具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置制造方法

具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置制造方法
【专利摘要】一种创建用于保持或提升目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的、基于永磁体的装置的方法，及用于该装置的设备，该装置由两个或更多个承载盘组成，每个承载盘包含多个互补的第一磁芯元件和第二磁芯元件。每个磁芯元件包括(多个)永磁体，(多个)磁体的北极和南极附接有软磁性匹配的钢制成的极管。磁芯元件在相邻承载盘中取向，使得相对旋转能够实现极管中的北极磁场和南极磁场的同相或异相对齐。通过将第一磁芯元件同第二磁芯元件“同相”对齐，即，北-北/南-南，激活该磁芯元件对，使极管的组合的磁场能够被定向到目标上。通过将磁芯元件对“异相”对齐，即，北-南/南-北，从而通过在极管中包含相反的磁场来去激活该磁芯元件对。
【专利说明】具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置
【技术领域】
[0001]永磁吸盘、握持器和提升设备中的人工启动磁场已在铁磁材料(目标)上使用了几十年。在磨粉机、粉碎机、车床、钻头和其它工业和商用装置中可以见到它的常规应用。其它应用包括固定装置、工具和量具保持器、材料校直、以及夹具。各种基于磁体的升降机被用于材料处理和机器人取放装置。不幸的是，大多数的可开关永磁体阵列价格昂贵，生产困难，结构脆弱，或相对较重。因此，在商业和零售市场中，可开关永磁体阵列的使用受到很大限制。过高的费用极大地阻碍了将可开关永磁体阵列集成到终端用户产品中。已经尝试将这些设备用于自动化固定装置和升降机，但是使启动自动化所花的成本和难度妨碍了真实产品被接受。在努力开发用于机器人保持的可开关永磁体阵列的过程中遇到诸多问题，包括过度的磁场深度、机械启动的多个齿轮的可靠性、以及不可改变的磁性性能，还有启动力矩问题，该不可改变的磁性性能无法提供涵盖期望范围的材料厚度、形状和尺寸所需要的期望目标保持性能。
[0002]永磁体产生它们自身的磁场。永磁体具有北(“N”)极和南(“S”)极。根据定义，本地磁场的方向为指南针(或任意磁体)的北极所指向的方向。磁场线从磁体的北极附近穿出，并从它的南极附近进入。在磁体内部，磁场线从南极返回到北极。“磁极分割线”被用于描述永磁体的北极和南极之间的理论平面。永磁体由铁磁材料制成，例如被磁化的铁和镍。磁体的强度由其磁矩(“M “)表示。对于简单磁体而言，M指向从磁体的南极向北极画出的线的方向。“相同“的磁极在彼此靠近时互相排斥(例如，N和N，或S和S)，但是”相反“的磁极互相吸引(例如，N和S)。
[0003]所有的永磁体、以及强烈吸引到永磁体上的材料都是铁磁性的。当给定材料中的原子的磁矩能够设置为朝向一个方向时，原子被称为是“可磁化的”。铁磁性是某些材料形成或呈现与磁体的强烈交互作用的基本机制。
[0004]软磁性的材料和永磁体的相似之处在于当其受到外部磁场影响时呈现其自身的磁场。但是，一旦施加的磁场降低为零时，材料不能继续呈现磁场。这样的材料用作携带、集中和成形磁场的“管”。
[0005]通过将正确匹配的极管(在“【具体实施方式】”中描述)固定到一个或多个永磁体的磁极的每一侧，可以限定基本磁芯兀件。极管包含永磁体的北磁场和南磁场，并将永磁体的北磁场和南磁场垂直地重新定向到极管的上表面和下表面。现在，固定到永磁体的每个极管包含永磁体的磁场和极向，由此，磁芯兀件的一个极管包含永磁体的北磁场，另一个极管包含永磁体的南磁场。
[0006]通过在极管内包含磁场并对磁场进行重新定向，相同的磁极具有同步水平的吸引力和排斥力。上磁芯元件和相邻的下磁芯元件的相对位置限定了一个磁芯元件对。对装置的正确运行来说，两个或更多个磁芯元件对是至关重要的。将上磁芯元件极管与下磁芯元件极管“同相”对齐，即，北-北/南-南(N-N/S-S)，通过使相邻极管的组合磁场可用于吸引目标来激活磁芯元件对。将上下磁芯元件对“异相”对齐，即，北-南/南-北(N-S/S-N)，导致相邻的极管包含相反的磁场且去激活磁芯元件对。在本说明书中，“去激活”指实质上消除从工作面散发的磁场。
[0007]磁芯元件必须作为单一实体运行，并且可以要求将它的分开的部件包含在“磁芯元件壳体”中，以便于两个或更多个磁芯元件相对于彼此的相对定位。
[0008]诸如铁的显示出饱和度的铁磁材料由显微区域中的磁畴组成,磁畴充当微型永磁体。在向材料施加外部磁场之前，磁畴以随机方向取向，因此互相抵消。当外部磁化磁场“H”被施加到材料上时，其穿透材料并使磁畴对齐，使它们的微型磁场转动并与外部磁场平行对齐，加起来产生从材料延伸出去的大磁场。这称为“磁化”(外部磁场越强，对齐的磁畴越多)。当几乎所有磁畴都对齐的时候会产生饱和，因此，进一步增加所施加的磁场不会导致磁畴进一步对齐。
[0009]目标饱和与磁性饱和之间非常相似的地方在于，一旦位于极管或磁体正下方的目标材料中的所有磁畴都饱和了，就不能再吸收任何多余的磁场。如果可开关永磁体产生了超过目标所能吸收的磁场，过量的磁场会导致启动力增加。启动力是在将一个磁芯元件相对于相邻的另一个磁芯元件取向以使它们同相对齐(N-N/S-S)时，克服两个或更多个相邻的上下磁芯元件之间的磁性阻力所需要的力。当转动同相的相邻上下承载盘时，必须克服该过量的磁场。在空气中或在非常薄的目标上时，使磁芯元件对进行对齐所需的启动力可以比在未完全饱和的目标上(即，未吸收全部磁场的目标)时大十倍。
[0010]分离力是将磁体与目标垂直分离所需的力。大多数磁体在具有足够厚度的目标上进行测试，以避免在一个或多个磁极正下方的区域中产生过度饱和。由于分离强度主要取决于极管面积和材料饱和情况，一旦目标厚度变得饱和，分离力就会由材料而非磁场决定。例如，在25mm厚材料上具有100N (牛顿)分离力的磁体在12mm厚材料上也可能具有100N的分离力，但是在6mm厚材料上时分离力可能降低到70N，在2mm厚材料上时分离力可能降低到10N。
[0011]磁导率(相对于真空或空气的磁导率而言是无量纲的)通常可以被认为是磁性传导率。基本上存在四类磁导性物质:(1)磁导率小于I的物质被认为是反磁性的，这些物质在很小程度上响应于强磁场而产生相反磁场，因为这种响应通常极弱，大多数的非物理学家都认为反磁性物质是非磁性的；(2)磁导率正好为I的物质被认为是非磁性的，空气或真空的磁导率为I ;(3)磁导率大于I的物质被认为是顺磁性的；(4)磁导率比I大得多(100至100，000)的物质被认为是铁磁性的。本发明主要涉及铁磁性的目标。
[0012]当下盘中的两个或更多个磁芯元件的极管与上盘中相同数量的磁芯元件的极管对齐并有效邻近的时侯，产生相对齐。例如，参考图19，当上磁芯元件的第一北极管405a位于下磁芯元件的第二南极管404b正上方，并且上磁芯元件的第一南极管404a位于下磁芯兀件的第二北极管405b正上方时,第一磁芯兀件403a和第二磁芯兀件403b异相对齐。
[0013]相反，当第一磁芯元件403a的第一北极管405a位于下磁芯元件的第二北极管406b正上方，并且第一磁芯元件403a的第一南极管404a位于第二磁芯元件403b的第二南极管407b正上方时，磁芯元件同相对齐。磁芯元件的同相对齐除了产生适当强度的外部磁场之外还在极管之间产生排斥力(磁排斥)。磁芯元件的异相对齐在极管之间产生强吸引力(磁耦合)，同时产生非常少的外部磁场。
[0014]如同前面所阐述的那样，将一个磁芯元件同另一个磁芯元件同相对齐或放置会激活(或激励)非常强烈的外部磁场，这是由同时具有吸引力和排斥力的极管之间的同相“磁耦合”提供的。异相对齐的磁芯元件也可以提供“磁耦合”。这种异相“磁耦合”在相邻极管之间提供非常强烈的吸引力，同时提供很少的外部磁场或不提供外部磁场，也就是说，外部磁场去激活或消除。与不饱和铁磁目标接触的同相磁芯元件在磁芯元件之间具有轻度的吸引力。
[0015]磁场线提供了一种描述或绘制磁场的简单方法。可以利用附近磁场线的方向和密度在任意一点上对磁场进行估计。通常，磁场越强，磁场线的密度越高。图25中所示的磁场线提供了典型磁场的可视二维呈现。所示的“可视的”磁场线并不与孤立磁体的磁场线完全相同。金属屑的引入改变了磁场，金属屑用作极管并对磁场重新定向。尽管金属屑以二维视角显示，但是三维磁场看起来同沙漏相似。
【背景技术】
[0016]在许多包含多个磁体的专利(现在已进入公共领域)中，相邻磁体以北-南/南-北的重复模式取向，这样做通常是实现设备的激活或去激活所需要的。如图1-现有技术(颁发给J.Bing等人(1942)的美国2，287，286号专利(’286专利))所示，以及如图7A和7B(Shen(2007)提交的美国7，161，451B2号专利(’451专利))中所显示的更新装置，现有技术的例子通常展示北-南/南-北的软铁极取向，以使磁场深度最大化。当在非铁的盘中使用磁芯元件时，除了那些具有间隔或激励角度限制的相邻磁体之外，应该避免在相邻磁体之间进行交替的北-南/南-北取向配置。在这些情况下，应努力使相邻极管之间的相互作用最小化，以避免损坏或影响可用的磁场。
[0017]颁发给J.Bing等人(1942)的美国2，287，286号专利(图1-现有技术)(’286专利)公开了一种可开关磁性吸盘101，其由多个软铁扇区103组成，软铁扇区103附接到非磁性的盘形板上，并从非磁性的盘形板轴向延伸，同时这些扇区沿圆周隔开，提供直径上相反的间隙104，间隙104在所述扇区的整个长度上延伸。直径上极化的圆柱形磁体102位于软铁扇区103内的孔中，孔比磁体102的圆柱直径稍大，以允许直径上极化的磁体在装置内旋转。通过将磁体102取向为使得每个软铁扇区103包含两个北磁极或两个南磁极，可以激活软铁扇区103，使组合磁场可用以吸引含铁目标。通过将磁体取向为使得每个软铁扇区103包含一个北磁极和一个南磁极，可以使软铁扇区去激活。这一基本原理在当今的大多数的多磁体可开关磁体设计中使用。
[0018]颁发给Kocijan (2006)的美国7，012，495B2号专利(图2A-现有技术)(，495专利)公开了一种可开关磁体结构105，其由壳体106a和106b组成，包含第一永磁体109、第二永磁体111、定位特征112和113、以及在第一和第二磁体之间引起相对旋转的致动构件(114，115，116，117，118，119和120)。永磁体109和111直径极化，以使下永磁体109的南极110与壳体106a对齐，并且下磁体的北极108与壳体106b对齐。与’ 286专利的单磁体版本相比，’ 495专利的主要区别在于其使用了第二磁体来去激活磁场而不是使磁场分流。当磁体为北-南取向时，上永磁体111和下永磁体109之间的相对旋转提供了更有效地去激活磁场的手段。
[0019]‘495专利所描述的功能设计可以商购，并在图2B-现有技术和图2C-现有技术中描述。下磁体126固定至单件壳体121 (压配合和/或接合)，直径极化磁场线127垂直于壳体的薄壁125。下摩擦盘128插入到单件壳体121，位于下磁体126和上磁体129之间。通过使用钻孔130和131容纳机械链接132，从而实现上磁体129的旋转。为了使上磁体129相对于下磁体126旋转，要求在单件壳体121和上磁体129之间存在间隙124。间隙可以通过在单件壳体121中围绕上磁体129的位置加工出更大的直径来实现，或通过使用直径比下磁体126小的上磁体129来实现。上磁体129和下磁体126的磁场分别朝向南极管122a和北极管122b。
[0020]尽管如此，’ 495专利所描述的设计要求紧密的制造公差，生产起来相对昂贵。单件壳体121的制造需要大量材料和人力。单件壳体121的加工(图2B和2C-现有技术)需要使用相对较厚的固体材料(厚度为两个磁体中任何一个的两倍以上)，固体材料大部分都加工掉了。间隙124必须具有非常高的光洁度和/或高性能润滑剂，以避免上磁体129旋转时快速刮掉上磁体129的镀层。间隙124还必须适应上磁体129的公差。上磁体129的旋转还要求钻孔130和131或其它致动特征被加工到上磁体129中。这些特征不仅弱化上磁体的整体性(将其暴露给可能的破坏)，还会对磁场质量产生负面影响。永磁体由在空气中快速氧化的特硬脆性材料制成。对于钕磁体(NdFeB-钕铁硼)而言尤其如此。由于必须将机械链接132附接至上磁体129,磁体制造商必须在磁化或电镀之前生产定制磁体,定制磁体具有加工到永磁体111中的钻孔130和131，或者图2A-现有技术中所示的其它定位特征112和113。归咎于加工非常坚硬的NdFeB材料的困难性，这通常要求很长的交付时间、高成本的工具、大批量采购及高昂的原型花费。此外，钻孔130和131必须精确定位在磁场线上。这样做通常具有挑战性，因为磁体毛坯此时未被磁化。对磁体毛坯的取向要求在存在磁场的情况下进行等静压制。通常很难沿着磁场线127 (图2B和2C-现有技术)对钻孔精确定位，如果定位偏差大于几度，会导致可开关永磁体设备的性能较差。所需的直径极化的圆盘磁体的磁性效率在尺寸增加时内在降低。
[0021]‘495专利的另外一个缺陷是需要顶部致动。由于上磁体129 (图2C-现有技术)插入到壳体中，致动必须在壳体上方发生。通常，将设备固定到可开关磁体装置的上表面是期望的。对‘495专利中描述的设备的固定通常是对垂直侧之一(导致偏离中心的装载)、或更大的轭式支座进行，轭式支座被固定至南极管122a和北极管122b的相对垂直表面。必须小心确保含铁的目标不与单件壳体121的垂直平坦表面发生接触，因为它会将磁场吸引到含铁的目标中，极大地弱化壳体底部处期望工作面上的磁性抓持力。
[0022]颁发给Uchikune (1982)的美国4，329，673号专利(‘673专利)(图3_现有技术)中描述了可开关磁体150，其使用磁分路方法来去激活可开关磁体装置。这种启动方法如今仍在使用，但是其性能不如利用从相邻永磁体和它们的各个极管上去激活磁场的方法的‘495专利和其它专利那么有效率。这种设计基于分路原理运行，分路原理是将磁体中包含的北极155和南极154的磁场组合到相对较大的极管151和152中以去激活磁场。极管151和152被非铁材料153分开。极管相对较大，因为磁场去激活是通过组合来自单个磁体的北极155和南极154的磁场实现的，而不是来自单独磁体的磁场来实现的，该单独磁体相对于固定磁体异相放置。当对单个磁体分路时，北极磁场和南极磁场在相对的两端上取向，相隔180°。为了使磁场“分路”或互相中和,磁场必须在极管151和152内完全反转方向。为了充分关断设备，必须使用足够的钢来允许磁场反转方向，并在每个极管内完全吸收任何残余的磁场，因为它不像在诸如495专利和451专利中那样在磁体自身内部发生磁场去激活。通过减小极管151和152的尺寸，更多的磁场可用于吸引目标，由此改善磁体的性能重量比。
