磁驱动系统和方法
【技术领域】
[0001]本申请要求于2013年5月13日提交的美国临时专利申请序列号61/822，714的优先权，并且该申请通过引用以其全部内容结合在此。
[0002]所披露的装置涉及驱动系统，这些驱动系统用于将在一个第一方向上传送的动力传送至在一个第二方向上的一个输出。更具体地说，它涉及一种磁耦合系统，该磁耦合系统用于将在一个第一方向上(如沿着一个轴线往复)传送的动力转换成一个第二方向(如圆周的)。通过这种磁耦合，在其间没有机械接触的情况下提供来自该动力的这种力在双向系统之间的传送。
【背景技术】
[0003]动力传送做功通常涉及所传送的动力方向上的变化，以便提供在一个具体用途可采用的一个方向上的力。例如，往复运动(reciprocating mot1n)(也称为往复运动(reciprocat1n))是一种重复的上下或前后的线性运动。它存在于广泛范围的机构中，包括往复式发动机和往复式栗。包括单个往复循环的两个相反运动被称为冲程。
[0004]一个曲柄可用于将圆周运动转换成往复运动，或相反地将往复运动转变成圆周运动。例如，在一个内燃发动机(一种类型的往复式发动机)的内部，气缸中燃烧燃料的膨胀周期性地向下推动活塞，该活塞通过连接杆转动曲轴。该曲轴的继续旋转驱动活塞向上返回，准备下一个循环。该活塞以一种往复运动的方式移动，该往复运动被转换成曲轴的圆周运动，该圆周运动最终推进车辆或做其他有用功。发动机运转时的振动感是活塞的往复运动的副作用。
[0005]用于改变(被采用来从一个源传送动力的)运动的方向或力以便例如做功的另一种装置是一种齿轮系。此类齿轮系装置是操作性地形成的接合齿轮，这些接合齿轮与一个支撑框架可操作地接合，这样使得这些齿轮的齿接合。齿轮齿被设计成确保接合齿轮的节圆在彼此上没有滑动地滚动。这提供旋转和动力从一个齿轮到下一个齿轮的平滑传输，并且允许转矩和/或速度或所传送动力的其他期望特征的齿轮传动以便做功。
[0006]用于使用齿轮传动装置或杆和轴承传送运动来递送动力并且改变所传送动力的方向的此类机械装置的一个令人烦恼的问题是摩擦和产热。摩擦导致传送动力的浪费，仅为了克服该系统上的摩擦阻力。常规地，此类系统需要显著的润滑并且从摩擦产生热。从另一方面来说，过量的热在达到损坏啮合齿轮或往复轴承的一个水平时，可能易于使该系统毁坏。
[0007]拉杜(Radu)的国际申请W0 2011/054062传授采用用于耦合的磁力代替齿轮传动装置等的一个概念。拉杜装置传授使用圆形定位的磁体以便通过旋转将运动和动力从一组传送至另一组。对于该目的，存在其他技术。
[0008]相关领域的前述实例和与其相关的限制旨在是说明性的且不是排他性的，并且它们不暗示对在此所描述的和所要求的本发明的所披露装置和方法的任何限制。在阅读和理解以下说明书和附图后，相关领域的各种附加限制对本领域那些技术人员将变得显而易见。
[0009]本发明的一个目标是提供一种用于在不同的线性和旋转方向上传送动力的磁耦合或齿轮系。
[0010]本发明的另一个目标是将这种磁耦合提供在旋转系统与平移系统之间，这使所产生的热和摩擦最小化。
[0011]将从以下描述变得对于本领域技术人员显而易见的所披露的发明的本发明设备和方法的这些和其他目标、特征和优点以及其优于已有的现有技术的优点将通过在本说明书中描述的和以下在以下详细描述中描述的新颖改进来完成，该描述完全地披露了本发明，然而不应以任何方式被认为是对本发明的任何限制。
【发明内容】
[0012]所披露装置的示例性实施例大体涉及利用磁场的压缩来产生连续的旋转或往复运动的设备和方法。
