CN103378768A - 法向磁力电机 - Google Patents

Abstract

法向磁力电机属电力工程技术领域。它与法拉第原理发明的旋转电机(前者)不同：前者定转子的力矩是均匀气隙里的切向磁场张力所为。它是不均匀气隙里法向磁场张力所为；前者需转轴、轴承及其支承；它的转子由定子面或转移面支承，法向磁场张力能使转子在支承上作无滑动地滚动——摆线运动，不需要转轴而可直接从转子上获取快速公转小力矩及慢速自转大力矩。说明书介绍法向磁力及力矩计算、结构特点及实用前景。它有能引生许多发明的原创特征；开辟了一条与前者不同的电机发展蹊径，具开拓性。它与前者本应是文明所孕的双胞胎，晚生了一百多年，与前者有不同的体征与能力，更适应信息化和环保节能要求，所创的方法和原理还可供相关方面借鉴和利用。

Description

法向磁力电机

法向磁力电机属电力工程技术领域。

法向磁力电机包括法向磁力电动机和法向磁力发电机，它是与法拉第电动实践所发明的、迄今所有电机不同的旋转电机，是一种用全新方法和结构原理制造的电机。先介绍电动机部份。

前言：

180多年前从法拉第电动实践的思路框架下发明的迄今所有电动机的定转子之间均匀空气隙里都同时存在着切向磁场张力和法向磁场张力。法拉第电动实践只利用并只能利用了切向磁场张力。为叙述方便可把迄今所有电动机统称为切向磁力电动机(下称前者)；本案电动机是利用在定转子之间不均匀空气隙里的法向磁场张力并简称法向磁力电动机(下称后者或它)。因此，两者原本就应该是自然界赋予文明人类的一个双胞胎。180多年前法拉第在接生前者时必须得体地用“夫人，新生婴儿又有什么用？”来回答贵妇人的质疑。后者则多孕了180多年。现代文明技术已可预告，这个即将出生的婴儿将也是很漂亮的，它天生就有非凡的神力和敏捷的反应能力，现代技术能使它快速成长。它还希望能出生在具有指南针古代璀璨文明底蕴并在共产党正确领导下的正在改革开放进程中的中国。希望国人共同努力来接生这个婴儿吧！

背景技术：

很快，法拉第电动实践上升为理论：法拉第电动机原理与左手定则；法拉第发电机原理与右手定则成为经典并传学至今。由于它形象易记而铭刻在后学者的脑海中。电机学理论也就在这个实践的基础上日臻完善。但是老师一直未能对学生的提问给予满意的解答：1.封闭槽里的载电流导线怎样去切割磁力线的？2.究竟是铁心带动槽子里的载电流导线转的还是载电流导线带动铁心转的？……。由于电与磁、磁与电的形影不离，现在在此可以说：法拉第电动实践只是停留在电动现象上，及以后创建的理论在相当长的历史时期内一直停留在这一层面上，一直没能深入到磁动本质的研究上，加上法向磁力在前者里的坏表现而一直处于被防治的处境，造就了前者一枝独秀的局面。历史也证明了法拉第接生的这个婴儿非常漂亮，并成长成转子宜秀长的靓女。为资本主义社会第二次工业革命奠定了技术基础，所繁衍的子孙遍布世界各个地方，出了汗马之力，立了不朽功勋。她在人们心目中近乎完美，使得其胞兄法向磁力电机一直不得出生。

但是，当今社会进入后工业化时代，踏进信息化社会文明的门槛时：发现前者转子的电流(在此不妨把它称为法拉第的胎记——电流)，不符合信息化控制要求。于是发明了步进电动机和永磁转子电动机、磁阻电机，并为了使结构简单可靠性高的异步电动机转子上的电流符合信息化需要而进行计算机信息化处理控制。为此人们已花出了并正在继续投入大量的脑力、体力、物力、财力，出现了诸如速度控制、位置控制、向量控制、模糊控制……等诸多不同算法的计算机控制。但这些算法和控制的目的都是同一个：就是使异步电动机转子电流所产生的磁场与时刻变化着的定子磁场正交，达到直流电动机状态。人类智慧已经在解决这个问题，但为此已花出了沉重的代价，并且为控制这只电动机所需的控制器的价格远远高出了电动机的价格。由此可见法拉第胎记的转子电流带来了大麻烦，但法拉第胎记转子电流是不可或缺的，它是产生转子转矩的重要依据之一。有些学者还把永磁转子上的永磁磁势折合成转子的电流来解说和计算力矩，可见法拉第思维框框的惯性有多大！与永磁转子相比异步电动机转子上电流的电损耗还几乎占电动机总损耗的一半，它显然已不满足21世纪的节能要求。人们习惯于用已有技术来满足节能要求，于是把铝鼠笼改为了昂贵的铜鼠笼等小改小革。转子不要电流也不要永磁铁的电动机也已经在服务于21世纪的信息社会，它就是属于磁阻类电动机的步进电动机……等。但是这些电动机的发明思路仍旧属于法拉第思路的框框，它们都因为步距角限制而做不大、力不足。

到此，法向磁力电动机的出生已有了社会的需求，并且现代文明技术已可预告这个推迟了180多年出生的婴儿是什么样子的，他将有一张简洁而明朗的脸，会成长成魁矮的帅男。在其转子上不需要法拉第的胎记——电流，因此不要任何导线和绕组，也不需永磁铁，也不需要开槽，转子上还不要传统的转轴。因而也就不要轴承及轴承的支承，能特立独行地在定子里转动，而且在这个转子上有二个动力源可供利用：这不是像久孕于娘胎的哪吒出生了吗？说得神了点吧！不过你若看下去，相信其将会是真的；而且这个转子材料并不特殊，只要用廉价的电工纯铁或低碳钢就行。而且往后你还可知道这个转子适宜做成扁圆形，与前者转子的秀长圆形刚好相反，也因而预告他将成长为魁矮的帅男。法向磁力电动机的出现将补充切向磁力电动机的不足之处：使电机世界更加丰富而多彩，更满足21世纪节能环保的要求。

为了避免本案技术方案太打破常规而显得突愕，因生怀疑而影响看阅，为了让阅者易于与述者的思路共鸣，还是从本技术方案的产生过程说起。

从小就受到教育的中国儿童都会为古代四大发明之一的指南针而无比自豪，因而从小就会千方百计找来磁铁玩弄。述者小时候是在悲境中看到风水先生手里的这一根定坤神针的，印象比较深刻，它时时会晃动着浮现在脑海中。当学到法拉第的伟大发明又会崇敬这位洋人，但是当看到显极直流电动机的旋转演示时：明明看到的是二块磁铁在相互作用，非常直观简单。为什么法拉第非得用他的一套实验要你用左手来比划着看不见的电流和磁力线来解释其转动原理呢？显极直流电动机转子电流的换向只是为了改变磁极的极性，不是只有极性改变了才能继续使磁铁的极相互作用而循环往复地转动下去吗？随着学历的增长，学生所普遍存在的前面所提到的二个问题，老师始终未能给予令人信服的清清楚楚、明明白白的因果解释，总觉得是绕着一个无形的怪圈从起始点兜了一圈回到始点在解释。阅者也一定经历过类似的困惑和同感。当你学会分析方法后，就会提升玩弄磁铁的水平，不再会如儿时的糊弄，而是会用分析的方法来比较二块磁铁的不同方式的相互作用了：明明白白二块磁铁若异极性相互作用时有二种情况：一是面对面相互作用；二是侧面对侧面相互作用。面对面相互作用(实际上就是本文说的法向磁力方向)时吸引力非常强大，且越近越大，近到相互吸牢时力大到用手掰都掰不开来。当你把二个面相互错开作用时。此时还得用力小心不让相互吸牢，它会被拉回去，拉回去的力(就是本文所说的切向磁力)达到一定位置时会最大，然后越远越小到零；两个面不错开时作用力也为零。法拉第思路发明的电动机不就是利用也只能利用这种较小的切向磁力吗？随着学历的增长，知道了在法拉第的切向磁场电动机里的法向磁力毫无用处反而起坏作用，因此电机界给了它一个单边磁拉力的名称而一直受到防治。因而历来只能孤单单地用在电磁铁形式上，而没有出现其他用处的文献报道；述者想到，它具有非凡的能力，却永无出头之日出来为人类服务而一直非常怜惜；同时辩证法关于：只要有适宜的条件坏的也会表现出好的来的信念，相信人类智慧最终会找到适宜于法向磁力向好的方向转化的条件的。所以这些困惑和信念就会持续并使你不懈的努力和期待，也曾试过在法拉第思路框架下利用法向磁力的技术方案，但分析到后来因都无先进性而被否定掉。在某个特定的天时、地利、人和的条件下，灵感不负有心人终于突然降临了：只要抛弃切向磁力电动机思路的框框(这个框框实际是引用人类技术文明所建立起来的旋转框架)，只要大胆地把法拉第电动机的转子上的转轴、轴承及轴承的支承统统抛弃，让转子铁心自由地放在定子铁心里直接由与其相接触的定子铁心支承面来支承(后来分析，也可以用转移支承面的方法来支承)，这样均匀空气隙就变成了不均匀空气隙，这不就成了法向磁力用武之地的舞台了吗！而且这个不均匀空气隙里只存在法向磁力没有切向磁力，以后就用不着担忧切向磁力也会在法向磁力电机里起坏作用(相反，以后分析可知：可以让它有条件的以好的作用方式出现)。为了便于阅者理解和实审专家易于实审这个大胆看似非常简单而实质非常重要的新技术方案的出现，相信它确实是符合新颖性、创造和实用及先进性的。暂时只改变大家见惯的异步电动机的转子结构，使它变为一个上面没有法拉第胎记电流，因而不需任何导线和绕组，也不要永久磁铁，也不要像步进电动机上要开槽，而只要一个光溜溜的圆盘，而且其材料也只要用廉价的电工纯铁或低碳钢来制造。暂时可以不改变感应电动机的定子结构，只要对定子上有序排列三相定子绕组，逐相通以有序的三相单向电流，就会在不均匀空气隙里产生不均匀的磁感应强度Bδ，转子铁心被磁化而有序地被定子铁心吸引而在定子铁心里转动起来。[往后分析可知Bδ就产生法向磁力而转子在法向磁场力作用下在定子铁心母线(面)上作摆线运动，因而转子上就具备有两个旋转力矩：一个是快速公转小力矩、一个是慢速自转大力矩，用现有技术就能方便地获取利用它]。

