沿着单轨导轨运行的玩具车的制作方法

专利名称：沿着单轨导轨运行的玩具车的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够在磁性或无磁性轨道上运行的单轨玩具车，采用在单轨磁力推 进和悬浮导轨的长度上运行的磁悬浮和推进或无磁性摩擦牵引玩具，或采用传统的 摩擦和重力狭窄单轨导轨系统，使可更换轮系统，不论是磁性的、电磁的或是橡胶 轮均能够与磁性或摩擦单轨轨道系统水平接触。车轮的旋转方向与重力方向平行并 与垂直竖立的磁性或牵引单轨轨道系统垂直牵引。
本发明还描述了，玩具可在磁悬浮和推进导轨或无磁性单轨牵引导轨上工作， 该导轨可应用于小型化的磁悬浮玩具用途或应用于尤其是玩具赛车的经济型无磁 性单轨牵引系统。
所述玩具可结合具有无线遥控系统的用于玩具附加部件的数字式遥控系统。
该玩具可使用高端、高性能的Halbach阵列、Stetler阵列或诸如交替式北一南 一北一南结构的其它磁阵列结构，或者可使用用于磁阵列定子导轨的交替式凹进磁 性(A.R.M.)阵列或用于旋转磁阵列转子轮的交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列。根 据此结构的真北或真南因为设计、磁场强度或结构考虑而是凹进的，尤其有利于针 对教育目的而增加玩具的科学价值。
电磁阵列旋转转子轮也用于在高端磁性推进、工业或生活运输、或磁悬浮赛车 用途中有用的动力电磁推进中。这种电磁阵列转子轮可堆叠多层从而相对于单轨磁 阵列推进导轨来说增加所述轮子的附加强度。
动力多层的单轨导轨系统(彼此叠置地堆叠成垂直的层)用来做出具有三维深
度的赛车以增加尤其用于赛车用途的所述玩具的刺激性。
背景技术：
有关磁悬浮技术、或通称为"磁悬浮"、磁悬浮车辆或运输系统的专利和专利 应用不计其数。这些磁悬浮技术利用了各种悬浮和推进原理，如超导电性、电磁学、
感应导轨、线性同步电动机等等。然而，这些发明运用于真实大小的磁悬浮列车或 工业应用上，且这些磁悬浮系统不像本发明，不能提供另一种深度的磁悬浮或简化
设计，不能考虑有效成本解决方案，让玩具具有商业适用性。这里，本磁悬浮玩具 的设计目的在于通过利用永磁体而不是电磁学和/或超导电性作为悬浮原理，使用 旋转永久磁性转子轮和/或电磁转子轮而不是行业中的线性同步电动机进行推进， 使之在商业上适用于玩具行业标准。
该玩具釆用的是永磁体，较佳的是稀土磁体，如钕铁硼或钐钴镍等等。磁体的 间隔和经济型尺寸比例的采用、以及大小、种类和等级的分配均影响到该磁悬浮玩 具的经济性。为了进一步降低成本，可以不采用磁阵列推进轮，而用物理上相接触 的水平旋转牵引摩擦轮尤其是橡胶轮取而代之。
为了降低造价，该玩具采用的不是磁悬浮系统，而是滚子引导轮，上有便于机 械悬浮的特殊弹簧机构，滚子引导轮横跨整个单轨牵引导轨，从而使玩具具有经济 可行性，尤其是针对大众市场。值得注意的是，该玩具可以作为一个具有磁悬浮系 统的独立的磁悬浮赛车玩具，和/或从经济上考虑，采用独立的重力摩擦滚子轮组 件，和/或该玩具可用做任何适合于使用者的用途。
现有的磁悬浮玩具专利并不多，现有技术的一项磁悬浮和推进玩具的专利由
Thomas V. Wagner发明，于1992年11月24日获美国专利号5,165,347，其名称为 "Vehicle Levitation and Guidance System"。该专利不包含运作中的悬浮系统，且与 本发明或本专利申请相比，其引导系统动力不够。另一个磁悬浮玩具是"Levitron Magnetic Top",由Roy Harrigan发明，于1983年5月获美国专利号4,382,245;然 而，该发明仅为一种悬浮设备或磁力陀螺展示玩具，不含推进系统。磁力陀螺仅在 环形或正方形的磁力平台上盘旋，利用永磁体作三维磁悬浮，能在磁力平台上几英 寸的高度上盘旋几秒之久。
本专利是对现有技术专利的改进，由菲律宾共和国的MAGLEV VISION CORPORATION的JOSE L. GUARDO JR.发明，专利名称为"Magnetic Levitation Toy and the Propulsion System Thereof",于2005年9月16日获专利申请号 PCT/PH2005/000022,于2007年3月22日以WIPO公布号WO 2007/032693 Al公 布，这是由于这一新的磁悬浮玩具专利的相关设计和规范均基于实际实验和改进之 上。磁体的一些实际的经济型间距和定向及其与磁导轨和悬浮车身相关的尺寸都在 本专利申请中得以考虑，以保证该玩具既经济同时又更容易让玩具制造商开发成各 种不同的形状、磁悬浮和磁力推进大小的磁力玩具。为了使零部件的组装和制造方 法更容易并对该全新的磁性玩具市场提供未来科研指导，一些锁定系统和塑料部件 也要求保护。
发明内容
在对磁悬浮技术和当前稀土永磁体和轻质塑料部件的发展进行仔细而全面的 研究之后，孩子们现在可以拥有经济型磁悬浮玩具进行游戏和竞赛了。他们现在可 以利用简单的组件和模块系统，在家组装各种形状和层次的磁力单轨导轨。
这将使全世界的孩子们着迷不已，因为他们终于不用再等待了。现在，孩子们、 学生们或老师们在家、在学校或办公室就能够触摸和感觉磁悬浮原理和这些惊人磁 悬浮技术的水平旋转机械或磁性推进轮，他们可以利用该玩具进行游戏和学习并了 解该玩具或技术的未来，即该技术最终将产生替换的、有效而非传统的未来运输工 具。在学习其他原理和有效成本磁悬浮和推进以进一步推进或发明该技术的同时， 儿童、学生或老师最终能开发出多个适于特定任务的悬浮或推进组件。他们还可以 使用可升级的磁性、电磁或牵引轮、齿轮箱、电动机、各种等级或维度的磁悬浮器、 电池和模块底盘进行磁悬浮竞赛，和/或使用物理上相接触的重力单轨牵引滚子及 其组合，对磁悬浮玩具进行升级或重新装配。
因此，本发明的主要目的在于将该玩具作为学校理论教学的器械。该磁力玩具 可以进行组装或拆卸，便于儿童了解磁悬浮原理和旋转磁性及电磁推进系统以外各 种推进系统的原理。他们可以将悬浮和推进系统进行组合以对其进行研究、了解、 设计、重新设计、学习、再学习以及忘却，这样，该设备将成为对儿童、学生或教 师十分有用的工具，帮助他们了解该磁悬浮玩具本身和/或运输技术的价值和其他 可能的应用。
本发明另一 目的在于为市场营销或经济考虑或为了各种竞赛目的，让齿轮箱及 其轮轴采用可更换的磁阵列轮或橡胶牵引摩擦轮系统。单轨磁导轨系统可以由接触 性单轨推进导轨系统取代，后者可添加可更换的推进牵引橡胶轮以产生水平摩擦推 进。
本发明另一目的即将磁力推进和悬浮以及导轨系统定位于引导系统的导轨中 央，作为最小化磁体导轨系统磁体成本的一种选择，同时，有了中央定位的推进和 悬浮导轨，可以有效地生成急转弯轨道。
本发明另一目的在于在旋转磁阵列或电磁阵列水平推进转子轮两个平行的水 平转子轮中间安装有一个枢转轴，从而让整个车辆可以灵活地进行急转弯。这对建 造急转弯轨道十分重要。在所述齿轮箱组件下方有一个单极磁阵列悬浮器，它可以 相对于单轨单极磁导轨系统保持推斥性磁悬浮。
本发明的另一目的在于采用全新的无线磁悬浮玩具遥控方式，即采用无线电遥 控对玩具进行"开"或"关"，或控制玩具的速度和/或使之沿着整个导轨的长度前 进或倒退。
可以简单地用橡胶牵引摩擦轮更换磁性推进轮，同时还能用重力牵引滚子轮引 导件更换磁悬浮器系统，因此，该玩具不仅具备经济性和模块性，同时还具有可升 级性。
同时，该玩具还采用双轴电动机，从而将以4轮驱动系统而不是传统的2轮驱 动系统为推进轮提供动力。
此外，该玩具采用具有磁悬浮和磁力推进导轨系统的模块化简易组装的单轨导 轨，可以同时成为磁性和非磁性单轨导轨，既可承载磁悬浮玩具车，又可以承载摩 擦轮玩具车。
还考虑到对该导轨的简单扩展系统，同时，能将单轨导轨垂直扩展成多层以增 加磁悬浮玩具竞赛的深度和三维尺度。为此，本发明提供了一种沿着单轨导轨运行 的玩具车，该玩具车包括车身；设置在车身内的电动机，所述电动机具有电动机 轴；连接至所述电动机轴的齿轮箱；连接至所述齿轮箱的轮轴；以及连接至所述轮 轴的推进轮，其中，所述玩具车还包括设置在底盘下方的悬浮系统。
本发明提供了沿着推进导轨的长度运行的具有磁悬浮和可更换推进轮的玩具， 其特征如下
