CN103222170A - 磁力驱动电机组件及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种永久磁铁绕在相对的北极和南极之间延伸的轴线旋转。旋转永久磁铁的磁场与由梭板承载的永久磁铁的磁场交互作用，以用于排斥和吸引固定永久磁铁，并响应于旋转永久磁铁的旋转运动为梭板提供直线往复运动。

Description

磁力驱动电机组件及相关方法

相关申请交叉引用

本申请要求2010年9月1号提交的标题为“Magnetic Drive MotorAssembly and Method”的美国临时申请第61/378,984号和2010年11月23号提交的标题为“Magnetic Drive Motor Assembly and Associated Methods”的美国临时申请第61/416,405号，其内容的全部以及共同拥有的部分结合于此作为参考。

技术领域

本发明总的来说涉及使用磁场来提供驱动力的装置和方法，更具体地，涉及使用永久磁铁来增强电机功率的电机驱动。

背景技术

众所周知，可以使用磁场来提供驱动力。减少标准类型燃料的可用能源以及对保护环境的关注导致加大力度开发替代能源来为驱动动力系统提供能源。可消除对燃料的需求还能消除燃料消耗的生态缺点的一种类型的动力系统是利用磁电机的系统。正如Hanagan的美国第4,038,572号专利所描述的，期望具有一种不完全依赖化石燃料的原动机。适于机动车等使用的替代形式的原动机的好处为本领域技术人员所熟知。因此开发一种不依赖化石燃料作为其能量源的用于机动车的原动机的愿望得到了很大的动力。作为回应，Hanagan提供了一种描述为磁力驱动电机的磁性离合器装置。

Kinnison的题为“A Permanent Magnet Motion Conversion Means”的美国第3,899,703号专利公开了一种磁电机，其使用配置有反极性的固定磁铁和另一个永久磁铁，该永久磁铁通过转换器(诸如电磁线圈)在固定磁铁的磁场内交替移动，以将旋转运动转换成直线运动。

事实上，已知几种类型的磁电机，其旋转的磁铁组受到相对的磁铁所产生的吸引力和排斥力的影响。Stahovic的美国第4,207,773号专利公开了拱形永久磁铁，其固定至可旋转磁铁的对侧的可移动件，使得可旋转磁铁的旋转引起可移动件的交替直线运动。Scholin的美国第4,011,477号专利公开了一种装置，其用于将磁铁(一个旋转另一个不旋转)之间的I型磁力变化转换成直线往复运动，本公开的内容可以结合Tracy等人的美国第3,703,653号专利作为参考，此专利中公开了一组磁铁，其被安装用于首先朝向对应的固定磁铁被吸引而绕轴线旋转。在可旋转磁铁与固定磁铁对齐之后，固定磁铁的磁场会改变以相对于可旋转磁铁提供排斥力，从而引起可旋转磁铁的连续旋转。为实现固定磁铁的这种有效的极性反转以交替地提供吸引力和排斥力，固定磁铁在可旋转磁铁接近固定磁铁的位置时最初由磁性板覆盖。这些磁性板有效地使固定磁铁为可旋转磁铁提供吸引力。当可旋转磁铁与固定磁铁对齐时，这些磁性板被移除，然后固定磁铁为可旋转磁铁提供排斥力，从而引起可旋转磁铁的持续运动。

此外，线性发电机是众所周知的并且其用来通过具有感应线圈的磁铁的往复运动产生电能。通常，线性发电机具有多个感应线圈、插入相应的感应线圈中并在感应线圈的两个相对端之间滑动的多个磁铁、连接至磁铁的端部的机械组件、以及通过机械组件产生移动力并向磁铁施加移动力的电机。美国第4,924,123号专利和美国专利申请公开2008/0277939公开了多种线性发电机，其内容结合于此作为参考。

对于提供一种能够经济地且有效地操作来提供电能的磁电机的尝试仍在继续。在具有如此广泛应用的磁场来进行工作的情况下，仍存在对于提供一种有效的方式来增强使用可利用的磁力的已知机器的操作性的需求，用于提升电能效率并增加诸如电机的设备的功率输出。

发明内容

本发明使用具有北极和相对的南极的可旋转永久磁铁，其可以绕轴线旋转并位于两个相对的磁极之间。限定为通常平行于轴线的直线运动的梭板可以包括固定至梭板的第一和第二固定永久磁铁，其中，可旋转永久磁铁承载在它们之间。第一和第二固定永久磁铁的每一个均具有北极和相对的南极，轴线在两个磁极之间延伸。永久磁铁被安置以使可旋转永久磁铁的旋转交替引起第一和第二固定永久磁铁的排斥和吸引，并因此引起梭板的直线往复运动。

