從鐵磁性材料獲得能量的方法
2023-10-18 02:45:49
專利名稱：從鐵磁性材料獲得能量的方法
技術領域：
本發明的主題是從鐵磁性材料獲得能量的方法，該鐵磁性材料構成電磁鐵的磁芯材料。
背景技術：
電磁鐵的做功方式眾所周知，它是將電能變成機械能的最簡單的電機，該機械能是電磁電樞相對於電磁極的運動。在具有電磁鐵的電流電路閉合時，電流開始逐漸增大到一個值，該值受到電磁線圈的電阻和引起電流電路中電流的電壓的限制。電流增加的速度依賴於電磁線圈的電感電感越高電流增加得越慢，電感越低電流增加得越快。在電磁感應接收機中電流需要較長時間才能穩定是由於自感應電動勢作用的結果。它是在磁芯中的磁通量的影響下電磁線圈中所感應的電壓。在電磁磁芯中的磁通量增加的情況下，該電壓的方向與電磁電路的供電電壓的方向相反，在磁通量減小的情況下與電源電壓的方向一致。實際上，效果如下當打開電源時，電磁鐵中的電流慢慢增加，當關閉電源時，在電磁線圈的兩端出現高電壓，這個高電壓引起電路中斷路元件出現火花。在電磁線圈中的電流增加期間，磁芯中的電能累積，它與磁芯中的電感、磁芯的橫截面面積、電磁線圈的匝數和線圈電流成正比。當關閉電磁電流電路時，能量消耗，導致電流斷路器兩端出現火花，或者該能量以電磁線圈電阻產生熱的形式消耗。為此，在包含電磁鐵的電流電路斷路的同時電磁線圈導線短路。這是能量損耗而且破壞了電磁鐵的能量平衡。在電磁線圈的電流變得穩定具有固定值以後，兩極之間才有固定的磁場。如果在這個磁場區域內有電磁電樞，則電磁鐵將它吸到磁極。該電磁電樞將處於這個最終的位置，只要磁通量的最大部分通過電磁電樞的鐵磁性材料。磁力的作用結束了磁通量通過磁芯材料的通路，該磁芯材料由電磁芯和電磁電樞組成，因為它們比空氣具有更高的導磁率。電磁電樞相對於電磁極的運動導致磁阻降低和磁芯中磁通量的增加，這樣反而會在電磁線圈中產生感應電動勢，該電動勢降低了電路中的電流。電磁線圈中的電流越低意味著磁芯材料中的磁能越低。電磁鐵做功，即電磁電樞的吸引是以磁芯所含的磁能的損耗為代價的。電磁電樞被電磁鐵吸引以後，電磁電樞停止運動，自感應電動勢停止作用。此時，電路中的電流比處於穩定狀態時低，並會增加到電源電壓和電磁線圈的電阻所確定的值。電流增加的速度依賴於電磁線圈的電感。磁芯中的磁能增加到初始狀態。電能到機械能的變換是通過磁芯材料所包含的磁能調節來進行的，而且這種變換是以電磁線圈中自感應電動勢的感應為條件的。
我們都知道具有電感特性電路的脈衝電源-諧振電源。這種電源使感應接收機中的電流在高電壓脈衝時快速增加，然後在低電壓時維持接收機中的電流。在斷開電源電路時，感應接收機的磁芯中所包含的能量在高電壓下在電容器上累積。電容器上的高電壓用於重新接通感應接收機直到電流快速增加。
發明內容
從電磁芯的鐵磁性材料產生有效能量的實質在於在電磁鐵開始做功以前，線圈中的電流達到一個值，在該值時磁芯中的磁場強度高於或等於引起磁芯材料達到磁飽和的磁場強度，電磁鐵的做功過程，即電磁電樞的吸引會加深磁芯材料的磁飽和並使具有電磁鐵的電路斷開，而沒有損耗電磁鐵所累積的能量。
根據本發明的解決方案的特徵在於在磁芯中的電磁鐵做功期間，磁通量沒有出現明顯的改變，隨後，在電磁鐵的線圈中沒有感應出電動勢。隨著磁芯材料的磁飽和，它的磁通量達到最大並維持穩定，同時磁芯和電磁電樞間的氣隙減小。氣隙的減小是由於電磁電樞在磁引力的作用下與電磁極作相對運動所引起的。因此，不具備電能轉換成磁能的必要條件，除非在這些條件下，電磁鐵用最大可能的電動勢來作用電磁電樞。電磁鐵所消耗的全部電能都釋放到電磁線圈的電阻上和電磁鐵第一個做功周期所引起的無源能量上，在接下來的周期中能量在電磁鐵和電容器之間振蕩，在做功周期結束時能量累積到電容器中。
這種不可避免的無源能量的損失在每次電磁鐵斷路時由電源來補充。
根據本發明的方法在附圖中解釋得更詳細，其中圖1表示電磁鐵的脈衝諧振電源圖，圖2-電磁鐵做功周期圖。
具體實施例方式
