本发明提供了一种磁动力转换实验装置,其作为被驱动体的磁力转子能够在其作为驱动体的磁力定子的磁场作用下,对磁力转子的转轴部形成尽可能小的径向压力,从而在转轴部转动摩擦系数固定的情况下使得磁力转子的转动摩擦力尽可能的小,减少因转动摩擦对磁动力能量转换的损耗,更有利于用于磁动力转换的演示、实验和力学分析研究;与此同时,本发明的磁动力转换实验装置中,其磁力定子与磁力转子之间在横截面周向上的磁感应线分布和受力关系趋于复杂化,其相互之间的磁动力转换关系可以很好地用于演示实验和力学分析研究。
1.一种磁动力转换实验装置,其特征在于,包括一个整体呈圆筒状的磁力定子,以及同轴可转动设置在所述磁力定子的圆筒状中空通道内的磁力转子;所述磁力定子的内侧壁面为S极,外侧壁面为N极;所述磁力转子具有一个环状结构的磁体芯,所述磁体芯由K个第一型磁体和K个第二型磁体沿环形周向交替排布组成,且K个第一型磁体和K个第二型磁体均在环形周向上均匀分布,K为大于1的奇数;其中,第一型磁体朝向磁体芯中轴心一侧为N极、背向磁体芯中轴心一侧为S极,第二型磁体朝向磁体芯中轴心一侧为S极、背向磁体芯中轴心一侧为N极,且第二型磁体背向磁体芯中轴心的侧面为与磁体芯外接圆的径向相垂直的平面;磁体芯的每个第一型磁体的外周测均紧贴设置有一个圆弧条状的铁芯,每相邻两个铁芯的端壁围合形成一个开口正朝向其两者之间的第二型磁体且开角为60°的V形槽,且所述V形槽的开口宽度与其正朝向的第二型磁体背向磁体芯中轴心的侧面宽度相匹配,使得所述V形槽与其正朝向的第二型磁体围合形成一个横截面呈等边三角形的三棱柱状腔室空间;每个三棱柱状腔室空间中均镶嵌设置有一个形状相匹配的等边三棱柱状的第三型磁体;每个第三型磁体与其所在V形槽的其中一个铁芯端壁相贴合的柱面一侧为S极、与所述S极所在柱面相对的一个棱边一侧为N极,且磁力转子中各个第三型磁体的S极分别朝向不同铁芯的端壁。
2.根据权利要求1所述的磁动力转换实验装置,其特征在于,所述磁力定子由若干个扇环状磁体沿环形周向排布而构成,每个扇环状磁体朝向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为S极,背向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为N极。
3.根据权利要求2所述的磁动力转换实验装置,其特征在于,构成所述磁力定子的扇环状磁体为永磁体或电磁体。
4.根据权利要求1所述的磁动力转换实验装置,其特征在于,所述第一型磁体、第二型磁体和第三型磁体为永磁体或电磁体。技术领域
本发明涉及利用磁体同极相斥、异极相吸原理的一种磁动力转换实验装置。
背景技术
磁能的开发利用,怎样采用永磁体进行磁能和动能的转换,一直是人们研究的课题,现有技术中也存在各种研究磁能转化为机械能的技术。例如,中国专利CN200610031420.1一种永磁动力机,包括有机座、定子和转子,所述定子包括永磁环、隔离层和滑架,所述转子包括永磁块和主轴;永磁块是柱状结构,可以是整块或2块、多块装于主轴上,永磁环是套筒状结构,采用高导磁材料制成,可以是整块或2块、多块层叠或拼接而成。永磁环可以沿滑架移动,还有一个启停控制装置,该控制装置可以是电动或手动离合器结构;该发明由于采用上述结构,以永久磁铁同性相斥产生推力,推动偏心转轮进而带动转动主轴以输出动力。又如,中国专利CN200410065768.3公开了一种永磁动力机,有装与机架上的活动式圆柱体,活动式圆柱体中环状设置纵向条状永磁体,活动式圆柱体下方设置可旋转块,可旋转块中设置一个纵向设置的条状永磁体,可旋转块中的条状永磁体与活动式圆柱体中的条状永磁体呈同性相对设置,连接轴的一端与活动式圆柱体的中心固定连接,连接轴的另一端与可旋转块偏心连接,且采用可旋转式连接方式,可旋转块与传动机构连接。