[0023]
【发明者】确认，当需要从一堆金属片中提起单个金属片时，需要避免过大的磁场深度。所提议的RSM设计还提供了一种能够在无需操作人员介入的情况下在预定范围内对其磁场深度进行动态调整的方法。在
【发明内容】
部分会对此进行进一步描述。颁发给Shen (2007)(图7A，7B和8-现有技术)(‘451专利)的美国7，161, 451B2号专利公开了一种磁性吸盘180，其由上吸盘层181a和下吸盘层181b组成，上吸盘层181a和下吸盘层181b具有共同旋转中心182，共同的边缘183，以及平坦的平行上下表面184，其中一个吸盘层平坦表面是工作面185。每个永磁体板186a在旋转中心182处具有向外延伸至边缘183的内端，软磁体块187a大于相邻的永磁体板186a。上吸盘层181a由软磁体块187a组成，软磁体块187a围绕旋转中心182插入在每一对磁化的永磁体板186a和188a之间。第二吸盘层由软磁体块187b组成,软磁体块187b插入在永磁体板186b和188b之间，软磁体块187b在形状上和位置上与插入在第一吸盘层的永磁体板186a和188a之间的软磁体块187a相同。
[0030]相对于固定的下吸盘层181b来转动上吸盘层181a以使每一层中的上软磁体块187a与下软磁体块187b北-北对齐，导致激活。相反，相对于固定的下吸盘层181b来转动上吸盘层181a以使每一层中的上软磁体块187a相对于下软磁体块189b北-南对齐，导致装置去激活。不知道‘451专利所描述的功能设计是否可以商购。尽管从理论上来讲是可行的设计，但是‘451专利所描述的设计有许多很难克服的问题。更重要的是，如同图8-现有技术中所显示的那样，当工作面上没有目标或有薄目标时，通过使上吸盘层191a相对于下吸盘层191b旋转来使吸盘190去激活会在吸盘板之间的接触区域192中产生很大的摩擦，使得启动变得困难，并在两个吸盘之间引起早期磨损或擦伤。上磁体块193a和下磁体块193b的表面加工分别对于使启动力矩最小化是至关重要的，并且，再次说明，是昂贵且困难的生产过程。该设计要求非常紧密的制造公差，生产起来很昂贵。此外，使用分开的多个上下磁体块193a和193b实质上弱化了每个吸盘层的整体性，因此分别需要额外的上下板增强195a和195b，并且使用上盘支撑194和结构外部壳体196和197，上盘支撑194和结构外部壳体196和197要求使用大量非铁紧固件和孔。除非特别由软磁材料制成，所使用的紧固件会保持磁通，磁通会阻碍完全去激活。在分别制造各个上磁体块193a和下磁体块193b、以及上永磁体板198a和下永磁体板198b的过程中，非常小的加工变化都会导致旋转过程中的机械干涉，可能会导致吸盘层在外部壳体中结合在一起，吸盘层之间的非常强的吸引力进一步助长了该情况。永磁体板的公差厚度变化还会使上吸盘层191a和下吸盘层191b分别不再呈现圆柱形或者在吸盘层的上下表面上不再平坦，这归咎于组装时尺寸和形状的变化。这就需要对带有活跃磁性部件的组装好的吸盘板进行后加工过程，以确保每个吸盘具有平坦的上下表面，这是让人气馁的生产操作。‘451专利设计的另一个缺陷是需要顶部启动199。由于使用了单独的上磁体块193a和下磁体块193b、上永磁体板198a和下永磁体板198b，不得不使用结构性外部壳体196、197和上盘支撑194来封装所有的单独部件，特别是下吸盘层191b。通常在吸盘的顶面上需要使用眼扣或其它附接方法，顶部启动199在吸盘的顶面上发生，从侧面启动且同时将顶面留给附接构件是非常优选的。尽管该设计可以带有侧面启动单元，但是这样会使支撑结构更加复杂。
[0031]比较此发明和现有技术-在此描述和要求保护的RSM同现有技术相比具有巨大的优势:
[0032].启动容易:能 够通过包括顶部和侧面的上承载盘的旋转运动来实现启动，提供更多的灵活性以实现整合到产品和固定构件中，更加容易将边缘附接到装置上。还开发了摩擦降低构件，以及磁平衡方法来适应它们的实施；
[0033].降低的磁体成本:本发明的高度灵活的结构能够直接适应现成的磁体。作为一种额外收益，在每个磁芯元件中使用多个较小磁体会产生比更大的单个磁体更大的磁力。原型机制造现在降低至数日，代替了数月。
[0034].降低的制造公差:磁芯元件是承载盘的整体部分。不需要复杂加工和磁场取向的更简单的磁体形状实际上降低了生产失败的风险。
[0035].更强更坚固的设计:排除那些加工到磁体中的特征实际上增加了磁体的结构强度。将磁体集成到含铁或非铁的承载盘可以极大的降低由磁体对着钢表面旋转而引起的磨损，或来自机械链接132 (图2B-现有技术)或启动构件114-120(图2A-现有技术)的冲击或张应力对磁体损害的风险。
[0036]?极大的尺寸灵活性:磁体尺寸不再是对生产非常大的可开关磁体的主要限制。如图9A和9B所示，该发明的灵活结构允许使用多个具有不同尺寸和几何形状的较小磁体的组合来作为单个永磁体。归功于将多个尺寸和几何形状的永磁体组合在一起以模拟具有更高强度体积比的单个永磁体的能力，更大的磁体所体现的磁性强度体积比降低不再是一个因素；
[0037].改善的稳定性:对于很多固定构件来说，更宽的基部和整体磁性强度一样重要，或者更宽的基部更重要。理想地，薄金属片或结构的磁性提升在大的表面面积上展开，同时对金属片的磁性穿透最小化。目前，用于薄片或更大部件的可开关磁性设计非常昂贵，很难制造，并且启动困难。本发明能够实现设置于低成本非铁结构中的多个单个磁芯元件的简单启动。外形尺寸可以是直径为数英寸，非常薄并且具有可变内径。
[0038].稀土磁体的有效使用:本发明的结构允许开发更大的低轮廓的装置。由于能够选择实现最优磁场深度所需的最小磁体尺寸，从而能够生产这样一种装置:与占用相同空间的实际上更大、更重并更昂贵的传统可开关磁体相比，该装置的重量轻得多，并且使用少得多的稀土材料就能达到相同或更好的分离性能。此外，通过正确选择极面面积大于高或宽的磁体，极管工作面面积可以在不牺牲性能的情况下成比例增加，同时降低启动力矩。
[0039].易于集成到产品中:本发明的结构允许开发为特定应用设计的组合的壳体和承载盘。通过将基本的承载盘配置用作模板，可以设计出新的承载盘配置，新的承载盘配置集成有安装特征，符合人体工学的或时髦的形状或杠杆作用，或其它性能提升。

【发明内容】

[0040]本发明涉及RSM装置。具体地，本发明涉及磁性保持设备，磁性保持设备由相邻的承载盘组成。每个承载盘包含数量为偶数的磁芯元件(两个或更多)，磁芯元件在相邻的承载盘中位于几何相似的位置。每个磁芯元件由一个或多个具有相反的北极(N)和南极(S)的永磁体组成。磁体的形状可以不同，例如，它们的形状可以为条形，盘形，梯形，立方形，球形，半球形或圆柱形。每个磁芯元件具有与一个或多个永磁体的磁极分隔线垂直的极管工作面，使一个或多个永磁体的北极和南极的各自的磁场通过极管到达每个承载盘的顶面和底面。极管由软磁含铁材料组成，磁性上匹配以包含相邻的一个或多个磁体的磁场，位于每个磁体或磁极的表面上，并与相反磁极隔离开。极管的尺寸和形状取决于所用的一个或多个永磁体的相对强度和形状。
[0041]RSM设计提供了高度灵活且独特的结构，该结构允许使用一系列从极小到极大变化的可开关磁体，同时提供优秀的性能重量比，高度灵活的结构，降低的成本，流线型且快速的生产路径，改善的安全性，坚固的设计，以及简单的旋转启动。
【专利附图】

【附图说明】
[0042]图9A是磁芯元件的斜视图，磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的非铁固定器和圆柱形极管。
[0043]图9B是图9A所示实施方式的斜视分解图。
[0044]图9C是磁芯元件的斜视图，磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的非铁固定器和矩形极管。
[0045]图9D是图9C所示实施方式的斜视分解图。
[0046]图9E是磁芯元件的斜视图，磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的条形永磁体和两个椭圆形极管。
[0047]图9F是磁芯元件的斜视图，磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的条形永磁体和两个半圆柱形极管。
[0048]图9G是单个磁芯元件的斜视图，单个磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的直径极化的盘形永磁体和单件壳体，单件壳体为“双D”形，用作两个单独的极管。[0049]图9H是单个磁芯元件的斜视图，单个磁芯元件包括与非铁承载盘一起使用的直径极化的盘形永磁体和两个条形极管。
[0050]图10是非铁承载盘组件的斜视图，其包括非铁承载盘，承载盘包含8个具有图9F所示配置的磁芯元件，磁芯元件取向为相同的极管互相面对。
[0051]图11是非铁承载盘组件的斜视图，其包括非铁承载盘，非铁承载盘包含8个具有图9G所示配置的磁芯元件，磁芯元件的永磁体磁场线垂直于承载盘的中心。
[0052]图12是非铁承载盘组件的斜视图，非铁承载盘组件包括非铁承载盘，非铁承载盘包含12个具有图9G所示配置的磁芯元件，每个磁芯元件围绕自己的中心相对于相邻磁芯元件旋转60°。
[0053]图13是非铁承载盘组件的斜视图，其包括非铁承载盘，非铁承载盘包含18个具有图9G所示配置的磁芯元件,磁芯元件取向为磁极的方向每三个相邻磁芯元件进行交替。
[0054]图14是含铁承载盘组件的斜视图，其包括含铁承载盘，含铁承载盘的几何形状同图10所示非铁承载盘的几何形状相似，不同之处在于图10所示的8个磁芯元件被8个永磁体取代，并且每个磁芯元件的两个极管是含铁承载盘的整体部分，该整体部分在相邻永磁体的相同磁极之间共享。
[0055]图15是含铁承载盘组件的斜视图，其包括具有8个磁芯元件的含铁承载盘，每个磁芯元件具有沿着永磁体磁场线对齐的两个不同的直径极化的盘形永磁体，以及作为含铁承载盘的整体部分的两个极管，该整体部分在相邻永磁体的相同磁极之间共享，承载盘的外径与图14所示承载盘的外径相同，内径比图14所示承载盘的内径小。
[0056]图16是含铁承载盘组件的斜视图，其包括含有14个磁芯元件的含铁承载盘，每个磁芯元件具有直径极化的圆柱形永磁体以及作为含铁承载盘的整体部分的两个极管，该整体部分在相邻永磁体的相同磁极之间共享。
[0057]图17是含铁承载盘组件的斜视图，其包括含有14个磁芯元件的含铁承载盘，每个磁芯元件具有条型永磁体和两个极管，两个极管是含铁承载盘的整体部分，该整体部分在相邻永磁体的相同磁极之间共享。
[0058]图18是含铁承载盘组件的斜视分解图，其包括含有8个磁芯元件的含铁承载盘，每个磁芯元件具有多个不同尺寸的条形永磁体和两个极管，两个极管是含铁承载盘的整体部分，该整体部分在相邻的多个不同尺寸的条形永磁体的相同磁极之间共享。
[0059]图19是一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，每个非铁承载盘组件如图10所示。
[0060]图20A是一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，每个非铁承载盘组件如图12所示，如图中所示，磁芯元件异相对齐，并且磁场被去激活。
[0061]图20B是如图20A所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，如图中所示，磁芯元件部分异相对齐，并且磁场部分去激活。
[0062]图20C是如图20A和20B所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，如图中所示，磁芯元件部分同相对齐，并且磁场部分激活。
[0063]图20D是如图20A至20C所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，如图中所示，磁芯元件同相对齐，并且磁场激活。
[0064]图21A是一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，每个非铁承载盘组件如图13所示，如图中所示，磁芯元件异相对齐，并且磁场去激活。
[0065]图21B是如图21A所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘的斜视图，如图中所示，三分之一的磁芯元件异相对齐，三分之二的磁芯元件同相对齐，并且磁场部分去激活。
[0066]图21C是如图21A和21B所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，如图中所示，三分之二的磁芯元件同相对齐，三分之一的磁芯元件异相对齐，并且磁场部分激活。
[0067]图21D是如图21A至21C所示的一对叠放的(为清楚起见，在图中分开)非铁承载盘组件的斜视图，如图中所示，所有的磁芯元件同相对齐，并且磁场激活。
[0068]图22A是一对叠放的不同配置的承载盘组件的斜视图，每个承载盘组件单独在图16和17中示出。
[0069]图22B是图22A所示实施方式的斜视分解图，该实施方式带有摩擦降低构件。
[0070]图23A是装置的斜视图，该装置由外部壳体、两个非铁承载盘组件、止动构件和摩擦降低构件组成。
[0071]图23B是图23A所示实施方式的斜视分解图。
[0072]图24是装置的斜视图，该装置由壳体、两个承载盘组件和自动启动构件组成。
[0073]图25是描绘了永磁体的磁场线的图像。
[0074]图26是叠放的(为清楚起见，在图中分开)含铁承载盘组件的斜视局部分解图，其包括集成的承载盘壳体组件，承载盘壳体组件集成有固定的承载盘组件，并且形状与可旋转承载盘组件的形状不同。集成的承载盘壳体组件用作组合的壳体和承载盘组件。
[0075]图27是单层非铁承载盘组件阵列的斜视局部分解图，单层非铁承载盘组件阵列的特征是非铁集成承载盘壳体组件集成有固定的两个承载盘组件，还具有与两个相应可旋转承载盘组件的形状不同的形状。非铁集成承载盘壳体组件用作多个可旋转承载盘组件阵列的组合壳体。
