專利名稱：磁石磁力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁石在電機(jī)電器領(lǐng)域的新應(yīng)用。
電機(jī)電器主要是線圈和鐵心組成，通過通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生動(dòng)力或電動(dòng)勢(shì)。磁石在電機(jī)電器中的應(yīng)用到目前為止通常是磁石在氣隙中建立磁場(chǎng)，或磁石在磁場(chǎng)中以引力或斥力方式產(chǎn)生動(dòng)力，象步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及磁懸浮技術(shù)那樣應(yīng)用。
從450年前一直到現(xiàn)在，人們不斷的探索磁石永動(dòng)機(jī)，但是沒有一個(gè)成功的。原因是一直在斥力和引力范圍內(nèi)尋找方法。兩個(gè)磁石在一個(gè)斥力(或引力)范圍內(nèi)相對(duì)移動(dòng)，只是一種類似勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。磁石最基本特征之一是同極相斥、異極相吸。但是僅僅依靠斥力和引力是不能做出磁石永動(dòng)機(jī)的，只是一個(gè)美好的愿望而已。
磁石建立的磁場(chǎng)與通電線圈建立的磁場(chǎng)效能完全一樣。都是能量表現(xiàn)形式。這種磁場(chǎng)能量應(yīng)當(dāng)取得出來加以應(yīng)用。磁石磁場(chǎng)在合理使用條件下長(zhǎng)期不變，相對(duì)來講是取之不盡的。
本發(fā)明的目的是利用磁石節(jié)省能量，以及從磁石磁場(chǎng)中取出能量。
本發(fā)明的參考書是電氣工程師手冊(cè)(第二版)機(jī)械工業(yè)出版社；機(jī)械工程師手冊(cè)(第二版)機(jī)械工業(yè)出版社；永磁機(jī)構(gòu)，夏平疇著北京工業(yè)大學(xué)出版社。
1.磁石磁力

圖1是靜磁石J和動(dòng)磁石D組成的裝置，靜磁石J為一圓管，外側(cè)為S極，內(nèi)側(cè)是N極，動(dòng)磁石D為一帶中心孔的圓柱狀，右端為N極，左端為s極。中心孔中穿過一根銅棒T，動(dòng)磁石D能在銅棒T上滑動(dòng)，將動(dòng)磁石D和銅棒T置于靜磁石J圓管內(nèi)。動(dòng)磁石D受到3種力，F(xiàn)A叫做磁石磁力，F(xiàn)B叫做斥力，F(xiàn)C叫做引力。方向如圖示。斥力FB和引力FC的方向與磁力FA的方向相反，這三種力所在區(qū)域分別叫做磁力區(qū)、斥力區(qū)、引力區(qū)。FB是由于動(dòng)磁石的N極與靜磁石的N極產(chǎn)生的斥力，F(xiàn)C是由于動(dòng)磁石的S極與靜磁石的N極產(chǎn)生的引力。最有意義的是磁石磁力FA。
磁石磁極軸線的定義磁石的N極和S極的連線叫做磁石磁極軸線。磁石為矩形或圓柱形等形狀時(shí)，其磁石磁極軸線為直線，其方向規(guī)定為從N極出發(fā)的磁力線方向?yàn)檎较?，?jiǎn)稱磁極軸線方向，或磁極軸線。
磁場(chǎng)方向的定義從磁場(chǎng)N極出發(fā)的磁力線方向?yàn)檎较?，?jiǎn)稱磁場(chǎng)方向或磁場(chǎng)。
磁石磁力的定義動(dòng)磁石的磁極軸線方向與所在靜磁場(chǎng)方向垂直(90°±45°)時(shí)，動(dòng)磁石受到磁力、斥力、引力三種力。動(dòng)磁石受到的磁力簡(jiǎn)稱磁石磁力。磁石磁力的方向符合左右手定則，其規(guī)定為靜磁場(chǎng)方向穿過左手掌或右手掌手心，并排四指和動(dòng)磁石磁極軸線方向一致，四指所指方向(動(dòng)磁石磁極軸線方向)即為磁石磁力方向。
動(dòng)磁石磁極軸線方向與靜磁石磁場(chǎng)方向所說的垂直是指一個(gè)范圍，即90°±45°。在90°時(shí)磁石磁力最大，越靠近±45°磁石磁力越小，±45°時(shí)為0。今后說明中不提±45°時(shí)，但含有±45°。磁石磁力與電動(dòng)機(jī)原理的電磁力定律有相似之處，本質(zhì)上一回事。以直流電動(dòng)機(jī)為例，轉(zhuǎn)子上的繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)(動(dòng)磁場(chǎng))與定子上的磁場(chǎng)(靜磁場(chǎng))產(chǎn)生電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)子繞組受到與定子磁場(chǎng)方向垂直，同時(shí)也與轉(zhuǎn)子繞組的通電導(dǎo)線垂直的力，其方向符合左手定則。圖2是直流電動(dòng)機(jī)原理示意圖。對(duì)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線通過電流I，通電導(dǎo)線在靜磁場(chǎng)N中受到向下的力F，B是轉(zhuǎn)子導(dǎo)線通電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由靜磁場(chǎng)N與動(dòng)磁場(chǎng)B相互作用產(chǎn)生力F。
圖3是磁石磁力示意圖，由靜磁石J和動(dòng)磁石D組成，動(dòng)磁石D產(chǎn)生動(dòng)磁場(chǎng)B與圖2中通電導(dǎo)線產(chǎn)生的動(dòng)磁場(chǎng)B方向一致。動(dòng)磁石受到一個(gè)向下的力F，符合磁石磁力方向規(guī)定。這樣圖2中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線受力F與圖3中動(dòng)磁石D受力F方向一致。由此判斷磁石磁力與直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到的電磁力本質(zhì)上是一樣的。都是靜磁場(chǎng)與動(dòng)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁力，而且方向一致，只是名稱上一個(gè)叫做電磁力，一個(gè)叫磁石磁力，可以說磁石磁力是電磁力在磁石上的一種表現(xiàn)形式。
