磁性轮的制作方法

专利名称：磁性轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性领域，尤其是涉及使用磁力将一个物体附连到另一物体， 同时在磁性附连状态中允许物体相对于彼此运动。
背景技术：
有许多这样的情形和应用，其中，要求和/或必须将一个物体固定或支承 到或支承在另一物体上，同时允许这些物体彼此有平移或转动自由度。
例如，在材料搬运领域中，利用辊子输送器将金属板和其它铁磁性工件从 一个位置运输到另一位置。在运输这些工件时，依靠重力来确保工件保持在辊 子输送器(有些辊子可被驱动，其它辊子是惰转辊子)上，因此如此的输送器 系统大多具有辊子运输通道，该运输通道基本上在一共同的水平平面内延伸， 如果不是另外附加的话，那么，沿着倾斜的移动路径部分，采用专用的压紧结 构来保持工件，防止从辊子铺开的地方跳起来。
在封闭环境(例如，大型仓库内)的高架传输应用中，大家都知道要安装 其上固定有轮滑架的高架轨道，从滑架中又可悬挂吊车头结构、夹具和类似的 附连装置。依靠重力使有槽的滑架轮子保持与高架导向轨道配合并保持在高架 导向轨道顶上，侧向支架提供了附加的安全性，防止从导轨中侧向移出。
在高耸的建筑结构领域中，大家都知道要提供对工作平台提供导向的垂直 延伸的轨道，所述工作平台从建筑物顶上悬挂下来可作垂直运动，以便执行诸 如擦窗之类的维护工作。平台包括夹具机构，其形状贴合地配合在轨道上以抑 制水平运动(例如，摇摆)，同时沿着轨道保持垂直可移动。
在机械臂的领域中，尤其是使用遥控器控制的车辆中，已知机械臂结合到 汽车、有轮的平台或自轨道车辆、多种可由操作者遥控来执行特殊任务的不同 类型的工具和器具。例如，从如此的车辆中可部署夹持器的机械臂，用来回收 难以接近的或恶劣环境的试样。尽管提高摩擦的轮子和轨道涂层可以用来增加车辆与表面的粘附，以便允许车辆沿着陡峭斜面爬升或下降，但要安全地掌握 如此车辆而不失控地倾斜或滑移，则对于移动路径的陡峭程度仍有着各种限 制。
本发明的构思已注意到诸如上述的各种应用，尤其是注意到如下的一种或 多种环境(a)铁磁性材料需要传输或运输，(b)包含或存在有铁磁体的结 构允许使用磁体作为力源以可移动方式使物体彼此固定，(C)没有重力来保 证可移动物体力锁定地配合到专门的铁磁性材料基底或支承表面上，或(d) 的确存在的重力必须建立或提供专用的支承件、导向件或其它的固定结构或手 段，以使车辆无论是自推进的还是其它方式的都能沿着具有铁磁性特性的陡峭 倾斜的、垂直的和甚至倾斜的或水平的高悬(例如，天花板)表面移动。然而， 以下公开的发明和其原理可找到广泛的应用，并代替目前不使用磁力来实现物 体偶联的现有方案。
在使用特定的永久磁体将物体彼此固定时，己知磁性吸力取决于所使用主
动(active)磁性材料的类型和数量、磁体工作面的几何形、包括主动磁性材 料和承受磁性吸力的物体在内的磁通回路中的空气或其它磁性泄漏路径、被吸 物体的铁磁性材料特性(即，其相对磁导率和磁饱和限值)、以及被吸物体之 间法向力矢量相对于重力矢量的定向。然后，所需位移力将取决于有效的吸力 和物体表面之间定义的摩擦系数。
在其它方面，物理和几何因素，以及第一物体(例如，携带永久磁体的物 体)和第二物体(例如，铁磁性板)之间形成的闭合(或加载)的磁回路的功 能性能量元件最终将确定诸物体如何强力地彼此吸引，以及这些物体是否可相 对于彼此位移同时保持彼此附连。
物体平表面被磁性吸力强制吸在一起的力越大，则通过施加垂直于吸力矢 量的力，对于施加到两个物体配对材料上的任何给定摩擦系数来说，物体相对 于彼此位移同时保持彼此附连就越困难。还认识到的是，磁性吸引的表面可具 有非常大的摩擦系数，该种认识表现在很大范围的技术方案中，例如，磁性夹 具、磁性提升器、磁性卡盘等，其中，铁磁性物体牢固地固定在包括主动磁性 材料的支承结构上而阻止其位移(假定在正常操作状态下)。
为寻求能够使磁性偶联的物体更容易地相对于彼此移动，对于选择的工业应用，例如，自推进的焊接和检查机器人，已经设计出所谓的磁性轮。
在其最简单的形式中，磁性轮可包括实心的永久磁性材料的圆盘，例如，
圆盘形的钕-铁-硼磁体，其在磁化后，使磁体相对的轴向端面具有不同的极性 (这里称之为轴向磁化)。 一个如此的圆盘可固定在非磁化的轴构件的相对终 端上，所述轴构件又可安装在车架或框架上，由此，圆盘可与磁性吸引基底表 面上的外围表面配合，并在磁性附连状态中在如此表面上滚动，例如，可比较
美国专利6,886,651 (Slocum等人)中第12栏44行以下。每个圆盘(或轮子) 将产生一至少部分闭合的环形磁场，其延伸到它所搁置的基底内，在圆盘和基 底之间形成强的吸力。
Slocum还揭示了一种稍更精细尚还简单的磁性轮，其由夹在两个磁性吸 引圆盘构件之间的轴向磁化的圆盘形的磁性内芯元件组成，磁性吸引圆盘由软 钢、坡莫合金或包括如此可磁化但以其它方式被动(passive)磁性材料的层叠 结构制成，其具有的直径稍许大于磁体芯直径，这样，只有圆盘构件才可使其 外围表面接触轮子磁性地配合在其上的磁性吸引表面。因此，圆盘构件代表磁 极延伸体，该延伸体集中了发源于磁性内芯元件的磁通量，并对如此磁通提供 低的磁阻路径，因此，与没有磁极延伸圆盘的轮子实施例相比，提高了每个轮 单元和磁性吸引支承表面之间的吸力。
Slocum的磁性轮结合到构成材料运输系统一部分的自推进的小车，其中， 如此的小车可沿着磁性吸引表面移动，所述表面可包括天花板、垂直的和倾斜 的壁。
美国专利5,809,099公开了一种用于检查反应堆压力容器的激光导向的水 下壁爬升机器人，该机器人包括一自推进的包括四个磁性轮的车辆超结构，磁 性轮用来提供必要的吸力以允许车辆沿着反应堆压力容器的铁磁性内表面移 动。每个轮包括一支承在非磁性轴上的环形永久磁体以便随轴转动、两个直径 稍大于磁体的磁性地附连和固定在环形磁体的相对轴向面的钢圆盘，即，圆盘 提供磁化的磁极延伸体以及轮单元的外围配合表面，类似于上述的Slocum轮。
美国专利5,853,655描述一种用于自动焊和切割诸如管子、钢板之类铁磁 性基底的磁性轮导向车架，其中，磁性轮包括多个(例如，三个)轴向磁化的 环形磁体，它们夹在直径大于磁体直径的插入的环形软钢圆盘(例如，五个)之间。堆叠的圆盘安装和固定成阻止在不锈钢套筒上转动，套筒又被接纳在车 架的轴上。还有，每个轮单元具有多个N和S极，其磁场延伸入铁磁性基底内， 由此，在每个轮子处形成一将轮子固定在基底表面上的闭合的磁通路径。