[0076]图28是单层含铁承载盘组件阵列的斜视局部分解图，单层含铁承载盘组件阵列的特征是该层的上部由其中插入有多个可旋转承载盘组件的可旋转盘壳体组成，该层的下部由含铁集成承载盘壳体组件组成。含铁集成承载盘壳体组件中集成有多个承载盘组件。
[0077]图29是双层含铁承载盘组件阵列的斜视局部分解图，每一层由一层含铁承载盘组件阵列组成，所述每一层含铁承载盘组件阵列由一层含铁集成承载盘壳体组件和一层可旋转承载盘组件组成。
【具体实施方式】
[0078]RSM具有在此描述的各种优选实施方式。但是，不变地是，完成本发明的不同实施方式的步骤是相同的。完成本发明的不同实施方式的步骤包括:设计和操作考虑；选择永磁体的尺寸和形状；确定摩擦降低构件；匹配极管；设计磁芯元件；确定承载盘配置；以及壳体配置。
[0079]设计和操作考虑
[0080]本发明的高度灵活的结构能够实现对最适合于应用或最终产品设计的装置进行快速配置。通过将所需的抓持强度、保持位置和偏移负荷(力矩)同所需目标的典型特性结合在一起，可以帮助选择RSM中所需的合适元件以实现这些目标。需要提前确定目标规格，例如材料，厚度，组分，光洁度，刚度，尺寸和重量。
[0081]选择永磁体的尺寸和形状
[0082]最初，永磁体的尺寸和形状的选择应该基于永磁体的特定强度和等级的公开标准。但是，磁场线的取向和磁芯元件的配置对磁芯元件的性能具有重要影响。例如，利用两个尺寸相同(.5〃宽x.5〃深xl〃长)的磁体进行的传统计算和/或规格表明，在1〃长度上磁化的磁体对钢板的保持力(Ν42 = 501bs)比在.5〃宽度上磁化的磁体的保持力(371bs)要更好。如果我们想要仅使用不具有极管的裸磁体，这是相当正确的。
[0083]但是，由于磁场的方向穿过极管，使用在宽度(.5〃)上磁化的磁体通常性能更好。因为极管的表面面积直接决定于永磁体的极面的表面面积，沿着1‘长度磁化的磁体的极管面积基于磁体极面面积(.5"宽X.5"深)，即.25平方英寸。沿着.5"宽度磁化的磁体的极管面积具有.5平方英寸(.5〃深xl〃长)的磁体极面。在这种情况下，理论上更弱的磁体的性能要等于或好于具有更小磁极表面面积的同尺寸磁体的性能。
[0084]由于永磁体比钢要贵得多，通常偏向于使用沿着薄轴磁化的磁体，在这种情况下，薄轴是.5"宽度而非 1’长度。这在使用较少磁体材料时提供了相当或更好的性能。Lm或磁体长度被定义为从南极到北极的距离，而不应与磁体的长度(最长的尺寸)混淆。气隙被定义为将RSM的工作面与目标分开 的距离。永磁体的磁性长度Lm应该基于所需的气隙性能。诸如涂料、镀层和/或其它材料用作RSM和目标之间的物理间隔。0.010〃的气隙能够降低分离力从不足10%到高达75%。更大的Lm能够实质上提升气隙的性能。在表面面积相同的情况下使用更大的磁体长度(Lm)通常可以提升气隙性能，这在尝试提升被涂漆、带镀层或粗糙不平的目标时很有用。
[0085]磁场的磁性深度与相对的极管之间的平均距离有关。用相同的磁性长度和近乎相同的体积来替换多个较小磁体是有利的。这通常会产生比单一大磁体的性能更好的性能。由于磁体的强度通常根据无限厚的目标来指定，在选择之前，应该在预期目标厚度上对特定磁体进行测试以证明性能。
[0086]尽管优选实施方式考虑价格和性能而使用钕磁体，能够使用绝大部分的磁体组分，只要它们在经受极性相反的相同或稍强磁场时不消磁(丢失它们的磁性)。这就是公知的矫顽力。其它的考虑包括磁体的温度等级，或如果超过该温度，磁体在哪个点开始退磁，即居里点。对于基本的钕磁体，重要的是要保持存储温度低于310°C，并避免在80°C以上使用，因为在该温度点以上时磁性强度会稳步降低。只要磁体未经受高于居里点的温度，磁体就会在冷却时恢复正常。
[0087]兀配极管
[0088]极管有两个主要功能。第一个功能是包含两个或更多个所需磁体的异相(N-S/S-N)磁场对齐，使得不从极管的接触表面区域散发磁通，由此去激活装置。极管的第二个功能是使两个或更多个磁体的同相对齐的极管组合磁场重新定向，以激活装置。理想地，极管由软磁材料组成，例如低碳钢或电磁钢。理想地，如图9A所示，南极管201a和北极管201b必须与磁体极面中的每一个接触。必须使用隔离北极管和南极管的构件，以在相反磁极之间提供足够的间隔。图9H显示了隔离构件，北极管252b和南北极管252a被空隙253隔开。空隙253必须足够大，使北极管252b和南北极管252a中分别包含的磁场不磁耦合，因此，基本上所有的从北极管或南北极管散发的磁场都能被重新定向到相邻极管中或目标中。最佳间隔距离或空隙可以近似于和Lm相等。如图9B所示，南磁极磁体表面203a和相邻南极管磁体表面204a之间的接触界面的表面面积必须至少为南磁极磁体表面203a的表面面积的25%。极管的第二个尺寸要求是，如图9B所示，同目标或相邻承载盘中的相邻极管发生接触的南极管表面面积205a或北极管表面面积205b理想地是南磁极磁体表面203a的表面面积的75%。极管磁体表面面积和磁极磁体表面面积的这个比例在下文中称作“极管磁极表面比”。超过极管磁极表面比会损害装置的性能，并导致装置的重量超重。使用较小的极管磁极表面比通常会导致装置无法完全去激活。
[0089]当使用直径极化的圆柱形或盘形磁体时，一般来说，极管表面面积最好估计为矩形或正方形条的磁极表面面积，矩形或正方形条完全包含圆柱形或盘形磁体，并具有位置类似的磁场线。
[0090]需要强调的是，极管不需要覆盖磁体的磁极的整个表面面积。极管还可以超出磁极表面的宽度达200%或更多。
[0091]极管的剩下的标准就是形状。理想地，极管的形状设置为使它尽量高效的传导磁场。因此，极管不应该是中空的或含有非磁性的软障碍，如孔洞或不锈钢螺丝。应该小心确保磁场能顺畅流过极管，以实现最大化的磁场传导效率。最好避免方向反转，锐角转角和转弯。允许磁体的磁场自然流动的半圆形或椭圆形是理想的。
[0092]当极管的尺寸设置为使异相对齐的极管将磁场中和到磁性握持微不足道的地方时，认为极管是匹配的。典型标准是使极管磁极表面比为0.75。尽管这是个不错的起点，该比率取决于若干变量，例如，磁体等级，极管组分，镀层，加工质量，及其它变量。如果比率比最佳比率小，当上极管和下极管“异相”对齐时，即北-南(N-S)/南-北(S-N)，装置不能完全去激活。如果极管磁极表面比大于最佳比率，当“同相”对齐时，即北-北(N-N)/南-南(S-S),无法发挥最大潜能。
[0093]配置极管时的另一个考虑是，相对极管之间，特别是具有共享极管配置的相对极管之间的距离也会影响磁场的磁性深度。这可以被用来帮助使对目标的磁场穿透最小化。当使用厚材料时，不太可能发生目标饱和，磁性长度Lm或磁体宽度在磁极表面面积的几何约束内实际上可以更大。当目标饱和不可能发生时，通过使用Lm更大的磁体和在相对极管之间提供更大的间隔，可以实质上改善气隙性能，使提升更加安全。
[0094]因此，相邻的极管被描述为单独的部件；但是，相邻的极管可以在具有相同磁极的相邻永磁体之间组合为单个极管，在这种情况下，它们是”共享的”。在匹配“共享的”极管的情况下，每个永磁体被插入到含铁的盘中，并与具有相同磁场极性的相邻永磁体共享相邻极管。匹配“共享的”极管与匹配单独的极管相似，必须注意，现在每个极管上有两个磁极表面。在典型的磁芯元件中，存在一个或多个永磁体，磁体的北磁极表面和南磁极表面附接有极管。在图14所示的配置中，永磁体342和343具有共享的南极管345a，南极管345a与永磁体342和343中的每一个的南极接触。永磁体343和344同样具有共享的北极管345b，北极管345b与每个永磁体的北极接触。在该配置中共享的”极管中的每一个与两个永磁体的北极或两个永磁体的南极接触。这种配置会产生与去掉北极管302b和南极管305b之间的承载盘的非铁部分，并将相邻的北极管302b和305b合并为单个极管所获得的结果实质上相同的结果，单个极管的表面面积等于如图10所示组合在一起的北极管302b和305b的面积。通过使用在相邻永磁体之间共享而非直接互相接触的极管，可以发现效率得到增加，或者获得包含和重新定向相邻永磁体的磁场的能力。这种效率或协同作用是将位于不同位置(共享的极管的左侧和右侧)的永磁体的磁场组合在一起，以及磁场的“封闭”特性共同产生的结果，磁场的“封闭”特性是指磁体和极管形成磁性上连续的圆。试验显示，最佳的极管表面面积是极管的相对侧上的组合磁极表面面积(北-北(N-N)或南-南(S-S)磁极表面)的大约.70到.75倍。就非铁盘中的各个极管而言，有必要对极管匹配进行证明；通过将上极管和它们各自的磁体同下极管和它们各自的磁体异相对齐，极管工作面上存在很少或不存在磁性握持或磁场。
[0095]如同在标题“摩擦降低构件”下详细描述的那样，当实施摩擦降低构件时引入气隙。归咎于极管中所含磁场的退化的耦合，气隙阻止装置完全去激活。实质上，并不是尽可能多的极管中所含的磁场都可以用于中和下极管中的磁场。一个简单的解决方案是增加上极管中所含的磁场，使到达下极管的磁场足够完全中和下极管中所含的磁场。
[0096]作为例子而非限制，用于增加上极管的磁场的若干方法包括:
[0097].使用更高等级的磁体(钕磁体，等级N35至N52，可以方便得到)；
[0098].使用下列手段之一增加磁体体积:
[0099]〇更大数量的磁体；
[0100]O尺寸更大的永磁体；或
[0101]〇不同形状的磁体；或 [0102]?使用磁导率更高的金属。
[0103]使用这些方法中的一种或几种来完全中和从与工作面或目标表面接触的极管散发的极管磁场，或者，在需要的情况下，使极管磁场轻微反转。但是，会存在轻微的残留磁场，其发散自不与工作面或目标表面接触的磁芯元件。可以使用多种方法在去激活时隔离残余的磁场，方法包括但不限于:用足够厚的非磁性材料覆盖或封装图22B所示上承载盘组件432的外部，围绕较薄的非磁性壳体增加可选的含铁材料，或干脆忽略残余磁场，因为残余磁场是相对较弱的残余力。存在这样的情况:当装置去激活时需要有轻微的吸引力，例如，维持较小的吸引力来防止去激活的单元掉落，或提供少量的提升或吸引，直到设备被正确设置到它被完全激活的点上。如果在单元去激活时需要少量的残余力，可以在上下承载盘中使用强度相同的磁芯元件，但是，应该注意的是，这些设备随着时间的推移会慢慢收集铁屑，因此，这些设备应该保持与含铁目标的接触，如前所述那样封装起来，或者不定期擦拭干净。
[0104]还可以暂时反转上/下磁体对中的下磁体的极性，以对非完全软磁的铁磁目标进行“推动”或退磁。加工硬化或调质的目标材料在去除磁场之后通常具有残余磁性。通过使用实质上更强的上磁体组件来反转下磁体组件的极性，可以去除目标的一些或大部分残余磁性。当承载盘的上下组件同相时，对磁体有强烈的吸引力。当承载盘的上下组件异相对齐时，上组件战胜下组件，朝目标中产生反转的净磁通，使目标退磁并使其易于释放。通过在上盘中设置更强的磁体组件，关闭(OFF)或去激活位置能够与0°具有轻微的角度偏移(1°或2° )，使得上磁体组件的磁通消除下承载盘的磁场(并克服任何气隙损耗)。上下承载盘在0°处完全同相对齐会导致下承载盘中的磁芯元件的磁极性轻微反转。
[0105]设计磁芯元件[0106]如同前面所描述的那样，磁芯元件是磁性匹配的极管对，在极管之间插入有一个或多个永磁体。(多个)永磁体的磁场线通过与极管的垂直侧接触的磁北极(N)和南极(S)表面进行取向。
[0107]有三种基本类型的磁芯元件:
[0108].第一种基本类型的磁芯元件在如图9A，9B，9C，9D，9E，9F，9H和10所示那样由一个或多个插入在两个极管之间的永磁体组成的非铁承载盘中使用。在图19中，该第一种基本类型的磁芯元件同多个承载盘组件一起描述。存在各种各样的用于将永磁体附接到极管上的附接方式，包括但不限于:黏结，灌封，在极管中集成凹槽以捕获永磁体封装，将整个组件模塑到非铁承载盘中，或其任意组合。这种样式的极管的一个优点是材料成本相对便宜，对于有限生产来说是理想的；
[0109]?第二种基本类型的磁芯元件在如图9G和10-13所示那样由单件极管对壳体组成的非铁承载盘中使用，壳体上固定有一个或多个永磁体。在图20A-20D，21A-21D和23A-23B中，该第二种基本类型的磁芯元件同多个承载盘组件一起描述。无论极管壳体的形状如何，壳体的样式应该设计为沿着磁场分隔线设置最少量的含铁材料，以避免或减少永磁体的北极和南极短路。用于减少短路的方法包括但不限于:提供薄的侧壁，钻掉或切掉沿着磁场线的材料，加工之前在磁极之间插入非铁材料(焊接，钎焊或粘结)，或其任意组合。如同第一种基本类型的磁芯元件一样，这种类型的磁芯元件设计为利用类似的固定方法与非铁承载盘一起使用。这种类型的磁芯元件的优点是提供以下能力:批量生产能够插入到多种不同尺寸的盘中的多种尺寸的磁芯元件，性能很容易预测的情况下实现快速生产；以及
[0110]?在含铁承载盘中使用的第三种基本类型的磁芯元件使用共享的极管，并由图14，15，16，17和18中所示的典型磁芯元件组成。在图22A-22B，24和26中，这种第三种基本类型的磁芯元件与多个承载盘组件一起描述。在这些设计中，每个磁芯元件的永磁体直接插入到单件承载盘中的匹配空腔中。每个承载盘中的空腔容纳每个盘中的磁芯元件。这种设计具有优异的性能-重量比。此外，承载盘结构非常结实，因为承载盘由单片的软磁钢制成。使用相同磁体时其磁场穿透最深，并且通常来说生产起来最划算，因为只须加工空腔而不必加工各个极管。能够以紧密得多的公差来生产承载盘，实质上减少了承载盘之间的任何潜在的偏差，并维持连续的上下表面，以在激活或去激活装置期间使盘之间的干扰最小化。通过将极管集成到承载盘中，组件的部件数量和制造成本得到实质性的降低。
[0111]图10，11，12和13中的承载盘由铝制成，但是也可以由塑料，陶瓷，环氧树脂，黄铜，非磁性不锈钢，或其它合适的材料制成。制造工艺可以轻易调整为将承载盘注塑成型或加工为包含或容纳将被嵌入的磁体组件。必须小心不要超过居里点。由于磁体组件不相对于极管移动，可以对其使用环氧树脂涂覆，灌封，或完全密封。必须努力使承载盘之间，以及承载盘和目标材料之间的气隙最小化，因为磁力与气隙的平方成反比。
