專利名稱：一種磁浮陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陀螺，特別涉及一種僅利用看不見(jiàn)的磁力懸浮于空中的陀螺。
技術(shù)背景
磁浮陀螺是一種包含許多物理知識(shí)的高科技玩具，也可以作為教具。其現(xiàn)象是一 個(gè)以小磁體為主要轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的旋轉(zhuǎn)著的陀螺，在沒(méi)有任何其他外力的支持下懸浮在一塊大 的基底磁體的上方達(dá)幾分鐘，令人稱奇。要指出的是，這種懸浮技術(shù)也應(yīng)用于有磁矩的單個(gè) 微觀粒子(例如中子，單個(gè)原子等)的捕獲，所以這種玩具的原理在物理學(xué)中也有其地位。
磁浮陀螺是美國(guó)人哈里根(見(jiàn)文獻(xiàn)1)經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)明的，在研發(fā)期間，許多 科學(xué)家勸其不要浪費(fèi)時(shí)間，說(shuō)這是不可能成功的。因?yàn)槎鹘B(Samuelfernshaw)早在1842 年就證明靜態(tài)磁懸浮不可能實(shí)現(xiàn)。這就是著名的恩紹大定理(Earnshaw theorem，見(jiàn)文獻(xiàn) 2)。但靜態(tài)磁懸浮畢竟太誘人了，沒(méi)上過(guò)大學(xué)的哈里根卻不信邪，堅(jiān)持試驗(yàn)，最后用讓陀螺 旋轉(zhuǎn)的方法在不違反恩紹大定理的情況下實(shí)現(xiàn)了懸浮。要指出的是，實(shí)現(xiàn)懸浮要滿足許多 條件陀螺在基底磁體上方幾十毫米的空中浮動(dòng)，但穩(wěn)定區(qū)域只有4毫米左右寬，陀螺必須 呆在這一看不見(jiàn)摸不著的狹小區(qū)域中才能穩(wěn)定懸浮。不僅如此，陀螺的重量必須精確到 左右，輕則飛出，重則落地。陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和磁矩必須合適，加之陀螺的懸浮力還隨環(huán)境 溫度的變化而變化，必須隨時(shí)調(diào)整。使用者還要學(xué)會(huì)在基底磁體強(qiáng)烈的磁傾覆力下把陀螺 轉(zhuǎn)到一定的轉(zhuǎn)速，快了慢了都不能穩(wěn)定。從這點(diǎn)看，哈里根先生真是高人。天知道他怎么能 在無(wú)數(shù)的失敗中找出這么多條件的成功組合。
有的專利提出，美國(guó)人尼爾是第一個(gè)發(fā)明磁懸浮的人(見(jiàn)文獻(xiàn)幻。這不符事實(shí)。 因?yàn)槟釥柌皇亲屒队写朋w的被懸浮的物體旋轉(zhuǎn)，而是緩慢旋轉(zhuǎn)基底磁體。這違反恩紹大定 理，被浮物必然傾覆而跌落。所以尼爾的專利是無(wú)法實(shí)施的。
接著，美國(guó)人威廉姆.霍恩(William G. Hones)和他的在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家 實(shí)驗(yàn)室工作的父親愛(ài)德華.霍恩(Edward W. Hones)對(duì)哈里根的發(fā)明作了改進(jìn)，并申請(qǐng)了專 利(見(jiàn)文獻(xiàn)4)。
在這里需要指出，在以前中請(qǐng)的專利中有許多錯(cuò)誤的觀點(diǎn)。例如
有的專利認(rèn)為下凹的碟形基底磁體產(chǎn)生使陀螺穩(wěn)定的向心力，這是誤解。事實(shí)是 3βχ/^Ζ (這里Z為垂直向上方向的坐標(biāo)，X為水平方向坐標(biāo)，Bx為磁通密度的水平分量， 5為偏微分算符)產(chǎn)生向心力，即是磁場(chǎng)的水平分量在垂直方向的梯度產(chǎn)生向心力，而不是 磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生向心力，因?yàn)橥勇菔亲鳛橐粋€(gè)磁偶極子懸浮在基底磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。
有的專利聲稱可以在被懸浮陀螺的下方接一個(gè)有長(zhǎng)的擺桿的擺可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸 浮，這是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橐策@違反恩紹大定理。