还知道有其它的现有技术专利文献，它们涉及多个方面和方法，这些方面 和方法寻求致力于解决"基本"磁性轮在某些应用领域内显现出的特殊的缺点。
于是例如，美国专利3,690,393 (Guy)的目标似乎要解决磁性吸引表面可 具有非常大摩擦系数的上述问题，这在某些应用中可能是有害的。Guy描述了 具有框架的车辆，原动机(例如，电动机)安装在该框架上，原动机通过合适 的齿轮偶联到主动(或牵引)轴， 一对轮组件固定到主动轴上，以便推进车辆。 在一实施例中，非驱动轮组件之一包括多个彼此固定的轴向极化的环形磁体圆 盘，以形成圆柱形辊子轮，其外(外围)表面涂敷薄层的非极化的抗摩擦的材 料，诸如PTFE (聚四氟乙烯)，当车辆框架被推进时，该种材料将轮组件上 的阻力减到最小。
Guy还描述了一电磁轮组件，其中，非磁性的圆柱形壳体包围一围绕安装 在轮轴上以便可转动的内芯元件的电磁线圈。磁极可磁化的圆盘布置在壳体构 件的轴向端上，电能可通过固定到其中一个磁极圆盘上的弧刷触头供应到磁体 线圈上。 一旦电磁线圈被通电，磁极圆盘将被磁化为相对的极性。磁极圆盘的 环形轮缘又涂敷非磁化的、低摩擦材料，以便与车辆要在其上移动的磁化基底 表面滚动地接触。
相比之下，美国专利2,694,164 (Geppelt)揭示了某种类型的磁性轮，其 与在铁磁性表面上自推进的焊接和切割焊矩车架结合起来使用。磁性轮单元包 括一被接纳在沿轴向方向磁化的环形圆柱形永久磁体内的非磁化材料的轴套 筒，两个软钢材料的具有环形突缘的圆柱形杯形轮构件，其环形突缘朝向彼此 延伸，并延伸到与非磁性间隔圆盘的相对侧夹紧闭合地配合，圆盘约在其轴向 长度的中间包围磁体。磁体的轴向端面邻接抵靠杯形轮构件的对应面向的内 面，以允许磁通从磁体朝向其外围表面传递到轮子，间隔圆盘用来确保两个轮 子磁性地解耦，由此，两个轮子根据轮子的永久磁体产生的磁场呈现相对的极 性。Geppdt概述了一种情形环形杯子突缘的壁厚朝向间隔圆盘减小(与具 有均匀杯子突缘厚度的现有技术实施例相比)，可增加作用在磁性轮和磁性轮所附连的基底之间的吸力。
从实用上讲，并鉴于以上对现有技术磁性轮结构的描述，在设计方法和磁 通传递结构上仍存在着技术上的挑战，所述磁通通过轮结构从作为将一个物体 附连到另一物体的磁力源的磁体传递到磁性吸引的物体上，以满足特殊的可操 作的载荷承载能力或保持要求。
在一更为局限的方面，希望提供一种车辆，其利用磁能将如此车辆固定到 铁磁性基底表面上，其中，在车辆与基底表面的磁性偶联和解耦方面，磁通传 递机理将允许有更大的灵活性。
在另一更为局限的方面，希望提供一种磁性支承结构，铁磁性物体借助于 该结构可以固定的方式在各位置之间运输，其中，在如此运输操作结束时，物 体可安全地和容易地与支承结构脱离。
在另一方面，希望提供一种磁性夹持器具，其可被致动而将一物体固定到 器具上，同时允许物体有运动自由度，以便在物体上进行加工或其它操作。
本文中使用的术语"铁磁性"不仅用来涵盖金属和合金，而且涵盖复合材 料，它们在承受外部磁场时将变得磁化和承受磁化力。
下面，从以下对本发明优选实施例的描述中，将会明白到本发明其它的诸 方面。

发明内容
广义上讲，本发明可定义为一种磁回路，该磁回路具有(a)包括电磁 体或一个或多个永久磁体的磁通源，(b)至少两个与磁通源相关联的相反极 化的磁极延伸体，该磁极延伸体是圆盘、轮子、辊子或类似形状的具有外圆周 表面并围绕对应转动轴线转动的物体，以及(C)铁磁性相对体，其布置成与 磁极延伸体合作，以在磁性地靠近或接触磁极延伸体的圆周表面时，对磁通量 提供外部的磁通路径，其特征在于，磁通源相对于转动的磁极延伸体保持静止。
与上述的所谓用来将一个物体附连到另一物体上的称之为"传统"磁性轮 回路相比，本发明实体地使主动磁通源或部件(例如，电磁体、可切换的永久 磁体，或传统的永久磁体)与圆盘、辊子或轮形磁极延伸体解耦，其中，磁极 延伸体保持围绕其对应的转动轴线自由地转动，但相关联的磁通源保持静止，即，它不随磁极延伸体转动。
较佳地，实体地解耦将伴随磁通源与转动的磁极延伸体的分离，例如，伴 随着这些部件之间保持小的气隙，也可参见下面。术语"小"将取决于具体的
应用，例如，气隙之小可以是0.1mm (或更小)直至几毫米。
对于上述现有技术的磁性轮，与磁通源相关的质量不再经受随轮子的转 动，由此，彻底地减小了轮子结构处的惯性矩，伴随有随如此轮质量减小带来 的优点。轮子与磁通源实体地解耦还能使磁通源本身的设计构思得到较大的灵 活性。
同样地，在诸如美国专利3,690,393或6,886,651中所述的磁性轮单元的磁 通源是电磁体的情况下，根据本发明使磁通源与转动轮子实体地解耦，简化了 将电力传输到磁体线圈内所需要的机构/结构，这是因为考虑到磁体线圈保持静 止不动，且不需要电刷或通过磁极体(或其它方式)将电力传输到转动的电磁 体线圈的电枢中所需的其它的磁极靴。
不管所使用何种类型磁通源，将横贯"工作间隙"实现磁通从磁通源到转 动的磁极延伸体构件的传递，所述工作间隙可以是空气或可设想为限制在磁通 源单元和磁极轮之间体积内的不同的流体，然后，流体较佳地提供低磁阻的路 径，即，磁化的流体具有比空气小的磁阻。
还应指出的是，与每个磁性轮包括至少一个N-S磁极对的现有技术的磁性 轮相比，本发明可提供这样的实施例和结构，其中，每个转动的磁极延伸构件 呈现仅一个极性，即，不是S极性就是N极性，于是，闭合的磁通路径将包括 通过提供低磁阻的磁通路径的铁磁性相对体将磁通从一个磁极延伸构件传递 到另一磁极延伸构件。换句话说，对于一闭合的磁通传输回路来说，两个这样 可转动的磁极延伸构件是必要和充分的。
下面，为了便于理解，如果不是在特定情况下显现有所不同的话，则术语 "轮"将用来包括所有各种类型的可转动的磁极延伸体，诸如一体的软钢圆盘、 圆柱形的辊子、皮带轮和其它一般地包括由径向连接结构(例如，轮辐、面腹 板等)连接起来的轮缘和毂的结构，其能围绕一静止(轴向)轴线转动，并用 来支承车辆或工件，以便在轮缘转动时可平移或转动。
在更特定的方面，本发明提供一种能够磁性地附连到有磁性吸力的基底上的车辆，其包括至少两个轮构件支承在其上的车体和至少一个双极磁体，其中， 轮构件包括被动磁性但可极化的材料，其中，轮构件和双极磁体在车体上的空 间定位使得轮构件提供否则是静止的双极磁体的可转动的、相反极化的磁极延 伸元件，由此，轮构件搁置在基底表面上，形成一个包括双极磁体、磁极体轮 构件和基底在内的闭合磁性回路。
