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新发现,永磁电机的商业化生产可行性分析报告

作者:cao, shuai日期:2017/11/18 15:24

革命性的电机仅采用永久磁铁来依次吸引和排斥力,像传统电机一样产生持续的运动,而不会反转极性或使用外部电源。

许多读者质疑本文提出的技术的准确性。为了解决他们的担忧,我们做了一个后续的,可以在这里找到。

永磁体是许多电机不可或缺的组成部分,它利用了获得强大而稳定的磁性材料的优势。

如今,含有钕和钐等镧系元素的稀土磁体带有很大的磁矩。例如,由钕,铁和硼组成的钕(NdFeB)磁体,其尺寸仅为10.16cm×10.16cm×5.08cm,可以具有14,800的Brmax,表面场高斯为4933,拉力为557kg,稳定在176ºF。除非过热或物理损坏,磁体在10年内将失去不到1%的强度。

要看到永久磁铁的影响,我们必须看一个典型的电动机。当外部电源通过转子磁场时,其作为一个电磁铁吸引到永磁体上,使电机旋转(图1A)。为了继续旋转,电磁铁允许转子磁场反转其磁场的极性(图1B)产生排斥。两极之间的排斥力沿着其运动路径排斥电磁体。如果转子的极性不反转,将电磁铁拉向永磁体的吸引力将防止电磁铁逸出,并使其返回并与永磁体相对。

使电机旋转(图1A)

1(A)带电磁铁和永久磁铁的电动机的基本原理。1(B)通过反转电磁体的极性产生排斥力而发生超越吸引力的持续运动。
使用永磁体的电动机不具有在定子架上用作电磁体的励磁绕组。相反,定子框架上的永磁体提供与转子磁场相互作用的磁场以产生转矩。这消除了给定子供电的需要,从而降低了电能消耗。
使用或不使用永久磁铁的电动机从重复的吸引顺序产生旋转,然后排斥,这需要反转极性。已经进行了许多尝试,仅使用永磁体来构造用于为定子和转子产生磁场的电机,但是它们不成功。

这样的电动机将完全由永磁体产生的固有磁场供电。这里介绍的发现允许永磁体依次吸引和排斥,产生像电动机一样的持续运动,而不会反转极性或使用外部能量源。

我们大多数人已经处理永久磁铁,并经历它们之间发生的吸引力和排斥力。很容易想象有磁铁为我们工作。例如,两个足够强的永磁体之间的吸引力可以在磁体将它们自身拉在一起时移动物体。但是,要让磁铁重复这个工作,他们必须被分开。

将磁体拉开所需的工作量或机械能量类似于磁体在将它们自身拉在一起时所产生的机械能的量。相应地,永磁体不能够连续地自行工作而无需外部的机械能来重复地将它们拉开。

将磁体拉开
2.极地的吸引力。典型的场线在永磁体的相对极之间的极面内产生引力(箭头)。
图2示出了两个永磁体的相对极之间的典型场线,其产生在极(垂直)平面中施加的共同经受的吸引力。由足够强的磁体产生的吸引力可将磁体拉到一起一段距离,直到它们彼此接触。相对的极之间的吸引力也可以沿着赤道(水平)平面将磁体拉到一起,直到它们彼此相对静止。图3说明了负责这种水平吸引的场线。

图3说明了负责这种水平吸引的场线
3.赤道吸引力。典型的场线在永久磁铁的相反磁极之间的水平(赤道)平面中产生引力(箭头)。
在具有相反极性的两个磁体之间存在吸引力和排斥力是常见的,如图4所示。然而,与在同一平面内的吸引力相比,极性平面内的排斥力通常非常弱,从而导致合力吸引。我们创造了一个独特的条件,即两个相反磁极的永磁体的磁场面对面,在赤道平面上产生一个合成的吸引力,并在极面内产生一个合成的排斥力。

两个磁体之间存在吸引力和排斥力
4.极性和赤道面上的两个相对磁极面对的磁体之间的吸引力(蓝色箭头)。极面上的弱排斥(红色箭头)通常存在于面对相反极点的永磁体之间。
图5示出了负责在一对永磁体之间发生的同时赤道吸引(蓝色箭头)和极性排斥(红色箭头)力的场线。极性平面中不寻常的合成排斥是由于磁体的形状和它们的位置而产生的,并且是在相同极之间产生的,即使磁体具有彼此相对的磁极。

施加在赤道平面上的合成吸引力可用于水平地将磁体拉到一起。施加在极平面上的合成排斥力又可用于垂直推开磁体,而不反转极性或使用其它能量。因此,两个永磁体被制造成利用吸引力将它们自身拉在一起,然后在没有外力或其他能量的帮助下将其自身推开。

红色箭头表示负责极地排斥的田地线
5.相对磁极面对的磁体之间的同时产生的赤道吸引力和极性排斥力。蓝色箭头表示负责赤道吸引的田间线,红色箭头表示负责极地排斥的田地线。
通常情况下,必须施加一个外力来分离两个永久磁铁,这两个永久磁铁用它们的吸引力将它们拉在一起。直到现在,我们还没有观察到两个永久磁铁依次吸引和排斥。吸引顺序跟随排斥就像在永久磁铁和电磁铁之间的电动机中发生的吸引排斥顺序。
吸引 – 排斥演示

我们构造了一个装置来演示在赤道平面上的同时产生的吸引力和在两个相对的磁极相互面对的永磁体之间的极面中的合成排斥。为了减少运动过程中的摩擦,永久磁铁连接到八轮车。每个推车上放置四个永磁体。

