专利名称：转子的制作方法
技术领域：
本发明涉及转子及其改进。
本说明书中所用的术语“转子”含义极广，包括其转动可作有用功的任何旋转体。这类功包括类似于现有陀螺仪和转动贮能装置的功能，当然，也包括定向体中的位移和控制功能。
本发明将广泛应用于工程、航空及其他行业的技术领域是显而易见的，但要知道，本发明可应用于涉及旋转体作有用功的任何场合。本发明的更直接应用将包括发电机或涡轮机的转动核心，以及陀螺体，这种陀螺体的转动可用作地面、海洋、空中或外层空间运载工具的稳定器，或可用作地面、海洋、空中或外层空间运载工具产生位移的装置，用作研碎器的转动破碎件，甚至用作玩具。
因此，当本说明书中使用“转子”这个术语时，都是意指它的所有可能的应用。
现在已知有各种类型的转子，包括下文叙述的转子，但是，在效率、成本和/或稳定性方面，它们都有这种或那种缺点。
例如，在PCT/AU97/00417中，提出了一种用于产生推力的陀螺转子。又例如在美国专利4257648和英国专利540093的各种类型振动发生装置中，可用一种转子产生振动或阻尼振动。在任何类型发电机或电动机中，包含一个电枢的转子在一个静子中转动。
在所有这些情况中，当转子加速时，或变速场合，特别是由于克服摩擦作功造成损失时，其效率明显低下。
希望能量以转动角动量形式传递给转子，转子尽可能长时间地保持能量。因此，转子尽可能有效地把转动能转换为有效功。因此，由摩擦效应等引起的能量损失可以避免或减至最低。可以选择类似的最佳转子几何形状，以便可在转子特定的实际使用状态提供最好的能量保存性能。
本发明最佳实施例的一个目的是提供一个在工作中的工作损失有很大降低或至少保持在最低水平的转子。
按照本发明一个最佳实施例的一个目的，提供一种转子，它可以调节施加在其上的外力，通过其转动，可以全部或部分补偿这些外力。
本发明的一个最佳实施例的进一步目标是提供一种能贮存角动量的转子，因此，它的转动可相对于上述转子全部地或部分地产生定向及位移功能，或至少为人们提供一个有效的选择。
本发明的所有各种实施例的其他进一步的目的将通过下面的说明揭示。
按照本发明的一个方面，提供了一种转子，包括一球体，其中，这个球体的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半与球体另一半的重量比，应使这个转子可以绕一对正交轴转动，其中一个转轴由上述一半和另一半之间的球体边缘限定。
按照本发明的另一方面，提供了一种转子，包括一球体，其中，这个球体的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半与球体另一半的重量比使转子可以绕相互正交的第一和第二轴转动，上述第一轴平行球体转动限定的角动量矢量，上述第二轴平行于上述球体转动对称轴。
按照本发明的另一方面，提供了一种如上两段中任一个所限定的转子，所述的转子基本上呈“蘑菇”形。
按照本发明的另一方面，提供了一种如上述三段中任一个所限定的转子，被免除或切除的上述球体的一半的一部分约为如未切除或免除时球体总重的十分之一到三分之一。
按照本发明的另一方面，提供了上述四段中任一个所限定的转子，上述边缘限定了一个与球体中心相交的平面。
在一个实施例中，上述一半与球体另一半重量比约为0.75～0.85，最好为0.8。
在一个实施例中，被切除或免除的部分在球体赤道处以直角切口限定，因此构成一个其侧边基本垂直于这个边缘限定的平面的心柱。
在一个实施例中，转子结合一个由比球体材料较重的材料构成的球形核心。
在一个实施例中，上述球形核心由汞、氚、钇、钚、或一个或几个它们的稳定或不稳定同位素的混合物构成。
在一个实施例中，在转子外表面有一层陶瓷涂层。