從磁力區(qū)取出磁石磁力作為動(dòng)力源，對(duì)斥力和引力采用技術(shù)方法或者避開，或者加以利用或者盡量減小。
上述所說動(dòng)磁石與靜磁石只是相對(duì)的，把動(dòng)磁石固定。給靜磁石導(dǎo)軌，則動(dòng)靜磁石則發(fā)生轉(zhuǎn)換。同樣磁極N和S也是相對(duì)的，可以互換。相應(yīng)的方向也對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換。
2.磁石結(jié)構(gòu)形式1)靜磁石結(jié)構(gòu)形式①管狀結(jié)構(gòu)如圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。直線圓管中動(dòng)磁石直線運(yùn)動(dòng)受力均勻。當(dāng)進(jìn)行曲線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，管子則呈現(xiàn)弧形，或者出現(xiàn)螺旋形式。實(shí)際應(yīng)用中采用有一小縫隙的管狀，縫隙用于動(dòng)磁石支撐桿傳遞磁力。
②對(duì)稱結(jié)構(gòu)圖4是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的示意圖。J1和J2為靜磁石，磁極方向相對(duì)。D是動(dòng)磁石，放在J1和J2之間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受力均勻。當(dāng)進(jìn)行曲線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜磁石做成弧形或螺旋形等。對(duì)稱結(jié)構(gòu)是管狀結(jié)構(gòu)的一部份，應(yīng)用靈活，磁場(chǎng)泄漏相對(duì)較小。
③單體結(jié)構(gòu)圖5是單體結(jié)構(gòu)的示意圖。J是靜磁石，D是動(dòng)磁石。動(dòng)磁石D受到磁石磁力，另外還受到一個(gè)力矩M。這個(gè)力矩M是由于靜磁石J的N極對(duì)動(dòng)磁石D的S極的引力，以及與動(dòng)磁石D的N極的斥力產(chǎn)生的力矩。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)力矩的存在。單體結(jié)構(gòu)也可以做成弧形，扇形，螺旋形等。管狀結(jié)構(gòu)和對(duì)稱結(jié)構(gòu)中沒有這個(gè)力矩M，原因是管狀結(jié)構(gòu)和對(duì)稱結(jié)構(gòu)中也受到力矩M，但是不僅是一組，而是2組力矩M，方向相反，互相抵消。
這3種結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際使用中選一種形式，或同時(shí)2種以上。
2)動(dòng)磁石結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式動(dòng)磁石結(jié)構(gòu)形式與靜磁石結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，相互配合，動(dòng)磁石由一個(gè)或多個(gè)組成。
動(dòng)磁石運(yùn)動(dòng)方式，圖1所示是導(dǎo)軌滑塊形式。在直線或曲線運(yùn)動(dòng)中使用。當(dāng)運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)方式時(shí)，采用導(dǎo)軌滑塊，也可以采用繞軸旋轉(zhuǎn)方式。運(yùn)動(dòng)方式和產(chǎn)生磁力的矩心矢經(jīng)的選擇有很大關(guān)系。
3.磁石電磁鐵裝置本發(fā)明是磁石在電器中的應(yīng)用。以往的電磁鐵及由其為核心做的繼電器、接觸器的操作部分都是由線圈和銜鐵組成，線圈通電后，銜鐵運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置，帶動(dòng)觸頭動(dòng)作。要維持運(yùn)動(dòng)后的吸合狀態(tài)必須一直對(duì)線圈通電，本裝置解決維持運(yùn)行時(shí)不用電能的任務(wù)。
本裝置由電磁線圈和磁石組成，靜磁場(chǎng)由電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及由靜磁石產(chǎn)生的磁場(chǎng)兩部分組成。由動(dòng)磁石代替原來的銜鐵，動(dòng)磁石的磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)方向垂直。圖6是該裝置的原理示意圖(俯視圖)。由靜磁石J1和J2電磁線圖X1和X2組成靜磁場(chǎng)。動(dòng)磁石D在靜磁場(chǎng)中間運(yùn)動(dòng)。圖7是圖6的側(cè)視展開圖。本圖只表示靜磁石J2、電磁線圈X1、動(dòng)磁石D，F(xiàn)A、FB、FC分別表示靜磁石與動(dòng)磁石相互作用產(chǎn)生的磁力、斥力、引力及其所代表的磁力區(qū)、斥力區(qū)、引力區(qū)。H1和H2為彈簧。在初始狀態(tài)動(dòng)磁石D受FB斥力和彈簧H1的壓力而穩(wěn)定，規(guī)定電磁線圈X1和X2產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度要大于靜磁石J1和J2產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度。