[0112]设计磁芯元件时的另一个考虑是磁场不能进行急转弯。为使性能最大化，由于从磁极表面的中心散发的峰值强度在其靠近磁场线时降低，由此形成最窄点位于磁场线上的沙漏形状，极管应该具有弯曲的，某种程度上椭圆形的形状，该形状与图25所示的磁场线完美匹配。还可以使用铁磁流体映射来提供极管的理想轮廓的图像。每个磁极表面上的该某种程度上椭圆形的形状很难加工，因此通常使用圆形形状或“双D”形状(图9G中示出)来作为效果不 错的近似物。设计必须确保永磁体的北极和南极之间充分隔开。增加承载盘中的磁芯元件的数量也可以控制相对旋转角度来激活或去激活装置。
[0113]确定承载盘配置
[0114]不管承载盘的组分是含铁的还是非铁的，还有其它的关键因素会影响承载盘的配置，例如，所需的启动角度，重量，成本，启动方法，启动力矩，位置止动器，镀层，壳体配置，目标尺寸，所需占用空间，及安全提升。
[0115]所需启动角度。在此描述的启动角度指的是一个承载盘相对于相邻承载盘的相对旋转。每个承载盘中有两个或更多磁芯元件，这些磁芯元件在承载盘中几何定位并均匀分开。相邻承载盘之间使装置启动或关闭所需的相对旋转，即启动角度取决于每个盘中的相邻磁芯元件的数量。启动角度实质上是360°除以盘中的相对磁芯元件的数量。例如，具有五个均匀隔开的相邻磁芯元件的承载盘的启动角度是360° /5或72°。在这里，取决于起点，承载盘相对于固定的相邻承载盘的72°旋转会导致磁场的完全激活或去激活。同样，具有18个均匀分隔的相邻磁芯元件的承载盘的启动角度是360° /18或20°。在这里，取决于起点，承载盘相对于固定的相邻承载盘的20°旋转会导致磁场的完全激活或去激活。将磁芯元件定位到承载盘中，使得如果第一承载盘设置为邻近第二承载盘并相对于相邻的第二承载盘以启动角度旋转，则第一承载盘中的(多个)磁芯元件与第二承载盘中的(多个)磁芯元件具有相反的磁极方向，即N-S/S-N。这会使从设备散发的磁场去激活。以启动角度旋转再次旋转第一承载盘，第一承载盘中的(多个)磁芯元件与第二承载盘中的(多个)磁芯元件具有相同的磁极方向，即N-N/S-S。这会激活或启动设备。
[0116]承载盘组件中的第一和第二承载盘必须具有互相匹配的磁极取向，但是承载盘不必具有相同的形状。例如，第二承载盘可以具有正方形或其它功能形状，而第一承载盘可以保持圆形。这样做的好处是能够为特定用途对承载盘进行具体优化，并且上承载盘中的磁芯元件的相对旋转可以激活第二功能形状承载盘中的磁芯元件。
[0117]图26描述了与磁性钻头基台一起使用的配置。该设计允许磁性保持力的大部分都位于一端上，并给组件增加了额外长度，以实现改善的力矩负荷。策略性地移除材料，以使产品重量最小化并维持合适的极管磁极表面比。
[0118]本文任何地方所提到第一承载盘和第二承载盘都应视为与上承载盘和下承载盘同义。所提到的上承载盘和下承载并不是为了，也不应该理解为限制相邻承载盘的相对位置，这样做的目的是指承载盘互相邻近，与它们在空间中的取向无关。
[0119]重要的是要注意到多磁芯元件盘配置可以具有改变启动角度的磁芯元件配置。这些独特的配置在启动角度中提供了强度的两次或更多次递升。例如，每两个磁芯元件就改变磁极方向的具有18个磁芯元件的盘的有效启动角度是360° /18x2或40°，同样，如果如同图21A，21B, 21C和21D所示的，如果磁芯元件的磁极每三个相邻磁芯元件改变，则该配置的有效启动角度是360° /18x3或60。从完全关闭的位置开始，通过将图21A至21D所不的承载盘旋转20° (360° /18)的增量,并且磁芯兀件每60°改变方向，三分之一的磁芯元件在20°激活，三分之二的磁芯元件在40°激活，所有的磁芯元件在60°激活。
[0120]还存在其它的变型，磁芯元件以相邻磁芯元件之间的固定角度以重复模式旋转。一个例子是带重复模式的具有18个磁芯元件的盘，在盘中第一个磁芯元件在径向上北-南取向，第二个相邻磁芯元件旋转60°，第三个磁芯元件旋转120°。在图20A-D所示的该例子中，有效启动角度也是360° /18x3或60°，但是，图20B所示，20°的旋转会导致磁芯元件部分激活，如图20C所示，40°的旋转会导致进一步激活，如图20D所示，60°的旋转会完全激活所有的磁芯元件。尽管这个力不与旋转角度成正比，可以这样定义:通过将一个承载盘相对于另一个承载盘部分地旋转，并且具有止动器或锁定位置来将承载盘位置固定在所需的磁场水平，能够获得可变的磁力。当不想从薄目标散发强烈的残余磁场时，获得该可变的磁力是有用的，可变的磁力可以用于基于材料厚度优化磁场，或者测试提升以确保足够的分离性能，以及基于材料饱和情况降低启动力矩要求。
[0121]重量。可开关的多磁芯元件架构允许使用单独磁芯元件的非铁盘(不是“共享的”或含铁的磁芯元件盘)可以由多种材料制成。尽管磁芯元件的组分是预定的，放置磁芯元件的承载盘的组分只受成本和所需机械性能(如刚度，密度，摩擦系数等)的限制。承载盘能够由木材，塑料，陶瓷，非铁金属等制成。材料必须能够承受磁芯元件施加在承载盘基底上的力。
[0122]成本。可开关的多磁芯元件成本性能比最低，并且可开关的阵列磁体可以得到。但是，使用特殊材料以获得更多的性能增益会使价格快速攀升。高温运行要求也会增加钕磁体的成本。要最大化小包中的握持强度，就要求使用更高等级的钕。尽管能够使用如1008至1018这样的低碳钢制成的极管价格相对低廉，但是，为了最高性能可以使用高磁导率的钢合金，高磁导率的钢合金能够提供高得多的饱和磁通密度水平(对目标的磁性握持)。大部分这样的增强会大量增加成本，而收益中等。改善磁芯元件的耐腐蚀性是很重要的。尽管是一个可行的选项，使用磁性不锈钢或高磁导率不锈钢也很昂贵。除非特别要求，对于大多数商业应用来说，镀层通常是可接受的，以获得耐腐蚀性。重要的是要注意到高磁导率合金的使用会要求修改极管的最佳磁极表面比，并且应该如同在“极管匹配”部分所描述的那样对性能进行验证。
[0123]摩擦降低构件。当异相对齐时，上下极管之间的磁性握持力基本上与装置同相对齐时可用于目标的全部磁性握持力相等。剪切力时使一个物体在其它物体上滑动所需的力。与另一个极管直接接触的钢制极管的剪切力为分离力的大约25%。分离力定义为通过将磁体沿垂直方向拉离目标而将磁体与目标分开所需的力。如果一对北极管和南极管的分离力是240磅，使一个极管相对于另一个极管滑动很可能就需要60磅的力。当去激活时，相对较小的具有四对极管的装置需要多达240磅的旋转力来克服承载盘之间的相互吸引所产生的剪切力。如果尝试使用典型的9"月牙扳手来将该单元从去激活位置启动，则需要180英尺磅的力矩。必须集成摩擦降低构件以使装置便于使用。有多种技术能够使这个力最小化，但是，大多数的技术会在磁极之间引入气隙。即使气隙被最小化，气隙仍可能会阻止装置正确去激活。解决这些问题的详细方法在“匹配极管”部分中描述。为解决这个问题，上下磁芯元件之间的磁场强度必须发生变化，使得去激活时极管工作面上的磁性握持力或磁场最小(如果需要的话)。举一个非限制性的例子来说，这可以通过使用滚珠和滚柱轴承，气隙，特殊或高性能润滑剂，低摩擦加工或涂层，聚四氟乙烯(PTFE)盘或环，或其它适于所需生命周期和压缩力的材料来实现。所选择材料的厚度会引入小的气隙，如同前面所描述的那样，这会要求增加上磁芯元件中永磁体的磁场强度。但是，所需的启动力矩不仅通过高性能减摩剂降低，还通过增加气隙来降低。归功于气隙，上下磁芯元件之间的吸引力极
大地降低。例如，.5mm厚的Tefl0Iii)盘会将上下磁芯元件之间的吸引力降低为不存在气
隙时的吸引力的50%。结合降低的摩擦系数，单元现在能够用手或所附杠杆轻易激活。尽管抗张强度不好，Tefkin⑩的抗压强度大约为每平方英寸(psi)400磅。但是，Teflon的成本相对低廉，只要上下承载盘之间的吸引力足够低不会损坏Tef1n材料，用它作为摩擦降低构件比滚针或滚柱轴承要便宜。
[0124]启动构件。RSM装置适合于多种不同启动方法。由于不需要外部壳体来限制承载盘，可以包含能够如图24所示那样从顶部来启动设备，或如图23A和23B所示那样从侧面来启动设备的特征。此外，由于图23A所示实施方式的中间通常有孔或开口，对于门锁这样的应用来说，可以通过目标材料中的孔来实现启动。就任何人工启动设备而言，可以提供各种各样的启动方法。自动化开关方法包括机械启动，机电启动，电力启动和磁动启动，等等。机械启动包括但不限于气动启动，液压启动，齿轮驱动启动，皮带驱动启动，杠杆启动，弹簧启动，旋钮启动和人工启动或手动启动。机电启动的例子包括但不限于电机(齿轮电机，伺服电机，步进电机)启动，螺线管启动和旋转螺线管启动。电力启动的例子包括但不限于磁性线圈，磁性线圈取向为使得磁场和极管磁场以这样的方式对齐:当通电时，电磁场可以完全取消或反转永磁体产生的磁场。当通电时，通过反转电磁场的极性，可以基本上增强磁性握持力和磁场深度。磁动启动包括但不限于使用能够提供施加在承载盘上的旋转力的磁场，与弹簧类似。
[0125]启动力矩。就所有的相取消可开关磁体和阵列而言，非铁表面上的启动力通常比未完全饱和的含铁目标上的启动力要高10倍。在不存在使用磁场的目标时，上下磁芯元件对中的磁体的N-N或S-S对齐在两个承载盘之间产生排斥力。当激活的可开关磁体装置同目标接触时，两个承载盘之间的该排斥力减小。随着目标厚度的增加，启动磁场所需的力极大地降低。一个允许更小启动力的实施方式是在装置的启动过程中允许第一承载盘与相邻承载盘分开。增大的气隙会通过降低目标材料的过饱和来降低启动力。与磁芯元件相比较薄的目标材料会表现出比磁芯元件之间的吸引力更大的排斥力。如上所述的启动力矩水平与目标材料饱和成正比。如果RSM不是位于含铁目标上,则启动力矩会比位于含铁目标上时要高很多。启动力矩的这种变化的益处是，除非位于目标上，否则很难启动RSM，也就是说，操作人员越难启动装置，分离力越弱。这能够给装置使用者提供关于装置多大程度上吸引到目标上的有价值的反馈。当未附接到目标上时强制启动RSM允许极管将它们的磁场散发到相当远的距离。尽管认为暴露到磁场中时健康风险很低，但是对于将身体部分夹到已经激活的单元和附近钢表面之间的风险而言，并非如此。
[0126]位置止动构件。如图23A和23B所示，可以在上下承载盘中包含用于限制旋转角度的构件。可以包含球止动件或旋转止动器来防止非故意的去激活。在大多数情况下，取决于所需寿命和用途类型，承载盘借助低摩擦滑动膜或合适大小的滚球轴承或滚柱轴承装置被分开。在具有上下承载盘的配置中，当不位于含铁目标上时将上承载盘旋转为N-N/S-S对齐，即，处于激活或启动模式(打开(ON)位置)，会产生对抗旋转的弹簧似的阻力。如果装置在激活时从目标拉离，承载盘之间的排斥力会增加(当不存在目标时观察到相同的磁性排斥力)，除非受到约束，承载盘会转回到去激活位置。因此，如果在厚度可变目标上使用或需要偏离目标启动，则在装置中包括止动或锁定特征是很重要的。在此引用的关于限制承载盘的旋转角度的装置的例子，以及本公开中提供的其它例子都是示例性的，不具有限制性(不管是否在给定例子中明确说明)，因为有大量的未特别引用的方法可以实现相同的旋转角度限制目的。[0127]限制构件。为了促进装置的启动和关闭，必须实施旋转限制，以实现第一承载盘中的磁芯元件相对于第二承载盘中的相应磁芯元件正确地旋转对齐。对装置的旋转限制通常通过将第二承载盘固定至目标或工作面，并将第一承载盘旋转限制为使其只能相对于第二承载盘同心地旋转来实现。这可以通过多种方式来实现，作为示例而非限制，包括:
[0128].中心轴，其固定到第二承载盘，提供径向间隙和第一承载盘的随后同心旋转；
[0129].中心轴，其固定到上承载盘，具有间隙以允许第一承载盘和轴在下承载盘中同心旋转；
[0130].圆柱形边缘，其固定或集成到下承载盘中，允许第一承载盘在圆柱形边缘中受限制的同心旋转；
[0131].壳体，其固定第二承载盘并附接到外部设备上，外部设备具有旋转的内轴，例如但不限于，外部设备是电机，气压缸或旋转螺线管，并且壳体将第一承载盘限制到旋转的内轴上以使外部设备的轴的旋转导致第一承载盘相对于第二承载盘的相对同心旋转，第二承载盘固定到外部设备的外部。
[0132].壳体，其将一个或多个第二承载盘固定到公共基座中，并具有对应数量的中心轴，中心轴允许对应数量的第一旋转盘同心旋转。
[0133]?壳体，其将一个或多个第二承载盘固定到公共基座中，并具有一体的或分开的壳体，壳体实现相应第一承 载盘的边缘同心旋转。镀层和涂层构件。基于所需应用，可以对极管或承载盘使用各种各样的涂层或表面镀层，以提升产品性能。因为最软磁的钢快速氧化，通常需要涂层或镀层来防止装置腐蚀。已经确定多种涂层，它们不仅提供增强的耐腐蚀性，还能够影响产品性能，例如剪切力，分离强度，电性能，等等。例如，黑色氧化物涂层改善了磁场在相邻磁芯元件之间传导的能力，以及磁场传导到工作面的能力，由此增加了分离力，以及装置和工作面之间的剪切力。在切割工具上通常使用氮化钛涂层及其变体来降低摩擦。当用于装置的工作面接触区域时，涂层能够极大地增加装置的剪切力性能，即，使装置沿目标滑动的力。当在电气应用中使用时，可以使用铜，银，金和其它高导电率的镀层材料来改善装置的导电率。期望使用这些和其它镀层和涂层方法，例如镀锌，镀铜，镀镍，等离子体喷涂(作为示例而非限制)，并且它们的使用取决于所需的装置应用场景。
[0134]封装构件。对装置外部进行封装能够实现装置外部的磁性隔离，以在使用过程中避免不经意地吸引铁屑。当产品在具有裸露的电触点的区域中使用时，封装还可以用于实现产品的电绝缘或隔离。取决于封装方法和材料，还可以增强耐腐蚀性。可以在承载盘组件层次上，装置层次上，磁芯元件层次上，或者围绕外部壳体实现封装。用于封装的材料包括但不限于:热塑性塑料，酚醛塑料，环氧树脂，树脂，橡胶，合成物或人造材料。
[0135]壳体配置
[0136]通常使用壳体来包含以及提供结构以承载一个或多个承载盘。由于承载盘是单件式结构(具有附接或压入的磁芯元件)并且通常不需要结构性外壳，可以将壳体用于非常不同的目的。作为示例而非限制，壳体可以包含启动特征，旋转限制特征，传感器，指示器，护罩，容纳，外部附接或安装特征，增加的结构，容纳位于相同平面或不同角度的多个阵列，及应用环境防护。此外，通过将最终设计形状和安装点整合到壳体中，可以将一个或多个承载盘整合到壳体中。图26描述了集成的承载盘壳体的可能配置，承载盘壳体充当组合的壳体和承载盘组件。[0137]单个壳体可以由一个或多个承载盘组成。图27描述了一种典型的壳体，其由集成到单个壳体的两个承载盘组件构成。集成的承载盘组件不需要由具有相同的形状，尺寸或相同数量的极管的承载盘组成。它可以由大于两个的承载盘组件组成。
