CN1245363A - 超导态完全抗磁动机设计制造技术方案 - Google Patents

Abstract

超导态完全抗磁动机设计制造技术方案,所属高温超导功能材料应用电工技术领域研究课题,是在首创应用完全抗磁屏蔽设计制作永磁体N极端面单侧分布外磁场技术基础上发明的抗磁能动力装置,可代替热力发动机功能,只需耗用液氮,不需其他能源,无污染,无噪音,与日本迈斯纳电机相比具有能量转化效率高,输出功率大,结构简单等优点,彻底解决了人类直接利用完全抗磁能,永磁能转化为机械能的关键技术,标志着人类利用自然能技术进入了超导抗磁能时代新纪元。

Description

超导态完全抗磁动机设计制造技术方案

超导态完全抗磁动机设计制造技术方案所属高温超导功能材料应用电工技术领域研究课题，是针对本人在一九七二年研究永磁式二极直流电动机工作原理的演绎实验(如图1所示)中得出：永磁能之所以未能被开发的根源在于：“永磁体外部磁场分布的对称性”这一结论(如图2所示)，根据“处于超导态中的超导体具有完全抗磁功能的特性”原理选择的具有高转变温度和高临界磁场强度的高温超导材料(如图3所示)和纵向解剖与观察永磁实体与外部磁场分布形态的关系实验得出：“永磁体外部磁场磁力线具有从N极发出，自动选择最近路线回归S极的特性”(如图4-5，4-6所示)，首创提出应用超导体完全抗磁性功能材料特制腔体屏蔽于永磁体N极端面一侧，使屏蔽侧外部端面无阻力磁场分布，永磁体N极发出的磁力线在完全抗磁屏蔽作用下全部由永磁体N极端面另一敞开侧回归S极，并且增强了敞开侧的磁场强度(如图5所示)，设计制作的永磁体N极端面单侧分布外磁场磁极元件技术(如图6，图7所示)，并且，在此基础上综合用途需要和完全抗磁性功能材料临界磁场强度允许选择的具有相应剩磁强度和矫顽力的永磁体经合理设计组合发明创造的多种构造的超导态完全抗磁动机(如图12、13、14所示)，只需消耗液氮的致冷量，不需要消耗电力，燃料及其他能源，无污染，无噪音，类似电动机的完全抗磁动力装置，是现有车船用化学热发动机的最佳替代产品，也是就地发电的最佳动力装置。

本发明与日本迈斯纳电机(见附加文件2-1，2-2)对比具有以下共同之处：

1、都需要消耗维持低温工作效应环境的致冷剂液氮。

2、都不需要消耗电力、燃料等自然资源，故无污染、无噪音。

3、都是依靠超导态完全抗磁功能材料与永磁体外部磁场之间感生的完全抗磁性排斥作用力转化为机械能作为输出功率。

日本样机虽然输出功率小，但标志着人类开发利用完全抗磁能的开端，划清了超导态完全抗磁动机与永动机的界限，证明了不用电，不用燃料、无污染、无噪音，就能将完全抗磁能转化为机械能的迈斯纳电机已成事实，为本发明提供了有力的佐证。

本发明与日本迈斯纳电机相比具有下列先进性：

1、充分开发利用了永磁能和完全抗磁能，能量转化效率高，输出功率大(如图8-11，图13-14)。

2、耗用致冷剂量少，装置内无热能转化现象。

3、结构简单，制造维修方便，能形成标准化批量规模生产。

4、提高完善，改进发展产品性能，潜力巨大，应用范围广。

本发明首创应用超导体完全抗磁屏蔽技术设计制作的超导态永磁体N极端面单侧分布外磁场磁极体，标志着人类应用超导技术打开了永磁能宝库的大门；发明了超导态完全抗磁动机解决了人类直接利用永磁能、完全抗磁能转化为机械能的关键技术难题，标志着人类利用自然能源技术由化学热能时代跃入了超导抗磁能时代新纪元。

本发明主要参考资料见附加文件3。

图8-11是转子磁极和定子磁极都是采用了超导态永磁体N极端面单侧分布外磁场磁极体设计的完全抗磁动机。

图13-14是转子磁极或定子磁极一方采用了超导态永磁体N极端面单侧分布外磁场磁极体元件，另一方则采用高温超导体完全抗磁功能材料制成的无永磁极元件设计的完全抗磁动机。

