CN1402876A - 可变换的永磁装置 - Google Patents

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Abstract

一种可变换的磁装置包括一第一磁体(10)和一第二磁体(11)，两磁体均基本为圆柱形。磁体(10、11)被容纳在由磁极件(12、13)制成的壳体内。磁极件(12、13)是铁磁性的。下部磁体(10)固定地安装在壳体内，而上部磁体(11)可以在壳体内转动。上部磁体(11)沿其垂直侧壁形成有凹口或凹槽(14、15)。这些凹口或凹槽(14、15)可接收杆(18)的向下悬臂(16、17)。杆(18)可被接收在突部(20)上形成的一凹槽(19)内。突部(20)与短杆(21)相连，而该短杆(21)又与把手或杠杆(22)固定地相连。通过这种装置，把手或杠杆(22)的转动使第二磁体(11)转动。当上部磁体(11)定位成其北极基本覆盖在下部磁体(10)的南极上，而上部磁体(11)的南极基本覆盖在下部磁体(10)的北极上时，第一和第二磁体可用作一内部活动磁分路，并且产生的结果是装置外部磁场强度相当低。将上部磁体(11)围绕其旋转轴线转过180°，使两磁体定位成上部磁体(11)的相应的北极和南极基本覆盖在下部磁体(10)的相应的北极和南极上。在这种定位方式中，装置的外部磁场相当强，而该装置可以附着表面或物体。

Description

可变换的永磁装置
发明领域
本发明涉及一种磁装置。具体地说，本发明涉及一种可变换的永磁装置。
发明背景
永磁体由适当磁化的铁磁体材料组成。永磁体无需电流便可提供磁场。永磁体可被铁磁体材料吸引，并且可以牢靠地吸附在一起。然而，永磁体存在这样一个缺点，即它们的能量输出是固定的，如果需要磁场强度变化，就不能使用永磁体。
由于永磁体存在上述这个缺点，故人们习惯使用电流或电磁铁来控制磁场。通过控制电流的强度和方向，可以顺利地控制电磁铁的磁场的强度和方向。然而，这需要提供连续使用的电流源以及相连的导线。这样可能导致复杂性并造成隐患。
人们已经作了多次尝试来配置永磁体，以达到磁场强度变化的目的。许多不同的方法被用来试着产生可行的解决方案。然而，这些方法会导致构造庞大而复杂，或者导致装置生产成本过高。在一些不完整的外部磁路的情况下，例如，当磁体和保持件之间有间隙的情况，或者当诸如含铁的薄片金属之类的保持件或基底的导磁率较低的情况，现有技术中的装置几乎不注意在装置和基底之间达到良好的保持力。在现有技术的装置中，为了达到良好的保持力，磁体和基底之间必须达到完好的接触，并且基底必须有充足的体积，以使得能产生充足的磁通量。当然，这在实际中是很难达到的。
美国专利No.3121193(Engelstead)揭示了一种永磁体型的工件保持装置，尤其揭示了一种适用于变换操作的夹盘(chuck)。Egnelstead的装置由若干永磁体阵列构成，其中磁体的结构基本为矩形。为了调节场强，一磁极件的阵列从与另一磁极件阵列的排列中移入和错开。
美国专利No.4251791(Yanagisawa)揭示了一种磁性基座，该磁性基座在一配合位置之间是可变换的，并且通过操作特别设置在磁路块中的单个旋转永磁体，该磁性基座可以与一物体释放开。Yanagisawa中的旋转磁体可旋过90°，以在励磁和不励磁的状态之间变换。该装置依靠使用充分质量的无源外部磁性构件(Yanagisawa的图1的12和14)，这些构件具有一个定位在其中的可转动磁体(20)。
