CN101686029A - 热磁动力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热磁动力装置，包括磁轭、磁体、导磁元件以及热磁体。磁体产生磁场。磁轭导引磁场，以形成第一磁路和第二磁路。导磁元件设置在第一磁路上。热磁体设置在第二磁路上。其中，当该热磁体的温度发生变化时，该第二磁路的磁阻值发生变化并导致第一磁路的磁通量发生相应的变化。本发明通过采用上述结构，克服了现有技术中内燃机的能量利用率不高、机械结构复杂的问题，提供了一种结构简单、能量利用效率较高的热磁动力装置。

Description

热磁动力装置

【技术领域】

本发明涉及一种热磁动力装置，特别涉及一种应用于发动机中的热磁动力装置。

【背景技术】

当前的主流内燃机，主要由气缸、活塞和曲轴等部件组成。汽缸的气体在受热膨胀的情况下推动活塞做功，由于多缸交替或使用惯性转盘使活塞在气缸中进行往复运动。曲轴等机构则把活塞的往复运动转变为圆周运动。整个运动过程中机械结构比较复杂，摩擦所消耗的动能比较大；同时由于要克服活塞的运动惯性，有很大的一部分能量也因此而损耗掉了。总之，由于种种原因，当今的内燃机的总效率比较低。

【发明内容】

为了克服现有技术中内燃机的能量利用率不高、机械结构复杂的问题，本发明提供了一种结构简单、能量利用效率较高的热磁动力装置。此外，本发明还提供了采用该热磁动力装置的发动机。

本发明实现上述目的所采取的技术方案是：提供一种热磁动力装置，包括磁轭、磁体、导磁元件以及热磁体。磁体产生磁场。磁轭导引磁场，以形成第一磁路和第二磁路。导磁元件设置在第一磁路上。热磁体设置在第二磁路上。其中，当该热磁体的温度发生变化时，该第二磁路的磁阻值发生变化并导致第一磁路的磁通量发生相应的变化。

本发明实现上述目的所采取的另一技术方案是：提供一种热磁动力装置，包括第一磁路产生装置以及第一热磁体。第一磁路产生装置产生一第一磁路，第一热磁体连接第一磁路，当第一热磁体的温度发生变化时，第一热磁体的磁阻值发生变化并导致第一磁路的磁通量发生相应的变化。

同现有技术相比，本发明克服了现有的内燃机能量利用率不高、机械结构复杂的缺点，通过一些铁磁性物质的热磁效应，首先把热能转化为磁能，进而把磁能转化为作圆周运动的动能。在所有的循环过程中不需要克服运动部件作直线往复运动的惯性；整体的结构也比较简单。因此，由于机械摩擦和克服运动惯性所耗散的能量很少，效率比传统的内燃机要高。

【附图说明】

图1是本发明的热磁动力装置的简化磁路示意图；

图2是常温下或者是远低于居里点温度的情况下、以及温度高于居里点温度的情况下图1所示的热磁动力装置的磁路仿真示意图；

图3是本发明的定子、转子形式的热磁动力装置的结构示意图；

图4是本发明的热磁发动机的第一实施方式的正视图；

图5是本发明的热磁发动机的第一实施方式的立体视图。

图6是是本发明的热磁发动机的第一实施方式的侧视图；

图7是本发明的热磁发动机的第一实施方式的磁化方向示意图；

图8是本发明的热磁发动机的第一实施方式中由单个转子与多个定子所产生的自由转矩示意图；

图9是本发明的热磁发动机的第一实施方式中由多个转子与多个定子所产生的工作转矩和、自由转矩以及合成转矩的循环周期示意图；

图10是本发明的热磁发动机的光通过检测装置的正视图和立体视图；

图11是本发明第一实施方式中发动机所对应的电脉冲和动作示意图；

图12所示，是本发明热磁发动机的第二实施方式的正视图；

图13是本发明热磁发动机的第二实施方式的右视图；

图14是本发明热磁发动机的第二实施方式的左视图；

图15是本发明热磁发动机的第二实施方式中转子的立体视图；

图16是本发明热磁发动机的第二实施方式的立体视图；

图17所示，是本发明热磁发动机的第二实施方式中磁化方向示意图；

图18是本发明热磁发动机的第三实施方式的俯视图；

图19是本发明热磁发动机的第三实施方式的侧视图；

图20是本发明热磁发动机的第三实施方式的立体视图；

图21是本发明热磁发动机的第三实施方式中定子、转子结构示意图；

图22是本发明热磁发动机的第三实施方式的自由转矩的周期变化示意图；

图23是本发明热磁发动机的第三实施方式中工作转矩示意图；

图24是本发明热磁发动机的第三实施方式中综合转矩示意图；

图25是本发明中热磁体元件的结构示意图；

图26是本发明中检测转子的旋转方向的脉冲信号示意图；

图27是本发明的热磁动力装置中热磁体与定子分离的状态示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

[技术原理]

对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc(居里点温度)。居里点温度是指磁性材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。当温度低于居里点温度时，该磁性材料的原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，成为铁磁体。当温度高于居里点温度时，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的，该磁性材料成为顺磁体。

如图1所示，是本发明的热磁动力装置的简化磁路示意图。在本实施方式中，热磁动力装置100包括永磁体110、磁轭120、动磁体130以及热磁体140。永磁体110用于产生磁场，其也可以采用电磁体代替，其与磁轭120之间间隔一间隙160。磁轭120用于导引磁场，以形成第一磁路122和第二磁路124。动磁体130设置在第一磁路122上，其与磁轭120之间间隔两个空气间隙170。热磁体140设置在第二磁路124上。图1中的空隙长度，面积和对应的磁场强度分别在图中标出。其中，参数gm表示永磁体110和磁轭120之间的间隙160的长度，gs表示动磁体130和磁轭120之间的间隙170的长度，参数Am、As、Ad分别表示永磁体110、动磁体130和热磁体140的面积，参数Hm、Hs、Hd分别表示永磁体110、动磁体130和热磁体140的磁场强度。