如圖示，規(guī)定電磁線圈X1和X2的引力區(qū)與靜磁石J1和J2的引力區(qū)位置相同，電磁線圈X1和X2的磁力區(qū)要全部覆蓋住靜磁石J1和J2的磁力區(qū)，同時(shí)覆蓋靜磁石J1和J2的斥力區(qū)的一部分。啟動(dòng)時(shí)，電磁線圈X1和X2通電，產(chǎn)生與靜磁石J1和J2相同方向的磁場(chǎng)。產(chǎn)生磁力，動(dòng)磁石在該磁力的作用下，克服靜磁石J1和J2的斥力進(jìn)入靜磁石的磁力區(qū)，再進(jìn)入到引力區(qū)，然后斷開電流，動(dòng)磁石D在靜磁石J1和J2的磁力及引力共同作用下，穩(wěn)定在磁力區(qū)和引力區(qū)的交界點(diǎn)，彈簧H2防止動(dòng)磁石D運(yùn)動(dòng)慣性過大而設(shè)置。這樣動(dòng)磁石D在電磁線圈不通電狀態(tài)下，穩(wěn)定在這一點(diǎn)。關(guān)閉時(shí)，對(duì)電磁線圈通以反方向電流。因?yàn)殡姶啪€圈的靜磁場(chǎng)強(qiáng)度大于靜磁石的磁場(chǎng)強(qiáng)度，動(dòng)磁石在電磁線圈通電時(shí)，在產(chǎn)生的反方向磁場(chǎng)作用下，又回到初始位置，然后再斷開電流。動(dòng)磁石又維持初始狀態(tài)。通斷電流靠開關(guān)或電磁鐵的觸頭的開合的程序來執(zhí)行。本裝置做到了只在啟動(dòng)和關(guān)閉的瞬間用電，維持運(yùn)行不用電。本裝置對(duì)磁力、斥力、引力全部加以利用。
為縮小體積，也可以做成電磁鐵繼電器接觸器的經(jīng)常使用的形式。例如把電磁線圈做成圓形，只有一個(gè)，靜磁石做成圓管型，也只有一個(gè)，2者套成一體，動(dòng)磁石在中間運(yùn)動(dòng)。
本裝置可用在電磁鐵，接觸器、繼電器等產(chǎn)品上，達(dá)到節(jié)能無噪聲運(yùn)行。
4.磁力線，受力曲線，磁場(chǎng)變化率1)磁力線。
磁力線是磁場(chǎng)分布的方向線，磁力線上任一點(diǎn)切線方向就是該點(diǎn)磁場(chǎng)的方向，磁力線的疏密正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。從一個(gè)磁源發(fā)出的磁力線，不能相交，每相鄰兩根磁力線都是相互排斥的(即同極相斥)，所以磁力線是發(fā)散的。磁力線從N極發(fā)出又回到S極，導(dǎo)磁率高的材料能使磁力線容易集中運(yùn)行。圖8是磁力線不同階段受力方向不同的示意圖。從靜磁場(chǎng)J的N極出發(fā)的磁力線與動(dòng)磁石D的磁極軸線方向夾角90°±45°范圍內(nèi)有正方向的磁力FA，夾角為90°±45°時(shí)，磁力為0。當(dāng)夾角大于90°±45°時(shí)，則產(chǎn)生斥力FB和引力FC。FA、FB、FC在不同點(diǎn)其大小不同。
2)受力曲線。
受力曲線的測(cè)試采用單體靜磁石以及銅棒上有滑動(dòng)的帶孔磁石的受力大小來進(jìn)行。
①受力曲線1圖9是一個(gè)N極向上的靜磁石J(指紙面)其X方向和Y方向大小相近，在X方向和Y方向測(cè)得受力曲線QX1和QY1，這兩條曲線形狀相近，在0點(diǎn)以上是正方向FA，在0點(diǎn)以下為斥力FB和引力FC。
②受力曲線2圖10是在一個(gè)靜磁石J的N極極面上測(cè)得的受力曲線QX2和QY2，N極極面X方向比Y方向長(zhǎng)幾倍。兩條曲線的寬度和幅度都相差很多。曲線QX2中間略有凹陷，曲線QY2中間是高峰。
③受力曲線3圖11是在一個(gè)靜磁石J的N極極面上測(cè)得的受力曲線QX3和QY3，N極極面X方向的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Y方向長(zhǎng)度。QY3成為很窄很陡，幅值很大的曲線。QX3成為兩端略有峰值中間大部分受力接近于0。曲線QX3叫做凹受力曲線。在設(shè)計(jì)靜磁路時(shí)要避免出現(xiàn)。想利用強(qiáng)受力曲線時(shí)，可利用QY3曲線。
④受力曲線方向的變化圖11中X方向若為圓弧狀扇形面。也存在凹受力曲線。在扇形磁石兩端有近似QX3的受力曲線。中間大部分受力曲線幾乎接近于0。而曲線QY3的峰點(diǎn)很高。當(dāng)進(jìn)一步將扇形磁石的兩端延伸而變成環(huán)狀磁石時(shí)，則QX3受力曲線中兩端的受力峰點(diǎn)全部消失，QX3曲線變成0線。在Y方向則處處為高峰點(diǎn)。從一個(gè)小扇面逐步變成圓環(huán)時(shí)，圓環(huán)中心圓線不再受力(X方向不受力)而全部集中到Y(jié)方向(徑向)。這是凹受力曲線的極端情況。
⑤多個(gè)磁石組成的磁路也容易出現(xiàn)凹受力曲線單體，對(duì)稱，管狀結(jié)構(gòu)形式，只要同一磁極極面指向一致，而且距離小，容易形成一個(gè)成片的磁場(chǎng)也容易出現(xiàn)凹受力曲線。凹受力曲線的中間部分即使不到0，其受力也大大降低。要避免這種情況出現(xiàn)，要使磁石的長(zhǎng)度和寬度相適應(yīng)，磁石間的距離也適當(dāng)。
3)磁場(chǎng)變化率①兩個(gè)以上磁石磁場(chǎng)的相互影響從一個(gè)磁石磁源出發(fā)的磁力線不能相交，但是從兩個(gè)磁石磁源發(fā)出的磁力線可以相交。其交點(diǎn)的磁力線方向是原來兩條磁力線在這點(diǎn)上的矢量和的方向。只有這個(gè)矢量和方向與動(dòng)磁石軸線方向夾角在90°±45°以內(nèi)時(shí)才有正方向的磁石磁力。多條磁力線矢量和方向如果始終為一個(gè)方向而且連續(xù)則易產(chǎn)生凹受力曲線。
在非封閉磁場(chǎng)，即開放磁場(chǎng)，因?yàn)榇帕€為發(fā)散的，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有磁石之間都有相互影響。