在本发明另一替代的特定方面，提供一种能够以其它平移或转动位移方式 磁性地保持附连到一磁性吸引的基底上的支承结构，该支承结构包括支承体， 至少两个围绕对应轴转动的轮或辊构件安装在该支承体上；以及至少一个双极
磁体，双极磁体与轮或辊构件分离地安装在支承体上，其中，轮或辊构件包括 被动磁性但可极化的材料，且轮或辊构件在支承结构上的空间定位使得轮或辊 构件提供否则是静止的双极磁体的可转动的、相反极化的磁极延伸元件，由此， 使铁磁性基底与轮或辊构件的外围表面实现表面接触，这形成一个包括双极磁 体、磁极延伸轮或辊构件和基底在内的闭合磁性回路。
本质上，尽管第一方面涉及的是提供以本发明广义概念为基础的车辆方式 的实施例，例如，提供能够沿着倾斜或垂直壁移动的外推进或自推进车辆的实 施例，但第二方面旨在涵盖以下各种应用，其中，轮或辊构件连同支承体一起 保持成如传输器装置中那样的静止，以便沿着多个沿传输通道设置的磁性极化 的辊构件，传输诸如钢板之类的铁磁性物体，或其中，支承体本身被承载或安 装在另一器具上，例如，机械臂上，由此，允许磁极轮构件磁性地配合和固定 到铁磁性物体或工件上。
还应认识到的是，尽管采用传统的永久磁体(即，其始终呈现外部磁场) 作为磁极延伸轮的磁通源是可行的，但本发明的基本概念特别有益于在车辆中
和其它采用可切换永久磁体结构中的应用，诸如美国专利6,707,360和 7,012,495中所揭示的。如此可切换的永久磁体单元组合了电磁体和传统永久磁 体的优点而没有其相应的主缺点，即，需用电源来驱动电磁体和永久磁体的不 变的磁通输出，即，可切换的永久磁体不需要电源并可切换而呈现介于强和弱 (实际为零)之间的外部磁场。该磁场呈现介于该极端之间的值。为了解更详 细细节，可参阅所述美国专利，在此以参见的方式引入这些专利的内容。
使用能够提供可变磁通量的磁体单元，例如，所述可切换的永久磁体单元和电磁体，可提供本发明的一附加的重要方面，磁性吸力的可变性能够有应用 和机器的实施例，其中，铁磁性工件可有选择地被转动的磁极延伸元件配合， 并磁性地固定到该元件上，以便在磁通源致动时进行空间的操作，并最后从磁 体的停止致动中释放出来。
在转到本发明附加的方面和应用领域，以及附加的特征可被包括在上述广 义的本发明概念的优选实施例中之前，应先参照附图la、 lb和1C，它们示意 地给出帮助理解本发明基本原理的示意图。应该理解到，以下的解释依赖于对 磁回路中观察到和存在的部分相当复杂的现象作近似、理想和简化。
首先转到图la，它示出磁性轮单元10，该单元由两个圆盘形轮子12、 14 和杆形(或圆柱形)的双磁极永久磁体16组成。这些部件代表基本单元，其 可建立、修改和结合到下面解释的本发明许多应用中。
磁体16是高矫顽的即稀土的磁体，它能够(主要地)通过其轴向端面16a、 16b横贯气隙诱发出高磁通密度，并在铁磁体内产生朝向如上指出的轴向端面 的拉力(磁性吸力)。
圆盘12、 14具有圆周的接触表面13a和两个轴向面13b和13c，并全部由 铁磁性软钢制成。
圆盘12、 14分别设置成与磁体16的轴向端面16a、 16b相对，保持固定 的小气隙(图l中未示出)，以使每个圆盘对磁体16各自的N极和S极20、 22提供一相反极化的磁极延伸部。此外，圆盘12、 14支承在未示出的轴构件 上，以允许围绕共同的转动轴线18转动，g卩，圆盘可称之为自由旋转的磁极 延伸"轮"体，其以其它方式保持与双极磁体16的固定空间关系，转动轴线 平行于或符合于双极磁体的N-S磁化轴线。
磁通将横贯圆盘相对侧13b和磁体16的磁极20、 22之间的小气隙发生从 磁体16到圆盘12、 14的传递。该气隙用来将磁体16和磁极体12、 14之间交 界面处的摩擦损失减到最小，但可被磁化的滚柱轴承替代，该磁化的滚柱轴承 提供圆盘12、 14和磁体轴向端面之间直接的实体接触，并由此改进磁体和磁 极圆盘12、 14之间的磁通传递。
当铁磁性基底(例如钢板24)的表面与磁性轮单元10的两个磁极圆盘12、 14的外围表面13a接触时，将会形成一闭合的磁回路，其中，闭合的磁通环路包括位于磁体16和磁极延伸圆盘12、 14内部的路径，以及磁极延伸圆盘12、 14和铁磁性基底24之间的位于单元IO之外的路径。即，外部磁场延伸在基底 24内，这在图la中示意地显示为附图标记26，全部的闭合磁通环路在图lb 中显示为附图标记27。
尽管圆盘12、 14和钢板24之间的实际实体接触面积基本上局限在测量圆 盘12、 14厚度(即宽度)之和的直线上，但磁性轮单元IO将被吸引和强力地 保持固定在基底24上。通过施加一横向于将磁性轮单元10附连到基底24上 的磁性吸力的非常小的力，圆盘12、 14的自由旋转的特性允许单元10在基底 24的表面上作平移运动。只需小的力源于施加到在钢基底上滚动的钢圆盘的滚 动阻力系数相对很低，其数值小于施加到同样材料对组合上的静态和动态摩擦 系数，但圆盘12、 14相对于磁体16和如此静态轮子以其它方式滑动在其上的 表面保持不移动的状态。
似乎违反直觉的是，不管磁通源16和可转动的磁极圆盘12、 14之间是存 在空气间隙，还是在磁极体圆盘12、 14和基底24之间存在非常小的接触面积， 磁性轮单元10都将固定地保持附连到基底上。实施图1所示原理的原型的磁 性轮单元10具有稀土NdFeB磁体的永久磁通源，磁体具有50mmX40mm"磁 通源面积"(即，正交于磁体极化轴线的磁通源的横截面面积)，其能提供 1.2Tesla的磁通密度，具有尺寸为25mm宽X90mm直径的两个软钢圆盘(具 有约2Tesla的磁通密度饱和水平)，并保持近似为1至2mm的朝向永久磁体 的气隙，该原型的磁性轮单元10能够附连到35mm厚度的铁磁性钢板上，并 能承载等于1200牛顿以上的"断开力"的载荷。
如上所述，基底24和(可转动的)磁极圆盘12、 14之间的实际实体接触 区域或面积非常小(理论上为一直线，假定软钢圆盘在载荷下的变形即"弄平" 可以忽略不计)。
