專利名稱：一種偏磁式電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電動機，尤其是一種基于地球重力和永久磁鐵之間的吸力來提高直流電動機能量轉(zhuǎn)換效率的偏磁式電動機。
背景技術(shù)：
隨著節(jié)能環(huán)保的理念深入人心，人們對各種電器設(shè)備的節(jié)能效果要求越來越高。 作為將電能轉(zhuǎn)換為機械能的機器，電動機的應(yīng)用非常廣泛，包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、生活家庭用電器等領(lǐng)域，因此電動機的能量轉(zhuǎn)換效率與節(jié)約能源、保護資源息息相關(guān)。電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子和機殼等組成。傳統(tǒng)的直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯相對于轉(zhuǎn)子軸心是固定的，其工作過程可以等效為圖I所示的情況。在圖I中，11、12、13、14是套在鐵芯上的線圈，是直流電動機的四個繞組。15、16分別是磁性為N極和S極的永久磁鐵。在靜止?fàn)顟B(tài)下，四個線圈均未通電。線圈11、13在永久磁鐵16、15的作用下，分別呈現(xiàn)出N極與S極。實際上，由于轉(zhuǎn)子是磁性物質(zhì)與永久磁鐵相互吸引，電機處于制動狀態(tài)。圖2是傳統(tǒng)直流電動機的起動過程，圖2中線圈11和線圈13仍然沒有通電，在永久磁鐵的作用下，11、13兩個線圈處于制動狀態(tài)；但是線圈12和線圈14已經(jīng)通電，在電流的作用下，建立了與永久磁鐵磁場相垂直的轉(zhuǎn)子磁場。在磁場的作用下，電動機開始順時針旋轉(zhuǎn)。由于線圈11和線圈13未通電,相當(dāng)于兩個鐵塊被吸在永久磁鐵上,只有12、14兩個線圈所產(chǎn)生的電動力克服永久磁鐵對線圈11和線圈13的吸引力，電動機才能轉(zhuǎn)起來。也就是說，電動機是在制動的情況下開始旋轉(zhuǎn)的。這就造成了電能的浪費，這也是直流電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能效率不高的主要原因。一般來說，轉(zhuǎn)換效率都是在70%—85%之間。傳統(tǒng)直流電機的運行過程中，4個線圈都在通電，可以把它們等效為圖3所示的狀態(tài)。在圖3中，轉(zhuǎn)子處于45°度位置。11、12、13和14四個線圈均通電。線圈11、12呈現(xiàn)出S極,線圈13和14呈現(xiàn)出N極。合成磁場仍然與永久磁鐵的磁場相垂直。但是這一時期的四個線圈都不在90°度上，電能轉(zhuǎn)換成機械能要打折扣(折算系數(shù)為cos45° =0.7)。綜上所述，傳統(tǒng)的直流電機，由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不能跟隨電機的狀態(tài)而變化，電動機旋轉(zhuǎn)的過程中，始終存在制動狀態(tài)，從而造成了電能的浪費，使得電動機把電能轉(zhuǎn)換為機械能的效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于地球重力和永久磁鐵之間的吸力提高電動機能量轉(zhuǎn)換效率，以節(jié)約電能的偏磁式電動機。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種偏磁式電動機，包括固定在底座上的機殼，所述機殼內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子和定子，所述定子為由鐵芯和繞組構(gòu)成的電磁鐵，所述電磁鐵固定設(shè)置在機殼一側(cè)，并與水平方向呈45 °夾角上下分布；所述轉(zhuǎn)子包括可旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上延伸有轉(zhuǎn)子輪輻，所述轉(zhuǎn)子輪輻上設(shè)置有可沿轉(zhuǎn)子輪輻徑向方向移動的永久磁鐵，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上呈相對方向設(shè)置有一對轉(zhuǎn)子角度信號檢測器，還包括一用于控制定子電磁鐵上繞組電流方向的控制電路。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述控制電路包括光電耦合器，所述光電耦合器的輸出端通過三極管放大電路與定子電磁鐵上的繞組連接，所述光電耦合器的輸入端通過三極管連接有一個碳刷，所述碳刷通過與轉(zhuǎn)子角度信號檢測器接通或者斷開來切換定子電磁鐵上的繞組通電的電流方向。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述轉(zhuǎn)子角度信號檢測器為金屬片。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子輪輻垂直對稱分布，轉(zhuǎn)子輪輻上呈一條直線的兩個永久磁鐵極性相斥。