有的專利斷言，圓形周邊的餅狀基底磁體，不能使陀螺懸浮。這也不符合實(shí)實(shí)。文 獻(xiàn)[4]和我們的實(shí)驗(yàn)都證明圓形周邊的基底磁體和其他周邊形狀的磁體懸浮得一樣好。
有的專利聲稱，配重片必須用非磁性材料，我們的實(shí)驗(yàn)證明，用鐵磁性材料的配重 片懸浮效果也很好。
有的專利還用數(shù)學(xué)證明，被懸浮的磁體(本專利中稱陀螺磁體)一定要是環(huán)形的， 且其內(nèi)徑必須大于20毫米。我們的實(shí)驗(yàn)證明，不存在這種限制，即使內(nèi)徑為零，也一樣能懸浮。
有的將基底磁體的磁場(chǎng)的中央弱化作為獨(dú)立權(quán)項(xiàng)來(lái)申請(qǐng)專利。這是不合理和不合 法的。原因有三
因?yàn)槿魏我粔K多邊形或圓形平面磁體，只要其厚度小于對(duì)角線或直徑，則在均勻 磁場(chǎng)中充磁后，由于退磁效應(yīng)，中央的磁通密度必然小于其外圍區(qū)域。也就是說(shuō)，多邊形或 圓形平面磁體的中央磁場(chǎng)的弱化是磁體的物理特性，不是一種結(jié)構(gòu)上的發(fā)明。
哈里根在他的專利(文獻(xiàn)1，見(jiàn)說(shuō)明書第一頁(yè)的倒數(shù)第6行)中已指出，在一些實(shí) 施例中，中央磁通密度的弱化是優(yōu)先選擇的方案。所以，基底磁體的中央弱化，已是前人公 開(kāi)的技術(shù)。
文獻(xiàn)6的作者于1997年就指出，美國(guó)某家公司生產(chǎn)的磁浮陀螺的基底磁體的磁場(chǎng) 是中央弱化的。所以，有人在2005年再以基底磁體中央弱化作為獨(dú)立權(quán)項(xiàng)申請(qǐng)專利是將前 人的已公開(kāi)的專利內(nèi)容再次申請(qǐng)專利。
除了上述問(wèn)題外，現(xiàn)在市面上流行的磁浮陀螺也存在一些缺點(diǎn)。
第一，一般的懸浮高度不足30毫米，懸浮效果不夠明顯。若要稍微增加懸浮高度， 則要大幅度增加基底磁體的體積。以致在價(jià)格上難以承受，攜帶和操作都不方便。
第二，用手在托板上起轉(zhuǎn)十分困難，這是阻礙這種高科技玩具推廣的最大因素。這 有兩方面的原因首先是單塊基底磁體難以形成較大的向心力空間，以致難以先使陀螺在 托板上做到穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)；其次是現(xiàn)有的磁浮陀螺都用橡膠圈來(lái)固定配重片，但是橡膠圈只 產(chǎn)生徑向力，沒(méi)有軸向力。原則上只能阻止配重片滑出轉(zhuǎn)柄，而不能壓緊配重片，因而在起 轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)動(dòng)了，配重片卻滯后，發(fā)出沙沙聲，這也顯著增加了起轉(zhuǎn)的難度。
第三，對(duì)初次接觸磁浮陀螺的人來(lái)說(shuō)，判斷和找到正確的配重既費(fèi)時(shí)又十分困難。 這使許多玩者半途放棄。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的是在基底磁體用量增加很少的情況下，用基底磁體組代替 單塊基底磁體，從而獲得懸浮高度更高，起轉(zhuǎn)更容易，懸浮時(shí)間更長(zhǎng)、穩(wěn)定性更好的基底磁 體組合系統(tǒng)。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是使操作變得容易。因?yàn)椴僮骼щy是阻礙本磁浮陀螺推廣的 最大原因，使磁浮陀螺的操作變得容易大大有利本玩具的推廣。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種磁懸浮陀螺，包括基底磁體組、磁體盒、磁體盒下蓋、磁 場(chǎng)方向調(diào)節(jié)螺絲、托板、陀螺磁體、陀螺轉(zhuǎn)柄、若干配重片及壓緊螺母，基底磁體組由在上面 的多邊形的或圓形的平面磁體和在下面的環(huán)形磁體同心疊合而成，平面磁體和環(huán)形磁體的 磁化方向相同；懸浮在基底磁體組上方的陀螺的陀螺磁體和配重片套在有螺紋的陀螺轉(zhuǎn)柄 上，由壓緊螺母將配重片和陀螺磁體緊固于陀螺轉(zhuǎn)柄上。
下面對(duì)以上技術(shù)方案作進(jìn)一步闡述
陀螺磁體的形狀為一內(nèi)孔大小不限的環(huán)狀磁體或者一中心無(wú)孔的圓餅狀磁體。
基底磁體組中的環(huán)形磁體的外徑與多邊形的平面磁體的對(duì)角線或圓形的平面磁體的直徑之比為5-0. 2。
