本实用新型涉及动力部件技术领域，并且更具体地，涉及一种永磁体发动机。
背景技术：
动力，不仅是驱动机械运行的心脏，更是推动人类社会进步的不二引擎。自瓦特实用新型蒸汽机后，人类首次尝到了动力机械所带来的福祉。从此以后，人们便开始不懈地致力于探寻更高效、更安全、更环保、更易于操控的机械动力。时至今日，在全世界范围内，内燃机已经成为使用范围最广、操作最为便捷的机械动力。然而，眼下内燃机依然存在热效率低、环境污染严重、噪音大、化石燃料不可持续等诸多短板。因此，近年来人们正试图以固态电池动力取代内燃机的“霸主”地位。就目前的技术而言，固态电池依然存在能量密度低、充电时间长、续航时间短等诸多瓶颈；因此，可以预见的是：在相当长的一段时间内，内燃机动力和固态电池动力将长期并存。与此同时，人们寻找其他的更高效、更安全、更环保、更易于操控的机械动力的脚步也不会停歇。鉴于上述事实，研究出一种更高效、更安全、更环保、更易于操控的动力机构日益成为该领域的热点和难点。
技术实现要素：
针对上述技术中的问题，本申请提出了一种基于磁力的永磁体发动机及其控制方法，其原理是利用永磁性来驱动机械结构运转。该发动机具有更加高效、无污染、噪音较低、加工制造简单的优点。
第一方面，本申请提供了一种永磁体发动机，该永磁体发动机包括固定框架、定子组件和转子组件，其中，所述定子组件包括：永磁体定子，其呈圆盘状且位于所述固定框架内部；以及牵引杆，其一端与所述永磁体定子固定连接，另一端伸出所述固定框架外部以在外力作用下牵引所述永磁体定子沿所述牵引杆的轴向移动；所述转子组件包括：转子，其位于所述固定框架内部，且平行正对所述永磁体定子，其包括安装轮毂以及多个楔形永磁体，多个所述楔形永磁体以相对于水平面的相同倾斜角围绕所述安装轮毂固定安装，且所述楔形永磁体与所述永磁体定子同极相对，使得二者靠近时产生的斥力施加在多个所述楔形永磁体上，从而使多个所述楔形永磁体带动所述安装轮毂旋转；以及动力输出轴，其一端与所述安装轮毂固定连接，另一端伸出所述固定框架外部并由固定在所述固定框架上的轴承支承。基于以上结构，该发动机利用永磁体之间同极相斥产生的斥力推动楔形永磁体，进而带动该安装轮毂及动力输出轴围绕旋转轴线转动，从而输出动力。该发动机结构简单，易于操作且易于维护，且无污染和噪音。
在第一方面的实施方式中，所述转子组件还包括用于密封所述转子的密封罩，其包括周向加固圈以及设置在其顶部的上密封板和底部的下密封板，所述楔形永磁体远离所述安装轮毂的一端与所述周向加固圈的内侧壁紧固连接，所述动力输出轴穿过所述下密封板，并将缝隙进行密封。通过该实施方式，能够有效避免楔形永磁体高速旋转时暴露于空气中产生的巨大阻力，从而提高输出效率。
在第一方面的实施方式中，所述转子组件还包括转子组件支撑板，其固定在所述动力输出轴上，且固定安装在所述下密封板底部以支撑所述密封罩。通过该实施方式，能够对转子组件提供进一步地支撑，从而提高结构强度和稳定性。
在第一方面的实施方式中，所述定子组件还包括弹簧，其套设在所述牵引杆上，并位于所述永磁体定子和所述固定框架的内侧面之间。通过该实施方式，能够在释放牵引杆时，借助压缩状态的弹簧的弹力推动永磁体定子向转子组件移动。
在第一方面的实施方式中，该楔形永磁体的安装倾斜角为40°～45°。通过该实施方式，能够使得施加在楔形永磁体上的推力维持在较高的水平，从而提高输出效率。
在第一方面的实施方式中，在所述固定框架上设置有供所述牵引杆通过的穿孔，所述穿孔内设置有牵引导管，所述牵引杆在所述穿孔内沿着所述牵引导管移动。通过该实施方式，能够使牵引杆保持恒定的牵引方向而不产生偏移，从而使永磁体定子与转子之间保持恒定的相对姿态，以保证输出动力的稳定性。
在第一方面的实施方式中，在所述牵引杆位于所述固定框架外部的一端设置有拽拉环。通过该实施方式，能够使得操控更为便捷。
在第一方面的实施方式中，所述定子组件还包括定子安装板，其相对的两个侧面分别与所述永磁体定子和所述牵引杆固定连接。
在第一方面的实施方式中，所述永磁体为钕磁铁，所述牵引杆、所述固定框架、所述轴承、所述动力输出轴由铝合金材料制成，所述密封罩和所述安装轮毂由碳纤维材料制成。通过该实施方式，能够减少其余零部件对永磁体磁场的干扰，从而保证最大的动力输出。