其工作原理都是根据有固定转轴的物体的平衡原则，使转子磁极与定子磁极感生的完全抗磁排斥作用力和发生的同性相斥作用力都发生在与转子运转方向一致的转子磁极轴线的后侧，使转子磁极每经过定子一次就受到一次加速推力作用。使转子轴线两侧感受的磁性作用力明显不相等，转子轴线两侧不平衡必然引起转动，不平衡程度愈大，转子扭矩愈大，输出功率就愈大。

在单位时间内累计转子磁极经过定子磁极的次数乘以每次所受到的推力加速度就能算出理论输出功率强度。

本发明的意义正如爱因斯坦所说：

提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。

                                      选自参考资料19、《产品构思畅想曲》扉页

因此，本发明主要阐述的就是发动原理，对于其他制造技术现代都已比较成熟就不一一赘述，若有未尽事宜，来函必复。

本发明与能量守恒的关系有待于实验证明后再作结论。

现对附图加以说明：

图1转子永磁体N极端面磁场与定子永磁体N极端面磁场同性相斥作用力分析结果示意图

结论：转子磁极与定子磁极的相互磁性作用力，左右相等，呈相对抗衡静止状态完全符合能量守恒定律。

图1各部位名称：

1、转子轴心；2、转子轴心、转子磁极轴线、定子磁极轴线的公共轴心线；3、转子永磁体；4、转子永磁体N极端面磁极；5、定子永磁体；6、定子永磁体N极端面磁极；

图2转子永磁体N极端面磁极中心与定子永磁极端面磁极中心，在公共轴线上的同性相斥作用力分析结果示意图

结论：1、永磁能未能被开发的根源在于：“永磁体外部磁场分布的对称性”。

      2、转子N极一侧磁场与定子N极另一侧磁场在公共轴线一侧只能作单向排斥运动。

      3、当设定转子逆时针运转时：转子磁极左侧与定子磁极右侧，发生的同性相斥力对转子起推力加速作用力；转子磁极右侧与定子磁极左侧发生的同性相斥力对转子起阻力减速作用力(逆时针为M+)。

4、当设定转子顺时针运转时：转子磁极右侧与定子磁极左侧发生的同性相斥力对转子起推力加速作用力；转子磁极左侧与定子磁极右侧发生的同性相斥力起阻力减速作用力(顺时针为M-)。

图2各部位名称见图1所示。

图3处于超导态中的超导体具有完全抗磁功能特性。

图3照片摘自《超导电技术及其应用》第244页，由焦正宽、朱震刚、宁宇宏、张其瑞编绎统一书号15034.1389国防工业出版社，1975年2月第一版。

根据现有资料表明现在超导材料转变温度已超过液氮沸腾温度77.3K，为超导体完全抗磁功能应用创造了良机。

1987年，吴茂昆、朱经武等人和赵忠贤、陈立泉等人各自制出了Tc高于90K的钇钡铜氧氧化物高温超导体。

1988年盛正直等人又制出Tc高于120K的钛钡钙铜氧氧化物超导体。

1989年中国科技大学又发现了Tc高于132K的掺锑铋系列材料，这是目前国际上已证实的临界温度的最高记录。

随着超导体完全抗磁材料临界磁场强度和转变温度的不断提高，就能不断提高完善超导态完全抗磁动机的输出功率，降低致冷剂的消耗量，扩大了完全抗磁动机的适用范围，等大有发展前途，存在着巨大的潜力。

图4纵向解剖与观察永磁实体形状与外磁场分布形态的关系的实验过程与情况。为人为控制处于超导态完全抗磁屏蔽中的永磁体外部磁场分布形态，提供可靠的事实依据。

解剖与观察：

本实验用一块φ25毫米，高25毫米，重63克，圆柱形铁氧体永磁铁，用切割机带水沿磁轴纵向切开，为两个半圆柱形永磁体时，其各自外磁场分布如下图：(示意图)。

注：4-1一块圆柱形铁氧体永磁铁；4-2圆柱形永磁铁磁极端面磁场分布形态；呈发散形自然对称分布形态；4-3圆柱形永磁铁磁轴两侧及两极磁场分布、呈磁轴两侧自然对称分布形态；4-4被沿磁轴线纵向切割开的两个半圆柱形永磁铁；4-5被切开后的半圆柱形永磁铁磁极中心内移到了半圆端面中心，依然呈发散形自然对称分布形态；4-6被切开后的半圆柱形永磁铁，以新的磁轴中心两侧呈自然对称分布外磁场形态；4-7被切开后的两个半圆柱形永磁铁，因同性相斥磁性作用力不能随意全拢。在外力的强行作用下，将两个半圆柱形永磁铁合拢成一个圆柱体永磁铁其外部磁场基本能还原成如图4-2，4-3所示的原有磁场分布形态。