[0138]如图28所示，由第一壳体中的多个承载盘组件组成的第一集成承载盘组件可以同多个独立的或组合成自己的集成承载盘组件的承载盘组件组合在一起。图28显示了固定在壳体中的第一集成承载盘组件，其同插入到壳体中的相应数量的可旋转承载盘组件组合在一起。最后，可以在单个一体的壳体或大于两个的分开壳体中应用大于两层的一个或多个集成的承载盘组件。参见图29。
[0139]根据本发明，旋转可开关磁性磁芯元件能够被配置为做多得多的事情。作为示例而非限制，接下来的壳体集成用途只是可用用途的一小部分:焊接地线夹，木工毛板，磁性钻机，金属夹具，磁性台，夹具，角度夹钳，紧急照明，烟雾检测器，人孔升降机，磁性锁，电门锁和闩锁，装甲附件，相机安装，千分表架，甚至冰箱磁力贴。壳体可以包括允许将两个或更多个磁性磁芯元件承载盘组件组成的阵列安装到公共启动点或各个启动点的装置。
[0140]尽管前面对本发明的描述使本领域技术人员能够实现并使用本发明的当前最佳模式，本领域技术人员将理解本发明还存在所述特定实施方式，方法和例子的各种变型，组合和等同物。不管是不是特别提供，所有在此提供的例子都是非限制性的。因此，本发明不受以上描述的实施方式，方法和例子的限制，而是受本发明保护范围内的所有实施方式和方法限制。
[0141]应用以h.步骤
[0142]接下来对下面的实施例应用以上步骤。假定本实施例的目的是在不需要安装眼扣或附着点的情况下提升注射成型模具。注射成型模具重达500磅，占用空间为6"深，16〃宽，16〃高。为保持正确的方向，模具需要RSM固定到模具的顶面上，顶面为6〃深xl6〃宽。模具的范围显示模具中的空腔特征相对于顶面停在大约.5英寸。该设计及到目前为止的运行数据对目标进行了充分描述，足以将RSM设计缩小为:
[0143]I) 15001b的分离力要求，由5001bs的最大重量和3:1的安全系数限定；
[0144]2)磁场深度为.5英寸或更小，最大直径为6英寸(顶面为6"xl6")。假定RSM具有.5"厚的磁场穿透深度。
[0145]3)承载盘的直径为小于6〃。
[0146]考虑到以上要求，简单的两个承载盘的设计就足够了，因为只需要抓持目标的顶面。承载盘应该足够刚硬以使可挠性最小化。谨慎考虑，安全系数是模具最大重量的三倍。注意:取决于周边环境(在头顶上，在公共场合下使用，等)，可以要求更高的安全系数。选择含铁的磁芯元件盘设计来使磁性握持力最大，同时使成本最小化。“共享的”含铁磁芯元件盘设计及概念在下面的“极管匹配”部分中进行描述。
[0147]磁体的长度必须小于承载盘的半径。在这种情况下，选择长度为2.5"的磁体使它能够保持在6"的承载盘直径内，同时允许设置中心轴，承载盘可围绕中心轴旋转。现在限定1〃χ2.5〃 = 2.5平方英寸的极面面积。这是极管工作面或目标接触区域。知道了磁体长度Lm大约等于磁场深度，Lm = 0.5英寸的磁体是最佳的。由于这种磁体尺寸不能轻松得至IJ，我们可以选择磁体的组合，当组合在一起时可以得到相等的尺寸。就本实施例而言，五个尺寸为l〃x0.5〃χ0.5〃的磁体就够了，其中Lm = 0.5〃。多个较小磁体的组合被称作“磁体”，多个较小磁体组合起来形成具有相等尺寸的有效的单个较大磁体。
[0148]现在可以确定位于盘中的磁体的数量和启动角度。对具有四个Lm = 0.5(假定永磁体为2.5〃Χ1'Χ0.5〃)的磁体的盘进行评估，总的永磁体磁极表面面积为2.5平方英寸。将相邻的相同磁极组合，每一个磁极具有2.5"的面积，以得到总和为5平方英寸，然后乘以
0.75的因数，得到最佳的极管表面面积为3.75平方英寸。6英寸直径的盘的总面积是JiD平方/4，减去磁体的面积4χ.5"χ2.5"并减去旋转中心的面积(大约为0.5平方英寸)，结果为22.7平方英寸。将22.7平方英寸除以4个永磁体，结果极管表面面积为5.7平方英寸，而不是最佳的3.75平方英寸。因此，4个磁体的设计不理想。
[0149]现在评估6个磁体的配置。为容纳Lm = 0.5〃的6个磁体，需要0.75〃以上的最小中心旋转直径。不幸的是，这会将磁体长度限制为小于2.5英寸。选择l〃X2.0〃X0.5〃(Lm= 0.5")的永磁体。对永磁体极面面积的计算显示相邻相同磁极之间的总面积是4平方英寸。乘以0.75的最佳系数，需要最佳为3平方英寸的极管表面面积。如同上面所描述的那样计算盘的实际面积，结果极管表面面积为大约3.35平方英寸。实际系数是0.8375，3.35平方英寸(极管面积)/4平方英寸(永磁体磁极表面面积)。这就更接近最佳值。
[0150]具有8个Lm = 0.5〃的永磁体的配置要求0.875〃以上的最小中心旋转直径。该配置限制磁体长度要小于2.5英寸，因此我们选择1〃χ2.0〃χ.5〃 (Lm = 0.5〃)的永磁体。对永磁体极面面积的计算显示相邻相同磁极之间的总面积是4平方英寸。乘以0.75的最佳系数，得出最佳为3平方英寸的极管表面面积。如同上面所描述的那样计算极管的实际面积，结果为大约2.5平方英寸，小于理想比0.75。实际系数是0.62 (2.5平方英寸的极管面积/4平方英寸的永磁体磁极表面面积)。这接近最佳值。但是，由于8个永磁体的配置降低理想比以下，该配 置不能完全去激活。
[0151]选择6个磁体的配置，因为它相对接近我们的理想比0.75。通过将盘的直径降低到5.75英寸，可以进一步优化。这会产生3.03平方英寸的极管表面面积，或大约0.76的系数。
[0152]大多数的磁体供应商通过磁体等级和尺寸来确定磁体的分离性能。使用该数据或易于得到的磁体计算器，具有l〃x2.0〃的极面并且Lm = 0.5英寸的Ν42磁体被定级为4x37.41bs = 1481bs。请注意，当前的磁体计算器显示单个的尺寸为1〃χ2.0〃x0.5〃 (Lm =0.5〃)的N42磁体的拉力为约751bs，大约为个体拉力的1/2。0.5"χ1"χ2.0〃、Lm = 2.0的相同尺寸磁体的数据显示，从钢拉开的拉力是1501bs。来自尺寸为0.5〃X0.5〃Xl〃、Lm= 1〃的4个单个磁体的数据显示,每个磁体的拉力时501bs,或者总共的组合拉力是4x501bs =2001bs。取决于永磁体的配置和所选择的取向，751bs到2001bs的拉力是可以预期的。使用共享极管配置进行的性能最佳估算是利用每磁体尺寸的最高拉力，而不考虑Lm长度。这主要是由于极管将组合的磁场重新定向到更有效方向的影响。
[0153]由于每个承载盘中有6个永磁体，两个承载盘中总共有12个磁体，在本方法中可以预期24001bS(12X2001bS)的分离力(超过15001b的设计标准)。重要的是要注意到，通过RSM共享极管配置，拉力通常高于各个磁体的总和(24001bs)。在构建RSM之后应该验证性能。
[0154]在24001bs以上计算RSM的性能，必须考虑摩擦降低构件。上下承载盘之间的内力很大，随便超过30001bs。具有6个共享的极管，每个的面积大约为3平方英寸，“摩擦降低构件”必须能够支撑大约170psi (30001bs/18平方英寸)。取决于在产品预期寿命内预计的激活和去激活循环的次数，可以选择摩擦降低构件。PTFE的屈服强度大约为400psi ;但是它的抗扯强度非常低。为适应PTFE的性质，上下承载盘组件之间的表面必须非常光滑，以避免在上承载盘组件的旋转过程中撕裂PTFE。确定低轮廓的滚柱推力轴承更适合于本申请。选择40001bs的等级，并将它集成在上下承载盘组件之间。这也会极大地降低启动力，因为在PTFE层上摩擦系数降低。
[0155]现在必须确定壳体配置(如果需要的话)。附接至下承载盘的直径高达0.875〃的非铁的轴可以用作钩子或其它提升装置的主要附接特征。或者，壳体可以附接到下承载盘的外部周边。必须考虑盘，因为大量材料被移除以容纳永磁体会使其结构弱化。必须对下承载盘进行应力分析，以确保分离力不会引起下承载盘过度弯曲。如果已知将要提升的物体不超过5001bs，那么使用该数字及所需安全系数来进行应力分析。如果RSM的使用不限于特定重量，则应该使用最大分离性能来确定是否需要额外的支撑结构以适应预期的分离力。在上面的实施例中，确定不需要外部壳体，因为结构分析显示RSM配置可以适应大于15001bs的分离力(结构分析计算在此未示出)。
[0156]对壳体的其它考虑包括这些事项，例如限制来自上承载盘的残余磁场，以及RSM将要经受的环境。在注射成型壳体中，确定有非常少的空中铁屑，并且相对较少的散发自上承载盘组件的残余磁场不具有负面影响。
[0157]附图描沭
[0158]RSM规定了紧凑的模块化设计，其由两个或更多承载盘组成，每个承载盘具有两个或更多磁芯元件。承载盘的设置规定了可变角度，可开关(开(ON)，关(0FF))，高磁通密度的设备，承载盘由每个承载盘中包含的相对薄的匹配的磁芯元件组成。在开(ON)位置，从设备散发的磁场被激活，由此它可以吸引目标。在关(OFF)位置，从设备散发的磁场被去激活，由此它不会吸引目标。RSM规定了开(ON)和关(OFF)之间的中间位置，其中从设备散发的磁场被部分激活或去激活。
[0159]模块化的保持设备包括两个或更多几何形状相似的承载盘，承载盘具有可互换的磁芯元件。作为示例而非限制，图9A到9G显示了与永磁体相匹配的极管的几个可能的设置。
[0160]图9A和9B展示了本发明的架构的高度灵活的性质。这些图描述了磁芯元件200，其由软磁的匹配的南极管和北极管201a和201b组成，南极管和北极管201a和201b分别固定至永磁体组206，永磁体组包含在可选的非铁保持器202中，所有的永磁体具有相同的物理长度和磁性长度Lm。永磁体组206的组合的南极磁体表面固定至南极管201a的垂直表面204a，由此将南极管201a限定为“南极管”。同样，永磁体组206的与南极磁体表面203a相反的组合的北极磁体表面固定至北极管磁体表面204b，由此将北极管201b限定为“北极管”。南极管201a的南极表面面积205 (用交叉线画成阴影)理想为永磁体组206的南极磁体表面203a的面积的75% (如上面提到的，极管磁极表面比)。在更大的应用中(厚度超过20mm的最大的磁体)，使用单个更大磁体来替换多个磁体尽管可行，但是通常更加昂贵，并不可取。如前所述，归咎于缺乏磁化效率，体积相同的多个永磁体的性能经常超过单个更大磁体的性能。如图9B那样用更长的磁性长度Lm来替换永磁体组206不会改变极管磁极表面比。[0161]例如，假定图9B所示的所有磁体的磁性长度Lm为40mm。不管Lm是IOmm还是50mm,南极管表面面积和北极管表面面积205a和205b分别保持不变。尽管最佳极管磁极表面比确定为75%，极管所用材料的磁导率的变化和磁体几何形状会影响最佳极管磁极表面比。应该通过确保异相的磁芯元件能正确地去激活极管来验证新配置。
[0162]图9C和9D描述了磁芯元件210，其实际上是条形。所描述的设备由永磁体212组成，永磁体212形状为圆柱形，固定至南极管211a和北极管21 Ib,圆柱形的磁体被包裹在保护性的可选非铁固定器213中。该磁芯元件是本发明的灵活架构的另一个例子，事实上，任何形状的磁体都可以使其各自的磁场包含并重新定向到任意形状的极管中。
[0163]图9E和9F描述了磁芯元件220和230。实施方式显示了具有两个不同极管形状(222a，222b和232a，232b)的例子，两个不同极管形状可以用于只有一种形状的永磁体221和231，永磁体磁场线223和233与南极管222a、232a和北极管222b,232b隔开。在图9E中，南极管222a和北极管222b的形状设计为使磁性能最大化。弯曲的形状试图模仿从永磁体磁极表面散发的磁场的强度和形状。在图9F中，南极管232a和北极管232b为半圆形，设计为容易保持在承载盘中，并且使用圆形易于利用承载盘中的标准孔或钻孔尺寸进行快速生产。
[0164]图9G和9H提供了使用永磁体241和251的磁芯元件240和250的例子，永磁体241和251具有直径极化的盘形形状。图9G为单件壳体243，单件壳体243包含南极管242a和北极管242b。单件壳体243犹如具有单独的极管一样实现基本上相同的功能。这可以通过以下方式实现:使邻近永磁体磁场线244的材料非常薄，由此无法在南极管242a和北极管242b之间提供有效的磁性耦合。图9G还规定了圆形的形状，它是磁场最佳极管形状(通常形状为椭圆形)和经济考虑之间的折衷。通过使用该形状，可以通过简单地在盘中钻出或加工出相同直径的孔来使集成到承载盘中变得容易。与邻近永磁体磁场线244的材料垂直的空腔能够可选地用任意非铁材料填充。图9H描述了与图9G相似的南极管252a和北极管252b，但是在这种情况下，如果最终设计要求具有直角边特征用于引导或材料支撑，则可以使用矩形形状。空隙253消除了南极管252a和北极管252b之间的大部分或所有潜在的磁性耦合。
[0165]图10描述了包括非铁承载盘301的承载盘组件300，非铁承载盘301中集成有用于捕获或保持八个磁芯元件的特征，其中一个磁芯元件由307表示并且其类型为如图9F所示。每个磁芯元件307的永磁体磁场线304相对于承载盘的旋转中心径向地取向，并且南极管302a沿着相邻磁芯元件的南极管306a的方向取向，北极管302b沿着相邻磁芯元件的北极管305b的方向取向，也就是说，磁芯元件的取向是北-北/南-南/北-北/南-南。附接特征303和308集成到承载盘中。
[0166]图11描述了承载盘组件310，其包括非铁承载盘311，非铁承载盘311中集成有用于捕获或保持八个磁芯元件的特征，其中一个磁芯元件由312表示并且其类型为如图9G所示。每个磁芯元件312的永磁体磁场线314相对于承载盘的旋转中心周向地取向，并且相邻的磁芯元件磁场磁极取向为相反的方向，以使永磁体的沿着外径的北极面或南极面交替设置，也就是说，北/南-北/南。使用这种磁芯元件设置的一个重要考虑是确保相反磁极315之间的间隔足够，以避免实质性的交互作用，交互作用会降低磁芯元件的性能。一个或多个永磁体的磁性长度的最小间距(磁极面之间的距离)，或者，在这种情况下磁体的直径通常是足够的。
[0167]图12描述了承载盘组件320，其包括非铁承载盘321，非铁承载盘321中集成有用于捕获或保持12个磁芯元件322的特征,磁芯元件322的类型为如图9G所示。每个磁芯元件322的永磁体磁场线323以预定角度324取向，预定角度324由承载盘中的磁芯元件的数量(在本实施例中为12)、以及磁芯元件围绕它们各自的轴325旋转的旋转次数限定，在本实施方式中旋转两次或720°。这就给我们提供了每个磁体必须取向的精确的相对旋转角度，在这种情况下为720° /12 = 60°。这种配置导致每个磁芯元件在左右相邻磁芯元件之间具有相应的60°的旋转移位。就图11所示的盘设置而言，使用这种磁芯元件设置的一个重要考虑是确保相反磁极之间的间隔足够，以避免实质性的交互作用，交互作用会降低磁芯元件的性能。一个或多个永磁体的磁性长度的最小间距(磁极面之间的距离)，或者，在这种情况下磁体的直径通常是足够的。
