CN207462660U - 一种掌上磁悬浮陀螺 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种掌上磁悬浮陀螺，包括陀螺和掌上陀盘两部分；其中：陀螺为陀尖、陀壳前部、磁环、陀壳后部、陀轴、转柄等依次构合；陀盘为具有握柄和盘面的盘壳内部中心镶有磁环。陀螺初始旋转后，可用手周复摇动陀盘控制陀螺持续旋转，旋转的陀螺可依附陀盘在三维空间呈现侧悬浮、倒悬浮等任意角度的悬浮状态。打破了以往陀螺只能在地上、指尖和手持双轨上悬浮旋转及无陀盘运动的定式。兼具灵活性、艺术性、趣味性、观赏性、健身性于一体，操作简单，老少皆宜，可作为玩具、教具和健身、减压器材使用。且结构简单，易于生产，造价低廉，具有极其广阔的市场前景。

Description

一种掌上磁悬浮陀螺

技术领域

本实用新型涉及一种陀螺，尤其是能在人的手掌上持续旋转的磁悬浮陀螺。

背景技术

目前，公知的各种陀螺品种繁多，五花八门，诸如儿童玩具陀螺、成人健身陀螺、齿条发条陀螺、电动陀螺、音乐炫光陀螺、磁悬浮陀螺等等，丰富了人类的文化生活。但它们都有一个共同特点，就是陀螺旋转所依托地面、盘面或者底座固定不动，陀螺在其上旋动或悬浮，欠缺随人而动的灵动性和表演性。其中的磁悬浮陀螺（如永磁悬浮飞碟专利号02261756.6）虽然玄妙好玩，但操作难度非常大，成功率很低，它也只能垂直悬浮，同时持续时间还较短。确有一种陀螺能在手持的钢丝轨道上旋转悬浮，但是把陀螺旋转轴线两个端点都通过磁体吸住（如魔力飞转陀螺专利号201420360161.7），这严格上说不是物理学力学意义上的陀螺；目前刚刚面世一种指尖陀螺很有创意，但缺少陀螺与陀盘同时互动的视觉冲击力与美感。

发明内容

为了克服现有的陀螺不能在手掌上旋转和悬浮、悬浮角度单一、不可持续旋转以及陀盘不运动的不足, 本实用新型提供了一种掌上磁悬浮陀螺，该陀螺不仅能实现依附在单手操作的陀盘上旋转和悬浮，并可随意呈现侧悬浮、倒悬浮等任意角度的悬浮状态，而且即使是在无源结构的情况下，就可维持陀螺持续性旋转。打破了以往陀螺只能在地上和手持双轨上悬浮旋转，或者只有陀螺运动，没有陀盘运动的定式，创造了陀盘参与运动与陀螺能同时互动的独特构造和全新模式，极富表演魅力，实现了陀螺体系陀螺构造的重大创新，填补了陀螺家族的空白。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本掌上磁悬浮陀螺，是指一个系统，这个系统包括掌上陀螺和掌上陀盘两部分，并且这两部分为各自独立的部分，之间不存在机械的连接，陀螺依附于掌中的陀盘展现旋转悬浮姿态，工作时只有陀螺的陀尖部分与陀盘的盘面相接触；其中：掌上陀螺为中部鼓隆向外边缘随半径增大渐扁薄，重心在旋转轴中心线上的流线圆滑圆形几何体，由陀尖、陀壳前部、磁环、陀壳后部、陀轴、转柄等组成并依次构合；掌上陀盘为扁平的圆形，盘面为带有少许凹陷的曲面，其半径远大于陀螺最大横截面半径，盘面边缘设置小于陀尖高度的圆滑阻挡棱，分别由盘面、磁环、陀盘后盖、握柄组成并依次构合；陀螺用磁环安装在陀螺中心部位与陀轴同心；陀盘用磁环安装在陀盘中心部位与盘面同心；陀螺用磁环和陀盘用磁环为异极对应。

悬浮陀螺首先要解决悬浮问题，陀螺相对于地面悬浮必需有一个克服由地心引力而产生的陀螺的重力的力，这个力本设计是通过陀螺和陀盘磁环异极对应，相吸引的作用力来实现的，故称磁悬浮，因为是持在手掌上故名掌上磁悬浮陀螺。

