[發明專利]一種掌上磁懸浮陀螺

在審

• 申請號: 201710957494.6
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107441720A
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 馬軼喬;王元博;王沛卓;王煜彬
• 申請（專利權）人: 王沛卓
• 主分類號: A63H1/00
• 分類號: A63H1/00;A63H29/22;A63H33/26;A63H1/28;A63H1/24;A63H1/22
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技術領域

本發明涉及一種陀螺，尤其是能在人的手掌上持續旋轉的磁懸浮陀螺。

背景技術

目前，公知的各種陀螺品種繁多，五花八門，諸如兒童玩具陀螺、成人健身陀螺、齒條發條陀螺、電動陀螺、音樂炫光陀螺、磁懸浮陀螺等等，豐富了人類的文化生活。但它們都有一個共同特點，就是陀螺旋轉所依托地面、盤面或者底座固定不動，陀螺在其上旋動或懸浮，欠缺隨人而動的靈動性和表演性。其中的磁懸浮陀螺（如永磁懸浮飛碟專利號02261756.6）雖然玄妙好玩，但操作難度非常大，成功率很低，它也只能垂直懸浮，同時持續時間還較短。確有一種陀螺能在手持的鋼絲軌道上旋轉懸浮，但是把陀螺旋轉軸線兩個端點都通過磁體吸住（如魔力飛轉陀螺專利號201420360161.7），這嚴格上說不是物理學力學意義上的陀螺；目前剛剛面世一種指尖陀螺很有創意，但缺少陀螺與陀盤同時互動的視覺沖擊力與美感。

發明內容

為了克服現有的陀螺不能在手掌上旋轉和懸浮、懸浮角度單一、不可持續旋轉以及陀盤不運動的不足, 本發明提供了一種掌上磁懸浮陀螺，該陀螺不僅能實現依附在單手操作的陀盤上旋轉和懸浮，并可隨意呈現側懸浮、倒懸浮等任意角度的懸浮狀態，而且即使是在無源結構的情況下，就可維持陀螺持續性旋轉。打破了以往陀螺只能在地上和手持雙軌上懸浮旋轉，或者只有陀螺運動，沒有陀盤運動的定式，創造了陀盤參與運動與陀螺能同時互動的獨特構造和全新模式，極富表演魅力，實現了陀螺體系陀螺構造的重大創新，填補了陀螺家族的空白。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：本掌上磁懸浮陀螺，是指一個系統，這個系統包括陀螺和掌上陀盤兩部分。掌上陀螺的結構為陀尖、陀殼前部、磁環、陀殼后部、陀軸、轉柄等依次構合；掌上陀盤為具有握柄和盤面的盤殼內部中心鑲定磁環。

懸浮陀螺首先要解決懸浮問題，陀螺相對于地面懸浮必需有一個克服由地心引力而產生的陀螺的重力的力，這個力本發明是通過陀螺和陀盤磁環異極對應，相吸引的作用力來實現的，故稱磁懸浮，因為是持在手掌上故名掌上磁懸浮陀螺。。

所述的磁環為軸向充磁的封閉園環柱形永磁體。取永磁體而不用電磁體，一是因為現代的永磁技術已發展到很高的水平，多種永磁材料的磁場強度都能滿足制作本陀螺的要求，現有的釹鐵硼、釤鈷、鐵氧體等材料的永磁體都可用之；二是既能節能又能降低制作成本還能延長使用壽命；取其軸向充磁是為容易達到扁平化要求，尤其是更適合陀螺在陀盤上懸浮旋轉的力學要求及組裝的結構要求。

實踐證明，用小磁體制作成環柱形點陣產生的磁效果和封閉園環柱形整塊磁體相同。

本方案需要同時實現懸浮、旋轉、持續旋轉三項主要目標。這表面上看似乎很容易，實則不然，絕不是隨便裝上兩塊磁鐵就能成為磁懸浮陀螺的。它是一個比較復雜的磁學、運動學和力學原理相結合的問題。

物體運動力學告訴我們：L=Jw（L 為角動量，J為轉動慣量，w為角速度），J=∫r^2dm（J為轉動慣量，r為質點到旋轉軸的矢徑，m為質量），M=Jβ（M為力矩，J為轉動慣量，β為角加速度）；磁庫侖定律告訴我們：F=k(qm1*qm2)/r^2（k是比例系數，與式中各量的單位選取有關，qm1、qm2表示極磁感強度，r為兩個磁極間的距離）即：兩個磁極間的引力或斥力的方向在兩個磁極的連線上，大小跟它們的磁極強度的乘積成正比，跟它們之間距離的平方成反比。

遵循這些定律，沿著這些物理量之間關系的方向展開研究實驗，達到了針對不同大小的陀螺，不同的永磁材料，確定磁體的大小，確定磁體的幾何形狀，確定磁體的半徑的比例，調整為磁體之間最適當的距離，使引力的大小和范圍恰到好處，陀螺才能實現持續旋轉及側懸浮和倒懸浮。

本發明很有含金量的重點之一是陀螺旋轉具有可持續性（當然是指不用輸入電能的可持續），本設計人曾很長時間認為陀螺旋轉是不可持續的，后來驚喜地發現其可持續。能實現“可持續”三個字，是申請本專利的主要動因。

根據角動量守恒定理：旋轉物體不受外力矩或和力矩為0，則物體保持旋轉狀態不變。但事實上陀螺在旋轉時必然要產生與陀盤表面和空氣的摩擦阻力矩，阻礙陀螺旋轉而慢慢停下來，要使陀螺旋轉不停下來就要不斷給陀螺施加與摩擦阻力相反的動力矩，以產生角加速度，使陀螺加速旋轉，旋轉速度越快就旋轉得就越穩，就可維持持續旋轉。

維持陀螺持續旋轉，本設計是通過確定陀尖的半球形狀和適合的半徑大小，在陀螺自轉同時圍繞陀盤中心做近似圓周的曲線運動時，間歇用手水平搖動陀盤，此時陀盤盤面與陀尖摩擦便給陀螺一個加速旋轉的動力矩，從而維持陀螺的持續旋轉。