a) 采用可更换推进轮机构，可将磁阵列转子轮或旋转电磁转子轮更换为水 平旋转牵引摩擦橡胶轮，从而从非接触磁阵列推进系统进行改变，反之亦然；
b) 所述磁阵列转子轮或旋转电磁转子轮与磁阵列定子推进导轨通过使用物 理上相接触的滚子引导件在所述推进磁阵列或电磁阵列转子轮和所述磁阵列定子 推进导轨之间产生必要的空气间隙而处于非接触的吸引配合，所述磁阵列推进转子 轮和所述磁阵列定子推进导轨中的磁体排列为使得所述定子和所述转子处于彼此 吸引的配合，在所述转子和所述定子两者上按照交替式北-南-北-南交替极性排列， 成对的磁阵列转子推进轮沿逆时针方向和顺时针方向水平旋转，将所述磁阵列单轨 定子导轨夹在中间，其中所述转子和所述定子上的磁阵列磁体将处于彼此的非接触 吸引配合，以获得所想要的非接触磁推进，所述推进轮安装在一对与电动机驱动的 齿轮箱连接的垂直向上竖立的轴上；
C) 磁悬浮是通过采用安放在所述玩具车身下的磁条来取得的，这样磁条与 单轨单极磁阵列悬浮导轨之间将将处于非接触推斥配合，所述单轨磁悬浮导轨的磁 体较佳地将采用柱形或碟形永磁体且沿着所述磁导轨的长度间隔开，以形成获得磁 悬浮的成本经济的解决方案，所述悬浮磁体的定向应当设置成，所述玩具部分的悬 浮器与沿着所述单轨磁性轨道长度上的悬浮导轨处于推斥配合，从而获得磁悬浮并 使摩擦最小化，所述磁悬浮器在整个磁悬浮器长度的前端应向上倾斜，从而使磁阻 最小化；
d) 采用单轴或双轴电动机的两轮和四轮推进系统，可以用于一切将玩具用
于竞赛轨道上的特殊障碍的竞赛或应用；
e) 采用各种形状、大小、等级和种类的永磁体，以用于所述磁阵列推进轮 和/或所述磁悬浮器组件中；
f) 采用重力滚子轮引导件替代磁悬浮器组件将使所述玩具更加经济；
g) 所述磁阵列推进转子轮和/或所述悬浮器组件采用依据Halbach阵列矢量 旋转原理的特殊磁阵列，如单极阵列、单极Stetler阵歹ij、单极Halbach阵列、Stetler 阵列、Halbach阵列、交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列、交替式凹进磁性(ARM)阵列， 这样永磁体的磁场得以代数累加，从而使磁场变得更强，从而有益于教育目的的实 现，采用单极阵列对悬浮目的来说尤其有利，这是因为磁极的定向将产生互相推斥 配合；
h) 采用可升级的推进导轨系统而不是物理接触牵引导轨，这样导轨系统能 够采用磁悬浮导轨和磁力推进导轨系统，反之亦然，这些导轨系统能够层层叠置以 用于赛车目的；
i) 使用无线电遥控系统控制所述玩具的"开"或"关"或控制其速度，和/ 或在所述磁悬浮导轨上的悬浮，和/或使所述玩具前进或后退。
较佳的是，能够使用多个永磁体，这些磁体排列成不同的阵列，从类似北-南-北-南结构的简单或基本排列到集中型阵列，后者的磁通密度集中在阵列的一边， 而阵列的另一边几乎没有磁场，从而有利于推进和悬浮的形成；这些永磁体根据U 形永磁体的矢量旋转进行排列，如在Halbach阵列或交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列 或交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列，或交替式北-南-北-南阵列或Stetler阵列、单极阵 列中所使用的；所述A.R.M.或A.R.C.阵列按照U形或Halbach矢量旋转原理进行 排列，侧向磁体所处的交替式凹进磁性(A.R.M.)或交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列 相对于真北和真南磁体离中心至少有1%-99%的偏移，从而增加真磁体的磁通密 度；所述凹进的真北和/或真南磁体理想的位移偏移量或凹进量为10%到30%，或 者说"x"在任何处离开在其上产生空气间隙或空腔的外部磁通流出突出的左右侧向磁体和凹进的真北和真南磁体之间的合并点大于或等于(> =)1%到少于或等于(< =)
99%"之间"；与Halbach阵列构造相比，交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列或交替式 凹进曲线(A.R.C.)阵列的这一偏移特征将很大程度上增加所述阵列的磁通密度；所 述侧向和真北或真南磁体之间磁体的分割可以是不对称的，所述侧向磁体可以拉长
些，而所述真北和真南的磁体可以是压縮的或更加狭窄；所述空腔可以由例如铁钒 钴(FeVCo)的软磁体来填充。
较佳的是，对所述推斥性单极磁导轨系统以推斥力悬浮；另一方面，多个的吸 引性磁阵列水平推进转子轮与至少一个吸引性推进磁导轨平行地处于非接触吸引 配合，其中所述磁性推进导轨垂直竖立在所述推斥性悬浮磁导轨上；所述磁阵列定 子导轨由永磁体以交替式北-南-北-南模式组成，所采用的永磁体较佳的是稀土磁体 如钕铁硼(NdFeB)，比所述磁阵列推进转子轮磁体的等级更低或与之类似；所述磁 阵列转子轮和所述磁阵列推进定子导轨上的所述磁阵列可以采用柱形或碟形磁体， 简单地以交替式北-南-北-南结构排列，或采用Halbach阵列、交替式凹进磁性 (A.R.M.)阵列或交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列，从而增大与旋转磁性轮之间的吸引 力矩；所述磁阵列推进转子轮可以堆叠成双轮或多轮，从而增加吸引性磁力牵引， 可满足所述磁性轮的任何特殊应用；较佳地考虑到玩具应用上的经济问题，所述磁 阵列轮上的较次级的磁体意味着该系统十分经济，因此至少应使用从4、 6、 8到 10个开始的磁体或其他偶数构造的磁体，使得柱形磁体或磁性碟片可以沿着水平 旋转磁阵列推进定子轮周围进行分布；磁体少意味着重量轻，可以增加所述玩具的 效率和性能；磁体的分布最好是以交替式北-南-北-南方式排列在轮子周围，这样， 磁极场将最大限度地暴露于交替式北-南-北-南磁阵列定子导轨，所述转子和所述定 子的磁极定向应互相平行并互相吸引；如果使用的磁体不是钕铁硼，如钐钴镍、铝 镍钴、铁酸盐和其他类型的稀土磁体和/或其他永磁体，较佳的是建议为所述磁阵 列推进转子轮使用更高等级的磁体，较佳地比该永磁体上最低等级的磁体高等，和 /或使用与之相关或类似的等级；所述磁阵列推进轮上的柱形磁性碟片直径应足够 大，从而使所述磁体能承受其上的负载，较佳地大于或等于所述磁阵列定子导轨上 的磁体；沿着所述磁阵列推进转子轮的轴线上设有滚子组件，以保持所述旋转磁阵 列转子轮与所述磁阵列定子推进导轨之间必要的空气间隙，从而保持两者之间的非 接触的吸引磁性推进。
较佳的是，将由多个电动机来驱动，但不限于使用单轴或双轴电动机；所述单 轴电动机能够驱动两轮驱动系统，而所述双轴电动机能够驱动四轮轴构造；所述电
动机的所述轴在终端安装有小齿轮，所述小齿轮可以驱动主要齿轮，以转动连接在 所述轮轴上其他齿轮，所述轮轴能够固定所述磁阵列推进轮和/或牵引摩擦结构上 的橡胶轮；所述电动机由电池或外部电力驱动；如果电力来自外部，则将特殊连接 件安装在具有开放连接的轨道上，该开放连接利用物理接触沿所述轨道长度设置的 所述外部电源的碳铜或电源接线提供正负接线以为所述驱动机构(电动机)供电。 较佳的是，将被转换成以重力牵引为基础的推进机构，其中水平旋转的牵引橡 胶轮将进行水平旋转，并与垂直竖立的单轨牵引导轨表面处于垂直的牵引和摩擦配 合中，两者之间应足够紧密，从而所述轮子一旦开始沿着所述垂直竖立的单轨轨道 进行水平旋转，就能获得牵引；所述橡胶牵引轮可以由两轮或四轮驱动系统提供动 力；车身中间部位的滚子引导件与单轨导轨的末端处于物理滚动配合，从而可以降 低摩擦力，使所述水平牵引橡胶轮前进或后退；所述滚子引导件的位置应至少沿着 所述轮轴的轴线。
较佳的是，将以推进机构为基础，其中所述水平旋转牵引橡胶轮将进行水平旋 转，且与垂直竖立的单轨牵引导轨处于垂直牵引配合，两者之间应足够紧密，从而
一旦所述轮子沿着所述垂直竖立的单轨导轨开始水平旋转，就能获得牵引；所述橡 胶牵引轮可以由两轮或四轮驱动系统提供动力；车身中间部位上设置的滚子引导轮
组件与所述单轨导轨的最顶端处于物理滚动配合，从而可以降低摩擦力，使所述水 平牵引橡胶轮前进或后退。
较佳的是，具有多个滚子引导轮，所述轮子具有以弹簧为基础的悬挂机构，从 而使所述轮子在沿着狭窄的单轨赛车导轨的最顶端部分滚动时，所述玩具车身形成 机械悬挂系统，让所述车身通过在安装所述滚子引导轮顶端的弹簧悬挂系统而弹 跳。