为了说明通过热磁体140在不同温度下的磁导率不同产生变化的磁场。下面特别的分别通过公式计算和仿真的结果来作了一个证明。首先分两种情况来分析这个问题。

第一种情况为热磁体140在常温下(T₀)，或者是在远低于其居里点温度的情况下。热磁体140具有很高的磁导率μ_d(μ_d＞＞μ₀)。如图2所示，是常温下或者是远低于居里点温度的情况下(左图)、以及温度高于居里点温度的情况下(右图)图1所示的热磁动力装置的磁路仿真示意图。

从图2的左图很容易看出，在常温下或者是远低于居里点温度的情况下，热磁体140的磁阻非常小，把要通过动磁体130的磁通旁路了。这种情况下，几乎全部的磁势降都将在与永磁体110相连的间隙160(间隙160也可以由一些其他的磁导率较低的材料构成，如铜、铝等)中。因此容易得出：B_s≈0(其中B_s为通过动磁体130的磁通密度)。

第二种情况为热磁体140在高温环境下(Th)，其温度在其居里温度附近或超过了材料的居里温度。这样热磁体140的磁导率会明显的降低。根据磁路的基本理论可以列出如下的公式：

由永磁体110和动磁体130及两个空气间隙170上的磁势降，得到：

H_ml_m+H_gg_m+2H_sg_s＝0              公式1

由永磁体110和热磁体140上的磁势降，得到：

H_ml_m+H_gg_m+H_dg_d＝0               公式2

根据串联磁通相同的原理，得到下面两个公式，其中B_m表示空隙160的磁通量，B_s表示空隙170的磁通量，B_d表示热磁体140的磁通量：

A_mB_m＝A_cB_s+A_dB_d                 公式3

B_m＝B_g                          公式4

这样就可以联合公式1、2、3、4可以计算出永磁体110的磁通密度为：

$B_m=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0\frac{l_m}{2g_s}{A}_c+{\mathrm{\μ}}_d\frac{l_m}{g_d}{A}_d}{A_m+\frac{g_m}{2g_s}{A}_c+\frac{{\mathrm{\μ}}_d}{{\mathrm{\μ}}_0}\frac{g_m}{g_d}{A}_d}\·H_m$ 公式5

同时还可以根据公式2和磁感应强度于磁场强度的关系可以得到：

$B_s=-\frac{H_m{l}_m+\frac{B_m}{{\mathrm{\μ}}_0}{g}_m}{2\frac{g_s}{{\mathrm{\μ}}_0}}$ 公式6

从公式6可以看出B_s的值显然不等于0。图2的右图中温度高于居里点温度的情况下的磁路仿真示意图也给出了同样的结果。由于热磁体140的磁导率比较小，磁阻很大。大部分磁力线通过动磁体130和其两端的空气间隙170形成回路。只有很小的一部分仍然通过热磁体140和周围的空气介质形成回路。

上述的计算和图2所示的磁路仿真示意图证明了：当热磁体140的磁导率发生变化后在动磁体130两端产生了变化的磁场。当热磁体140的温度低于或远低于其居里温度时，磁场能量主要存储在永磁体110端的间隙160内；当热磁体140的温度超过其居里温度时，动磁体130两端的空气间隙170的磁感应强度增加，一大部分的磁场能量从永磁体110端的间隙160转移到动磁体两端的空气间隙170中。

因此，只要让热磁体140的温度在T0和Th间不断的循环，那么就会在动磁体130中产生一个简单的作断续变化的磁场。如果对图1所示的热磁动力装置的磁路进行简单的形式上的转换，即可转换成图3所示的定子、转子形式的热磁动力装置。

如图3所示，是本发明的定子、转子形式的热磁动力装置的结构示意图。图3中，热磁动力装置200包括永磁体210、热磁体240、定子磁轭220以及转子230。其中，二个定子凸磁极223、225相对相的设置在定子磁轭220上，永磁体210与定子磁轭220之间间隔一间隙260。永磁体210、热磁体240、定子磁轭220、二个定子凸磁极223、225以及间隙260构成热磁动力装置200的定子。转子230由一块长圆形并延其长轴方向充磁的磁铁构成。当热磁体240的温度从T0变化到Th时(Th＞Tc＞T0)，一部分磁力线会在永磁体210、定子磁轭220、二个定子凸磁极223、225和转子230中构成回路。这样如图3所示的转子230会受到一个顺时针方向的力矩的作用。直到转子230和定子凸磁极223、225完全对齐时力矩作用才消失。

当转子230的磁极和定子凸磁极223、225对齐时，热磁体240的温度从Th变化到T0。如上述的推导，定子凸磁极223、225的磁性消失，这时作用到转子230的力矩也基本消失。转子230会由于惯性继续作顺时针旋转。当转子230再次到达如图3所示的位置时(不影响原理假设转子230的惯性足够它转动到这个位置)。热磁体240的温度在控制下又一次发生从T0到Th的变化，定子凸磁极223、225之间再次出现磁场。转子230就会再一次受到磁力的作用作发生顺时针方向的旋转。如此往复循环。转子230会发生不间断的旋转。

