已开发出了一种利用回转工作原理的独特且高效的驱动系统。公知的 是，当转动体经受趋向于改变其转动轴线的转矩时会发生复杂运动，称作 进动。设计了一种装置，借此，当转动体沿着其进动路径移动时，通过有 选择地对该转动体的转动轴线施加力，该进动运动在产生高效的驱动系统 中可得到利用。这些力被设计成一旦建立工作参数并以机械方式植入结合 示例性实施例所示和所述的设计中就能自动产生而不需要介入。
下面详细描述本发明的优选实施例。
已发现，通过向旋转的回转装置的进动轴线施加恒定或间歇性持续的 预定力，可以产生持续的转动力且只需最小的能量就能将其维持。
当转子的转动轴线偏移时，该转子进动并施加使该转子恢复到其初始 位置的力。已发现，如果通过向转子的转动轴线施加相反、相等的力并引 导这两个力的合力来辅助偏移的旋转进动转子的进动运动对抗该恢复力， 则可以用最小的能量输入维持转子转动。为了持续并自动地维持这种工作 模式，已发明了一种结构配置方式来达到这种目的。
当转动体的旋转轴线偏移时，根据角动量守恒定律，该转动体趋向于 加速。当这种情况出现时，根据回转原理，进动轴线以圆锥形轨迹运动并 试图返回到其初始位置。已经发现，通过调节辅助进动运动的力，用最小 的能量输入就能控制系统的转动速度。该现象进而可用作多种应用所用的 驱动方法。
在转子偏移以及施加用于使其恢复到其初始位置的力的情况下，通过 施加包括两个分量的力，该“恢复”力被反抗，这两个分力为一个相反分 量和一个分量辅助转子的转动和进动运动。相反分量与恢复力方向相反而 辅助分量辅助偏移旋转且进动的转子的进动运动。通过提供由弹簧支撑的 板，该恢复力自动被反抗，该弹簧被恢复力压缩。通过使板歪斜以产生帮 助维持工作速度和进动运动的合力来辅助进动力。这种维持转子的转动速 度的工作方式可以用多种方式来实现，在一个示例中，这种方式通过由弹 簧支撑的板来实现，该弹簧根据伸展臂的精细的测量伸展以及通过调节弹 簧支撑板的位置而被压缩，该伸展臂连接到承载转子组件的内部平台。
反抗恢复力的同时，该相同的恢复力的分量通过以某一速率施加恒定 的动力传递到旋转转子轴后面的内部平台被用来辅助偏移的旋转且进动的 转子的进动运动，其既不超过(override)也不落后(under ride)进动转子 的进动运动，而是轻缓地在该进动轴之后施加力，以在该恒定力前驱动转 子轴。
上述操作通过在板及弹簧上施加的压力的精细的测量调节且通过使用 两个特别负重的滚珠轴承(weighted rolling ball bearing)型组件来实现，该 组件用于定位板。旋转进动转子的合成转矩、旋转速率以及进动速度可以 通过本领域常用的装置、激光计时装置和计算机反馈和分析来监测。
伸展臂的精细放置和伸展需要从对弹簧支撑板的反作用中得到最大有 效驱动力。伸展臂可以被弯曲(见图2A)，其中，它们接触内部平台轨道 以实现辅助进动的转子和内部平台的进动运动的力的更直接的定向。通过 使弹簧支撑板歪斜以产生被进动地引导的力分量，也可帮助进动动作。
通过使转子维持其旋转速率，恢复转矩力被维持，且这进而维持用于 维持系统工作的反作用力。下面描述和示出的是用于实现该独特工作方式 的机械装置。但是应当理解本发明不局限于所描述的具体的实施方式或应 用。
附图说明
图1是设计成实现上述工作系统的使用磁性元件的驱动机构的剖视图；
图2A和2B描绘了使用滚珠轴承滚道和电机驱动辅助的可替换的设 计；
图3详细描绘了电机驱动辅助；
图4示出了沿着图1中平面4-4所作的剖视图；
图5描绘了一种回转装置及其转矩轴线、旋转轴线和进动轴线；
图6是图10的中心部分的放大图；
图7示出了使用伸缩臂以确保负重球组件2与进动转子组件的协调；
图8是详细显示负重球组件的放大图；
图9是显示本发明作为发电机连同稳定装置的区段前视图；