其运转依靠永磁体的磁力,采用永磁同性相斥、滑行惯性产生的动力推动运转。再如,中国专利CN200410012635.X公开的永磁动力机,包括磁组件和转动、启停控制机构。转动机构包括主轴、转架和驱动机构,转架设有若干个磁鼓(4)和分布其间的套筒,它们交替排列且依次连接;还设有转筒(11),其由连接杆(6)连接所述的套筒。驱动机构包括驱动轴、传动轴(7)和转筒(11)内的大伞形齿轮(17);驱动轴包括磁鼓的转轴(5)和位于套筒(26)内的十字万向轴(29),它们串接而成“C”形环轴;主轴与转筒(11)固连。磁组件包括磁极圈和上述的磁鼓,磁极圈由若干对朝向相反、均匀分布且与机壳相连的S、N磁极扭片(25)、(13)围成,它是“C”形环轴的螺旋运行通道。该发明具有节能、使用场地不受限制、结构简单等优点。但是,上述现有技术均存在可持续性差的缺陷,难以保证机构正常地连续运转,因此上述的这些机构实际上都无法实现依靠磁力永恒驱动的目标。在实际应用中,却可以依据上述的机构构造制造磁动力转换模型装置,用于进行静磁场能与动能之间相互转化和相互作用关系的力学研究,以达到演示、实验和力学分析等应用目的。在依据上述这些机构构造实际制造磁动力转换模型装置时,为了保证驱动体与被驱动体之间的相对位置关系,被驱动体通常都需要一定的安装支撑结构对其形成支撑,被驱动体与其安装支撑结构之间当然不可避免的存在一定的转动摩擦力;然而,由于上述机构构造中驱动体与被驱动体之间的驱动设计关系,使得驱动运行过程中,被驱动体对其安装支撑结构在转轴径向(即与转轴垂直的方向)上的的受理不平衡,因此被驱动体对其安装支撑结构上转轴部会施加较大的径向压力,从而在转轴部转动摩擦系数固定的情况下使得被驱动体与其安装支撑结构之间的转动摩擦力也加大,这就导致静磁场能所转换的动能中有较大的一部分都被转动摩擦力所消耗,以至于演示、实验难以顺利的进行,或者相关力学研究分产生较大的误差。因此,在被驱动体与其安装支撑结构之间的转动摩擦力不可避免的实际条件下,如何尽可能地合理设计驱动体与被驱动体之间的驱动关系,减小被驱动体与其安装支撑结构之间的摩擦力,进而减小能量转换的损耗,是磁动力转换模型装置设计和磁动力转换力学研究的一个重要课题和设计目标。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足,本发明解决的问题在于如何提供一种磁动力转换实验装置,在转轴部转动摩擦系数固定的情况下使得被驱动体的的转动摩擦力尽可能的小,减少因转动摩擦对磁动力能量转换的损耗,以有利于用于磁动力转换的演示、实验和力学分析研究。为实现上述目的,本发明采用的一个技术手段是:一种磁动力转换实验装置,包括一个整体呈圆筒状的磁力定子,以及同轴可转动设置在所述磁力定子的圆筒状中空通道内的磁力转子;所述磁力定子的内侧壁面为S极,外侧壁面为N极;所述磁力转子具有一个环状结构的磁体芯,所述磁体芯由K个第一型磁体和K个第二型磁体沿环形周向交替排布组成,且K个第一型磁体和K个第二型磁体均在环形周向上均匀分布,K为大于1的奇数;其中,第一型磁体朝向磁体芯中轴心一侧为N极、背向磁体芯中轴心一侧为S极,第二型磁体朝向磁体芯中轴心一侧为S极、背向磁体芯中轴心一侧为N极,且第二型磁体背向磁体芯中轴心的侧面为与磁体芯外接圆的径向相垂直的平面;磁体芯的每个第一型磁体的外周测均紧贴设置有一个圆