[0168]图13描述了包括单件非铁承载盘331的承载盘组件330，非铁承载盘331中集成有用于捕获或保持18个磁芯元件的特征，其中一个磁芯元件由332表示并且其类型为如图9G所示。每个磁芯元件332的永磁体磁场线333相对于盘而周向地取向。永磁体的南极和北极的取向以预定间隔交替，盘中的磁芯元件的数量等于所需启动角度和磁极相同的相邻磁芯元件的数量。在本实施例中，要求使用每3个磁芯元件进行交替的磁芯元件模式,启动角度为120°。启动角度包含相等数量的交替磁极磁芯元件，以及随后相等数量的异相对齐的磁芯元件(三个磁芯元件的北极朝外，接下来三个磁芯元件的南极朝外)。如果每120°中定位有6个磁芯元件，则承载盘中需要总共6x3 (360° /120° )或18个磁芯元件。启动角度必须是360°可整除的整数(1,2,3,4,5,6等)。就图11和12所示的盘设置而言,使用这种磁芯元件设置的一个重要考虑是确保相反磁极335之间的间隔足够，以避免实质性的交互作用，交互作用会降低磁芯元件的性能。仅为清楚起见，相反磁极335之间的距离被显示为相反磁极之间的一组隔离孔。在非铁承载盘331中，不需要隔离孔。如果盘是含铁的，则启动角度334中会存在隔离孔以避免相反磁极短路。
[0169]图14描述了承载盘组件340，其由单件含铁承载盘341组成，单件含铁承载盘341中集成有用于捕获或保持8个直径极化的永磁体的特征，其中3个直径极化的永磁体指定为342，343和344。磁体取向为使得相邻磁体的相同磁极互相面对。通过使邻近永磁体磁场线348的材料346和347最小化以沿着永磁体磁场线348隔离极性相反的磁场，可以形成共享的北极管345b和共享的南极管345a。“共享的”极管的面积以与限定单个极管时所采用的方式相同的方式限定。需要注意的是，在确定永磁体之间的合适距离时，“共享的”北极管345b和“共享的”南极管345a的面积必须使用两个相邻永磁体的磁极表面面积。在这样做时，磁芯元件实际上是共享的北极管345b的面积的一半，以及共享的南极管345a的面积的一半和以规定的方法磁性匹配的永磁体342。尽管承载盘组件340与承载盘组件300相比所含的部件要少得多，承载盘组件340的功能与图10所示承载盘组件300的功能相似，并且在更小的占用空间内坚固得多。承载盘组件300的优点主要是重量降低，占用空间大从而稳定，磁场深度更浅从而更适用于薄的材料。
[0170]图15描述了承载盘组件350，其包括单件含铁承载盘351，单件含铁承载盘351中集成有用于捕获或保持16个直径极化的永磁体的特征，其中2个直径极化的永磁体指定为352和353，永磁体352和353具有不同的直径。永磁体352和353各自的永磁体磁场线354和355径向地取向。磁体的磁极取向为使相邻永磁体的相同磁极对称地面对相邻永磁体的相同磁极，由此这些磁体之间的含铁材料成为“共享的”北极管357b和“共享的”南极管357a。通过使邻近永磁体磁场线354和355的材料356和358最小化可以实现“共享的”北极管357b和“共享的”南极管357a之间的隔离。“共享的”极管的面积以与限定单个极管时所采用方式相同的方式限定。需要注意的是，在确定永磁体之间的合适间距时，“共享的”南极管357a和“共享的”北极管357b的面积使用四个相邻永磁体的磁极表面面积。在这样做时，磁芯元件现在可以限定为共享的北极管357b的面积的一半以及共享的南极管357a的面积的一半和以规定的方法磁性匹配的永磁体352和353的组合。承载盘组件350的功能与图14所示承载盘组件340的功能相似。尽管承载盘组件350与承载盘组件340的外径相同，但是内径要小一些以容纳8个额外的直径较小的永磁体353。这会增加盘的磁性工作面面积，提供了比承载盘组件340更强的磁性分离力。增加额外的不同尺寸的永磁体的方法不仅能够优化磁极表面和极管工作面面积的比，还可以精确设定承载盘的所需内径或外径，以集成到产品或固定装置中。
[0171]图16描述了包括单件含铁承载盘361的承载盘组件360，单件含铁承载盘361具有用于捕获或保持14个直径极化的圆柱形永磁体的径向去芯的特征，直径极化的圆柱形永磁体中的一个指定为362。永磁体中的每一个取向为使相邻磁体的相同磁极互相面对。通过将邻近永磁体磁场线368的材料363和364设计为沿着永磁体磁场线348使邻近永磁体磁场线368以及位于永磁体之上和之下的材料363和364最小化，可以形成共享的北极管365b和共享的南极管365a。邻近永磁体磁场线368的材料363和364的减小的壁厚帮助隔离沿着邻近永磁体磁场线368的极性相反的磁场。在确定合适的磁极表面和极管工作面面积的比时，借助两个相邻条形永磁体的磁极表面面积(而非圆柱形的表面面积)来确定“共享的”南极管365a和“共享的”北极管365b的面积。在这样做时，磁芯元件现在可以限定为“共享的”北极管365b的面积的一半以及共享的南极管365a的面积的一半和以规定的方法磁性匹配的永磁体362的组合。尽管承载盘组件360为说明目的而包含14个磁芯元件，承载盘组件360的功能与图14和15所示的其它多磁芯元件“共享的”盘组件的功能相似。
[0172]图17描述了包括单件含铁承载盘371的承载盘组件370，单件含铁承载盘371具有用于捕获或保持14个条形永磁体的径向设置的特征，条形永磁体中的一个指定为372。条形永磁体取向为使相邻永磁体的相同磁极互相面对。通过将用于永磁体并且其中一个指定为374的条形袋形区设计为使永磁体下面邻近永磁体磁场线378的材料373和沿着永磁体的垂直边缘、永磁体磁场线的材料373最小化，可以形成“共享的”北极管375b和“共享的”南极管375a。邻近永磁体磁场线378的材料373帮助隔离沿着邻近永磁体磁场线的材料的极性相反的磁场。或者，沿着垂直边缘的材料373可以通过沿着永磁体磁场线378钻孔来去除。再一次地，在确定合适的磁极表面和极管工作面面积的比时，借助两个相邻条形永磁体的磁极表面面积来确定“共享的”南极管375a和“共享的”北极管375b的面积。在这样做时，磁芯元件可以限定为“共享的”北极管375b的面积的一半以及“共享的”南极管375a的面积的一半和以规定的方法磁性匹配的永磁体372的组合。承载盘组件370的功能与图16所示的承载盘组件的功能相似。
[0173]图18描述了包括单件含铁承载盘381的承载盘组件380，单件含铁承载盘381具有径向设置的磁性袋形区，袋形区中的三个指定为383a，383b和383c，袋形区被集成用于捕获或保持8组条形永磁体，其中一组条形永磁体指定为382。8组条形永磁体中的3组指定为382、384和385，每组条形永磁体均包含相同体积和等级的永磁体，这些永磁体沿着永磁体磁场线以相同的方向取向，每个永磁体袋形区中包含不同的磁性长度Lm。每组条形永磁体实际上充当形状相似、更大的单个磁体。磁体组取向为使得相邻永磁体组的相同磁极互相面对。通过如前面图17所示那样将永磁体袋形区设计为使永磁体组下面的材料厚度和沿着永磁体的垂直边缘的材料最小化，可以形成“共享的”北极管和“共享的”南极管。承载盘组件380的功能与图17所示的承载盘组件的功能相似，但是，当承载盘的尺寸足够大而无法轻易获得相同尺寸的单个磁体时，或由于难以制造大的永磁体而导致效率降低时，建议使用多个条形的永磁体。公开这个配置的目的是为了展示该架构的高度灵活的性质，以及获得非常大的承载盘配置的能力。
[0174]图19描述了一对非铁承载盘组件400，其由第一承载盘组件401a和第二承载盘组件402b组成，每个承载盘组件基本上为如图10所示。与磁芯元件之间的角度相等的启动角度402的相对旋转允许第一承载盘组件中的第一磁芯元件403a与第二承载盘组件中的相应第二磁芯元件403b对齐。以磁芯元件之间的启动角度402来旋转第一承载盘组件，使得第一北极管405a和上部第一南极管404a与第二南极管404b和第二北极管405b对齐，这被认为是“异相“对齐，会去激活组件。随后将第一北极管405a和第一南极管404a与第二北极管406b和第二南极管407b重新对齐，这被认为是“同相”对齐，会激活非铁承载盘组件对。需要注意，如图10所示的承载盘中磁极的设置在同相对齐时允许所有磁芯元件同时激活，相反，在异相对齐时允许所有磁芯元件同时去激活。装置的激活/去激活角度由在同相和异相之间交替的旋转角度限定，在本图中也是磁芯元件之间的启动角度402。磁芯元件之间的启动角度402也限定为360° /交替的磁芯元件数量(8)，或360/8 = 45°。加工的凹槽408设计为容纳“摩擦降低构件”，在本实施例中，“摩擦降低构件”可以是一个摩擦系数非常低的由聚四氟乙烯(PTFE或Teflon? )制成的O形环或者滚球轴承装置。这仅
仅作为示例而非限制示出，因为可以想出多种方法来实现该摩擦降低构件。
[0175]图20A，B，C和D描述了一对非铁承载盘组件410，其由上承载盘组件411a和下承载盘组件411b组成，每个承载盘组件基本上为如图12所示。如图12所总结和显示的那样，每个盘中的12个相邻磁芯元件之间的角度是30°，并且每个相邻磁芯元件围绕它的轴325相对旋转60°。
[0176]在图20A中，上承载盘组件411a中的每个磁芯元件与下承载盘组件411b中的相应磁芯元件异相对齐。这导致去激活这对非铁承载盘组件410。
[0177]在图20B中，上承载盘组件411a相对于下承载盘组件411b以30°的启动角度413旋转。这允许上永磁体412a与对应的下永磁体412b轴向对齐，并使围绕上永磁体412a的极管同下永磁体412b中的极管部分对齐，导致所有的磁芯元件被轻微激活，因为各个上磁芯元件的相对位置与同各个下磁芯元件异相对齐时的位置相差60°。
[0178]在图20C中，上承载盘组件411a再次相对于下承载盘组件411b以30°的启动角度413旋转。这导致所有的磁芯元件被实质上激活，因为各个上磁芯元件的相对位置与同各个下磁芯元件同相对齐时的位置相差60°。
[0179]在图20D中，上承载盘组件411a中的每个磁芯元件与下承载盘组件411b中的对应磁芯元件同相对齐。这导致激活这对非铁承载盘组件410。
[0180]图20A，B，C和D所描述的配置是为了提供变步长启动力设备。需要校准分离力以确认从异相对齐到同相对齐过程中磁芯元件之间的每个角度413处的性能水平。图12所示磁芯元件322以预定角度324进行的相对旋转可以调整以提供部分激活与完全激活之比。这在尝试满足规定安全系数的安全标准时有用。目前，ASTM B30 (ASTM国际协会，原来称为美国材料和试验协会)的Below the Hook Lifting (吊钩下部提升)标准规定可开关磁性提升的安全系数是3:1。例如，在分离力为3，000磅的提升设备中，3:-1的安全系数表明该设备的最大提升力不应超过1，000磅。只要操作人员知道目标的重量，并且目标符合理想的材料厚度，就没有问题。借助本发明，操作人员可以简单地将设备放到材料上，在设备部分激活并且安全系数校准为3:1的情况下提升非常少的量。如果设备保持附着，操作人员可以降低材料，然后完全激活装置。接着他可以在不知道材料确切重量的情况下以3:1的安全系数来提升材料。
[0181]图21A，B，C和D显示了一对非铁承载盘组件420，其由上承载盘组件421a和下承载盘组件421b组成，每个承载盘组件基本上为如图13所示。每个承载盘组件包含18个磁芯元件，并且磁芯元件之间的角度为20°，每三个相邻元件极性发生改变，这限定了启动角度422，在这种情况下是60°。在图21A中，上承载盘组件421a中的每个磁芯元件与下承载盘组件421b中的磁芯元件异相对齐，导致这对非铁承载盘组件410去激活。在图21B中，上承载盘组件421a相对于下承载盘组件421b顺时针旋转20° (相邻磁芯元件之间的角度424)。如同图中上磁芯元件425a和对应的下磁芯元件427b所示，这会导致每个第三磁芯元件对的激活。
[0182]在图21C中，上承载盘组件421a相对于下承载盘组件421b从图21B中所示的位置再次以磁芯元件之间的角度424顺时针旋转20°。这会导致激活所有上磁芯元件中的三分之二，其中两个指定为425a和426a，它们对应的下磁芯元件为426b和427b，因为各个磁芯元件的相对位置与去激活位置或异相对齐位置顺时针相差40°。
[0183]在图21D中，上承载盘组件421a相对于下承载盘组件421b从图21C中所示的位置以角度424顺时针旋转20°。这会激活所有的上磁芯元件和下磁芯元件，上磁芯元件和下磁芯元件的范例是相应的磁芯元件对425a和425b，426a和426b，及427a和427b，因为上承载盘421a以启动角度422旋转，以使各个磁芯元件的相对位置与图21A中所示的异相对齐位置或去激活位置顺时针相差60°。这对非铁承载盘组件420现在完全激活。
[0184]图21A，B, C和D所描述的配置是为了提供具有限定的安全系数的提升设备。与图20A，B，C和D所示的设备不同，不需要校准分离力。通过如图21B所示那样激活三分之一的磁芯元件，分离力恰恰是完全激活的设备的分离性能的三分之一。该装置理想地满足ASTM B30吊钩下部提升标准所规定的3:1安全指标，操作人员无需知道正被提升的目标材料的重量或目标材料是否磁性过饱和，磁性过饱和会降低提升性能，目前的开关磁体技术升降机会出现这种情况。
[0185]借助本发明，操作人员可以简单地将设备放到材料上(即使其比理想厚度更薄)，并在如图21B所示那样三分之一的磁芯元件被激活的情况下将材料提升一小段距离。如果设备保持附着，操作人员可以降低材料，然后通过将上承载盘组件421a旋转到图21D所示的位置而使装置完全激活。现在，可以在不知道材料的确切重量和饱和能力的情况下，以3:1的安全系数来提升材料。
[0186]例如，假定操作人员正在提升一片400系列的磁性不锈钢，操作人员知道目标重600磅并且提升磁体的等级是3，000磅。操作人员确信其处于3:1安全水平内，并开始提升材料，材料在移动过程过后不久下落。操作人员不知道的是磁性强度是基于正被提升的材料的组分和表面光洁度。400系列不锈钢的附着力是低碳钢的附着力的大约50%。铸铁的附着力是所述附着力的大约40%，而粗糙的表面光洁度对性能的影响超过50%。装置在400系列不锈钢上只能提升1，500磅，在铸铁上只能提升约1200磅。如果操作人员使用图21A所示的配置并使用图21B所示的设置进行提升测试，他会发现设备从材料脱离，因为超过了 500磅。在这时，他需要通过第二装置或更强的单元增强升降机。