在一个实施例中，所述的转子整体或部分由磁性或可磁化材料构成。
在一个实施例中，上述磁性或可磁化材料包括钕，或其同位素，或其盐类、氧化物、合金。
按照本发明的另一方面，提供了一种作功装置，包括一个静子和一个可转动地安装在静子内的按上述权利要求中任何一项所述的转子。
按照本发明的另一方面，上述转子安装在上述静子内，由液压、气动、电和/或磁力驱动。
按照本发明的另一方面，上述静子有许多围绕其安装的液压或气动的喷嘴，喷射流作用在上述转子上使其转动。
按照本发明的另一方面，使用中的上述转子可由陀螺仪反作用于上述静子检测的外力上，因此改变它的转动姿态，因而抵消或稳定上述外力的影响。
按照本发明的另一方面，提供了一种转子和/或结合一个转子的作功装置，提供一个定向和/或位移力到装备一个或数个转子的物体上。
按照本发明的另一方面，提供了一种基本上参照附图叙述的一个转子和/或结合一个转子的作功装置。
涉及到所有新颖性方面的本发明的其他方面将结合附图通过可能的实施例为实例在下面进行的说明会更清楚，附图中
图1,2和3分别是本发明一个可能实施例的一个转子的简略前视、侧视和平面透视图。
图4是标出其转轴的这个转子的简略平面透视图。
图5～8简略示出转子及可能用作玩具的工作方式。
无论何种用途的转子都至少有一根对称轴。这类转子一般呈圆柱形，可绕一个单轴(通常是纵轴)进行转动。当一个驱动力作用在转子上时，主要依赖于这个驱动力的性质及其与转子的相互作用，同时也取决于作用在这个转子上的摩擦力的情况，这个转子将连续绕这个单轴有效地转动。随着这个驱动力的去除，转子将迅速回到一个静态位置。一般将设置轴承、轴衬等使转子绕其单轴转动，因此，作用在静子上的任何外力将不影响其转动。
与此完全不同，本发明提供了一种可绕一对正交轴转动的转子，它可以把外力的这种影响转换为这些转轴的姿态的适当变化。
没有任何特定理论约束，可以相信，在其他情况中，与相互正交转动有关的角动量矢量成双提供这里所述的转子性能。按这种方式，本发明的转子可以用作运动物体内的稳定器，或用作运动物体本身。
本申请人惊奇地发现，如果免去或切除球体一半的规定部分，一旦球体转动，它将绕一对正交轴转动，其中一根轴平行于绕球体赤道转动边缘规定的一个面。而另一转轴平行于这个转动体的转动对称轴。观察到一种成双转动，其中绕转子对称轴的转动体有一种“滚翻”转动。
被切除的球体部分约为原球体总重的1/10～1/3数量级，视球体材料不同而定，特别依其相对密度或比重不同而不同(以上几项均受所用特定元素及它们特定同位素所影响)。切除或免除部分在球体两半之间的赤道面上进行，因此，在它们之间留下基本平直边缘。在赤道面通过直角切割实现这种切除，因而产生如附图所示的“心柱和蘑菇头”式结构。切口的深度和产生的心柱长度在数学上关系到剩余部分的体积(对于均匀的密度，也与质量有关)。
如果切口的深度是D(如图2所示)，则心柱部分3和4的体积可表示为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的半径。
这些方程以计算机程序装置可明白的形式给出，对于本技术技术人员，它们的判读和应用将是很清楚的。头部4的体积简单地为半径为R的球的体积的一半。
由这些方程，产生了本发明的一个其心柱重量与头部重量比约为0.8±0.15的特定实施例。这相当于D/R比约为0.2。其他几何形状也已得到有效应用，预料D的范围约为±10％。