较佳的是，具有遥控系统，以将所述玩具"开"或"关"，加速或减速，"开" 或"关"所述玩具的照明系统或车载声音系统。
较佳的是，其机构可以使所述磁性轮或橡胶轮进入工作或非工作模式，从而使 所述磁阵列转子轮与所述磁阵列推进定子之间更加接近，或在非工作模式下更加远 离，让重力形成动力，使所述玩具在无摩擦的磁导轨上运行；设有所述滚子引导组 件以用来保持所述轮子和所述单轨导轨之间必要的空气间隙和距离。
较佳的是，其特征在于，导轨可以层层堆叠以为所述单轨赛车创造额外的维度; 将设置特殊的锁定和结构组件以结构地支持每一层之上的轨道。
较佳的是，其特征在于，应至少在侧面和磁悬浮器下方安装电池；理想的状态
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为重力中心位于所述单轨磁阵列悬浮器悬挂系统下方;所述磁悬浮器较佳地由多个 矩形磁体组成，磁体之间间隔开来以为电动机提供空间，从而不会影响所述电动机 的性能，尤其是长期使用电动机的话；所述悬浮器的长度应当足够长，因此所述单 轨磁阵列悬浮导轨上的所述磁体应采用间隔开的磁体，较佳的是磁碟片或柱体；其 间距应当足够长，从而可承载所述悬浮器磁条的长度，并且从商业上考虑也应当足 够经济。
较佳的是，设计成电动机、齿轮箱、磁悬浮器或磁性轮应模块化，同时还应具 有简单的锁定系统，从而在尤其用于赛车目的时，能够简单地替换这些部件以改善 性能，或者简单地改变所述玩具的性能。
较佳的是，具有多个齿轮箱，所述齿轮箱有枢转轴，这样所述磁阵列轮就可以 更加容易地进行急转弯；所述枢转轴可以沿着所述齿轮箱的中心而设置。
较佳的是，将采用单极阵列，如单极Halbach阵列、单极Steler阵列或单极交 替式凹进磁性(A.R.M.)阵列来增加所述磁体的承载能力，其中磁场强度根据要用 于所述磁阵列悬浮器组件和所述磁阵列悬浮单轨导轨之上的Halbach阵列的矢量 旋转原理以代数方式叠加。
较佳的是，其特征在于，可按比例扩大，可用于磁悬浮赛车和运输系统中实际 大小的磁悬浮推进系统;这些实际大小磁悬浮赛车和运输的应用中将采用诸如单极 Steler阵列或单极Halbach阵列和/或交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列和交替式磁性 (A.R.M.)阵列的特殊磁阵列。
较佳的是，其特征在于，将采用机械驱动的电磁阵列转子轮，这种轮子用于高 端、工业以及实际大小的运输用途和/或磁悬浮赛车中；所述电磁阵列转子轮具备 动力电子控制的转换器，可以改变待充电的旋转电磁脚组件的极性，使之与所述单 轨磁阵列导轨系统形成电磁吸引；多个电磁螺线管组件脚是由铁磁材料较佳的是涂 有清漆的铁薄片构成的，它们沿着所述电磁轮周围放置并分隔开来，以保证所述电 磁脚有足够的空间，以覆盖所述磁阵列推进定子导轨，这样，如果所述电磁脚配合 在所述磁阵列推进定子导轨的北极(N)中，将通过所述电磁轮组件中的所述转换 器将所述电磁脚充电成吸引性的南极(S);所述铁磁组件外面包裹着涂抹清漆的 线圈，每个电磁螺线管组件脚上都设有具有正极和负极连接器的碳铜组件；所述碳 铜一与动态电子控制的转换器配合——后者较佳地位于与所述磁阵列推进定子导 轨平行的半圆形排列中，整个电磁螺线管组件脚就会具有电磁性并将与所述磁阵列 推进定子导轨电磁吸引配合；然而，下一个电磁阵列脚(南) 一与下面的磁阵列推
进定子导轨(北)形成吸引电磁配合，之前的电磁脚(北)就将与磁阵列推进定子 导轨(北)将形成推斥配合；所述机械旋转电磁阵列轮与只采用永磁体的磁阵列轮 相比，其性能功效更高，这是因为采用电磁阵列轮能够避免永磁体吸引力矩所产生 的磁阻，仅采用永久磁性旋转机械轮尤其是用做实际大小或工业应用时，该磁阻是 主要的缺点所在；所述电磁轮中心有连接在齿轮箱组件上的轮轴；所述齿轮箱组件 由电动机驱动；改变所述电磁脚极性的转换器连接在一个电子仪器上，后者可以动 态和/或机械式地改变所述磁脚的极性(在北和南之间)，从而使所述电磁转子轮 与所述永磁体定子导轨之间的吸引或推斥配合最大化;所述转换器与来自于电池的 电源或外部电源相连接;所述磁阵列推进定子导轨可采用交替式北-南-北-南集中磁 性模式的Halbach阵列或采用Stetler或交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列，使所述磁 推进定子导轨具备更大的承载量。
较佳的是，将采用多层电磁阵列轮，从单层轨道到上下堆叠的两轮或多轮层； 所述磁阵列推进定子导轨还将具备多层引导件，该引导件采用以从交替式凹进磁性 阵列(A.R.M.)到Halbach或Stetler阵列的磁阵列排列的永磁体；这对工业或重载 应用来说尤其有用。
较佳的是，其底盘下的磁悬浮器的长度应当足够长，以覆盖所述单轨磁导轨上 间隔开的磁碟片，从而增加所述磁碟片之间的间距并使所述单轨磁导轨上的磁体数 目最小化；所述车辆底盘下的悬浮器条的宽度应大于所述单轨磁导轨上的所述磁 体；所述磁悬浮器的长度可以分成两个部分，以留出空间给上面的电动机，从而避 免由于永磁体组成的磁悬浮器性质而产生的所述电动机性能上的干扰;所述滚子导 轨应当位于轮轴的轴线上；旋转磁性或电磁阵列轮之间的空气间隙不应太近，否则 将影响所述单轨竞赛轨道和所述轮子之间的间隙，同时两者之间的空气间隙也不宜 太远，否则将影响所述旋转转子磁阵列轮和所述磁阵列推进定子导轨之间的磁吸引 或牵引；所述磁悬浮器应从所述轮子两边的轴线上延伸，从而使悬浮达到最佳效果； 所述悬浮器将较佳地采用各种级别、形状、种类和大小的永磁体。
较佳的是，为了增加其透明度，将使用特殊的透明塑料，诸如PMMA、 PS、 MMABS、 PC和其他成本经济且坚固的塑性材料，以示出所述单轨轨道的透明性; 所述塑性材料上可以添加任何半透明的颜色，以使所述轨道色彩丰富并增加其对孩 子的吸引力。
较佳的是，不管是磁性的还是非磁性的，都将采用轻质透明塑料，较佳的是 PMMA、 PS、 MMABS、 PC和其他成本经济且坚固的塑性材料来示出所述单轨轨
道的透明性;这些轨道将层层堆叠和/或彼此并排设置，这将尤其有利于赛车应用； 将采用特殊的结构支架以支撑顶部的轨道。
本发明还提供了一种单轨摩擦牵引玩具，其中垂直旋转的两轮驱动摩擦轮沿着 无磁性单轨垂直竖立的导轨的长度进行无磁性摩擦牵引配合地垂直旋转运行；在本 系统中，没有采用磁悬浮系统，而悬挂系统是通过所述单轨赛车玩具底盘下设置的 多个垂直的橡胶牵引轮取得的；所述垂直旋转的橡胶牵引轮沿着所述无磁性单轨垂 直竖立的导轨的长度运行，通过多个与所述单轨垂直竖立的导轨接触的水平旋转滚 子引导轮获得平衡和稳定。
在阅读详细描述和附加附图之后，将对所述目的及其他目的和优点将有所发现 和了解。由于所示附图的有限性，其他类似结构可由技术熟练的技术人员在本发明 所附附图的基础上设计或开发出来。


图1为本发明的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转磁阵列(永磁体)推 进轮，由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图2为本发明的另一实施例的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转磁阵列 (永磁体)推进轮，由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的两轮单轴电动机驱动；
图3为本发明的另一实施例的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有旋转电磁阵列推 进轮，由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图4为本发明的另一实施例的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有旋转电磁阵列推 进轮，由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的两轮单轴电动机驱动；
