利用永磁铁的能量转换装置 本发明涉及一种利用永磁铁能够产生线性磁场或旋转磁场并输出线性驱动力或旋转驱动力的能量转换装置，在国际专利分类表中的技术分类为H02K1/00，3/00，21/00。
在传统的交流电动机或交流感应电动机中，一个安装在定子磁极的励磁线圈，被施加具有所需相位差的交流电压以产生励磁电流和旋转磁场，以使转子以同步方式旋转。
同样地，就直线电动机来说，许多安装成直线形式的励磁线圈，被施加具有规定相位差的交流电压以产生励磁电流和形成一直线磁场，以给一个磁性可移动件提供驱动力。
换言之，用在传统的旋转电动机、直线电动机等中，产生旋转磁场或线性磁场的驱动磁场发生装置，具有这样一种结构：通过给多个励磁线圈提供具有交错相位的励磁电流，在需要的方向上产生一个驱动磁场。
因此，由于旋转电动机、直线电动机和其它使用传统驱动磁场发生装置的能量转换装置，通过驱动磁场的相位差设定旋转速度或位移速度，他们依赖于交流电流的频率并且除线圈感应电动机和一些其它电动机外，将旋转速度设定在任何希望值是困难的，因此，使用变压器控制旋转速度通常是必要的。那样会引起由于变压器产生的高频干扰附近控制设备的问题。
此外，由于在传统能量转换装置中，旋转力或线性驱动力形式的动能与加在其上的电流成正比，那就需要一个与所需转矩相应的电源容量，这也造成能量效率差，因此需要改进。
本发明考虑到以上问题而形成。其目的是提供一种利用永磁铁的能量转换装置，该装置能改善能量效率并且不影响其它控制设备。
本发明涉及地利用永磁铁的能量转换装置的本质是以下列形式把电能转换为动能：在一磁轭上缠绕励磁线圈形成一个电磁铁，通过在两极用一平行安装的永磁铁连接该电磁铁形成一个吸引磁场发生装置。磁性吸引块平行于吸引磁场发生装置的两极被固定。励磁线圈被施加正向或负向电压，在与平行的用磁铁相同或不同方向上产生一个极，它使被吸引块被吸引或释放，从而把电能转换为动能。
此外，一个直线电动机是这样构成的：以直线方式安装多个上述的吸引磁场发生装置，支承一个在与吸引磁场发生装置安装方向相对的、以自由替换方式安装有多个上述吸引块的可动件，在每一个吸引磁场发生装置的励磁线圈施加交错相控制电流从而使可动体在预期的方向线性移动。
在另一方面，一个旋转电动机是这样构成的：以圆周方式安装多个上述吸引磁场发生装置，轴向支承一个可自由旋转的、与吸引磁场发生装置的轴心相对的、在圆周安装多个上述吸引块的旋转件，在吸引磁场发生装置的励磁线圈施加交错相位控制电流从而使可动件在预期的方向旋转。
本发明涉及的另一个利用永磁铁的能量转换装置的本质如下：通过围绕两个支柱形起磁体作用的磁轭的每一个缠绕一个励磁线圈构成一对电磁铁，该两个电磁铁彼此相对。永磁铁的两极与两个电磁铁的两个磁轭端之间接触形成一个封闭磁力回路的吸引磁场发生装置，磁吸引块被平行地支承在对应上述吸引磁场发生装置的两个永磁铁两极的位置。通过给上述励磁线圈施加正向或负向电压，在平行安装的永磁铁的相同方向或不同方向产生磁极，使吸引块被吸引或释放，实现电能转换为动能。
特别地，多个这种吸引磁场发生装置被沿圆周安装，一个包括多个这种多组安装在圆周内部和外部吸引块的旋转件，被以对立和自由旋转方式支承在与吸引磁场发生装置同轴心的位置。一个旋转电动机是这样构成：在所有吸引磁场发生装置的励磁线圈施加交错相的控制电流从而使上述可移动件在预期的方向转动。
此外，一个直线电动机是这样构成：以直线方式安装多个上述的吸引磁场发生装置；在吸引磁场发生装置安装方向的对面，为了相对自由位移，支承多个上述的多对吸引块；在所有吸引磁场发生装置的励磁线圈施加相位交错的控制电流，使上述可动体在预期方向 进行线性位移。
根据以上结构，通过吸引磁性吸引块到装备有磁极与永磁铁平行接触而形成电磁铁的吸引磁场产生装置或从该装置将该磁性吸引块释放，产生直线力或旋转力。由于该原因，当电磁铁被施加电流以使其具有与永磁铁相同方向极性时，吸引块被一磁性力吸引，该磁性力是电磁铁磁性力和永磁铁磁性力的合力，使获得相当大的输出成为可能。
换句话说，通过利用永磁铁，可以获得高输出，能量效率可以被改善。