下面列举了一些热磁发动机的具体实施方式。

[第一实施方式]

如图4、5所示，分别是本发明的热磁发动机的第一实施方式的正视图和立体视图。热磁发动机30主要包括第一定子31、第二定子32、第三定子33以及转子34。第一定子31、第二定子32和第三定子33分别固定在机壳(为了简化结构，图4、5中未示)上。第一定子31、第二定子32和第三定子33均由相同的部件组成。以第一定子31为例，其主要包括第一定子磁体311、第一定子磁轭312、二个相对向设置在第一定子磁轭312上的第一定子凸磁极3123和3125、以及第一定子热磁体314。转子34与第一定子凸磁极3123和3125之间间隔转子气隙343。

优选的实施方式中，第一定子磁体311和第一定子磁轭312之间留有一间隙316，间隙316可以在第一定子磁体311的一端，也可以在第一定子磁体311的两端。间隙316里可以充满空气，也可以填充其他的磁导率比较低的材料，如铜，铝等。在实际的产品中也可以不需要特意的留有间隙(以下的实施案例均同此描述)。如图5所示，转子34上设置转轴341，转子34可绕转轴341旋转，并且第一定子31、第二定子32、第三定子33以及转子34是与转轴341同轴设置。转轴341最好是使用非铁磁性物质为材料，如铝合金。转子34可以使用永磁体和铁磁材料组合而成，如瓦片或圆弧状的永磁体固定在由铁磁材料构成的圆柱体的上组成的转子34。只要最终的等效磁极与一整块永磁体相同就能满足要求。

如图6所示，是本发明的热磁发动机的第一实施方式的侧视图。第一定子31、第二定子32和第三定子33在转轴341的轴向方向上各自之间留有一定的间隙，以避免各定子之间的磁路产生相互的影响。转子34和转轴341组成本热磁发动机30的转动机构，转轴341可以通过轴承(为了简化图4-6中未示)固定在机壳上。转子34可以是永磁体、软磁体或可导磁的钢铁构件。

如图7所示，是本发明的热磁发动机的第一实施方式的磁化方向示意图。图7中，其中，二个第一定子凸磁极3123和3125、二个第二定子凸磁极3223和3225以及二个第三定子凸磁极3323和3325各自之间的连线分别延伸为定子参考方向317、定子参考方向327和定子参考方向337，定子参考方向317、327以及337相互两两之间间隔一预设夹角，例如夹角为120度。转子34的磁化方向可以是第一定子31、第二定子32或第三定子33的轴向平面上的任意方向，但不可以是转轴341的轴向方向，也就是说，转子34的磁极方向与转轴341的轴向方向不重合。

下面详细叙述本发明的热磁发动机的第一实施方式中由转子与定子所产生的自由转矩和工作转矩，进而说明热磁发动机30的工作原理。

首先，叙述热磁发动机30的自由转矩。当所有定子31、32、33的热磁体314、324、334的温度低于其居里温度时，各定子磁体311、321、331的磁力线基本上全部通过热磁体314、324、334形成回路。转子34的磁力线也会通过各个转子气隙、定子凸磁极及定子磁轭形成回路。随着转子34的旋转，转子34的磁力线所经过的磁路的磁阻发生了周期性的变化。因此实际上会在转子34上形成一个平均转矩约等于零的周期性的转矩，在本发明中称其为自由转矩。较大的自由转矩可能会使发动机在正常运转的时候产生抖动。本发明使用3个定子31、32、33，并使其定子参考方向317、327、337相互两两相差120度设置，从而有利于抵消自由转矩，使合成的自由转矩值很小。

下面以图7所示的定子32为例说明自由转矩与转子34旋转角度的关系。设定子32的定子参考方向327为参考方向，当转子34磁化方向与定子参考方向327重合时角度为零，以逆时针方向的转矩为正。如图8所示，是本发明的热磁发动机的第一实施方式中由单个转子与多个定子所产生的自由转矩示意图。

由于各个定子31、32、33之间结构差异较小，因此各个定子31、32、33在转子34上产生的自由转矩大小一致，只是相位上相差了120度。从图8中可以看到各个定子31、32、33形成的自由转矩可以发生一定程度的抵消。使得总的合成自由转矩很小。实际上根据三角函数的基本理论可以直到自由转矩的基波成分可以完全抵消，仅仅剩下一些很小的高次波成分。

其次，叙述热磁发动机的工作转矩。这里依然以定子32为例说明工作转矩，本发明中工作转矩是指除自由转矩以外的转矩。当定子32中热磁体324的温度超过其居里温度，热磁体324的磁阻突然变大。迫使定子32中的定子磁体321的磁力线通过第二定子凸磁极3223、3225和转子34形成闭合回路。这样第二定子凸磁极3223可以等效为S极，第二定子凸磁极3225可以等效为N极。

首先假定转子34位置如图7所示，转子34产生的磁力线方向与定子32的定子参考方向327基本相同，仅沿逆时针方向偏离了一个很小的角度，这时在定子32的热磁体324上加热，并使其温度超过其居里温度。定子32磁路中磁力线就会发生变化，使第二定子凸磁极3223等效为S极，第二定子凸磁极3225等效为N极。由于磁体同性相斥的原因，转子34上就会受到一个逆时针方向的转矩作用，转子34会做逆时针方向旋转。

当转子34的磁化方向和定子32的定子参考方向327平行且方向相同(转子34旋转大约180度左右)，对定子32的热磁体324进行冷却并使其温度低于居里温度。转子34在接下来的180度的旋转过程中将受到自由转矩的作用。当转子34重新回到其磁化方向与定子32的定子参考方向327的方向平行且相反的时候，就完成了一个周期性的循环。