图5为本发明的另一实施例的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转牵引橡 胶轮，由单轨磁悬浮导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图6为本发明的另一实施例的立体图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转牵引橡 胶轮，由单轨磁悬浮导轨上的两轮单轴电动机驱动；
图7为本发明的另一实施例的立体图，该单轨重力牵引玩具带有水平旋转牵引 橡胶轮，由无磁性单轨重力牵引导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图8为本发明的另一实施例的立体图，该单轨重力牵引玩具带有水平旋转牵引 橡胶轮，由无磁性单轨重力牵引导轨上的两轮单轴电动机驱动；
图9为本发明的纵剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转磁阵列(永磁体) 推进轮，由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图10为本发明的纵剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转电磁阵列推进轮， 由单轨磁阵列悬浮和推进导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图11为本发明的纵剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转牵引橡胶轮，由 单轨磁阵列悬浮导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图12a为本发明的纵剖面图，该单轨重力牵引摩擦玩具带有水平旋转牵引橡胶 轮，由无磁性单轨重力牵引导轨上的四轮双轴电动机驱动；
图12b为本发明的纵剖面图，该单轨重力牵引摩擦玩具带有垂直旋转橡胶摩擦 轮，由无磁性单轨重力牵引导轨上的两轮双轴电动机驱动；
图12c为本发明的横剖面图，该单轨重力牵引摩擦玩具带有垂直旋转橡胶摩擦 轮，由无磁性单轨重力牵引导轨上的两轮双轴电动机驱动；
图13a为本发明推进和悬浮机构的横剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转 磁阵列(永磁体)推进轮，在单轨磁阵列悬浮和推进导轨上运行；
图13b为本发明推进和悬浮机构的横剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转 电磁阵列推进轮，在单轨磁阵列悬浮和推进导轨上运行；
图13c为本发明推进和悬浮机构的横剖面图，该单轨磁悬浮玩具带有水平旋转 橡胶牵引推进轮，在单轨磁阵列悬浮导轨上运行；
图13d为该单轨重力牵引玩具推进和悬浮系统的推进和悬浮机构的横剖面图， 该车带有垂直旋转的橡胶牵引摩擦轮推进系统，在无磁性单轨重力摩擦导轨上运 行；
图13e为该单轨重力牵引玩具滚子引导悬浮系统的另一实施例的推进和悬浮 机构的横剖面图，该车带有水平旋转橡胶牵引推进轮，在无磁性单轨重力牵引导轨 上运行；
图13f为该单轨重力牵引玩具滚子引导悬浮系统的另一实施例的滚子引导和 悬浮机构的横剖面图，该车带有水平旋转滚子引导轮，在无磁性单轨重力牵引导轨 上运行；
图14a是该单轨磁悬浮玩具推进和悬浮机构的放大立体图，该车带有单层水平 旋转磁性交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列转子(永磁体)推进轮，在单层单轨磁性单 极Halbach阵列悬浮引导和交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列推进定子导轨上运行；
图14b为该单轨磁悬浮玩具推进和悬浮机构的放大立体图，该车带有多层水平 旋转磁性交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列转子(永磁体)推进轮，在多层单轨磁性单 极Halbach阵列悬浮引导和交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列推进定子导轨上运行；
图15为该单轨磁悬浮玩具推进机构的放大立体图，该车带有水平旋转电磁阵
列推进轮，在单轨Halbach阵列推进定子导轨上运行；
图16为该单轨磁悬浮玩具推进和悬浮机构的放大立体图，该车带有水平旋转 橡胶牵引推进轮，在单轨单极Halbach阵列悬浮导轨上运行；
图17a为在无磁性单轨重力牵引导轨上运行的重力牵引滚子引导轮组件的放 大立体图17b为该单轨重力牵引摩擦玩具的放大立体图，该车带有垂直旋转的橡胶牵 引摩擦轮，由无磁性单轨重力牵引摩擦导轨上的两轮驱动双轴电动机来驱动；
图18是多层磁性或无磁性单轨竞赛轨道层层叠置的立体图，该玩具沿着每层 轨道的长度而设置上，或为磁悬浮和磁力推进玩具，或为无磁性机械重力牵引玩具，
该构造还示出了其结构性加强件；
图19a、 19b、 19c、 19d、 19e和19f为各种磁阵列构造，分别为Halbach阵列、 Stetler阵列、单极Halbach阵列、单极Stetler阵列、交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列 和交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列；
具体实施方式
现在参见附图中的若干视图，其中本发明示出了用于所述玩具的各种可能的实 施例，该玩具或采用推进和悬浮系统结合或采用非接触磁性或电磁阵列推进转子 轮，亦或是采用接触性橡胶牵引轮，能够通过采用非接触性无摩擦磁悬浮系统或重 力滚子轮引导件悬浮系统，和/或通过附图中示出的其他结构的任何方式组合，采 用双轴四轮驱动电动机或单轴两轮驱动电动机构造。
图1和2示出磁悬浮玩具车10。所述车10由车身1 (用虚线标出)组成，该 车身具有在图1中的双轴电动机19a和在图2中的单轴电动机1%。在图1的构造 中，电动机轴9b两端都有小齿轮9a，能够驱动前齿轮箱7a和后箱7b，同时形成 四轮驱动推进系统结构。在齿轮箱7a和7b中有成套的齿轮8，这些齿轮排列方式 有利于达到此结构所需的速度或转矩。成套齿轮8有一个冠齿轮8a和一对终端齿 轮8b和8c，这对终端齿轮分别应以顺时针和相反的逆时针方向旋转。将为间隔考 虑增加其他的间隔齿轮(未编号)，或者将增加几个别的齿轮以根据目的增加或降 低车速或车轮的扭矩。然而，推荐增加采用永磁体或电磁体的磁阵列轮的扭矩。成 套齿轮8，从冠齿轮8a到终端齿轮8b和8c均装于齿轮箱7a和/或7b中，它们水 平旋转运行。每个齿轮箱7a和7b中的至少两个终端齿轮8b和8c可以驱动这一对 垂直竖立的轮轴4，后者由终端齿轮8b和8c固定，齿轮箱7a和7b以及轮盖6有 助于保持轮轴4的稳定水平旋转。
而在图2的构造中，单轴电动机19b有一个单轴9b和一个小齿轮9a，后者仅 仅驱动位于前部或后部的一个齿轮箱7b。图2中的构造类似图1，后者采用双轴电 动机19a，而前者采用的是单轴发动19b。在图1和图2中，旋转磁阵列推进转子 轮3a位于轮轴4较低的一端，与轮轴4垂直相交并旋转。多个磁体2a位于轮周， .以形成交替式北-南-北-南吸引永磁体构造，采用各种磁阵列构造或采用简单的基础 磁碟片阵列构造，前者诸如Halbach阵列、Stetler阵列、交替式凹进曲线(A.R.C.) 阵列、多层磁阵列等。然而从经济方面考虑，推荐采用相对大小的偶数柱形碟片 永磁体(较佳的是稀土磁体)，从4， 6， 8， 10， 12, 14， 16， 18往上，以北-南-北-南的交 替方式排列，分布在水平转子轮周围，其中磁体2a的极端平行地面向单轨磁阵列 推进定子导轨13，后者相对于旋转磁阵列推进转子轮3a同样以交替式北-南-北-南 方式排列。
