專利名稱：轉子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及轉子及其改進。
本說明書中所用的術語“轉子”含義極廣，包括其轉動可作有用功的任何旋轉體。這類功包括類似于現(xiàn)有陀螺儀和轉動貯能裝置的功能，當然，也包括定向體中的位移和控制功能。
本發(fā)明將廣泛應用于工程、航空及其他行業(yè)的技術領域是顯而易見的，但要知道，本發(fā)明可應用于涉及旋轉體作有用功的任何場合。本發(fā)明的更直接應用將包括發(fā)電機或渦輪機的轉動核心，以及陀螺體，這種陀螺體的轉動可用作地面、海洋、空中或外層空間運載工具的穩(wěn)定器，或可用作地面、海洋、空中或外層空間運載工具產生位移的裝置，用作研碎器的轉動破碎件，甚至用作玩具。
因此，當本說明書中使用“轉子”這個術語時，都是意指它的所有可能的應用。
現(xiàn)在已知有各種類型的轉子，包括下文敘述的轉子，但是，在效率、成本和/或穩(wěn)定性方面，它們都有這種或那種缺點。
例如，在PCT/AU97/00417中，提出了一種用于產生推力的陀螺轉子。又例如在美國專利4257648和英國專利540093的各種類型振動發(fā)生裝置中，可用一種轉子產生振動或阻尼振動。在任何類型發(fā)電機或電動機中，包含一個電樞的轉子在一個靜子中轉動。
在所有這些情況中，當轉子加速時，或變速場合，特別是由于克服摩擦作功造成損失時，其效率明顯低下。
希望能量以轉動角動量形式傳遞給轉子，轉子盡可能長時間地保持能量。因此，轉子盡可能有效地把轉動能轉換為有效功。因此，由摩擦效應等引起的能量損失可以避免或減至最低?？梢赃x擇類似的最佳轉子幾何形狀，以便可在轉子特定的實際使用狀態(tài)提供最好的能量保存性能。
本發(fā)明最佳實施例的一個目的是提供一個在工作中的工作損失有很大降低或至少保持在最低水平的轉子。
按照本發(fā)明一個最佳實施例的一個目的，提供一種轉子，它可以調節(jié)施加在其上的外力，通過其轉動，可以全部或部分補償這些外力。
本發(fā)明的一個最佳實施例的進一步目標是提供一種能貯存角動量的轉子，因此，它的轉動可相對于上述轉子全部地或部分地產生定向及位移功能，或至少為人們提供一個有效的選擇。
本發(fā)明的所有各種實施例的其他進一步的目的將通過下面的說明揭示。
按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種轉子，包括一球體，其中，這個球體的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半與球體另一半的重量比，應使這個轉子可以繞一對正交軸轉動，其中一個轉軸由上述一半和另一半之間的球體邊緣限定。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種轉子，包括一球體，其中，這個球體的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半與球體另一半的重量比使轉子可以繞相互正交的第一和第二軸轉動，上述第一軸平行球體轉動限定的角動量矢量，上述第二軸平行于上述球體轉動對稱軸。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種如上兩段中任一個所限定的轉子，所述的轉子基本上呈“蘑菇”形。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種如上述三段中任一個所限定的轉子，被免除或切除的上述球體的一半的一部分約為如未切除或免除時球體總重的十分之一到三分之一。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了上述四段中任一個所限定的轉子，上述邊緣限定了一個與球體中心相交的平面。
在一個實施例中，上述一半與球體另一半重量比約為0.75～0.85，最好為0.8。
在一個實施例中，被切除或免除的部分在球體赤道處以直角切口限定，因此構成一個其側邊基本垂直于這個邊緣限定的平面的心柱。