无论转子是由致密材料(如铅)，或次致密材料(如不锈钢)，或较轻材料(如塑料或铝)制造，切除部分约为球体的三分之一或上述其他比例，这将使转子在绕其纵轴自转时，将实现绕一对相互正交的轴的稳定转动。而且，这种转子可有效地实现绕两根轴的稳定转动，还可使驱动力能够有效而迅速地转换为高速而稳定的转动，同时，转子的这种功能可使这种转动保持在所要求的有很高效率的速度上。而且，在一种最佳实施例中，转子不是由一个轴之类限定绕一个单轴转动，因此，这种转子可用于诸如飞机、空间飞行器、舰船或汽车中的运动体使其保持稳定。可明白足够尺寸的本发明的转子可以构成切面、空中、外层空间或海洋运载工具的整体或一部分，由于能够调节和抑制作用在其上的外力(如飞机处于湍流的情况下)，使它们具有固有的稳定性。
此外，可以相信，这里所述转子的特定性能包括在转子以高的角速度转动时具有稳定物体和使物体位移的能力。这样一种实施例可包括与被稳定或被位移的物体保持固定关系的许多转子。另一方面，这些转子可以多种形式固定在一个转盘或静盘上，并对其施加角稳定和/或位移。不受任何特定理论约束，相信上述快速自转的转子(或转子对)可产生力用以导致上述稳定/位移。
很显然，许多形式中将包括把一个或多个转子按点阵位置排列，相当于基本原子排列形式并呈现现有范围内的对称性能。
参照附图，本发明一个可能实施例的一个转子总的由箭头1指出。可见，它基本上是保持完整半球的球形形状，实际上呈“蘑菇”形。球的另一半沿赤道切割线或边缘6切除或免除深度为“D”的部分，得到一个表面5及一个延伸到剩余球形部分4的心柱3。如前面所讨论的那样，切割深度“D”和长度“L”(“L”即为球的半径，其中球头2是一个完整的半球)将确定这个完整半球2，心柱3,4的各自重量比。根据转子1的材料相对密度的不同，被切除的材料量(或在模压塑料或铝预制体被免去的部分)可以是球体总重的10％～33 1/3％，当然，相信这个比值的两边都可以在±5wt％的范围内变化，因此，被切除或被免除的材料量将大致在原球总重的5％～38％范围。
可见，最终转子1大体上呈蘑菇形。当转子1转动或自转时，可以惊奇地发现，这个转子1同时绕一对标明为“X”和“Y”的轴转动。绕“Y”轴的转动大体上与边缘6一致。本申请人相信，这种双轴转动可使转子1快速实现高速转动，由于在轴承和轴衬表面的摩擦损失很小，可以有很高的效率。
在本发明的一个实施例中，转子1可以装在静子内，由切向液压或气压的喷射流使转子产生转动并保持这种转动。在一个实施例中，转子1可配有或设有一个磁场，这样可把转子1的转动转换为电能或机械能。在这种实施例中，转子1可由磁性材料或可磁化材料制造。适当形态的钕(如其盐类、氧化物、合金或同位素等)，可用于这种目的。已发现。它在磁化时可以获得一对正交北南极对。预料可以把超导绕组结合到这个实施例中，以便生产或贮存电能，而损失最小。在本发明的另一个实施例中，设想转子1可以设有叶片或叶轮，使转子1的转动可为通过静子的流体或材料提供泵吸作用。
在本发明的一个实施例中，转子1可以原来是含有一种实心材料，切除部分材料构成心柱3。在一种替换实施例中，根据所要求的心柱/球头质量比，这种转子1可设成为全部或部分的空心结构。
就其吸收和保持转动能的能力来说，通过测量一旦除去驱动力时这种稳定转动的转子的衰减时间来表示这种转子的效率。一种约0.95kg的钢转子由四股压缩空气喷射流激发，其射流取向应使其在与赤道边缘限定的平面垂直的方向尽可能近地撞击。应使用恒定的空气压力直至转子速度稳定。值得注意的是，由一块抛光的玻璃板支承这个转子，以减少摩擦损失，并在每个试验转子上保持可再产生的外界条件。一旦这个转子速度稳定，移去所施加的力，随后测量转子转动能衰减到零的时间。在钢转子的情况，衰减时间是4min20s，黄铜为5min20s，铝为2min55s，乙缩醛(塑料)转子约为2min。虽然在某些应用中采用轻重量的转子是适宜的，但为了有效地吸收和保持能量，将采用高密度转子。
在一个替换实施例中，赤道切割面可以构成为一个环绕转子“心柱”段的环形槽。这与上述的转子的平底表面相反。可以相信，当通过压缩空气、液压装置等方式施加转动能时，这种槽形结构可以提高转子效率。