所述的陀螺用磁环和陀盘用磁环为轴向充磁的封闭园环柱形永磁体。取永磁体而不用电磁体，一是因为现代的永磁技术已发展到很高的水平，多种永磁材料的磁场强度都能满足制作本陀螺的要求，现有的钕铁硼、钐钴、铁氧体等材料的永磁体都可用之；二是既能节能又能降低制作成本还能延长使用寿命；取其轴向充磁是为容易达到扁平化设计，尤其是更适合陀螺在陀盘上悬浮旋转的力学要求及组装的结构要求。

实践证明，用多个小永磁体制作成环柱形点阵产生的磁效果和封闭园环柱形整块单独磁体相同。

本方案需要同时实现悬浮、旋转、持续旋转三项主要目标。这表面上看似乎很容易，实则不然，绝不是随便装上两块磁铁就能成为磁悬浮陀螺的。它是一个比较复杂的磁学、运动学和力学原理相结合的问题。

物体运动力学告诉我们：L=Jw（L 为角动量，J为转动惯量，w为角速度），J=∫r^2dm（J为转动惯量，r为质点到旋转轴的矢径，m为质量），M=Jβ（M为力矩，J为转动惯量，β为角加速度）；磁库仑定律告诉我们： F=k(qm1*qm2)/r^2（k是比例系数，与式中各量的单位选取有关，qm1、qm2表示极磁感强度，r为两个磁极间的距离）即：两个磁极间的引力或斥力的方向在两个磁极的连线上，大小跟它们的磁极强度的乘积成正比，跟它们之间距离的平方成反比。

遵循这些定律，沿着这些物理量之间关系的方向展开研究实验，达到了针对不同大小的陀螺，不同的永磁材料，确定磁体的大小，确定磁体的几何形状，确定磁体的半径的比例，调整为磁体之间最适当的距离，使引力的大小和范围恰到好处，陀螺才能实现持续旋转及侧悬浮和倒悬浮。

本新型很有含金量的重点之一是陀螺旋转具有可持续性（当然是指不用输入电能的可持续），本设计人曾很长时间认为陀螺旋转是不可持续的，后来惊喜地发现其可持续。能实现“可持续”三个字，是申请本专利的主要动因。

根据角动量守恒定理：旋转物体不受外力矩或和力矩为0，则物体保持旋转状态不变。但事实上陀螺在旋转时必然要产生与陀盘表面和空气的摩擦阻力矩，阻碍陀螺旋转而慢慢停下来，要使陀螺旋转不停下来就要不断给陀螺施加与摩擦阻力相反的动力矩，以产生角加速度，使陀螺加速旋转，旋转速度越快就旋转得就越稳，就可维持持续旋转。

维持陀螺持续旋转，本设计是通过确定陀尖的半球形状和适合的半径大小，在陀螺自转同时围绕陀盘中心做近似圆周的曲线运动时，间歇用手水平摇动陀盘，此时陀盘盘面与陀尖摩擦便给陀螺一个加速旋转的动力矩，从而维持陀螺的持续旋转。

设计陀盘盘面为圆形带有少许凹陷的曲面，是因为曲面能使陀螺在旋转时能产生一个指向盘心的力，在与磁力的共同作用下向盘心靠拢，盘面边缘设置小于陀尖高度的圆滑阻挡棱的要求，都是要更有利于控制陀螺在陀面上做自转和曲线运动。陀尖和陀盘都要求具备一定的光洁度和耐磨性。

陀壳是起骨架的支撑作用，用什么材料制作陀壳没有苛刻的要求，只要强度够、环保、制作工艺简单、成本低都可以采用。所以所述陀螺的陀尖、陀壳、转柄、陀轴和陀盘等都可采用金属、硬质塑料和复合材料制作。

部件间的组合没有固定的要求，可采用胶合或螺丝紧固等方法均可。

需要指出的是，陀螺和陀盘采用高导磁金属（如铁）制作外壳时应很薄，以防止产生过大的磁屏蔽作用削弱磁场强度，改变已调好的技术参数。

本陀螺作为献给人类的“美的使者”，为了锦上添花，使其具有听觉享受，视觉享受也多样化，让装饰更华美、动感更刺激。

本设计是融入一些现代化的时尚的元素，主要是把陀螺和陀盘两部分都置入有源（即需要电源供电）的结构。

对于陀螺，在磁环和陀壳后部之间加设电动机，改造为电动陀螺。为了增添使人愉悦的听觉效果，陀螺内可设置音乐模块；为了增添视觉炫酷效果，陀壳取透明材料制作或留有透光孔，在内部装入LED彩灯。

