磁力教学演示装置的制作方法

本实用新型涉以磁体同极相斥异极相吸为原理，将磁力势能转化为机械力运动动能的物理教学演示装置。

背景技术：

在中学物理教学中对磁力演示只有简单的同极相斥异极相吸，对学生的的教学演示相对简单。本实用新型能根据机械运动原理，通过磁体间的同极相斥异极相吸原理将磁力转化为物理运动的机械力，从而更为形象的演示出磁力势能对机械力动能的转化。

技术实现要素：

综上所述，本实用新型的目的在于提供一种磁力势能转化为机械力动能的教学演示装置。

本实用新型实现实用新型目的采用如下技术方案：

磁力教学演示装置，其特征在于，包括：

外圈固定齿轮，所述外圈固定齿轮的内壁设有内圈齿；

内转动齿轮盘，所述内转动齿轮盘与外圈固定齿轮同心设置，所述内转动齿轮盘的外壁设有外圈齿，所述外圈固定齿轮和内转动齿轮盘之间设有驱动腔；

磁体固定圈，所述磁体固定圈内侧设有M块第一磁体，M块第一磁体沿着磁体固定圈内圆周均匀分布围成一圈，相邻第一磁体间留有间隙，且相邻的第一磁体应用面的磁极相异，所述M为偶数；

转动体，所述转动体由转动磁盘和行星齿轮加速器两部分组成，所述行星齿轮加速器的行星架固定在转动磁盘上；所述转动体中的转动磁盘上设有呈均匀辐射状分布的N个第二磁体，所述第二磁体的外端部为S极或N极，且相邻两个第二磁体外端部的磁极相反；所述转动体中的行星齿轮加速器上的外部齿轮圈外侧设有齿轮，分别与外圈固定齿轮的内圈齿和内转动齿轮盘的外侧齿轮相啮合，所述N为偶数；

转动体固定架，所述转动体固定架与行星齿轮加速器中的太阳轮固定，所述太阳轮相对转动体固定架固定不可转动。

作为优选方案，所述转动磁盘的外周壁与所述磁体固定圈的内壁间隙配合。

作为优选方案，所述的N个第二磁体将转动体等分为N个扇形，每个扇形的弧长为S；每个所述的第一磁体长度L大于S。

作为优选方案，所述转动磁盘与行星齿轮加速器的行星架同步转动，行星齿轮加速器外部齿轮圈外齿轮、内齿轮、太阳轮以及外圈固定齿轮之间的尺寸关系满足如下条件：C外/M＝c行外/N+(c行太/N)/d行内*d行外；

式中，

d行外：行星齿轮加速器-外部齿轮圈外齿轮分度圆直径；

c行外：行星齿轮加速器-外部齿轮圈外齿轮分度圆周长；

d行内：行星齿轮加速器-外部齿轮圈内齿轮分度圆直径；

c行太：行星齿轮加速器-太阳轮齿轮分度圆周长；

C外：外圈固定齿轮分度圆周长；

M为第一磁体数量；N为第二磁体数量。

作为优选方案，所述第一磁体和第二磁体为相互独立的磁体。

作为优选方案，所述第一磁体相对中心的内表面为弧形面。

作为优选方案，所述行星齿轮加速器由中间太阳轮、外部齿轮圈、中间的行星架组成；所述太阳轮与外部齿轮圈同轴设置，所述太阳轮外侧设有外圈齿，所述外部齿轮圈的内侧和外侧分别设有内侧齿轮和外部齿轮；所述行星架由若干个介于太阳轮和外部齿轮圈之间的小齿轮构成，所述小齿轮围绕太阳轮均匀排布，所述太阳轮的外圈齿、小齿轮和外部齿轮圈的内侧齿轮交合面相互啮合，所述小齿轮通过固定轴固定在转动磁盘上，所述小齿轮与固定轴可转动。