根據圖1的電磁電源如下實施電磁鐵L從電源Uz通過二極體D1提供。關鍵元件是電晶體V。通向電晶體V柵極的上升沿也通過微分電路R2、C2、變壓器Tr和二極體D3釋放可控矽整流器Ty。二極體D4使變壓器Tr的主線圈所累積的能量釋放，電阻R1降低了可控矽整流器Tr對幹擾的靈敏性。電晶體V和可控矽整流器Ty的同時接通允許電容器C1放電於電路+C1，Ty，L，V，-C1中。在第一個控制脈衝下，電容器C1沒被充電，電路的閉合沒有導致電流通過上述的電路。在控制電晶體V的同時，電流開始從+Uz經過D1、L和V到-Uz。在控制脈衝足夠長的條件下，電流從零增大到線圈電阻L和電壓Uz所限定的值，並維持在這個固定值，直到控制脈衝的下降沿斷開電路。在電磁鐵L的電流增大期間，磁能在其中累積。控制脈衝的下降沿斷開通過電晶體V電流的電路，電磁鐵L的線圈所感應的電動勢和與電磁鐵L串聯的電源使電流通過電路+Uz，L，D2，C1，-Uz，電容器C被充電到高出電源Uz許多倍的電壓值。電感L中所包含的能量結束釋放時該電路中的電流停止。此時，電容器的電壓達到最大值，整個系統準備重新接通。電磁磁芯中存儲的無源能量恢復並在非常高的電壓下累積在電容器C上。下一個控制脈衝的上升沿同時接通電晶體V和電晶體Tv，但電流只通過電路+C1，Ty，L，V，-C，因為電容器C1的高電壓引起二極體D1的反向偏置，電源Uz從電路中被切斷，直到由於二極體D1上的電壓降低使得電容器C1的電壓低於電源電壓Uz。現在，二極體D1已為導通而極化，電源電壓Uz維持較早的電流值於電路+Uz，D1，L，V，-Uz中。
如果通過具有電磁鐵的這種電源，在電磁鐵吸引電磁電樞期間電磁線圈中不可能出現電動勢，則將創造這樣一種條件，在這種條件下電磁鐵所進行的有效做功與電能轉換成機械能無關。雖然有小的振蕩無源能量的損失，但是電源所提供的幾乎全部的功率都轉換成在線圈的電阻和電開關元件上的熱能。
限制或消除做機械功的電磁線圈中的電動勢的第一個方法是基於電流通路的選擇，它是電磁線圈中的感應圈數目與提供給線圈的電流的乘積，通過這種方式磁芯材料變成磁飽和，磁芯和電磁電樞之間具有可預見的最大氣隙。
通過表示電磁鐵的圖2來解釋，電磁鐵包括磁芯3和線圈6，電磁電樞1在開始相對於電磁極運動之前，電磁電樞處於時間t0的位置，在電磁鐵完成做功之後同一電磁電樞2處於時間t1的位置。通過磁芯3、1的氣隙和在時間t0的電磁電樞1的磁通量F等於電磁電樞2被吸引到磁芯3以後時間t1的磁通量F。1的氣隙減小為0不會引起磁通量F的變化，因為在時間t0磁通量F已經達到最大值並不會再高了。
感應的電動勢的值與單位時間的磁通量的變化成正比。如果磁通量F的變化接近於零，則感應的電動勢也接近於零。
圖3表示減小或消除電磁鐵線圈6中的電動勢的第二種方法，電磁電樞1在F的磁場力的作用下運動(圖3A)到最終位置2(圖3B)。在這種情況下，磁通量F在電磁電樞運動時的穩定通過固定長度的氣隙1o來確保。電磁電樞同時相對於電磁鐵的磁極平面運動。在這種情況下，磁通量變得接近於零不會引起電磁鐵的線圈6中感應出電動勢。
權利要求
1.從軟鐵磁性材料獲得能量的方法，所述軟鐵磁性材料是磁芯和電磁磁芯電樞的材料，所述方法包括通過電磁鐵吸引電樞相對於磁芯的磁極運動來進行有效做功，同時向線圈提供電流，其特徵在於向電磁線圈提供的電流高於或等於磁芯和電磁電樞的鐵磁性材料磁飽和的電流，所述電磁線圈中有特定數目的感應圈，在電流值變得穩定以後，磁芯和電磁電樞磁飽和，以垂直於電磁芯的磁極平面的方向吸引電樞而做功，做功後電磁鐵的電流電路斷開，電磁電感所包含的能量以高電壓電荷的形式在電容器上累積；在電磁線圈重新與電流電路接通後，所述高電壓使電磁線圈中的電流快速增加。
2.從軟鐵磁性材料獲得能量的方法，所述軟鐵磁性材料是磁芯和電磁磁芯電樞的材料，所述方法包括在向線圈提供電流期間通過電磁鐵吸引電樞相對於磁芯的磁極運動來進行有效做功，其特徵在於向電磁線圈提供電流，以平行於磁極平面方向吸引電樞至電磁芯的磁極而做功，做功以後電磁鐵的電路斷開，電磁電感所包含的能量以高電壓電荷的形式在電容器上累積；在電磁線圈重新與電流電路接通後，所述高電壓使電磁線圈中的電流快速增加。
3.根據權利要求1和2的方法，其特徵在於在電磁鐵吸引電樞做功期間，在由磁芯、電樞和磁芯與電樞之間的氣隙所組成的電磁磁芯中磁通量的值保持穩定。
全文摘要
一種從鐵磁性材料獲得有效能量的方法，所述鐵磁性材料是電磁鐵的磁芯，根據該方法，向電磁鐵的線圈提供這種強度的電流，該強度使磁芯達到磁飽和，在吸引電樞做功以後，電源斷開，而沒有損失電磁電感中所累積的無源能量。一種諧振脈衝電源用於向該電磁鐵供電。
文檔編號H01F7/18GK1547751SQ02816756
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月23日 優先權日2001年8月27日
發明者耶日·布若佐夫斯基, 達留什·布雷林斯基, 布雷林斯基, 耶日 布若佐夫斯基 申請人:耶日·布若佐夫斯基, 達留什·布雷林斯基, 耶日 布若佐夫斯基