图10是显示本发明作为发电机连同稳定装置的区段侧视图；
图11是解释受迫进动所用的图。

参考图1，示出了使用回转工作原理的恒定驱动机构。以下称为转子的 球或圆柱体1通过滚珠轴承组件13安装成相对于外部平台23转动，该滚 珠轴承组件13置于内部平台7和外部平台23之间(最好参见图4)。这种 配置形式允许转子轴和内部平台7在垂直于转子1的转动轴线的方向上转 动，并在组件的回转运动中提供两个自由度。外部平台23通过支撑臂9被 安装成相对于固定壳体21运动，该支撑臂9安装有具有较小的枢转能力的 滚珠轴承或轮17，该滚珠轴承或轮17可以骑坐在设在壳体21的壁中的轨 道27中。这种配置方式允许平台23执行复杂的摇摆或波动动作。
旋转转子1在受到趋向于改变其转动轴线的转矩*时引起转动体的进动 运动**、和趋向于使其恢复到其初始位置的合力。调节合力可以被用于控 制回转装置的转动速度。
优选工作模式是通过反力对抗合力，这在回转装置沿着其进动路径移 动时产生用于辅助回转装置的进动运动的指向旋转轴线的力分量。通过经 过外壳体和内部平台中的孔8啮合离合器驱动装置以啮合转子轴3的端部， 或者通过将该转子作为电机来操作，初始为转子1(最好见图4)提供速度 (电机和发电机构件未在图1中示出，但在本领域是通用的，且在图9和 10中示出)。一旦给转子提供了速度，平台23通过如图1所示的远程控制 的伺服操作伸缩式伸展臂25的延伸部被倾斜，该伸展臂25装配有磁性端 部29。弹簧支撑板19在面对转子的内表面上是有磁性的，且磁性的极性与 磁性的镶尖的(tipped)伸展臂的极性相同，由此相互排斥。在磁性板19 的边缘上可以使用唇缘作为防范措施，以确保在伸展臂25伸展时两个构件 *参见附录1   **参见附录2
保持工作上的彼此邻近。伸展臂位于内部平台7的任一侧。一个位于上侧 而一个位于下侧，使得在同时压缩弹簧31时实现平台组件和转子旋转轴线 的倾斜。负重滚珠轴承型组件2用于使弹簧支撑板19在一个方向上歪斜， 以产生辅助倾斜的转子的进动运动的力分量。可以以多种方式实现对转动 速度的调控。通过电机41驱动的伸展臂32和40，在弹簧张力和与转子1 组件接近方面都可以实现对板33和19的调节。还可以通过摩擦接触调节 速度。转子轴3和环54之间的摩擦接触是可以调节的，所述环54位于定 位在外部平台23中的转子轴的端部的上面和下面，且该摩擦接触可以通过 最好参见图3的远程控制的伺服螺杆或伺服操作的液压升降机构53来实 现。通过这种措施或要描述的其他措施，调节可以使摩擦从无到相当大之 间变化。转子轴的端部与环54之间的接触也可被形式得使该轴的一个端部 可以与下环接触且所述轴的另一端部可以与上环接触。这种配置方式的构 建使得通过使所述轴的相反端部试图彼此相反移动从而可以抑制转子运 动。一种替换的方式是在所述轴的一端使用反方向转动驱动装置(通过这 种装置，所述轴的转动运动可以被反转，使得在未抑制其前向运动的情况 下就可以实现在相同的环上的驱动接触)。
另一种用于控制转子轴与环54的摩擦接触的方法是通过调节承载转子 轴的滚珠轴承。这种方法是通过使用图3所示的远程控制的电机或伺服操 作的螺杆48来完成，该螺杆48连接到转子轴的滚珠轴承5。
除了使平台和转子旋转轴线倾斜外，伸展臂25的伸缩(见图1)还使 弹簧支撑的磁性板19倾斜并使得处于压力下**。这响应于由于转子试图将 自身恢复到其相对平衡的初始位置而通过伸展臂25施加的向上的力(或在 涉及组件的下半部分时，为向下的力)。为了获得更加方向集中的相反力， 弹簧支撑板19通过利用组件2歪斜。
伸展臂25的磁性末端29最好参见图2A中。磁性板19具有相同的极 性。当在工作时，这两个磁性构件相互排斥。
这种配置方式的结果是产生响应于或反应于倾斜转子转矩作用的定向 力，以增加转子的进动运动。