[0013]在本说明书中通篇讨论磁极性。如在此所使用的，在此的系统和方法的各种描述中采用磁耦合，该磁耦合在旋转组件的磁场与一个振荡组件的磁场之间具有一个压缩关系。这种压缩关系具有来自与该旋转磁性部件和该振荡磁性部件接合的磁体的重叠磁场。另外，术语共同极性意指转子的至少一个磁场被定向成相对于一个相邻振荡磁场具有相同的极性。此外，反转极性(inverse polarity)意指转子或旋转部件的至少一个磁场相对于一个相邻的振荡磁场反转地或相反地定向。如在此描述的，在一些模式中，由旋转组件上的旋转磁体传送的磁场是相对于振荡组件的磁性部件的振荡磁场的极性而言的共同极性和反转极性的组合。在每种情况下，转子和振荡器的磁场彼此压缩。
[0014]通常已知的是，一个磁体具有一个椭圆体状场，该场具有一个横向短轴、一个纵向长轴、以及位于该长轴最末端的磁极。磁体将含铁物体，如铁、钢、镍和钴，吸引至通常被称为北极和南极的它们的极。相反磁极彼此吸引并且同名磁极排斥。天然磁体和制造磁体具有永久的磁特性。电磁体是由缠绕在一个铁芯上的绝缘铜线的一个线圈制成的暂时磁体。只有当电流在该线圈中流动时，电磁体才具有磁特性。磁体对于社会是至关重要的，并且具有许多的大小、形状和用途。
[0015]磁力集中在极处，这些极的极性相反，位于磁体的相反端部上，并且是不连续的。连续磁力的缺乏大大地限制了磁性的有用性。当前，不存在有效地组合磁力来产生连续的旋转或线性运动的一般实践。为了克服不连续磁力的缺点，本人发明了一种新颖的极连续性设备，该设备有效地整合磁力并且诱导连续的旋转或线性运动。
[0016]产生磁耦合的本披露装置的极连续性设备包括至少一个振荡组件和一个旋转组件。每个组件在其上具有提供磁场的磁性部件，由此这些组件被接合。这些椭圆体状磁场各自具有一个短轴、一个长轴、以及位于该长轴最末端的极。平衡位置居中位于这些极之间。每个场在远离平衡位置的任何方向上具有不平衡区域，这些区域限定由离该区域最近的极支配的极域(polar domain)。旋转组件的磁场横向且大体在短(短的)轴的方向上与振荡组件的磁场以压缩方式接合，由此诱导这些场主要穿过长(长的)轴扩展，从而使该旋转组件旋转。该振荡组件交替地且在不同极域中压缩椭圆体状磁场的体积，这引导磁场扩展力矢量，以便诱导平滑、混合的极连续性以及该旋转组件的连续的360度旋转或连续的往复线性运动。
[0017]所披露的极连续性设备是由迈克尔.法拉第(Michael Faraday)在1831年首创的电磁感应的逆推。法拉第的发现在场之间旋转一个电枢以便感应交流电(振荡电流)。本发明的极连续性设备使邻近旋转场的磁场振荡以便诱导旋转运动。参照该方法及其装置的以上描述，在详细解释在此披露的磁驱动系统和方法的至少一个优选实施例之前，应当理解的是，本发明在其申请中不限于构造的细节并且不限于在以下描述或在附图中示出的所披露的装置和方法的部件的安排，也不限于该方法中的步骤。在此描述的本发明能够具有其他实施例并且能够以在阅读本披露后将对本领域那些技术人员显而易见的各种方式实践并执行。并且，应当理解的是，在此所采用的措辞和术语是为了说明的目的而不应视为限制性的。
[0018]同样地，本领域的那些技术人员将理解的是，本披露所基于的概念可容易地利用为设计用于执行在此的本披露设备和方法的接合和若干目的的其他磁驱动结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，在它们不背离本发明的精神和范围的前提下，权利要求被视为包括此类等效物结构和方法论。
