自勵式電磁驅動陀螺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種陀螺，特別涉及一種能夠依靠陀螺本身激勵的電磁驅動陀螺。本實用新型通過陀螺本體內部封裝的條形永磁體隨陀螺在底座上表面起轉后產生的變化的磁場來激發底座下面自勵式驅動電路中各個開關元件的導通與關斷，從而使電路中驅動繞組產生正確的電流，在底座上表面中心處產生相應極性的磁場，該磁場反過來對上述條形永磁體產生力矩的作用，該力矩方向與陀螺旋轉的方向相同，從而抵消因摩擦所損耗的動能，維持陀螺的持續轉動。同時，該實用新型還進一步增設了高低速模式選擇開關，該開關可以改變陀螺本體每旋轉一周電磁脈沖力矩的次數，從而改變穩態時陀螺的轉速。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種陀螺，特別涉及一種能夠依靠陀螺本身激勵的電磁驅動陀 螺。 自勵式電磁驅動陀螺
【背景技術】
[0002] 陀螺作為一種古老的玩具深受人們的喜愛。傳統的陀螺在手動起轉后要依靠小的 鞭子持續地沿陀螺旋轉的方向抽動才能保持其持續旋轉。現代，很多人對陀螺的驅動方式 進行了改進，電磁驅動是采用較多的一種。在制作陀螺時將一個永磁體對稱地封入陀螺中， 陀螺下面的底座下通過機械的方式或電氣的方式產生旋轉磁場，通過旋轉磁場對陀螺中永 磁體的作用保持陀螺持續旋轉。采用這種驅動方式的不足之處主要有兩點：首先，陀螺要 按照旋轉磁場的方向起轉，這無疑會降低玩具的趣味性。其次，如果陀螺停止轉動或者被取 走，但沒有關閉上述機械或電氣驅動裝置時，還會消耗一定的能量，從而縮短電池的使用壽 命。
【發明內容】
[0003] 為了克服上述電磁驅動陀螺的不足，提供一種自勵式電磁驅動陀螺，并增設了高 低速模式的選擇功能。
[0004] 本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：包括陀螺本體和底座，所述的 陀螺本體內部封裝有一個條形的永磁體，永磁體與陀螺軸向垂直關于陀螺本體中心對稱； 所述底座上表面是一個圓形凹面，凹面中心處有一個小的圓形凸起，底座內部設置有由電 池、晶體管、帶鐵芯的線圈構成的自勵式驅動電路。所述的陀螺本體通過手動在底座凹面上 起轉后，其內部的永磁體會產生旋轉磁場，當永磁體N極離凹面中心點較近時，并且仍在靠 近時，使底座內帶鐵芯的線圈內產生感應電動勢，并使相應的晶體管導通，從而線圈有電流 流過，并且根據右手定則電流使鐵芯上端的磁極性為S，根據不同磁極相吸的原理對永磁體 產生與其轉動方向相同的力矩。當永磁體N極離凹面中心點較近但正在遠離時，底座內帶 鐵芯的線圈內產生的感應電動勢使相應的晶體管導通，使線圈有電流流過，使鐵芯上端的 磁極性為N，根據同磁極相斥的原理，仍然對永磁體產生與其轉動方向相同的力矩。當永磁 體S極離凹面中心點較近，工作原理情況類似，不再累述。
[0005] 所述底座的上表面是一個直徑為0. 2m，曲率為2ΠΓ1的圓形凹面，這樣可以使旋轉 中的陀螺向圓形凹面的中心靠近，從而產生足夠大的感應電動勢使晶體管導通，同時保證 線圈產生的磁場對陀螺中永磁體產生較大的作用力矩。
[0006] 所述底座上表面中心處有一個小的圓形凸起，確保陀螺不能在凹面中心處旋轉， 從而保證不會出現永磁體的N極和S極與中心點距離相等或上述距離不發生變化的情況， 上述情況會導致線圈中沒有感應電動勢，從而無法驅動晶體管導通。
[0007] 所述自勵式驅動電路包括帶鐵芯的線圈L，電阻R1和R2,晶體管T1、T2、T3和T4， 電池和開關Κ。
[0008] 所述的帶鐵芯的線圈L的繞組分為三個部分，中間部分為驅動繞組，當相應的晶 體管導通時產生某一極性的磁場，從而對陀螺中的永磁體近端磁極施加拉力或推力；上下 兩個繞組部分為感應繞組，當陀螺中永磁體近端磁極接近或離開時，使感應線圈中產生相 應的感應電動勢，保證晶體管按正確的順序導通和關閉，從而線圈上方產生正確的極性。
