专利名称：超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于天体地球仪技术领域，具体涉及到超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置。
背景技术：
自从发现永磁材料以来，人们就设想利用同性磁极相斥的原理，实现磁悬浮现象，但一直没有成功。近年来对磁悬浮列车、磁悬浮地球仪等技术的研究开发热情空前高涨，如上海中德合作的磁悬浮列车时速达到了400公里/每小时，日本的山黎线超导磁悬浮列车时速已达到582公里/每小时，最近又报道上海某大学研制出了永磁磁悬浮列车，大连又研制出了永磁和电磁悬浮相结合的磁悬浮列车，但所有这些超导磁悬浮列车都有复杂的结构，并且需要很复杂的精密控制系统。虽然列车是悬浮的，但人们不能清楚直观的看到磁悬浮现象，如何清楚直观的看到磁悬浮现象已经成为教学、科研、使用以及计量部门当前所需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种设计合理、结构简单、演示直观的超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是在支架上部设置内装有北极超导体和液氮的北极液氮杜瓦、下部设置内装有南极超导体和液氮的南极液氮杜瓦，在地球仪的北极或北极空白圈以南设置有北极组合磁体、南极或南极空白圈以北设置有南极组合磁体，在地球仪的赤道部位设置有磁性轨道，地球仪上磁性轨道的外侧悬浮有模型飞船。
本发明的磁性轨道为由至少两种轨道永磁体从赤道起往南往北至少排列成3圈构成，一圈轨道永磁体的S极向外、N极向内，相邻一圈轨道永磁体的N极向外、S极向内，一圈轨道永磁体与相邻一圈轨道永磁体远离赤道方向轨道永磁体的宽度小于近离赤道方向轨道永磁体的宽度；所说的北极组合磁体由至少三种极永磁体从北极起或从北极空白圈起往南按纬度方向至少列成3圈构成，一圈极永磁体的N极向外、S极向内，相邻一圈极永磁体的S极向外、N极向内，同一圈极永磁体的形状相同，一圈极永磁体的个数与相邻一圈极永磁体的个数相同、形状不相同，一圈极永磁体与相邻一圈极永磁体两个径向平面之间的夹角相同。本发明的模型飞船为在飞船壳体内设置有飞船超导体和飞船液氮，在飞船壳体设置有飞船盖。
本发明的一种轨道永磁体和另一种轨道永磁体的内表面是两侧面之间的圆柱面、外表面是两侧面之间的地球仪的球面，上表面是两侧面之间的圆环面，下表面是两侧面之间、且大于上表面的圆环面，两侧面为弓形与直角梯形之和的平面。本发明的飞船超导体为圆柱体形，飞船超导体圆形底面的直径小于磁性轨道的宽度。本发明的每个极永磁体的上表面是前后侧面之间的不同纬度的球面，下表面是前后侧面之间的圆环平面，内表面和外表面是前后侧面之间的圆柱面，前后表面为弓形与直角梯形之和的平面。
本发明的南极组合磁体的结构与北极组合磁体的结构相同。
本发明利用第二类超导磁悬浮的自稳定特性，通过超导磁悬浮、超导磁悬挂和超导磁侧挂原理，将一个地球仪悬浮在空中，自由、无摩檫地绕地轴旋转。同时将一个模型飞船无任何接触地侧悬挂于地球仪的赤道上，环绕地球仪旋转。它具有设计合理、结构简单、演示直观等优点，可用于演示超导磁悬浮特性原理、研究超导体磁悬浮特性规律以及超导磁悬浮原理的应用实验。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1中北极组合磁体5的结构示意图。
图4是图1中磁性轨道8的展开示意图。
图5是图1中模型飞船14的结构示意图。
图6是图4中一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的几何形状图。
图7是图3中五种极永磁体的几何形状图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1发明人给出了以半径R为310mm地球仪的本发明产品为例所用的零部件以及零部件的联接关系如下