進一步，所述定子電磁鐵之間的繞組串聯(lián)連接；所述轉(zhuǎn)子輪輻采用非磁性材料制成。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明偏磁式電動機突破了傳統(tǒng)的直流電動機永久磁鐵作為定子，通過控制轉(zhuǎn)子繞組以實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，而是采用永久磁鐵作為轉(zhuǎn)子、電磁鐵作為定子，并改變了定子對稱分布的結(jié)構(gòu)，僅將其設(shè)置在機殼的一側(cè)上，從而構(gòu)成了本發(fā)明偏磁式電動機的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明偏磁式電動機不僅克服了啟動時電動機的制動狀態(tài)，還根據(jù)電動機的狀態(tài)不斷地改變電動機中永久磁鐵的位置，利用右邊永久磁鐵的重力做功提升了電動機的能量轉(zhuǎn)換效率，達到了節(jié)約電能的目的，本發(fā)明偏磁式電動機可以替代現(xiàn)有的直流電動機或者感應(yīng)式異步電動機，應(yīng)用前景廣泛。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明
圖I是傳統(tǒng)直流電動機的結(jié)構(gòu)示意圖2是傳統(tǒng)直流電動機的啟動過程示意圖3是傳統(tǒng)直流電動機的運行過程示意圖4是本發(fā)明偏磁式電機的結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明實施例的控制電路的電路原理圖6是本發(fā)明偏磁式電動機的起動狀態(tài)示意圖7是本發(fā)明偏磁式電動機的運行過程示意圖8是本發(fā)明偏磁式電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90°度時的工作狀態(tài)示意圖9是本發(fā)明偏磁式電動機永久磁鐵的滑動過程示意圖10是本發(fā)明偏磁式電動機理論分析示意圖11是本發(fā)明偏磁式電動機轉(zhuǎn)矩示意圖12是本發(fā)明偏磁式電動機定子磁場的變換不意圖。
具體實施例方式參照圖4，本發(fā)明偏磁式電動機,包括固定在底座9上的機殼8,所述機殼8內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子和定子，所述定子為由鐵芯和繞組構(gòu)成的電磁鐵5、6，所述電磁鐵5、6固定設(shè)置在機殼 8—側(cè)，并與水平方向呈45°夾角上下分布；所述轉(zhuǎn)子包括可旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上延伸有轉(zhuǎn)子輪輻7，所述轉(zhuǎn)子輪輻7上設(shè)置有可沿轉(zhuǎn)子輪輻徑向方向移動的永久磁鐵1、2、
3、4，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上呈相對方向設(shè)置有一對轉(zhuǎn)子角度信號檢測器10，還包括一用于控制定子電磁鐵上繞組電流方向的控制電路。作為優(yōu)選的實施方式，本發(fā)明實施例中的控制電路的原理圖如圖5所示，該控制電路包括兩個光電耦合器Gll、G12，光電耦合器GlI的輸入端與三極管Tll的發(fā)射極連接， 三極管Tll的基極一路通過三極管T2與三極管Tl的集電極連接、另一路通過電阻Rll與直流電源端連接，光電耦合器G12的輸入端與三極管T21的發(fā)射極連接，三極管T21的集電極通過電阻R22連接有直流電源，三極管T21的基極與三極管Tl的集電極連接。圖中P為碳刷，與三極管Tl的基極，三極管Tl的基極還通過電阻Rl連接有直流電源，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子角度信號檢測器(以下簡稱為整流片)通過轉(zhuǎn)軸接地。分析該控制電路的工作過程可知
當(dāng)碳刷與整流片接通時，P點接通，三極管Tl的基極接地，三極管Tl截止，三極管T21 導(dǎo)通，光電耦合器G12導(dǎo)通，三極管T22、T23、T31和T32導(dǎo)通，定子中的兩個繞組線圈是串聯(lián)的，電流從右向左流動。另一方面，當(dāng)P點接通時，三極管Tl截止，三極管T2導(dǎo)通，三極管Tll截止，光電耦合器Gll不通，三極管T12、T13、T41和T42截止；