在第一方面的实施方式中，在该固定框架的侧壁上设置有多个安装螺栓。通过该实施方式，能够将该永磁体发动机固定在机械设备上。
在第一方面的实施方式中，该动力输出轴的位于该固定框架外部的一端固定设置有皮带轮。
第二方面，本申请还提供了一种第一方面及其任一实施方式的永磁体发动机的控制方法，该方法包括：牵引所述牵引杆使所述永磁体定子沿轴向朝所述转子组件移动，使得所述永磁体定子和所述转子逐渐靠近，因同极相斥而产生的斥力驱动所述楔形永磁体带动所述安装轮毂和所述动力输出轴围绕旋转轴线转动；牵引所述牵引杆使所述永磁体定子沿轴向远离所述转子组件移动，使得所述永磁体定子和所述转子逐渐远离，因二者之间的斥力逐渐减小，所述安装轮毂和所述动力输出轴逐渐停止转动。
本申请提供的永磁体发动机及其控制方法，相比于现有动力技术，由于其利用永磁体的磁力来驱动机械结构运转，使得该发动机具有更加高效、无污染、噪音较低、加工制造简单、易于维护的优点。
只要能够达到本实用新型的目的，上述技术特征可以以各种适合的方式组合，或由等效的技术特征来替代。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。其中：
图1显示了根据本实用新型实施例的永磁体发动机的正视图；
图2显示了根据本实用新型实施例的永磁体发动机的侧视图；
图3显示了根据本实用新型实施例的转子和密封罩的组装示意图；
图4显示了根据本实用新型实施例的转子的结构示意图；
图5显示了根据本实用新型实施例的楔形永磁体的受力图；
图6显示了根据本实用新型实施例的永磁体发动机控制方法的流程示意图。
附图标记清单：
110-固定框架；111-安装螺栓；120-定子组件；121-牵引杆；122-永磁体定子；123-定子安装板；124-弹簧；125-牵引导轨；126-牵引连接部件；130-转子组件；131-转子；1311-安装轮毂；1312-楔形永磁体；1313-轮毂穿轴孔；132-动力输出轴；133-轴承；134-密封罩；1341-上密封板；1342-周向加固圈；1343-下密封板；135-转子组件支撑板；136-皮带轮；140-螺栓
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1和图2分别为本实用新型提供的永磁体发动机的正视图和侧视图。如图1和图2所示，该永磁体发动机包括：固定框架110、定子组件120和转子组件130，其中，固定框架110用于容纳部分的发动机组件(即定子组件120和转子组件130的一部分)，并将该永磁体发动机连接到外部设备；定子组件120和转子组件130在该固定框架110内部通过二者磁体同极靠近时产生的斥力施加在转子组件130上，从而推动该转子组件130旋转，输出动力。
应当理解，本文所述的固定框架110可以为多种形式，例如支架或者封闭的容器等，定子组件120和转子组件130部分地容纳在支架或者封闭容器形成的内部空间中。出于说明的目的，下文将结合附图以支架为例阐述本实用新型的特征。应当理解的是，其他形式的固定框架110亦能够适用下文描述的特征和功能。其中，该框架可以为一体式成型，也可以是由多个单独成型的部件组合而成，本文在此不做限定。
具体地，如图1和图2所示，定子组件120设置于转子组件130的上方，二者并不发生接触，在使用过程中，视动力的输出要求，二者仅仅会无限接近。定子组件120包括牵引杆121以及永磁体定子122；其中，永磁体定子122为整体式的圆盘状永磁体，其能够产生均匀的磁场，上表面为n极或s极，下表面则相应地为s极或n极。牵引杆121的一端与该永磁体定子122的上表面固定连接，另一端则穿过开设在固定框架顶壁上的穿孔(该穿孔直径略大于牵引杆121的外径)而伸出该固定框架110外部，从而能够通过外力牵引该牵引杆121带动永磁体定子122沿着牵引杆121的轴向(即图1中所示的竖直方向)移动，以使该永磁体定子122能够靠近或者远离转子组件130。可选地，在牵引杆121和永磁体定子122上表面之间还设置有定子安装板123，其能够通过诸如螺栓140居中地连接到永磁体定子122的上表面，并且与牵引杆121的一端固定连接，实现牵引杆121和永磁体定子122通过定子安装板123固定连接，从而增加二者连接的牢固性。