此外，本发明特征在于，由于涉及利用永磁铁的能量转换装置组成大输出功率的电动机是可能的，以串联或多排并联方式安装吸引磁场产生装置是简单的。
此外，本发明涉及的利用永磁铁的能量转换装置的其它特征包括：(1)尽管利用永磁铁可以获得大输出量，因为产生的热量非常少，并且几乎没有热量损失，所以能量效率得到改善；(2)对其它控制设备没有不利的影响。
本发明的上述没提到的其它特征和优点，在以下参考附图的解释中将被变得清楚。
图1是本发明一个利用永磁铁的能量转换装置的第一实施例的直线电动机的正视图
图2是沿图1中线II-II的截面图。
图3是沿图2中线III-III的截面图。
图4(a)、(b)、(c)是说明同一直线电动机操作原理的说明性草图。
图5是加在相同吸引磁场装置上的电流的时序图。
图6是说明本发明的利用永磁铁的能量转换装置的第二个实施例的一个旋转电动机原理的示意图。
图7是移开边盖板的、含有12个安装在电动机周围的吸引磁场装置的实施例的平面图。
图8是沿图7中线IIX-IIX的截面图。
图9是说明本发明的利用永磁铁的能量转换装置原理的正视图。
图10是同一装置的侧视图。
图11本发明的利用永磁铁的能量转换装置的第一实施例的旋转电动机的部分剖面正视图。
图12是同一装置的纵向截面图。
图13是相同吸引磁场发生装置的原理示意图。
图14是施加在相同吸引磁场发生装置上的电流的时序图。
图15是本发明的利用永磁铁的能量转换装置第二实施例的一个旋转电动机的斜视图。
图16是本发明的利用永磁铁的能量转换装置第三实施例的一个旋转电动机的斜视图。
图17是本发明的利用永磁铁的能量转换装置第四实施例的一个直线电动机的斜视图。
图18是同一图的正视图。
图1到图5显示出包括利用直线磁场产生装置的直线电动机实施例。
从1(11、12、13、……)开始代表利用永磁铁的吸引磁场发生装置。直线电动机通过以直线形式等间隔L在非磁性架2上固定多个吸引磁场装置11、12、13、……而形成。在架2上面，支承移动件3的支承轨4横放在吸引磁场发生装置11、12、13、……的延伸方向上。它的结构是这样：磁性吸引块7(71、72、73、……)被以2/3L(吸引磁场装置的上述间隔L的三分之二)间隔安放在被支承轨4支承的非磁性支承架6上，以便在支撑轨4的方向在滑动状态自由移动并移动接近吸引磁场装置1。
如图2所示，上述吸引磁场装置1的结构是这样形成的，通过围绕着上边中间有一孔的方形的由叠放软磁性透磁合金片制成的磁轭8的柱状部分8a、8a缠绕励磁线圈81、81，再在孔的末端8b、8c之间紧紧地插入永磁铁9。82是固定上述永磁铁9的一个磁铁固定柱，它由铜或其它非磁性材料构成。一个或多个(在实施例4中永磁铁9以直线形式被使用)永磁铁9被以插入的方式安装在磁轭8孔的末端8b、8c，形成单一体而且形成一个封闭的磁力回路。
如图5所示，上述磁轭8由通过加直流电压控制励磁线圈81形成与永磁铁9相同方向或相反方向的一个磁场构成。
此外，上述吸引块7以靠近和平行于上述磁轭8的孔的末端8b、8c的方式被横向安装，并且被吸引磁场装置1的磁力吸引，伴随着沿着支承轨4的滑动位移。
当励磁线圈81被以这样的方式即一个极与出现在磁轭8孔末端8b、8c的永磁铁方向相同施加电流时，一个包括全体连同永磁铁9磁极的磁场出现在上述孔的末端8b、8c(“开”状态)，上述吸引磁场装置1强有力地吸引吸引块7。
此外，当励磁线圈81被以这样一种方式即一个极与出现在磁轭8孔末端8b、8c的永磁铁方向相反施加电流时，一个包括与永磁铁9的磁极不同的磁场产生在上述孔的末端8b、8c。通过控制所加的电流，这两个磁场互相抵消，在吸引块7上的吸引力被取消(“关”状态)。
上述直线电动机产生一个如图4和图5所示的线性磁场。
如图5所示，装配多个吸引磁场装置11、12、13等的励磁线圈81，以平行排列的次序以循环方式施加第一励磁电流I1，第二励磁电流I2，第三励磁电流I3等。当一个反向(负的)电流被控制到一个强度使出现在磁轭8的孔的末端8b、8c的反方向磁极的磁场和永磁铁9的磁极抵消，移动体3出现如图4(a)、(b)、(c)所示的线性位移。