成对的旋转磁阵列推进转子轮3a将水平旋转，其一边沿顺时针方向旋转而另 一边逆时针旋转，将单轨磁阵列推进定子导轨13夹在中间，以非接触性吸引推进 配合运行，沿着单轨磁阵列推进定子导轨13的长度水平旋转。所述单轨磁阵列推 进定子导轨13为交替式北-南-北-南吸引性永磁体构造，采用各种磁阵列构造或采 用简单的基础磁碟片阵列构造，前者包括Halbach阵列、Stetler阵列、交替式凹进 曲线(A.R.C.)阵列、多层磁阵列等。磁阵列构造，尤其是Halbach阵列、Stetler阵 歹lj、多层磁阵列、交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列或交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列的 重要性在于磁场以代数形式相加，使得这些磁阵列构造比基本磁体构造磁性更强， 同时这些阵列的磁场强度集中在阵列的一边，而阵列的另一边得以消磁。
旋转磁阵列推进转子轮3a和单轨磁阵列推进定子导轨13之间的磁引力将通过 滚子引导轮5得以保持，后者将保持最佳间隔或空气间隙以取得非接触性磁力推 进。滚子引导轮5由轮盖6固定，前者的最佳位置为旋转磁阵列推进转子轮3a的 轴沿线，这样可以使得枢轴和牵引距离最大化。旋转磁阵列推进转子轮3a必须至 少具备一个滚子引导轮5以保证其和单轨磁阵列推进定子导轨13之间适当的空气 间隙，以避免两者之间的物理接触。
图1和图2中示出的所述车IO悬浮在沿着无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁阵列推 进导轨14a的长度固定的无摩擦地间隔开的单极阵列磁体12上。所述单极悬浮阵 列磁导轨12的排列方式可使用单极Halbach阵列、单极Stetler阵列、单极交替式
凹进磁性(A.R.M.)阵列，或为简单的间隔开的单极磁碟片构造，为了遵从惯例，
沿着悬浮导轨的长度设置单极线性北极(磁性单极)，使得导轨具有经济性，尤其 适用于玩具应用。
多个磁悬浮器11是由永磁体构成的，其排列方式为各种单极磁阵列构造，如
单极Halbach阵列、单极Stetler阵列、单极交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列和基本
磁条单极构造。磁悬浮器11与单极悬浮阵列磁导轨12进行单极推斥磁悬浮配合。 理想地说，推荐采用Halbach阵列、Stetler阵列或交替式凹进磁性(A.R.M.)阵歹U， 这样磁场就集中于阵列的一边，而另一边得以消磁，对磁悬浮器ll十分有利。这 将引导磁场的集中，同时还将帮助再次引导磁场远离电动机19a或19b中的磁体， 对这一玩具构造尤其有利。多个磁悬浮器11被间隔开来，从而为底盘中间的电动 机19a留出空间，从而避免对后者产生磁力影响，因为前者的磁场可能会影响到电 动机的性能，尤其是在延长电动机使用的情况下。磁悬浮器11的磁体条的长度必 须适当，使之从经济上考虑能够覆盖间隔开的单极悬浮阵列磁导轨12。 间隔的单极悬浮阵列磁导轨12和单轨磁阵列推进定子导轨13都由塑料或半透明材 料封入，形成无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁阵列推进导轨14a。
理想情况下，电池15——具有各种形状、大小、电压和功率一一将位于磁悬 浮器11下方，这样前者的重量产生的重力中心将低于后者的位置，使产生的磁悬 浮更为稳定。
所述车10可以通过遥控集成电路17进行无线控制，后者与遥控天线18相连接。
图3和图4是根据图1和图2的另一实施例，只是旋转推进轮被改变了，即取 代旋转磁阵列(永磁体)转子推进轮3a，在图3和4中采用的是旋转电磁阵列转 子推进轮3b。然而在图3中采用的是双轴电动机19a而在图4中采用的是单轴电 动机19b来驱动所述旋转电磁阵列转子驱动轮3b。图3和图4中的旋转电磁阵列 转子驱动轮均与轮轴4相连，轮轴4在图3中与齿轮箱7a和7b相连，在图4中与 齿轮箱7b相连，在图3中齿轮箱上装有双轴电动机19a，在图4中装有单轴电动 机1%。由轨道(未标明)或电池15供电的转换器2c将通过固定在电磁体磁脚2d 中的碳铜组件2e为旋转电磁阵列转子驱动轮3b供电，从而使得拥有螺线管组件 2f的旋转铁磁脚获得间歇性或交替式充电，并以交替式旋转顺序变更其南北极性， 以保证铁磁脚在旋转时，通过齿轮箱7a和7b以及电动机19a和19b驱动，所述电 磁体磁脚2d可以相对于单轨磁阵列推进定子导轨13 —直保持动态交替式吸引/推
斥状态，其中所述磁性定子阵列以交替式北-南-北-南方式排列，与旋转电磁阵列推 进转子轮3b保持吸引。可以增设特殊的传感器和/或机械定时装置(未示出)以保 持旋转电磁阵列转子推进轮3b与磁阵列推进定子导轨13之间的运行吸引和推斥。
图3和图4中的电磁阵列轮构造比图1和图2中的永磁体旋转磁阵列轮的功效更为强大。
所有的单轨单极磁阵列悬浮导轨12和磁阵列推进定子导轨13的功能和构造与 在图1和图2中的详细描述相似，它们也将为了磁悬浮的目的而应用在图3和图4 中。
而图5和图6采用的推进系统则不一样，它采用的是无磁性摩擦推进系统。尽 管就磁悬浮系统而言，图5和图6中采用的规格与图1和图2同时与图3和图4 中采用的规格相似，但是就推进系统而言，图5和图6采用的是水平旋转橡胶牵引 轮，与前4幅图中的完全不同。参见图5和图6，所采用的为水平橡胶牵引轮3c， 它相对于单轨悬浮导轨14b水平旋转。所述水平橡胶牵引轮3c可以由图5中的双 轴电动机19a四轮驱动或图6中的单轴电动机19b双轮驱动来驱动。前轮或后面或 橡胶轮边将增设一个滚子轮引导件5，以获得固定至轮盖6的平衡。
图7和图8中的推进系统与图5和图6相似，采用的是水平橡胶牵引轮3c， 车轮以顺时针和逆时针方向旋转，将无磁性单轨垂直竖立导轨14c夹在中间，以获 得摩擦牵引。但是在这里，无磁性单轨垂直竖立导轨14c中没有使用磁悬浮或磁体， 而是使用的多个滚子重力悬浮轮20，将其策略性地摆放在水平牵引轮3c的轮轴沿 线和所述玩具的底盘之下。与图1、 2、 3、 4、 5和6中所描述的悬浮轨道上使用的 永磁体相比，这是一种十分经济的解决方案。在图7和图8的构造中，即使推进轮 在垂直旋转，也可以使车辆移动，这是这一构造不同于当前市场上的传统赛车玩具 的垂直旋转的重力牵引轮且十分新颖独到的地方。图7的构造采用的是双轴电动机 19a四轮驱动系统，而图8的构造采用的是单轴电动机19b两轮驱动系统。
图9、 10、 11、 12a和12b是本发明的纵剖面图，其中图9示出的是磁悬浮玩 具10的纵剖面图，该玩具带有水平旋转磁阵列(永磁体)推进轮3a，沿着单轨磁 阵列推进定子导轨13的长度通过吸引性非接触推进进行水平旋转，且在磁悬浮器 11与单极悬浮阵列磁导轨12产生推斥性磁悬浮的配合时，悬浮即得以产生。所述 单轨磁阵列推进定子导轨13和单极悬浮阵列磁导轨12均架设在无摩擦单轨磁阵列 悬浮和磁阵列推进导轨14a上。在图9的结构中，所述车10由双轴电动机19a驱 动，该电动机同时驱动前齿轮箱7a和后齿轮箱7b，两个齿轮箱中都有一对轮轴4，
水平旋转的旋转磁阵列推进转子轮3a固定在该处且由轮盖6来包封。
图10中，磁悬浮玩具车10带有水平旋转的电磁阵列转子推进轮3b，沿着单 轨磁阵列推进定子导轨13的长度通过吸引性非接触电磁推进进行水平旋转，且在 磁悬浮器11与单极悬浮阵列磁导轨12产生推斥性磁悬浮的配合时，悬浮即得以产 生。所述单轨磁阵列推进定子导轨13和单极悬浮磁导轨12均架设在无摩擦单轨磁 阵列悬浮和磁阵列推进导轨14a上。在图10的结构中，所述车10由双轴电动机 19a驱动，该电动机同时驱动前齿轮箱7a和后齿轮箱7b，两个齿轮箱中都有一对 轮轴4，水平的旋转电磁阵列转子推进轮3b固定在该处且由轮盖6来包封。
图11描绘的磁悬浮玩具车10带有水平橡胶牵引轮3c，沿着单轨悬浮导轨14b 的长度通过无磁性摩擦牵引进行水平旋转。在本构造中，采用的磁悬浮系统原理如 下在磁悬浮器11与单极悬浮阵列磁导轨12产生推斥性磁悬浮的配合时，悬浮即 得以产生。所述单极悬浮磁导轨12架设在无摩擦单轨悬浮导轨14b上。在图11 的结构中，所述车10由双轴电动机19a驱动，该电动机同时驱动前齿轮箱7a和后 齿轮箱7b，两个齿轮箱中都有一对轮轴4，水平的橡胶牵引轮3c固定在该处且由 轮盖6来包封。