附图说明

为了更充分地理解本发明，结合示出本发明的多个实施例的附图作为参考进行以下详细描述，其中：

图1是本发明的一个实施例的局部立体图；

图2是图1的实施例的局部俯视图，其示出了其他部件；

图3是本发明的替代实施例的左前向立体图；

图3A是图3的实施例的一部分的局部正视图，其示出了可旋转永久磁铁的理想取向和旋转；

图4是图3的实施例的左后向立体图；

图4A是示出图4的装置邻近线性发电机的部分的局部放大图；

图5是图3的实施例的俯视图；

图5A是图3的实施例的侧视图；

图6是永久磁铁的右前向立体图，永久磁铁位于用于磁场聚焦的模座(shoe)内；

图6A、图6B、图6C分别是图6的实施例的正视图、侧视图和俯视图；以及

图7、图8和图9分别是本发明的另一个实施例的立体图、俯视图和侧视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的优选实施例。然而，本发明能够以很多不同的方式实施并且不能理解为局限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例以便于本公开的彻底和完整，并向本领域技术人员更全面地传达本发明的范围。相同数字自始至终表示相同元件，并且撇符号用于表示替代实施例中的相似元件。

首先参照图1，符合本发明教导的用于运动转换的一个实施例(以实例形式说明)在此描述为包括可旋转永久磁铁12的装置10，永久磁铁12具有北极14和相对的南极16，两个相对的磁极在平面18内对齐。可旋转永久磁铁12绕轴线20旋转，轴线20在平面18内并位于相对的两个磁极14、16之间。梭板(shuttle)22限定为通常平行于轴线20的直线往复运动24。可旋转永久磁铁12安置在第一和第二固定永久磁铁26、28之间，固定永久磁铁26、28固定至梭板22的相对的第一和第二侧30、32。第一和第二固定永久磁铁26、28的每一个均具有北极34和相对的南极36，轴线20在它们之间延伸。磁铁被安置以使可旋转永久磁铁12的旋转交替与第一和第二固定永久磁铁26、28的排斥和吸引相一致，并且与梭板22的直线往复运动24相一致。

然而，本领域技术人员应当想到，转换运动方向可包括将直线运动转换为旋转运动以及将旋转运动转换为直线运动，当将旋转运动转换成直线运动时，本文所述的本发明的实施例(以实例形式说明)旨在提高效率。更具体地，再次参照图1同时参照图2所展示和描述的可旋转永久磁铁可利用电机驱动装置38使其旋转，影响固定永久磁铁26、28的直线运动和梭板22的直线往复运动24。对于本文所述的实施例，电机驱动装置38包括电动机，但是应当理解，还可以使用其他已知的驱动装置而不偏离本发明的教导。

继续参照图1和图2，尽管可以使用单个可旋转永久磁铁12，但是可取的改进包括至少两个相对的可旋转永久磁铁12a、12b。轴42通过电机驱动装置38绕轴线20旋转。

现在参照图2，装置10进一步包括第一和第二减震器44、46，固定至梭板22的相对侧30、32。每个减震器44、46都在往复运动期间承受梭板22的撞击力，并且每个减震器都通过克服梭板22提供的惯性吸收撞击力并向梭板传送反冲力。

继续参照图1和图2，在梭板22的往复运动24期间，可旋转永久磁铁12a、12b与固定永久磁铁26、28的相对面12f、26f、28f呈间隔关系，从而形成的间隙48所具有的尺寸在往复运动期间在0.045英寸(在梭板22的第一极限位置50处)至1.17英寸(在第二相对的极限位置52处)范围内变化。此外，正如再次参照图1所描述的，当第一固定永久磁铁26的磁极34、36与第二固定永久磁铁26的磁极34、36的相位差180度时，会产生效率增益。

继续参照图1和图2，导板54可滑动地容纳梭板22，用于维持平行于轴线20的直线运动24的取向。本文参照图1和图2所呈现的导板54包括多个支座56。线性发电机58与梭板22协作用于产生电能，该电能通过梭板的直线运动24产生。当使用电动机40时，适当的是测量线性电动机58的电力输出60并将其与到达电动机的电力输入62比较，以此作为对装置10的效率的测量。

