一种基于磁悬浮的太阳系天文教具装置的制作方法

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体为一种基于磁悬浮的太阳系天文教具装置。

背景技术：

“磁悬浮”最早起源于欧洲，磁悬浮技术的系统，是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。假设在参考位置上，转子受到一个向下的扰动，就会偏离其参考位置，这时传感器检测出转子偏离参考点的位移，作为控制器的微处理器将检测的位移变换成控制信号，然后功率放大器将这一控制信号转换成控制电流，控制电流在执行磁铁中产生磁力，从而驱动转子返回到原来平衡位置。因此，不论转子受到向下或向上的扰动，转子始终能处于稳定的平衡状态。磁悬浮技术是目前悬浮技术中相对成熟的一种技术。人类对太阳系的认识大致可以分为五个阶段：天圆地方，地心说，日心说，宇宙无限说，相对论时空可变。虽然目前人类对于太阳系了解已经较为全面客观，但大部分人对于太阳系整体运作并不了解，而相关的教具产品生产却极其狭小，未能成为一个有机整体，甚至大多数需求需要自己动手搜集资料制作，相关产品回头率满意度也较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于磁悬浮的太阳系天文教具装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于磁悬浮的太阳系天文教具装置。该装置包括支撑座，圆台，若干行星模型运行结构，若干磁悬浮底座，小球以及悬浮磁铁组成，所述支撑座固定连接所述圆台圆心位置，所述若干磁悬浮底座其中一个固定于所述支撑座靠近圆台一端，其他若干磁悬浮底座位于所述行星模型运行结构内，所述若干磁悬浮底座对应相同数量的小球，所述小球内均设有悬浮磁铁，所述悬浮磁铁与磁悬浮底座同极相对，所述小球悬浮于所述磁悬浮底座中心位置上方，所述磁悬浮底座位于圆台下方，所述小球位于圆台上方，所述行星模型运行结构围绕所述支撑座轴线做圆周运动，所述支撑座上磁悬浮底座提供浮力，使得圆盘中心的小球得以漂浮，用该小球模拟太阳；行星模型运行结构上的小球模拟行星。

进一步的，所述行星模型运行结构包括磁悬浮底座，车轮，底盘，电池，线圈磁铁以及受控系统，所述车轮固定于底盘四周，所述底盘上固定连接所述磁悬浮底座，所述电池固定于底盘上，所述受控系统电连接所述电池，所述受控系统固定于所述底盘上，所述底盘上设有电池槽，所述电池置于电池槽内，所述线圈磁铁固定于小车底盘上，行星模型运行结构上的磁悬浮底座使得小球漂浮起来并随着小车一起运动，用该小球模拟太阳系中的行星，小车上设有的受控系统，控制着小车沿着支撑座轴线做圆周运动，小球即可围着圆台中间的小球做圆周运动，以此来表示行星围绕着太阳运动，线圈磁铁置于底盘的一侧，线圈磁铁与悬浮磁铁相靠近的一端磁极相同，线圈磁铁可以使得悬浮磁铁一侧与水平位置产生一个夹角，该夹角可以表示该行星本身的赤道平面与该行星公转平面的夹角，以此来更真实的将太阳系行星的运行过程呈现出来。

进一步的，所述磁悬浮底座包括底座，线圈，霍尔高度传感器，霍尔位置传感器，环形磁铁，所述环形磁铁固定在所述底座上，所述环形磁铁中间的圆环位置四周对称放置四个线圈，所述四个线圈中间位置设有所述霍尔高度传感器以及霍尔位置传感器，所述线圈均与所述霍尔高度传感器与霍尔位置传感器电连接，霍尔高度传感器以及霍尔位置传感器可以实时监测小球的位置，如果小球位置发生偏移，霍尔高度传感器以及霍尔位置传感器通过控制线圈电流大小来改变线圈磁力大小，将小球拉回初始位置，保证了小球不会掉落。