弧条状的铁芯,每相邻两个铁芯的端壁围合形成一个开口正朝向其两者之间的第二型磁体且开角为60°的V形槽,且所述V形槽的开口宽度与其正朝向的第二型磁体背向磁体芯中轴心的侧面宽度相匹配,使得所述V形槽与其正朝向的第二型磁体围合形成一个横截面呈等边三角形的三棱柱状腔室空间;每个三棱柱状腔室空间中均镶嵌设置有一个形状相匹配的等边三棱柱状的第三型磁体;每个第三型磁体与其所在V形槽的其中一个铁芯端壁相贴合的柱面一侧为S极、与所述S极所在柱面相对的一个棱边一侧为N极,且磁力转子中各个第三型磁体的S极分别朝向不同铁芯的端壁。上述的磁动力转换实验装置中,具体而言,所述磁力定子由若干个扇环状磁体沿环形周向排布而构成,每个扇环状磁体朝向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为S极,背向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为N极。上述的磁动力转换实验装置中,具体而言,构成所述磁力定子的扇环状磁体为永磁体或电磁体。上述的磁动力转换实验装置中,具体而言,所述第一型磁体、第二型磁体和第三型磁体为永磁体或电磁体。相比于现有技术,本发明具有以下有益效果:1、本发明的磁动力转换实验装置,其作为被驱动体的磁力转子能够在其作为驱动体的磁力定子的磁场作用下,对磁力转子的转轴部形成尽可能小的径向压力,从而在转轴部转动摩擦系数固定的情况下使得磁力转子的转动摩擦力尽可能的小,减少因转动摩擦对磁动力能量转换的损耗,更有利于用于磁动力转换的演示、实验和力学分析研究。2、本发明的磁动力转换实验装置中,其磁力定子与磁力转子之间在横截面周向上的磁感应线分布和受力关系趋于复杂化,其相互之间的磁动力转换关系可以很好地用于演示实验和力学分析研究。
附图说明
图1为本发明磁动力转换实验装置的整体结构示例图。图2为本发明磁动力转换实验装置的磁力定子中单个扇环状磁体的形状示例图。图3为本发明磁动力转换实验装置中磁力转子的结构示例立体图。图4为图3所示磁力转子结构示例的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明磁动力转换实验装置进行进一步的说明。本发明提供了一种磁动力转换实验装置,该磁动力转换实验装置的整体结构示例如图1所示,其包括一个整体呈圆筒状的磁力定子10,以及同轴可转动设置在所述磁力定子10的圆筒状中空通道内的磁力转子20。磁力定子10的内侧壁面为S极,外侧壁面为N极。作为具体实现而言,由于内环、外环分别为不同磁极的环状单磁体是无法实现的,因此本发明磁动力转换实验装置中所用到的圆筒状的磁力定子10,可以由若干个扇环状磁体沿环形周向排布而构成,每个扇环状磁体朝向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为S极,背向磁力定子的圆筒中轴线方向一侧为N极;单个扇环状磁体的具体形状如图2所示,每个扇环状磁体在具体应用实现时,可以采用永磁体,也可以采用电磁体。如图3和图4示出了本发明磁动力转换实验装置中的磁力转子的结构示例,其中图3为磁力转子结构的立体图,图4为磁力转子结构的俯视图;该磁力转子结构主要由第一型磁体、第二型磁体、第三型磁体和铁芯构成,在图3和图4中,第一型磁体均标记为A,第二型磁体均标记为B,第三型磁体均标记为C,铁芯均标记为D。