[0019]本发明的磁驱动装置和方法的一个示例性模式被适配成整合磁性的单向极性力，以便提供简单的、廉价的旋转和线性运动，用于向有用设备提供动力以有益于人类。所披露装置的另一个披露的示例性模式被适配成提供一种用于更好地理解科学和磁性的教育工具。本发明的极连续性设备和方法的其他特征和优点在考虑随后的描述、附图、以及权利要求的过程中将变得显而易见。
【附图说明】
[0020]图1是极连续性设备和椭圆状磁场接合的全视图。通过旋转构件的对应移动来描绘渐进振荡的5、10、15和20度视图。
[0021]图2是穿过两个椭圆体状磁场的截面图，图解了由接合诱导的力矢量。
[0022]图3是图2的这些椭圆体状磁场中的一个的视图，图解了一种改变由接合诱导的纵向力矢量的强度和方向的方法。
[0023]图4描绘在来自与一个转子接合的磁性部件的磁场与来自与如在此描述的振荡器接合的磁性部件的磁场之间获得的磁耦合中的一个压缩关系，并且在命名为V1、V2、以及V3的阴影区域的重叠场中示出该振荡器和转子场的压缩体积，从而图解说明了这些力矢量的平滑、混合的传递。
[0024]图5是穿过椭圆体状磁场的另一个安排的截面图，并且示出由接合诱导的力矢量。
[0025]图6是示出永久或电磁部件的一个阵列的一个旋转组件的顶视图。
[0026]图7是在图6的线7-7处截取的截面图，并且示出永久或电磁部件的一个振荡和旋转组件。
[0027]图8是在图6的线8-8处截取的穿过椭圆体状磁场的截面图，并且示出通过与磁场的接合诱导的使该旋转组件旋转的力矢量。
[0028]图9是在图6的线9-9处截取的穿过椭圆体状磁场的截面图，并且示出通过与磁场的接合诱导的使该旋转组件旋转的力矢量。
[0029]图10是与一个旋转组件接合的一个振荡组件的截面侧正视图。
[0030]图11是在图10的线11-11处截取的截面图，示出该旋转组件的磁性部件的一个安排。
[0031]图12是在图10的线12-12处截取的截面图，示出该振荡组件的磁性部件的一个安排。
[0032]图13是图11的磁性部件的另一个安排，示出一种用于增加的强度的使磁场成形的方法。
[0033]图14是与各种振荡组件接合的一个旋转组件的磁性部件的另一个安排的截面侧正视图。
[0034]图15是用于连续往复线性运动的磁性部件的一个安排的截面侧正视图。
[0035]图16描绘示出与该振荡组件接合的磁体的移动的截面图。
[0036]图17示出该装置的一个代表性模式的另一个截面图。
[0037]图18示出操作性地接合在一个壳体内的该装置的一个有利模式的透视图。
[0038]图19示出图18的该装置的另一个透视图，其中将该壳体和一些支撑部件移除，以用于观察在这些部件之间的相互作用。
[0039]图20示出图19的该装置的侧视图，其中将壳体和支撑部件移除，以便允许观察操作部件。
[0040]图21描绘图20的该装置的端部透视图，将附加的支撑结构移除，以便提供相互作用的旋转和振荡组件以及磁性部件的更好观察。
[0041]图22示出在本说明书中详细描述的一个旋转磁性部件的描绘。
【具体实施方式】
[0042]现参考图1-22的附图，这些附图描绘了在此用于实现和采用磁耦合的装置10和方法的多个优选模式，但不应以任何方式被认为是限制性的。在图1和相关附图中可以看出在此披露的方法和装置10的一个示例性模式，其中包括至少一个振荡组件43和一个旋转组件41，其中各自具有提供磁场的相应磁性部件，由此这些组件被接合用于操作。如所描绘的，这些椭圆体状场各自具有一个短轴、一个长轴、以及位于该长轴最末端的极。平衡位置居中位于这些极之间。每个磁场在远离平衡位置的任何方向上具有不平衡区域，这些区域