上述的新方法新原理很简单直观吧，它比法拉第要用左手定则来比划的原理更简单明了吧，它也显示了不同于西方文化的东方文化，符合大道至简至易的原则。接着设法用内定子外转子形式做了一个验证上述法向磁力电动机原理可行性的试验模型。试验证实能预期的强劲有力地转动起来。这样就坚定了深入研究下去的信心和决心。当后来看到了我国权威著作新版《电机工程》手册上，已经与时俱进地把旋转电机的基本旋转原理改写成是定子和转子间均匀空气隙里的切向磁场张力使转子旋转的时，心里就更有了底，因而鼓足了深入研究的底气。为了不失新颖性，单枪匹马在近乎保密的状态下进行着。经过长期大量的磁路手工计算，算出了力矩曲线后，在理论原理上已无大问题了，为此又设计制造了一只如说明书中图8的试验模型机。这个模型机也能顺利地转动起来，但是由于制造精度不够，造不好与之配合的传动件而无法进行传动试验及测试，由于没有能力制造样机，更怕就会在制造样机和测试中失密而丧失新颖性；由于早已步入高龄，后来又觉得这是一个原创大发明，它不是一个高龄老头一手能完成的；也觉得研究已经过几十年的铸锻和磨砺，已达到可供实审的程度了。故决定用申请专利的办法来得到大家的认可。通过实审专家的审查而早日面世，让法向磁力电机能尽快产业化，为二十一世纪的节能环保服务。同时本案首创的法向磁力摆线运动技术方法和原理将开辟一个新的科技研究领域，打开一个充满发明的宝库，将可与法拉第的原创发明相媲美，将会为专利局带来大量的发明专利，因此本发明的意义也应该是非同一般的。

法向磁力电机技术方案。

图1是本案基本结构原理图，图中1转子、2定子、3定子绕组，O₁为转子圆心，r₁为转子外半径。转子上有一个中心小孔和6个均匀分布的小孔；O₂为定子园心，r₂为定子铁心内半径。转子自由地放在定子内。这是一种常见的外定子内转子结构。本案自然也可以制造成不常见的内定子外转子结构。二者运转原理相同，本案重点介绍图1基本结构原理的电动机。

图1结构原理的电动机与传统结构的电动机不同之处在于：转子不要转轴，因而也不要轴承及其支承(如端盖或轴承座)，转子自然地放在定子铁心里，由定子面支承(以后叙述它也可以用转移支承面支承)，定转子之间的空气隙呈两边对称不均匀的空气隙(与迄今所有电动机的必须保持均匀空气隙相反)。前面已经介绍这是为强大的法向磁力出来为人类服务创造条件所搭的舞台。它是对传统电动机的传统思维的一个重大的改革。接着转子上也就不要法拉第的胎记——电流，因而不要任何导线和绕组，也不要永久磁铁等，也不要像步进电动机那样转子上要开槽。光溜溜的非常漂亮。利用现有成熟技术就能从中心小孔获取快速公转小力矩；从六个均匀分布小孔上获取慢速自转大力矩。之所以能作如此重大的改变，是因为采用了与法拉第电动实践、原理及左手定则不同的——本案命名为法向磁力摆线运动的方法(往后也可上升称为原理)。

由此可见，本技术方案是刻意利用法向磁力来制造电动机，而且其空气隙里只有法向磁力没有切向磁力，而且是利用其固有面对面相互作用能产生巨大吸力(或斥力)的基本能力。故而原理就非常简单更直观明了，因此其结构也可以说简单到了极点。往后阅可知，正是其简单基本和原始，它就可以适应和变化无穷应用到许多场合，用它来制造电动机只不过是一个方面的应用罢了。而且往下阅可知，它却是要解决技术问题较多的一个应用。在这里可以说在历史上，在本技术方案公开之前法向磁力的工业应用，只有应用在电磁铁的形式上。扩大应用范围必须借助本技术方案中的摆线运动。实际上摆线运动也是自然界一种基本运动形式，普遍存在。但在本技术方案公开之前，它一直没有得到人类的开发利用。本技术方案一举二得地实现了二个首创应用，其意义肯定会非同一般的。而且法向磁力和摆线运动本身都各自有多种形式而变化无穷，因此法向磁力与摆线运动相结合的方法或者可以说原理，将开创一个新的技术领域，从此人类文明将会用这个新的旋转框架——真正意义的无轴承旋转框架而且是可以应用到超高速和超低转速的一个免维护、长寿命的新的框架，应用将无法估量。无疑地它将打开一个发明的宝库；请阅者和实审专家能注意到这点。写到这里，阅者阅到这里，就会自然得下面的结论：法向磁力电动机，只不过是一只利用法向磁力使转子作摆线运动的电动机罢了。所以下面先要简要介绍一下摆线运动，然后再叙述法向磁力产生的方法、力大小的计算和它如何能使转子作摆线运动、力矩的计算。并简略举例几点应用，优缺点和可能还会出现的技术问题及相应对策。阅后可知，用本案首创的技术方案来制造通用电动机只不过是它的一个方面的应用罢了，但它却是要解决技术问题最多的一个方面的应用。

学过摆线和摆线运动的都知道，图1中转子在定子内作摆线运动可以简化为图2的摆线运动原理图。O1动园在O2母园上作无滑动的滚动时，就说O1在O2上作摆线运动。图2中O₁为O1园的园心，r₁是O1园的半径，相当于转子铁心的外半径；O₂为O2园的园心，r₂为O2园的半径，相当于定子铁心的内半径。它早已有用下面的(1)式来计算转子公转与自转的速比计算公式(1)

$S_{\mathrm{bn}}=\frac{(-)r_1}{r_2-r_1}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

式中(-)表示自转方向与公转方向相反，图2中e＝r₂-r₁称为偏心值(率)。

或者O2园作为动园、O1园作为母园，O2套在O1上作无滑动的滚动，即相当于电动机为不常见的外转子内定子形式，其公转与自转的速比可用下面(1’)式来计算。

$S_{\mathrm{bw}}=\frac{r_2}{r_2-r_1}\·\·\·\·\·\·\left(1^{,}\right)$

下面介绍法向磁力的产生方法以及它为何能使转子作摆线运动的。

见图3、图4、图5，图3是图1的简化切面图，为了便于理解和说明，定子沿用三相感应异步电动机的定子结构，其上均布着6个槽和相应的6个线圈：1-1、2-2、……6-6，r₂为定子铁心的内园半径，r₃为外园半径；r₁为转子铁心外园半径，P点为O1园与O2园的接触点也可称为两园的切点，P点处的空气隙为零，在P点两边对称分布着变值空气隙，其值用δ表示，δ由0°的零值变化到180°的最大值，为近似计算，把O2园作5°等分(相应O1园也做5°等分，图上未标)。作O2与P的联线，O2园上每点与O2园心的联线与O₂P之间组成的夹角用αx来表示，通过几何和三角关系，就可以用下式(2)来计算αx处的O2与O1园之间的空气隙值δαx。当r₁与r₂相差不大时，此值与真值的误差很小很小，已满足工程计算的需要

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\αx}}=\sqrt{{r_2}^2+{(r_2-r_1)}^2-{2r}_2(r_2-r_1)\cos \mathrm{\αx}}-r_1\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

图3线槽中·和×表示电流方向，图示为1-1、2-2在通电，1，2槽中的电流流入纸面。

图4表示6个线圈按图示接在相应的三相桥式整流的桥臂里，图5是三相桥式整流原理，6个整流二极管及线圈轮流导通的时序。当图4接上50Hz三相市电后，在6个线圈里会按图5有序地轮流通电。看图3所示为1-1、2-2线圈在通电，也就是图5中z₁、z₂二极管导通，接着就会z₂、z₃二极管导通2-2、3-3线圈通电……以此类推，循环往复。假定1-1、2-2线圈通电时转子铁心保持与定子铁心在P点接触不动，因此就有一个确定的磁路，当磁化力IW确定之后，各点的δ_αx空气隙的磁感应强度Bαx值就可以计算出来，本案用凑算法手工计算，一般都会，现代已有电算法，能方便快捷地计算出来。在算出Bαx后，磁吸力就可以用下式(3)计算出来：

$\mathrm{F\αx}=39.2\×{\left(\frac{\mathrm{B\αx}}{10000}\right)}^2\mathrm{S\αx}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