可能必须在邻近磁场的区域屏蔽或使用非磁性材料，以保证正确的工 作。板19在内表面上被磁化，由此不会干扰弹簧31和负重滚珠轴承组件2。
**参见附录2
为了实现最大益处，对伸展臂25和磁性末端29进行定位是至关重要 的，因此，伸展臂25和磁性末端29在它们的各个部件构造中和在它们至 加装于平台7的轨道16的安装中被设计成通过传统装置是可移动的、可调 节的、可枢转的、以及可锁定的。这在图2A中能更好地理解，图2A示出 了用于使伸展臂25枢转并锁定该伸展臂25的远程控制伺服齿轮12、和用 于将伸展臂25的基部锁定在轨道16上的远程控制电机14。远程控制电机 或伺服操作齿轮10可以用于经由带齿的轨道15使调节装置沿着轨道16移 动或锁定。伸展臂25还装配有可调节的支撑杆26，该支撑杆26也可在设 置在内部平台7上的轨道16上移动，而且也可通过传统装置锁定。参考图 1、9以及10，对弹簧31支撑的磁性板19的压力调节通过可调节的板33 实现。板33和19可进一步通过远程控制伺服操作或液压操作的伸展臂32 和40进行调节和稳定。伸展臂40通过允许板19旋转运动的滚珠轴承配置 20连接到平台19。伸展臂32和40以及板19和33用于调节系统上的压力 或张力，以帮助调控速度。位于板33的侧面上的滚珠轴承或轮35通过设 置在壳体21的内壁上的轨道28有助于沿着外壳体21的内壁引导该板。液 压或伺服电机41用于在伸展臂32和40实现调节能力时给其提供动力。
磁性盘19和磁性镶尖伸展臂25的可选方式示于图2b中。在该实施例 中，伸展臂25加装到安装于非磁性的板37(替换上述示例中的磁性板19) 上的圆形滚珠轴承组件38。这允许产生与之前在图1中论述以及示出的相 似的运动。
在基本设计中磁体的目的是减少摩擦损耗，但是磁体可以被刚刚描述 的滚珠轴承组件替换物替代。
负重滚球组件2加装到板19，这最好参见图1、9和10。该组件中的 负重球被设计成以与进动转子组件相协调的运动来始终移动(shift with) 板19并使板19歪斜。这样做目的是实现逆着伸展臂25和内部平台7指向 的较大力，以辅助转子的进动运动并可使转子组件被反作用力推动。该组 件中的单个球单独负重且通过轨道由滚珠轴承单独地承载(最好见图8)。 负重球的运动是通过在伸展臂25偏移平台19和平台2时产生的重力来实 现的。
使用重力的辅助元件在图7中示出，其中，使用伸缩臂18。这里伸缩 臂18连接到内部平台7，其连接方式与之前叙述的伸展臂25的相似。杆的 另一端通过开设在组件中的沟槽24延伸至负重球组件2中。通过使用承载 负重球的滚珠轴承滚道和与伸展臂18的枢轴连接，臂18此时可以处于一 位置，以在策略性选择的负重球的后面推。这确保负重球的协调运动和板 19的倾斜与转子1和内部平台7的进动运动保持协调。
在两个组件(转子上方的和下方)中的每一个组件中，单个球的负重 和放置不同，但是目的是一样的。这些球的负重取决于弹簧压力、转矩以 及杠杆作用。
为了保证转子1和平台7的连续的进动运动，平台7和平台23可以装 配有电机(或类似的驱动装置)。这将需要根据本领域常用的驱动部件进行 一些改动。例如，组件可能需要由非磁性材料例如陶瓷制成，或可能需要 滚珠轴承组件13的绝缘。这种电机驱动辅助装置的一个示例包括电机和滚 珠轴承组件，图2和3中示出了该示例的一些细节，其中，磁体80加装到 内部平台7的外边缘，该内部平台7将通过在外部平台23上的导体22中 环绕的旋转磁场被电驱动。然而，应当注意，其他驱动配置方式也是可以 的。
可以通过一些改动使用所述系统来给多个装置提供动力，例如发电机 的转子，或者用作风扇等其他用途。自然地，可以需要一些改动，例如电 或磁隔离或磁力线通量的屏蔽或用于防止过热，这在本领域是可以理解的。 所述基本系统需要转子的足够负重，以维持所需的惯性影响。