本实验证明：永磁体外磁场磁力线具有从N极发出，自动选择最近路线回归S极的特性。在外磁场作用力小于永磁体矫顽力的情况下，回归路线的变化不影响永磁性，为发明超导态完全抗磁屏蔽技术设计制作超导态N极端面单侧分布外磁场永磁体磁极元件提供了可靠的事实依据。

图5首创发明的超导态完全抗磁屏蔽技术，实现了超导态N极端面单侧分布外磁场永磁体

实验用圆柱形铁氧体永磁铁N极端面及磁轴两侧屏蔽前，后外磁场分布对比示意图。

图6转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同盘多极转子元件设计原则示意图。

图6转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同盘多极转子磁极各部位名称：

1、转子轴心；2、转子盘体周长；3、转子盘体直径；4、转子完全抗磁屏蔽敞开侧；5、转子永磁体N极敞开侧端面；6、转子完全抗磁屏蔽前凹弧；7、转子完全抗磁屏蔽外侧端面；8、转子完全抗磁屏蔽外最前端；9、转子永磁体；10、转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同盘多极转子磁极元件。

一、选材原则：

1、对完全抗磁性材料的选择要求：1.1转变温度Tc愈高愈好；1.2临界磁场强度Hc₁愈高愈好；1.3材质能按设计要求加工成型，有一定机械强度。

2、对永磁体的选择要求：2.1以完全抗磁体Hc₁为绝对优势的条件下，选择相应强度的永磁体剩磁强度Br；2.2具有较强的矫顽力BHc；2.3体积、外形能满足设计需要，并且能保持最大的磁能积；2.4具有较好的耐寒性

二、同盘磁极设计原则：

1、在满足转子磁极与周围磁极不发生阻力作用的情况下，等分周长，按排极数。

2、为保证屏蔽端尖，端面与定子永磁极发生正向感应必须设计屏蔽前凹弧和锯齿形端面。

图7转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同环多极定子元件设计原则示意图。

图7转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同环多极定子磁极各部位名称：

1、转子轴心、转子磁极、定子磁极的公共轴心线；2、定子环体内圆周长；3、定子完全抗磁屏蔽外侧端面；4、定子完全抗磁屏蔽外最前端；5、定子完全抗磁屏蔽前凹弧；6、定子永磁体敞开侧N极端面；7、定子永磁体；8、转轴式超导态N极端面单侧分布外磁场同环多极定子磁极元件；9、定子完全抗磁屏蔽敞开侧。

一、选材原则：与转子磁极元件相同。

二、同环磁极设计原则：

1、在满足定子磁极与周围磁极和转子磁极不发生阻力磁性作用情况下，等分环内周长，安排极数，定子极数不一定要与转子极数对应相等。

2、为保证屏蔽最前端最先与转子永磁极发生正向感应必须设计屏蔽前凹弧，但不必设计屏蔽外侧锯齿形端面。

3、为加强转子屏蔽最前端进入定子永磁极能力，定子屏蔽外侧端面长度应等于转子屏蔽外侧端面长度加转子永磁极端面长度之和，使定子屏蔽端面与转子永磁极比转子屏蔽端面与定子永磁极先发生完全抗磁感应排斥力作用。

4、考虑本发明完全抗磁屏蔽敞开侧呈有底腔体与超导体的中空圆筒状轴向冻结磁通效应的利用或完善有待进一步验证。

5、本设计成熟后转子磁极元件是一个中空超导圆盘体，定子磁极元件是一个中空超导圆环体，各自都可注入液氮，转子永磁极、定子永磁极、从侧面能脱卸更换，可进行标准化规模大批量流水生产。

图8超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-1转子抗磁屏蔽极与定子抗磁屏蔽极。

图8超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-1转子抗磁屏蔽极与定子抗磁屏蔽极相互接近行程角度和两极之间磁性作用力分析与结论：