当使用多个永久磁铁对时，效率被示出会增加。本文通过实例示出的一个实施例通过参照图3至图5的装置10A示出，装置10A用于将由电动驱动装置38提供的旋转运动转换成梭板22的直线往复运动。装置10A在此描述为包括底座64和固定至底座的电动机40。电动机40固定至底座64并绕着其轴线(与轴线20相一致)旋转驱动轴66。多个副轴68由固定至底座64的支架70可旋转地承载。正如在此通过实例所描述的，使用了四个副轴68。每根副轴68均具有其自身的端部72、74，其穿过支架70的第一和第二侧76、78延伸。齿轮组80在驱动轴66和多个副轴68之间是可操作的，用于被驱动轴旋转。多个可旋转永久磁铁12附接至多个副轴68。每个可旋转永久磁铁12都由副轴68的每个端部72、74承载，用于被其各自的副轴旋转。支座56附接至底座64并且梭板22由支座可滑动地引导以用于通常平行于轴线20的直线运动24。多个固定永久磁铁26、28固定至梭板22，其中，固定永久磁铁安置在梭板上用于与副轴端部处承载的协同工作的可旋转永久磁铁交互作用。以实例进行说明并继续参照图5，固定磁铁26A的磁场与可旋转磁铁12A的磁场交互作用、磁铁26B的磁场与磁铁12B的磁场交互作用、磁铁28A的磁场与磁铁12C的磁场交互作用、磁铁28B的磁场与磁铁12D的磁场交互作用等用于平衡装置10A中使用的磁铁。

正如在图1和图2中对装置10的描述，通过电机40使可旋转永久磁铁12旋转会引起固定至梭板22的固定永久磁铁26、28的排斥和吸引，从而为梭板提供直线往复运动24。

对于装置10A，位于支架70对侧的减震器44、46固定至底座64，在往复运动24期间，每个减震器可用于承受梭板的撞击力并限制运动。正如再次参照图4和图5并参照图4A的局部放大图所示出的，线性发电机58具有可移动轴82，该轴附接至梭板22的延伸部84，在此使用支架84A实现附接操作。

正如参照图1的实施例所描述的，期望使得每个可旋转永久磁铁被副轴68(在相对的北极和南极之间延伸)旋转，并且正如参照图3A所描述的，期望使得支架每侧上的多个可旋转永久磁铁的磁极彼此相对，即北极对应北极、南极对应南极。同时，通过一个示例性操作，在往复运动24期间，梭板和磁铁使得间隙48从0.045英寸(在梭板的第一极限位置处)变化至1.17英寸(在第二相对的极限位置处)。此外，固定永久磁铁26、28相对于它们的极性彼此优选相差180度。

从操作一对相对的磁铁(正如通过实例参照图1描述的图3A的一个示例性的一个象限)的实施例向操作两个象限(正如再次参照图3A描述的相对的磁铁对)的实施例的转变实现了效率的提升，其中，当转变为操作四个象限(正如参照图3A所描述的并且在本文中描述为图3至图5的实施例，该实施例为以实例形式示出的当前优选实施例)时，实现了可衡量的效益增益。增效源于上面所描述的磁铁对的布置方式。通过使用减震器44、46可实现进一步的提升，该减震器具有从三至一的压缩变化。通过另外的实例，装置10A的一种操作在具有梭板振荡、直线往复运动24、500转/分、从1.125英寸至0.03英寸变化的梭板振荡间隙48的特性下运行已经示出了期望的结果。得益于本发明的教导，本领域技术人员会想到其他特性。

正如参照图3至图5并参照图6和图6A至图6C所示出的，形成模座86的磁性聚焦材料位于磁铁12、26、28周围，用于影响由每个固定和旋转的永久磁铁产生的磁场。磁铁12、26、28由包括钢板88的模座86承载。已经发现，在操作期间，位于磁铁周侧的钢板88的使用在固定的和旋转的磁铁之间提供了理想的聚焦磁场和增强的场效应。如图所示，一个实施例被示出通过暴露磁铁12、26和28的最顶端侧部12A、26A、28A并通过板88封装前部和后部12B、26B、28B而在增强磁场交互作用方面是行之有效的。此外，用于覆盖磁铁的前部和后部的板88的下部88A呈曲线形向下朝向模座86的底座部分89。本文所述旋转磁铁的使用为所有使用的磁铁产生了持久的磁场强度。