如图9所示，是本发明的热磁发动机的第一实施方式中由多个转子与多个定子所产生的工作转矩、自由转矩以及合成转矩的循环周期示意图。图9中示意了定子31、定子32以及定子33的转矩的情况，其中粗线条分别表示定子31、32和33分别施加给转子34的工作转矩，细线条表示相对应的自由转矩。

由于本热磁发动机30包括三个定子凸磁极设置角度不同的定子31、定子32以及定子33，转子34上受到的不同定子31、32、33的转矩之间相差一个角度。在本发明的优选实施方式中，该角度等于120度。

将图9所示的各个定子31、32、33对转子34所施加的转矩加起来，其总转矩就是图9中的合成转矩38。从图9可以看到整个总的合成转矩38总是大于零，且相对比较平稳。表示转子34总是受到同一个方向的转矩的作用，这样转子34就能发生连续的转动，当合成转矩38总是大于零的时候转子34总是朝逆时针方向转动。因此只要在适当的时机对定子热磁体314、324、334进行加热和冷却，转子34就会发生连续的逆(顺)时针旋转。

从上面的描述可以知道对热磁发动机30的定子热磁体314、324、334的加热和冷却需要严格的控制，否则发动的旋转方向跟启动的初始状态相关。因此需要有一个装置来感知转子34在每一时刻的具体位置。并根据这个因素来控制对定子热磁体314、324、334的加热和冷却。目前可以设计用来检测转子位置的装置很多，可以是光通过检测，霍尔器件检测等等。由于这个技术比较简单，下面就光通过检测为例作一个简单的说明。

如图10所示，是本发明的热磁发动机的光通过检测装置的正视图和立体视图。在图10中位置检测器主要由遮光板710，透光孔711，发光管730和光电检测器720组成。其中有一个特殊的同步透光孔713，其透光量比其他的透光孔711要大。把遮光板710安装在转轴341上，使同步透光孔713的径向与转子34的磁化方向对齐并相反；把发光管730和光电检测器720用一个简单的机构分别安装在遮光板710的两侧，并与定子31、32或33固定，使其位置恰好对齐如图7所示的定子31、32或33的定子凸磁极的中心线。

如图11所示，是本发明第一实施方式中热磁发动机所对应的电脉冲和动作示意图。给发光管730施加一定的电流让其一直发光，当透光孔711跟随转子34转动并恰好处于发光管730和光电检测器720中间时，光电检测器720会检测到光量的变化并输出一个电脉冲。如果是同步透光孔713处于他们中间，由于光通量更大则会输出一个更大的电脉冲。当转子旋转一周，光电检测器720共输出6个电脉冲。从最大一个脉冲开始至后面的5个脉冲分别表示转子34在不同的位置，据此可以根据各个脉冲来控制定子热磁体314、324、334加热或冷却操作，进而控制转子34向指定方向连续旋转。

实际上在设计的过程中，可以有不同的安装方法和定子热磁体314、324、334的加热和冷却的时间顺序。可以根据不同的需要进行调整。这里没有必要全部列举出来。另外，上述的控制方式是使热磁发动机进行逆时针方向旋转，也可以通过简单的控制时序的调整使热磁发动机进行顺时针方向旋转。

在图11中也指出了有三个相互旋转120度安装的定子热磁体314、324、334的加热和冷却循环。实际上对定子热磁体314、324、334加热或冷却的时候可以进行适当的时间上的偏移(提前或者滞后)。具体的提前或滞后的量需要考虑的因素较多，最主要的是定子热磁体314、324、334的温度传导情况，这与定子热磁体的材料性质和结构设计均有关和燃料燃烧情况等。如果定子热磁体的温度传导较慢，燃烧温度低，加热时的滞后量就少甚至要提前一点较好；冷却的提前量也应该大一些。

[第二实施方式]

如图12、13所示，分别是本发明热磁发动机的第二实施方式的正视图和立体视图。本实施方式中热磁发动机40包括定子41、42、43以及转子44。定子41、42、43的结构相同，现以定子41为例说明其结构组成。与本发明第一实施方式的结构类似，定子41主要包括第一定子磁体411、第一定子磁轭412、二个相对向设置在第一定子磁轭412上的第一定子凸磁极4123和4125、以及第一定子热磁体414。其中定子磁体411可以是永磁体也可以电磁铁来代替。定子磁体411的两端或一端设置一间隙416，间隙416中可以填充空气、铜、铝等磁导率比较低的材料。与本发明第一实施方式的不同之处在于，本发明热磁发动机的第二实施方式中，转子44包括互相独立的第一转子441、第二转子442以及第三转子443，其共同固定设置在转轴444上并可绕转轴444旋转。其中转轴444通过轴承固定在机壳(为简化结构，图未示)上，定子41、42、43也安装在机壳上。

图14和图15分别是本发明热磁发动机的第二实施方式的右视图和左视图。各个定子41、42、43的定子热磁体414、424、434设置在热磁发动机40右侧，定子磁体411、421、431设置在热磁发动机40左侧，这种同侧设置方式有利于热磁发动机40的安装和调试。各定子41、42、43之间在转轴444的轴向上留有一定的间隙，使得各自的磁路相互之间不发生影响。定子41、42、43之间的间隙可以是空气，也可以使用磁导率低的材料填充。

图16是本发明热磁发动机的第二实施方式中转子的立体视图。第一转子441、第二转子442以及第三转子443相互之间留有一定的间隙，与定子41、42、43之间的间隙的功能一样，为了使各定子、转子元件间的磁路不发生影响。