上文中已经指出，在实体接触区域的附近，存在着所谓的"虚拟磁极区域"， 其中，横贯空气发生显著的磁通传递，即，(a)从接触区域的磁极圆盘各侧 的外围表面朝向基底表面，以及(b)从圆盘两面靠近接触区域和基底表面。 在本文中，这样的空气间隙不代表且不成为作为不希望的泄漏路径的错误，而 是放大了圆盘和基底之间的有效磁性接触面积，所谓的虚拟磁极提供了从圆盘12、 14到基底24磁通传递的附加手段(虽然是低的密度值)，由此添加到总 的可供拉力以将单元10固定到基底24上(或反之亦然)。这些虚拟的磁极区 域延伸部示意地显示在图lb和图lc中的30a、 30b和31a和31b处，如上所 述，为了施加吸力来保持高的质量，对于维持基底和磁性轮单元IO之间接口 处足够质量的闭合磁回路有贡献。
图lc示出磁力线的模型，在两个软钢的90mm直径X25mm厚度磁极圆 盘12、 14处测得的磁通密度值，具有2Tesla的磁通密度饱和水平，它们磁化 为相对的极性，并在磁性基底24上在空气中保持间距的关系。可以看到，在 磁极圆盘12、 14和基底24之间的基本上线性接触区域28的各侧上，2Tesla 的磁通密度显著地减小(即，虚拟的磁极延伸部显现减小的磁通密度)，而10mm 的直线距离处，磁通密度减小到实体接触区域处值的约15%,在20mm的直 线距离处，磁通密度减小到实体接触区域处值的约5%。
因此，磁通从磁体16到基底24的传递受到以下几方面的影响和限制(a) 在朝向磁极圆盘的间隙处，磁通源(例如，可切换永久磁体装置或电磁体中的 磁通供给部件)接口的形状和尺寸，(b)被动磁极延伸圆盘12、 14和磁通源 16之间气隙接口处的"磁泄漏"，(c)在磁体16产生的给定磁场强度下，不 能"支持"(即，承载和供给)相同磁通密度的圆盘的几何和形状限制，(d) 在圆盘12、 14的铁磁性材料所能给出的磁场强度下，就如那些不能支持相同 磁通密度的虚拟磁极的特性，以及(e)磁通源和铁磁性基底之间总的磁路径 长度，我们知道，从数学上讲，任何铁磁性体被吸引到磁通源所借助的磁性拉 力将随磁通源提供的磁通密度的平方而变化，并随磁通源和附连体之间的接触 面积线性地变化。
例如，使用相当大直径(如上所述，例如为3倍)的磁极圆盘12、 14的 磁性轮单元IO，将具有较长的总磁性路径(由于圆盘直径的增大)，而接触区 域处的磁化力则将较低，虚拟磁极面积将较小(在极端情况下，虚拟不存在)。
虚拟磁极的实际大小、形状和几何形不固定，但随实际工作和应用条件而 变化。 一般来说，虚拟磁极区域做得越大，则在圆盘-基底接口附近可发生的 磁通传递越大。因此，重要考虑之点是，需避免或最大程度地减小磁化力的损 失。因此，根据本发明另一方面，磁极轮的形状和尺寸应是符合以下要求(a) 优化磁通从磁通源到可转动磁极轮的传递，以及(b)提供相对大面积的虚拟 磁极，由此，也能在磁极圆盘和基底表面之间的直接实体接触区域外面优化磁 通传递，同时(C)保持足够的朝向基底的磁性吸力；重要之点是，只要可能 的话，就应避免每一接口处的磁化力的损失。
指出了虚拟磁极区域精确定义的难点，并假定磁通源(例如，永久磁体) 和可转动磁极轮之间的一理想化的无气隙泄漏的磁通路径，就可能在结构上尽 可能使轮子或辊子磁极的直径向-横截面面积的大小匹配于磁通源面积的大 小，S卩，垂直于其磁化轴线的双极磁体内的磁极横截面的大小。与任意选择轮 子或辊子磁极延伸部的几何尺寸或不考虑磁通传递的情形相比，如此的度量将 在圆盘与基底的工作接口 (即，气隙)处产生优化的即较高的磁化力。
例如，在所有其它参数相等的情况下，设置成用其环形轮缘部分来包围双 极磁体的对应相关磁极的确定部分，并在朝向双极磁体轴向端面的轮子内圆盘 面之间保持小的气隙的杯形轮子或辊子，较之于磁通传递面积局限于面向双极 磁体的轴向端面的表面面积的简单平面的圆盘形轮子，显现出较大的传入和传
出如此轮子的总面积。我们可以说，杯形轮子可从磁体中"捕捉"到丢失的较 大部分发射的磁通，在没有包围磁通源部分的杯子环形轮缘部分的情况下，发 射的磁通会以"杂散"磁通丢失，杯形轮子使用如此附加捕捉到的磁通来产生 比"普通圆盘形"磁极延伸部高的朝向铁磁性基底的磁性吸力。
杯形轮子或辊子的轮缘部分的实际深度将取决于使用的磁通源的特性，磁 通源具体是指磁通供给装置的磁通"输出"构件。本质上，杯子深度代表着最 大磁通传递(环形轮缘部分深度应延伸和覆盖磁体对应N/S极的全长而进行优 化)和在磁通传递优化的轮缘结构中较低的理想的磁化力(即，磁性吸力)之 间的兼顾折衷。下面结合本发明具体实施例给出环形轮缘相对于其覆盖的磁通 源的经验方法确定的相对尺寸。
为了保存高矫顽性磁通源的磁化力，还要求将被动铁磁性材料的磁极延伸 轮的体积减到最小。仅从寻求优化磁通传输的观点来看，给出理论的最大必要 体积，其中，磁通源的有效横截面等于轮子直径向横截面面积除以任何适用的 磁通压縮/集中因子(该因子由材料磁通密度比承载能力和磁通源密度输出确定。例如，如果磁通源可提供1.2Tesla的磁通密度并能产生足以在软钢中诱发 出2Tesla磁通密度的磁化力，则压縮因子约为1.6)。实用的最大值将会较低， 因为总的磁路长度和磁通/轮气隙有损失。
然后，转到可包括在上述广义概念的不同实施例中富有优点的附加的特征 上来。
在使用传统的非可切换的磁体或较佳地使用可切换的永久磁体作为磁通 源中，应该认识到，主动磁性材料可被封装或以其它方式设置，以与附加到可 转动的磁极延伸元件(即，轮子)的否则是静止的磁极件合作，在此情形中， 磁通将"发源"于主动磁性材料中，并通过设置在面向紧靠可转动磁极轮内的 否则是静止的磁极件"可供给"磁通。静止磁极件的特殊形状也会影响磁通传 递能力，并具有对最大可供磁化力的影响，因为磁极不代表对于主动磁性材料 (即，磁通源)产生的磁场的"载荷"。
在上述磁性轮单元10的优选实施例中，采用如所述美国专利7,012,495中 揭示的可切换的永久磁体装置，不同类型的该种永久磁体可从澳大利亚的磁转 换技术全球控股有限公司(Magswitch Technology Worldwide Pty Ltd (Australia))或其代理处购得。在这些磁通源单元中，主动磁性材料由两个 直径向相反极化的双磁极永久磁体圆柱构成，磁体圆柱堆叠在两磁极体的外壳 的圆柱形腔室内，以允许磁体圆盘相对于彼此可转动，由此，能使磁体圆盘的 对应半圆形N极和S极部分变得彼此轴向地对齐和脱开轴向对齐。外壳的铁磁 性(被动)两个磁极体沿着两个轴向延伸的接触边缘在磁性上分离或隔绝，其 中，当堆叠的磁体圆盘的对应N极和S极转动到完全对齐时，分离磁体圆盘的 N极和S极的直径将延伸在外壳接触边缘之间，由此，导致诸磁极体之一极化， 并提供一 N极的磁极延伸部和另一 S极的磁极延伸部。