1、行程角度：108°至169°，行程夹角61°。

2、两极之间磁性作用力分析：转子抗磁屏蔽极与定子抗磁屏蔽极在这一行程范围内，因双方抗磁屏蔽外侧无磁场分布，所以，相互之间无磁性作用力发生，原转子磁极是静态的，仍保持静态，原转子是动态的，仍保持动态，转子磁极能轻松地到达定子磁极附近。

3、结论：转子抗磁屏蔽极与定子抗磁屏蔽极，在这一行程范围内的运作情况与牛顿第一定律相符。

4、效果：转子磁极能轻松地到达屏蔽前不能到达的距离公共轴线的最近点，接近了定子磁极。

图9超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-2转子永磁极与定子抗磁屏蔽极。

图9超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-2转子永磁极与定子抗磁屏蔽极相互接近行程角度和两极之间磁性作用力分析与结论：

1、行程角度：169°至198°，行程夹角29°。

2、两极之间磁性作用力分析：

2.1根据永磁体外部磁力线发源于N根的特点，本机全部采用N极同性相斥磁性作用力为开发目标，使定子抗磁屏蔽极端面进入转子永磁极端面磁场时，感生的完全抗磁作用力，绝对大于定子抗磁屏蔽前凹弧侧面，所以不会产生阻碍转子运转方向的磁性作用力。

2.2由于转子永磁极与定子抗磁屏蔽极之间感生的完全抗磁排斥作用力都是在公共轴线后侧发生的，使转子磁极受到的都是与转子运转方向一致的加速度。

3.结论：在这一行程中转子永磁极与定子抗磁屏蔽极感生的完全抗磁排斥作用力方向与转子运转方向一致，作用力强度与永磁体磁场强度相等符合超导抗磁理论。

图10超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-3转子抗磁屏蔽极与定子永磁极。

图10超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-3，转子抗磁屏蔽与定子永磁极相

互接近行程角度和两极之间磁性作用力分析与结论：

1、行程角度：180°至198°，行程夹角18°。

2、两极之间磁性作用力分析：

2.1根据永磁体外部磁力线发源于N极的特点，本机全部采用N极同性相斥磁性作用力为开发目标，使转子抗磁屏蔽极端面进入定子永磁极端面磁场时感生的完全抗磁作用力，绝对大于转子抗磁屏蔽前凹弧侧面感生的抗磁作用力，所以不会产生阻碍转子运转方向的磁性作用力。

2.2由于定子永磁极与转子抗磁屏蔽极之间感生的完全抗磁排斥作用力都是在公共轴线后侧发生的，使转子磁极受到的都是与转子运转方向一致的加速度。

3、结论：在这一行程中转子抗磁屏蔽极与定子永磁极感生的完全抗磁排斥作用力方向与转子运转方向一致，作用力强度与永磁体磁场强度相等，符合超导抗磁理论。

图11超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-4转子永磁极与定子永磁极

图11超导态转轴式完全抗磁动机工作原理分解图4-4，转子永磁极与定子永磁极相互排斥行程角度和两极之间磁性作用力分析与结论：

1、行程角度：198°至233°，行程夹角35°。

2、两极之间磁性作用力分析：

2.1由于超导态完全抗磁屏蔽腔体内侧的抗磁作用迫使转子永磁极和定子永磁极被屏蔽一侧的磁场改变回归路线从另一敞开侧回归S极，增强了有利于转子运转方向的推力磁场，所以屏蔽后两极的同性相斥力大于未屏蔽时的相同磁极的同性相斥力。

2.2根据图2中结论2分析推断：转子永磁极在定子永磁极中只要构成两极磁力线相对就能发生同性相斥作用，磁力线方向一致就能相互发生相吸作用，转子永磁极敞开侧与定子永磁极敞开侧相互N极磁力线相对必然相互排斥。

3、结论：两极在这一行程中发生的同性相斥作用都是与转子运行方向一致的加速度

图12超导态转轴式大功率完全抗磁动机基本结构示意图。

图12超导态转轴式大功率完全抗磁动机基本结构示意图各部位名称：

1、中空转子轴；2、轴承；3、轴承支撑；4、超导体多极圆盘形转子磁极元件集体合体；5、超导体多极圆环定子磁极元件集合体；6、定子环体液氮出入通道；7、整机定子内支承；8、多层绝热保温设施。