作为优选方案，所述转动体的数量可调，初始位置可调。

作为优选方案，所述转动磁盘左右两侧均固定设有一个行星齿轮加速器，相应的磁体固定圈两侧的外圈固定齿轮以及内转动齿轮盘也配套设置，以便转动磁盘达到受力平衡。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型磁力教学演示装置，根据机械运动原理，通过磁体间的同极相斥异极相吸原理将磁力转化为可以运动的机械力，从而更为形象的演示出磁力势能对机械力动能的转化。

附图说明

图1为本实用新型的三维立体构造前侧视图。

图2为本实用新型的三维立体构造后侧视图。

图3为本实用新型的外圈固定齿轮三维立体构造示意图。

图4为本实用新型的内转动齿轮盘三维立体构造示意图。

图5为本实用新型的磁体固定圈三维立体构造示意图。

图6为本实用新型的转动体三维立体构造前侧视示图。

图7为本实用新型的转动体三维立体构造后侧视示图。

图8为本实用新型的行星齿轮加速器三维立体构造示意图。

图9为本实用新型的转动磁盘三维立体构造后侧视示图。

图10为本实用新型的转动体固定架三维立体构造示意图。

图11为本实用新型的转动体相对磁体固定圈运动过程中，转动磁盘磁极与磁体固定圈磁性圈磁极相互作用力示意图。

附图标记：

1外圈固定齿轮；11内圈齿；

2内转动齿轮盘；21外圈齿；

3磁体固定圈；31第一磁体；

4转动体；41转动磁盘；411第二磁体；412固定轴；421外部齿轮圈；422太阳轮；423小齿轮；

5转动体固定架。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式对本实用新型技术方案做进一步解释说明。

参见附图。

如图1-2所示，磁力教学演示装置主要由五个部分组成：外圈固定齿轮1、内转动齿轮盘2、磁体固定圈3、转动体4以及转动体固定架5。

其中，如图3-10所示，外圈固定齿轮1设有沿圆周方向的内圈齿11，内转动齿轮盘2由定位轴和设在定位轴上的外圈齿21组成，内转动齿轮盘2同轴设在外圈固定齿轮1内，之间设有驱动腔。磁体固定圈3与外圈固定齿轮1并排设置，磁体固定圈3内侧设有M(为偶数)块第一磁体31，M块第一磁体31沿着磁体固定圈内圆周均匀分布围成一圈，相邻第一磁体间留有间隙，且相邻的第一磁体应用面的磁极相异。

转动体4由转动磁盘41和行星齿轮加速器两部分组成，行星齿轮加速器的行星架固定在转动磁盘41上；转动体4中的转动磁盘上设有呈均匀辐射状分布的N个(为偶数)第二磁体411，第二磁体411的外端部为S极或N极，且相邻两个第二磁体外端部的磁极相反；转动体中的行星齿轮加速器上的外部齿轮圈421外侧设有齿轮，分别与外圈固定齿轮1的内圈齿11和内转动齿轮盘2的外圈齿21相啮合；

转动体固定架5与行星齿轮加速器中的太阳轮422固定，太阳轮422相对转动体固定架5固定不可转动。

如图7所示，行星齿轮加速器由中间太阳轮422(固定件)、外部齿轮圈421(从动件)、中间的行星架(主动件)组成；太阳轮422与外部齿轮圈421同轴设置，太阳轮外侧设有外圈齿，外部齿轮圈的内侧和外侧分别设有内侧齿和外部齿；行星架由若干个(一般为三个或四个)介于太阳轮422和外部齿轮圈421之间的小齿轮423构成，小齿轮423围绕太阳轮422均匀排布，小齿轮与太阳轮的外圈齿、外部齿轮圈的内侧齿交合面相互啮合，小齿轮423通过固定轴412固定在转动磁盘上，小齿轮与固定轴可转动。

在具体装配时，转动体上的行星齿轮加速器齿圈外部齿轮分度圆半径等同于或稍小于转动磁盘的半径，转动体的行星齿轮加速器齿圈外部齿轮与内圈齿、外圈齿咬合后，转动磁盘位于磁体固定圈的磁性圈内，与磁性圈的内壁间隙贴合；具体可根据磁场强弱来调节磁性圈与转动磁盘的间隙大小。