如此可切换的双极磁体单元然后可构成图la中的磁通源16，其中，通过 外壳磁极体和横贯外壳磁极体和面向靠近外壳两个磁极体定位的磁极轮之间 的气隙，将分别发生磁通从磁体圆盘中到可转动磁极圆盘12、 14的传递。选 择磁极体外壳的壁厚和外部形状，以提供具有围绕外壳周缘的恒定磁场或大致 恒定磁通的磁通源单元，以及可按需要确定的单元外壳相对于可转动磁极轮的 空间定向。根据载荷承载要求，可切换的永久磁体单元的具体选择可参照Magswitch Technology Worldwide公司提供的信息。
如上所述，可以考虑让磁极轮和磁通源单元的面对表面涂敷低摩擦的材 料，并保证软钢滚柱轴承存在于单元一磁极轮的接口处。然而，在实际应用中， 技术上可行的做法是，在可移动的和静止的部件之间保持非常小的气隙公差， 同时不显著地不利影响横贯气隙的磁通传递。最后，具体的应用环境将决定气 隙距离的要求。
同样地，可构思各种应用，其中，磁极轮安装成允许围绕一轴自由地转动， 同时允许朝向和远离磁体轴向端面位移，以使它们可有选择地彼此摩擦地配合 和脱离开摩擦配合，由此，可在磁性轮单元本身上使用一体的离合器和/或制动 器。
如上所述，本发明的车辆方面和静止不动的应用可包括从动的或惰转的磁 极轮或辊。轮和辊的圆周表面可具有根据需要提高或降低摩擦系数的涂层，以 在轮子一基底接口处提高牵引力或降低摩擦力，视轮子是牵引轮还是惰转轮而 定。
涂层材料可包括薄膜橡胶，最好包括铁磁性颗粒、微粒、粉末等以提高如 此涂层的相对磁导率值，从而减小磁通传递损失，同时保持如此橡胶涂层所提 供的提高的摩擦系数。轮子接触表面可具有不同的"纹理"，例如，用于低牵 引力的光滑的纹理，或图形的纹理为较高的牵引力增加"咬合"。涂层也可包 括处理和使用某种物质(例如氮化钛)，目的在于提高轮子或辊子表面的总体 硬度，以实现更大的可滑动性(光滑表面)或较高的摩擦(纹理的表面)。同 样可考虑减噪音的涂层，然而，目的在于防止外来物质粘附到轮子/辊子外围表 面上的涂层薄膜，在诸如钢板搬运操作的"脏"应用场所中特别地有利，车辆 中使用磁性轮单元用于遥控涂漆、铜焊、焊接和其它的应用。
一种包括有上述讨论类型的一个或多个磁性轮单元的装置，可有利地包括 诸如电动机之类的驱动装置，其布置成将转矩传递到至少一个轮或辊(磁极体) 构件。然后，轮或辊构件处提供的转矩可用来赋予一与轮接触的物体以推进力 (例如，金属板的传输)，自推进一包括磁性轮单元的车辆，或在目的在于减 小通过外力致使转动的轮转速的转矩传递是"负"转矩的情形中，减慢或制动 与轮子摩擦接触的物体。磁极延伸轮构件可有利地用软钢或其它被动铁磁性材料制造。有利的轮子 设计可包括使用复合材料，该复合材料包括塑料或橡胶基体，其中设置相当数 量的铁磁性材料粉末，用于磁通承载的目的。磁极延伸轮在其与磁性载荷作用 下搁置的基底接口处的变形，将放大磁通传递直接发生在轮构件和基底之间的 接触区域，还提供增加的与其接触的摩擦配合。
应该认识到，磁极体轮或辊的外周缘表面可以是光滑的、纹理的、波纹的 或设置有其它类型的突出物，例如，镶嵌的轮齿。轮子表面特性的选择可以这 样进行，使得其与磁性轮单元互相作用的那个基底的互补准备好的表面合作。 例如，在摩擦轮齿轮箱中，以及包括一个或多个具有光滑、非波形磁极轮或辊 的基本磁性轮单元的可变速驱动装置中，当在另一光滑表面的物体上滚动时， 如此提供的固有的滑移功能可用来将过载状态降到最低，因为由于滑移可减小 转矩的传递。当然，在不需要磁极轮或辊和基底之间转矩传递中的滑移时，可 采用形状互锁的互补的磁极轮或辊和基底表面，例如，具有齿轮齿的表面。
本发明特别有用的实施例是车辆的应用，其包括自推进基底表面上车辆的 装置，不管自推进的装置是否包括用来传递转矩的结构，该结构与磁极轮或辊 合作，以使磁极轮或辊实现将转矩传递到地面或壁表面上，还是该推进单元是 否独立于如此车辆中所存在的磁性轮单元(例如，单独的牵引轮子传动装置)， 所述装置都能自推进基底表面上的车辆。
转矩传递结构可设计成适合于给定的应用领域，并可包括一个或多个皮带 传动、链轮传动、链条传动或蜗轮蜗杆传动，或它们的组合。
转矩传递结构的一种优选的选项包括一个或多个摩擦辊子，它们设置成通 过与至少一个磁极轮或辊构件的外圆周配合来传递转矩。摩擦辊子使用单独的 机构可有选择地与轮构件配合和脱离配合并偏置在轮构件上，但有利地是，摩 擦辊子可包括铁磁性材料，其可操作地布置成偏置辊子，使其通过磁力与轮构 件接触并保持该种接触。
在本发明还有另一种车辆的、自推进装置的实施例中，可提供装置来限制 磁极轮或辊构件仅沿一个方向的转动运动，例如，使轮子可顺时针或逆时针方 向转动，但不能沿两个方向转动。通过移去存在于正常轮子轴线中的其它存在 的双向惯性滑动特性，该措施可在滑移情形中提高牵引效率。还有，提供目标在于防止车辆后滚动的机构或装置是有利的，其使用一个 或多个沿陡峭斜表面或垂直表面爬升同时保持磁性地附连在其上的、具有推进 (即，转矩传递)轮构件的磁性轮单元。可见某种装置设置了制动垫或块，它 们有选择地移入介于轮构件和就在轮子一基底表面接触区域后面的基底表面 之间的某一部位内，由此，提供防止轮子后滚的楔固作用。
另一防止后滚的机构可由一像止动框架那样的杠杆构成，其中，安装一基 本上U形或支架形的框架构件，以便围绕但以其它方式固定的相对于两个磁极 轮为公共的轴转动，以使框架的两个平行杠杆臂可转动，而使其对应的终端进 入与其上磁性地附连轮子的基底表面的强制配合。该杠杆臂本身可以由弯曲的 杆部分来构成，例如，倾斜的臂部分可在轴相交处枢转的L形弯曲臂，由此， 提供一曳拉的杠杆结构，其中，制动力是由轮子组件本身提供的磁性吸力的杠 杆因子。
在包括四个或四个以上磁极轮子的车辆实施例中，其中，可切换的永久磁 体装置与一轮子对相关联，提供能够有选择地接通和关闭(或磁场强度输出的 变化)个别可切换磁体的合适机构提供了许多优点。个别轮子对的如此有选择 的"磁性致动和脱离致动"不仅便于进行车辆与基底脱开配合的操作，而且便 于车辆能够在台阶形障碍或水平表面和陡峭倾斜或垂直表面之间过渡上爬升， 其中，到达如此路径变化部位的前面一对轮子可以"退去磁化"，由此，使其 磁性上不工作，由此，它们可从初始表面升起并配合倾斜的表面，因此它们可 "再磁化"并允许车辆过渡到倾斜的表面上。位于后面的轮子对因此将被切换， 因为它也到达路径的不连续处。