在一个实施例中，该定子组件120还包括弹簧124，其在固定框架110内部套设在牵引杆121上，并位于永磁体定子122或定子安装板123的上表面与固定框架顶部内侧面之间。在永磁体定子122远离转子组件123的状态(即非工作状态)下，该弹簧124呈压缩状态；而在永磁体定子122朝向转子组件123移动的状态(即工作状态)下，该弹簧124由压缩状态逐渐转换为正常状态或者拉伸状态，其压缩力能够推动永磁体定子122向转子组件123移动。
优选地，在一个实施例中，在固定框架110的顶部开设的穿孔中固定设置有牵引导轨125，其沿着轴向在穿孔中延伸，可选地，其延伸到固定框架110外部；该牵引杆121能够沿着牵引导轨125沿着轴向上下移动，从而增加牵引杆121移动的稳定性，防止发生偏移，使得与之相连的永磁体定子122与转子之间保持恒定的相对姿态，以保证输出动力的稳定性。
可选地，该牵引导轨125为圆管，其内表面光滑且内径略大于牵引杆121的外径，以确保滑动的顺畅。
可选地，在牵引杆121伸出固定框架110外部的端部处设置牵引连接部件126，例如拉拽环或者铰链结构等。通过这种方式，可以很方便地控制固定框架内部永磁体定子122的移动。
在一个优选的实施例中，该定子组件120还可以包括定子位置保持部(未显示)，其用于在上述的非工作状态或工作状态下，将定子组件120保持在适当的位置，防止其意外移动，导致误操作的发生。可选地，该定子位置保持部可以设置在固定框架110的外部以便于操作，且其通过保持牵引杆121静止在适当位置而克服弹簧124的弹力作用，以保持该定子组件120处于稳定状态。
倾斜排列的楔形永磁体高速旋转时，如果暴露在空气会产生非常大的阻力，因此，如图3所示，在优选的实施例中，该转子组件130还可以包括密封罩134以用于将转子131(在图4中详细描述)容纳于其中。该密封罩134包括上密封板1341、周向加固圈1342以及下密封板1343；上密封板1341和下密封板1343分别在周向加固圈1342的顶部和底部与其密闭式卡合，形成密闭的内部空间，从而将该转子131与外界空气隔绝。多个楔形永磁体1312中的单个楔形永磁体1312远离安装轮毂1311的一端与周向加固圈1342的内侧壁固定连接(如铆接)，同时在下密封板1343上开设有供动力输出轴132穿过的孔洞(未显示)，这样可以使得转子131和密封罩134能够同步旋转；由于转子131位于密封罩134内部且与外界空气隔绝，使得转子131的旋转不会受到外界空气的阻力，从而提高了动力输出效率。
应当理解，为保证密封罩134的密封效果，可以在动力输出轴132上设置密封橡胶环(未显示)，以实现动力输出轴132与孔洞之间的静密封。
优选地，在密封罩134内为真空环境。
此外，为了确保优良的动力输出，该永磁体定子122的截面积应当与转子组件的截面积相同。
优选地，该转子组件130还可以包括设置在密封罩134下方的转子组件支撑板135，其可以固定设置(例如焊接)在动力输出轴132的适当位置，使其能够贴合下密封板1343的下表面，并通过螺栓140固定，这样可以为转子131和密封罩134的装配体提供进一步的支撑，以提升结构强度。应当理解，在该转子组件支撑板135上应当居中地开设孔洞以供动力输出轴132穿过。
图4中显示了本实用新型提供的转子组件130的细节结构示意图。参考图1，该转子组件130包括转子131和动力输出轴132；其中，动力输出轴132的一端与转子131固定连接，另一端则接合轴承133伸出固定框架110的外部；轴承133固定安装在开设于固定框架110底部上的穿孔中；由此，转子131能够带动动力输出轴132在轴承133内旋转，从而将动力力矩输出外部传动机构。