[0009] 所述帶鐵芯的線圈L，在位置上要緊貼著底座上表面，保證感應繞組能夠得到做夠 大的感應電動勢，同時保證驅動繞組產生的磁場對陀螺中永磁體力的作用足夠大。
[0010] 所述的晶體管在電路中的連接方式如下：晶體管τι、T2、T3和T4構成橋式結構， T2集電極與開關K串聯后與T1集電極相并聯后接于電池 E的正極；T3和T4采用共發射極 連接，然后接于電池的負極；T1和T3橋臂的輸出端連接到驅動繞組的上端，T2和T4橋臂的 輸出端連接到驅動繞組的下端；線圈L上端感應繞組輸出端通過R1接于T2和T3的基極， 下端感應繞組輸出端通過R2接于T1和T4的基極。
[0011] 所述的自勵式驅動電路的開關K，可以使陀螺旋轉在高速、低速兩種模式下，當K 斷開時，驅動線圈只在N極靠近或S極離開中心點時，在其上端產生單一極性S極，陀螺每 轉一周產生兩個磁驅動脈沖；當K閉合時，N極靠近或S極離開中心點時，驅動線圈上端產 生S極磁脈沖，S極靠近或N極離開中心點時，驅動線圈產生N極磁脈沖，因此陀螺每轉一 周產生四個驅動脈沖，從而陀螺的穩態轉速更高。
[0012] 所述的自勵式驅動電路在陀螺沒有在底座上轉動的情況下，其4個晶體管都不會 導通，因此電路中沒有電流，因此電池沒有能量損耗。
[0013] 本實用新型的有益效果是：不論初始旋轉方向如何，只要陀螺在底座上起轉，底座 下面的自勵式電磁驅動裝置便會對其施加與其現轉速相同脈沖力矩，從而維持陀螺的持續 轉動；當陀螺被取走或因為某種原因停止轉動時，電磁驅動電路會停止工作，因此可以有效 地節省能量，延長電池使用壽命；開關K的閉合和斷開可以有效地將陀螺的穩態旋轉方式 在高速和低速模式間切換，進一步增加游戲的趣味性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是本實用新型【具體實施方式】的結構示意圖。
[0015] 圖中標記說明：1.陀螺本體，2.條形永磁體，3.底座，4.底座凹面的中心凸起， 5.驅動繞組，6.上端感應繞組，7.下端感應繞組，8.開關K，9.電池。
【具體實施方式】
[0016] 如圖1所示，本實用新型包括陀螺本體1和底座3。關于陀螺本體1回轉中心對 稱放有一條形永磁體2,其橫截面積可以是圓形、方形或其它多邊形。底座3上表面是一個 直徑為0. 2m，曲率為2ΠΓ1的圓形凹面，中心處有一個小的圓形凸起4。底座內部的自勵式電 磁驅動電路中的帶鐵芯的感應線圈L的軸線垂直穿過底座3上表面中心處，線圈L分為三 個同軸繞組，繞線方向一致，分別是：上端感應繞組6、驅動繞組5和下端感應繞組7。線圈 L的繞線方向根據右手法則進行確定，使得當電流從線圈同名端流入時，線圈的上端極性是 S。晶體管T1、T2、T3和T4構成橋式結構，T2集電極與開關K串聯后與T1集電極相并聯后 接于電池9的正極。Τ3和Τ4采用共發射極連接，然后接于電池9的負極。Τ1和Τ3橋臂的 輸出端連接到驅動繞組5上端的抽頭引線，Τ2和Τ4橋臂的輸出端連接到驅動繞組5下端 的抽頭引線。上端感應繞組6的上端引線通過R1接于T2和T3的基極，下端感應繞組7的 下端引線通過R2接于Τ1和Τ4的基極。
[0017] 當陀螺本體1在底座3上表面起轉后，由于中心凸起4的存在，陀螺本體1的中心 軸不會在上表面的中心處重合，從而保證陀螺本體1中的條形永磁體2的Ν極和S極交替地 作為底座3上表面中心處較近的一極，并且經歷接近該中心處和遠離該中心處兩個階段。
[0018] 設某一時刻條形永磁體2的Ν極距中心處較近，并且處于持續接近的狀態。向下 穿過線圈L的磁通量會增加，根據電磁感應定律，下端感應繞組7的下端引線處感應出正的 電動勢，從而使Τ1和Τ4導通，此時驅動繞組5中的電流從同名端流入，在線圈L上方產生 S極，根據不同磁極相吸的原理，對Ν極正在靠近中心處的永磁體2產生與陀螺本體1旋轉 方向相同的力矩。