如图17所示，是本发明热磁发动机的第二实施方式中磁化方向示意图。本发明热磁发动机的第二实施方式中恰好与第一实施方式中的相反，所有定子41、42、43的定子参考方向与方向47一致，而转子44中的第一转子441的磁化方向4417、第二转子442的磁化方向4427以及第三转子443的磁化方向4437相互相差120度。这样可以使得转子44的自由转矩在任何角度下均接近于零。

热磁发动机第二实施方式的自由转矩和热磁发动机第一实施方式的自由转矩基本相同。只是由于定子凸磁极的形状发生了一定的变化，本热磁发动机第二实施方式的自由转矩更加接近与正弦曲线。因此这样的定子凸磁极形状使得综合的自由转矩更加接近于零。

本热磁发动机第二实施方式的循环控制以及转子44的位置检测装置与热磁发动机的第一实施方式相同。本领域的技术人员通过在热磁发动机第一实施方式的循环控制中的描述很容易得出。

[第三实施方式]

图18-20分别是本发明热磁发动机的第三实施方式的俯视图、侧视图和立体视图。本热磁发动机50包括转子54和3个相同的定子51、52、53，各个定子51、52、53分别沿转子54的圆周均匀分布。各定子51、52、53可以分别固定在机壳上(图18-20中未示)。转子54通过转轴541上的轴承固定在机壳上并可以做自由的转动(图18-20中未示)。以定子51为例，定子51包括定子磁体511、定子磁轭512、定子热磁体514。定子磁极5123和5125相对向设置在定子磁轭412上，并相夹转子54的圆周部分。定子磁体511的两端或一端设置一间隙516，间隙516中可以填充空气、铜、铝等磁导率比较低的材料。转子54设置在转轴541上并可绕轴旋转，多个转子磁体542间隔嵌入转子54的圆周部分。

图21是本发明热磁发动机的第三实施方式中定子、转子结构示意图。转子54主要包括转轴541、多个转子磁体542、中心转子结构体543和多个外围转子结构体544组成。转子磁体542的磁化方向与转轴541的轴向方向相同且所有转子磁体542的磁化方向均相同。转子磁体542均匀的镶嵌在外围转子结构体544中，与转子磁体542相互镶嵌的外围转子结构体544最好选用软磁材料，与转轴541相连的中心转子结构体543最好选用顺磁材料。

同本发明的第一实施方式相同，热磁发动机50的自由转矩是在定子热磁体的温度低于其居里温度，热磁体呈现铁磁特性时，转子54所受到的转矩的作用。由于没有外部能量的输入，转子54旋转一周后所受到的平均自由转矩值为零。

首先来看看仅有一个定子51的转子54所受的自由转矩的情况，设转子54上共有6块大小均匀且磁化方向相同的转子磁体542均匀的镶嵌在外围转子结构体544中，转子磁体542两侧的外围转子结构体544使用软磁材料做成(相当于将转子沿圆周方向均匀的分成12等份)。为了方便分析同时假设定子磁极5123和5125的大小与两个转子磁体542之间的间隔相同。以某一块转子磁体542的中心径向方向与定子51的中心轴向重合时为原点(以下称此位置为原点位置)，并设对转子54沿逆时针方向施加的转矩为正值。下面来对其进行分析。

当转子54处于上述的初始位置时，由于结构的对称关系，容易知道此时的转矩为零。当转子54沿逆时针方向旋转一个很小的角度后，由于转子磁体542的磁阻发生改变，转子54会受到与旋转角度相反的转矩的作用。当转子54沿逆时针方向进行周期性的旋转时，其受到的自由转矩也发生周期变化。

图22是本发明热磁发动机的第三实施方式的自由转矩的周期变化示意图。从图22可以看出其自由转矩的形状基本接近于正弦，因此只要使得各个定子51、52、53产生的自由转矩之间的角度相差120度，这样可以使得综合的自由转矩在任何角度上基本接近于零。下面描述了一种使合成自由转矩约等于零的方案。

假设采用3个定子51、52、53，且相互间的角度相差120度。可以使用5个永磁体作为转子磁体542的转子54。5个转子磁体542的形状大小完全相同，之间间隔着相同形状和大小的由软磁材料构成的外围转子结构体544。这样的合成自由转矩就约等于零。当然，使用的不同的定子数目的时候，均可以找到合适的转子磁体542的排列方式使其综合自由转矩在任何角度上基本接近于零。当然如果转子54使用其他的磁体的排列时，热磁发动机50同样可以正常工作。

图23是本发明热磁发动机的第三实施方式中工作转矩示意图。当转子54处于原点位置(定子磁极5123、5125和转子54中某一指定的磁体的中心位置相同时的位置，成为原点位置)，当沿逆时针方向旋转一个很小的角度后，这时加热定子热磁体514并使其温度高于其居里温度，这样使得定子磁体511的磁路发生变化(图23中为了易于表现出磁力线的变化，对定子51和转子54的结构作了一定的变化，但不产生本质影响)。

如图23的右图所示，可以看到定子磁体511的大部分磁力线通过转子54形成回路，由于定子磁体511的磁化方向和转子磁体542的磁化方向相同。这样会由于同性相斥的原因使得转子54受到一个逆时针方向的力矩作用。我们把转子54受到的这个转矩成为工作转矩。