通过在核心使用密实材料，可实现在转子内的可变密度分布。
这种核心可对称地置于转子内，以及定位于转子重心或转动对称中心。预料可用汞或钇一类元素插入其核心。不受任何特定理论约束，可以相信，上述元素同位素各种组合产生的核心连接是以宏观方式作用为诸如上述转子一类的转动体提供一些未知性能。坚信可以开发这类性能以加强转子的上述应用。
现在再讨论均匀密度的转子，快速自转转子内的这种极端的密度分布措施可以改进嵌有或含有转子的物体的稳定性。一个特殊例子是诸如钻床一类设备中的吸振特征。进一步的应用包括稳定航空或空间飞行体的行程或轨迹，在这里它们的角位移和线位移不受外部驱动力的影响。相信可以开发利用转子显示的这种转动特性的特定耦合，或与类似的耦连转子显示的角动量联合运用达到目的。
显然，希望在预定的特殊应用中尽可能多地减少摩擦损失。为此，设想这种转子悬浮在磁场中，由现有的电磁技术对其施加角能。这就要求有磁性或电磁设施，使上述现有物体或在这种技术领域范围内的物体转动或定向。
还坚信开发超导技术的应用可以使悬浮在强磁场内的转子降低摩擦损失。因此，可以看到，这种转子可以在各种水泵装置的领域内得到应用，在这种情况中，一个转子封装在大体呈球形的容器内，流体从一端输入，转子的转动开辟一条贯通球形的通道，并通入另一端的出口通道。相信这种转子是实现这种目标的特别有效的装置。
虽然上面按照具有圆柱形的心柱的转子叙述了本实施例，但是，其他形状的心柱，如直角圆锥形结构的心柱，也是可以利用的，但必须是对称结构。
按照稳定性能及其优异的能量保持特性，相信本发明的转子代表一种最佳构成的几何形状。在传统上已经设计了陀螺仪和其他角动量定向装置设计用于分配对称转动的质量，其位移用于在给定的转动速度产生最佳及最大的角动量。相信在本发明转子中，一种切头的或分割的球形转子代表一种用于吸收能量和建立偶连的角动量的最佳质量形状。转动体产生的角动量矢量的大小取决于转动体的转动速率和转动质量。这个量越大，物体越能抗定向力。在本发明情况下，以极高转速转动上述转子产生的稳定矢量导致具有已知旋进和可以有利开发利用的角性能的高度稳定性的转动体。推测这是开发原始球体作为转子的结果。一个球是容纳物质的最有效的容积方式。因此，使用这类几何形状的转子，其转动能可能达到最大。
转子呈现的许多物理性能要求一些转速和环境条件是不易被本技术所能满足的，但是可以预料，也只有这类技术成为实用时，转子的某些应用及其显现的附属性能才是可行的。这类技术包括超导技术、磁控流体动力学及其在物体定向和位移中的应用、以及宏观物体及原子核尺度上的质量间的相互作用。这些方面的进一步发展。
现在参照图5～8，与前面图中相同的部分用相同的标号。在这个实施例中，转子1设有四个不同颜色和花样的象限7a,b,c,d。例如，这些象限可以是红、蓝、绿和黄色。当转子1转动时，由于是绕正交轴X、Y的转动，因此当转子转动时，将显现其中一种颜色支配整个转子。因此，将依次显现单独的颜色作为转子1的颜色。这就可以使这个实施例有效地作为玩具或游戏，当然，这种现象预料在工程技术中有许多重大用途。可以相信，绕上述两个轴的成双转动引起视觉颜色的转变。
前面的叙述已经涉及具有已知等同物的本发明专门构件或其整体，因此，这些等同物也结合进来像单独提出一样。
虽然通过以实例的方式并结合可能的实施例说明了本发明，但是，应明白在不偏离在权利要求书中说明的本发明范围的情况下，可以进行很多改型或改进。
权利要求
1．一种转子，包括一球体，其中，这个球体的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半与球体另一半的重量比，应使这个转子可以绕一对正交轴转动，其中一个转轴由上述一半和另一半之间的球体边缘限定。