[0019] 當上述永磁體2的Ν極轉過最近點開始遠離中心點時，向下穿過線圈L的磁通量 會減少，根據電磁感應定律，上端感應繞組6的上端引線處會感應出正的電動勢，當Κ閉合 時，會使Τ2和Τ3導通，此時驅動繞組5中的電流從同名端流出，在線圈L上方產生Ν極，根 據同磁極相斥的原理，對Ν極正在遠離中心處的永磁體2仍然產生與陀螺本體1旋轉方向 相同的力矩。而當Κ斷開時，所有晶體管都不會導通，從而不會對陀螺本體1產生力矩作用。
[0020] 當條形永磁體2的S極距中心處較近時，S極的接近與遠離過程陀螺本體1的受力 情況與上述條形永磁體2 Ν極的遠離和接近過程陀螺本體1的受力情況一致，S卩：條形永磁 體2的S極接近中處時，當K閉合時，陀螺本體受到與其旋轉方向相同的力矩，K斷開時，不 受到任何力矩；條形永磁體2的S極遠離中處時，陀螺本體受到與其旋轉方向相同的力矩。
[0021] 根據上述分析，當K閉合時，陀螺本體1每轉一周受到四次沿陀螺本體1旋轉方向 相同的脈沖力矩，從而保證穩態時陀螺本體1維持在一個較高的轉速下。當K斷開時，陀螺 本體1每轉一周受到兩次沿陀螺本體1旋轉方向相同的脈沖力矩，從而保證穩態時陀螺本 體1維持在一個稍低的轉速下。
[0022] 根據上述分析，當陀螺本體1被取走或者沒有起轉的情況下，線圈L中沒有感應電 動勢，四只晶體管都不會導通，線圈中沒有電流，電池的能量不會發生損耗。
【權利要求】
1. 一種自勵式電磁驅動陀螺，包括陀螺本體和底座，所述的陀螺本體內部封裝有一個 條形的永磁體，永磁體與陀螺軸向垂直關于陀螺本體中心對稱，所述底座的上表面是一個 圓形凹面，凹面中心處有一個小的圓形凸起，底座內部設置有由電池、晶體管、帶鐵芯的線 圈及模式選擇開關K構成的自勵式驅動電路。
2. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述底座的上表面是一 個直徑為〇· 2m，曲率為2ΠΓ1的圓形凹面。
3. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征是：所述自勵式驅動電路包括 帶鐵芯的線圈L，電阻R1和R2,晶體管ΤΙ、T2、T3和T4,電池和開關K。
4. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述的帶鐵芯的線圈L 的繞組由三個部分串聯而成，中間部分為驅動繞組，上面部分為上端感應繞組，下面部分為 下端感應繞組。
5. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述帶鐵芯的線圈L，在 位置上要緊貼著底座上表面，保證感應繞組能夠得到足夠大的感應電動勢，同時保證驅動 繞組產生的磁場對陀螺中永磁體力的作用足夠大。
6. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述的晶體管在電路中 的連接方式如下：晶體管T1、T2、T3和T4構成橋式結構，T2集電極與開關K串聯后與T1集 電極相并聯后接于電池 Ε的正極；Τ3和Τ4采用共發射極連接，然后接于電池的負極；Τ1和 Τ3橋臂的輸出端連接到驅動繞組的上端，Τ2和Τ4橋臂的輸出端連接到驅動繞組的下端；線 圈L上端感應繞組輸出端通過R1接于Τ2和Τ3的基極，下端感應繞組輸出端通過R2接于 Τ1和Τ4的基極。
7. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述開關Κ，可以使陀螺 旋轉在高速、低速兩種模式下，當Κ閉合時陀螺在高速模式下旋轉，當Κ斷開時陀螺在低速 模式下旋轉。
8. 根據權利要求1所述的自勵式電磁驅動陀螺，其特征在于：所述的自勵式驅動電路 在陀螺沒有在底座上轉動的情況下，其4個晶體管都不會導通，電池沒有能量損耗。
【文檔編號】A63H1/10GK203899131SQ201420286323
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月2日 優先權日:2014年6月2日
【發明者】韓偉, 周立麗 申請人:韓偉