当定子磁极5123、5125和转子磁体542间的外围转子结构体544的中心线完全重合的时候，对定子热磁体514进行冷却，使其温度低于居里温度。这时转子54会受到自由转矩的作用。当转子54继续沿逆时针方向旋转，并当定子磁极5123、5125和下一个转子磁体542的中心线重合时，完成一个循环。回到了相对于这个转子磁体542的原点位置。只要重复上述的对定子热磁体514加热和冷却的过程，转子54会沿着逆时针方向不停的旋转。

转子54旋转时其综合转矩如图24所示，可以看出受到的综合转矩始终大于零，也表明转子54始终受到一个逆时针方向的转矩的作用，因此转子54会沿逆时针方向不停的旋转。

本实施方式的循环控制以及转子的位置检测装置与第一实施方式相同。本领域的技术人员通过在热磁发动机的第一实施方式的循环控制中的描述很容易得出。

下面详细叙述本发明中热磁发动机的各个公共部件的结构和功能。

[热磁体]

如图25所示，是本发明中热磁体元件的结构示意图。热磁体元件800包括顶盖810、底盖830以及多根热磁体棒820，多根细长的热磁体棒820按照一定的规律间隔固定在顶盖810、底盖830上。热磁体棒820做成细长形状主要的目的就是使热磁体元件800更容易被加热和冷却，也可以做成其他的形状。顶盖810、底盖830应选择导磁性能好的软磁材料，如果这种软磁材料的绝热性能好则更佳。

此外，热磁体元件800的四周还应使用一些绝热性能好，导磁性能差(磁导率最好接近于空气)的一些材料(如高强度的陶瓷材料)把热磁体元件800包围起来，形成一个绝热性能优良的密闭腔体(我们把这个密闭腔体叫作气缸)。

上述所说的绝热性能优良的密闭腔体，可以保证燃料燃烧时释放的热量能充分利用从而提高本热磁发动机的效率。在传统的内燃机中，燃料燃烧的能量约有三分之一被排气和冷却介质带走。可知使用绝热性能优良的密闭腔体能大大提升热磁发动机的热效率。在这个密闭腔体的两侧分别使用一个或多个可控的阀门，分别用来承担进气和排气功能。

热磁体的加热可以有两种方式，一种为外燃式，一种为内燃式。

使用外燃式时，有一个和进气阀相连的气体加热室，气体在这个加热室中加热。当热磁体需要加热的时候，进气阀开启，排气阀关闭。这样加热室中高温高压气体从进气阀输进安装有热磁体的腔体内，热磁体被加热。然后进气阀关闭；当热磁体需要冷却的时候，进气阀关闭，排气阀开启，把余温较低的气体从腔体中抽出后，排气阀关闭。

当使用内燃的加热方式时，还需要在腔体中增加燃料喷嘴和点火用的火花塞。当需要加热热磁体时，使用喷嘴往密闭腔体中喷入适量的燃料，这时进气阀和排气阀均处于关闭状态。随后火花塞放电，点燃燃料对热磁体进行加热；当需要冷却热磁体时，进气和排气阀均开启，把热的空气从腔体中抽出，同时冷空气从排气阀进入对热磁体进行冷却。当热磁体冷却完毕且腔体中已经吸入了足量的空气后，关闭进气阀和排气阀。

由上面的描述可知，热磁体元件可以做成各种形状，以适应不同形式的热磁发动机的需要。

以上在热磁发动机实施案例中所描述的热磁体也可以指热磁体元件。对热磁体的加热或冷却就是指对热磁体元件中的热磁体进行加热或冷却。

[转子磁体]

上述的热磁发动机实施案例中的转子磁体均使用永磁体。很容易想到可以使用电磁铁来代替，需要增加电刷等装置来给转子线圈供电。给转子供电这个技术在电动机领域使用的极为平凡。

转子使用永磁体时，为了减少体积需要使用剩磁比较高，为了能在高速旋转产生强大的向心力的情况下使用对强度的要求也比较高。因此为了同时满足上述两个条件，永磁材料的成本可能比较高。转子使用电磁铁时，需要增加电刷等装置，结构较为复杂，可靠性变差。因此，在实际应用中，可根据应用条件的不同选取不同的方案。

此外，在上面所描述的热磁发动机的实施案例中，均只示出了有三组带有热磁体元件的定子构成的热磁发动机。实际上，很容易就可以根据上述的原理，推广到使用更多的带有热磁体元件定子。如使用4组带有热磁体的定子，或5个，6个等等。可以根据具体的热磁发动机的功率输出和结构安装的方便性等等综合因素来决定。

下面详细描述本发明的热磁发动机所采用的启动方法。

[启动方法一]

本实施方式中的热磁发动机在启动的时候首先可以用一个小型的电动机带动转子按照需要的旋转方向。然后再根据转子位置检测器输出的信号来控制热磁体的加热和冷却。这种启动方法比较简单，但需要有一个小功率的电动机来配合，成本会比较高些。

[启动方法二]

在开始的时候随机的加热和冷却一个或多个热磁体，这样转子会发生旋转，但可能转子的旋转方向与需要的方向不一致。当转子发生旋转后，通过位置检测器输出的信号控制热磁体的加热和冷却使转子按照正确的方向进行连续的旋转。这种方法要求转子的位置检测器还要有转子的旋转方向信号。下面以光通过检测为例来说明如何检测转子的旋转方向。

如图26所示，是本发明中检测转子的旋转方向的脉冲信号示意图。如果以同步透光孔713开始使逆时针方向的透光孔711孔径逐个增大，但均小于同步透光孔713。就会发现如下的效果。如果转子以逆时针方向旋转，位置检测器输出的信号从最大的同步信号开始会越来越大；反之转子以顺时针方向旋转，位置检测器输出的信号从最大的同步信号开始会越来越小。这样就可以通过这个规律来判断转子的转动方向。这种启动的方法不需要小功率的电动机进行配合，但启动的时候有可能发生与需要的旋转方向相反的旋转。