例如，在图4(a)中，施加如图5所示的第一励磁电流I1，吸引磁场装置13和16处于“开”的状态，而其它吸引磁场装置处于“关”的状态，吸引在图中用阴影线表示的被吸引块73和77，从而引起移动体3在用箭头表示的F方向被移动。
如图4(b)所示，如果在上述时间T/3之后施加第二励磁电流I2，吸引磁场装置14和17处于“开”的状态，而其它吸引磁场装置处于“关”的状态，引起在图中用阴影线表示的被吸引块74的吸引，如所希望的那样，移动体3的在用箭头表示的F方向位移。
如图4(c)所示，如果在上述时间T/3之后施加第三励磁电流I3，吸引磁场装置12和15处于“开”的状态，而其它吸引磁场装置处于“关”的状态，引起在图中用阴影线表示的被吸引块71和75被吸引，如所希望的那样，移动体3在用箭头表示的F方向被移动。
结果，移动体3成为一个在用箭头表示的F方向进行连续移动被推动体。[实施例2]
图6至图8显示本发明的一个利用旋转磁场产生装置的旋转电动机实施例。
如图6所示，示意图显示同上述实施例编号相同的实施例原理，这个旋转电动机通过在等距离和等角度围绕一个旋转轴5安装多个吸引磁场发生装置1并在旋转轴用转子10代替移动体3而构成。
换句话说，吸引磁场装置1通过一个在旋转轴侧面中间有一孔的方形软磁材料组成磁轭8，一个封闭磁力回路通过分别围绕柱状部分8a、8a缠绕励磁线圈81、81，在孔的末端8b、8c之间紧紧地插入永磁铁9而形成。
此外，上述转子10的结构是在轴向连接至旋转轴5的圆周上的非磁性支承片10a上紧固许多吸引块7的固定装置，以靠近和平行于磁轭8的孔的末端8b、8c的方式平行于旋转轴5安装上述吸引块7。
当励磁线圈81被施加这样一种电流以致使与永磁铁9的磁极同方向的磁极出现在磁轭8的孔的末端8b、8c，一个代表所有连同永磁铁9磁极的磁场出现在上述孔的末端8b、8c(“开”状态)，上述吸引磁场装置1强烈地吸引被吸引块7。
另外，如果励磁线圈81被施加这样一种电流以致使与永磁铁9的磁极方向相反的磁极出现在磁轭8孔的末端8b、8c，一个代表与永磁铁9磁极的差值的磁场出现在上述孔的末端8b、8c，通过控制施加的电流，这两个磁场抵消，而在被吸引块7上的吸引力被取消(“关”状态)。
磁力根据吸引磁场装置1的“开”和“关”状态出现和取消，其结果是：被吸引块7被吸引而且进行旋转移动于是从旋转轴5得到旋转输出。
图7和图8显示一个具有这样结构的实施例： 12个吸引磁场发生装置1安装在圆周方向，9个被吸引块7安装在转子10的圆周上。形成上述旋转电动机的吸引磁场发生装置1给分为3组(每组4个)的12个励磁线圈81施加电流，每一个有1/4周期相滞后，因此磁轭8受激励到“开”状态，被吸引块7在旋转的方向被依次地吸引而进行旋转移动，于是从旋转轴5得到旋转输出。[实施例3]
图9和图10解释依照本发明的利用永磁铁的能量转换装置的实施的其它形式的原理。
编号101表示吸引磁场发生装置。一对支柱型的磁轭111、111包括叠放在一起的软磁片材料如透磁合金被互相对立放置，分别围绕柱型部分112、112缠绕励磁线圈113、113，而永磁铁110、110被分别紧紧地插在互相对立的末端114、114，与磁场相同的方向形成封闭的磁力回路。
那么上述励磁线圈113、113被缠绕在与封闭磁力回路相同的方向上，施加在励磁线圈113、113的电流是这样连结的；在以与永磁铁110、110磁场的相反方向形成磁场。
编号108表示一个用磁性软铁或其它类似材料制成的被吸引块。它的结构是这样：与吸引磁场发生装置1的两块永磁铁110中的一块邻近并且在用箭头A表示的方向进行相对位移。
此外，编号109也表示一个用磁性软铁或其它类似材料制成的吸引块。它与上述吸引块108机械组合为一体以便具有这样的结构：与上述吸引磁场发生装置101的其它块永磁铁110邻近，并且在用箭头A表示的方向进行相对位移。