優(yōu)選的范圍是基底磁體組中的環(huán)形磁體的外徑與多邊形的平面磁體的對(duì)角線或 圓形的平面磁體的直徑之比為1. 5-0. 6。
環(huán)形磁體的內(nèi)徑與陀螺磁體的外徑之比為0. 5-10。
優(yōu)選的范圍是環(huán)形磁體的內(nèi)徑與陀螺磁體的外徑之比為1-4。
環(huán)形磁體的厚度與多邊形平面磁體或圓形平畫磁體的厚度之比為0. 1-10。
優(yōu)選的范圍是環(huán)形磁體的厚度與多邊形平面磁體或圓形平畫磁體的厚度之比為 0.3-3。
本發(fā)明有如下的有益效果
加環(huán)形磁體后明顯地增加了陀螺的懸浮高度。本發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)單使用方 塊磁體(每塊重485克)作基底磁體時(shí)，五塊磁體的平均懸浮高度為25. 2毫米，在下面貼 上環(huán)形磁體(重47.3克)后，這五個(gè)基底磁體組的平均懸浮高度為31.0毫米。所以，增加 9. 8%的磁環(huán)重量，使懸浮高度增加23%。本發(fā)明人測(cè)量了卻；c/3Z-Z曲線(Z為垂直方向 坐標(biāo)，即高度)。從卻X/3Z-Z曲線簇看，加了磁環(huán)以后，卵χ/況為正值的高度范圍明顯增 加了 ；而在XY平面(水平面)為正的范圍擴(kuò)大了，數(shù)值(指正值)也明顯增大。 在Z方向卻χ/3Ζ為正的范圍的增加(結(jié)合正表征了懸浮高度的增加；而朋x/3Z 為正值的范圍和數(shù)值的增加表征了磁浮陀螺在各個(gè)高度上穩(wěn)定性的增加，從而減輕了再托 板上起轉(zhuǎn)的難度。如果用增加單塊基底磁體的厚度的辦法來(lái)增加同樣的懸浮高度和相同的 穩(wěn)定度，則基底磁體的質(zhì)量要成倍的增加。
實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這個(gè)的有益效果因?yàn)槟苁雇勇菰谕邪迳戏€(wěn)定旋轉(zhuǎn)的托板厚度有一 定的范圍，我們以這個(gè)范圍的大小來(lái)部分衡量其穩(wěn)定性。上述五塊磁體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是單 塊方塊磁體的平均穩(wěn)定范圍為6. 4毫米；加上磁環(huán)后的平均穩(wěn)定范圍是9. 4毫米。增加了 47%。另一個(gè)表現(xiàn)是陀螺懸浮時(shí)對(duì)基底磁體的傾斜不再敏感。
1)本發(fā)明用壓緊螺母代替橡膠圈使操作變得容易。因?yàn)榇鸥⊥勇莸牟僮鞒绦蚴?在陀螺懸浮之前，先要使陀螺在托板上穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)，然后用托板將陀螺提升至穩(wěn)定懸浮點(diǎn)。 本發(fā)明以螺絲和螺母替代了以前的橡膠圈將配重片緊固于轉(zhuǎn)柄上，這有兩個(gè)方面使操作容 易。首先，螺絲和螺母有軸向壓力，這使被懸浮的陀螺整體更緊固，不會(huì)產(chǎn)生配重片的轉(zhuǎn)動(dòng) 滯后于陀螺的現(xiàn)象，使陀螺在托板上起轉(zhuǎn)更容易；其次，尋找準(zhǔn)確的配重對(duì)初次接觸磁浮陀 螺的人來(lái)說(shuō)也是既費(fèi)時(shí)又困難的任務(wù)。采用螺母緊固配重片后，可以在出廠前將配重調(diào)好， 用螺母緊固，使玩者在操作時(shí)只需微調(diào)，使操作大為容易(若用橡膠圈，因?yàn)橄鹉z圈易老 化，廠家要求不玩時(shí)將橡膠圈從轉(zhuǎn)柄上取下，故出廠時(shí)不能將配重片調(diào)節(jié)好，并用橡膠環(huán)固 定之)。
3)延長(zhǎng)了懸浮時(shí)間。這是穩(wěn)定性提高后帶來(lái)的附帶好處。
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圖標(biāo)說(shuō)明10基底總成，11磁體盒，12磁體盒下蓋，13基底磁體組，14平面磁體， 15環(huán)形磁體，16、17螺絲，18支腿，19托板；20陀螺總成，21陀螺轉(zhuǎn)柄，22陀螺磁體，23配重 片，M螺紋，25陀螺尖J6壓緊螺母。


圖1為磁浮陀螺懸浮時(shí)的情況，10為基底總成，20為陀螺總成，19為托板，C為陀 螺軸線和磁體盒的交點(diǎn)。
圖2為基底總成，下面為俯視圖，上面為沿A-A線的剖視圖。11為磁體盒，12為磁 體盒下蓋，13為基底磁體組，14為平面磁體，15為環(huán)形磁體。多邊形(或圓形)平面磁體 14和環(huán)形磁體15封閉在磁體盒11和磁體盒下蓋12形成的空間內(nèi)。螺絲16和螺絲17為 調(diào)節(jié)基底磁體組磁場(chǎng)方向的螺絲，18為支腿。