英国专利申请No.2130797涉及一种永磁体夹盘，该夹盘可以通过改变固定的永磁体和活动永磁体之间的相对位置关系而从励磁状态向不励磁状态变换。为了使磁场变化，活动永磁体相对于固定的磁体横向移动。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改进特性的可变换的磁装置。
在第一个方面中，本发明提供了一种可变换的磁装置，该装置包括一壳体、一第一永磁体、一第二永磁体以及致动装置，所述第一和第二永磁体基本为圆柱形，所述第一和第二永磁体以直径方向被极化，所述第一和第二永磁体被安装在壳体内，使第一和第二永磁体可相互相对转动，而其中的致动装置用于使第一和第二永磁体相对转动，其中，当所述第一和第二永磁体相互相对设置成第一磁体的北极和南极与第二磁体的北极和南极基本对齐时，所述装置呈示出相对较强的外部磁场，而当第一和第二永磁体相互相对设置成第一磁体的北极与第二磁体的南极基本对齐时，所述装置呈示出相对较弱的外部磁场，并且反之亦然。
较佳地，第一和第二磁体为基本的圆盘形。
较佳地，第一磁体和第二磁体安装在壳体内，使第一磁体的一表面与第二磁体的一表面相对。更佳地，一磁体安装在另一磁体上方。
较佳地，一磁体固定地安装在壳体内，而另一磁体能够在壳体内转动。
壳体可以包括一对无源的铁磁元件，这对元件是磁性独立的，例如，通过一空气间隙或通过一种或多种高磁阻材料。壳体最适于形成一腔室，第一和第二磁体设置在该腔室中。该腔室可具有打开端部，或者更佳地，该腔室为一闭合腔室。可适当地使用腔室闭合构件来使腔室闭合。
在另一实施例中，壳体被制成一整体结构或由一单件材料制成。在该实施例中，壳体的两部分具有减小的截面积，这样壳体可用作两个无源磁极。或者，壳体的两部分被处理成非磁性的，由此使得壳体用作两无源磁极。
壳体最好由具有较低磁阻的材料制成。例如低碳钢、铁或坡莫合金都是制作壳体适合的材料。
壳体最好包括一对无源磁极。通过将一对无源磁极作成一定形状，可以使外部磁场强度最大化，这样它们可以反射围绕第一和第二永体周边的磁场强度。
第一和第二磁体最好基本为圆盘形。更佳地，第一和第二磁体基本为圆柱形，而圆柱的高度比圆柱的直径小。需理解的是，第一和第二磁体无须完全为圆柱形，圆形截面的轻微的变化也落在本发明的范围之内。磁体的高度可以在很广的范围内变化，而直径与高度的比率也可以在很广的范围内变化。
第一第二磁体也是以直径方向被磁化的。藉此，通过磁体的圆柱表面的直径，北极区域与南极区域隔开。北极区域和南极区域都存在于磁体基本的圆形上下表面上，并且通过磁体的长度或高度延伸。
如上所述，较佳地，一个磁体固定在壳体内，而另一个磁体可以在壳体内转动。特别转佳的是，转动磁体可以围绕其基本圆形表面的中心点转动。以这种方式，可以免除对壳体内壁和转动磁体之间的较大间隙的需要。在该实施例中，转动磁体的旋转本体的形状与磁体本身相同(例如为俯视图或平面图中基本的圆形)，并且磁体可以转动，但仍然可以保持其相对于壳体壁的定位。
用于引起磁体相对转动的致动装置包括一把手或突节，该把手或突节与一个磁体相连。把手或突节可以通过一个或多个中间构件与一磁体相连。
把手或突节通过手动、电动、气动、液压制动的方式或者通过一双金属片的膨胀动作而转动，或者也可通过其它任何适合的方法转动。
把手可以包括一扭矩感应杠杆，该感觉杠杆不允许超过预定量的扭矩施加到一磁体上。在这方面，如果没有外部负载力施加到装置上，就很难使装置在激活和不激活之间变换。如果没有充足的外磁路存在的话，作为致动装置的一部分的扭矩感应杠杆的使用导致该装置不可能在激活和不激活的状态之间转换。