图12a描绘的无磁性单轨玩具车10带有水平橡胶牵引轮3c，沿着无磁性的单 轨垂直竖立导轨14c的长度通过无磁性摩擦牵引进行水平旋转。本构造没有采用磁 悬浮系统，悬浮提供是通过玩具车10上的水平橡胶牵引轮3c轴沿线和底盘之下的 多个滚子重力悬浮轮20产生的。所述滚子重力悬浮轮20沿着无磁性单轨垂直竖立 导轨14c的长度而横穿。应当注意滚子只有在不具有内置推进系统的时候，才能释 放滚子，沿着单轨导轨14c的长度滑动。在图12a的结构中，所述单轨玩具车10 由双轴电动机19a驱动，该电动机同时驱动前齿轮箱7a和后齿轮箱7b，两个齿轮 箱中都有一对轮轴4，水平的橡胶牵引轮3c固定在该处且由轮盖6来包封。电池 15将为双轴电动机19a提供动力，从而产生推进。
图12b是单轨玩具车IO的另一实施例，与图12a或多或少有些相似，然而本 图中的车轮沿着单轨导轨的长度垂直旋转。在本构造中，垂直旋转的橡胶牵引轮 3d通过无磁性摩擦牵引沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度垂直旋转。本构 造没有采用磁悬浮系统，悬浮是通过所述玩具车底盘下方多个垂直橡胶牵引轮3d 而产生的。所述垂直橡胶牵引轮3d沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度运行， 通过多个水平旋转的滚子引导轮5取得平衡和稳定。应当注意水平旋转的滚子引导 轮5仅在没有内置推进系统沿着单轨导轨14c的长度滑动时才会释放车轮。在图
12b的构造中，双轴电动机19a的电动机轴9b两端都有一个小齿轮9a，通过附连 至电动机轴9b两端的小齿轮9a来驱动两个垂直旋转的冠齿轮8a，后者与垂直旋 转的末端齿轮8b和8c相连接。可以增设多个转矩、间隔或速度齿轮8e，使连接 在冠齿轮8a上的所述垂直推进单轨赛车的性能最佳化。末端齿轮8b和8c将连接 在垂直旋转的橡胶牵引摩擦轮3d上，后者与无磁性单轨垂直竖立导轨14c之间进 行摩擦配合。可增设滚子引导轮5以在沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度运 行时取得平衡和稳定。可以调整电池对15，使之低于垂直旋转牵引摩擦橡胶轮3d， 从而将重力中心引至车轮之下，以增加推进系统的稳定性。
图12c是单轨玩具车10的前部横截面视图，该车带有垂直旋转的橡胶牵引轮 3d，通过无磁性摩擦牵引沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度进行垂直旋转。 所述垂直旋转的橡胶牵引轮3d沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度垂直旋转， 通过多个水平旋转的滚子引导轮5取得平衡。在图12c的这个构造中，双轴电动机 19a驱动小齿轮9a，后者驱动垂直旋转的冠齿轮8a。冠齿轮8a连接在垂直旋转的 末端齿轮8b和8c上。可以增设多个转矩、间隔或速度齿轮8e，使连接在冠齿轮 8a上的垂直推进单轨赛车的性能最佳化。末端齿轮8b和8c将连接在垂直旋转的 橡胶牵引摩擦轮3d上。可以调整电池对15，使之低于垂直旋转牵引摩擦橡胶轮3d， 从而将重力中心引至车轮之下，以增加推进系统的稳定性。
图13a、 13b、 13c、 13d、 13e和13f均为该玩具的推进、浮力和悬浮系统的详 细横剖面图。其中图13a示出的是水平旋转磁阵列(永磁体)推进轮3a沿着单轨 磁阵列推进定子导轨13的长度通过吸引性非接触推进进行水平旋转，且在磁悬浮 器11在单极悬浮阵列磁导轨12上产生推斥性磁悬浮的配合时，悬浮即得以产生。 所述单轨磁阵列推进定子导轨13和单极悬浮磁导轨12均架设在无摩擦单轨磁阵列 悬浮和磁阵列推进导轨14a上。在图13a的结构中，电动机19带有齿轮箱7，该 齿轮箱7驱动成对的轮轴4，后者连接在水平旋转的旋转磁阵列(永磁体)推进转 子轮3a上且且由轮盖6来包封。滚子轮引导件5能够保持必要的空气间隙，以避 免旋转的水平旋转磁阵列(永磁体)推进转子轮3a和单轨磁阵列推进定子导轨13 之间产生磁性接触。车轮磁体2a多由永磁体以北-南-北-南排列方式构成，位于水 平旋转的车轮周围，磁体的极端面向单轨磁阵列推进定子导轨13并与之平行，后 者同样以交替式北-南-北-南方式排列，与旋转的旋转样磁阵列推进转子轮3a相互 吸引。
图13b示出的是水平旋转电磁阵列转子推进轮3b沿着单轨磁阵列推进定子导
轨13的长度通过吸引电磁非接触推进进行水平旋转，且在磁悬浮器11在单极悬浮 阵列磁导轨12上产生推斥性磁悬浮的配合时，悬浮即得以产生。所述单轨磁阵列
推进定子导轨13和单极悬浮磁导轨12均架设在无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁阵列推 进导轨14a上。在图13b的结构中，电动机19带有齿轮箱7，该齿轮箱7驱动轮 轴4，后者连接在水平旋转电磁阵列转子推进轮3b上且且由轮盖6来包封。滚子 轮引导件5能够保持必要的空气间隙，以避免旋转的水平旋转电磁阵列转子推进轮 3b和单轨磁阵列推进定子导轨13之间产生磁性接触。由轨道供电(未示出)的转 换器2c将通过电磁体磁脚2d中的碳铜组件2e为旋转电磁阵列转子推进轮3b供电， 从而使得具备螺线管组件2f的旋转铁磁脚获得间歇性或交替式充电，并交替旋转 从北极变更为南极，以保证在其旋转时，所述电磁体磁脚2d可以在单轨磁阵列推 进定子导轨13上一直保持动态交替式吸引/推斥状态，其中磁性定子阵列以交替式 北-南-北-南方式排列，与旋转电磁阵列推进转子轮3b保持吸引。
图13c示出的是水平橡胶牵引轮3c沿着单轨悬浮导轨14b的长度通过无磁性 摩擦牵引进行水平旋转，且在磁悬浮器11在单极悬浮阵列磁导轨12上产生推斥性 磁悬浮的配合时，悬浮即得以产生。所述单极悬浮磁导轨12架设在无摩擦单轨悬 浮导轨14b上。在图13c的结构中，电动机19带有齿轮箱7，该齿轮箱7驱动轮 轴4，后者连接在水平旋转的橡胶牵引轮3c上且且由轮盖6来包封。可使用滚子 轮引导件5以保持稳定或平衡。
图13d中，垂直旋转橡胶牵引轮3d通过无磁性摩擦牵引沿着无磁性单轨垂直 竖立导轨14c的长度进行垂直旋转。在本构造中，没有磁悬浮，悬浮是通过多个垂 直旋转的橡胶牵引轮3d产生的，后者沿着无磁性单轨垂直竖立导轨14c的长度运 行，通过连接在轮盖6上的多个水平旋转的滚子引导轮5获得平衡和稳定。应当注 意水平旋转的滚子引导轮5仅在没有内置推进系统在单轨导轨14c上滑动时才会释 放车轮。在图13d的构造中，双轴电动机19a驱动小齿轮9a，继而驱动垂直旋转 的冠齿轮8a，后者与垂直旋转的末端齿轮8b和8c相连接。可以增设多个转矩、 间隔或速度齿轮8e，使连接在冠齿轮8a上的垂直推进单轨赛车的性能最佳化。末 端齿轮8b和8c将连接在垂直旋转的橡胶牵引摩擦轮3d上。
图13e和13f是与图13c和图13d相似的另一实施例，而图13e的滚子重力悬 浮轮20a可采用各种设计。图13f示出了典型的一种前轮设计，在该构造中，无需 推进轮，而只需要多个滚子轮引导件5来保持稳定或平衡。图13e和13f中采用的 是同样的滚子重力悬浮轮引导件20。 图14a是本发明推进和悬浮系统的放大图，该车采用的是单层的旋转磁阵列 (永磁体)推进转子轮构造。在本构造中，电动机19通过连接在电动机轴9b上的 小齿轮9a驱动水平旋转的冠齿轮8a，后者连接在齿轮箱7内水平旋转的末端齿轮 8b和8c上。末端齿轮8b和8c各有一个轮轴4，随着末端齿轮8b和8c的旋转顺 时针和逆时针旋转。本构造中的单层的水平旋转的磁阵列(永磁体)推进转子轮 3a为交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列或圆形Halbach阵列2a，在轮轴4上得以固定。 单层的水平旋转的磁阵列(永磁体)推进转子轮3a通过滚子引导轮5与线性磁阵 列推进定子导轨13a中的交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列或线性Halbach阵列之间产 生非接触吸引性磁力。所述设备与车身中的磁悬浮器11和线性单极悬浮阵列磁导 轨12上之间产生推斥性非接触磁悬浮。单极悬浮阵列磁导轨12和线性磁阵列推进 定子导轨13a均沿着无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁阵列推进导轨14a的长度被包封。 本构造中的磁悬浮器11和线性单极悬浮阵列磁导轨12均为单极Halbach阵列。