式中单位：Fαx(牛顿·N)；Bαx(高斯·G)；Sαx(面积·cm²)

由于是变值空气隙，为减少计算量，可用工程里常用的近似算法，如图3所示作5°等分，并认为在5°范围内的Bαx(3)式中的

就是长度为L的转子铁心5°的圆弧面积。单位都是用厘米和平方厘米。由图3可知αx是相当于O2园而言的，相对于O1园应该是βx。由于r₁与r₂相差很小，故在近似计算中仍可以用αx计算，当r₂与r₁相差较大，则需修正计算。

大家都知道在这种不均匀的空气隙里，各点的Bαx虽然不同，但各点的磁力线总是一端垂直于O2圆弧，一端垂直于O1圆弧，磁力线方向表示磁场张力的方向，因此磁场张力都是垂直圆弧而指向转子园心O₁的法线方向，因而其合力也必指向O₁园心，这就是本案命名的法向磁力电动机的原因，至此可见，在本案不均匀空气隙里只单纯地存在法向磁力，是定子对转子的法向磁力把转子向定子吸引的。

通过上面叙述之后，就可以把同一个电流转换的区间内，如图3所示在P点接触不动时，把不同位置的5°范围内的转子弧面上的Fαx计算出来，再按常规力学方法计算合力和分力，如图3所示建立随P点运动的直角坐标系，P点不动时，直角坐标系是不动的，这样可以把各5°处的Fαx分解为Fxαx＝Fαx×sinαx及Fyαx＝Fαx×cosαx，把x轴方向的各分力合成为∑Fxαx＝∑Fαx×sinαx及Y轴方向的分力合成为∑Fyαx＝∑Fαx×cosαx，则在切点P的总 $\mathrm{Fp\αx}=\sqrt{{\left(\mathrm{\ΣFx\αx}\right)}^2+{\left(\mathrm{\ΣFy\αx}\right)}^2};$ Fpα与Y轴的交角为 ${\mathrm{\α}}_p=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\ΣFx\αx}}{\mathrm{\ΣFy\αx}},$ 这样在P点为接触点时，作用于O₁园心的Fpα力，就可以看为作用X轴方向的一个分力，以及一个作用于Y轴方向的分力，O₁按此二力方向运动，Y轴方向因受O₂约束的反作用力N＝-∑Fyαx不能发生运动，由于P点O₁与O₂接触之间存在摩擦因数f，故有摩擦力F＝N·f，故O1园在P点不能在发生运动。因此O1园此时只能发生在以P点为园心的转动，这样就势必使O1园在O2园上发生滚动，P点马上跟着变化到邻点P’，前已假定5°弧长内Fxαx不变，故在此条件下连续变换到下个5°的P’点，再按此处的磁路计算新的Fpαx以及Fxαx、Fyαx及αp……这就可以看到∑Fxαx力是使O1不断滚动的力，∑Fyαx是使O1园紧紧地贴着O2的力，这样法向磁力就能使O1在O2园上作无滑动地滚动下去，直到在某个P点∑Fxαx＝0(∑Fyαx为最大)为止。这个位置就是O₁P线处在通电线圈的磁极中心线位置。如果刚到此位置时，线圈中的电流已经向下个位置转换，则O1就会一直滚动下去，这样O1就会在O2上作摆线运动。在摆线运动分析中通常可以把P点作为瞬心，详细分析摆线运动就要应用瞬心法。

按此方法，把图3所示的各5°处P接触点的Fpαx及其分力∑Fxαx、∑Fyαx都计算出来并列表记录。然后以1-1，2-2线圈槽电流为中心线，把O2园切开，并展平为X轴，X轴上以5°为单位进行标尺，槽电流中心线为Y轴，以牛顿为单位标尺，画出直角坐标，然后可以分别把各5°点力标记到图上，再把各点用光滑曲线连接起来，就成为在该组线圈通电时O1转子铁心的法向磁力变化曲线。图6就是使O1园(转子铁心)滚动的法向磁力运动坐标X轴方向的分力变化曲线。从这条变化曲线上就可求算出转子滚动的力矩。图3中6个线圈通电的轮流变化，每个线圈占空间位置为60°，在变化曲线图上作OX轴的平行线，平行线与曲线有两个交点，其中一根平行线在OX轴方向上正好是60°，在图上用Fx₆₀来表示这二个交点的值，60°以内的其他值都大于此值，其中有一个最大值用Fxmax表示。这样O1滚动的接触点在这个范围内其O₁点园心上都作用着一个F′x₆₀力，且这个力是Fx60°≤F′x₆₀≤Fx_max，这是一个引起滚动的力，可见这个引起滚动的力是脉动的，它对滚动的作用在60°区间应用平均力来表示，在本案用Fx₆₀来表示，以避免结论偏大。如果转子的滚动速度能跟上线圈区间电流的变化，则O1转子园心就会一直作用着一个使它滚转的力Fx_60.此力垂直于Y轴故也一直垂直于O₁O₂线，在法向磁力作用下O1做快速公转时，O₁园心绕O₂园心以e＝r₂-r₁为半径同步快速旋转，显然这个快速旋转(公转)的转矩就可以用下式(4)来计算：

Mkx＝Fx₆₀×e……(4)

式中单位：Mkx：牛顿·米(N·M)Fx₆₀：牛顿(N)e：米(M)

同时Fx₆₀垂直于O₁P，r₁＝O₁P，所以Fx₆₀对P点具有一个Fx₆₀×r₁的力矩，这个力矩每时每刻每个瞬间都作用着，这个力矩的旋转方向与滚动方向相反的，是一个引起O1自转的力矩，对自转来说，O1的线速度就很小，角速度就更小，所以是一个慢速力矩，所以自转的慢速力矩就可以用下式(5)来计算：

Mmd＝Fx₆₀×r₁……(5)

式中单位：Mmd：牛顿·米(N·M)Fx₆₀：牛顿(N)r₁：米(M)

从(4)式中引入速比也可以获得(5)式。由于r₁＞＞e，所以可以把Fx₆₀r₁称为慢速大力矩，把Fx₆₀e称作快速小力矩。

为何O₁点只作用着一个Fx₆₀力(另一个分力方向上始终被O2约束，不会引起运动只能说只起协助Fx₆₀的作用)，一会说它是形成快速小力矩的原因，一会说它是形成慢速大力矩的原因，一个力为什么会兼具两性呢？从一上来就说摆线运动的物体身兼有二种运动状态：一是公转轨道上的快速公转，二是在公转的同时在慢速自转，上面的分析恰恰说明了它的数理原因。另外从摆线运动的轨迹来看：整个园O1上除了O₁点外，园上其他点也都在作摆线运动，它们的轨迹都是周期性重复的不封闭曲线，只有O₁点才成为一个周期性重复的封闭园，演示了量变到质变的全过程，所以O₁点在数学上可以说是一个看得见的奇点。而且摆线轨迹也可以是一个园，摆线轨迹也可以是一条直线。深入研究可知摆线变换变化无穷，附带在这里写上这些，就是说利用法向磁力摆线运动，还可以有潜力发明许多机械运动，使本说明书对阅者有相互启发的作用，使法向磁力摆线运动原理得到广泛应用。

由上面的分析就可以知道如何从摆线运动的转子上获取快速的小力矩和慢速的大力矩了。显然快速小力矩应从装有偏心轮(只要能含O₁偏心点)的中心轴上获取：偏心轮的外径与图1中转子上的小中心孔之间有小小间隙，即只要在工作母机的动力输入轴装上一个偏心轮放到转子中心孔内即成，也就是相当于把原摆线针轮减速机的快转速动力输入轴反过来就可用作快速输出轴。因为本案在图1的条件下用作快速电动机是不经济的(详见后续内容)，所以不用或至多用它装个小风扇作内部冷却。本案起初的主要目的用在慢速大力矩上，慢速大力矩从原理上可知，可以在O₁点以外的任何地方获取，也就是说传动阻力不在O₁点，当获取快速小力矩时，传动阻力点必然在O₁点上，与Fx₆₀作用点相同，方向相反，因而每时每刻力系都是平衡的，显然P点不需要任何摩擦力，而且，根据瞬心法分析：转子中心的小孔壁与偏心轮外园面间在组成传动副时，随时变化的接触面间，几乎不会有相对运动，因而为高速和超高速传递力矩创造了有利条件(不需润滑，最多在小间隙放点干润滑微粉就行)。而慢速大力矩的传力点不能在O₁点上，但可以推论在很接近O₁点的地方，因此P点也只要很微小的摩擦力，力系就平衡。因此就可以说在法向磁力作用下作摆线运动的转子，本身就具有产生快速小力矩和慢速大力矩的能力，它并不附带在滚动接触处必须有大摩擦力存在的条件。再根据力矩可在不改变方向和大小的条件在旋转体上任意移动变位的原理。所以可以推论本案法向磁力摆线运动原理电动机的转子上可以用与摆线针轮减速机上一样的等角速比(孔销)传动机构获取慢速大力矩时，不需要考虑P点的摩擦力的。图1转子上6个均布小孔，就是等角速比传动机构中的孔，孔与传动销子之间有销子套(要求能具备自润滑能力)。见图8中4号件，6号件就是一套销子传动机构。在P13页中有介绍不再添加说明，详细结构请参阅普通的机械设计手册中都有介绍。