正如参照图7至图9的另外的实例所描述的，可以构造出替代实施例同时保持处于本发明的教导之内，同时正如所示出的，通常使用相同参考标号表示前述相同的元件。

继续参照图7至图9，前面参照图1描述的导板54可包括用于滑动地容纳梭板22的导轨90，用于维持平行于轴线20的直线运动的取向。正如在此通过实例所描述的，导轨90安装至底座64，从动臂92安装至梭板22的后板94，用于在从动臂在导轨内沿着轨道行进的情况下为梭板提供平稳的直线运动。因此，磁铁保持理想的对齐。

得益于前述说明书和相关附图所提及的教导，本领域技术人员会想到本发明的很多变型和其他实施方式。因此，应当理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，并且变型和其他实施方式也包括在附属权利要求的范围之内。

Claims (26)

1.一种装置，包括：

可旋转永久磁铁，具有北极和相对的南极，所述北极和所述南极在一个平面内对齐，所述可旋转永久磁铁绕着在所述平面内并位于相对的磁极之间的轴线旋转；

梭板，限定为基本平行于所述轴线的直线往复运动；

第一固定永久磁铁和第二固定永久磁铁，固定至所述梭板，所述可旋转永久磁铁承载在所述第一固定永久磁铁和所述第二固定永久磁铁之间，所述第一固定永久磁铁和所述第二固定永久磁铁中的每一个均具有北极和相对的南极，所述轴线在所述北极和所述南极之间延伸，永久磁铁被定位为使得所述可旋转永久磁铁的旋转交替与所述第一固定永久磁铁和所述第二固定永久磁铁的排斥和吸引相一致，并因此与所述梭板的所述直线往复运动相一致。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括操作所述可旋转永久磁铁用于提供绕其轴线的旋转的电机驱动装置。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括固定至所述梭板的相对侧的第一减震器和第二减震器，每个减震器都用于所述梭板的往复运动期间承受所述梭板的撞击力，所述第一减震器和所述第二减震器中的每一个均可以与所述梭板协作以用于克服所述梭板提供的惯性并用于向所述梭板提供反冲力。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括与所述梭板协作以产生电能的线性发电机，所述电能由所述梭板的所述直线运动产生。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述可旋转永久磁铁与所述固定永久磁铁的相对面在所述梭板的往复运动期间呈间隔关系，由此形成的间隙的尺寸在所述往复运动期间在0.045英寸至1.17英寸的范围内变化，其中所述梭板的第一极限位置为0.045英寸，第二极限位置为1.17英寸。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括可滑动地容纳所述梭板的导板，用于维持与驱动轴的轴线平行的所述直线运动的取向。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一固定永久磁铁的磁极与所述第二永久磁铁的磁极的相位差为180度。

8.一种装置，包括：

电机驱动装置，可用于使第一轴绕其第一轴线旋转；

多个第二轴，每一个都可绕第二轴线旋转；

联接器，在所述第一轴与所述多个第二轴之间，可操作地使所述多个第二轴绕着各自的第二轴线旋转；

多个可旋转永久磁铁，与所述多个第二轴协作，所述多个可旋转永久磁铁中的每一个均由位于一个平面内的北极和相对的南极限定，所述多个可旋转永久磁铁中的每一个均通过所述第二轴绕着在所述北极和所述南极之间延伸的所述第二轴线旋转；

梭板，可滑动地被承载以用于基本平行于所述第一轴线的直线运动；以及

多个固定永久磁铁，固定至所述梭板，

其中，相对的固定永久磁铁位于所述梭板上，用于与被每一个第二轴承载的各自相对的可旋转永久磁铁交互作用，

其中，所述固定永久磁铁中的每一个均由位于一个平面内的北极和相对的南极限定，

其中，所述可旋转永久磁铁与所述固定永久磁铁沿着所述第二轴线对齐；以及

其中，所述可旋转永久磁铁中的每一个绕着其对应的第二轴线的旋转引起固定至所述梭板的所述固定永久磁铁的排斥和吸引，从而为所述梭板提供直线往复运动。

9.根据权利要求8所述的装置，还包括在所述梭板的往复运动期间用于承受所述梭板的撞击力的减震器，所述减震器克服了由所述梭板提供的撞击力并为所述梭板提供反冲力。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述减震器包括第一减震器和第二减震器，并且所述第一减震器被定位为承受所述梭板沿一个方向的运动所产生的撞击力，所述第二减震器被定位为承受所述梭板沿相反的第二方向的运动所产生的撞击力。