[0187]图21A所示的配置作为示例而非限制示出，只是众多可能的不同配置中的一种。本概念适用于“共享的”极管(含铁承载盘)以及大量的不同磁体形状和尺寸，以及极管形状和尺寸，或磁芯元件配置。通过简单地调整启动角度422中包含的各个磁芯元件的数量，该配置还能够易于适用于不同的安全系数。
[0188]图22A和B显示了一对含铁承载盘组件430，其由上承载盘组件432和下承载盘组件433组成，承载盘组件中的每一个基本上分别为如图17和16所示。以与磁芯元件之间的启动角度431相等的角度进行相对旋转，可以使上承载盘组件中的磁芯元件和下承载盘组件中的相应磁芯元件重新对齐。在图19中，装置的激活/去激活角度由在同相对齐和异相对齐之间交替的旋转角度限定，在图中也就是启动角度43。启动角度431也可以限定为360° /交替的磁芯元件数量(14)或360° /14 = 25.71°。
[0189]图22A和B显示了两个不同承载盘的组合，不同的承载盘使用不同形状的永磁体。尽管上承载盘组件432和下承载盘组件433的工作面面积不相同，只要每个承载盘组件满足极管磁极表面比，装置依然能够正常运行，当每个上磁芯元件与下磁芯元件组合时，组合的磁场被中和。此外，含铁承载盘组件430描述了潜在的理想配置，其中上承载盘组件432中的“共享的”极管比下承载盘组件433中的“共享的”极管具有更高的磁场强度。上承载盘组件432中的磁芯元件可以设计为具有与下承载盘组件433中的磁芯元件不同的磁通密度，以补偿承载盘之间由于使用摩擦降低构件(例如，盘之间PTFE制成的O形环或滚球轴承)而产生的预期的气隙距离。当承载盘组件异相对齐时，上承载盘组件432中的磁芯元件可能战胜下承载盘组件433中的磁芯元件，将磁通反转到目标中，这会使目标退磁，允许方便释放。其实，这种承载盘组件配置可以产生能够用于将目标与旋转可开关磁体分开的排斥磁场。当在上承载盘组件中使用更强的磁芯元件磁体组件时，完全去激活位置可以从0°稍微偏移，以使上磁芯元件磁体组件的磁通完全取消下磁芯元件磁体组件的磁场，并克服气隙损失。在0°处的完全对齐会使下承载盘组件中的磁芯元件的磁极性稍微反转。
[0190]图22B中所示的加工的凹槽435设计为容纳“摩擦降低构件”。可以多种方式实现该摩擦降低构件，包括但不限于摩擦系数非常低的由聚四氟乙烯(PTFE或TeHun?)制成的O形环，滚球或滚柱轴承等。这仅仅作为示例而非限制示出，因为本领域技术人员可以使用多种方法来实现该摩擦降低构件。
[0191]图23A和23B显示了简单的RSM装置500。RSM装置500由上承载盘组件503a中包含的8个磁芯元件和下承载盘组件503b中包含的8个相应的磁芯元件，摩擦降低构件508，保护罩501以及切槽孔特征组成，切槽孔特征中的一个描述为505，切槽孔特征设计为允许接近固定集成部件502之间的开口区域。摩擦降低构件508设置在上承载盘组件503a和下承载盘组件503b之间。保护罩501通过集成附接构件附接至上承载盘组件503a，集成附接构件中的两个表示为507。集成部件502通过附接构件被附接至下承载盘组件503b的内圆周，附接构件中的一个由509表示。位置止动构件插入到下承载盘组件503b中的切槽孔特征中，位置止动构件中的一个由504表示，位置止动构件用于同保护罩中的止动点接合，止动点中的一个由506表示。当RSM设备500位于目标上时，通过使保护罩501相对于固定集成部件502进行相对旋转，可以将上承载盘组件503a旋转到相邻的与位置止动构件504接合的止动点506，由此激活或去激活设备。作为示例而非限制，图23A简单地示出了产品概念，该产品概念通过用于集成到其它产品或固定装置中的特征人工激活。在本实施例中，可以为另一种附接方法来整合或替换集成部件。
[0192]图24是RSM装置600，其在自动化或机器人应用中使用，并且示例性地具有高度灵活的设备架构。实质上，可以将承载盘组件601和另一个承载盘组件的任意组合整合到壳体602中，另一个承载盘组件没有示出，但是已经在此公开，或者会由本领域技术人员使用，壳体602限制第一承载盘组件，同时允许附接至启动构件603的第二承载盘组件以所需启动角度旋转，由此激活或去激活装置。尽管可以使用多种其它的启动方法，所示启动构件603可以是机动化的，液压的或螺线管驱动的单元，包括但不限于暂时性的电学方法，通过使用具有相似磁极设置的电磁体，该方法可以瞬间去激活或增大设备，电磁体可以用于激活或去激活单个承载盘组件或承载盘组件的组合。
[0193]图26显示了堆叠的含铁承载盘组件700，其由可旋转的承载盘组件701和集成的承载盘壳体组件702组成。可旋转的承载盘组件和集成的承载盘壳体组件之间的相对旋转允许可旋转的承载盘组件中的磁芯元件相对于集成的承载盘壳体组件中的相应磁芯元件重新对齐。图26进一步显示了形状非常不同的可旋转的承载盘组件和集成的承载盘壳体的组合。在该配置中，集成的承载盘壳体被用于使组装所需的部件的数量最小化，同时提供附接特征和符合人体工程学或美学的设计。集成的壳体705由单片含铁的钢构成，包含有安装孔707。磁性隔离特征实质上是设计为对极管的形状和面积进行限制的材料切口，允许可旋转的承载盘组件701和集成的承载盘壳体组件702中的极管对齐，磁性隔离特征中的一个由706表示。在该配置中，由于高吸引力而使用滚针推力轴承组件703。集成的壳体705中整合有凹槽区域709以容纳滚针推力轴承组件，并沿着极管表面的大部分在可旋转的承载盘组件701和集成的承载盘壳体组件702之间提供最小气隙。共同的旋转中心704被用于维持可旋转的承载盘组件701和集成的承载盘壳体组件702之间的精确对齐。就之前所描述的其它承载盘组件而言，使用多个磁体708来替代单个更大的磁体，在磁体选择、强度优化、使用现成部件方面提供了灵活性，并提供了前面描述的其它益处。
[0194]图27显示了单层的非铁承载盘组件的阵列750，其由非铁集成承载盘壳体组件751及相应的多个可旋转承载盘组件752和753组成。非铁集成承载盘壳体组件751包括非铁集成承载盘壳体组件755，非铁集成承载盘壳体组件755含有凹槽特征，并在容纳可旋转承载盘组件752和753的插入的同时提供限制构件，凹槽特征中的一个由754表示。可旋转承载盘组件和非铁集成承载盘壳体组件的相应部分的每一个组合可以被单独激活或一起激活。
[0195]图28显示了单层的含铁承载盘组件的阵列800，层的下部由含铁集成承载盘壳体组件801组成，层的上部由可旋转盘壳体805组成，可旋转盘壳体805中插入有多个可旋转承载盘组件802，803和804。含铁集成承载盘组件812，813和814被集成到含铁集成壳体806中。可旋转承载盘组件802，803和804被包含在可旋转盘壳体805中。一个或多个可旋转承载盘组件802，803和804的相对旋转激活或去激活从含铁集成承载盘壳体组件的相应部分散发的磁场。磁性隔离构件用于防治相反的磁场互相中和，磁性隔离构件中的一个由808表示。螺纹孔在可旋转承载盘组件802上提供附着点来作为一种可能的构件，该构件用于使可旋转承载盘组件802相对于含铁集成承载盘壳体组件801的相应部分旋转，螺纹孔中的一个由807表示。
[0196]图29显示了双层的含铁承载盘组件的阵列850，其包括第一层的含铁承载盘组件851和第二层的含铁承载盘组件861。第一层阵列851包括第一层的含铁集成承载盘壳体组件852和第一层的相应可旋转承载盘组件853，854和855。第二层的含铁承载盘组件的阵列861包括第二层的含铁集成承载盘壳体组件862和第二层的相应可旋转承载盘组件863,864和865。可旋转承载盘组件853，854和855插入到双层的可旋转承载盘壳体870中，并与第一层的含铁集成承载盘壳体组件852中的相应承载盘组件配对。可旋转承载盘组件863，864和865插入到双层的可旋转盘壳体870中，并与相应的第二层的含铁集成承载盘壳体组件862配对。第一层的含铁集成承载盘壳体组件852和第二层的含铁集成承载盘壳体组件862分别固定在它们各自的含铁集成壳体856和866中。一个或多个可旋转承载盘组件853，854和855的相对旋转激活或去激活从第一层的含铁集成承载盘壳体组件852的相应部分散发的磁场。承载盘组件863，864和865的相对旋转激活或去激活从第二层的含铁集成承载盘壳体组件862的相应部分散发的磁场。磁性隔离空隙875在可旋转承载盘组件之间提供磁性隔离。其中一个由871表示的旋转限制槽允许轴插入到可旋转承载盘组件853中，以延伸穿过旋转限制槽871，使得能够激活或去激活第一层承载盘组件851的相应部分。
【权利要求】
1.一种用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，该装置包括: 集成到承载盘中的多个磁芯元件，每个磁芯元件由一个或多个具有磁北极和磁南极的永磁体及两个软磁性或硬磁性的极管组成，所述一个或多个永磁体的磁极中的每一个具有磁极面，并且每一个都邻近并固定至所述两个极管，每个磁芯元件中的所述一个或多个永磁体取向为使得所述一个或多个永磁体的磁北极邻近并固定至一个极管，并且所述一个或多个永磁体的磁南极邻近并固定至另一个极管，所述极管能够包含并重新定向所述一个或多个永磁体的磁场； 多个承载盘组件，每个承载盘组件由承载盘和多个集成在该承载盘中的多个磁芯元件组成； 所述承载盘组件互相邻近并位于不同的几何平面中，其中每个承载盘组件限制或保持多个磁芯元件，使得承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管同相邻承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管相对应或对齐，以将所包含的来自一个或多个永磁体的磁极的磁场重新定向到相邻承载盘组件中的相应磁芯元件或所需目标； 其中每个承载盘组件被限制构件限制到相邻承载盘组件，使得承载盘组件中的一个或多个借助旋转构件可以相对于相邻承载盘组件进行同心旋转； 其中每个承载盘组件借助摩擦降低构件从相邻承载盘组件隔开，以降低相邻的承载盘组件之间的摩擦并促进承载盘组件相对于相邻承载盘组件的旋转； 由此，从邻近目标的极管散发的磁场: 在所述极管异相对齐时去激活，也就是说，所有或基本上所有从承载盘组件中的极管散发的磁场被去激活或降低到所需水平，使得承载盘组件中的磁芯元件的南极管(S)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应北极管(N)并列(S-N)，并且承载盘组件中的磁芯元件的北极管(N)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应南极管(S)并列(N-S)； 在所述极管同相对齐时激活，也就是说，所有或基本上所有从承载盘组件中的极管散发的磁场被激活或增加到所需水平，使得承载盘组件中的磁芯元件的南极管(S)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应南极管(S)并列(S-S)，并且承载盘组件中的磁芯元件的北极管(N)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应北极管(N)并列(N-N);以及 在所述极管同相或异相部分对齐时部分激活或去激活，也就是说，从承载盘组件中的极管散发的磁场被调整到所需水平。
2.如权利要求1所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中每个磁芯元件由用于每个极管并集成到非铁承载盘中的分开的结构、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成。
3.如权利要求1所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中每个磁芯元件由集成到非铁承载盘中的单个结构、用于将北极管与南极管隔离的构 件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成。
4.如权利要求1所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中每个磁芯元件的极管是含铁承载盘、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件的整体部分，所述北极管与相邻的一个或多个永磁体的北极管共享，并且所述南极管与相邻的一个或多个永磁体的南极管共享。
5.如权利要求1所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中所述磁芯元件集成到含铁承载盘和非铁承载盘的组合中，其中每个磁芯元件由以下部分的任意组合组成: a.用于每个极管并集成到非铁承载盘中的分开的结构；或 b.集成到非铁承载盘中的单个结构；或 c.每个磁芯元件的极管是含铁承载盘、与相邻的一个或多个永磁体的北极管共享的所述北极管、与相邻的一个或多个永磁体的南极管共享的所述南极管、以及用于将北极管与南极管隔离的构件、和用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件的整体且共享的部分。
6.如权利要求1所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装 置，其中所述一个或多个永磁体由电磁体组成，由此产生一个或多个磁北极和一个或多个磁南极。
7.如前述权利要求中任意一项所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中从邻近目标的极管散发的磁场的去激活、激活、以及部分激活或去激活通过位置止动构件逐步实现。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中采用了镀层和涂层构件。
9.如权利要求1-6中任意一项所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中采用了封装构件。
