况与上述条形永磁体2 N极的远离和接近过程陀螺本体1的受力情况一致，即：条形永磁体2的S极接近中处时，当K闭合时，陀螺本体受到与其旋转方向相同的力矩，K断开时，不受到任何力矩；条形永磁体2的S极远离中处时，陀螺本体受到与其旋转方向相同的力矩。
根据上述分析，当K闭合时，陀螺本体1每转一周受到四次沿陀螺本体1旋转方向相同的脉冲力矩，从而保证稳态时陀螺本体1维持在一个较高的转速下。当K断开时，陀螺本体1每转一周受到两次沿陀螺本体1旋转方向相同的脉冲力矩，从而保证稳态时陀螺本体1维持在一个稍低的转速下。
根据上述分析，当陀螺本体1被取走或者没有起转的情况下，线圈L中没有感应电动势，四只晶体管都不会导通，线圈中没有电流，电池的能量不会发生损耗。
Claims (8)
1.一种自励式电磁驱动陀螺，包括陀螺本体和底座，所述的陀螺本体内部封装有一个条形的永磁体，永磁体与陀螺轴向垂直关于陀螺本体中心对称，所述底座的上表面是一个圆形凹面，凹面中心处有一个小的圆形凸起，底座内部设置有由电池、晶体管、带铁芯的线圈及模式选择开关K构成的自励式驱动电路。
2.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述底座的上表面是一个直径为0.2m，曲率为2m-1的圆形凹面。
3.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征是：所述自励式驱动电路包括带铁芯的线圈L，电阻R1和R2，晶体管T1、T2、T3和T4，电池和开关K。
4.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述的带铁芯的线圈L的绕组由三个部分串联而成，中间部分为驱动绕组，上面部分为上端感应绕组，下面部分为下端感应绕组。
5.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述带铁芯的线圈L，在位置上要紧贴着底座上表面，保证感应绕组能够得到足够大的感应电动势，同时保证驱动绕组产生的磁场对陀螺中永磁体力的作用足够大。
6.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述的晶体管在电路中的连接方式如下：晶体管T1、T2、T3和T4构成桥式结构，T2集电极与开关K串联后与T1集电极相并联后接于电池E的正极；T3和T4采用共发射极连接，然后接于电池的负极；T1和T3桥臂的输出端连接到驱动绕组的上端，T2和T4桥臂的输出端连接到驱动绕组的下端；线圈L上端感应绕组输出端通过R1接于T2和T3的基极，下端感应绕组输出端通过R2接于T1和T4的基极。
7.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述开关K，可以使陀螺旋转在高速、低速两种模式下，当K闭合时陀螺在高速模式下旋转，当K断开时陀螺在低速模式下旋转。
8.根据权利要求1所述的自励式电磁驱动陀螺，其特征在于：所述的自励式驱动电路在陀螺没有在底座上转动的情况下，其4个晶体管都不会导通，电池没有能量损耗。
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