在上述吸引磁场发生装置1中，当两个励磁线圈113、113被以这样的方式施加电流即与永磁铁110、110相同的磁极出现在磁轭111、111对立端114、114时，一个代表所有连同在永磁铁110、110磁极的磁力线密度的磁场出现在相对于被吸引块108和109的端部114、114(“开”状态)，于是两个被吸引块108、109被强烈地吸引。
此外，如果施加在磁轭111、111的励磁线圈113、113上的电流被断开，包括两个永磁铁110、110的磁力回路被关闭，出现在磁轭111、111的两端114、114之间的磁场被取消，于是在被吸引块108、109上的吸引力消失(“关”状态)。
在吸引磁场发生装置1的两边，两个相互对立的被吸引块108、109，根据取决于吸引磁场发生装置1的“开”或“关”状态的磁力是否出现或消失而被吸引或释放，于是通过控制这种影响的时序，就可以构成一个有旋转力或推动力输出的能量转换装置。[实施例4]
图11至图13显示一个作为本发明能量转换装置的一个实施例的利用旋转磁场产生装置的旋转电动机。
在该旋转电动机中，在旋转轴104圆周上，多个(图中有12个)吸引磁场发生装置101(101a、101b、101c、等)等间隔等角度同轴安装并且固定在用铝或其它非磁性材料制成的笼(basket)102的端盖103上，形成定子105。
此外，借助于在对立的端盖103、103之间转动球轴承106、106和一端在端盖103外面作为输出轴104a的突出部，上述旋转轴104被自由转动地轴向联接。编号103a表示轴承盖。
每一个上述吸引磁场发生装置101(101a、101b、101c、等)有支柱形的、由透磁合金或其它软磁材料片叠放在一起构成的对立的磁轭11 1、111，通过分别围绕柱状部分112、112缠绕励磁线圈113、113，同时在对立的两端114、114之间分别紧紧地插入永磁铁110、110，形成一个磁场相同方向的封闭的磁力回路，在这种情况下，励磁线圈113、113被缠绕在与封闭磁力回路相同方向上，施加在励磁线圈113、113的电流是这样连结的：使形成的磁场与永磁铁110、110磁场的方向相反。
编号107表示一个被插放并且固定在上述旋转轴104的外面、由铝或其它非磁性材料构成的套环。多个(在图中有9个)由软铁或其它非磁性材料制成的被吸引块108(108a、108b、108c、等)被在圆周方向上以等角度和间隔安装和固定到套环107的柱状支架107a的外表面，在旋转轴104旋转过程中，靠近上述定子105的吸引磁场发生装置101的内周，构成一个的内圆周转子115。
编号116表示一个由铝或其它非磁性材料构成的插放并固定在上述旋转轴4的外面的旋转盘。通过在圆周方向以等角度和间隔在上述旋转盘116的外圆周边缘116a安装和固定多个(在图中有9个)由软铁或其它非磁性材料制成的被吸引块109(109a、109b、109c、等)，构成一个在旋转轴104旋转过程中靠近于上述定子5的吸引磁场发生装置101的外圆周进行旋转移动的外圆周转子117。
在上述旋转电动机的吸引磁场发生装置101中，当两个励磁线圈113、113被以这样的方式施加电流即使与永磁铁110、110相同的磁极出现在磁轭111、111对立端114、114时，代表所有连同在永磁铁110、110磁极的磁力线密度的磁场，出现在上述对立于内圆周转子115的被吸引块108或外圆周转子117的被吸引块109的端面(“开”状态)，于是在“开”状态与吸引磁场发生装置1对应的内圆周转子115和外圆周转子117的被吸引块108、109被强烈地吸引。
此外，如果施加在磁轭111、111的励磁线圈113、113上的电流被断开，包括两个永磁铁110、110的磁力回路被关闭，出现在两个磁轭111、111的末端114、114之间的磁场消失，于是在被吸引块108、109上的吸引力被取消(“关”状态)。
根据取决于上述吸引磁场发生装置101的“开”或“关”状态而使磁力出现或消失，使内圆周转子115的被吸引块108和外圆周转子117的被吸引块109被有选择地吸引，进行旋转移动，转动旋转轴104而获得旋转式的输出。