对于陀盘，可在陀盘盘面和永磁环之间增设传感脉冲电磁环模块，使其与永磁环磁极极性相反，电源开关设在握柄上较为方便。这个实际效果是在陀盘基本水平姿势时通电，电磁环能有节奏地给陀螺向上的推力，这是因为一个小小的电源也会产生很大的脉冲峰值电流和强磁场可瞬间覆盖永磁场，时而使陀螺在陀盘上蹦跳，翩翩起舞，仿佛微缩的冰上芭蕾。

在陀螺外表面可涂彩色夜光漆，即不刺眼，又有朦胧的夜光美，不耗电经济又实惠；将陀盘制作成镜面或在陀盘表面涂镜面反光漆，陀螺旋转的倒影会映在盘面上而增加美感。

前述的设计上陀盘盘面为圆形带有少许凹陷的曲面除力学要求外，让陀面产生曲线美也是题中应有之义。

所有用电部件都采用干电池或太阳能电池供电。

以上几项美化措施都是简便易行的方案，在无源设计基础上只要微调陀螺的陀轴、陀壳、陀盘等结构就可实现。所需部件音乐模块、LED彩灯、电动机和传感脉冲电磁环（可采用型号UNG3503线性霍尔传感器）、彩色夜光漆等市场都有售。

有取舍的差异化选置有源结构将会满足不同年龄段陀螺爱好者的需求。有源和无源结构可统一起来，有源结构关掉电源就是无源结构的陀螺，可灵活使用。

本实用新型的有益效果是，实现了陀螺依附在单手操作的陀盘上旋转和悬浮，旋转的陀螺可依附陀盘在三维空间任意翻转，陀螺总是保持与陀盘垂直的方向旋转，随意呈现侧悬浮、倒悬浮等任意角度的悬浮状态，而且即使是在无源结构的情况下，给陀螺初始捻转力旋转后，就可通过用手周复摇动陀盘控制陀螺持续地旋转。这对陀螺发展是颠覆性、革命性的突破，具有里程碑的意义。同时实现了有源和无源结构的统一，结构简单，操作简便，用途广泛。兼具灵活性、娱乐性、健身性于一体，老少皆宜，可作为玩具、教具和健身、减压器材使用。

附图说明

图1为掌上磁悬浮陀螺整体示意图。

图2为掌上磁悬浮陀螺陀螺部分结构示意图。

图3为掌上磁悬浮陀螺陀盘部分剖面图。

图4为掌上磁悬浮陀螺小磁体点阵永磁环结构图。

图中：1、陀螺；2、陀盘；3、陀尖；4、陀壳前部；5、陀螺磁环；6、陀轴；7、陀壳后部；8、转柄；9、陀盘盘面；10、圆滑阻挡棱；11、陀盘磁环窝巢；12、陀盘磁环；13、陀盘后盖；14、握柄；15、螺丝穿孔；16、螺丝；17、导磁环形基片；18、环形基片内孔；19、小磁体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：

参照如图1 所示，本实用新型包括陀螺1和陀盘2两部分，陀螺1依附于陀盘2盘面持续旋转，同时陀螺1随陀盘2而动，可展现三维空间任意方向的悬浮状态。

在如图所示的陀螺结构中，陀尖3是唯一与陀盘接触支撑陀螺旋转的部分，形状为半球形，参数与具体陀螺要求相匹配，内设螺纹；陀壳前部4圆形壳体中间设磁环窝巢、中心设穿陀轴孔直径与陀轴6相等，边缘设置内牙口；陀螺磁环5参数与具体陀螺要求相匹配，与陀壳前部4磁环窝巢形状和尺寸相吻合，镶嵌于其内，可用粘合剂粘牢；陀壳后部7圆形壳体中心设穿陀轴孔直径与陀轴6相等，边缘设置外牙口，直径以恰好能包围陀壳前部4内牙口为宜；转柄8是通过手指给陀螺施加初始旋转力的部件，圆形外有麻面内有螺纹；陀轴6与陀壳前部4陀壳后部7紧密配合，两端设置外螺纹，与陀尖3、转柄8内螺纹相咬合；将陀壳前部4与陀壳后部7牙口对齐合拢，成为陀螺1的骨架，通过穿陀轴孔穿入陀轴6，在陀壳前部一侧拧上陀尖3，陀壳后部7一侧拧上转柄8，便构成陀螺1。