在图1中，本实施例的超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置是由地球仪1、北极液氮杜瓦2、北极超导体3、液氮4、北极组合磁体5、北极铁片6、支架7、磁性轨道8、环形铁皮带9、南极组合磁体10、南极铁片11、南极液氮杜瓦12、南极超导体13、模型飞船14联接构成。
在支架7的上部放置有北极液氮杜瓦2、下部用螺纹紧固联接件固定联接有南极液氮杜瓦11，南极液氮杜瓦11与北极液氮杜瓦2的形状和结构相同。在北极液氮杜瓦2内放置有北极超导体3，南极液氮杜瓦12内放置有南极超导体13，南极超导体13的形状和结构与北极超导体3的形状和结构完全相同，在北极液氮杜瓦2和南极液氮杜瓦12内装有液氮4，液氮4的液面高于北极超导体3的上端面和南极超导体13的上端面。在地球仪1的北极空白圈以南部位用北极铁片6和螺纹紧固联接件联接有北极组合磁体5、南极空白圈以北部位用南极铁片11和螺纹紧固联接件联接有南极组合磁体10，在地球仪1的赤道部位用环形铁皮带9和螺纹紧固联接件联接有磁性轨道8。制作时先将北极组合磁体5、南极组合磁体10、磁性轨道8固定在地球仪1的球体上，然后将地图用胶粘贴在球体的表面上。悬浮的地球仪1可演示地球仪1绕地轴自转，演示时，操作者轻轻地拨一下地球仪1，由于地球仪1的摩擦阻力很小，地球仪1可较长时间地自转。在地球仪1上磁性轨道8的外侧悬挂有模型飞船14，悬浮的模型飞船14可演示模型飞船14围绕地球仪1旋转，演示时，操作者轻轻地拨一下模型飞船14，模型飞船14可较长时间地围绕地球仪1旋转，模型飞船14的转动方向与速度由操作者用力的方向和大小控制。
在图1、2、4中，本实施例的磁性轨道8是由形状和体积完全相同的一种轨道永磁体8-1从赤道起往南188块排列成第一圈、往北188块排列成第一圈，由形状和体积完全相同的另一种轨道永磁体8-2从赤道起往南188块排列成第二圈、往北188块排列成第二圈构成，排列在赤道北面第一圈轨道永磁体的S极向外、N极向内，排列在赤道北面第二圈轨道永磁体的N极向外、S极向内，排列在赤道南面第一圈轨道永磁体的N极向外、S极向内，排列在赤道南面第二圈轨道永磁体的S极向外、N极向内。磁性轨道8与模型飞船14产生的磁相互作用力，可使模型飞船14悬浮在磁性轨道8表面的一定距离。
图6给出了一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的立体几何形状示意图。在图6中，本实施例的一种轨道永磁体8-1为A1B1C1D1A2B2C2D2六面体，另一种轨道永磁体8-2为A2B2C2D2A3B3C3D3六面体，O1O3为地球仪1的旋转轴，θ为一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的两侧面之间的夹角，θ1为圆弧A1D1的圆心角、θ2为圆弧A2D2的圆心角、θ3为圆弧A3D3的圆心角。一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的内表面是前后侧面夹角为θ的圆柱面、外表面是两侧面夹角为θ的地球仪1的球面、上表面是两侧面夹角为θ的圆环平面，下表面是两侧面夹角为θ、且大于上表面的圆环平面，前后表面为弓形与直角梯形之和的平面。一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的几何尺寸见表1。
表1 一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的几何尺寸表
在图1、3中，地球仪1的北极圈为空白圈，北极圈的半径为6mm，北极圈以南，由五种极永磁体往南排列成5圈构成本实施例的北极组合磁体5，也可将五种极永磁体从北极点往南排列成5圈构成北极组合磁体5。本实施例的北极组合磁体5的第一圈的极永磁体5-1的N极向外、S极向内，第二圈的极永磁体5-2的S极向外、N极向内，第三圈的极永磁体5-3的N极向外、S极向内，第四圈的极永磁体5-4的S极向外、N极向内，第五圈的极永磁体5-5的N极向外、S极向内，同一圈极永磁体的形状相同，每个极永磁体的厚度均为10mm，一圈极永磁体的个数与相邻一圈极永磁体的个数相同、形状不相同。在两个径向平面之间的夹角为15°的范围内排列有5个不同纬度的极永磁体。