图14b示出的是图14a的另一实施例。本图中，定子和转子上采用的不是单层 而是多层Halbach阵列或交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列或交替式凹进磁性阵列。在 本构造中，电动机19通过连接在电动机轴9b上的小齿轮9a驱动水平旋转的冠齿 轮8a，后者连接在齿轮箱7中水平旋转的末端齿轮8b和8c上。末端齿轮8b和8c 上个有一个轮轴4，随着末端齿轮8b和8c的旋转进行顺时针和逆时针旋转。本构 造中，多层的水平旋转的磁阵列(永磁体)推进转子轮3a由多层交替式凹进曲线 (A.R.C.)阵列或多层圆形Halbach阵列，在轮轴4上得以固定。多层水平旋转的磁 阵列(永磁体)推进转子轮3a通过滚子引导轮5与线性磁阵列推进定子导轨13b 中的多层交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列或线性Halbach阵列之间产生非接触吸引性 磁力。所述设备与车身中的磁悬浮器11和线性单极悬浮阵列磁导轨12上之间产生 推斥性非接触磁悬浮。单极悬浮阵列磁导轨12和多层线性磁阵列推进定子导轨13a 均沿着无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁阵列推进导轨14a的长度被包封。本构造中的磁 悬浮器11和线性单极悬浮阵列磁导轨12均为单极Halbach阵列。
图15是本发明推进系统的放大图，该车采用的是旋转电磁阵列推进转子轮构 造。在本构造中，电动机19通过连接在电动机轴9b上的小齿轮9a驱动水平旋转 的冠齿轮8a，后者连接在齿轮箱7内水平旋转的末端齿轮8b和8c上。末端齿轮 8b和8c各有一个轮轴4，随着末端齿轮8b和8d的旋转顺时针和逆时针旋转。水 平旋转的电磁阵列推进转子轮3b固定在轮轴4上。玩具车身10上安装着一对电源 钩线2b，可开放地与明线引导外部电源2g相接触配合，后者可以为所述水平旋转
的电磁阵列推进转子轮3b提供正极和负极电，从而让铁磁电磁脚2d与导轨长度上 的永久磁阵列定子之间获得动态的电磁吸引力或推斥力。这必须使得每个铁磁电磁
脚2d从转换器组件2c获得电力，前者外面覆盖着螺线管组件2f，其外环绕着碳铜 2e，后者通过车身1的部分上连接的电源钩线2b而由电池15或由外部电源2g提 供电源。 一旦水平旋转的电磁阵列推进转子3b通过轮轴4沿着其轴线旋转，每个 铁磁电磁脚2d将通电，同时取得动态的电磁吸引或推斥，以北-南-北-南动态极性 转换，从而对永久磁阵列定子导轨13a产生吸引或推斥。转换器组件2c对吸引和 推斥的获得十分重要，这是因为转换器组件2c分做两个部分(未示出)，在前半部 分上，所述铁磁电磁脚2d将充入正电，使之与永久磁阵列定子导轨13a之间产生 电磁吸引，但是一旦铁磁电磁脚2d在转换器另一部分上开始旋转，即充入负极电， 从而使铁磁电磁脚2d与永久磁阵列定子导轨13a之间产生电磁推斥。本机械设计 构造可产生一种电转换设备。水平旋转的电磁阵列推进转子轮3b通过水平旋转的 滚子引导轮5与线性磁阵列推进定子导轨13a中的交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列或 线性Halbach阵列产生电磁吸引和推斥磁力。
图16是本发明悬浮和推进系统的放大图，该车采用的是水平旋转牵引摩擦橡 胶轮组件。在本构造中，电动机19通过连接在电动机轴9b上的小齿轮9a驱动水 平旋转的冠齿轮8a，后者连接在齿轮箱7内水平旋转的末端齿轮8b和8c上。末 端齿轮8b和8c各有一个轮轴4，随着末端齿轮8b和8d的旋转顺时针和逆时针旋 转。水平旋转的牵引摩擦橡胶轮3c固定在轮轴4上，与垂直竖立的单轨悬浮导轨 14b产生摩擦，后者架设在沿着单轨悬浮导轨14b的长度间隔排列的永磁体12上。 所述玩具车10与车身中的磁悬浮器11和线性单极悬浮阵列磁导轨12之间产生推 斥性非接触磁悬浮。单轨悬浮阵列磁导轨12沿着垂直竖立的单轨悬浮导轨14b的 长度被包封。
图17a是本发明无磁性推进和悬浮系统的放大图，该车采用的是水平旋转牵引 摩擦橡胶轮组件，且通过滚子轮引导件悬浮系统悬浮在单轨导轨上。在本构造中， 电动机19通过连接在电动机轴9b上的小齿轮9a驱动水平旋转的冠齿轮8a，后者 连接在齿轮箱7内水平旋转的末端齿轮8b和8c上。末端齿轮8b和8c各有一个轮 轴4，随着末端齿轮8b和8d的旋转顺时针和逆时针旋转。如该构造所示，水平旋 转的牵引摩擦橡胶轮3c固定在轮轴4上，与无磁性单轨垂直竖立的导轨14c产生 摩擦。所述滚子重力悬浮轮20沿着无磁性单轨垂直竖立的导轨14c的长度产生单 轨悬浮。
图17b是与图17a相似的另一实施例，示出的是本发明的无磁性推进和悬浮系
统，该车采用的是垂直旋转的牵引摩擦橡胶轮组件，且通过滚子轮引导件悬浮系统
悬浮在单轨导轨上。在本构造中，双轴电动机19a通过连接在电动机轴9b两端的 小齿轮9a驱动两个垂直旋转的冠齿轮8a，后者连接垂直旋转的末端齿轮8b和8c 上。可以增设多个转矩、间隔或速度齿轮8e，使连接在冠齿轮8a上的所述垂直推 进单轨赛车的性能最佳化。末端齿轮8b和8c将连接在垂直旋转的橡胶牵引摩擦轮 3d上，后者与无磁性单轨垂直竖立的导轨14c之间产生摩擦。可增设滚子引导轮5 从而使在无磁性单轨垂直竖立的导轨14c上运行时取得平衡和稳定。可以调整电池 对15，使之低于垂直旋转牵引摩擦橡胶轮3d，从而将重力中心引至车轮之下，以 增加推进系统的稳定性。
图18是导轨系统的立体图，无论该导轨系统采用无摩擦单轨磁阵列悬浮和磁 阵列推进导轨14a、垂直竖立的单轨悬浮导轨14b和无磁性单轨垂直竖立导轨14c。 所有这些导轨系统都可以通过结构加强件或支架21支承从而组合地垂直堆叠起 来。曲道轨道22a和直道轨道22b将通过锁定销23连接，后者嵌在曲道轨道22a 和直道轨道22b每端的锁定孔24中，用来固定或插入锁或连接所述轨道。磁悬浮 或单轨牵引玩具车IO可以沿着任一条导轨的长度放置。这一构造适用于使遥控玩 具或实际大小的磁悬浮和推进竞赛小型化。
所述单轨垂直竖立导轨14a、 14b或14c较佳地由半透明或透明塑料制成，诸 如PMMA、透明ABS (MMABS)、 PS或PC、或者类似ABS的任何其它类型的塑 料。出于强度考虑，所述单轨轨道也可采用金属，尤其是在轨道垂直堆叠起来的情 况下。各塑料组件将固定悬浮和推进系统中的磁体以便商业应用。
图19a、 19b、 19c、 19d、 19e和19f均为特殊磁阵列排列的永磁体，均以"叠 加"原理为基础，磁场集中在阵列的一边，而另一边几乎为零磁场。这种阵列与传 统的永磁体构造相比，优点在于磁场集中于阵列的一边，这将在很大程度上促进磁 体的磁力，尤其是采用稀土永磁体如钕铁硼(NdFeB)的时候。这些磁阵列比起工业 应用和冷却系统要求采用的电磁体而言，同样更为经济和有用。如果我们采用以下 列举的原理，当前如钕铁硼(NdFeB)这样的稀土永磁体的磁力可以用于生活或工业 应用。
图19a为Klaus Halbach在20世纪80年代晚期发明的Halbach阵列，该阵列 中，永磁体的特殊安排能够增大设备一边的磁场而另一边几乎为零磁场，尽管这一 效应已由Mallinson于1973年发现。磁场22d遵循的是U形磁体Halbach阵列矢量旋转原理。在本构造中，真北极22a和真南极22b两边各夹着一层周边磁体22c， 后者的箭头或磁场遵从Halbach阵列矢量旋转原理。
图19b为Richard E. Stetler基于"叠加"这一概念发明的Stetler阵列。叠加原 理中，空间中某一个点上的由若干独立目标构成的力的组成部分将以代数方式叠 加。在图19b中，真北极22a和真南极22b周围为多个侧向磁体22c，后者遵循 Halbach阵列矢量旋转原理。在图19b中，有四个侧向磁体，磁场箭头取决于中间 的极性而指向或指出真极。
图19c为单极Halbach阵列，其中两个单极Halbach阵列互相推斥。在本构造 中，真北极22a和真南极22b两边各夹在两个侧向磁体22c之间，后者的磁场遵从 Halbach阵列矢量旋转原理。如果两个同样极性的单极Halbach阵列相对，将产生 十分强烈的推斥性磁场22d。