本发明的车辆应用领域包括可移动的机械臂，其可磁性地附连到像船壳、 潜艇船壳、管线(内和外)那样的铁磁性基底(即，结构和物体)上。如此的 机械臂可携带各种器具，例如，照相机、用来探测结构中缺陷或执行其它任务 的各种类型传感器，例如，传送电缆通过管线，清洁管线等。例如，使用遥控 的机械臂可完成对移动的和潜入的潜艇船壳进行水下的光学和结构检査，所述 遥控机械臂具有流线型身体，其中可接纳合适数量的上述通用类型的磁性轮单 元，其允许机械臂保持可靠地附连到船壳，同时沿着要求的检査路径推进。
技术人员还将认识到，传感器系统、运动控制设备，不管是遥控操作还是使用信号处理设备、电动机管理的电子器件和电源以及其它类型的车辆管理设 备的车上控制操作，都可按照需要根据车辆特定应用环境容纳在自推进车辆的 车辆支承结构内。
技术人员还可明白可应用于制造实施本发明的车辆的各种不同类型的轴 系统和车架类型。
参照附图，从以下对本发明的多个优选实施方式和实施例的描述中，还可 明白本发明进一步的特征和其它的方面。然而，应该指出的是，本发明不局限 于上述的应用领域，而可实施为不同的形式。


图la、 lb和lc是本发明基本概念的非常简化的示意图2a至2c是用于不同磁体配置的旋转磁极轮结构的不同构造的示意图，
其中，图2a还示出一铁磁性摩擦辊子，其用来赋予(或接受)来自旋转磁极
轮的转矩；
图3a至3c是可实现本发明的器具和装置的示意图4a、 4b和4c是示意图，示出对于图2a所示磁性轮单元中选择的磁通 源如何来优化旋转磁极体的几何形；以及
图5是磁性轮单元制动结构的示意图，该结构将某些可提供的磁性吸力转 变为制动力。
具体实施例方式
以上已经描述了如图la和lb所示的一种基本磁极轮单元。如此的单元可 结合到许多不同的机器和器具中。应该指出的是，主动磁性材料(即，永久磁 体)或其它磁通源(例如，电磁体)可被接纳在一专用外壳内；因此，图l和 2中的磁通单元16的目前形状只是图示而已，并不代表该单元的实际形状。
正如参照图2a至2c得到最佳理解的那样，根据用作为磁通源的双极磁体 的数量和特殊类型，具有不同磁极轮数量和结构的磁性轮单元都是可能的。
图2a示出使用如先前图la所述的单一磁体16和两个旋转磁极轮12、 14 的双轮结构单元10。图2b示出具有两对磁极轮12'、 14'的结构， 一对位于双极磁体16'的N极， 另一对位于S极，即，具有单一磁通源16'的四轮磁性轮单元10'。
相比之下，图2c示出具有两个间距的磁通源16"(它们在磁通密度提供 质量上可以相同但不一定需要相同)的四轮磁性轮单元10，，，其中，每个磁 体16"与一个磁极轮对12"、 14"相关联。可以指出的是，在两个磁体16"的N 极和S极之间延伸的磁化轴线沿彼此相反方向定向，但在如此单元IO"的实际 实施例中不必须是如此的情形。
图2a至2c中的线17、 17'和17，'分别以粗糙但图示正确的方式示出了存 在于基底24 (用钢板代表)内的磁通传递路径，这些路径分别存在于不同单元 10、 10'和IO"的极化的磁极轮之间。己知铁磁性基底的磁导率是高于周围环境 磁导率的值，周围环境就如空气或像水那样的其它流体，并假定基底特性是在 磁通传递到基底过程中没有发生磁通饱和，在磁极轮和基底之间紧靠接触区域 的附近(指以上的虚拟磁极延伸区域)和包括磁极轮、基底和磁通源装置的闭 合的磁回路之外，都观察不到任何磁场。
磁性轮单元IO (或10'或10")可嵌入和实现在各种应用中的多种器具和 装置中。
首先再回到图2a，它示意地显示一种方法，该方法借助于铁磁性辊子杆 35实现转矩传输到单元10的磁极轮14、 14或从其中传出，所述辊子杆35的 转动轴线36沿着辊子轴向长度定位而平行于磁极轮对的转动轴线18延伸。辊 子杆35具有光滑的外周缘表面，并被任何合适的机构(未示出)固定住，这 样，它位于两个轮12、 14的光滑周缘表面内，或可使其外表面在两个轮12、 14的光滑周缘表面上摩擦地邻接和脱开摩擦邻接。然后，该基本的结构可用来 实现转矩的传递，无论是正向地用于推进之目的，还是负向地用于制动之目的。 例如，如箭头37所示的辊子杆35的转动，例如，通过辊子与电动机输出轴的 偶联来转动辊子杆35，将对轮12、 14施加如箭头38所示的反向转动，该反向 转动又允许整个单元10以平移方式在保持静止的基底24上移动，如箭头39 所示，或在单元10以其它方式抵抗运动而固定的情况下，沿箭头39相反方向 将运动施加到另外方式未固定的基底24上，如箭头40所示。
在使用合适尺寸的铁磁性辊子杆35过程中，可"使用"由单元10的磁通源16提供的磁能量部分，以使辊子杆35保持与轮构件12、 14的摩擦和磁性 接触，而大部分可得到的磁通量用来将单元10固定到基底24上。然后，还将 认识到，如果磁通源16是可变换的永久磁体装置或电磁体，则根据通过轮磁 极构件12、 14传输到辊子杆35 (和基底)的磁通量，以及存在于轮12、 14 和辊子杆35的邻接表面之间的摩擦系数，可实现可变转矩的传递。图2a所示 结构提供一固有的转矩滑移功能，在另外可能导致过载的情况下，该转矩滑移 功能可减小单元10和基底24之间转矩的转递。
磁性轮单元更为特殊应用的领域包括各种形式的像高架金属板输送器那 样的辊子输送器系统，图3a中示意地显示其中一种形式。实施图2a所示概念 (但有不同的转矩传递结构)的多个2轮的磁性轮单元100a至100g从天花板 轨道150中悬挂下来，它们沿着轨道150所形成的延伸或移动路径彼此间隔预 定的距离。每个单元100a至100g包括一对容纳在合适吊舱状外壳内的磁极轮， 外壳中接纳合适的磁体，磁体对相应的轮子对提供磁通。使用合适的电动机对 单元的磁性轮赋予选择性的转动。钢板140可沿着移动路径A进行传送，钢板 磁性地相继附连在单元100a至100g上。或者，单元100a至g可以是如图2b 或2c所示的4轮单元，在此情形中， 一个轮对可以是被驱动的轮子，而另一 对可以是磁性的惰转磁极轮。在还有另一替代方案中，导向轨道150可用其上 可固定单元100a至100g的链条带或类似输送器线代替；单元100a至100g则 可都包括惰转磁极轮，其中，假定由链条传动装置本身提供该运动。