在一個實施例中，轉子結合一個由比球體材料較重的材料構成的球形核心。
在一個實施例中，上述球形核心由汞、氚、釔、钚、或一個或幾個它們的穩(wěn)定或不穩(wěn)定同位素的混合物構成。
在一個實施例中，在轉子外表面有一層陶瓷涂層。
在一個實施例中，所述的轉子整體或部分由磁性或可磁化材料構成。
在一個實施例中，上述磁性或可磁化材料包括釹，或其同位素，或其鹽類、氧化物、合金。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種作功裝置，包括一個靜子和一個可轉動地安裝在靜子內的按上述權利要求中任何一項所述的轉子。
按照本發(fā)明的另一方面，上述轉子安裝在上述靜子內，由液壓、氣動、電和/或磁力驅動。
按照本發(fā)明的另一方面，上述靜子有許多圍繞其安裝的液壓或氣動的噴嘴，噴射流作用在上述轉子上使其轉動。
按照本發(fā)明的另一方面，使用中的上述轉子可由陀螺儀反作用于上述靜子檢測的外力上，因此改變它的轉動姿態(tài)，因而抵消或穩(wěn)定上述外力的影響。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種轉子和/或結合一個轉子的作功裝置，提供一個定向和/或位移力到裝備一個或數(shù)個轉子的物體上。
按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基本上參照附圖敘述的一個轉子和/或結合一個轉子的作功裝置。
涉及到所有新穎性方面的本發(fā)明的其他方面將結合附圖通過可能的實施例為實例在下面進行的說明會更清楚，附圖中

圖1,2和3分別是本發(fā)明一個可能實施例的一個轉子的簡略前視、側視和平面透視圖。
圖4是標出其轉軸的這個轉子的簡略平面透視圖。
圖5～8簡略示出轉子及可能用作玩具的工作方式。
無論何種用途的轉子都至少有一根對稱軸。這類轉子一般呈圓柱形，可繞一個單軸(通常是縱軸)進行轉動。當一個驅動力作用在轉子上時，主要依賴于這個驅動力的性質及其與轉子的相互作用，同時也取決于作用在這個轉子上的摩擦力的情況，這個轉子將連續(xù)繞這個單軸有效地轉動。隨著這個驅動力的去除，轉子將迅速回到一個靜態(tài)位置。一般將設置軸承、軸襯等使轉子繞其單軸轉動，因此，作用在靜子上的任何外力將不影響其轉動。
與此完全不同，本發(fā)明提供了一種可繞一對正交軸轉動的轉子，它可以把外力的這種影響轉換為這些轉軸的姿態(tài)的適當變化。
沒有任何特定理論約束，可以相信，在其他情況中，與相互正交轉動有關的角動量矢量成雙提供這里所述的轉子性能。按這種方式，本發(fā)明的轉子可以用作運動物體內的穩(wěn)定器，或用作運動物體本身。
本申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，如果免去或切除球體一半的規(guī)定部分，一旦球體轉動，它將繞一對正交軸轉動，其中一根軸平行于繞球體赤道轉動邊緣規(guī)定的一個面。而另一轉軸平行于這個轉動體的轉動對稱軸。觀察到一種成雙轉動，其中繞轉子對稱軸的轉動體有一種“滾翻”轉動。
被切除的球體部分約為原球體總重的1/10～1/3數(shù)量級，視球體材料不同而定，特別依其相對密度或比重不同而不同(以上幾項均受所用特定元素及它們特定同位素所影響)。切除或免除部分在球體兩半之間的赤道面上進行，因此，在它們之間留下基本平直邊緣。在赤道面通過直角切割實現(xiàn)這種切除，因而產生如附圖所示的“心柱和蘑菇頭”式結構。切口的深度和產生的心柱長度在數(shù)學上關系到剩余部分的體積(對于均勻的密度，也與質量有關)。
如果切口的深度是D(如圖2所示)，則心柱部分3和4的體積可表示為V=V(3)+V(4)；式中，V(4)=P1*[(2/3)*R^3-R^2*(K)^(1/2)+(1/3)(K)^(3/2)]V(3)=P1*(R-D)^2*(K)^(1/2)式中，K=(2*R*D-D^2)式中R是球2的半徑。
這些方程以計算機程序裝置可明白的形式給出，對于本技術技術人員，它們的判讀和應用將是很清楚的。頭部4的體積簡單地為半徑為R的球的體積的一半。