为了佐证上述推论，本案对等角速比传动机构用瞬心法进行力学分析，用图1中6个孔销进行分析，由于分析计算量巨大，下面只录入分析计算结果：1)在仅有一个销子作用时，传动销子离O₁近，P点所需的摩擦力和摩擦因数f就小，反之则大，由此在本案设计时销孔尽量趋近中心；2)6个位置中有3个位置计算结果是摩擦力大于零和摩擦因数f大于零，另外3个位置的摩擦力和摩擦因数都小于零(表示3个孔销不传递力矩，相反会阻止转子即阻止滑动。6个位置合起来即把它们相加，则摩擦力和摩擦因数是一个很接近于零的负数。由此可知若f＝0，则可以不必去考虑摩擦问题了。因而可以佐证法向磁力摆线运动本身具有产生快速小力矩和慢速大力矩的能力，不必考虑滚动接触处的摩擦力和摩擦因数的大小问题。

但是为什么摆线针轮减速机就非得用形状复杂加工困难的摆线型齿廓齿的转子和针轮型的定子呢？是否是因为其输入的动力源结构不如径向磁力动力源那样好而不得已为之呢？由于本案模型机转子片(图8中1号件)的制造精度不够，因而无条件造出与之匹配的精度要求的等角速比传动机构(图8中6号件)，更不具备转矩和功率等测试条件。故关于慢速大力矩传出时不必考虑P点摩擦力和摩擦因数的推论，还未实践检验。为了本发明不在此处被卡住，因为它还可以和不必考虑P点摩擦力的快速小力矩一样应用到其他场合，造出通用电动机只是一个方面的应用。在此先假定大力矩的传出的大小以P点的摩擦力和摩擦因数的大小而转移。对此本发明需在P点作增加摩擦力和摩擦因数的技术储备。以下叙述增加摩擦因数的技术措施，对本发明推广应用也是很重要的。

先介绍法向磁力摆线运动速比变换法：

如果

(

或

)大于一为放大，二者小于一为缩小。

Sbn＝S’bn就是等速比变换，Sbn≠S’bn就是变速比变换。

式中r₁、r₂分别是动园O₁和母园O₂的半径；r’₁、r’₂分别是动园O’₁和母园O’₂的半径；O₁园与园O’₁连体同心；O₂园与园O’₂连体同心；通常可在O₁、O₂的两边各设一个O’₁、O’₂这样两个O’₁、O’₂就可以看作O₁、O₂的转移支承，这样就可以在制造上使原来在O₁、O₂的接触点P稍微脱离接触，由于法向磁力的超距性，即法向磁力的大小稍微减小点，但不均匀空气隙的法向磁力的性质和作用不变，但是O₂不起支承作用了，改由两边的O’₁、O’₂相互仍旧紧密接触的P’点与O’₂来支承了。这样转移之后无滑动的滚动也就转移到两边的O’₁O’₂上。如果S’bn＝Sbn，O’₁在O’₂上的摆线运动就会与原来O₁在O₂上摆线运动完全相同，若二者的速比有差别，例如Sbn＜S’bn，速比小就意味着自转快，速比大就意味着自转慢，也就意味着空气隙小。而法向磁力按原来变化速度和方式把O₁向O₂吸引，但是O₁与O₂并不相互接触，P点是稍稍悬空的，径向磁力就会转移到两个相互在P’点接触的O’₁O’₂上，无滑动的滚动也就会在O’₁O’₂上发生，由于支撑面的速比变小了，即无滑动的滚动就必然比原来在O₁O₂上时加快了，而O₁园与园O’₁同体同心，由于P点已不相互接触，所以O₁必然要以O’₁一样快地自转，这样在O₁O₂的空气隙里就会产生一个与加快方向相反的切向磁力，这个切向磁力所产生的转矩方向与自转方向相反，所以经转移支承后自转速度加快了，但是转矩会相应减小的，这是符合能量守恒的转换，这种转换原理是成立的。它的作用和意义是只用一个相同的r₁、r₂，利用转移支承的方法，就可在转移支承上获取各种不同的转速(只能在一定范围内)，也就是说可以用较小的空气隙来造出较快自转的电动机，本原理电动机也是空气隙越小越好，而且有条件使空气隙做得很小。这就为慢速大力矩向较快转速较小一点的力矩应用创造条件。为了易于理解本案，下举一例说明：若r₁＝200、r₂＝200.5则s_bn＝200/0.5＝400，而r′₁＝100，r′₂＝100.5，e＝e′。s′_bn＝200，同时再把r₁减小0.05。就会当r′₁与r′₂在p′点紧密接触时r₁与r₂本应接触的p点悬空，这样就达到了变速比转移支承的目的。这个转移支承的另外一个意义是在转移支承上增加摩擦因数比较容易；例如可用当量摩擦因数把O′₁和O′₂的光滑圆柱面加工成相互配合的浅而小的V形接触面。

把光滑圆柱面直接做成小圆弧形齿是在转移支承O′₁O′₂或直接在O₁O₂上都是可行的一个方法，也是容易实现的一个方法，只要满足

就行，由于齿高受e值的限制不能大，所以齿数多而小，小到一定程度只要用滚花方法就能滚出来，这里的齿只要承受很小的摩擦力，不起传递力矩的作用。如果齿形大一些也可以在O₁O₂定转子片冲制加工时同时冲出来。设计时以O₁O₂直径为节园直径，以e值为依据计算齿高和允许使用的最小齿数，然后在节园上设计出凸出的半圆弧和凹进的半圆弧，为了在相互滚动中不至于卡住，当然凸出半圆弧的半径应有一个适当的减小量；若根据节园的齿数所决定的小园半径为r，则凸出圆弧半径应为r-Δ；相应凹进圆弧就是r+Δ(见附图10)，一个齿距仍旧是2r不变，这样原来在O₁O₂园上2r的长度上无滑动地滚动就变为2πr/2＝πr的弧长上进行，也就是说小圆弧齿面和与光滑圆柱面的面积之比为π/2。空气隙的导磁面积增加，就能降低空气隙计算磁势等一系列的有利变化，这种措施和增加空气隙导磁面积的效果在均匀空气隙的切向磁力电动机里是不可能出现的。这种既能保证有足够的摩擦因数而又能改善磁路，加工也不困难的措施可以作为课题专门研究和试验。若好，就可以把光滑圆柱面改为圆弧齿面。因为这样处理之后，本案还能成为一只非常精确的同步电动机，其力矩之大是磁阻式步进电动机望尘莫及的。

到此法向磁力电动机主要方面的有关技术问题和理论方面的论述已可告一段落，暂留转子动平衡问题待后叙述。

利用(1)-(5)式，再加上下面的(6)式，就可以设计制造所需的慢速大力矩或快速小力矩电动机。公转速用n_G，慢转速用n_m表示，单位为r/min。

式中(-)号表示慢速自转与公转方向相反

下面用图1结构形式计算一只法向磁力电动机，并把它与相应的切向磁力电动机进行比较。电动机型号为Y132s-4，5.5kW，1440rpm，它是某一种1/17速比的摆线针轮减速机上配套的电动机，电机定子铁心数据(单位mm)：内径φ136；外径φ210；长度115；空气隙0.4。电动机经机械减速后输出转速为84.7rpm＝n_m，图1结构的n_G＝3000rpm；从(6)式就可以算出定子内半径r₂＝68，算出转子外半径r₁＝66.133，e＝1.867，δ_最大＝3.734，根据(2)式，计算出各5°点的δαx值，以图1、图3、图4及上述数据依据画出磁路，估算IW值，(平均气隙里的Bδ值取6000～7000高斯范围)，由于定子绕组只有1/3周期内通电，电流密度可以取高些，合理设计槽型和采用槽满率，定子铁心的B_Fe＜17000高斯。然后算出各5°处的Bδ值，本案采用凑算法手工计算，计算量按年月计，非常之大，若用现代电算法就能很快计算出来。根据(3)式就能把各点Fαx值计算出来……最后可以获得Fx₆₀曲线，按(4)、(5)式计算力矩值，这样本案电机在84.7rpm时Mm与Y132s-45.5kW 1440rpm时额定转矩Mh进行比较可得Mm≥4Mh，本案电机快慢转速的输出功率均为1.294kW。由此看来本案电动机若在图1及上述条件下在快速上是无法与现用电动机相比的，其功率密度太低，但用在慢速上就有明显优势了，因为切向磁力电动机在结构上造不出慢速大力矩的，例如Y132s-4电动机在1440rpm时可达到5.5kW，到8极时710rpm只能达到2.2kW，此机座号尺寸条件下已造不出10极，即使造出来功率最多达到1.5kW，按此推算下去若能造到76极(同步转速80rpm)时，其输出功率只有几十瓦了。再用上述尺寸数据算一只输出为63.6rpm的本案电动机，即相当于1440rpm经过摆线针轮减速机1/23速比减速后的输出转速，可以得倒Mm≥5Mh，而且用铜比84.7rpm的更少(84.7rpm时本案电机定子绕组用铜已少于Y132s-4的定子绕组用铜量)，这一计算结果证明了本案电动机是速比越大转速越慢越好，从结构上看空气隙越小当然越好，只要能顺利地把转子放得进定子，空气隙里不进去杂屑，转子就能顺利进行摆线运动。例如切向磁力电动机的均匀气隙要小于0.2mm已是很难造出来了，估计e＝0.2mm的本案电动机还是可以运行的：这样r₁＝60mm，r₂＝60.2mm，则速比就是300，若r₁＝100mm，r₂＝100.2mm，则速比就达到500。切向磁力电动机是转速越快越具有优点，在这方面本案与其相反的。