②磁場(chǎng)變化率電磁感應(yīng)定律中E=dφmdt,]]>即通過一個(gè)閉合回路的磁通量變化時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)E與穿過回路的磁通量фm隨時(shí)間的變化率的負(fù)值成正比。這個(gè)磁通量的變化也就是磁場(chǎng)的變化，也就是磁場(chǎng)的變化率。磁場(chǎng)的變化包括磁場(chǎng)方向的變化和幅值的變化。其實(shí)在電磁力定律中必須有磁場(chǎng)變化率。同樣沒有磁場(chǎng)的變化，則易出現(xiàn)凹受力曲線，甚至不受力。磁場(chǎng)變化率和凹受力曲線在本質(zhì)上一樣，兩種否定對(duì)方的表現(xiàn)形式。所以一個(gè)完整的磁石磁路必須有磁場(chǎng)變化率。
4)磁力力矩三要素的選擇力的作用點(diǎn)，力的矢經(jīng)，力的矩心構(gòu)成力矩三要素。力的作用點(diǎn)在本裝置中就是動(dòng)磁石，即動(dòng)磁石受到磁力作用。矢經(jīng)和矩心的選擇結(jié)果是為了使動(dòng)磁石受到的磁力最大。例如，動(dòng)磁石在一個(gè)圓環(huán)靜磁石的向上的N極極面上，即受力作用點(diǎn)為圓環(huán)上，矩心選擇圓環(huán)的圓心，矢經(jīng)為圓環(huán)的半徑，則動(dòng)磁石不受力。同樣情況只改變矩心，如果把矩心也選擇在圓環(huán)上，則動(dòng)磁石受到很大的力。所以設(shè)計(jì)時(shí)，要先分考慮到動(dòng)磁石的運(yùn)動(dòng)軌道，靜磁石磁場(chǎng)變化率，及矩心和矢經(jīng)得選擇。
5)由多個(gè)磁石組成運(yùn)動(dòng)裝置的三個(gè)必要條件①動(dòng)磁石的磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)方向垂直(90°±45°)②足夠的磁場(chǎng)變化率，防止凹受力曲線出現(xiàn)③避免或減小斥力和引力，避免或減少90°±45°以外的反方向磁力5.磁石電動(dòng)機(jī)磁石在電機(jī)上的應(yīng)用。無刷直流電電動(dòng)機(jī)，磁石式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，無換向器交流同步電動(dòng)機(jī)等，轉(zhuǎn)子上都有磁石，定子上有繞組。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)是由于轉(zhuǎn)子磁石與定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的斥力或引力來作用的。磁石的磁場(chǎng)方向是面向氣隙，與繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向成180°或0°。
本機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相近，轉(zhuǎn)子上都有磁石，定子上有繞組，帶有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器。不同之處有2個(gè)。一個(gè)是，無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁石磁場(chǎng)方向面向氣隙，與繞組磁場(chǎng)方向成180°或0°。本機(jī)轉(zhuǎn)子上的動(dòng)磁石的磁極軸線方向垂直于定子繞組的磁場(chǎng)方向。另一個(gè)是，無刷直流電動(dòng)機(jī)定子上只有繞組，本機(jī)是定子上有繞組，也有靜磁石，繞組的鐵心極靴與靜磁石相間隔而且無縫連接，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)是靠動(dòng)磁石磁場(chǎng)與定子的靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力來帶動(dòng)的，轉(zhuǎn)子上的位置檢測(cè)器將位置信號(hào)傳遞給定子上的接受部分。經(jīng)信號(hào)處理后，來控制繞組的通電時(shí)刻與時(shí)間長(zhǎng)短。圖12是磁石電動(dòng)機(jī)原理示意圖(俯視圖)，定子由靜磁石J1、J2、J3，電磁線圈X1和X2組成。電磁線圈與靜磁石相間均布。電磁線圈的鐵心極靴與靜磁石緊連而無間隙。由若干靜磁石和電磁線圈圍成圓環(huán)型。轉(zhuǎn)子由動(dòng)磁石D，轉(zhuǎn)軸O，徑向連桿L組成。動(dòng)磁石D有多個(gè)均勻分布。動(dòng)磁石D進(jìn)入靜磁石J1的磁場(chǎng)N后，受磁力帶動(dòng)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，接近電磁線圈X1時(shí)，電磁線圈X1通電，這時(shí)靜磁石J1、電磁線圈X1、靜磁石J2的磁場(chǎng)連成一片，磁場(chǎng)方向一致，動(dòng)磁石D在磁力作用下通過電磁線圈X1，進(jìn)入靜磁石J2的磁場(chǎng)后斷開電磁線圈X1電流，當(dāng)動(dòng)磁石D接近電磁線圈X2時(shí)，對(duì)電磁線圈X2通電，此時(shí)靜磁石J2、電磁線圈X2、靜磁石J3的磁場(chǎng)連成一片。磁場(chǎng)方向一致。由于此時(shí)電磁線圈X1，不通電，其鐵心將靜磁石J1、J2的磁場(chǎng)隔開。動(dòng)磁石D在磁力作用下，通過電磁線圈X2進(jìn)入靜磁石J3磁場(chǎng)后，再斷開電磁線圈X2的電流。在線圈不通電時(shí)，其鐵心部分通過磁力線，但與相鄰靜磁石磁場(chǎng)方向相反。所以斷開了相鄰靜磁石磁場(chǎng)，在這種反方向磁場(chǎng)中的受力，正是斥力和引力，線圈一通電則斥力和引力消失。依次類推，磁力區(qū)成為一個(gè)不斷重新組合的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在動(dòng)磁石所受到的力中，斥力和引力始終被排除在外。從而避開了斥力區(qū)和引力區(qū)。電磁線圈的通電時(shí)刻和通電時(shí)間長(zhǎng)短由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器將信號(hào)處理后來控制的。靜磁石的結(jié)構(gòu)形式可采用管狀，對(duì)稱狀，單體等形式。電磁線圈作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。