圖3基底磁體組13的排布圖。基底磁體組13包括多邊形或圓形平面磁體14和 磁環(huán)15，環(huán)形磁體15在多邊形(或圓形)平面磁體14的下方。這種結(jié)構(gòu)使懸浮高度和穩(wěn) 定性明顯增加。
圖4陀螺總成的軸剖面圖，20表示陀螺總成，21為陀螺轉(zhuǎn)柄，22為陀螺磁體，23為 配重片，M為的螺紋，25為陀螺尖，26為壓緊螺母。壓緊螺母沈和螺紋M的配合使整個(gè)陀 螺成為緊固的整體，易于在托板19上起轉(zhuǎn)。
圖5為陀螺轉(zhuǎn)柄21的軸剖面圖，21為陀螺轉(zhuǎn)柄，24為螺紋，25為陀螺尖。 具體實(shí)施例
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
圖1是磁浮陀螺在懸浮時(shí)的情況。陀螺總成20在基底總成10的上方旋轉(zhuǎn)并懸浮 在基底總成10的上方，其三維懸浮完全由磁力來(lái)完成，沒(méi)有任何其他支撐。圖中19是托板。 操作時(shí)先用手將陀螺在托板19上快速旋轉(zhuǎn)，由于基底磁場(chǎng)對(duì)陀螺施加有向心力，故陀螺會(huì) 在基底磁體組13中央穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。接著借助托板19將陀螺緩緩抬升，當(dāng)接近懸浮點(diǎn)時(shí)陀 螺會(huì)從托板19跳起而懸浮于空中。
本實(shí)施例由兩部分組成基底總成10和陀螺總成20。
基底總成10包括磁體盒11，磁體盒下蓋12，基底磁體組13 (基底磁體組13包括多 邊形或圓形平面磁體14和環(huán)形磁體1 和托板19組成。磁體盒蓋12上有一個(gè)不可調(diào)支 腿18和兩個(gè)可調(diào)螺絲16、17，這三者呈三角形排布并支撐整個(gè)基底總成10。兩個(gè)螺絲16、 17用來(lái)調(diào)節(jié)基底磁體的磁場(chǎng)方向。基底磁體組13由多邊形或圓形周邊的平面磁體14和環(huán) 形磁體15同心疊合而成，兩者的磁化方向相同且垂直于平面。這種組合磁體只增加一個(gè)簿 磁環(huán)，卻顯著增加了陀螺的懸浮高度和懸浮的穩(wěn)定性，并使陀螺在托板19上容易起轉(zhuǎn)。磁 體盒11和磁體盒下蓋12是為了將基底磁體組13包住，以增加美觀和避免基底磁體組13 被碰環(huán)。托板19是提升陀螺用的先將托板19放在基底磁體盒11上，讓陀螺以陀螺尖25為定點(diǎn)在托板19上穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。緩緩提升托板19，接近懸浮點(diǎn)時(shí)，陀螺會(huì)自動(dòng)跳起并懸浮 在空中。這時(shí)托板19的任務(wù)已完成，可以拿走。要避免用導(dǎo)電和導(dǎo)磁的材料來(lái)做托板19。
本實(shí)施例的陀螺總成20由陀螺轉(zhuǎn)柄21，陀螺磁體22，配重片23和壓緊螺母沈組 成。25為陀螺轉(zhuǎn)柄上的陀螺尖，陀螺轉(zhuǎn)柄21上有與壓緊螺母沈相配的螺紋24，以便將陀 螺磁體22和配重片23緊固到陀螺轉(zhuǎn)柄21上。陀螺磁體22是一個(gè)磁偶極子。所以本實(shí)施 例的物理圖像是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺磁體22在一個(gè)尺度較大的基底磁體組13產(chǎn)生的磁 場(chǎng)中懸浮。在懸浮時(shí)基底磁體組13和陀螺磁體的磁化方向是相反(即相斥)的。
本實(shí)施例中的配重片用金屬片(包括鐵片)和塑料片搭配使用。質(zhì)量大的用金屬 片或鐵片，質(zhì)量小的如用金屬片或鐵片則太簿，邊緣大鋒利，故改用密度較小的塑料片。
為減少初次接觸磁浮陀螺的人的操作困難，在出廠之前，本實(shí)施例將每個(gè)陀螺的 配重片大致配好，并用壓緊螺母26固定，玩的人只要微調(diào)配重片23即可實(shí)現(xiàn)懸浮。若用橡 膠圈來(lái)固定配重片23則難以辦到這一點(diǎn)，因?yàn)橐蟛煌鏁r(shí)將橡膠圈從陀螺轉(zhuǎn)柄21上取下， 以免時(shí)間久了失去彈性。
實(shí)施例2
本實(shí)施例中將基底磁體組13的多邊形磁體14和環(huán)形磁體15在生產(chǎn)時(shí)做成為一 體。其余的同實(shí)施例1
實(shí)施例3