由這些方程，產生了本發(fā)明的一個其心柱重量與頭部重量比約為0.8±0.15的特定實施例。這相當于D/R比約為0.2。其他幾何形狀也已得到有效應用，預料D的范圍約為±10％。
無論轉子是由致密材料(如鉛)，或次致密材料(如不銹鋼)，或較輕材料(如塑料或鋁)制造，切除部分約為球體的三分之一或上述其他比例，這將使轉子在繞其縱軸自轉時，將實現(xiàn)繞一對相互正交的軸的穩(wěn)定轉動。而且，這種轉子可有效地實現(xiàn)繞兩根軸的穩(wěn)定轉動，還可使驅動力能夠有效而迅速地轉換為高速而穩(wěn)定的轉動，同時，轉子的這種功能可使這種轉動保持在所要求的有很高效率的速度上。而且，在一種最佳實施例中，轉子不是由一個軸之類限定繞一個單軸轉動，因此，這種轉子可用于諸如飛機、空間飛行器、艦船或汽車中的運動體使其保持穩(wěn)定?？擅靼鬃銐虺叽绲谋景l(fā)明的轉子可以構成切面、空中、外層空間或海洋運載工具的整體或一部分，由于能夠調節(jié)和抑制作用在其上的外力(如飛機處于湍流的情況下)，使它們具有固有的穩(wěn)定性。
此外，可以相信，這里所述轉子的特定性能包括在轉子以高的角速度轉動時具有穩(wěn)定物體和使物體位移的能力。這樣一種實施例可包括與被穩(wěn)定或被位移的物體保持固定關系的許多轉子。另一方面，這些轉子可以多種形式固定在一個轉盤或靜盤上，并對其施加角穩(wěn)定和/或位移。不受任何特定理論約束，相信上述快速自轉的轉子(或轉子對)可產生力用以導致上述穩(wěn)定/位移。
很顯然，許多形式中將包括把一個或多個轉子按點陣位置排列，相當于基本原子排列形式并呈現(xiàn)現(xiàn)有范圍內的對稱性能。
參照附圖，本發(fā)明一個可能實施例的一個轉子總的由箭頭1指出?？梢?，它基本上是保持完整半球的球形形狀，實際上呈“蘑菇”形。球的另一半沿赤道切割線或邊緣6切除或免除深度為“D”的部分，得到一個表面5及一個延伸到剩余球形部分4的心柱3。如前面所討論的那樣，切割深度“D”和長度“L”(“L”即為球的半徑，其中球頭2是一個完整的半球)將確定這個完整半球2，心柱3,4的各自重量比。根據(jù)轉子1的材料相對密度的不同，被切除的材料量(或在模壓塑料或鋁預制體被免去的部分)可以是球體總重的10％～33 1/3％，當然，相信這個比值的兩邊都可以在±5wt％的范圍內變化，因此，被切除或被免除的材料量將大致在原球總重的5％～38％范圍。
可見，最終轉子1大體上呈蘑菇形。當轉子1轉動或自轉時，可以驚奇地發(fā)現(xiàn)，這個轉子1同時繞一對標明為“X”和“Y”的軸轉動。繞“Y”軸的轉動大體上與邊緣6一致。本申請人相信，這種雙軸轉動可使轉子1快速實現(xiàn)高速轉動，由于在軸承和軸襯表面的摩擦損失很小，可以有很高的效率。
在本發(fā)明的一個實施例中，轉子1可以裝在靜子內，由切向液壓或氣壓的噴射流使轉子產生轉動并保持這種轉動。在一個實施例中，轉子1可配有或設有一個磁場，這樣可把轉子1的轉動轉換為電能或機械能。在這種實施例中，轉子1可由磁性材料或可磁化材料制造。適當形態(tài)的釹(如其鹽類、氧化物、合金或同位素等)，可用于這種目的。已發(fā)現(xiàn)。它在磁化時可以獲得一對正交北南極對。預料可以把超導繞組結合到這個實施例中，以便生產或貯存電能，而損失最小。在本發(fā)明的另一個實施例中，設想轉子1可以設有葉片或葉輪，使轉子1的轉動可為通過靜子的流體或材料提供泵吸作用。
在本發(fā)明的一個實施例中，轉子1可以原來是含有一種實心材料，切除部分材料構成心柱3。在一種替換實施例中，根據(jù)所要求的心柱/球頭質量比，這種轉子1可設成為全部或部分的空心結構。
就其吸收和保持轉動能的能力來說，通過測量一旦除去驅動力時這種穩(wěn)定轉動的轉子的衰減時間來表示這種轉子的效率。一種約0.95kg的鋼轉子由四股壓縮空氣噴射流激發(fā)，其射流取向應使其在與赤道邊緣限定的平面垂直的方向盡可能近地撞擊。應使用恒定的空氣壓力直至轉子速度穩(wěn)定。值得注意的是，由一塊拋光的玻璃板支承這個轉子，以減少摩擦損失，并在每個試驗轉子上保持可再產生的外界條件。一旦這個轉子速度穩(wěn)定，移去所施加的力，隨后測量轉子轉動能衰減到零的時間。在鋼轉子的情況，衰減時間是4min20s，黃銅為5min20s，鋁為2min55s，乙縮醛(塑料)轉子約為2min。雖然在某些應用中采用輕重量的轉子是適宜的，但為了有效地吸收和保持能量，將采用高密度轉子。