靜磁石和電磁線圈的磁極方向?yàn)榧埫娴纳厦婧拖旅妗Ｒ陨现徽f明了低面的上面N極的情況。其實(shí)在下面的S極也可設(shè)置動(dòng)磁石。但上下動(dòng)磁石極性相反，但運(yùn)動(dòng)方向一致。利用2個(gè)磁極效率將提高。同理將這種軸向(上下)靜磁場(chǎng)改變成徑向(左右)靜磁場(chǎng)也一樣，使用2個(gè)磁極。
改變通電電流的大小，方向，通電時(shí)間，可以具有調(diào)速和剎車功能。
當(dāng)定子上的電磁線圈產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)面積等于靜磁石的有效磁場(chǎng)面積時(shí)，大體上輸入100％的功率，將有200％的功率輸出。實(shí)際制作時(shí)，在采用各種技術(shù)措施后將電磁線圈的有效磁場(chǎng)面積小到靜磁石有效磁場(chǎng)面積的十分之一或更小。例如將靜磁石做成中間厚，與電磁線圈接觸部分變薄等措施，降低電磁線圈的輸入功率。
無刷直流電動(dòng)機(jī)，磁石式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，無換向器交流同步電動(dòng)機(jī)等所有在轉(zhuǎn)子上有磁石的電機(jī)，均可以將轉(zhuǎn)子上的動(dòng)磁石的磁極軸線方向與定子的磁場(chǎng)方向垂直，能提高效率或簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
本機(jī)可做動(dòng)力設(shè)備來使用，也可以組成發(fā)電機(jī)組。
6.相鄰靜磁石間隙中磁石鐵心交替靜磁路裝置與5中所述磁石電動(dòng)機(jī)一樣，只把電磁線圈置換成小磁石和小鐵心。用圖12來說明，小磁石和小鐵心尺寸一樣，與圖中電磁線圈即靜磁石間隙尺寸一樣。其作用是當(dāng)小磁石在間隙中時(shí)，相當(dāng)于電磁線圈通電狀態(tài)，當(dāng)小鐵心在間隙中時(shí)，相當(dāng)于電磁線圈不通電。動(dòng)磁石的磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)方向垂直。當(dāng)動(dòng)磁石接近相鄰靜磁石間隙時(shí)，將小磁石推入間隙內(nèi)，小磁石磁場(chǎng)方向與相鄰靜磁場(chǎng)方向一致。所以小磁石把相鄰靜磁石磁場(chǎng)連成一片。動(dòng)磁石經(jīng)過小磁石磁場(chǎng)進(jìn)入下一個(gè)靜磁石磁場(chǎng)時(shí)后，將小磁石從間隙中退出。同時(shí)把小鐵心帶入間隙，這樣小鐵心又把相鄰靜磁石磁場(chǎng)間隔開。依次類推，磁力區(qū)也變成一個(gè)不斷重新組合的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。動(dòng)磁石不斷受磁力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。本裝置避開了斥力和引力。小磁石和小鐵心進(jìn)入間隙由一套位置同步連動(dòng)裝置進(jìn)行。例如，通過齒輪與轉(zhuǎn)軸連接的凸輪傳動(dòng)裝置及彈簧來完成。本裝置中靜磁場(chǎng)也可經(jīng)過技術(shù)處理后，盡量減小小磁石和小鐵心的尺寸。降低使其進(jìn)出間隙的功率。本裝置除不用電外，其他和磁石電動(dòng)機(jī)一樣。但是需要初始的啟動(dòng)力。
7.相鄰靜磁石用絕磁材料間隔的靜磁路裝置這里指絕緣材料目前只看到超導(dǎo)體材料具有抗磁性，超導(dǎo)材料能阻止大量磁力線通過，就像電絕緣材料阻抗電流通過一樣。采用圖12的結(jié)構(gòu)形式，把電磁線圈改變成絕磁材料，讓動(dòng)磁石的磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)方向垂直，這時(shí)靜磁場(chǎng)變成一個(gè)一個(gè)磁場(chǎng)正脈沖，在磁場(chǎng)脈沖之間則由于絕磁材料不讓磁力線通過，則動(dòng)磁石磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)方向只有90°±45°以內(nèi)的磁力線，避開了其他角度磁力線，減小了斥力和引力。
8.磁石封閉磁場(chǎng)靜磁路裝置圖13是封閉磁場(chǎng)的示意圖。用磁石本身來引導(dǎo)和約束磁力線方向。圖中箭頭所指方向是每一塊的磁石內(nèi)部磁場(chǎng)方向。每相鄰小磁石之間有微小的間隙，在管狀體內(nèi)部形成一個(gè)磁場(chǎng)，而管狀體外磁場(chǎng)泄漏很少。絕大部分磁場(chǎng)集中在管狀體所圍的空間內(nèi)。當(dāng)把圖13中的每塊小磁石再分解成更多的小磁石，每相鄰小磁石內(nèi)部磁場(chǎng)方向的夾角變得更小。其磁場(chǎng)變得更均勻，外泄更少。動(dòng)磁石D是兩個(gè)。一個(gè)靠近磁場(chǎng)N極，一個(gè)靠近磁場(chǎng)S極，兩個(gè)動(dòng)磁石極性相反，受力方向相同，磁極軸線與靜磁場(chǎng)垂直。通過靜磁路的縫隙靠連桿與軸O相連。由若干個(gè)這種單個(gè)管狀封閉磁場(chǎng)組合成一個(gè)圓環(huán)或曲線形狀，每相鄰封閉磁場(chǎng)之間留有間隙，按相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)來處理，減小反方向力。