2．一种转子，包括一球体，其中，这个球体的一半的一部分被免去或被切除，上述被除去的一半与球体另一半的重量比使转子可以绕相互正交的第一和第二轴转动，上述第一轴平行球体转动限定的角动量矢量，上述第二轴平行于上述球体转动对称轴。
3．按照权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述的转子基本上呈“蘑菇”形。
4．按照权利要求1～3中任一项所述的转子，其特征在于，被免除或切除的上述球体的一半的一部分约为如未切除或免除时球体总重的十分之一到三分之一。
5．按照权利要求1～4任何一项所述的转子，其特征在于，上述边缘限定了一个与球体中心相交的平面。
6．按照上述权利要求任何一项所述的转子，其特征在于，上述一半与球体另一半重量比约为0.75～0.85。
7．按照权利要求6所述的转子，其特征在于，所述的重量比最好约为0.8。
8．按照上述权利要求中任何一项所述的转子，其特征在于，被切除或免除的部分在球体赤道处以直角切口限定，因此构成一个其侧边基本垂直于这个边缘限定的平面的心柱。
9．按照上述权利要求任何一项所述的转子，其特征在于，转子结合一个由比球体材料较重的材料构成的球形核心。
10．按照权利要求10所述的转子，其特征在于，上述球形核心由汞、氚、钇、钚、或一个或几个它们的稳定或不稳定同位素的混合物构成。
11．按照上述权利要求中任何一项所述的转子，其特征在于，在转子外表面有一层陶瓷涂层。
12．按照上述权利要求任何一项所述的转子，其特征在于，所述的转子整体或部分由磁性或可磁化材料构成。
13．按照权利要求12所述的转子，其特征在于，上述磁性或可磁化材料包括钕，或其同位素，或其盐类、氧化物、合金。
14．一种转子基本上如附图中的图1～4或图5～8所述。
15．一种作功装置，包括一个静子和一个可转动地安装在静子内的按上述权利要求中任何一项所述的转子。
16．按照权利要求15所述的作功装置，其特征在于，上述转子安装在上述静子内，由液压、气动、电和/或磁力驱动。
17．按照权利要求15或16所述的作功装置，其特征在于，上述静子有许多围绕其安装的液压或气动的喷嘴，喷射流作用在上述转子上使其转动。
18．按照上述权利要求14～17中任何一项所述的作功装置，其特征在于，使用中的上述转子可由陀螺仪反作用于上述静子检测的外力上，因此改变它的转动姿态，因而抵消或稳定上述外力的影响。
19．按照上述权利要求中任何一项所述的转子和/或结合一个转子的作功装置提供一个定向和/或位移力到装备一个或数个转子的物体上。
20．按照权利要求1～14中任何一项所述的转子，其特征在于，它有一个被分为若干区域的外表面，每个区域有不同的颜色。
21．一种玩具，包括按权利要求20所述的一个转子，其特征在于，在转动时，不同的颜色依次支配玩具的颜色。
全文摘要
一种转子(1)基本上是仍保留一个完整半球(2)的球体。转子(1)呈“蘑菇”头形。球体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”和长度“L”(即球的半径)决定这个完整半球(2)和心柱(3)各自的重量比。被切除一半与球体另一半的重量比为0.75～0.85,最好是0.8。当外力施加到转子(1)上时,转子则绕一对正交轴转动,其中一个转轴由两半球之间的球体边缘(6)限定。
文档编号G01C19/00GK1213325SQ97193077
公开日1999年4月7日 申请日期1997年2月3日 优先权日1996年3月15日
发明者莫阿纳努伊·迈克尔·肯尼思·佩德拉 申请人:佩德拉家庭信托公司