进一步的，所述小球均设有自转结构，所述自转结构包括转轴，一号磁铁，二号磁铁，一号齿轮，二号齿轮，导线绕组，电刷，固定电源以及开关部件，所述小球为空心结构，所述转轴，一号磁铁，二号磁铁，一号齿轮，二号齿轮，导线绕组，电刷以及固定电源部件均置于小球内部，所述转轴两端与所述小球转动连接，所述转轴轴线垂直于所述悬浮磁铁横截面的直径，所述转轴轴线与所述悬浮磁铁横截面的圆心相交，所述一号齿轮固定套设在所述转轴长度方向中点位置，所述二号齿轮与所述一号齿轮啮合，所述一号磁铁与所述二号磁铁固定于所述小球上半球内壁上，所述一号磁铁与二号磁铁以所述转轴的轴线为对称轴对称放置，所述一号磁铁与二号磁铁相互靠近的一边磁极相反，所述悬浮磁铁外圆侧边与所述小球内表面固定连接，所述悬浮磁铁为圆环结构，所述悬浮磁铁内圆表面设有轮齿，所述二号齿轮与所述轮齿啮合，所述转轴上固定有导线绕组，所述导线绕组轴线与所述转轴轴线垂直并相交，所述导线绕组位于所述一号磁铁与二号磁铁连线的位置，所述导线绕组两端导线与所述电刷接触，所述电刷电连接所述固定电源，所述电源与所述导线绕组组成的回路上设有开关，所述开关置于小球表面，当开关连通电路后，导线绕组通电，由于悬浮磁铁与转轴之间设有一号齿轮与二号齿轮，故悬浮磁铁与小球旋转方向相反，此时通电的导线绕组会带动转轴旋转，转轴通过齿轮使得悬浮磁铁带动小球反向旋转，以此来模仿行星在太阳系内自转。

进一步的，所述小球与所述转轴接触位置设有凹槽，所述转轴与所述小球为轴承连接，所述轴承的外圈固定在所述凹槽内，所述轴承内圈固定套设在所述转轴上，设置轴承可以减少转轴与小球之间的摩擦力，增加小球与转轴的使用寿命。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过磁悬浮技术模拟太阳系中八大行星自转的同时围绕太阳旋转，在教学实践中的推广不仅能使教学过程更清晰形象，还能使磁悬浮技术得到推广，扩大磁悬浮市场，使磁悬浮走进人们的生活，实现磁悬浮技术的价值。并且磁悬浮教具系统是与多个学科进行糅合，能够最大程度上激发学生留意生活，热爱科学的兴趣。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的行星模型运行结构示意图；