附图没有按比例绘制。
图4是图9沿着切平面4-4所作的剖视图。所示的转子组件通过本领 域常用的方法被修改，以用作发电机。保持如上所述的回转驱动原理。首 先通过外部装置、通过孔8插入的啮合转子轴的端部的摩擦或齿轮驱动装 置、或通过操作发电机作为电机给发电机转子提供工作速度，直到达到足 够的速度。一旦达到足够的工作速度，对转子的初始驱动动力被断开，且 伸展臂25(图1、9和10中所示)伸展开。当伸缩式远程控制伺服操作的 伸展臂25处于合适位置时，旋转轴线倾斜，使得进动运动发生。
这些臂的伸展还使负重球组件2开始作用，使得它使弹簧支撑板19倾 斜，产生更集中的反作用于进动转子组件的力。因此，寻求将自身恢复到 其初始水平位置的倾斜进动转子产生用于辅助进动运动的力。仔细调节弹 簧张力、伸展臂的放置、转子轴与其配对的摩擦元件的接触以及任何其他 需要的电机驱动力(如果需要)，得到高工作效率的系统。
图9和10示出了用作发电机或电机的系统的示例。在这些示例中，转 子在加装到内部平台7的定子或电枢45中产生与旋转转子的转矩反向的相 当大的反转矩。为了确保反作用力不对旋转转子的进动运动产生不利影响， 可以使用抑制或稳定装置50。
稳定组件的一个示例可以最好参见图9和10。具有磁性质的凸出部 (ledge)位于外壳体的内侧壁上(该凸出部具有被切除的部分，从而允许 支撑轮17从凸出部通过)。远程控制伺服操作的伸缩臂56以类似于上述伸 缩式伸展臂25的连接方式加装到内壳体。这些伸缩式远程控制臂装配有可 转动的、枢轴的、以及可锁定调节的磁性板58，该磁性板具有与磁性凸出 部52相同的极性。当转子组件偏移时，这些板枢轴转动，以使平面保持与 磁性凸出部平行。因此，内部和外部平台的扭转作用受到板58和凸出部52 之间的互斥作用限制，防止组件响应于作为发电机或电机运行的转子1而 出现过大扭转。稳定臂位于内部平台的任一侧且与转子轴大约成90度角或 与转子轴垂直。磁性板58需要足够长以跨过轮轨道，从而保持有效操作。 邻近磁场的区域需要由非磁性材料制造或被隔离，以便不会对系统的工作 产生不利影响。
上述磁性稳定装置50的一种可选方式是用间隔开的滚珠轴承组件替代 间隔开的磁性凸出部52。上述磁性板58可以用非磁性板替代，该非磁性板 可以非常像图2B示出的组件那样骑坐在滚珠轴承组件内。伸缩式伸展臂和 非磁性板之间的连接可以像之前在稳定装置50中所述的那样为枢转的、可 锁定的。在此，板还是需要足够长以跨过由轮轨道形成的间隙。支撑组件 的放置和使用仍然如磁性稳定组件中所描述的那样保持。
通过常规手段，如图4、9和10所示的电刷60，可以给系统提供电能 或从系统中移除。
构件的协调可以由计算机控制。
惯性要求取决于阻力。
下面是在转动体是对称的且其运动不受约束时，进动周期的公式，且 如果旋转轴线上的转矩与该轴线成直角，则进动轴线与旋转轴线和转矩轴 线都垂直。
$T=\frac{4{\pi }^2\mathrm{Is}}{\mathrm{QTs}}$
其中，I是惯性矩，Ts是旋转轴线的旋转周期，Q是转矩。
这种配置方式的结果是一种效率提高的驱动系统。该系统可具有本领 域常用的一些修改，以便为发电机、风扇或其他装置的转子提供动力。除 了在该公开中指出的那些以外，所述驱动系统还具有多种应用。
为了惯性目的，转子需要被负重。
为了增加效率，可以采用计算机监测的速度和压力控制。
诸如支撑轮的单独部件可能需要由非磁性材料制造或被隔离，这被认 为是必须的且是本领域常用的。
确定工作参数的公式在下面给出。
回转安装的转子圆柱体的长为8英寸，半径为4英寸，转速为3500 rpm，其轴长为12英寸，从下面的公式中可以计算出该转子圆柱体的惯性 矩。