图19d为单极Stetler阵列，两个单极Stetler阵列互相推斥。在本构造中，真 北极22a和真南极22b周围至少有四个侧向磁体22c，后者的磁场遵从Halbach阵 列矢量旋转原理。如果两个同样极性的单极Stetler阵列相对，将产生十分强烈的 推斥性磁场22d。
图19e为交替式凹进磁性(A.R.M.)阵列，真北极22a和真南极22b少许向内凹 进，稍微长于侧向磁体22c因数"X"，其中距离"X"是离开真北极22a或真南极22b 的表面>=1-99%，从而可以提供结构空间或增加磁场力度。这种磁阵列对于线性导 轨应用来说十分理想。
图19f为交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列，真北极22a和真南极22b少许向内凹 进，稍微长于侧向磁体22c因数"X"，其中距离"X"是离开真北极22a或真南极22b 的表面>=1-99%,从而可以提供结构空间或增加磁场力度。这种磁阵列对于圆形转 子轮应用来说十分理想。
权利要求1、一种沿着单轨导轨运行的玩具车，该玩具车包括车身；设置在车身内的电动机，所述电动机具有电动机轴；连接至所述电动机轴的齿轮箱；连接至所述齿轮箱的轮轴；以及连接至所述轮轴的推进轮，其特征在于，所述玩具车还包括设置在底盘下方的悬浮系统。
2、 如权利要求1所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述悬浮 系统是磁悬浮系统，所述磁悬浮系统包括设置在底盘下方的磁悬浮器，所述单轨导 轨包括单极磁阵列悬浮导轨，所述磁悬浮器与所述单极磁阵列悬浮导轨之间形成推 斥性磁悬浮配合。
3、 如权利要求2所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述推进 轮是水平旋转的磁阵列转子推进轮，所述单轨导轨还包括磁阵列推进定子导轨，所 述磁阵列转子推进轮与磁阵列推进定子导轨之间形成非接触磁性配合。
4、 如权利要求2所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述推进 轮是水平旋转的电磁阵列转子推进轮，所述单轨导轨还包括磁阵列推进定子导轨， 所述电磁阵列转子推进轮与磁阵列推进定子导轨之间形成非接触磁性配合。
5、 如权利要求2所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述推进 轮是水平旋转的橡胶牵引轮，所述橡胶牵引轮与所述单轨导轨之间形成无磁性摩擦 牵引配合。
6、 如权利要求1所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述悬浮 系统是滚子重力悬浮轮，所述单轨导轨是无磁性单轨垂直竖立导轨。
7、 如权利要求6所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述推进 轮是水平旋转的橡胶牵引轮，所述橡胶牵引轮与所述无磁性单轨垂直竖立导轨之间 形成无磁性摩擦牵引配合。
8、 如权利要求1所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述推进 轮是垂直旋转的橡胶牵引轮，所述单轨导轨是无磁性单轨垂直竖立导轨，所述垂直 旋转的橡胶牵引轮沿所述无磁性单轨垂直竖立导轨垂直旋转。
9、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于， 所述车身包括轮盖，所述推进轮由轮盖包封。
10、 如权利要求9所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，还包括一 连接在所述轮盖上的水平旋转的滚子引导轮。
11、 如权利要求10所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述滚 子引导轮的位置是沿着所述轮轴的轴线。
12、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述电动机是具有一根电动机轴的单轴电动机，其电动机轴连接于一个齿轮箱， 从而形成两轮驱动。
13、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述电动机是具有两根电动机轴的双轴电动机，两根电动机轴分别连接于一个 齿轮箱，从而形成四轮驱动。
14、 如权利要求1 — 8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述推进轮是可更换的。
15、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述单轨导轨是层层叠置的。
16、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，还包括遥控系统以对所述玩具车进行无线控制。
17、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述单轨导轨是由透明塑料制成的。
18、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述玩具车具有电池，所述电池安装在悬浮系统的下方。
19、 如权利要求l一8中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述电动机、所述齿轮箱和所述推进轮是模块化的，并具有锁定系统。
20、 如权利要求2 — 5中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述磁悬浮器由多个永磁体组成，这些永磁体之间间隔开来以为所述电动机提 供空间。
21、 如权利要求2—5中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述磁悬浮器、所述单极磁阵列悬浮导轨、所述磁阵列转子推进轮和所述磁阵 列推进定子导轨都是由永磁体构成，这些永磁体采用Stetler阵列、Halbach阵歹U、 单极Stetler阵列、单极Halbach阵列、交替式凹进曲线(A.R.C.)阵列、交替式凹进 磁性(ARM)阵列、交替式北-南-北-南交替极性排列中的任意一种排列。
22、 如权利要求21所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述永 磁体是偶数个柱形或碟形的稀土磁铁。
23、 如权利要求2 — 5中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在于，所述磁悬浮器在其整个长度方向的前端向上倾斜，从而使磁阻最小化。
24、 如权利要求2 — 5中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述磁悬浮器、所述单极磁阵列悬浮导轨、所述磁阵列转子推进轮和所述磁阵 列推进定子导轨都是由永磁体构成，这些永磁体布置成单层或多层。
25、 如权利要求1_7中任一项所述的沿着单轨导轨运行的玩具车，其特征在 于，所述推进轮是成对的，在两个推进轮之间安装有一个枢转轴。
专利摘要为此，本实用新型提供了一种沿着单轨导轨运行的玩具车，该玩具车包括车身；设置在车身内的电动机，所述电动机具有电动机轴；连接至所述电动机轴的齿轮箱；连接至所述齿轮箱的轮轴；以及连接至所述轮轴的推进轮，其中，所述玩具车还包括设置在底盘下方的悬浮系统。本玩具车具有可更换推进轮系统，其水平旋转磁或电磁阵列转子轮能够用水平旋转的牵引摩擦轮更换，反之亦然。旋转磁阵列推进转子轮吸引性非接触运行于磁阵列推进定子导轨系统之上，其中滚子引导件能够保持吸引性磁阵列定子和转子之间必要的空气间隙。也可以在高端有效的磁推进的动态电磁推进中采用电磁阵列旋转转子轮磁悬浮系统可由重力滚子引导轮系统来替代。
文档编号B60L13/04GK201186616SQ20072012844
公开日2009年1月28日 申请日期2007年9月12日 优先权日2007年9月12日
发明者J·L·小古安多 申请人:菲律宾磁悬浮幻想有限公司