在一個替換實施例中，赤道切割面可以構成為一個環(huán)繞轉子“心柱”段的環(huán)形槽。這與上述的轉子的平底表面相反?？梢韵嘈?，當通過壓縮空氣、液壓裝置等方式施加轉動能時，這種槽形結構可以提高轉子效率。
通過在核心使用密實材料，可實現(xiàn)在轉子內的可變密度分布。
這種核心可對稱地置于轉子內，以及定位于轉子重心或轉動對稱中心。預料可用汞或釔一類元素插入其核心。不受任何特定理論約束，可以相信，上述元素同位素各種組合產生的核心連接是以宏觀方式作用為諸如上述轉子一類的轉動體提供一些未知性能。堅信可以開發(fā)這類性能以加強轉子的上述應用。
現(xiàn)在再討論均勻密度的轉子，快速自轉轉子內的這種極端的密度分布措施可以改進嵌有或含有轉子的物體的穩(wěn)定性。一個特殊例子是諸如鉆床一類設備中的吸振特征。進一步的應用包括穩(wěn)定航空或空間飛行體的行程或軌跡，在這里它們的角位移和線位移不受外部驅動力的影響。相信可以開發(fā)利用轉子顯示的這種轉動特性的特定耦合，或與類似的耦連轉子顯示的角動量聯(lián)合運用達到目的。
顯然，希望在預定的特殊應用中盡可能多地減少摩擦損失。為此，設想這種轉子懸浮在磁場中，由現(xiàn)有的電磁技術對其施加角能。這就要求有磁性或電磁設施，使上述現(xiàn)有物體或在這種技術領域范圍內的物體轉動或定向。
還堅信開發(fā)超導技術的應用可以使懸浮在強磁場內的轉子降低摩擦損失。因此，可以看到，這種轉子可以在各種水泵裝置的領域內得到應用，在這種情況中，一個轉子封裝在大體呈球形的容器內，流體從一端輸入，轉子的轉動開辟一條貫通球形的通道，并通入另一端的出口通道。相信這種轉子是實現(xiàn)這種目標的特別有效的裝置。
雖然上面按照具有圓柱形的心柱的轉子敘述了本實施例，但是，其他形狀的心柱，如直角圓錐形結構的心柱，也是可以利用的，但必須是對稱結構。
按照穩(wěn)定性能及其優(yōu)異的能量保持特性，相信本發(fā)明的轉子代表一種最佳構成的幾何形狀。在傳統(tǒng)上已經(jīng)設計了陀螺儀和其他角動量定向裝置設計用于分配對稱轉動的質量，其位移用于在給定的轉動速度產生最佳及最大的角動量。相信在本發(fā)明轉子中，一種切頭的或分割的球形轉子代表一種用于吸收能量和建立偶連的角動量的最佳質量形狀。轉動體產生的角動量矢量的大小取決于轉動體的轉動速率和轉動質量。這個量越大，物體越能抗定向力。在本發(fā)明情況下，以極高轉速轉動上述轉子產生的穩(wěn)定矢量導致具有已知旋進和可以有利開發(fā)利用的角性能的高度穩(wěn)定性的轉動體。推測這是開發(fā)原始球體作為轉子的結果。一個球是容納物質的最有效的容積方式。因此，使用這類幾何形狀的轉子，其轉動能可能達到最大。
轉子呈現(xiàn)的許多物理性能要求一些轉速和環(huán)境條件是不易被本技術所能滿足的，但是可以預料，也只有這類技術成為實用時，轉子的某些應用及其顯現(xiàn)的附屬性能才是可行的。這類技術包括超導技術、磁控流體動力學及其在物體定向和位移中的應用、以及宏觀物體及原子核尺度上的質量間的相互作用。這些方面的進一步發(fā)展。
現(xiàn)在參照圖5～8，與前面圖中相同的部分用相同的標號。在這個實施例中，轉子1設有四個不同顏色和花樣的象限7a,b,c,d。例如，這些象限可以是紅、藍、綠和黃色。當轉子1轉動時，由于是繞正交軸X、Y的轉動，因此當轉子轉動時，將顯現(xiàn)其中一種顏色支配整個轉子。因此，將依次顯現(xiàn)單獨的顏色作為轉子1的顏色。這就可以使這個實施例有效地作為玩具或游戲，當然，這種現(xiàn)象預料在工程技術中有許多重大用途。可以相信，繞上述兩個軸的成雙轉動引起視覺顏色的轉變。
前面的敘述已經(jīng)涉及具有已知等同物的本發(fā)明專門構件或其整體，因此，這些等同物也結合進來像單獨提出一樣。