如图4中的(a)所示，转子131包括安装轮毂1311以及多个楔形永磁体1312；安装轮毂1311居中地开设有轮毂穿轴孔1313以固定动力输出轴132，多个楔形永磁体1312沿着安装轮毂1311周向均匀地且在同一水平高度固定在安装轮毂1311的外侧壁上。
图4中的(b)显示了单个的楔形永磁体1312与安装轮毂1311的装配示意图，该楔形永磁体1312以一定的倾斜角(即楔形永磁体的受力面与水平面的夹角)α固定安装在安装轮毂1311的外侧壁上。在本案中，楔形永磁体1312与安装轮毂1311之间可以通过多种形式连接，例如铆接等。
应当理解，在装配完成的状态下，所有楔形永磁体1312靠近定子组件120的磁极应当与永磁体定子122靠近转子组件130的磁极具有相同的极性，即同时为n极，或者同时为s极。如图5所示，根据磁体同性相斥的原理，当二者靠近时，楔形永磁体会受到垂直向下作用于受力面(即图4中(b)的a面)的斥力f。根据牛顿经典力学的相关定律，该斥力f会分解为一个横向牵引力f1和一个径向剪切力f2；其中，径向剪切力f2被楔形永磁体的内应力所抵消，而横向牵引力f1则会驱动楔形永磁体1312旋转。通俗地说，此原理与风力驱动风车的原理完全相同。同理，所有楔形永磁体1312均受到横向牵引力f1的驱动，进而带动安装轮毂1311和动力输出轴132旋转，从而实现动力输出；当二者远离时，二者之间的斥力逐渐减小直至消失，楔形永磁体1312逐渐停止转动，动力输出逐渐减小，直至为零。
为了确保优良的动力输出，楔形永磁体1312的安装倾斜角α(如图4中(b)所示)优选为40°～45°；最优选地，该倾斜角α为45°，以产生最大的横向牵引力f1和最小的径向剪切力f2。
关于楔形永磁体1312的安装数量，实验证明，在转子组件的设计尺寸一定时，楔形永磁体的数量越多，当永磁体定子靠近时，其总体所受的斥力越大，从而输出功率也越大；另一方面，从轴向观察，优选地，该多个所述楔形永磁体1312应最大限度地避免重叠，这样可以有效地防止楔形永磁体的磁场彼此之间的相互干扰，从而避免了力矩的浪费。因此，在装配多个楔形永磁体1312时，其数量需优选地兼顾上述两个方面。
返回参考图1和图2，该转子组件130还可以包括设置在动力输出轴132一端且远离定子组件120的皮带轮136。
可选地，在固定框架110的侧壁、顶部或底部上设置有多个安装螺栓111，通过这些安装螺栓111可以将该永磁体发动机牢固地安装在相应机械设备上。
为减少外部零部件对永磁体磁性的干扰，除永磁体定子122、楔形永磁体1312和弹簧124外，其余零部件均为非亲磁材料。具体地，牵引连接部件126、牵引杆121、牵引导轨125、螺栓140、定子安装板123、固定框架110、转子组件支撑板135、安装螺栓111、轴承133、动力输出轴132和皮带轮136均为高强铝合金材料；上密封板1341、周向加固圈1342、下密封圈1343和安装轮毂1311均为碳纤维材料。
在优选的实施例中，该永磁体发动机中使用的永磁体(包括定子和转子)均为钕磁铁。由于钕磁铁为目前发现的磁性最强的物质，其磁通量为普通磁铁的10～30倍，因此可以产生极大的磁性斥力，从而输出极大的动力。
钕磁铁发动机的保养与维护：
我们知道，永磁体在使用过程中，尤其是在持续大扭矩输出的过程中，存在缓慢退磁的情况。因此，当此发动机的输出扭矩低于设计值下限时，我们可以使用大磁通充磁设备对定子磁铁直接“加油”充磁，并且拆卸转子磁铁组的保护罩，对转子磁铁组进行“加油”充磁。使用专门制造的设备，这种维护工作通常在20分钟之内即可完成。此外，这种充磁“加油”的间隔也远大于内燃机加油和固态电池充电的间隔。因此，综合来看，相比传统的内燃机和新型固态电池动力，此发动机依然存在明显的优势。
如图6所示，为本实用新型提供的永磁体发动机的控制方法的流程示意图。如图所示，该控制方法包括：
s210，牵引该牵引杆121使该永磁体定子122沿轴向朝该转子组件130移动，使得该永磁体定子122和该转子131逐渐靠近，因同极相斥而产生的斥力驱动该楔形永磁体1312带动该安装轮毂1311和动力输出轴132围绕旋转轴线转动；