如图3和图4所示,该磁力转子20具有一个环状结构的磁体芯,该磁体芯由K个第一型磁体A和K个第二型磁体B沿环形周向交替排布组成,且K个第一型磁体A和K个第二型磁体B均在环形周向上均匀分布,K为大于1的奇数,这样以来,使得磁体芯上每个第一型磁体A在沿环状结构周向180°位置处所正对的恰好是一个第二型磁体B(若K为大于2的偶数,那么磁体芯上每个第一型磁体在沿环状结构周向180°位置处所正对的则依然是一个第一型磁体)。为了较为简单和清晰的示意,图3和图4所示的示例中第一型磁体和第二型磁体的个数K均为3个,但实际应用中,第一型磁体和第二型磁体的个数K可以是大于1的任意奇数个。在磁体芯中,第一型磁体A朝向磁体芯中轴心一侧为N极、背向磁体芯中轴心一侧为S极,第二型磁体B朝向磁体芯中轴心一侧为S极、背向磁体芯中轴心一侧为N极,且第二型磁体B背向磁体芯中轴心的侧面为与磁体芯外接圆的径向相垂直的平面。而磁体芯的每个第一型磁体A的外周测均紧贴设置有一个圆弧条状的铁芯D,每相邻两个铁芯D的端壁围合形成一个开口正朝向其两者之间的第二型磁体且开角为60°的V形槽,且V形槽的开口宽度与其正朝向的第二型磁体B背向磁体芯中轴心的侧面宽度相匹配,使得V形槽与其正朝向的第二型磁体围合形成一个横截面呈等边三角形的三棱柱状腔室空间。每个三棱柱状腔室空间中均镶嵌设置有一个形状相匹配的等边三棱柱状的第三型磁体C。每个第三型磁体C与其所在V形槽的其中一个铁芯端壁相贴合的柱面一侧为S极、与所述S极所在柱面相对的一个棱边一侧为N极,且磁力转子中各个第三型磁体的S极分别朝向不同铁芯的端壁;也就是说,磁力转子中不会有两个第三型磁体的S极朝向同一个铁芯的两个端面,这就使得磁力转子中各个第三型磁体的S极朝向均在磁力转子横截面平面上偏向顺时针(或逆时针)方向。图4中标示出了磁力转子结构中各个第一型磁体、第二型磁体和第三型磁体的S极、N极分布情况。在具体应用实现时,磁力转子中的第一型磁体、第二型磁体和第三型磁体分别可以采用永磁体或电磁体,根据具体应用需求而定;而磁力转子中第一型磁体、第二型磁体、第三型磁体和铁芯的相互位置关系可以通过粘合、捆绑、铆接等多种固定方式加以固定成形得以实现。由于本发明的磁动力转换实验装置采用了上述的特殊结构,其中,磁力转子中环状结构的磁体芯由K个第一型磁体和K个第二型磁体沿环形周向交替排布组成,且K个第一型磁体和K个第二型磁体均在环形周向上均匀分布,K为大于1的奇数,使得磁体芯上每个第一型磁体在沿环状结构周向180°位置处所正对的恰好是一个第二型磁体,这样以来,在磁体芯的中轴心部分,各个第一型磁体和第二型磁体之间相互作用的磁场合力在磁体芯横截面所在平面的径向方向上恰好是达到平衡的;而在磁体芯的外周测每个第一型磁体对应位置处的磁极为N极,同时在磁体芯的每个第一型磁体的外周测均紧贴设置有一个圆弧条状的铁芯,起到增强第一型磁体朝向磁力转子外周测的N极磁场强度的作用;虽然,磁力转子中,第三型磁体的S极也倾斜地朝向磁力转子外周方向并且其S极磁力线穿过了所朝向的铁芯的端部,但是每个铁芯的绝大部分依然主要受到第一型磁体N极的磁化作用,并且可以通过对第一、第二、第三型磁体各自的磁场强度加以调整(若是永磁体则可以通过选用不同的磁体材料加以调整,若是电磁体则可以通过施加不同的电流强度加以调整),使得第一型磁体的磁场强度更强于第二型磁体和第三型磁体的磁场强度,加之铁芯对第一型磁体N极磁场强度的增强,这样便能够使得磁力转子的外周测整体具备相对较强的N极磁性。从而,在磁力定子圆筒状中空通道内的S极磁场区域中,能够对磁力转子形成吸附,同时,由于磁力转子上的K个第一型磁体在环形周向上均匀分布,这就使得只要磁力转子同轴设置在磁力定子的圆筒状中空通道内,那么磁力转子在周向上的N极磁场与磁力定子内侧壁的S极磁场之间的吸引力在横截面平面径向方向上的合力是平衡的。