图4是本发明的磁悬浮底座俯视结构示意图；

图5是本发明的小球结构主视示意图；

图6是本发明的小球中齿轮配合示意图；

图中：1-支撑座；2圆台；3行星模型运行结构；31-车轮；32-底盘；321-电池槽；33-电池；34-线圈磁铁；35-受控系统；4-磁悬浮底座；41-底座；42-线圈；43-霍尔高度传感器；44-霍尔位置传感器；45-环形磁铁；5-小球；50-转轴；51-一号磁铁；52-二号磁铁；53-一号齿轮；54-二号齿轮；55-导线绕组；56-电刷；57-固定电源；58-开关；59-凹槽；591-轴承；6-悬浮磁铁；61-轮齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供技术方案：一种基于磁悬浮的太阳系天文教具装置。该装置包括支撑座1，圆台2，若干行星模型运行结构3，若干磁悬浮底座4，小球5以及悬浮磁铁6组成，所述支撑座1固定连接所述圆台2圆心位置，所述若干磁悬浮底座4其中一个固定于所述支撑座1靠近圆台2的一端，其他若干磁悬浮底座4位于所述行星模型运行结构3内，所述若干磁悬浮底座4对应相同数量的小球5，所述小球5内均设有悬浮磁铁6，所述悬浮磁铁6与磁悬浮底座4同极相对，所述小球5悬浮于所述磁悬浮底座4中心位置上方，所述磁悬浮底座4位于圆台2下方，所述小球5位于圆台2上方，所述行星模型运行结构3围绕所述支撑座1轴线做圆周运动，所述支撑座1上磁悬浮底座4提供浮力，使得圆盘中心的小球5得以漂浮，用该小球5模拟太阳；行星模型运行结构3上的小球5模拟行星。所述行星模型运行结构3包括磁悬浮底座4，车轮31，底盘32，电池33，线圈磁铁34以及受控系统35组成，所述车轮31固定于底盘32四周，所述底盘32上固定连接所述磁悬浮底座4，所述电池固定于底盘32上，所述受控系统35电连接所述电池33，所述受控系统35固定于所述底盘32上，所述底盘32上设有电池槽321，所述电池33置于电池槽321内，所述线圈磁铁34固定于底盘32上，行星模型运行结构3上的磁悬浮底座4使得小球5漂浮起来并随着行星模型运行结构3一起运动，用该小球5模拟太阳系中的行星，行星模型运行结构3上设有的受控系统35，控制着行星模型运行结构3沿着支撑座1轴线做圆周运动，小球5即可围着圆台2中间的小球5做圆周运动，以此来表示行星围绕着太阳运动，在底盘32的一侧设置一个线圈磁铁34，线圈磁铁34与悬浮磁铁6相靠近的一端磁极相同，本身悬浮磁铁6水平悬浮在磁悬浮底座4正上方，将线圈磁铁34通电后，线圈磁铁34会给悬浮磁铁6一个向上的力，线圈磁铁34可以使得悬浮磁铁6一侧与水平位置产生一个夹角，该夹角可以表示该行星本身的赤道平面与该行星公转平面即黄道平面的夹角，各个行星赤道平面与黄道平面夹角各不相同，控制线圈磁铁34的电流大小可以控制这个向上的力的大小，以此来更真实的将太阳系行星的运行过程呈现出来。所述磁悬浮底座4包括底座41，线圈42，霍尔高度传感器43，霍尔位置传感器44，环形磁铁45，所述环形磁铁45固定在所述底座41上，所述环形磁铁45中间的圆环位置四周对称放置四个线圈42，所述四个线圈42中间位置设有所述霍尔高度传感器43以及霍尔位置传感器44，所述线圈42均与所述霍尔高度传感器43与霍尔位置传感器44电连接，霍尔高度传感器43以及霍尔位置传感器44可以实时监测小球5的位置，如果小球5位置发生偏移，霍尔高度传感器43以及霍尔位置传感器44通过控制线圈42电流大小来改变线圈42磁力，如果小球5在运行过程中向右偏移，此时霍尔位置传感器44会控制右边两个线圈42增大电流，其磁力也会相应增大，将小球5顶回偏移之前的位置，水平方向的任何偏移都通过该方法将小球5拉回初始位置，保证了小球5不会水平方向的偏移，如果小球5向下发生偏移，此时霍尔高度传感器43控制四个线圈42同时增大电流，增加了线圈42的磁力，线圈42与悬浮磁铁6同极相对，排斥力增大，将小球5推回初始位置，如果小球5向上偏移，霍尔高度传感器43控制四个线圈42同时减小电流，小球5依靠自己的重力下落，直至重新平衡，线圈42主要功能是调节小球5位置，环形磁铁45主要提供小球5悬浮的磁力，故将环形磁铁45和四个位置的线圈42相配合可以达到小球5在磁悬浮底座4上稳定悬浮。所述小球5均设有自转结构，所述自转结构包括转轴50，一号磁铁51，二号磁铁52，一号齿轮53，二号齿轮54，导线绕组55，电刷56，固定电源57以及开关58部件，所述小球5为空心结构，所述转轴50，一号磁铁51，二号磁铁52，一号齿轮53，二号齿轮54，导线绕组55，电刷56以及固定电源57部件均置于小球5内部，所述转轴50两端与所述小球5转动连接，所述转轴50轴线垂直于所述悬浮磁铁6横截面的直径，所述转轴50轴线与所述悬浮磁铁6横截面的圆心相交，所述一号齿轮53固定套设在所述转轴50长度方向中点位置，所述二号齿轮54与所述一号齿轮53啮合，所述一号磁铁51与所述二号磁铁52固定于所述小球5上半球内壁上，所述一号磁铁51与二号磁铁52以所述转轴50的轴线为对称轴对称放置，所述一号磁铁51与二号磁铁52相互靠近的一边相互吸引，所述悬浮磁铁6外圆侧边与所述小球5内表面固定连接，所述悬浮磁铁6为圆环结构，所述悬浮磁铁6内圆表面设有轮齿61，所述二号齿轮54与所述轮齿61啮合，所述转轴50上固定有导线绕组55，所述导线绕组55轴线与所述转轴50轴线垂直并相交，所述导线绕组55位于所述一号磁铁51与二号磁铁52连线的位置，所述导线绕组55两端导线与所述电刷56接触，所述电刷56电连接所述固定电源57，所述固定电源57与所述导线绕组55组成的回路上设有开关58，所述开关58置于小球5表面，当开关58连通电路后，导线绕组55通电，导线绕组55置于一号磁铁51与二号磁铁52之间，由于悬浮磁铁6与转轴50之间设有一号齿轮53与二号齿轮54，故悬浮磁铁6与小球5旋转方向相反，此时通电的导线绕组55会带动转轴50旋转，转轴50通过齿轮使得悬浮磁铁6带动小球5反向旋转，以此来模仿行星在太阳系内自转。所述小球5与所述转轴50接触位置设有凹槽59，所述转轴50与所述小球5由轴承591连接，所述轴承591的外圈固定在所述凹槽59内，所述轴承591内圈固定套设在所述转轴50上，设置轴承591可以减少转轴50与小球5之间的摩擦力，增加小球5与转轴50的使用寿命。