具有上述说明结构的旋转电动机显示这样结构的实施例：12个吸引磁场发生装置101被安装和固定在定子105圆周方向，而9个被吸引块108、109被安装在内圆周转子115和外圆周转子117的圆周方向。吸引磁场发生装置101在分为4组(每组有3对或6个线圈)的12对励磁线圈113、113上施加电流，每对有1/4周期相滞后，来激励磁轭111、111(见图14)，在旋转方向有选择地依次吸引被吸引块108、109，使它们进行旋转移动，因此从旋转轴104得到旋转式的输出。[实施例5]
图15显示一个在多个(在图中有4个)旋转磁场发生装置118的旋转轴104轴线方向的平行图，旋转磁场发生装置118由具有解释在本发明实施例上述形式中的旋转电动机内圆周转子115和外圆周转子117与定子105结合构成的。
在图15中，定子105的吸引磁场发生装置101、所有旋转磁场发生装置118、118等的内圆周转子115的被吸引块108和外圆周转子117的被吸引块109等，被安装在相同的角度和位置，但在轴线方向交错旋转磁场发生装置118等的安装位置而形成邻近装置具有不同相位的结构也是可以的。[实施例6]
图16显示一个在多个(图中有3个)旋转磁场发生装置118的旋转轴104径向方向的叠式示意图，旋转磁场发生装置118由具有解释在本发明实施例上述形式中的旋转电动机内圆周转子115和外圆周转子117与定子105结合而构成。在这种结构中，在内部旋转力产生装置118的外圆周转子117和外部旋转力产生装置118的内圆周转子115之间，存在部分共享结构(支承结构)。
在图16中，定子105的吸引磁场发生装置101、所有旋转磁场发生装置118、118等的内圆周转子115的被吸引块108和外圆周转子117的被吸引块109等，被安装在相同的角度和位置，但在轴线方向交错旋转磁场发生装置118等的安装位置而形成邻近装置具有不同相位的结构也是可以的。[实施例7]
图17和图18显示本发明作为在直线电动机应用的线性磁场发生装置的原理的实施例。
吸引磁场发生装置101(101a、101b、101c、等)的结构与本发明实施例的上述形式相同。具有支柱形的由透磁合金或其它软磁材料片叠放一起构成的对立磁轭111、111；并且通过分别围绕柱状部分112、112缠绕励磁线圈113、113，同时在对立的两端114、114之间分别紧紧地插入永磁铁110、110，形成一个伴随相同方向磁场的封闭的磁力回路，在这种情况下，励磁线圈113、113被缠绕在与封闭磁力回路相同方向上，施加在励磁线圈113、113的电流是这样连结的：使形成磁场的方向与永磁铁110、110磁场的方向相反。
上述吸引磁场发生装置101(101a、101b、101c、等)被以悬挂方式等间隔(L)固定在由铝或其它非磁性材料构成的框架120、120之间。该框架120、120被悬挂和支承在一对较高而另一对较低的两对支承横梁121、121上，在横梁的方向在推力或其它轴承122、122等上以滑动方式自由移动，因此，构成移动部件123。
此外，上述支承横梁121、121等由铝或其它非磁性材料制造而成。在较高的那对支承横梁和较低的那对支承横梁之间，以间隔等于吸引磁场发生装置101安装间隔L的2/3距离分别悬挂由软铁或其它磁性材料制成的被吸引块108(108a、108b、108c、等)、109(109a、109b、109c、等)，并且靠近吸引磁场发生装置1的永磁铁110、110，因此构成较高的固定部件124和较低的固定部件125。
在具有上述结构的直线电动机中，吸引磁场发生装置101的励磁线圈113、113每对被施加1/3周期相滞后的电流以激励磁轭111、111到“开”状态，被吸引块108、109在一个方向上依次被有选择地吸引并且进行位移，把推动力输出传递给移动部件123。
应该指出的是，虽然图17和图18显示一种结构，其中吸引磁场发生装置101在支承框架121的方向被安装成一排，不言而喻，形成在纵向或横向叠放的结构也是可以的。
在上面，相当详细地阐明了本发明的优选的实施例。然而就显然的事实来说，不离开本发明的思路或范围，设计一个广阔范围的其它形式实施例也是可以的，本发明除依据所附权利要求设定的限定外，不只限于那些实施例的部分形式。