[启动方法三]

第二种启动方法之所以产生随机的转动方向，是因为转子在静止的时候其位置也是随机的。第二种方法虽然不需要电动机来配合启动但是其初始的旋转方向不能控制，这样可能不能满足一些特殊环境下的应用。

因此很容易想到的一种方法是，使转子静止时不是随机的而是停留或锁定在某一个固定的位置。这样在启动的时候，只需要加热或冷却指定的热磁体(元件)即可使转子朝指定的方向旋转。

下面介绍一种简单的机械锁定装置。可以根据具体的锁定位置，在转子或转轴上留有一个凹槽。在定子或与定子相连的机壳上固定一个凸起，此凸起可以进行自如的伸缩动作。在正常运转的情况下，凸起缩回去不与凹槽发生咬合作用。当发动机即将停止运转的时候，凸起伸出来与凹槽发生咬合。这样转子就被锁定在一个固定的位置上。

当发动机需要启动的时候，只需要加热指定热磁体(元件)并使凸起缩回去就可以使发动机转子进行正常运转。

下面详细叙述本发明的热磁发动机在汽车中的特殊应用。当本发明所述的热磁发动机应用到汽车中时，可以有很多方面的优点。由于没有过多的运动部件，减少了摩擦，使得机械效率提高；另一方面也可以大大的简化发动机的润滑系统，使得系统维护和维修起来方便，故障率低，寿命长等等。

另外当本发明的热磁发动机应用到汽车中时，还可以作一些适当的调整，使其具有更多的功能优势。如电驱动与燃油驱动的无缝切换，发电制动，停止供油和关闭气缸等等。这些功能最终能节省更多的燃料。

[混合驱动]

当今油电混合动力的汽车使用两套发动装置。一种是内燃机，另一种是电动机。因此会造成成本高，体积大，重量重的弱点。而使用本发明的方法可以简单地把两种发动装置集成在一起，从而能够解决上述的问题。其具体万法如下：

当定子磁体使用电磁铁的时候，如果有一个机构可以使热磁体(元件)与定子分离，分离后的其他部件就可以组成一个典型的直流永磁电机。如图27所示，是本发明的热磁动力装置中热磁体与定子分离的状态示意图。可以通过对定子电磁铁610的供电的方向和通断的控制，使动磁体630进行连续的旋转。

根据以上描述的基本原理就可以轻易的把热磁发动机600做成油电混合型，且切换起来非常方便。把热磁体640固定在一个活动的助力机构(下面称其为脱离器)上，当需要把热磁发动机600转换为电动机时，通过脱离器使热磁体640与定子620脱离至一定的距离以使热磁体640对定子620的磁回路发生的影响足够小。然后根据动磁体630位置检测器的检测信号来控制定子电磁铁610的供电状态就可以了。供电状态包括通断，反向等。具体的定子供电控制是一个公知的技术，在这里不再赘述。

反之，当需要从电动机转换成热磁发动机时，只需通过脱离器的动作重新使热磁体640回到原来的位置，并通过动磁体630位置检测器的检测信号控制热磁体640的加热和冷却就可以了。

[发电制动]

本发明的热磁发动机还可以实现发电制动的功能，从而最大限度的节省能源。

如今的汽车在制动的时候绝大多数情况下均是使用摩擦制动方式，如汽车上普遍使用的鼓式刹车系统和盘式刹车系统。这种制动的方式最大的缺点就是汽车的动能全部转化为无序的热能并最终消耗掉了。如当汽车在下坡路段行驶时，为避免车速过快，需要不断的减速，汽车的重力势能也全部消耗为刹车系统的热能而最终耗散到空气中。

一种比较好的方法是使用发电制动，可以最大限度的节省能源。但由于成本，体积重量等综合因素的考虑，仅有极少量的高档豪华汽车上使用这种方式作为辅助的刹车系统。当今的汽车上使用发电制动的最可能实现的方式就是增加一个额外的发电机。由于需要能产生足够的制动力，或者说具备足够的把机械能转换成电能的能力，需要的发电机的功率很大。这会大大增加汽车的体积和装配难度，同时重量和成本也增加不少。使用本发明的热磁发动机可以几乎不增加重量，体积和成本的前提下实现大功率的发电制动。

下面以图27所示的热磁体与定子分离的热磁动力装置为例，说明发电制动的实施方法。要实现发电制动需要使用带有热磁体640脱离器和定子电磁铁610。当汽车需要制动的时候，脱离器发生动作，使热磁体640与定子620发生分离，发动机的运动惯性会使动磁体630作旋转运动。由于热磁体640已经与定子620分离了，旋转的动磁体630会在定子电磁铁610的铁芯内形成一个变化的磁场。这个变化的电磁场使得定子电磁铁610的线圈两端产生感生电压。由于动磁铁630进行圆周运动，定子电磁铁610上的线圈的感生电压会发生正负交替的周期性变化。可以通过整流装置和电压转换装置把感生交流电压转换为直流电压后直接给蓄电池充电。由于有充电电流的存在，也就是说定子电磁铁610上有了感生电流。感生电流同时会产生一个磁场，根据电磁场的基本理论可知，感生电流产生的磁场会阻碍动磁体630的运动，产生了制动的作用。当汽车不需要制动时，可以通过一个开关关断给蓄电池供电的电流。这样定子电磁铁610上就不会有感生电流，因此就不会产生制动力。同时脱离器使热磁体640复位。