图3b示出一种应用，其中，实施图2所示概念的4轮磁性轮单元200用 作为一可释放地固定铁磁性管状工件224的磁性装置，该工件224的外表面用 喷雾器装置260涂以粉末。磁极轮212、 214、 212'(和未示出的第四轮构件的 对应构件)分别进行固定，以便围绕安装在箱形支承体232上和支承体内的轴 螺栓213和213'转动。分别与磁极轮对212、 214 (212')相关联的两个磁体(未 示出)安装在支承体232内，使每个可变换磁体的磁性N-S极轴线轴向地与对 应相关联的磁极轮对的转动轴线b和b'相一致。附图标记250用来表示支承构 件，磁性虎钳单元200借助于该支承构件可固定到支承结构上，支承结构本身 可以是铰接臂，其可使虎钳单元200按照要求定向在空间中。
尽管结合电动机单元来驱动单元200的一个或多个磁极轮是可行的，但所示实施例仅用来磁性地保持工件240，将其固定在空间中，同时允许其围绕其
纵向轴线如箭头252所示地转动。
该同样的装置200可用来磁性地夹住两个管形管子部分，它们保持端部对 端部邻接的关系，由此，能实施其它的操作，例如，管子部分的对接焊。
图3c的示意立体图示出自推进原型的磁性小车(车辆)300，该磁性小车 300基本上组成如下两个相同的彼此可独立切换的永久磁体单元316，通常 其为美国专利7,012,495中所述的基本类型；两个分别与磁通源316相关联的 杯形磁极轮对312、 314;呈电动机320形式的原动机；用于电动机的未予示出 的电源(例如，电池组)；将转矩从电动机320传递到所有四个磁极轮312、 314的传动系结构318;车载的车辆控制系统322，其既可用于无线遥控的车辆 也可用于车载计算机控制的车辆；以及鞋箱形的车体324，上述所有的部件都 安装在该车体上。各个磁极轮312、 314是如图4a和4b详细所示的圆柱形杯， 所述磁极轮312、 314轴颈地支承在固定在车体324侧壁上的对应轴元件326 上。传动系结构318包括皮带和皮带轮系统，它们以运动学方式将所有四个磁 极轮312、 314连接到支承在车体324上的从动齿轮轴，从动齿轮轴的嵌齿轮 与偶联到电动机320输出轴上的螺旋螺杆轴啮合。附图标记328和329用来表 示两个杠杆臂，它们用来在其对应的致动状态和脱离致动的状态之间进行磁体 316的切换，在致动状态中，发射和存在强的外部磁场，而在脱离致动的状态 中，磁体316关闭且不存在外部磁场。
图4a至4c示出带有其相关联的磁极轮对312、 314的个别磁通源单元316 的简化立体图以及沿着图4a中箭头IVb和IVc观察的俯视平面图和前视平面 图，正如参照图4a至4c最好地认识到的，磁通源单元316相应地固定在车体 324内，位于每个相关磁极轮对312、 314之间的固定位置内，该磁通源单元 316定位成使每个磁体单元316 (处于致动工作状态中)的N-S磁性轴线与轮 子轴318同轴地延伸。每个单元316以其两个相应轴向端延伸到形成在磁极轮 312、 314环形轮缘突缘330内的圆柱形空间328内，并与磁极轮312、 314的 终端圆盘腹板332保持面对关系。非常小的气隙334保持在形成单元316的外 壳的两个静止磁极延伸块336、338之间，两个直径向极化的永久磁体圆柱340、 342被容纳在单元316的外壳内，所述磁体圆柱340、 342提供单元316的主动的、但可切换的永久磁通源(比较以上所述和美国专利7,012,495)。
用四个杯形磁极轮来构造根据图3c的原型车辆(使用图4a的单元)，该 杯形磁极轮的外直径为90mm，轮缘壁厚25mm，圆盘腹板厚度为25mm (由 此，形成的磁通传递截面面积为1375mm2，见图4a，附图标记344)，杯形磁 极轮用磁通饱和限值约为2 Tesla的软钢制成。杯子的外围表面不加涂敷，并 加工成肉眼可见的光滑精度。
磁通源单元各包括M5040型的可切换的永久磁体单元，M5040型磁体可 从Magswitch Technology Worldwide购得，并能在磁通传递中使用的相关被动 静止磁极表面处提供(卸载回路条件中)1.2Tesla，其中，主动磁性材料(即， 两个圆柱形的、堆叠的磁体)的磁通面积总共为2000mm2 (见图4a中附图标 记346)。
选择(可供的)磁通源，即，选择M5040磁体，它们在"接通"状态中 产生磁场的给定形状下类似于具有不均匀磁场分布的宽磁极磁体，选择磁通源 也会影响其相对于杯形轮子的空间布置以及尺寸(沿轮构件的轴向方向)，所 述尺寸是轮子轮缘壁为达到最佳磁通传递和磁场力产生的吸力所应具有的尺 寸。因为轮磁极构件相对于可得到的磁力构成一种载荷，所以，轮缘部分深度 应这样进行选择它覆盖(包围)M5040磁体直到某一部位，在该部位处，沿 垂直于N-S磁极直径分离线延伸的一直线测得的磁场强度约为最大磁场值的 0.7，见图4c，在选定结构中该值约为12.5mm。
包括所有传动系和控制部件、车体和安装在车体上的焊接器具在内的车辆 总重标明约为12kg (包括磁通源316和杯轮磁极312、 314的单一的磁性轮单 元重约3kg)。
车辆300上作的承载试验表明，垂直地离地跳起车辆同时仍磁性地附连在 水平净钢板上所需的逃脱力约为2400N，而车辆能在净钢板基底上产生约400N 的牵引力。
可切换磁体单元316的主动磁性材料和基底之间的磁通传递效率可确定为 约50%。
试验完成之后提出，如上所述的四轮自推进小车能够沿着垂直倾斜的钢板 安全地运输等于其自身重量的附加有效载荷。然后，将会认识到，如此小车可用来安装各种仪器和器具，它们可沿着倾 斜的、垂直的和甚至悬垂的铁磁性表面安全地被传输，或可结合到其它结构中， 这些结构需要以可移置的方式安全地附连到铁磁性结构上。
例如，如图所示的可切换的磁性轮单元可以结合到各种类型的工作平台 中，这些工作平台从上面悬挂下来，以便在垂直倾斜的铁磁性表面(例如，船 壳)上执行维护保养和其它工作，由此，提供一种方法，该方法将平台安全地 磁性地附连到船壳上而不妨碍平台的上下运动。
最后回到图5，图5示意地显示了磁性轮爬行器500，它包括与参照图4a 至4c图示和描述的单元相同类型的磁性轮单元510，具有如上相同的尺寸，它 还附加地包括运动制动框架520，该框架可有选择地转动与其上附连单元510 的基底进行配合和脱离配合以便可移动。框架520大致为U形或支架，其具有 两个平行臂522和524，平行臂522和524沿其长度包括弯头525,以及一个 位于臂522、 524的自由终止端521和523的相对端处的横向操作臂526。
框架520安装成可绕公共轴528转动，但公共轴528以其它方式固定到两 个磁极轮512、 514，以使框架的两个平行杠杆臂可转动而使其对应的终端512 和523强制与基底表面530配合，磁极延伸轮512、 514磁性地附连在基底表 面530上。