图7给出了第一圈极永磁体5-1、第二圈极永磁体5-2、第三圈极永磁体5-3、第四圈极永磁体5-4、第五圈极永磁体5-5的几何形状示意图。在图7中，第一圈极永磁体5-1为E1F1G1H1E2F2G2H2六面体，第二圈极永磁体5-2为E2F2G2H2E3F3G3H3六面体、第三圈极永磁体5-3为E3F3G3H3E4F4G4H4六面体、第四圈极永磁体5-4为E4F4G4H4E5F5G5H5六面体、第五圈极永磁体5-5为E5F5G5H5E6F6G6H6六面体，O1O2为地球仪1的旋转轴，α为两侧面的夹角。每个极永磁体的上表面是两侧面夹角为α的不同纬度的球面、下表面是两侧面夹角为α的圆环平面、内表面和外表面是两侧面夹角为α的圆柱面、两侧面为弓形与直角梯形之和的平面。五圈极永磁体的几何尺寸见表2。
表2 是五圈极永磁体的几何尺寸表
南极组合磁体11的形状和结构以及零部件的联接关系与北极组合磁体5完全相同。
在图5中，本实施例的模型飞船14是由飞船壳体14-1、飞船液氮14-2、飞船盖14-3、飞船超导体14-4联接构成。在飞船壳体14-1内放置有飞船超导体14-4，本实施例的飞船超导体14-4为圆柱体形，飞船超导体14-4的圆形底面的直径小于磁性轨道8的宽度，飞船超导体14-4的圆形底面朝向地球仪1上的磁性轨道8并与磁性轨道8保持有距离，在飞船壳体14-1内装有飞船液氮14-2，飞船液氮14-2使飞船超导体14-4处于超导态，在飞船壳体14-1上盖有飞船盖14-3。
实施例2在本实施例中，磁性轨道8是由形状和体积完全相同的一种轨道永磁体8-1在赤道上排列一圈，赤道上排列的一种轨道永磁体8-1的S极向外、N极向内，在赤道的南边和赤道的北边各排列一圈与赤道上排列的一种轨道永磁体8-1相互吸引在一起的另一种轨道永磁体8-2，排列在赤道南面一圈另一种轨道永磁体8-2的N极向外、S极向内，排列在赤道北面一排另一种轨道永磁体8-2的N极向外、S极向内。一种轨道永磁体8-1和另一种轨道永磁体8-2的几何形状与实施例1完全相同。在北极空白圈以南，由三种极永磁体往南按纬度方向排列成3圈构成本实施例的北极组合磁体5，本实施例的北极组合磁体5的第一圈的极永磁体5-1的N极向外、S极向内，第二圈的极永磁体5-3的S极向外、N极向内，第三圈的极永磁体5-3的N极向外、S极向内，每一种极永磁体的几何形状与实施例1完全相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
本发明的工作原理如下北极超导体3和南极超导体13位于地球仪1的北极组合磁体5与南极组合磁体10的磁场内，在互不相接触的情况下液氮4冷却北极超导体3和南极超导体13，使北极超导体3和南极超导体13由正常态转变为超导态，地球仪1北极上方的北极超导体3与地球仪1的北极组合磁体5有相互作用力，地球仪1南极下方的南极超导体13与地球仪1的南极组合磁体10有相互作用力，使地球仪1处于稳定悬浮状态。当地球仪1在地球引力的作用下向下运动时，北极超导体3与地球仪1北极组合磁体5之间的距离增大，二者之间的吸引力增大，南极超导体13与地球仪1南极组合磁体10之间距离减小，二者之间的排斥力增大，在吸引力和排斥力的共同作用下地球仪1向上运动恢复到原位置，保持地球仪1位于北极超导体3与南极超导体13之间的稳定位置。
模型飞船14内的飞船超导体14-4置于地球仪1赤道上磁性轨道8的磁场中，在不相互接触的情况下飞船液氮14-2冷却飞船超导体14-4，使飞船超导体14-4由正常态转变为超导态，飞船超导体14-4与磁性轨道8之间有相互作用力，使模型飞船14处于稳定的磁悬挂状态。由于固定在离地球仪1赤道上的磁性轨道8沿赤道方向的磁场均匀分布，沿经线方向的磁场不均匀分布，模型飞船14在绕地球仪1赤道飞行的过程中，不受阻力自由飞行，磁性轨道8沿经线方向不均匀分布的磁场对模型飞船14内的飞船超导体14-4产生较大的磁相互作用力，在克服地球引力的同时，阻止模型飞船14向上或向下偏离地球仪1赤道上的磁性轨道8，使模型飞船14稳定地悬挂于地球仪1赤道上的磁性轨道8的外侧。模型飞船14在绕地球仪1赤道飞行的过程中，当模型飞船14偏离地球仪1赤道上的磁性轨道8时，模型飞船14内的飞船超导体14-4与地球仪1赤道上的磁性轨道8之间的距离就会增大，二者之间的吸引力增大，当模型飞船14靠近地球仪1赤道上的磁性轨道8时，模型飞船14内的飞船超导体14-4与地球仪1赤道上的磁性轨道8之间的距离就会减小，二者之间的排斥力增大，在吸引力和排斥力的共同作用下模型飞船14就会运动恢复到原位置，保持模型飞船14与地球仪1之间的稳定性。