经上实例计算比较，本案确能造出转速很慢而力矩还较大的电动机的，但是如果限于Y132s-4电动机的尺寸范围只能达到4～5Mh来看，它与17～23Mh相比还是差距较远的。原因何在？从结构上看，如果本案的不均匀气隙Bαx的平均值达到切向磁力均匀气隙的Bδ值一样，则本案每时每刻只利用了三分之一空气隙的磁能。故从原理上本案应是5.5×1/3＝1.833kW。本案只算到1.29kW是因为计算过程中都用了保守值的结果。如果能充分发挥法向磁力的特点，不用适合于切向磁力的径向磁路，而采用轴向磁路，因为本案原则上没有极距要求，因而可以把轴向磁路设计得很短，加上气隙又可以很小，所以可以提高Bαx的值，而Fαx与Bαx是平方关系，因此本案根据自身特点优化设计，还有望超过上述1.833kW的数值。

前面已经不是一次地说到，本案宜做成扁平结构，即D要大，L要短，与切向磁力电动机要D小L长也是相反的。查一下与Y132s-4电动机配套的摆线针轮减速机，可知其中心高度要比132mm大得多。本案就用这种加大了D的尺寸，仍旧用切向磁力电动机的磁路结构形式，仍用(1)-(6)来进行估算，其结果是当输出84.7rpm Mm＝23Mh和63.6rpm Mm＝23Mh时，电动机的用铁量是要多于Y132s-4定转子铁心的用铁量，但不会比减速机与配套电动机的总用铁量多很多，用铜量会略大于Y132s-4定子绕组的用铜量，但是本案电动机转子不用铜，故总的有色金属用量不会比Y132s-4的定转子的总用铜量多很多。所以本案即使用传统切向磁力电动机结构及设计允许用参数，其材料费用不会大于原减速机及其配套电动机的材料费用，而制造工时也会大大少于原来二者的工时之和。甚至可能不会大于原Y132s-4电动机的制造工时。这样本案就可以直接造出(即可兼容)原摆线针轮减速机使用场合的电动机，其体积小和外形美观是原产品望尘莫及的。自然本案应根据自身特点造出自己特色的慢速大力矩和快速小力矩免维护及只需少量的维护的电气控制简单可靠的系列产品供用户选用，但本案要实际应用在通用电动机时还要解决下面动平衡问题。

法向磁力电动机解决转子动平衡的方法很多，可以采用的经典方法有：

1.三转子和相应的三定子法：把一个偏心的转子分成三个偏心转子和相应的三个定子，此法原理简单不言而喻，不必详述。但是三分体法仍旧采用切向磁力电动机原有磁路结构的话，因为定子若有三个长长的端部而把三个铁心分隔得很开，使等角速比传动机构的传力销子过长而不现实，故用此法时必须相应改用轴向磁路，而把铁心制成扁平状，根据本案法向磁力特点，原来在切向磁力定子绕组中无效的端部，也能成为有效边。这样就能使三个转子相互紧挨着，使传力销子的长度大大缩短。三分转子法，非但能平衡径向振动，也可以平衡轴向力偶。是完全的动平衡法。

2.二分体法：当本案采用轴向磁路，并使定子绕组全部为有效边后(切向磁力电动机不可能达到的，它的绕组不管是定子还是转子绕组，始终是二个有效边——产生主磁通；二个无效边——产生漏磁通)。使二个扁平转子靠的很近，使轴向惯性力偶因为二力距离很小而不大，引起轴向扭振也很小，可以满足一般机械所要求达到的动平衡精度的要求。此方法比三转子法简单，电动机的用铜量会比三转子法少。分体法的用铁量不会增加，用铜量会比单个会多。

3.内外转子法：是本法向磁力电动机可用的一个特殊方法；内外转子共用一个定子铁心和定子绕组结构。内外转子就会在同源所产生的内外法向磁力下同时同步作摆线运动——快速公转，只要满足M_外×e_外＝M_内×e_内。即能达到动平衡要求，式中M和e是质量和偏心距。但这一方法只能在高速法向磁力电动机上，因为此时内外转子的公转方向相同，但自转方向相反的，故慢速无法利用。

4.在转移支承上加同步反相偏心转子法，若单个法向磁力转子用两个等距离的转移支承，则只要使M_z×e_z×1/2＝M_f×e_f；带f字符的为法向磁力转子；带z字符的为反相转移支承上的动平衡用转子。这对大型设备有用，专门制造这些大型装备的滚动轴承非常困难和花钱，而这种转移支承却是容易制造，在运行过程中也是免维护而且是长寿命的。

5.减震器法：在很小型的机械上所需的电动机容量很小，转子质量也很小，即使偏心点振动力也不大，所以干脆可以把它安装在减震器上就行了。

6.单定子铁心、偶数片转子法：这是为使本案电动机能成为通用的电动机的特殊设计的转子动平衡法。其实它的原理也很简单，只是双定子双转子的改进：在原快速输出轴上只有二片偏心相位差180°的凸轮片，变为相邻两片相位差都是180°的2n(n＝1、2、3……)偶数片凸轮片组，这样就能使套在其上的自由滑转的转子分为二组(每组各n片)，一组凸出于接近P点(P点为原理图上的接触点)，一组凸出接近与P点相差180°的P’点。在一个半径为r2的定子由原来的6个线圈变为12个线圈，除原来的1-1……6-6外增加1’-1’……6’-6’，见图7，在1’-1’与1-1线圈相差180°，相互串联(或并联)流过同样的电流，其他2’-2’与2-2等线圈以此类推。这样当通过50Hz三相市电后，在定子不均匀空气隙里产生二个对称的同步同向变化的法向磁力，其变化顺序也是相互连贯的，使转子在1’-1’……6’-6’组上滚动到终了时顺利接上1-1……6-6的变化。但其公转速度由原来6个线圈时的3000rpm降为1500rpm，线圈的换流区间由原来的60°变为30°，原Fx₆₀也相应变为Fx₃₀，磁路计算也要作相应调整，原来定子O2的圆柱面与O1的圆柱面在法向磁力作用范围内是相等的，现在只有n片即原来一半转子片面积靠近P点或相应的P’点，靠的近的n片在定子磁场磁化时会屏蔽离得远的n片转字面，所以单定子2n偶数片转子后，不均匀空气隙里的法向磁力就会产生如下的奇特效果：转子铁心表面上的Bδ值会是定子铁心面上的Bδ值的2倍，虽然转子铁心面积减少一半，但其面上的法向磁力为定子面上的2倍，如果把转子上的法向磁力看作定子对转子的作用力，而定子上的法向磁力看作转子对定子的反作用力的话，则反作用力不等于作用力，这样电磁力的相互作用并不遵守刚体运动中的牛顿第二定律——作用与反作用力定律的。这种附带来的奇特现象，在法拉第电动原理的切向磁力电动机结构中是不可能出现的，值得深入研究分析，它带来的后果是消极的还是积极的有待深入研究实验。这种2n的偶数片转子法的磁路计算会更复杂困难些，但在现代化计算条件下会获得相应的计算程序和方法的，或者经测试计算获得相应的经验公式进行计算的。由于2n偶数片的转子法，如果转子片小薄均匀且是平行的两个平面(一般用轧制出来的钢片就能达到)，冲制出来的尺寸又都是一样的，故相邻两片都是动平衡的，连轴向力偶都是自动平衡的，所以这种2n片转子片结构的转子是会自动达到动平衡的，用不着要校动平衡工序。相邻片间都在发生相对运动，其间应留有空隙，如果转子片都是平平整整的话，相邻片间留有0.10mm间隙已不会引起它们之间相互摩擦，其原因是因为磁场本身具有发散性，和同性相斥性，这二个特性会使相邻片间相互成磁悬浮状态。因此留有0.1mm间隙就不会相互摩擦；如果相邻片间相互异性相吸，则强大的吸合力不可能使2n片转子转动起来，图8的模型机能轻松转动，证实了上述推论是正确的。图8中：1转子片；2定子铁心；3定子绕组；4销子套；5为2n片凸轮片中心快速转轴；6等角速比机构(慢速)。

本发明的主要技术问题和理论问题已经较详细叙述了，本发明原先的创意单单是为了生产出慢速大力矩电动机，但是对法向磁力摆线运动深入分析后，发现它的应用范围非常之广泛。上面已经提到了用二相(或单相电容分相法)4拍原理可以从三分之一空气隙利用率提高到二分之一利用率，用内外转子法非但能解决动平衡问题，而且可以提高功率密度，还能减少定子用铁量，利用轴向磁路来缩短铁心路径，使转子变薄，因而也能造出高功率密度而又节能的快速电动机，加上前已述的方法，使法向磁力摆线运动原理电动机的转速覆盖范围能遍及整个工业应用。

为此，后来又花了好几个月的时间，估算了一只单定子内外转子动平衡的快速小力矩法向磁力电动机，和一只二片定转子准动平衡慢速大力矩电动机，以估量它们的技术经济指标和可实施覆盖的范围。在还没有充分发挥其短磁路、高磁密、高电密时已可以初步达到满意的要求，(如果实审需要经整理后可提交实审参考)这里附带说一下还可在转子上用永磁方法来提高功率密度。