s220，牵引该牵引杆121使该永磁体定子122沿轴向远离该转子组件130移动，使得该永磁体定子122和该转子131逐渐远离，因二者之间的斥力逐渐减小，该安装轮毂1311和该动力输出轴132逐渐停止转动。
该控制方法的过程已经在上文描述发动机的结构的过程中做了详细的介绍，在此不再赘述。
通过本申请提供的永磁体发动机及其控制方法，由于其利用永磁体的磁力来驱动机械结构运转，因而具有更加高效、无污染、噪音较低、加工制造简单、维护修理便捷、使用场景广泛等优点。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了简便描述本实用新型的结构和控制方法，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
虽然在本案中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此，应该理解的是，实用新型人可以对示例性的实施例进行诸多修改，并且可以衍生出其他的结构布局，只要不偏离所附权利要求所限定的实用新型的精神。应该理解的是，实用新型人可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来整合不同的从属权利要求和本案中所述的特征；还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述的实施例中。
尤其应该理解的是，以上所述仅为本实用新型的一种实施例，并不用以限制本实用新型的其它设计方案；凡在本实用新型的设计理念和原则之内，实用新型人所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
1.一种永磁体发动机，其特征在于，包括：
固定框架；
定子组件，其包括：
永磁体定子，其呈圆盘状且位于所述固定框架内部；
牵引杆，其一端与所述永磁体定子固定连接，另一端伸出所述固定框架外部以在外力作用下牵引所述永磁体定子沿所述牵引杆的轴向移动；
转子组件，其包括：
转子，其位于所述固定框架内部，且平行正对所述永磁体定子，其包括安装轮毂以及多个楔形永磁体，多个所述楔形永磁体以相对于水平面的相同倾斜角围绕所述安装轮毂固定安装，且所述楔形永磁体与所述永磁体定子同极相对，使得二者靠近时产生的斥力施加在多个所述楔形永磁体上，从而使多个所述楔形永磁体带动所述安装轮毂旋转；
动力输出轴，其一端与所述安装轮毂固定连接，另一端伸出所述固定框架外部并由固定在所述固定框架上的轴承支承。
2.根据权利要求1所述的永磁体发动机，其特征在于，所述转子组件还包括用于密封所述转子的密封罩，其包括周向加固圈以及设置在其顶部的上密封板和底部的下密封板，所述楔形永磁体远离所述安装轮毂的一端与所述周向加固圈的内侧壁紧固连接，所述动力输出轴穿过所述下密封板，并将缝隙进行密封。
3.根据权利要求2所述的永磁体发动机，其特征在于，所述转子组件还包括转子组件支撑板，其固定在所述动力输出轴上，且固定安装在所述下密封板底部以支撑所述密封罩。
4.根据权利要求1所述的永磁体发动机，其特征在于，所述定子组件还包括弹簧，其套设在所述牵引杆上，并位于所述永磁体定子和所述固定框架的内侧面之间。
5.根据权利要求1所述的永磁体发动机，其特征在于，所述楔形永磁体的安装倾斜角为40°～45°。
6.根据权利要求1所述的永磁体发动机，其特征在于，在所述固定框架上设置有供所述牵引杆通过的穿孔，所述穿孔内设置有牵引导管，所述牵引杆在所述穿孔内沿着所述牵引导管移动。
7.根据权利要求1所述的永磁体发动机，其特征在于，在所述牵引杆位于所述固定框架外部的一端设置有拽拉环。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的永磁体发动机，其特征在于，所述定子组件还包括定子安装板，其相对的两个侧面分别与所述永磁体定子和所述牵引杆固定连接。
9.根据权利要求2或3所述的永磁体发动机，其特征在于，所述永磁体为钕磁铁，所述牵引杆、所述固定框架、所述轴承、所述动力输出轴由铝合金材料制成，所述密封罩和所述安装轮毂由碳纤维材料制成。
技术总结