当转动磁盘中的第二磁体的数量为N个(N为偶数，本例为6个)时，相邻磁块所形成的夹角R即为360°/N(本例为60°)；第一磁体的数量为M个(M为偶数，本例为18个)，M的数量以第一磁体以适度间距(5mm)，均匀排满磁性圈内壁为佳。转动体绕磁体固定圈转动行走为内圈齿周长的1/M时，转动体滚动的角度恰好为R；从而保证转动磁盘上的磁极能在磁体固定圈上任意位置均能获得单一方向的牵引扭力。

其中，转动磁盘与行星齿轮加速器外部齿轮圈外齿轮转动关系如下：

转动磁盘与行星齿轮加速器的行星架同步转动，转动磁盘转动360/N度时，行星齿轮加速器外部齿轮圈外齿轮转动距离为：C外/M＝c行外/N+(c行太/N)/d行内*d行外；

式中，

d行外：行星齿轮加速器-外部齿轮圈外齿轮分度圆直径；

c行外：行星齿轮加速器-外部齿轮圈外齿轮分度圆周长；

d行内：行星齿轮加速器-外部齿轮圈内齿轮分度圆直径；

c行太：行星齿轮加速器-太阳轮齿轮分度圆周长；

C外：外圈固定齿轮分度圆周长。

所述磁体固定圈的初始位置可调。即通过调整磁体固定圈的位置来离合磁体固定圈上的磁性圈与转动磁盘，从而达到控制磁力演示装置的停止与运转。也可以进一步通过对磁体固定圈上的磁性圈相对外圈固定齿轮向左或向右调整一个第一磁体的行程，来进一步达到控制内转动齿轮盘顺时针旋转或逆时针旋转。

作为优选方案，第一磁体相对内转动齿轮盘的表面为弧形面，而多个第一磁体的弧形面便围成一磁性圆环。

作为优选方案，所述转动磁盘之间通过导磁材料间隔开以屏蔽第二磁体交合端磁场。

作为优选方案，在演示装置实物运用中，转动磁盘左右两侧均固定一个行星齿轮加速器，相应的磁体固定圈两侧的外圈固定齿轮以及内转动齿轮盘也配套设置，以便转动磁盘达到受力平衡。

以上实施例中第一磁体和第二磁体为磁体材质

下面仅通过一个转动磁盘与磁体固定圈一段相对运动方式以描述磁力演示装置的运转机制。

本实施例中的齿轮件加工参数如表1所示：

表1演示装置齿轮件相关参数(单位：mm)

设定转动体初始位置，如图11所示。滚动磁盘上一个S极正对于磁体固定圈上的两个第一磁体之间。此时转动磁盘右侧下方N极受到其下方磁体固定圈磁块N极的斥力，结合转动体与磁体固定圈内圈齿的机械力作用，转动磁盘得到一个相对磁体固定圈向左运转的牵引扭力；转动磁盘下方S极受到右下部磁体固定圈磁块N极的引力，同时受到左下部磁体固定圈磁块S极的斥力，结合转动体与磁体固定圈内圈齿的机械力作用，转动磁盘得到一个相对磁体固定圈向左运转的牵引力；转动磁盘左侧下方N极受到其下方磁体固定圈磁块S极的引力，结合转动体与磁体固定圈内圈齿的机械力作用，转动磁盘得到一个相对磁体固定圈向左运转的牵引力；结合上述诸多磁力的作用，转动磁盘得到一个较大的向左侧运转的牵引扭力。

通过上述转动磁盘一个周期的运转状态，可以明确得出，所有转动体在与外圈固定齿轮咬合运转任意过程中，转动磁盘上的磁体与磁体固定圈上磁体之间相互作用力，得到一个推动转动磁盘向左运转的作用力，通过齿轮作用于内转动齿轮盘，则内转动齿轮盘得到一个旋转扭力，从而实现本实用新型的磁力演示目的。