在此还要补充一个可能也是一个重要的技术方法，本发明在此命名为法向磁力摆线运动机械换流法，此法比电子换流法更节能，而且在原理上，也是免维护长寿命的，还适用于任何电源。原理图见图9，图中321654表示定子上(切开后)的6个线圈，在相应每个线圈上各有二根引线，0号引线接到电源≌的0，其他引线号接到与线圈有相位差的相应号的长条形导流弧形片(543216)；电源的另一端接到导流弧形环片7上，导流片之间相互绝缘并固定在定子上，它们有共同的曲率半径和光滑的接触面；8为导流滚子，它由与转子同步转动的旋转臂带动，导流滚子与带动臂之间是靠磁悬浮力来使其压在转子上，压力可用磁悬浮间隙来调整。这样处理之后导流滚子就能跟着旋转臂高速转动的同时在导流片1……6与7上无滑动地滚动，图中用箭头表示。线圈中的电流也就按顺序变化，换流点的相位差也严格保持不变，因此这种换流方法相当于直流电动机的电刷与换向片一样，可见本案电动机具有直流电动机相似的优点，但没有电流要换向的困难，消灭导流滚子与导流片之间可能产生的火花也比较容易。导流滚子的磁悬浮技术，也是磁悬浮技术中最简单的一种，实现并不困难。磁悬浮运转的滚子，只要磁场力不消失，就能高速地转动下去，导流滚子与导滚片之间若有火花也可采取多种方法消除，运动面之间又是无滑动地滚动则会永无磨损，故这种导流机构又是免维护长寿命的，它的应用很可能比本案所采用的最简单的二极管电子换流还好，它更节能，因为二极管导流还有压降，大电流还要散热措施。而且还适用于各种电源：DC直流、AC交流，就是脉冲电流也可以。这种机械换流比电子换流还有一个优点，就是不会“失步”，转子不动不会换流，要到转子转到一定位置才会换流，以后不管停止在何处都能顺利起动运转，电子换流可不管转子位置，到时换流不误，因此会造成“失步”现象，但是这种“失步”不会像切向磁力的同步电动机会产生严重后果，由于本案法向磁力不均匀气隙，对“失步”产生的转矩和同步滚动方向的转矩是不对称的，所以失步后在滚动方向转矩作用下会继续滚转下去，因此当径向磁力力矩不够(电源电压太低时)，本案电动机还会在低于同步速下远转。附带说明改变本案电动机旋转方法的办法仍旧只要调换二相接线，而本案机械换流时必须更换线圈到导流片的顺序(就要换接多根相线的顺序)。

本案电动机的等值电路图也相应非常简单，只是一个R、L串联电路，其L会在一定范围内变化。当电源频率不高时，可不考虑L的作用，电流只由R和电源来决定，当频率升高后，就要考虑L的作用，要按R、L串联的暂态电路来计算电流值，显然在市电50Hz时，电路已处于暂态，暂态电路电流的手工计算也是繁和难的，如有现代电算软件就很容易。用现代测试技术手段测取到正确数据后本案电动机的暂态电流计算的经验公式也可以推出来。从结构和等值电路来看，本案电动机是恒转矩的，暂态电流值决定之后，转矩也就一定了，输入电流变化才会引起输出转矩变化，暂态过程越快，要保持原来电流值的电源电压就要升高(串入相电容C也可达到)。所以频率升高时要保持原来电流值，电源电压也要跟着升高，，如果不升高输出力矩就会降低变为恒功率变速用，如果相应电压升高就能变为恒转矩特性用。在恒转矩用时输出功率就会提高。本案电动机用变频方法来调速的话，所要解决的只是u/f问题，就能达到精确控制要求，决无感应异步电动机那样要向量控制、位置控制等需要计算机作复杂计算来控制。本案电动机定子绕组按3相6拍来设计的话，气隙磁场每时每刻只利用了三分之一，这是不利的一面，但绕组的通电电流的占空比也始终只有三分之一周期通电，不管频率多高和多低，它都不变，而且即使恒转矩电流值不变，故变频控制时不管高速还是在低速运动，定子绕组的温升不变，就是在高速若恒转矩就要提高电源电压，定子铁心的损耗会增加些，铁心温度升高些。在此条件使用下的本案电动机就宜用损耗低的硅钢片来制造。但若恒转矩时，本案电动机非但能达到现用三相感应异步电动机的功率密度，而且还能超过。所以只要选出高频下仍旧低损耗的定子铁心，前面已述频率高定子绕组温升不会高，故本案电动机就能在此条件下取代现用的所有切向磁力电动机，即设计在3*50＝150Hz频率下使用，本案电动机的功率密度达到并超过现用切向磁力电动机的功率密度而效率更能大幅度地提高。因为本案转子在定子上作摆线运动，故转子高速自转没有问题。其转动惯量也不会很大(因为e值很小)。

至此法向磁力电动机的制造技术问题重要的都叙述了，有关理论问题也基本解决了，下面集中比较法向磁力电动机和切向磁力电动机的不同点及其优缺点。

前面本案已经把迄今所有的在法拉第思路下所发明的电动机统称为切向磁力电动机(下称前者)，把本发明电动机称为法向磁力电动机(下称后者)。前者和后者有三大差别：

1.前者为均匀空气隙，为了保证和保持这个均匀空气隙，转子铁心由转轴为中心，转轴依靠两个轴承与两个端盖一同来保持这个均匀空气隙。后者为不均匀空气隙，转子不用转轴和轴承自然放在定子内，由与定子相接触的接触面支承着(也可用转移支承)。

2.旋转力矩产生的方法和原因不同：前者是均匀空气隙里的切向磁场张力使转子旋转的，均匀气隙里不可避免的同时产生法向磁场张力，它对旋转毫无贡献，相反会起坏作用。后者不均匀空气隙里只有单纯的法向磁场张力，是法向磁场张力使转子作摆线转动的。

3.运动形式不同：前者转子是绕两个轴承的回转中心为连线的中心线旋转的转动。后者是转子外园在定子母园上摆线运动，转子在作快速的公转，又在绕自己中心慢速自转。

由于上面三大不同而引起许多具体的不同，从具体的不同上就可以明显看到各自的优缺点。

1)后者比前者简单、部件少、容易制造。

2)后者的法向磁力比前者的切向磁力更强劲而有力。而且单纯只有法向磁力；而前者均匀空气隙里有二种力的存在，又没有办法二力都和谐利用。

3)利用摆线运动，为实现免维护长寿命的机械运动开创了一个方向。使用它就可以改变传统的依靠轴承传动的概念。由于法向磁力能使转子作摆线运动，而摆线运动是一种无滑动的滚动，定子支承面与转子被支承面间不会有相对移动，故它们之间无摩擦发生，因而不可能有摩损。只要保持接触面间的清洁不需任何润滑(相反可能要提高摩擦因数)，就是免维护的、长寿命的，而且是可以高转速的。进行摩损测试会肯定这个推论的。

4)前者一般都有法拉第的胎记——转子上有绕组和电流。因而转子上的电耗还是很大的，后者转子上没有电流，只需用能磁化的软磁材料来制造，转子只有微小的磁化损耗，因而后者的效率有可能达到或接近永磁转子的切向磁力电动机那种高效率。超过欧盟的最新的IE3效率标准毫无问题。但不要价高的永久磁铁及其安装结构。后者转子可以是整块的圆饼形，或者二片(或三片)形式或是2n偶数片形式，加工制造和装配都非常简便。

5)前者宜用径向磁路，转子也宜成细长型及在高速转动下应用，如果要低速应用必须用减速机或其他减速方法后才可以使用。后者直接可以制成低速的，宜用轴向磁路制成扁平型的，需要慢速的工作机械直接配用后者，能使成套设备紧凑而少占厂房空间，而且美观大方。后者用内外转子法，也可以造出功率密度大且节能的高速电动机。

6)前者的磁路不能很短，因为它胎里需要一定的极距，而后者的磁路不要有极距的概念，采用轴向磁路后的路径可以很短，加上很小的空气隙，则空气隙的Bδ值就可以大大提高，使力矩能成平方关系的方式增加，从而可以提高功率密度。Bδ由6000G提高到8490G，力矩就可加倍。

7)由于所用磁力不同，前者的绕组，不管是定子还是转子都必定是二个边(被称作为有效边)产生主磁通，二个边被称为无效边产生磁漏通；后者绕组的4个边只要都埋入铁心里，产生的磁通都是法向磁力线的磁通，所以都是有效边，可以提高定子绕组的利用率。故此法能实现电机界的历史梦想。

8)磁路的缩短相应的后者的定子用铁量和转子的用铁量减少，使后者摆线运动转子本来已经很小的转动惯量可以变得更小。使转子能更快停止。

9)前者力矩的产生靠转子上的法拉第电流，在起动时电流都很大，三相感应异步电动机的起动电流是工作时额定电流的6倍或以上(影响电网的正常运行)。为使用它所必备的电气控制设备也相应大而复杂，而后者的起动电流和工作电流是一样大的，相反可以用提高电压的方法来增加起动动力和力矩，只需在图4电路的三相进线中每相串接入一只适量(不大)的电容C，C只要在起动时起作用，起动结束就被短路，就能方便地把起动电压升高到工作时的二倍，使起动时电流为工作时的二倍，因而增加起动力矩，使之快速牵入同步运转。前者由于胎里的原因，为满足现代传动控制要求而使大量的人力物力投入研制性能复杂的变频器来满足这种要求，而后者也由于胎里的原因，并不要性能高结构复杂的电气控制设备，用磁阻式步进电动机一样的相拍控制就能达到高精度的调速控制。如果把使用电动机所必需的电气控制设备考虑在内，则后者的经济性就更为突出了。