11.根据权利要求8所述的装置，还包括与所述梭板协作用于产生电能的线性发电机，所述电能由所述梭板的所述直线运动产生。

12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述可旋转永久磁铁与所述固定永久磁铁的相对面在所述梭板的往复运动期间呈间隔关系，由此形成的间隙的尺寸在所述往复运动期间在0.045英寸至1.17英寸的范围内，所述梭板的第一极限位置为0.045英寸，第二极限位置为1.17英寸。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述多个第二轴包括四个副轴，因此多个永久磁铁包括八个可旋转永久磁铁和八个固定永久磁铁。

14.根据权利要求8所述的装置，还包括可滑动地容纳所述梭板的导板，用于维持与驱动轴的轴线平行的所述直线运动的取向。

15.根据权利要求8所述的装置，其中，位于所述第二轴的相对端上的所述固定永久磁铁关于它们的极性彼此间相差180度。

16.根据权利要求8所述的装置，还包括被定位为影响由至少一个永久磁铁产生的磁场的磁性聚焦材料。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述磁性聚焦材料包括钢护套，所述钢护套围至少围绕永久磁铁的一部分延伸。

18.一种用于将旋转运动转换成直线往复运动的装置，所述装置包括：

底座；

电机，固定至所述底座，所述电机可用于旋转驱动轴，所述驱动轴可绕其轴线操作；

支架，固定至所述底座，所述支架具有相对的第一侧和第二侧；

多个副轴，被所述支架可旋转地承载，所述多个副轴的每一个均具有端部，所述端部穿过所述支架的第一侧和第二侧延伸；

齿轮组，在所述驱动轴和所述多个副轴之间可操作地通过所述驱动轴旋转；

多个可旋转永久磁铁，附接至所述多个副轴，所述多个可旋转永久磁铁的每一个都承载在所述多个副轴的每一个的端部承载用于旋转；

梭板，被所述底座可滑动地承载以用于基本平行于所述驱动轴的轴线的直线运动；

多个固定永久磁铁，固定至所述梭板，一个固定永久磁铁位于所述梭板上用于与在所述副轴的端部处承载的可旋转永久磁铁交互作用，并且所述可旋转永久磁铁通过所述电机的旋转引起固定至所述梭板的所述固定永久磁铁的排斥和吸引，从而为所述梭板提供直线往复运动；以及

第一减震器和第二减震器，在所述支架的相对侧固定至所述底座，所述第一减震器和所述第二减震器的每一个都在所述梭板的往复运动期间承受所述梭板的撞击力并限制所述梭板的运动。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述多个可旋转永久磁铁的每一个均通过所述副轴绕着在相对的北极和南极之间延伸的旋转轴线旋转，位于所述支架的每一侧上的所述多个可旋转永久磁铁具有北极对北极、南极对南极的彼此相对的磁极。

20.根据权利要求18所述的装置，还包括响应于所述梭板的直线运动来产生电能的线性发电机。

21.根据权利要求18所述的装置，其中，所述可旋转永久磁铁与所述固定永久磁铁的相对面在所述梭板的往复运动期间呈间隔关系，由此形成的间隙的尺寸在所述往复运动期间在0.045英寸至1.17英寸的范围内，所述梭板的第一极限位置为0.045英寸，第二极限位置为1.17英寸。

22.根据权利要求18所述的装置，还包括可滑动地容纳所述梭板的导板，用于维持与驱动轴的轴线平行的所述直线运动的取向。

23.根据权利要求18所述的装置，其中，位于所述副轴的相对端上的所述固定永久磁铁关于它们的极性彼此间相差180度。

24.根据权利要求18所述的装置，还包括定位为影响由所述固定永久磁铁和所述可旋转永久磁铁产生的磁场的磁性聚焦材料。

25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述磁性聚焦材料包括封装所述固定永久磁铁和所述旋转永久磁铁的至少一部分的模座，并且磁铁的前侧和后侧都封装在所述模座内而暴露所述磁铁的相对侧部的上部。

26.根据权利要求24所述的装置，其中，所述模座包括覆盖所述磁铁的前侧和后侧的钢板，并且所述钢板的下部为曲线形，从而所述磁铁的端部处的钢板材料少于邻近所述端部的钢板材料。

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