由此以来,如果考虑在理想状态下,只要保持磁力转子同轴设置在磁力定子的圆筒状中空通道内,将磁力定子和磁力转子沿其中轴线保持竖向的方向放置(即使得磁力转子在其重心位置处的重力方向与中轴线方向重合),由于磁力转子在磁力定子圆筒状中空通道的横截面径向上所受的磁场合力是平衡的,并且如果磁力定子内侧壁的S极磁场与磁力转子的外周测整体呈现的N极磁性之间的吸引力能够对磁力转子的重力形成支撑,那么就能使得磁力转子整体磁悬浮在磁力定子的圆筒状中空通道内。但实际应用中,这样的理想状态是很难以维持的,因为如果稍加振动,磁力转子只要因振动而稍微偏离了与磁力定子圆筒状中空通道的同轴关系,就会因为所受磁力发生偏移而被吸附到磁力定子圆筒状中空通道的内壁上。因此,在实际应用中,可以通过一个转轴支撑结构,来保持磁力转子同轴可转动设置在磁力定子的圆筒状中空通道内(转轴支撑结构在各个附图中并未示出)。这种转轴支撑结构的具体设计方式有很多,最容易依据现有技术知识而想到的设置方式,就是通过一个与磁力定子圆筒状中空通道的同轴设置的轴杆,将磁力转子通过一个滚动轴承套设安装在该轴杆上,从而形成转轴支撑,使得磁力转子同轴可转动设置在磁力定子的圆筒状中空通道内,并能够很好地保持与圆筒状磁力定子之间的同轴关系;当然,还有很多其它可采用的转轴支撑结构设计方式,本领域技术人员可根据其所拥有的结构设计知识进行设计,在此不再一一举例。利用转轴支撑结构,虽然能够使得磁力转子能够很好地保持与圆筒状磁力定子之间的同轴关系,但是滚动轴承的转动摩擦则不可避免;但由于一个滚动轴承的转动摩擦系数是一定的,而在本发明的磁动力转换实验装置中,只要将磁力定子和磁力转子沿其中轴线保持竖向的方向放置(即使得磁力转子在其重心位置处的重力方向与中轴线方向重合),由于磁力转子在磁力定子圆筒状中空通道的横截面径向上所受的磁场合力是平衡的,因此不会对滚动轴承形成径向上的压力,这就尽可能的减小了磁力转子的转动摩擦力,从而减少因转动摩擦对磁动力能量转换的损耗,更有利于用于磁动力转换的演示、实验和力学分析研究。另一方面,在本发明的磁动力转换实验装置中,虽然磁力转子在磁力定子圆筒状中空通道的横截面径向上所受的磁场合力是平衡的,但是由于磁力转子上第三型磁体的存在,且各个第三型磁体的S极朝向均在磁力转子横截面平面上偏向顺时针(或逆时针)方向,因此在磁力定子圆筒状中空通道内的S极磁场环境下,因第三型磁体所受到排斥力在周向上的分力作用,磁力转子在磁力定子圆筒状中空通道的横截面周向上受力是不平衡的,会受到在逆时针(或顺时针)方向的排斥力,并且在横截面周向上磁力定子与磁力转子之间的磁感应线分布和受力关系因磁力转子中第三型磁体的布局而趋于复杂化,其相互之间的磁动力转换关系可以很好地用于演示实验和力学分析研究,例如通过对第一、第二、第三型磁体各自的磁场强度加以调整,来演示或分析研究在第一、第二、第三型磁体各自的不同磁场强度情况下磁力定子和磁力转子之间的磁场作用关系和磁动力转换关系等。综上所述,本发明的磁动力转换实验装置,其作为被驱动体的磁力转子能够在其作为驱动体的磁力定子的磁场作用下,对磁力转子的转轴部形成尽可能小的径向压力,从而在转轴部转动摩擦系数固定的情况下使得磁力转子的转动摩擦力尽可能的小,减少因转动摩擦对磁动力能量转换的损耗,并且磁力定子与磁力转子之间在横截面周向上的磁感应线分布和受力关系趋于复杂化,其相互之间的磁动力转换关系可以很好地用于演示实验和力学分析研究。最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。