當(dāng)用實(shí)心的陀螺磁體22時(shí)，將圖4中的陀螺轉(zhuǎn)柄21的陀螺尖25沿D-D切下，裝 在陀螺磁體22的下方，剩下的陀螺轉(zhuǎn)柄21部分裝在陀螺磁體22的上方。其他的同實(shí)施例 1。
根據(jù)上述說(shuō)明書的揭示和教導(dǎo)，本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方 式進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏托薷?。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式
，對(duì)本 發(fā)明的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，盡管本說(shuō)明書 中使用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但這些術(shù)語(yǔ)只是為了方便說(shuō)明，并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成任何限制。權(quán)利要求
1.一種磁懸浮陀螺，包括基底磁體組、磁體盒、磁體盒下蓋、磁場(chǎng)方向調(diào)節(jié)螺絲、托板、 陀螺磁體、陀螺轉(zhuǎn)柄、若干配重片及壓緊螺母，其特征在于基底磁體組由在上面的多邊形 的或圓形的平面磁體和在下面的環(huán)形磁體同心疊合而成，平面磁體和環(huán)形磁體的磁化方向 相同；懸浮在基底磁體組上方的陀螺的陀螺磁體和配重片套在有螺紋的陀螺轉(zhuǎn)柄上，由壓 緊螺母將配重片和陀螺磁體緊固于陀螺轉(zhuǎn)柄上。
2.根據(jù)如權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于陀螺磁體的形狀為一內(nèi)孔 大小不限的環(huán)狀磁體或者一中心無(wú)孔的圓餅狀磁體。
3.根據(jù)如權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于基底磁體組中的環(huán)形磁體 的外徑與多邊形的平面磁體的對(duì)角線或圓形的平面磁體的直徑之比為5-0. 2。
4.根據(jù)如權(quán)利要求3所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于基底磁體組中的環(huán)形磁體 的外徑與多邊形的平面磁體的對(duì)角線或圓形的平面磁體的直徑之比為1. 5-0. 6。
5.根據(jù)如權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于環(huán)形磁體的內(nèi)徑與陀螺磁 體的外徑之比為0. 5-10。
6.根據(jù)如權(quán)利要求5所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于環(huán)形磁體的內(nèi)徑與陀螺磁 體的外徑之比為1-4。
7.根據(jù)如權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于環(huán)形磁體的厚度與多邊形 平面磁體或圓形平畫磁體的厚度之比為0.1-10。
8.根據(jù)如權(quán)利要求7所述的一種磁懸浮陀螺，其特征在于環(huán)形磁體的厚度與多邊形 平面磁體或圓形平畫磁體的厚度之比為0. 3-3。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種磁懸浮陀螺，涉及玩具陀螺，尤其涉及一種利用磁力懸浮于空中的陀螺；包括基底磁體組、磁體盒、磁體盒下蓋、磁場(chǎng)方向調(diào)節(jié)螺絲、托板、陀螺磁體、陀螺轉(zhuǎn)柄、若干配重片及壓緊螺母；基底磁體組由在上面的多邊形平面磁體或圓形平面磁體和在下面的環(huán)形磁體同心疊合而成，平面磁體和環(huán)形磁體的磁化方向相同；懸浮在基底磁體組上方的陀螺的陀螺磁體和配重片套在有螺紋的陀螺轉(zhuǎn)柄上，由壓緊螺母將配重片和陀螺磁體緊固于陀螺轉(zhuǎn)柄上；其有益效果是使得磁懸浮陀螺操作容易、懸浮高度高，時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)A63H1/00GK102029072SQ20101051705
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者陸美娟 申請(qǐng)人:陸美娟