如上所述，壳体较佳地包括两个无源极，另外较佳地，一个磁体固定在壳体内。而在本较佳实施例中，该一个磁体固定在位，从而向磁极件永久性地供给能量。
本发明中的永磁体可以为任何适合的类型。目前最佳的是稀土磁体，其原因在于它们具有较强的磁场。这类磁体还具有较高的矫磁性，这意味着它们可抗抵变得退磁。可以假想，永磁体技术将持续发展，未来将会有更加强有力的磁体可供本发明使用。
第一和第二磁体可以彼此基本相同。或者，第一和第二磁体可以具有不同的磁性能。这些磁体可以具有相同或不同的物理尺寸。第一和第二磁体的磁性能或物理尺寸的变化可以用在本发明的某些实施例中，以改变磁变换特性。
本发明可以用作一可变换的磁性保持装置。例如，该装置可以用于紧密配合若干表面，尤其是金属表面。在一些实施例中，装置附着的表面可以邻接于下部磁体的下表面设置，或位于下表面的下方。在另一些实施例中，装置附着的表面可以邻接于磁体的侧表面，或在这些侧表面的旁边。
或者，该装置可以用在这样一些应用中，这些应用主要需要或希望使用磁场。例如触发磁性传感器又例如在矿井中和粒子偏转应用等等中。
附图的简要描述
为了更完全地理解本发明，以下将参照附图对本发明的一较佳实施例进行描述，这些附图分别为：
图1为用于本发明的基本圆柱形的磁体的立体图；
图2示出了根据本发明的装置，其中示出用于装配的零件分解情况；
图3和图4示出了根据本发明的装置的截面侧视图，以说明本发明的原理；
图5示出了根据本发明的装置中旋转角度和外部磁场之间的关系；以及
图6示出了根据本发明的装置的端视图，其中特别示出了用于磁极件的一种可能的合适的形状。
实施例的详细描述
如图1所示，磁体1可以作为一圆柱形磁体进行描述。该磁体以直径方向磁化的。这样，也就意味着磁体的北极和南极之间的抽象的划分可以由沿圆盘磁体1的上表面3的直径2通过的垂直平面而实现。
图1示出的圆盘磁体1最好为一稀土型的磁体，例如磁体1可以为一钕-铁-硼磁体。本发明也可使用其它的永磁体材料。
请看图2，该装置包括一第一磁体10和一第二磁体11。两磁体10、11均为基本的圆盘形的磁体，并且与图1中示出的磁体1类似。磁体10、11被容纳在由磁极件12、13制成的一壳体内。磁极件12、13最好由低磁阻的铁磁材料制成。磁极件12、13被设置成使它们将下部磁体10固定地保持在一个固定位置中。然而，上部磁体11能在由磁极件12、13形成的壳体内转动。
为了便于上部磁体11转动，沿磁体11的垂直侧壁形成有凹口或凹槽14、15。这些凹口或凹槽14、15可接收从杆18的向下悬臂16、17。杆18可接收在突部20上形成的一凹槽19内。突部20与短杆21相连，而该短杆21又与把手或杠杆22固定地连接起来。通过这种方法，把手或杠杆22的转动使第二磁体11转动。应理解地是，第二磁体11基本围绕其中心点转动。
该装置还包括一顶盖23，该顶盖23与由磁极件12、13形成的壳体牢靠地固定在一起。顶盖23使由磁极件12、13形成的壳体的顶部密封。需指出的是，突部20延伸通过顶盖23中的一开口，而密封构件24将有助于围绕该开口形成一种防水且防尘的密封。
在图2示出的该装置的一实施例中，下部磁体10的下表面形成了该装置下表面的一部分。在该实施例中，下部磁体10的下表面定位成，使其基本与相应的磁极件12、13的下表面邻接。
在另一实施例中，装置的下表面由一下盖提供(未图示)。