对于圆柱体，假定其质量的主要部分集中在4”半径处，其以SI单位 和US单位表示的惯性矩为

这也是绕着轴线旋转的点质量的惯性矩。
转动的刚性体具有动能T，其由以下公式给出
T＝1/2 Iω2
确定存储的动能的量：
K.E.＝1/2mv2
如果转子是半径为4英寸、转速为3500rpm的中空圆柱体，其具有的 能量为：

$=3.59\mathrm{BTU}=1.05\mathrm{kWh}.$
如果是实心盘，且具有相同的质量和尺寸，则能量为上述一半，即1890 焦耳、1.8BTU、0.525kWh。
转矩是章动率(Nutation Rate)与角动量的叉积(向量积)τ＝θ×L。
为了获得改变角动量所需的力，可以使用公式：
$\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}=a\times F$               或者
$F=\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}\times a,$ 所需的力还是希望多快地进行的函数。
假定$\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}=\stackrel{·}{\theta }\times L,$ L＝Iω，可以得到$F=\frac{\stackrel{·}{\theta }\mathrm{I\omega }}{2a}.$
使转动圆柱体偏移所需的力随着反映多快地改变其转动轴线的θ、反 映圆柱体质量和大小的I以及反映旋转多快的ω增加，该力还与力矩臂a 成反比。
角动量为(L)＝Iω。
因此如果希望一秒钟变化25度，则所需的力为：

$=29.5N=6.64\mathrm{lbs}$ 的力。
结果是力为6.641bs。
随着转子偏移，通过使用伸缩臂26对抗回转惯性，在此响应于弹簧支 撑板19。弹簧压缩力可以通过虎克定律来计算(见附录2)。
在计算受迫进动单独提供的机械效益时(见图11)，其中，R1是圆形 路径的半径，每旋转90度(纸平面外)伸展臂和转子扫过该圆形路径(同 时)，且假定轴推力矩(b×R1)促进足够的阻抗a吸收100％的设计工作转 矩(压缩弹簧力、输入转矩c)。受迫进动单独提供的机械效益(没有章动 传动)的基本公式为：
(转动速率/进动速率)
或
输出转矩＝驱动转矩×sinα×[1/(1—cosα)](由于摩擦导致的较小 损耗)。
压缩弹簧力(输入转矩c)(反作用于回转惯性)向后定向在转子组件 上，从而产生受迫进动。(该力的定向通过利用杠杆作用和重力使用负重球 组件2使弹簧支撑的板歪斜来辅助进行)。
附录1
转矩＝角动量变化速率 如果在时间δt秒内发生转动，则动量的变化速率是 且如果变化是稳定的速率，则为关于y轴线的角速度ω。
每秒的动量变化＝Iωωω
因此，产生方向改变所需的转矩是T＝Iωxωy，用于产生角度变化和 矢量方向变化必须施加的转矩与动量变化相同。因此可以推出施加的转矩 的幅度和方向。
计算转矩的幅度的实际方法是首先确定杠杆臂和其乘以施加的力。
如果力的幅度F＝____________N(1牛顿＝0.2248lbs)
距离r＝____________m(1米(m)＝100cm或39.37英寸)
在一个方位，其中，r相对于作用力线成角度θ＝__________度，则杠 杆臂＝____m，转矩的幅度t＝______Nm
附录2
根据虎克定律得出压缩弹簧中的力：
F＝k(Lfree—Ldef)
Lfree是弹簧自由长度
Ldef是弹簧变形时的长度
k是弹簧常数
或
F＝ks
如果没有超过弹性限制，弹性体在受力时伸展或压缩的量s与力的大 小F成正比。
其中，k为值取决于弹簧特性和尺寸的常数。