當(dāng)P點斷開時，三極管Tl導(dǎo)通，三極管T21截止，光電耦合器G12截止，三極管T22、T23、 T31和T32截止。另一方面，當(dāng)P點斷開時，三極管Tl導(dǎo)通，T2截止，三極管Tll導(dǎo)通，光電耦合器Gll導(dǎo)通，三極管T12、T13、T41和T42導(dǎo)通，電流從左向右流動。作為本發(fā)明優(yōu)選的實施方式，所述整流片為金屬片，定子上電磁鐵繞組的電流方向由轉(zhuǎn)子的角度決定。通過控制電路的碳刷與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上整流片的接通或者斷開，定子電磁鐵的極性在一個周期中變化四次。定子電磁鐵5、6之間的繞組線圈是串聯(lián)連接的，當(dāng)碳刷與整流片接通時，碳刷為低電平，定子線圈的電流從右向左流動；當(dāng)碳刷與整流片斷開時，電刷為高電平，定子線圈的電流從左向右流動。因此，碳刷的高低電平狀態(tài)對應(yīng)著定子電磁鐵的N極和S極的切換。偏磁電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的整流片，只是一個檢測元件，電流很小，不會產(chǎn)生火花， 對其它電器基本上無電磁干擾。而傳統(tǒng)的電機整流片既是檢測元件，也是執(zhí)行元件，所以在整流子中的電流很大。這也是偏磁電動機的一個重要的優(yōu)點。進一步，所述轉(zhuǎn)子輪輻采用非磁性材料制成，例如不銹鋼、銅、鋁或塑料等，不能用鐵磁物質(zhì)。參照圖4，在靜止?fàn)顟B(tài)下，定子上繞組線圈未通電。電磁鐵5和電磁鐵6在永久磁鐵I和永久磁鐵4的作用下，呈現(xiàn)出N極和S極。永久磁鐵2和永久磁鐵3在地球引力的作用下，永久磁鐵2靠近轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，永久磁鐵3靠近轉(zhuǎn)子的外側(cè)，電機處于制動狀態(tài)。 圖6是電磁鐵5和電磁鐵6帶電時的情況，電磁鐵5呈現(xiàn)S極，電磁鐵6呈現(xiàn)N極， 這時電磁鐵5和電磁鐵6分別與永久磁鐵4和永久磁鐵I互相相斥,永久磁鐵3不僅受到電磁鐵5的吸引，而且還受到地球引力的作用，電動機開始按順時針方向旋轉(zhuǎn)。這時電力與重力同時做功。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)45°度后，工作狀態(tài)如圖7所示。由圖7可以看出，電磁鐵6與永久磁鐵I相斥，與永久磁鐵4相吸；同時,線圈5與永久磁鐵4相斥,與永久磁鐵3相吸,使轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)，在這一段時間內(nèi)電力作了功。圖8是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90 °度后的工作狀態(tài)，這是控制電路控制定子線圈中的電流方向發(fā)生變化，電磁鐵5呈現(xiàn)N極，電磁鐵6呈現(xiàn)S極，與原來的極性相反。這時電磁鐵5和電磁鐵6分別與到永久磁鐵3和永久磁鐵4相互排斥,此時永久磁鐵2不僅受到電磁鐵5的吸引，而且還受到重力的作用，電動機仍然按順時針方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)過180°、270°度的情況與上述90°度相同，這也說明，一個四極的電機是以90°度為工作周期的。參照圖9，轉(zhuǎn)子上的有四個永久磁鐵，I和3兩個永久磁鐵在一條直線上，內(nèi)側(cè)為S 極，外側(cè)為N極，由于內(nèi)側(cè)兩個磁極均為S極，所以它們是相互排斥的。2和4兩個磁鐵也在一條直線上，內(nèi)側(cè)同為N極,它們也是相互排斥的。永久磁鐵4在電磁鐵6的吸引下,使轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)永久磁鐵4高于水平面時，由于地球的引力，永久磁鐵4向轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)移動；永久磁鐵2向轉(zhuǎn)子的外側(cè)移動,移動到外側(cè)的永久磁鐵在地球的引力下,使永久磁鐵2向下運動,進一步推動轉(zhuǎn)子按順時針方向運動。與此同時，永久磁鐵3的外側(cè)為N極，定子線圈5所產(chǎn)生的極性為S極，和永久磁鐵3相吸，也使轉(zhuǎn)子按順時針方向運轉(zhuǎn)。由此可見，在這種情況下，電磁鐵5、6通過電能使轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)，右邊的永久磁鐵2在重力的作用下，也使轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。也許有人會認為，永久磁鐵2在重力的作用下，使轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)，這是重力在做功。但是永久磁鐵4在轉(zhuǎn)子的左邊，應(yīng)該和永久磁鐵2產(chǎn)生的扭矩相抵消。其實不然，由于電磁鐵的非對稱結(jié)構(gòu)，電磁鐵呈現(xiàn)為N極，吸引永久磁鐵4，永久磁鐵4已經(jīng)克服了地球的引力；而永久磁鐵2在重力的作用下，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這就是為什么僅在殼體的左邊放置電磁鐵，而不在右邊放電磁鐵的原因。如果左邊和右邊都放電磁鐵，就沒有這個效果了。這也是偏磁式電動機可以利用地球弓I力的根本所在?，F(xiàn)在從理論上分析一下，這一運動過程中能量轉(zhuǎn)換過程