在如图所示的陀盘结构中，陀盘盘面9是中间低外周略高的圆形曲面（平面也可以但表现效果次于曲面），设计为曲面是为使陀螺在围绕盘心公转时产生一个指向盘心的力，以更方便的维持陀螺持续的自转和公转，同时也为展现曲面之美；圆滑阻挡棱10是设在陀盘盘面9边缘的圆滑矮棱，当陀尖运转碰到此棱时给陀尖一个指向盘心的弹性力，使陀螺不致于轻易飞出陀盘；陀盘磁环12镶嵌于陀盘背面中部设置的陀盘磁环窝巢11中，可用粘合剂粘牢；其外壁设置四个内螺丝孔；陀盘后盖13与磁环窝巢11外壁等径，设有对应螺丝穿孔，将陀盘磁环12封于其内；握柄14设有螺丝穿孔15；螺丝16对陀盘后盖13及握柄14起紧固作用。将陀螺1的陀尖3置于陀盘2的盘面9中心，撵动陀螺转柄8，陀螺1旋转后间歇向陀螺旋转反向水平摇动陀盘2，陀螺1就可持续旋转，并可做出各种悬浮动作。

如图所示小永磁体点阵永磁环结构，导磁环形基片17的中心设置环形基片内孔18，若干小磁体19同极同向均匀分布于导磁环形基片17径面上外圆内，用强力胶粘牢，形成的环形点磁阵列与封闭磁环等效。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于，包括掌上陀螺和掌上陀盘两部分，并且这两部分为各自独立的部分，之间不存在机械的连接，陀螺依附于掌中的陀盘展现旋转悬浮姿态，工作时只有陀螺的陀尖部分与陀盘的盘面相接触；其中：掌上陀螺为中部鼓隆向外边缘随半径增大渐扁薄，重心在旋转轴中心线上的流线圆滑圆形几何体，由陀尖、陀壳前部、磁环、陀壳后部、陀轴、转柄等组成并依次构合；掌上陀盘为扁平的圆形，盘面为带有少许凹陷的曲面，其半径远大于陀螺最大横截面半径，盘面边缘设置小于陀尖高度的圆滑阻挡棱，分别由盘面、磁环、陀盘后盖、握柄组成并依次构合；陀螺用磁环安装在陀螺中心部位与陀轴同心；陀盘用磁环安装在陀盘中心部位与盘面同心；陀螺用磁环和陀盘用磁环为异极对应。

2.根据权利要求 1 所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：所述的陀螺用磁环和陀盘用磁环为轴向充磁的园环柱形永磁体。

3.根据权利要求 1 所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：所述的陀螺用磁环和陀盘用磁环为单独体或多个小永磁体围成环形的点磁阵列。

4.根据权利要求 1 所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：所述陀螺的陀尖、陀壳、转柄、陀轴和陀盘采用金属、硬质塑料或复合材料制作；陀盘盘面设有反射光线和非反射光线两种样式。

5.根据权利要求 1 所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：所述的陀螺用磁环和陀盘用磁环采用现有的钕铁硼、钐钴、铁氧体材料的永磁体。

6.根据权利要求 1 所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：掌上陀螺和掌上陀盘两部分采用有源结构，微调其无源陀螺的陀轴、陀壳结构，在磁环和陀壳后部之间加设电动机，成为电动陀螺；在陀壳内增设置音乐模块；将陀壳取透明材料制作或留有通透孔在内装入LED彩灯；陀螺外表面涂彩色夜光漆；在陀盘盘面和永磁环之间增设传感脉冲电磁环。

7.根据权利要求 6所述的一种掌上磁悬浮陀螺，其特征在于：所述的音乐模块、LED彩灯、电动机和传感脉冲电磁环用电部件，采用干电池或太阳能电池供电。