10.如权利要求1-6中任意一项所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中一个或多个承载盘组件固定或者集成到一个或多个壳体中，并且一个或多个相应的承载盘组件是可旋转的。
11.如权利要求10所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中所述固定或者集成到一个或多个壳体中的承载盘组件位于相同的几何平面或平行的几何平面中，相应的可旋转承载盘组件位于邻近相应的固定或集成的承载盘组件的一个或多个平行几何平面中。
12.如权利要求10所述的用于附接、保持或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置，其中多个相邻承载盘组件固定或集成到一个或多个壳体中，并在不同的几何平面中取向，相应的可旋转承载盘组件位于邻近相应的固定或集成的承载盘组件的一个或多个平行几何平面中。
13.—种制造用于附接或保持工作面或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置的方法，该方法包括以下步骤: a)配置将要集成到承载盘中的磁芯元件，每个磁芯元件由一个或多个具有磁北极和磁南极的永磁体及两个软磁性或硬磁性的极管组成，所述一个或多个永磁体的磁极中的每一个具有磁极面，并且每一个都邻近并固定至所述两个极管，每个磁芯元件中的所述一个或多个永磁体取向为使得所述一个或多个永磁体的磁北极邻近并固定至一个极管，并且所述一个或多个永磁体的磁南极邻近并固定至另一个极管，所述极管能够包含并重新定向所述一个或多个永磁体的磁场，其中 a.每个磁芯元件由用于每个极管并集成到非铁承载盘中的分开的结构、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成；或 b.每个磁芯元件由集成到非铁承载盘中的单个结构、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成；或 每个磁芯元件的极管是含铁承载盘、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件的整体部分，所述北极管与相邻的一个或多个永磁体的北极管共享，并且所述南极管与相邻的一个或多个永磁体的南极管共享； b)在异相对齐时，通过验证引导至工作面的散发自极管表面面积的磁场被可接受地去激活或降低到所需水平来匹配所配置的磁芯元件，并在需要的情况下调整磁芯元件的磁场强度以进一步中和散发自工作面面积的磁场； c)通过以下方式确定承载盘配置:.1.限定磁芯元件的数量； 在需要的情况下，确认分离性能将处于所需水平； .2.将磁芯元件均匀且对称的定位到承载盘中；.3.在需要的情况下，确定所需的承载盘组分； d)通过将附接特征或其它这种特征结合到允许实施所需启动构件的固定或可旋转的承载盘组件中，从而确定并实施所需的启动构件，即这样的启动构件:通过该启动构件，所述装置利用机械、机电、电力和磁动构件、或其任意组合来使承载盘组件相对于固定的承载盘组件旋转； 确定是否需要位置止动构件，借此，旋转的所述承载盘组件可以包含旋转限制特征，该旋转限制特征促进磁芯元件对齐； e)确定是否需要镀层、涂层或封装构件以改善性能； f)在承载盘组件中限制或保持承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管，使它们与相邻承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管相对应或对齐； g)在一个或多个几何平面中选择、定位并对齐多个互相邻近的承载盘组件，由此所述承载盘组件的极管: .1.异相对齐，或者从邻近目标的极管散发的磁场被去激活； .2.同相对齐，或者从邻近目标的极管散发的磁场被激活； .3.异相或同相部分对齐，由此部分去激活或激活从邻近目标的极管散发的磁场；.4.定位为互相邻近，其中每个承载盘组件限制或保持多个磁芯元件，以将来自一个或多个永磁体的磁极的磁场重新定向到相邻承载盘组件的相应磁芯元件或所需目标；. 5.被限制构件限制到相邻承载盘组件，使得可旋转承载盘组件中的一个或多个借助旋转构件可以相对于相邻承载盘组件进行同心旋转；. 6.借助摩擦降低构件从相邻承载盘组件隔开，以降低相邻的承载盘组件之间的摩擦并促进可旋转承载盘组件相对于相邻承载盘组件的旋转；h)确定是否需要将多个承载盘组件集成或固定到壳体中，其中相应数量的可旋转承载盘组件位于一个或多个几何平面中。
14.如权利要求13所述的制造用于附接或保持工作面或提升所需目标的具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置的方法，该方法包括以下步骤: a.配置将要集成到承载盘中的磁芯元件，每个磁芯元件由一个或多个具有磁北极和磁南极的永磁体及两个软磁性或硬磁性的极管组成，所述一个或多个永磁体的磁极中的每一个具有磁极面，并且每一个都邻近并固定至所述两个极管，每个磁芯元件中的所述一个或多个永磁体取向为使得所述一个或多个永磁体的磁北极邻近并固定至一个极管，并且所述一个或多个永磁体的磁南极邻近并固定至另一个极管，所述极管能够包含并重新定向所述一个或多个永磁体的磁场，其中 `1.每个磁芯元件由用于每个极管并集成到非铁承载盘中的分开的结构、用于将北极管与南极管隔离的构件、用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成；或 `2.每个磁芯元件由集成到非铁承载盘中的单个结构、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件组成；或 `3.每个磁芯元件的极管是含铁承载盘、用于将北极管与南极管隔离的构件、以及用于相对于所包含的一个或多个永磁体来限制或定位各个极管的构件的整体部分，所述北极管与相邻的一个或多个永 磁体的北极管共享，并且所述南极管与相邻的一个或多个永磁体的南极管共享； b.其中: `1.磁极磁体表面是一个或多个永磁体的北极磁性表面或南极磁性表面的表面面积，其同极管磁体表面接触； ` 2.极管磁体表面是极管的表面面积，垂直于承载盘表面，所述极管磁体表面集成到承载盘表面中，其与一个或多个永磁体的北磁极磁体表面或南磁极磁体表面接触； `3.极管表面面积是与承载盘表面平行的极管的表面面积，所述承载盘表面用于将磁场定向到工作面或相邻平行承载盘内的磁芯元件中的相邻的对应极管表面面积； ` 4.工作面面积是极管的表面面积，所述极管的表面面积用于将承载盘的组合磁芯元件的磁场定向到一个或多个工作面； `5.极管磁极表面比是极管表面面积和磁极磁体表面之比； `6.分离性能是沿垂直于目标表面或工作面的方向将装置从目标或工作面拉离所需的力； `7.磁芯元件面积是磁芯元件的两个极管的极管表面面积和磁芯元件中一个或多个永磁体的表面面积的组合表面面积； c.选择具有北磁极磁体表面和南磁极磁体表面的一个或多个永磁体，所述永磁体可以具有不同的几何形状； d.在极管中封装北磁极磁体表面和南磁极磁体表面，使得不超过北磁极磁体表面和南磁极磁体表面之间长度的1/4的长度被插入到极管磁体表面中； e.将极管磁体表面的高度限制为等于或大于一个或多个永磁体的北磁极磁体表面或南磁极磁体表面的高度；f.将北极管磁体表面和南极管磁体表面的宽度限制为北极管磁体表面和南极管磁体表面的宽度的大约25%到大约200% ； g.将极管磁极表面比限制为使得极管表面面积是北磁极磁体表面和南磁极磁体表面的大约0.5至1.50倍； h.在异相对齐时，即，当两个相邻且对应的极管表面面积靠得很近或互相接触从而使得第一磁芯元件的北极管表面面积定位为与第二磁芯元件的南极管表面面积相反并且第一磁芯元件的南极管表面面积定位为与第二磁芯元件的北极管表面面积相反时，通过验证引导至工作面的散发自极管表面面积的磁场被可接受地去激活或降低到所需水平，从而匹配所配置的磁芯元件，并在需要的情况下通过以下方式调整磁芯元件的磁场强度以进一步中和散发自工作表面面积的磁场:i.在需要或要求时将磁芯元件修改为与相应相邻磁芯元件具有不同的磁场强度，由此，通过使用以下手段，从组合的磁芯元件的工作面散发的残余磁场具有最小的或所需的残余磁场: (a)在磁芯元件中使用强度更高的一个或多个永磁体； (b)使磁芯元件中的永磁体中的一个或多个具有更大的永磁体质量； (C)使磁芯元件中的永磁体中的一个或多个具有不同的几何形状； (d)使极管具有不同的几何尺寸、组分或形状；或 (e)使用上述步骤h.1(a) - (d)的任意组合； i.通过以下方式确定承载盘配置: l..限定磁芯元件的数量，这通过以下方式完成: (a)使用所需的装置高度及所需的工作面面积，以便通过将工作面面积除以磁芯元件面积，并将结果四舍五入取整为最接近的偶数整数值，从而确定磁芯元件的数量；或 (b)确定邻近另一个承载盘的可旋转承载盘的旋转是否由于设计、安装、运行、制造或其它限制而受到实际限制，如果受到实际限制，确定最大旋转角度等于或小于启动角度 '及 (i)通过将360°除以启动角度来设定将被集成到承载盘中的磁芯元件的数量；. 2.在需要的情况下，通过在不考虑磁体取向的情况下，确定所述磁芯元件内组合的一个或多个永磁体的最大公布值或计算值与承载盘中所含磁芯元件的数量的乘积，确认分离性能将处于所需水平；. 3.将磁芯元件均匀且对称的定位到承载盘中，所述承载盘和集成的磁芯元件组成承载盘组件；. 4.在需要的情况下，通过相对于所需性能来评估所需要的承载盘组件表面面积，从而确定所需要的承载盘组件重量；. 5.在需要的情况下，基于但不限于装置重量、所需分离性能、产品的组分(如果有的话)，目标表面面积，产品所占的空间(如果有的话)来确定所需的承载盘组分，选择非铁承载盘、含铁承载盘、或二者的组合，其中装置被集成到产品中；. 6.在需要的情况下，考虑但不限于以下条件来确定所需的承载盘组件成本: (a)容量，即，将要制造的承载盘的所需个数； (b)组装承载盘组件的难易度； (C)将装置集成到所需终端产品(如果有的话)中，或将磁芯元件直接组合到终端产品中以使承载盘组件成为终端产品的整体部分的可行性； (d)环境要求(如果有的话)'及 (e)法规要求(如果有的话)；. 7.确定给定承载盘组件是否将在壳体中固定或是否可旋转； j.通过将附接特征或其它这种特征结合到允许实施所需启动构件的固定或可旋转的承载盘组件中，从而确定并实施所需的启动构件，即这样的启动构件:通过该启动构件，所述装置利用机械、机电、电力和磁动构件、或其任意组合来使承载盘组件相对于固定的承载盘组件旋转； k.确定是否需要位置止动构件，借此，旋转的所述承载盘组件可以包含旋转限制特征，该旋转限制特征促进相邻承载盘组件中包含的北极管和南极管的同相或异相磁芯元件对齐； .1.确定是否需要镀层、涂层或封装构件以通过以下方式来改善性能: .1.通过镀层或涂层构件实施导电性低阻加工，从而增加导电涂层以改善电连接； .2.通过使用镀 层或涂层构件增加摩擦更改涂层，以更改所述装置的相对于工作面的摩擦和/或分离性能； .3.通过使用镀层或涂层构件增加耐腐蚀镀层和涂层，以保护所述装置并确保其运行适用于需要使用产品的环境； . 4.通过使用镀层或涂层构件增加绝缘涂层，绝缘涂层被设计为使具有多个旋转可开关磁芯元件的基于永磁体的装置电绝缘于工作面或其它电源； .5.增加封装构件以使装置外部与含铁颗粒和其它这种碎屑磁性隔离，并提供耐腐蚀性；或 .6.如上述11-6中所述构件的任意组合； m.将承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管限制或保持在承载盘中，使它们与相邻承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管相对应或对齐，以将所包含的来自一个或多个永磁体的磁极的磁场重新定向到相邻承载盘组件中的相应磁芯元件或所需目标； η.在一个或多个几何平面中选择、定位并对齐多个互相邻近的承载盘组件，由此所述承载盘组件的极管: .1.异相对齐，或者从邻近目标的极管散发的磁场被去激活，也就是说，所有或基本上所有从承载盘组件中的极管散发的磁场被去激活或降低到所需水平，使得承载盘组件中的磁芯元件的南极管(S)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应北极管(N)并列(S-N)，并且承载盘组件中的磁芯元件的北极管(N)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应南极管(S)并列(N-S)； .2.同相对齐，或者从邻近目标的极管散发的磁场被激活，也就是说，基本上所有从承载盘组件中的极管散发的磁场被激活或增加到所需水平，使得承载盘组件中的磁芯元件的南极管(S)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应南极管(S)并列(S-S)，并且承载盘组件中的磁芯元件的北极管(N)与相邻承载盘组件中的磁芯元件的相应北极管(N)并列(N-N)；以及 .3.异相或同相部分对齐，由此部分去激活或激活从邻近目标的极管散发的磁场，也就是说，从承载盘组件中的极管散发的磁场被调整到所需水平；. 4.定位为互相邻近，其中每个承载盘组件限制或保持多个磁芯元件，以使承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管同相邻承载盘组件中的磁芯元件的北极管和南极管相对应或对齐，以将所包含的来自一个或多个永磁体的磁极的磁场重新定向到相邻承载盘组件中的相应磁芯元件或所需目标；. 5.被限制装置限制到相邻承载盘组件，使得可旋转承载盘组件中的一个或多个借助旋转构件可以相对于相邻承载盘组件进行同心旋转；. 6.借助摩擦降低构件从相邻承载盘组件隔开，以降低相邻的承载盘组件之间的摩擦并促进可旋转承载盘组件相对于相邻承载盘组件的旋转；. 7.由多个与相邻承载盘组件中的相同数量的磁芯元件相对应的磁芯元件组成；. 8.尺寸设置为使得磁芯元件在承载盘组件的尺寸范围内得到合适限制； o.确定是否需要将多个承载盘组件集成或固定到壳体中，其中相应数量的可旋转承载盘组件位于一个或多 个几何平面中。
【文档编号】H01F7/04GK103988267SQ201280060721
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2011年12月7日
【发明者】J·G·迈克尔 申请人:创新工程解决方案公司