由圖10可以看出，永久磁鐵4與電磁鐵6產(chǎn)生的磁場相吸,與電磁鐵5相斥,轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)，兩個永久磁鐵2、4在旋轉(zhuǎn)時會與水平方向形成一個夾角，永久磁鐵4升高一段距離d，在這一段時間內(nèi)電力作了功。做功的大小為
= mgd 式⑴
Wd—電力做的功。m—永久磁鐵的質(zhì)量。g—重力加速度。d—永久磁鐵升高的距離。隨著夾角不斷增大，永久磁鐵4會克服摩擦力向轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)移動，永久磁鐵2向轉(zhuǎn)子的外側(cè)移動，重力開始做功，最終到達轉(zhuǎn)子的底部。如圖12所示。這一過程是重力做功。做功的大小為
= mgh式⑵
Wg—永久磁鐵在重力作用下做的功。h—下落磁鐵移動的距離。m—永久磁鐵的質(zhì)量。g—重力加速度。
權(quán)利要求
1.一種偏磁式電動機,包括固定在底座(9)上的機殼(8),所述機殼(8)內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子和定子，其特征在于所述定子為由鐵芯和繞組構(gòu)成的電磁鐵(5、6)，所述電磁鐵(5、6)固定設(shè)置在機殼(8) —側(cè)，并與水平方向呈45°夾角上下分布；所述轉(zhuǎn)子包括可旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上沿軸向的垂直平面延伸有轉(zhuǎn)子輪輻(7 )，所述轉(zhuǎn)子輪輻(7 )上設(shè)置有可沿轉(zhuǎn)子輪輻(7)徑向方向移動的永久磁鐵(1、2、3、4)，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上呈相對方向設(shè)置有一對轉(zhuǎn)子角度信號檢測器(10)，還包括一用于控制定子電磁鐵(5、6)上繞組電流方向的控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種偏磁式電動機，其特征在于所述控制電路包括光電耦合器，所述光電耦合器的輸出端通過三極管放大電路與定子電磁鐵(5、6)上的繞組連接，所述光電耦合器的輸入端通過三極管連接有一個碳刷，所述碳刷通過與轉(zhuǎn)子角度信號檢測器(10)接通或者斷開來切換定子電磁鐵上的繞組通電的電流方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的一種偏磁式電動機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子角度信號檢測器(10)為金屬片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的一種偏磁式電動機，其特征在于所述定子電磁鐵(5、 6)之間的繞組串聯(lián)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的一種偏磁式電動機，其特征在于所述轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)子輪輻(7)垂直對稱分布，轉(zhuǎn)子輪輻(7)上呈一條直線的兩個永久磁鐵(I、3 ;2、4)極性相斥。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或者2所述的一種偏磁式電動機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子輪輻(7)采用非磁性材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏磁式電動機，包括固定在底座上的機殼，所述機殼內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子和定子，所述定子為電磁鐵，所述電磁鐵固定設(shè)置在機殼一側(cè)，并與水平方向呈45°夾角上下分布；所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上延伸有轉(zhuǎn)子輪輻，所述轉(zhuǎn)子輪輻上設(shè)置有可沿轉(zhuǎn)子輪輻徑向方向移動的永久磁鐵，所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸上呈相對方向設(shè)置有一對轉(zhuǎn)子角度信號檢測器，還包括一用于控制定子電磁鐵上繞組電流方向的控制電路。本發(fā)明偏磁式電動機不僅克服了啟動時電動機的制動狀態(tài)，還根據(jù)電動機的狀態(tài)不斷地改變電動機中永久磁鐵的位置，利用右邊永久磁鐵的重力做功提升了電動機的能量轉(zhuǎn)換效率，可以替代現(xiàn)有的直流電動機或者感應(yīng)式異步電動機，應(yīng)用前景廣泛。
文檔編號H02K1/27GK102545522SQ201110392869
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者于斌, 何曉東, 劉志剛, 廖勇毅, 李偉群, 高延增, 高強 申請人:于斌