太阳系有八大行星，每个行星的黄道平面与赤道平面的夹角各不相同，每个行星的自转速度也各不相同，以及每个行星围绕太阳旋转的周期各不相同。设置八个行星模型运行结构3分别命名标号，依次将八个行星模型运行结构3按照八大行星的排列方式摆好，设置每个行星模型运行结构3的受控系统35，使得八个行星模型运行结构3可以按照八大行星运行速度等比例缩小，设置好八个行星模型运行结构3的运行轨道。根据八大行星实际大小等比例缩小，利用solidworks软件3d打印制作出符合要求的小球5，在每个小球5内按照要求安装好转轴50，一号磁铁51，二号磁铁52，一号齿轮53，二号齿轮54，导线绕组55，电刷56，固定电源57以及开关58部件，将磁悬浮底座4安装在每个行星模型运行结构3的底盘32上，将小球5轻轻的放置在磁悬浮底座4正上方，调试磁悬浮底座4上的线圈电流大小，使得各个小球5稳定漂浮在一定的高度，将行星模型运行结构3底盘32上的线圈磁铁34调整好位置，使其靠近小球5一端的磁极与小球5中的悬浮磁铁6靠近磁悬浮底座4一端的磁极相同，且调整线圈磁铁34的角度，使其朝向悬浮磁铁6的一侧。悬浮磁铁6此时为平衡状态，打开线圈磁铁34的开关58，线圈磁铁34和悬浮磁铁6相斥，由于线圈磁铁34正对悬浮磁铁6的一侧，所以悬浮磁铁6一侧会翘起，由于有霍尔高度传感器43以及霍尔位置传感器44调整，悬浮磁铁6会以一定的倾斜角度悬浮在磁悬浮底座4正上方，由于悬浮磁铁6是在小球5内部，且悬浮磁铁6的圆周与小球5内壁固定连接，所以在外表看来，小球5偏转了一个角度，通过控制线圈磁铁34的电流大小可以控制其磁力大小，即可控制小球5的偏转角度，查阅资料根据八大行星实际偏转角度来设置小球5的实际偏转角度。再打开小球5表面的开关58，将小球5内部的电路连通，连通后，电流通过导线绕组55，导线绕组55开始做切割磁感线运动，进而开始带动转轴50旋转，转轴50上设有一号齿轮53，一号齿轮53与二号齿轮54啮合，二号齿轮54与悬浮磁铁6上的轮齿61啮合，所以转轴50旋转会带动悬浮磁铁6反向旋转，即带动小球5旋转，通过控制一号磁铁51与二号磁铁52的齿数比就可以控制悬浮磁铁6的旋转速度，根据八大行星的实际旋转速度来等比例设置各个小球5的旋转速度即可模拟行星在太阳系内的旋转情况。在支撑座1内设置一磁悬浮底座4，按照太阳与行星实际大小等比例缩小，利用solidworks软件3d打印制作出符合要求的小球5来模拟太阳，太阳模型小球5内部与行星小球5内部一样，太阳公转实际偏转角度在该教具内不用体现，只需要其自转即可，故在支撑座1上无需设置线圈磁铁34使其偏转，其余部分与行星模型设置的一样。将支撑座1与圆台2固定，将行八个行星模型运行结构3放置在圆台2下方，位置按照太阳距离各个行星的实际位置等比例缩小后摆放，将太阳模型小球5放置在圆台2的圆心位置，将其余小球5按照各自行星模型运行结构3对应位置在圆台2上方依次摆放，打开小球5表面开关58，控制小车按照设定好的轨迹运行，在圆台2上方即可看到八大行星围绕着太阳旋转的运转情况。

该模型经过轻微改动也可以模拟地月运行，在该模型太阳位置改变小球5外形以及自转速度，放置地球的模型，再将行星模型运行结构3只保留一个，改变行星模型运行结构3运行轨迹以及运行速度，再根据实际地月相对大小制作出月球模型，改变月球自转速度，将行星模型运行结构3放置在圆台2下方，将月球模型放置在圆台2上方对应行星模型运行结构3的位置，打开月球模型表面开关58，控制行星模型运行结构3按照设定好的轨迹运行，在圆台2上方即可看到月球围绕着地球旋转的运转情况。

需要说明的是，在本文中，诸如一号和二号等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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