10)前者切向磁力电动机，因为胎里原因分得清清楚楚：要么是直流电动机，要么是交流电动机，交流电动机中又分为同步电动机和异步电动机；后者法向磁力电动机，也因为胎里原因就不必分得清清楚楚，而具有直流电动机的优点，同步电动机的优点和异步电动机的优点都有；后者能异步起动、异步运转和同步运转。前者同步电动机必须设计异步起动设备，同步电动机在失步时还会产生严重后果，使一套电气控制设备相当复杂和昂贵。

11)后者采用小圆弧齿法就可以做成定位正确的大力矩同步电动机，这种电动机既可以用于精确定位的数控之用，也可以用在精确速度控制要求的动力传动上。

12)后者定转子结构具有刹车结构的因素，因此可以不必增添刹车装置，利用电动机本身的特点进行停止刹车：只要三相通电变为单相通电时在桥路的中心点接入一个电阻(以限制单相整流电流)与中性线相连经停止信号刹车信号时接通。转子就会被法向磁力停止在通电线圈的中心线上，这对使用在经常要停止刹车的机械来说是一个很有用的一个特点，例如用于卷扬机和冶金设备电动机上。此情况还可以设计成，内定子外转子结构，使卷扬机结构大大简单化。

13)后者的结构原理特点既可以用图5的极其简单而可靠的电子换流方式，也可用图9的免维护长寿命的机械换流形式，既可以发挥直流电动机所具有的优点性能，又一劳永逸地解决直流电动机换向器电刷维护工作量大、寿命短的缺点。可视需要而定。

14)根据后者结构特点，前已叙述，利用相同的一个定转子铁心，用支承转移及速比变换法还可以获得不同的转速。前者不可能具有这种本领。

15)根据后者结构特点，利用其原理，还可以不必制成电动机后作为动力源使用，也可以直接用它来改造许多现在广泛使用的机械(机器)上，实现结构的大大简化，实现节能环保要求，由于潜在适用例子很多，在叙述本案缺点后再叙。

16)本案结构原理简单，绕组也只需三相6拍或二相4拍结构，根据本案特点它们完全可以做成相同的分体后组合而成，这样就会更容易制造，以后也容易修理，结构运行原理本身不易产生匝间短路，即使损坏也能方便地局部修理，不会像现用电动机绕组局部损坏，殃及全部都要更新，即本案电动机的工作寿命内维护修理费可以非常之少(尤其在不用轴承后)。

后者与前者相比的缺点有：

1)后者若采用与前者相同的磁路结构，达到相同功率的话，后者的体积为前者的三倍，原因前已叙述。前面同时指出后者根据自身特点采用轴向磁路，有望提高自己的功率密度，究竟能达到何种程度，尚待研究开发。

2)后者宜设计成扁平型，适宜在慢速场合使用。但是用提高频率的方法也可以应用到中速时还能提高功率密度和效率。但后者也并不排斥用于高速，前已叙述，用内外转子加由三相6拍改为二相4拍在理论上就已可以达到高速与前者相同的功率密度。

3)后者绕组里流过的非正弦形的暂态电流，具有高次谐波成分，会增加定子铁心的损耗和发热程度，可要求研发适用于后者这种要求的材料。

4)后者O1与O2相互接触的应该是光滑的圆柱面，而采用前者磁路结构难于达到，会发出噪声。只有改用轴向磁路结构结合局部斜槽或转移支承的方法来达到。

5)要保证O1在O2上作始终如一的摆线运动，则接触面间不能进入尘埃，所以后者的密封性要求很高，若在多尘埃场所使用，宜稍有密封后鼓入清洁空气，使内部保持微正气压状态为宜。

6)本案要采用等角速比传动机构来获取慢速大力矩，转子销孔内必须设计一个销子套，销子套必须具有一定强度，还要具备自己能润滑的条件——即一种能自润滑的销套。有了这种销套，在运行一个相当长的时间后更换新套也就很方便。

本发明存在的问题和不足之处。

本发明遗憾的是按图8结构的模型机，虽经巨大付出，历时二年。还是没有造好，只能短时试运转，无法也无条件对功率和转矩的测试，也无法对理论上无磨损的摆线转动作长期运转测量，但是它能运转，就足以表示所有技术方案和理论推论是行得通的站得住脚的。法向磁力摆线运动这一新的运动形式是可以被利用来为人类服务的。

经后续研究发现法向磁力摆线运动还能广泛应用到许多领域。实现慢速大力矩电动机是发明的初衷，后来发现它只是应用的一个方面，它还可以不用担心只凭O1O2在P点的紧密接触能否就把慢速大力矩传出问题，即不存在传递大力矩时P点要不要增加摩擦因数的问题。直接百分之百可靠地应用到快速输出上，它还能也不用考虑上述问题，应用到许多现用产品上。改造这些许多现用产品，使这些产品立刻结构大大简化，节能环保，免维护和长寿命。从这些现实应用着想，当本案已经利用法向磁力摆线运动原理来制造出结构最复杂的图8的模型机，并能顺利转动起来(既可在低于同步速转也可以在同步速转，并看到6个销孔与公转方向相反地在慢速自转)时，已证明其方法可行、原理可信，已具备专利申请的条件。二次开发所要担的风险已经很小。180年前法拉第发现了电动现象，并总结了电动机原理和发电机原理，制定左手定则和右手定则。但实用的电动机和发电机并非法拉第一个人所能实现和完善的。现在本发明追根溯源指出法拉第原理当时并没有深入到事物运动的本质。本发明提出了其本质原因，并从本质源头的另一个方面来制造电机，无疑是从源头开辟了电机发展的另一条蹊径；其思路与法拉第完全不同的。要凭一个早过古稀之年的老头个人力量来完成实用产品是不现实的。要尽快实现这个具有原创性的发明，应先申请专利。让有智慧有实力的企业家来进行二次开发。在这里可以先告诉这些企业家，运用本发明原理制造的模型机确实已能运转，二次开发所担的风险已经很小。更希望许许多多智慧而有实力的企业家来开发具有非常大的现实意义的——直接应用本方法来改造原用产品，使之成为专利产品。而且这些专利产品具有立竿见影的效果。

径向磁力摆线运动的直接应用的场合很多，在此只介绍以下几个方面，而且是在应用时都不存在通用电动机需要获取大转矩的问题。

1.根据图1，不需从转子上获取快速或慢速，只要管住转子在定子铁心上(转子铁心的长度只要小于定子铁心的长度，在摆线运动时法向磁力会促使转子铁心趋向对称中心运转，定子铁心两端只要用简单的管住措施就行，可以是简单的机械的或者是简单的磁悬浮的方法把转子管住在一定的轴向范围内。可见这就能成为当今世界上结构最简单而且免维护长寿命的振动电动机。

2.把本案转子具有偏心滚转的特点就可看作一个旋转活塞，同时就可以把定子看成并改造成为一个汽缸，这就成为旋转转子式压缩机，还可以用动平衡的内外转子法的外转子也看成一个旋转活塞，定子看成汽缸，这就可以成为动平衡式的内外转子压缩机；当然也可以用转移支承法，把转移转子和转移定子作为活塞汽缸。这种压缩机的气体流量和压力可以很容易从法向磁力的计算换算获得。这就大大简化了原转子式压缩机的旋转活塞本来要用电动机的转子为动力，带动曲柄连杆机构再来推动压缩机转子作为旋转活塞运动，这套机构的润滑油路复杂而重要。现在直接利用径向磁力作摆线运动的转子来代替，曲柄连杆机构及其必需的油路润滑设计制造都不要了，而且转子外园与定子内园永无磨损的不需润滑的，只保留转子侧面与静止的汽缸壁之间的密封与润滑，及定置的滑片的润滑，这些润滑比曲柄连杆的润滑要方便得多，并且是原来就早已解决了的技术。转子式压缩机现在尚广泛应用在冰箱和空调的压缩机上，但更先进的螺杆式压缩机和涡旋式压缩机出来之后，它有被淘汰的危险。而用本技术改制后马上可以变为在性价比和免维护长寿命方面更胜一筹的产品，而且可以成为21世纪的更节能环保的产品。另外主要本原理电动机对变频器要求很低故相应的电气控制设备也会简单而价廉。

3.本原理在单转子是一个振动源，但前已叙述，可以设计成，二个或三个对称连贯运转的转子，就可以成为动平衡的旋转体。由摆线运动的无摩擦和无摩擦损耗性，其转速可以无限止地升高成为一只高速转动转子用到陀螺仪上，原机械式高速旋转陀螺仪的关键的高速精密轴承方案就可以被本方案代替。显然本案用动平衡双转子、三转子、内外转子法也可不用轴承获取超高速转速。

4.本案与旋转活塞式泵结合，造出结构简单的旋转活塞泵。

5.与风机相结合，造出各种各样的结构更简单的风机。

6.可以直接应用到滚筒形式的生产设备上，如球磨机滚筒和干燥滚筒……尤其是那些兼有振动反而能提高生产力的滚筒上，这些滚筒需要的都是慢速转动，这些滚动体可以直接与本案转子相连，再在筒体上设置转移支承，不再需要大型的滚动或滑动轴承，而且这些转移支承本身是无磨损、免维护长寿命的，对于需要动平衡的也可以在转移支承上设置相位差180°的同步摆线运动的转子来进行动平衡。