本裝置還可以把磁石電動(dòng)機(jī)所述的電磁線圈的作用拿來使用。在這里把電磁線圈做成由2個(gè)圍成一個(gè)管狀，極性與封閉磁場(chǎng)一樣。把電磁線圈置于相鄰封閉磁場(chǎng)的間隙處，電磁線圈的N極和S極與封閉磁場(chǎng)的N極和S極方向一致。電磁線圈起到把相鄰2個(gè)封閉磁場(chǎng)連接起來或斷開的作用。具有磁石電動(dòng)機(jī)的所有性能。
9.動(dòng)磁石運(yùn)動(dòng)軌道四周錯(cuò)位排列靜磁路裝置圖14是這種結(jié)構(gòu)形式的示意圖。靜磁石J1～J6在一個(gè)圓環(huán)軌道上排列。圖15是圖14的徑向展開圖。靜磁石J1、J2、J3在圓環(huán)空間上依次如圖15所示排列。其磁場(chǎng)方向全部指向圓環(huán)中心線，動(dòng)磁石D在圓環(huán)中心線上運(yùn)動(dòng)。J4、J5、J6與J1、J2、J3排列一樣。依次類推，由若干靜磁石圍成一個(gè)近似螺旋線形式的整體靜磁路。動(dòng)磁石D磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)垂直。圓環(huán)型靜磁場(chǎng)上相同位置的靜磁石之間有較大空間距離。例如J1和J4，位置相同，但有段距離。這樣就有了磁場(chǎng)變化率。相鄰靜磁石連接經(jīng)相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)處理減小反方向力。相鄰靜磁石的靜磁場(chǎng)可有微小的磁場(chǎng)重疊。但仍有一定角度。
這種錯(cuò)位排列形勢(shì)多種多樣，只要相似位置有一定間隔，各相鄰靜磁場(chǎng)方向不同，不產(chǎn)生凹受力曲線。
10.相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)在相鄰靜磁石間隙處一般情況下有斥力和引力。均為磁力的反方向力。在有時(shí)也存在由于磁力線方向的變化產(chǎn)生的反方向磁力。
1)采用靜磁石中間厚，邊緣薄的形式如圖16所示。靜磁石J的形狀，減小斥力和引力。
2)用磁石本身來引導(dǎo)和約束磁力線方向類似圖13中所示方法，在靜磁石邊緣部分采用這種技術(shù)，如圖17所示。在邊緣處將主磁場(chǎng)方向改變。改變方向的結(jié)果減小反方向力。這種引導(dǎo)方向盡量把磁場(chǎng)方向引導(dǎo)到動(dòng)磁石D運(yùn)動(dòng)平面的垂直方向上。
3)將磁極極性不同的磁石片嵌入間隙處目的是將相鄰靜磁場(chǎng)斷開增加磁場(chǎng)變化率。同時(shí)要求這種磁石嵌入片的磁場(chǎng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主靜磁場(chǎng)。
4)用通電線圈解決靜磁石結(jié)構(gòu)復(fù)雜難解決的問題類似圖12中電磁線圈的作用。建立短暫磁場(chǎng)。
5)利用多層靜磁路進(jìn)行互補(bǔ)。可以在軸向和徑向分層排列以上技術(shù)采用一種或多種。
權(quán)利要求
1.磁石的磁力區(qū)、斥力區(qū)、引力區(qū)過去的認(rèn)識(shí)中，兩個(gè)磁石之間只有斥力和引力。本發(fā)明的特定技術(shù)特征是磁石的磁極軸線與另一個(gè)磁石的磁場(chǎng)方向垂直(90°±45°)，產(chǎn)生磁石磁力區(qū)、斥力區(qū)、引力區(qū)；從磁力區(qū)取出磁力作為動(dòng)力源；對(duì)斥力區(qū)的斥力、引力區(qū)的引力采用技術(shù)手段或避開或加以利用或盡量減小。
2.磁石電磁鐵裝置一般電磁鐵通電時(shí)銜鐵運(yùn)動(dòng)到規(guī)定位置，要維持這種狀態(tài)需要一直通電。根據(jù)權(quán)利要求1所述三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)，本裝置技術(shù)特征是由電磁線圖和靜磁石組成兩個(gè)靜磁場(chǎng)，銜鐵被動(dòng)磁石代替，動(dòng)磁石的磁極軸線方向與兩個(gè)靜磁場(chǎng)方向垂直；初始狀態(tài)規(guī)定兩個(gè)靜磁場(chǎng)引力區(qū)相重合，電磁線圈的磁場(chǎng)長(zhǎng)度和強(qiáng)度要大于靜磁石磁場(chǎng)，即電磁線圈的磁力區(qū)要復(fù)蓋住靜磁石的磁力區(qū)和斥力區(qū)的一部分，動(dòng)磁石在線圈不通電狀態(tài)下穩(wěn)定在靜磁石斥力區(qū)，受斥力區(qū)的斥力和彈簧力來穩(wěn)定；啟動(dòng)時(shí)線圈通電，動(dòng)磁石在線圈的磁力作用下運(yùn)動(dòng)到靜磁石的引力區(qū)后斷電，動(dòng)磁石在靜磁石的磁力力和引力作用下穩(wěn)定在此處，維持無電運(yùn)行；關(guān)閉時(shí)對(duì)線圈通反方向電流，動(dòng)磁石受電磁線圈磁場(chǎng)的反方向磁力回到初始狀態(tài)后斷電，并維持在初始狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)在啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)瞬間用電，維持運(yùn)行時(shí)不用電，本裝置用在電磁鐵、繼電器、接觸器等產(chǎn)品上，做到節(jié)能無噪聲運(yùn)行。