磁体由52级的钕(NdFeB)制成,长5.08厘米,宽2.54厘米,厚1.27厘米。他们被磁化了1.27厘米的厚度。每个磁体的Brmax为14,800高斯,拉力为41.28千克。为了减少磁干扰,推车和导轨由铝合金制成,螺钉和螺母由黄铜制成。

所得到的吸引力和排斥力使用IMADA模型DS2-110数字测力计进行测量。沿着水平和垂直运动路径以3.18毫米间隔测量施加在推车上的合力。测量是在赤道平面上产生的引起水平运动的吸引力,如图6所示。还测量了在垂直运动(图7)的极面中的合成排斥力。

极面中的合成排斥力
6.赤道吸引力与距离。在赤道平面上行进的距离以3.18毫米的间隔进行测力。
赤道平面上的吸引力和极面中的排斥力组合的力值如图8所示。在吸引和排斥阶段可用的总力(机械能)可获得多余的机械能。这个多余的能量可以用来做诸如驱动发电机的工作。这里提供的数据仅用于说明现象,并不代表最大能量输出的最佳条件。

排斥力组合的力值
7.极性排斥力与距离。在极坐标平面上行走的距离为3.18毫米。

电机设计考虑

重复这里描述的吸引和排斥顺序要求磁铁返回到它们的起始位置。然而,这里描述的磁铁所行进的短距离将它们留在引起它们的初始运动的吸引力和排斥力的范围内。因此,将磁体返回到其起始位置将分别与这些残余吸引力和排斥力相反。

排斥力相反
8.图6和图7所示的吸引力和排斥力相结合。
在返回磁体时,必须花费大量的机械能量来克服这些力。这些相反的剩余力和克服它们的能量消耗可以通过延长磁体H和V行进的距离而大大减小。例如(图9),如果磁体V垂直移动15.24厘米而不是6.35厘米,磁铁H然后可以水平地移回到其起始位置,而不会遇到极面中吸引力的显着对抗。

随着行程的延长,在赤道平面上的合成吸引力最初将太弱而不能水平拉磁铁H. 图9示出了如何将成对的磁体链接在一起以沿着它们的一部分行进彼此牵引。磁体V1和H1之间的排斥力足够强,使得磁体V1在更靠近吸引力更强的磁体V2的情况下牵引磁体H2。进而,磁体V2和H2之间的吸引力可以将磁体V1牵引得更远离磁体H1。由两对连接在一起的磁体产生的运动如图9所示。

吸引和排斥顺序的不同阶段中的磁体对的这种连接类似于内燃机中活塞的布置,其中一个活塞的燃烧冲程驱动另一个活塞的排气冲程。另一个相似之处在于磁体和活塞在提供机械能量时沿着线性路径行进。

磁体V2和H2之间的吸引
9.通过连接成对的磁铁延长行驶距离。磁铁V1连接到另一对的磁铁H2。(A)在磁体V1和H1之间的极性平面中存在排斥力(红色箭头)。磁体V2和H2之间不存在显着的力。作用于磁体V1的极面中的排斥力使磁体V1远离磁体H1,并将磁体H2朝向磁体V2。当磁体H2靠近磁体V2时,赤道平面中的吸引力(蓝色箭头)开始将磁体H2拉向磁体V2。随着磁体H2靠近磁体V2,该吸引力将增加,从而允许磁体H2将磁体V1牵引离磁体H1更远。(B)磁铁V1和H2行进的距离比单独行驶的距离还要远。
机械能可以通过使磁铁在行程的两端工作来保存。以这种方式,能量不会被浪费,使磁铁返回到其原始位置以重复该循环。连接四对磁铁完成循环,允许完全由永磁体驱动的连续运动。

这里要指出的是,常规电动机中的定子和转子需要几对磁铁来实现连续运动。一个定子磁铁和电磁铁(转子)之间的吸引和排斥顺序不能产生足够的惯性来转子转动一整圈并重复该循环。同样,这里描述的方法需要使用多对永磁体来延长行进距离并完成一个循环。

商业应用

这里描述的方法说明了如何使用永久磁铁来产生连续的运动,并提供可用于其他目的的多余的机械能,例如驱动发电机。

由于许多原因,来自永磁体的电磁能量是一种高度实用,清洁和丰富的能源。计算出的电磁力比引力强39个数量级,其内在来源丰富。产生永久磁铁所需的能量相对于它们被磁化后本身可获得的电磁能量的量是微不足道的。铁是最常见的铁磁性物质,是地球上第二丰富的金属。

包含钕和钐的强大磁体不需要使用这里描述的方法产生实际数量的净机械能。其他较弱的永磁体也可以使用。当今永磁体的稳定性(矫顽力)和强度(磁矩)非常高。如这里所描述的在磁体对之间施加的产生机械能的电磁力的大小低于磁体的矫顽力值。因此,磁体在正常的操作条件下将保持稳定。

未来

永磁电机已经建成并正在进行测试。此外,该专利已申请专利,其细节将不可用,直到专利授予。

仍然有待确定的一个功能是打开和关闭电机的最佳方式。对于典型的电动机,只需使用开关打开电源即可激活电动机,然后关闭电源以停止电动机。用永磁铁组成的电机无法做到这一点。正在考虑几种中断方法。一种方法是使用电磁铁来提供制动。电磁铁只能在制动期间通电,电机运行时关闭。

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