雖然通過以實例的方式并結合可能的實施例說明了本發(fā)明，但是，應明白在不偏離在權利要求書中說明的本發(fā)明范圍的情況下，可以進行很多改型或改進。
權利要求
1．一種轉子，包括一球體，其中，這個球體的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半與球體另一半的重量比，應使這個轉子可以繞一對正交軸轉動，其中一個轉軸由上述一半和另一半之間的球體邊緣限定。
2．一種轉子，包括一球體，其中，這個球體的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半與球體另一半的重量比使轉子可以繞相互正交的第一和第二軸轉動，上述第一軸平行球體轉動限定的角動量矢量，上述第二軸平行于上述球體轉動對稱軸。
3．按照權利要求1或2所述的轉子，其特征在于，所述的轉子基本上呈“蘑菇”形。
4．按照權利要求1～3中任一項所述的轉子，其特征在于，被免除或切除的上述球體的一半的一部分約為如未切除或免除時球體總重的十分之一到三分之一。
5．按照權利要求1～4任何一項所述的轉子，其特征在于，上述邊緣限定了一個與球體中心相交的平面。
6．按照上述權利要求任何一項所述的轉子，其特征在于，上述一半與球體另一半重量比約為0.75～0.85。
7．按照權利要求6所述的轉子，其特征在于，所述的重量比最好約為0.8。
8．按照上述權利要求中任何一項所述的轉子，其特征在于，被切除或免除的部分在球體赤道處以直角切口限定，因此構成一個其側邊基本垂直于這個邊緣限定的平面的心柱。
9．按照上述權利要求任何一項所述的轉子，其特征在于，轉子結合一個由比球體材料較重的材料構成的球形核心。
10．按照權利要求10所述的轉子，其特征在于，上述球形核心由汞、氚、釔、钚、或一個或幾個它們的穩(wěn)定或不穩(wěn)定同位素的混合物構成。
11．按照上述權利要求中任何一項所述的轉子，其特征在于，在轉子外表面有一層陶瓷涂層。
12．按照上述權利要求任何一項所述的轉子，其特征在于，所述的轉子整體或部分由磁性或可磁化材料構成。
13．按照權利要求12所述的轉子，其特征在于，上述磁性或可磁化材料包括釹，或其同位素，或其鹽類、氧化物、合金。
14．一種轉子基本上如附圖中的圖1～4或圖5～8所述。
15．一種作功裝置，包括一個靜子和一個可轉動地安裝在靜子內的按上述權利要求中任何一項所述的轉子。
16．按照權利要求15所述的作功裝置，其特征在于，上述轉子安裝在上述靜子內，由液壓、氣動、電和/或磁力驅動。
17．按照權利要求15或16所述的作功裝置，其特征在于，上述靜子有許多圍繞其安裝的液壓或氣動的噴嘴，噴射流作用在上述轉子上使其轉動。
18．按照上述權利要求14～17中任何一項所述的作功裝置，其特征在于，使用中的上述轉子可由陀螺儀反作用于上述靜子檢測的外力上，因此改變它的轉動姿態(tài)，因而抵消或穩(wěn)定上述外力的影響。
19．按照上述權利要求中任何一項所述的轉子和/或結合一個轉子的作功裝置提供一個定向和/或位移力到裝備一個或數(shù)個轉子的物體上。
20．按照權利要求1～14中任何一項所述的轉子，其特征在于，它有一個被分為若干區(qū)域的外表面，每個區(qū)域有不同的顏色。
21．一種玩具，包括按權利要求20所述的一個轉子，其特征在于，在轉動時，不同的顏色依次支配玩具的顏色。
全文摘要
一種轉子(1)基本上是仍保留一個完整半球(2)的球體。轉子(1)呈“蘑菇”頭形。球體另一半被免除或切除一部分材料而形成心柱(3)。切割深度“D”和長度“L”(即球的半徑)決定這個完整半球(2)和心柱(3)各自的重量比。被切除一半與球體另一半的重量比為0.75～0.85,最好是0.8。當外力施加到轉子(1)上時,轉子則繞一對正交軸轉動,其中一個轉軸由兩半球之間的球體邊緣(6)限定。
文檔編號G01C19/00GK1213325SQ97193077
公開日1999年4月7日 申請日期1997年2月3日 優(yōu)先權日1996年3月15日
發(fā)明者莫阿納努伊·邁克爾·肯尼思·佩德拉 申請人:佩德拉家庭信托公司