3.磁石電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在的無刷直流電動(dòng)機(jī)等轉(zhuǎn)子上有磁石和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，定子上有繞組，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)靠磁石與繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的斥力或引力進(jìn)行的，轉(zhuǎn)子上磁石磁場(chǎng)方向朝向氣隙。根據(jù)權(quán)利要求1所述三個(gè)區(qū)特點(diǎn)，本機(jī)技術(shù)特征是轉(zhuǎn)子上有動(dòng)磁石(一個(gè)或若干個(gè))和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，定子上由繞組(電磁線圈)也有靜磁石，規(guī)定定子上電磁線圈與靜磁石的磁場(chǎng)極性相同，相間均布，電磁線圈的鐵心極靴與靜磁石無間隙連接，轉(zhuǎn)子上的動(dòng)磁石的磁極軸線與定子上的磁場(chǎng)方向垂直(90°±45°)；轉(zhuǎn)子動(dòng)磁石受到第一靜磁石磁場(chǎng)磁力而運(yùn)動(dòng)，接近第一電磁線圈時(shí)，對(duì)第一電磁線圈通電，此時(shí)第一靜磁石、第一電磁線圈、第二靜磁石的磁場(chǎng)連成一體，在第一電磁線圈磁場(chǎng)磁力作用下，進(jìn)入第二靜磁石后斷電，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，接近第二電磁線圈時(shí)，對(duì)第二電磁線圈通電，此時(shí)第二靜磁石、第二電磁線圈、第三靜磁石磁場(chǎng)連成一體，與第一靜磁石磁場(chǎng)隔離，動(dòng)磁石在第二電磁線圈磁場(chǎng)磁力作用下，進(jìn)入第三靜磁石磁場(chǎng)后斷電，依次類推，磁力區(qū)成為一個(gè)不斷重新組合的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；線圈不通電時(shí)，由線圈中的鐵心將相鄰兩個(gè)靜磁場(chǎng)間隔開，在鐵心處有斥力和引力存在，通電時(shí)將相鄰靜磁石磁場(chǎng)連成一體，排除了斥力和引力；電磁線圈的通電時(shí)刻和時(shí)間長(zhǎng)短由轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的信號(hào)加工處理后來控制，這樣形成一個(gè)完整磁石電動(dòng)機(jī)。靜磁石的結(jié)構(gòu)形式有管狀、對(duì)稱狀、單體狀、電磁線圈有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。靜磁石和電磁線圈的磁場(chǎng)方向有軸向或經(jīng)向分布，其兩個(gè)磁極N和S能同時(shí)使用，相應(yīng)的動(dòng)磁石采用2個(gè)而且極性相反，受力方向一致。本機(jī)在軸向，經(jīng)向能做成多層結(jié)構(gòu)形式。改變通電電流的大小、方向，通電時(shí)間具有對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、剎車等功能。采用合適的相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)，降低電磁線圈的功率。無刷直流電動(dòng)機(jī)等所有轉(zhuǎn)子上有磁石的電機(jī)，均可將轉(zhuǎn)子上的磁石的磁極軸線方向與定子的磁場(chǎng)方向垂直，用來提高功率或簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式。保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，使靜磁石磁場(chǎng)有效面積盡量多的大于電磁線圈磁場(chǎng)的有效面積，有利于減少輸入功率增大輸出功率；當(dāng)靜磁石和電磁線圈產(chǎn)生的有效磁場(chǎng)面積相同時(shí)，輸出功率大于輸入功率。本機(jī)可單獨(dú)作為動(dòng)力設(shè)備使用，也可以用于組合成發(fā)電機(jī)組。本機(jī)可以做成直線或曲線電機(jī)。
4.相鄰靜磁石間隙中磁石鐵心交替靜磁路裝置根據(jù)權(quán)利要求3所述，靜磁場(chǎng)由靜磁石和電磁線圈相間均布，動(dòng)磁石磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)垂直；本裝置中只將電磁線圈置換為小磁石和小鐵心，其基本工作方式不變小磁石和小鐵心尺寸相同，同時(shí)與相鄰靜磁石的間隙尺寸相同，當(dāng)動(dòng)磁石接近靜磁石間隙時(shí)，將小磁石推入間隙內(nèi)，小磁石將相鄰靜磁石磁場(chǎng)連成一體，動(dòng)磁石經(jīng)小磁石磁場(chǎng)進(jìn)入下一個(gè)靜磁石磁場(chǎng)后，將小磁石退出間隙，同時(shí)將小鐵心帶入間隙，這樣鐵心又把相鄰靜磁石磁場(chǎng)間隔開，依次類推，磁力區(qū)成為一個(gè)不斷重新組合的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，動(dòng)磁石也就不斷的受磁力推動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，本裝置避開了斥力和引力，小磁石和小鐵心進(jìn)出間隙由一套同步連動(dòng)裝置進(jìn)行，用通過齒輪與轉(zhuǎn)軸連接的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及彈簧來實(shí)現(xiàn)。采用合適的相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)，使小磁石和小鐵心尺寸變小，降低推動(dòng)進(jìn)出間隙的功率。