图13超导体同盘多极体转子元件与超导体中空圆环形定子元件组合设计的转轴式完全抗磁动机超导态工作原理示意图。

图13超导体同盘多极体转子元件与超导体中空圆环形定子元件组合设计的转轴式完全抗磁动机超导态工作原理示意图各部位名称：

1、转子轴心；2、转子磁极轴线；3、转子永磁体；4、转子屏蔽敞开侧；5、转子抗磁屏蔽腔体；6、转子永磁极敞开侧端面；7、转子屏蔽极外侧端面；8、超导体中空圆环形定子元件。

分析：1、由于转子磁极元件敞开侧永磁场与定子环体内侧表面感生的完全抗磁排斥作用力明显大于屏蔽侧，转子轴两侧受力明显不平衡转子必然要转动。

2、转子永磁体N极敞开侧发出的磁力线方向与转子运转方向相反与定子环体内侧表面感生的完全抗磁排斥力对转子起正推力加速作用。

3、由于定子环体表面呈现凹弧形有利于与转子永磁体N极敞开侧发生抗磁感应作用力。

图14超导体同环多极体定子元件与超导体中空圆体柱形螺旋锯齿状表面转子元件组合设计的转轴式完全抗磁动机工作原理示意图。

图14超导体同环多极体定子元件与超导体中空圆柱形螺旋锯齿状表面转子元件组合设计的转轴式完全抗磁动机各部位名称：

1、转子轴心；2、转子轴心与定子轴线的公共轴线；3、超导体中空圆柱形螺旋锯齿状转子表面；4、定子屏蔽极外侧端面；5、定子永磁体敞开侧端面；6、定子永磁体；7、定子抗磁屏蔽腔体；8、定子抗磁屏蔽敞开侧磁力线S极入口。

分析：转子完全抗磁体表面在定子磁极轴线两侧，永磁体N极敞开侧与转子表面感生的完全抗磁排斥力大于屏蔽侧，转子必然转动。

图15实验用永磁体N极端面磁场分布展示图

图15实验用永磁体N极端面各部位磁场分布展示：

1、φ25毫米铁氧体永磁铁N极端面面积：

2、永磁体N极端面磁极中心磁场强度600-700高斯。

3、永磁体N极端面实体边缘磁场强度400-450高斯。

4、永磁体N极端面最边缘有力感磁场范围(有感作用力±0.5克)。

5、实际测量N极与S极端面磁场强度对比，N极场强大于S极。两块总重量为118克的上述规格永磁体，在公共轴线上作N极同性相斥力强度试验，N极端面相距1毫米时，垂直相斥力为240克，横向排斥为95克。

6、永磁体N极端面呈发散形自然对称分布形态。

图16实验用永磁体磁轴两侧和两极磁场分布展示图。

图16实验用永磁体磁轴两侧和两侧磁场分布展示：

1、永磁体磁轴中心线。

2、φ25毫米，高25毫米，重63克圆柱形铁氧体永磁铁。

3、永磁体磁轴左、右两侧有力感磁场范围(±0.5克)。

4、永磁体N、S两磁极有力感磁场范围(±0.5克)。

5、永磁体外部磁场呈磁轴两侧自然对称分布形态。

Claims (4)

1.应用现代高温超导体的完全抗磁性功能材料作为控制永磁体、超导磁体等其他磁体外部磁场分布形态的屏蔽技术用于能源开发。

2.利用完全抗磁能和永磁能转化为机械能的高效率转化技术。

3.本发明就是首创应用处于超导态的现代高温超导体完全抗磁性功能材料屏蔽使永磁体N极被屏蔽一侧外部无阻力磁场分布，N极发出的磁力线在完全抗磁屏蔽作用下全部由另一敞开侧回归于S极，并且增强了敞开侧的推力磁场强度的原理设计制作的超导态完全抗磁屏蔽永磁体N极端面单侧分布外磁场磁极元件技术就是本发明的第一关键特征。

4.应用上述技术根据不同用途和超导功能材料特性的许可选用相应磁强度的永磁体，经特别设计制作的定子磁极元件和转子磁极元件合理组合设计的各种用途的超导态完全抗磁动机的设计制造技术。

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