杠杆臂的几何特性，具体来说是指长度L2对长度L1之比，其中，L2是 臂522和524自由端和枢轴点528之间长度，Ll是枢轴点528和横杆部分529 之间长度，为使框架520转动可施加力532，该长度之比将确定力533和反力 534之间的杠杆效率，而力533可施加在臂522、524自由端与基底的接触点上， 反力534由作用在轮512、 514和基底之间的磁性吸力所产生。
装置500的原理可应用于需攀爬垂直铁磁性壁的装置中，其中，由于轮子 和基底之间摩擦系数低而引起向后的滑移，这不足以确保正向的牵引力。应该 认识到制动装置也可用来抗拒向前滑动，因为单元有关的运动型式和磁极轮前 面或后面的制动装置的地面配合部位将有利于制动装置的功能。
权利要求
1. 磁回路具有(a)包括电磁体或一个或多个永久磁体的磁通源，(b)至少两个与所述磁通源相关联的可相反极化的磁极延伸体，所述磁极延伸体是圆盘、轮子、辊子或类似形状的具有外圆周表面并围绕对应转动轴线保持可转动的物体，以及(c)具有铁磁性特性的相对体，所述相对体布置成与所述可转动的磁极延伸体合作，以在磁性地靠近或接触所述磁极延伸体的所述圆周表面时，对磁通量提供外部的磁通路径，其特征在于，所述磁通源相对于所述可转动的磁极延伸体保持静止。
2. 能磁性地附连到磁性吸引的基底上的车辆，包括至少两个轮构件支承在 其上的车体和至少一个具有N极和S极的磁体，其中，所述轮构件包括被动磁 性但可极化的材料，其中，所述轮构件和所述磁体在所述车体上的空间定位使 得所述轮构件提供否则是静止的磁体的所述N极和S极的可转动的、相反极化 的磁极延伸元件，由此，所述轮构件搁置在磁性吸引基底的表面上，形成包括 所述磁体、所述磁极延伸轮构件和所述基底在内的闭合磁性回路。
3. 能以其它可位移方式磁性地将磁性吸引的物体保持附连到其上的支承 器具，包括支承结构，至少两个轮或辊构件安装在所述支承结构上以布置成 围绕对应轴线转动；以及至少一个具有N极和S极的磁体，所述磁体与所述轮 或辊构件分离地安装在支承体上，其中，所述轮构件包括被动磁性但可极化的 材料，其中，所述轮或辊构件在所述支承结构上的空间定位使得所述轮构件提供否则是静止的双极磁体的所述N极和S极的可转动的、相反极化的磁极延伸 元件，由此，使磁性吸引的基底与所述轮构件的外围表面达到表面接触，形成 包括所述磁体、所述磁极轮或辊构件和所述基底在内的闭合磁性回路。
4. 如权利要求2或3所述的车辆或支承器具，其特征在于，所述至少一个 磁体支承成对所述轮或辊磁极延伸构件保持气隙。
5. 如权利要求2或3所述的车辆或器具，其特征在于，还包括传动装置， 所述传动装置布置成将转矩传递到所述轮或辊构件中的至少一个轮或辊构件 内。
6. 如权利要求2所述的车辆，其特征在于，还包括用于在所述基底表面上自推进所述车辆的装置。
7. 如权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述自推进装置包括用于将转 矩从车载电动机传递到所述轮构件中的至少一个轮构件上的结构。
8. 如权利要求5所述的车辆或器具，其特征在于，所述传动装置包括皮带传动装置、链轮传动装置、链条传动装置或蜗轮蜗杆传动装置中的一种传动装 置或它们的组合。
9. 如权利要求8所述的车辆或器具，其特征在于，所述传动装置包括一个 或多个摩擦辊子，所述摩擦辊子设置成通过与所述轮构件中的至少一个轮构件 的外圆周配合来传递或接受转矩。
10. 如权利要求9所述的车辆或器具，其特征在于，所述摩擦辊子包括 铁磁性材料，所述材料可操作地布置成通过磁力将所述辊子偏置到与所述轮构 件接触并保持所述接触。
11. 如权利要求8所述的车辆或器具，其特征在于，所述传动装置包括 齿轮箱或结构。
12. 如权利要求2或3所述的车辆或器具，其特征在于，每个轮或辊构 件对设置一个双极磁体。
13. 如权利要求12所述的车辆或器具，其特征在于，所述双极磁体是 可切换的永久磁体装置，所述永久磁体装置布置成用来产生一外磁场，所述外 磁场可在完全接通或致动状态中的最大磁通密度输出和完全关闭或脱离致动 状态中的最小实际可忽略的磁通密度输出之间变化。
14. 如权利要求13所述的车辆或器具，其特征在于，所述可切换的永 久磁体装置包括拨动开关和增量开关中的一种，所述拨动开关用来在完全接通 和完全关闭状态之间变化和选择，而所述增量开关用来在完全接通和完全关闭 之间设定和固定磁通量输出。
15. 如权利要求12所述的车辆或器具，其特征在于，所述轮或辊构件 的横截面呈杯形，所述双极磁体使其中一个磁极延伸到所述杯形轮或辊内。
16. 如权利要求13或14所述的车辆或器具，其特征在于，具有至少四 个成对布置的所述轮或辊，其中，每个所述轮或辊构件对有一个所述可切换的 永久磁体装置，还包括用于独立地或联合地不连续地切换所述两个可切换的永久磁体装置的装置。
17. 如权利要求l所述的磁性回路，其特征在于，所述可转动的磁极延 伸体呈轮形，并具有这样的横截面形状和尺寸，以便(a)将从所述磁通源到 所述可转动磁极轮的磁通传递损失减到最小，(b)提供相当大面积的虚拟磁 极，由此，使磁极延伸轮和基底表面之间的直接实体接触区域之外的磁通传递 达到最大，以及(C)保持预定值的朝向所述基底的磁性吸力。
18. 如权利要求17所述的磁性回路，其特征在于，所述磁极延伸轮是圆柱形杯形体，所述杯形体具有环形的突缘部分，所述突缘部分的轴向长度是 所述磁通源的磁场强度的函数。
19. 如权利要求18所述的磁性回路，其特征在于，所述杯形磁极延伸 轮具有足以覆盖所述磁通源的轴向长度，覆盖达到的程度是所述磁通源显现其 最大磁场强度的约70%。
全文摘要
磁回路具有(a)包括电磁体或一个或多个永久磁体的磁通源，(b)至少两个与磁通源相关联的相反极化的磁极延伸体，该磁极延伸体是圆盘、轮子、辊子或类似形状的具有外圆周表面并可围绕对应转动轴线保持转动的物体，以及(c)铁磁性的相对体，其布置成与磁极延伸体合作，以在磁性地靠近或接触磁极延伸体的圆周表面时，对磁通量提供外部的磁通路径，其特征在于，磁通源相对于可转动的磁极延伸体保持静止。
文档编号B65G39/10GK101426664SQ200780013792
公开日2009年5月6日 申请日期2007年3月6日 优先权日2006年3月13日
发明者F·柯斯加 申请人:磁转换技术全球控股有限公司