权利要求
1.一种超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置，其特征在于在支架(7)上部设置内装有北极超导体(3)和液氮(4)的北极液氮杜瓦(2)、下部设置内装有南极超导体(13)和液氮(4)的南极液氮杜瓦(12)，在地球仪(1)的北极或北极空白圈以南设置有北极组合磁体(5)、南极或南极空白圈以北设置有南极组合磁体(10)，在地球仪(1)的赤道部位设置有磁性轨道(8)，地球仪(1)上磁性轨道(8)的外侧悬浮有模型飞船(14)。
2.按照权利要求1所述的超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置，其特征在于所说的磁性轨道(8)为由至少两种轨道永磁体从赤道起往南往北至少排列成3圈构成，一圈轨道永磁体的S极向外、N极向内，相邻一圈轨道永磁体的N极向外、S极向内，一圈轨道永磁体与相邻一圈轨道永磁体远离赤道方向轨道永磁体的宽度小于近离赤道方向轨道永磁体的宽度；所说的北极组合磁体(5)由至少三种极永磁体从北极起或从北极空白圈起往南按纬度方向至少列成3圈构成，一圈极永磁体的N极向外、S极向内，相邻一圈极永磁体的S极向外、N极向内，同一圈极永磁体的形状相同，一圈极永磁体的个数与相邻一圈极永磁体的个数相同、形状不相同，一圈极永磁体与相邻一圈极永磁体两个径向平面之间的夹角相同；所说的模型飞船(14)为在飞船壳体(14-1)内设置有飞船超导体(14-4)和飞船液氮(14-2)，在飞船壳体(14-1)设置有飞船盖(14-3)。
3.按照权利要求2所述的超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置，其特征在于所说的一种轨道永磁体(8-1)和另一种轨道永磁体(8-2)的内表面是两侧面之间的圆柱面、外表面是两侧面之间的地球仪1的球面，上表面是两侧面之间的圆环面，下表面是两侧面之间、且大于上表面的圆环面，两侧面为弓形与直角梯形之和的平面；所说的飞船超导体(14-4)为圆柱体形，飞船超导体(14-4)圆形底面的直径小于磁性轨道(8)的宽度；所说的每个极永磁体的上表面是前后侧面之间的不同纬度的球面，下表面是前后侧面之间的圆环平面，内表面和外表面是前后侧面之间的圆柱面，前后表面为弓形与直角梯形之和的平面。
4.按照权利要求1或2或3所述的超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置，其特征在于所说的南极组合磁体(10)的结构与北极组合磁体(5)的结构相同。
全文摘要
一种超导磁悬浮与磁浮飞船实验装置，在支架上部设置内装有北极超导体和液氮的北极液氮杜瓦、下部设置装有南极超导体和液氮的南极液氮杜瓦，在地球仪的北极空白圈以南设置有北极组合磁体、南极空白圈以北设置有南极组合磁体，在地球仪的赤道部位设置有磁性轨道，在地球仪上磁性轨道外侧悬浮有模型飞船。本发明利用第二类超导磁悬浮的自稳定特性，通过超导磁悬浮、超导磁悬挂和超导磁侧挂原理，将一个地球仪悬浮在空中，自由、无摩檫地绕地轴旋转。同时将一个模型飞船无任何接触地侧悬挂于地球仪的赤道上，环绕地球仪旋转。它具有设计合理、结构简单、演示直观等优点，可用于演示超导磁悬浮特性原理和规律以及应用实验。
文档编号G09B25/00GK1632845SQ20041007350
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月28日 优先权日2004年12月28日
发明者杨万民, 钞曦旭, 刘鹏, 朱思华, 武晓亮 申请人:陕西师范大学