7.代替谐波传动中的谐波动力，齿轮面也可改为光滑圆柱面，可广泛应用于机器人及伺服控制上。

8.可用于法向磁力无声电磁铁方面。

9.外转子式法向磁力电动机运用于电动车辆上，会比任何切向磁力电动机好，本发明能及时适应时代要求。

10.利用法向磁力电动原理，反之就可以成为径向磁力发电原理，见下叙述。

法向磁力发电机

法向磁力摆线运动方法(原理)可以用来制造电动机，根据电机可逆原理，也可用来制造发电机。

当今使用的旋转发电机都是从法拉第发电机原理e＝BLV及其右手定则发展而来的，形象化的说法就是导线以高速v切割磁力线而发电的。在当今所有的旋转发电机(包括后来发展出来的转子铁心槽式或爪极式感应子发电机)里，机械能变成电能的转矩都是通过定转子之间均匀空气隙里的切向磁场张力来产生的，所以也可以说都是切向磁力发电机，它一直工作和使用得很好，对电力工业的贡献非常之大。当今二十一世纪，世界要求环保，能源和资源都必须考虑可持续发展的时候，可持续发展的绿色能源如风力和水力发电将被重点和广泛采用。原切向磁力发电机因为要高速的v值，使用在这些低速能源上比较困难，这就为可以直接利用低速能源来发电的法向磁力发电机造就了社会需求。

把图1那样的法向磁力电动机改造成法向磁力发电机是非常容易的。如果考虑使用在风力发电等维护修理困难的场合，则转子铁心的形式可以与电动机时一样，慢速动力可以从等角速比机构传入；快速动力可以从中心轴偏心轮传入，但快速一般不会在此使用。定子励磁线圈和铁心，及发电线圈和铁心可以分别设计和制造以便于以后维护修理。励磁和磁路设计使在转子与定子接触的最小空气隙处的法向磁力最大，发电线圈所匝连的磁通Φ_d最大；反之在处在最大空气隙时Φ_x最小，同样在外施力矩和径向磁力共同作用下，转子在定子上作摆线运动，定子上的发电线圈就会按

发电。可以看到在这种发电机里，原动力虽然是慢速的，但空气隙的变化却是一样是高速的。而且对风力发电情况来说，完全可能把对称平衡的风翼直接装到等角速比传动机构的盘上，再仔细考虑和设计一下，根本就可以不必制造风力机再由风力机来拖动转子，可成为合而为一的法向磁力风力发电机，并且这种发电机可以天生是免维护或至少是易维护和少维护的。慢速水力的水翼法向磁力发电机也可以作类似的想象，而且这样就不必像当今的水力发电那样要筑高坝和大水库，只需与世界的骄傲——都江堰那样筑导流的低坝堰体，使中华民族的智慧——利用自然而不破坏自然环境的智慧继承和发扬光大。

在容易维护修理的场合，当然也可以把励磁源设计在转子上，由于利用的是法向磁力和

原理，其励磁结构比切向磁力发电机简单合理。自然也应该把径向磁路改为轴向磁路。其他方面的设计计算和制造也和电动机差不多的；眼下都是常用技术，故不作详细论述。法向磁力发电机与法向磁力电动机同样是一个大课题、一个大工程，在本说明书是无法都说完全的。它的实现完善和产业化决非个人能力所能完成的，必须依靠集体的国家的力量来实现，前面对法向磁力电动机的稍多方面的介绍可能也是必须的。希望能起到抛“钻”引玉的效果。

后语

实现本发明的设想。

首先要能通过专利局的受理和初审查。由于一直查找不到大的原创发明的范文，专利文献书中又说原创专利发明的说明书可以不受文献所介绍的范文格式的限制。觉得本发明是一个很大的原创发明，故在说明书中增加前言和后语部分及发明构思历程，可有可无，则请保留。

更重要的是还要通过实质审查关。说明书已较详细和系统地介绍了本发明，并在前言预告了本发明将开辟一个新的科技领域，其意义非同一般。望专利局能重视实现本发明很可能存在的重大意义而早日启动实审程序。法向磁力摆线运动技术方案首创用在电磁动力源上，但其他如风、水、气、汽、燃气等所有动力源都可借鉴利用。因此法向磁力摆线运动框架的创立和利用为人类文明进程中又开辟了一个崭新的实用的动力源框架结构，像这样大的原创发明，好像是人类在走向文明进程中要等待厚积几十年甚至要上百年才能出现一次的。

科学技术是第一生产力，人类文明进步首先要靠科学技术的进步。先进科学技术能直接代表了先进思想、先进生产力和先进文化。实现本发明完全符合党的三个代表的要求。具有巨大的经济意义、高尚的文化意义和伟大的政治意义。国人申请原创发明，与专利局一同实现原创发明是党和国家所殷切期望的。(由于发明人研究到后来越感到本发明意义可能会是非同一般的，再次写上这些以引起专利局和有关实审专家们的重视)。

说明书中所涉及的都只是教科书中的基本知识(和相关专业中专内容的专业知识)及相关的常用手册。但它涉及的专业较多，所以实审专家应具备掌握相关基础知识和相关专业知识能力，还应具有大的魄力，这样就能从大处着眼而不会挑剔说明书的点滴小问题，不会因此而一直质疑和审查下去；更希望实审专家是已经掌握电机磁路电算法(或能指挥调用会电算法的人)，因为他们就能在几分钟之内把说明书中所说的Fx₆₀曲线打印出来。众所周知，手算法原理简单结果可靠，但凑算的计算工作量非常浩大，为了得到说明书中几种法向磁力电动机的Fx₆₀曲线，手算累计花时不少于2年时间。当时也只记写在随手所得的零星纸片上。时隔已有十几年这些纸片早已不知去向了，如果实审要求提供Fx₆₀曲线计算资料备查，看来是不可能了，因为早已过了古稀年龄(已75岁)，再进行浩繁的计算已经是力不从心了。不过如若实审需要，可以提供法向磁力轴向磁路的单定子内外转子完全动平衡电动机和双片定转子准动平衡电动机的Fx₆₀曲线的估算资料，这些资料是最近半年来估算的，是为本发明扩大转速范围的实用性所必须补充算得。由于利用了本案的结构特点采用了轴向磁路，而轴向磁路比切向磁力电动机的径向磁路短、形状简单、尺寸单一而容易估算得多，也容易整理后择要提供实审备查参考。

本发明若能通过实审关而公开，科学无国界和族界。发展是硬道理，而竞争是加快发展的必经之路。竞争是自然界事物所固有的一种属性，即使小到粒子如电子在全利用线圈为有效边的磁路中也充满着竞争，而所有这些竞争的存在才使得自然界生气蓬勃，因为这些竞争的目的和结果都相同的，它能使所在体的能量和能力获得最大值，以有利于它的存在和发展。当今世界充满竞争，各民族都在努力。振兴中华！是国人的响亮口号。本原创发明可能使我们获得头筹，赢在起跑线上。所以本发明应该不应该暂时保密是国家和专利局考虑的事。发明人早已过古稀年龄；只希望能通过实审而公开，早些让聪明而有慧眼和实力的企业家来二次开发(因为他们能看到即使制造法向磁力双片定转子或单定子内外转子电动机样机，对电机制造业来说是件轻而易举的事，对某些机械(器)利用本原理改造原结构也是轻而易举的事。是一种花费不多而“钱”途无量的事)。早日看到本发明遍地开花、处处硕果。但原则上暂时保密和早期研究应用是能相容的，这就要国家的集体的力量和智慧来进行。

对于已过古稀之年的人来说对名利早已淡薄，如能通过受理和实审而获得专利。则专利在产品研发阶段一概不要出专利费用，为早日实现产业化，老头还愿意受聘作顾问指导实施本专利，让夕阳无限好，耀暖人黄昏，留今暮西山之晚霞，迎来日东海之朝阳。在实现产业化时也可以用技术入股形式收取些专利费，所有子发明都可以用设计新型的形式申请专利，只要子对母出点孝顺费就行。本专利奉献给国家，自然专利局也应减免去专利费用。

Claims (1)

1.本案法向磁力电机属电力工程技术领域。

本案对现在所有的旋转电机(下称前者)的创新在于：一是旋转的基本原理不同，前者是定子与转子间均匀空气隙里的切向磁场张力使转子旋转的，而本案是定子与转子之间不均匀空气隙里的法向磁(场张)力使转子旋转的；二是旋转的方式不同，前者是用传统的旋转框架结构即转子轴绕轴承中心轴线旋转的转动方式，而本案是无轴转子直接在定子支承面上、或相互转移的支承面上作无滑动地滚动——摆线运动——一种易被利用的复合旋转运动、或易被单独利用其慢速自转或快速公转的一个崭新的旋转框架结构方式；由于上述二个具有原始性、开拓性的创新，本案与前者不同的特征在于：无轴转子直接放在定子支承面上或相互转移的支承面上、定转子间的空气隙是自然形成的不均匀空气隙(前者必须由轴及轴承等来保持均匀空气隙)；转子在定子支承面上作无滑动地滚动是一种在理论上无摩擦，因而不会有磨损的免维护长寿命的复合旋转运动(前者轴承必须经常维护定期更新)。

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