本发明的热磁发动机具有以下优点：

本热磁发动机的轴承可以使用磁悬浮轴承和无润滑的气体轴承。这样可以进一步的减少摩擦损耗和无需润滑系统，使摩擦损耗更低。

当本热磁发动机使用在机动车上的情况下，可以随时停止供油，使机车运行在滑行状态；也可以关闭一定数量的气缸，即只有部分的气缸参与工作。这些功能均只用高档的汽车才可以实现的功能，在本热磁发动机中均可以轻而易举的实现。

本发明同现有技术相比，克服了现有的内燃机能量利用率不高、机械结构复杂的缺点，通过一些铁磁性物质的热磁效应，首先把热能转化为磁能，进而把磁能转化为作圆周运动的动能。在所有的循环过程中不需要克服运动部件作往复运动的惯性；整体的结构也比较简单。因此，由于机械摩擦和克服运动惯性所耗散的能量很少，效率比传统的内燃机要高。

Claims (10)

1.一种热磁动力装置，包括：

磁体，产生一磁场；

磁轭，导引该磁场，以形成第一磁路和第二磁路；

导磁元件，设置在该第一磁路上；以及

热磁体，设置在该第二磁路上；

其中，当该热磁体的温度发生变化时，该第二磁路的磁阻值发生变化并导致该第一磁路的磁通量发生相应的变化。

2.一种热磁动力装置，包括：

第一磁路产生装置，产生一第一磁路；以及

第一热磁体，连接该第一磁路，当该第一热磁体的温度发生变化时，该第一热磁体的磁阻值发生变化并导致该第一磁路的磁通量发生相应的变化。

3.如权利要求2所述的热磁动力装置，其还包括：

第二磁路产生装置，产生一第二磁路；

第二热磁体，连接该第二磁路，当该第二热磁体的温度发生变化时，该第二热磁体的磁阻值发生变化并导致该第二磁路的磁通量发生相应的变化；

第三磁路产生装置，产生一第三磁路；以及

第三热磁体，连接该第三磁路，当该第三热磁体的温度发生变化时，该第三热磁体的磁阻值发生变化并导致该第三磁路的磁通量发生相应的变化；

其中，该第一磁路产生装置、该第二磁路产生装置以及该第三磁路产生装置是绕一转轴设置。

4.如权利要求3所述的热磁动力装置，其中，

该第一磁路产生装置包括：

第一定子磁体，产生一第一磁场；

第一定子磁轭，包括二个相对向设置的第一定子凸磁极，以导引该第一磁场；

该第二磁路产生装置包括：

第二定子磁体，产生一第二磁场；

第二定子磁轭，包括二个相对向设置的第二定子凸磁极，以导引该第二磁场；

该第三磁路产生装置包括：

第三定子磁体，产生一第三磁场；

第三定子磁轭，包括二个相对向设置的第三定子凸磁极，以导引该第三磁场。

5.如权利要求4所述的热磁动力装置，其中该第一热磁体设置在该第一定子磁轭上，该第二热磁体设置在该第二定子磁轭上，该第三热磁体设置在该第三定子磁轭上。

6.如权利要求4所述的热磁动力装置，其还包括：

第一转子磁体，设置在上述二个第一定子凸磁极、上述二个第二定子凸磁极以及上述二个第三定子凸磁极之间；

该第一磁场所产生的磁力线穿过上述二个第一定子凸磁极以及该第一转子磁体，以形成该第一磁路；

该第二磁场所产生的磁力线穿过上述二个第二定子凸磁极以及该第一转子磁体，以形成该第二磁路；

该第三磁场所产生的磁力线穿过上述二个第三定子凸磁极以及该第一转子磁体，以形成该第三磁路。

7.如权利要求4所述的热磁动力装置，其还包括：

第一转子磁体，设置在上述二个第一定子凸磁极之间；

第二转子磁体，设置在上述二个第二定子凸磁极之间；以及

第三转子磁体，设置在上述二个第三定子凸磁极之间；

该第一磁场所产生的磁力线穿过上述二个第一定子凸磁极以及该第一转子磁体，以形成该第一磁路；

该第二磁场所产生的磁力线穿过上述二个第二定子凸磁极以及该第二转子磁体，以形成该第二磁路；

该第三磁场所产生的磁力线穿过上述二个第三定子凸磁极以及该第三转子磁体，以形成该第三磁路。

8.如权利要求3所述的热磁动力装置，其中，

该第一磁路产生装置包括：

第一定子磁体，产生一第一磁场；

第一定子磁轭，包括一个设置在该第一定子磁体的磁化方向上的第一定子凸磁极，以导引该第一磁场；

第一转子磁体，设置在一转轴上；

该第二磁路产生装置包括：

第二定子磁体，产生一第二磁场；

第二定子磁轭，包括一个设置在该第二定子磁体的磁化方向上的第二定子凸磁极，以导引该第二磁场；

该第三磁路产生装置包括：

第三定子磁体，产生一第三磁场；

第三定子磁轭，包括一个设置在该第三定子磁体的磁化方向上的第三定子凸磁极，以导引该第三磁场；

其中该第一定子凸磁极、该第二定子凸磁极和该第三定子凸磁极共同绕该转轴旋转设置。

9.如权利要求1、2或3任一项所述的热磁动力装置，其中该热磁体、该第一热磁体、该第二热磁体以及该第三热磁体包括多根间隔排列的热磁体棒。

10.如权利要求1、2或3任一项所述的热磁动力装置，其中该热磁体、该第一热磁体、该第二热磁体以及该第三热磁体可与该热磁动力装置相分离。

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