因为F与s成比例，所以当弹性体从其正常长度到其最终长度伸长(或 压缩)了s时，平均力F为：

由于初始力为0且最终力为ks。伸长弹簧所做的功为平均力F＝1/2ks 和总的伸长量s的乘积，由此，W＝PE＝1/2ks。
附录3
描述回转装置的特性的基本方程为：
$T=\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}=\frac{d\left(\mathrm{I\omega }\right)}{\mathrm{dt}}=\mathrm{I\alpha }$
其中，矢量τ和L分别是回转装置上的转矩和其角动量，标量I是其 惯性矩，矢量ω是其角速度，矢量α是其角加速度。
从此可以得出，垂直于转动轴线、因此垂直于L施加的转矩τ产生垂 直于τ和L的运动。该运动被叫做进动。进动Ωp的角速度由以下给出：
T＝Ωp×L。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1、一种驱动系统，包括：
具有三个转动轴线的回转装置；启动所述回转装置的旋转的装置、以 及用于使所述回转装置的旋转轴线偏移从而产生进动动作和用于恢复所述 回转装置绕其初始旋转轴线的转动的力的装置；以及与恢复力相反作用的 装置，以影响回转装置工作时的进动速度和转速。
2、根据权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，与恢复力相反作用 的所述装置包括弹簧支撑板，所述弹簧支撑板适于在被所述恢复力压缩时 产生能够影响回转装置工作时的进动速度和转动速度力。
3、根据权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述弹簧支撑板被 自动定位，以向进动转子的转动的旋转轴线产生持续施加的力。
4、根据权利要求3所述的驱动系统，其特征在于，所述弹簧支撑板通 过自由运行负重球的系统来自动定位，所述系统被配置成通过重力来定位 所述弹簧支撑板。
5、一种形成基于回转装置的驱动系统的方法，所述方法包括：采用具 有三个转动轴线的回转装置；使回转装置绕其旋转轴线转动；施加产生回 转装置的进动动作的力、和辅助回转装置的进动动作的伴随力。
6、根据权利要求5所述的驱动系统，其特征在于，所述伴随力被使得 用于辅助所述回转装置的进动动作。
7、根据权利要求6所述的驱动系统，其特征在于，所述伴随力通过使 用借助重力布置的自由运行负重球的系统被使得用于自动辅助进动动作。
8、根据权利要求6所述的驱动系统，其特征在于，所述伴随力通过使 用机械或电驱动组件被使得用于辅助进动动作。
9、一种用于产生响应于回转装置力的力以影响回转装置的工作速度的 装置。
10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，它包括弹簧支撑板的 使用。
11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于，它包括相对磁场的使 用。
12、一种形成基于回转装置的动力系统的方法，其中，所述回转装置 包括发电机或电机组件的运动芯。
13、一种将回转装置用作动力产生系统中的转子的方法，所述动力产 生系统包括具有三个转动轴线的回转装置，所述方法包括：使所述回转装 置绕其旋转轴线转动；施加使转动的旋转轴线偏移从而产生进动动作的力、 和用于将回转装置恢复到其初始转动轴线的力；以及重新定向恢复力，以 驱动动力产生组件。
14、根据权利要求13所述的驱动系统，其特征在于，重新定向的力的 利用通过使用弹簧支撑板或相对磁场实现。
15、根据权利要求13所述的驱动系统，其特征在于，转子转动通过与 相对固定的轨道接触的转子轴实现。