5.相鄰靜磁石用絕磁材料間隔的靜磁路裝置根據(jù)權(quán)利要求3所述，靜磁場(chǎng)由電磁線圈和靜磁石相間分布，本裝置中只把絕磁材料替換電磁線圈，其他不變，基本方式一樣；這里指的絕磁材料目前只看到超導(dǎo)材料具有抗磁性，阻止大量磁力線通過，就像絕緣材料阻抗電流通過一樣，保持動(dòng)磁石磁極軸線方向與靜磁場(chǎng)垂直，這樣靜磁場(chǎng)變成一個(gè)一個(gè)的脈沖磁場(chǎng)，脈沖磁場(chǎng)之間由于有絕磁材料不讓磁力線通過，動(dòng)磁場(chǎng)與靜磁場(chǎng)之間只有90°±45°以內(nèi)磁力線，避開了90°±45°以外的磁力線，減少了斥力和引力。
6.磁石封閉磁場(chǎng)靜磁路裝置根據(jù)權(quán)利有求1所述三個(gè)區(qū)的特點(diǎn)，本裝置技術(shù)特征是用磁石本身來引導(dǎo)和約束磁力線方向，由若干小磁石片圍成管狀，即管壁完全由若干小磁石組成，逐步改變小磁石內(nèi)部磁場(chǎng)方向，每相鄰小磁石間有微小間隙，在管中形成一個(gè)磁場(chǎng)N極和S極，而外側(cè)磁場(chǎng)泄漏很小，絕大部分磁力線被約束在這個(gè)管中；這種結(jié)構(gòu)是對(duì)外干擾小，同時(shí)外部對(duì)其干擾小；動(dòng)磁石是2個(gè)，一個(gè)靠近N極，一個(gè)靠近S極，兩個(gè)動(dòng)磁石極性相反運(yùn)動(dòng)方向一致，動(dòng)磁石磁極軸線與靜磁場(chǎng)垂直，動(dòng)磁石通過靜磁石磁路的縫隙靠連桿與軸相連，用若干這種管狀封閉磁場(chǎng)組合成一個(gè)圓環(huán)狀，每相鄰管狀封閉磁場(chǎng)之間留有間隙，按合適的相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)來處理，減少反方向力，動(dòng)磁石在這個(gè)圓環(huán)狀磁路中運(yùn)動(dòng)。根據(jù)權(quán)利要求3所述，電磁線圈和靜磁石組成靜磁場(chǎng)；本裝置中靜磁石磁場(chǎng)換成管狀封閉磁場(chǎng)，電磁線圈變成2個(gè)，并且圍成管狀，其極性與靜磁石管狀封閉磁場(chǎng)相同，動(dòng)磁石有2個(gè)，一個(gè)靠近N極，一個(gè)靠近S極；電磁線圈通斷電方式與權(quán)利要求3一樣；這樣就組成一個(gè)由管狀封閉磁場(chǎng)和電磁線圈組成的磁石電動(dòng)機(jī)，其功能與權(quán)利要求3一樣。
7.動(dòng)磁石運(yùn)動(dòng)軌道四周錯(cuò)位排列靜磁石裝置根據(jù)權(quán)利要求1所述三個(gè)區(qū)特點(diǎn)，本裝置技術(shù)特征是設(shè)定動(dòng)磁石運(yùn)動(dòng)為一個(gè)圓，其軌道四周靜磁石則組成一個(gè)圓環(huán)，動(dòng)磁石磁極軸線與靜磁場(chǎng)垂直，動(dòng)磁石在圓環(huán)中心線上運(yùn)動(dòng)；靜磁石分布在圓環(huán)上，若干靜磁石在圓環(huán)上近似一條螺旋線一樣分布，彼此有間隙，其磁場(chǎng)全部指向圓環(huán)中心線，圓環(huán)上相同位置的靜磁石有較大的空間距離，保持了磁場(chǎng)變化率，相鄰2個(gè)靜磁石，其磁場(chǎng)方向也有一個(gè)角度差別，這種錯(cuò)位排列形式有多種，目的是不產(chǎn)生凹受力曲線。
8.動(dòng)磁石在靜磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)條件及相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)動(dòng)磁石在靜磁場(chǎng)中，不斷運(yùn)動(dòng)必須同時(shí)具備三個(gè)條件才能組成磁石磁力裝置①動(dòng)磁石的磁極軸線方向和靜磁場(chǎng)方向垂直②足夠的磁場(chǎng)變化率防止凹受力曲線出現(xiàn)③避免或減少斥力，引力以及反方向磁力采用合適的相鄰靜磁石間隙處理技術(shù)，減少反方向力及輸入功率①靜磁石中間厚邊緣薄的結(jié)構(gòu)形式②利用磁石本身引導(dǎo)和約束磁力線的方法將靜磁石邊緣磁極方向改變到動(dòng)磁石運(yùn)動(dòng)方向以外的方向上③將磁極極性不同的磁石嵌入相鄰靜磁石間隙處④用通電線圈解決靜磁石復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難題，用瞬間通電方法改變靜磁石結(jié)構(gòu)⑤利用徑向或軸向多層靜磁路進(jìn)行互補(bǔ)，用以減小反方向力，提高輸出功率
全文摘要
磁石在電機(jī)電器領(lǐng)域的新應(yīng)用。過去認(rèn)為磁石之間只有斥力和引力。當(dāng)磁石的磁極軸線與另一個(gè)磁石的磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，產(chǎn)生磁石磁力區(qū)、斥力區(qū)、引力區(qū)。從磁力區(qū)取出磁力作動(dòng)力源。本發(fā)明中有一種叫做磁石電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子上有動(dòng)磁石D，定子上有靜磁石J和電磁線圈X，動(dòng)磁石D受磁力F
文檔編號(hào)H02K57/00GK101013870SQ20061016192
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者矯祥田, 矯健 申請(qǐng)人:矯祥田