较佳地是，在任何一种实施例中，该装置是基本密封的，这样能使它充分地防水和防尘。这使得装置可以被用在苛刻的环境中，例如多尘的环境、潮湿的环境，或者甚至完全浸没于水中。
图3和图4示出了根据本发明的装置的工作原理。在图3和图4中，第一磁体10和第二磁体11被安装成使第一磁体10位于第二磁体11之下。第一和第二磁体10、11被安装成面对面的并置状态。第一磁体10固定安装，而第二磁体11安装成可围绕旋转轴线24转动。
在图3中，第二磁体11被定位成其北极基本覆盖在第一磁体10的南极上。类似地，第二磁体11的南极基本覆盖在第一磁体10的北极上。在这种配置中，第一和第二磁体用作一内部活动磁分路，而产生的结果是，装置的外部磁场强度相当低。
将上部磁体11围绕其旋转轴线转过180°使磁体达到如图4所示定位排列。在这种定位排列中，上部磁体11相应的北极和南极基本覆盖在下部磁体10的相应的北极和南极上。在这种定位排列中，来自装置的外部磁场相当强，并且该装置可以牢靠地与铁磁性表面相连。无源磁极对于帮助图3和图4所示的磁功能性而言是很重要的。
图5示出了旋转角度和外部磁场的变化之间的摸拟关系。曲线的准确性取决于圆盘磁体以物理形状以及磁极件(12、13)的形状被磁化的方法。磁性圆盘件10、11的磁能积比率变化可以对图5中曲线作进一步修改，以适应特定的应用。
外部磁场的强度的进一步增强可以通过使磁极件12、13的壁厚以这样一种方式形成一定形状而实现，即，使壁厚反映围绕永久磁化的圆盘件10、11的周边的磁场强度变化。
图6示出了根据围绕磁性圆盘件10、11周边的场强H变化而形成一定形状的磁极件12、13的设计。磁场逆平方法则的应用可以达到良好的结果，但不是特定材料和影响最佳形状的应用。具体地说，磁极件的壁厚可以如下变化：
(a)椭圆形磁极，其中壁厚为磁体周边的场强的数学函数；
(b)椭圆形磁极，其中壁厚为磁体10和11磁质量的分布的数学函数；
(c)圆形磁极件，其中壁厚是恒定的，而围绕周边的磁场强度较低但是均匀的。
如图6所示，椭圆形的壳体的外罩壳的形状使外部场强最大化，并有助于使该装置在不完全磁路中保持在适当的位置。在实践中，当装置的底部和与之相连的表面之间存在间隙，或者当装置的底面和与之相连的表面之间置有非磁性材料时，会碰到不完全磁路的情况。
本发明的较佳实施例的另一个特点在于，磁极具有所能达到的最短长度。这些磁极形成了磁路的一部分(沿着磁体)。磁极具有会导致磁能损失的固有的磁性阻抗(磁阻)。因此，本发明使磁极的长度最小化，从而使磁能损失最小化，由此使外部场强最大化。
另外，已经发现，随着通过外部回路磁通量的增加，使上部磁体11转向“开”位置所需的扭矩显著减小。因此，一个附加的特征在于一扭矩感应杠杆，如果存在适合的外部磁路，该扭矩感应杠杆仅允许装置变换到“开”位置。
本发明利用了一种“活动的”分流技术，其中通过使用磁体本身来实现一磁短路，可以使磁路从一种较强的外场向一较弱的外场变换。无源磁极可以被减至最小量，而该最少量的无源磁极对于保持所能达到的最大磁力而言又是必须的。这应当与前述引用的Yanagisawa中揭示的“无源”分流进行对比，在“无源”分流中无源的铁磁性的外部磁极在永磁体的磁极之间建立了一个磁短路。为实现这种分流，较强的永磁体要求无源性材料量相对较多。
在本发明较佳实施例中具有这样一个优点：在磁体之间、围绕磁体以及在磁体和磁极之间的摩擦非常小。这是在圆柱形磁体和磁极以及壳体的壁之间对称拉动的结果，使得净吸引力为零。
本发明的较佳实施例还充分利用了B-H曲线下方的区域。短磁极的使用也减小了磁极的磁阻，由此使通过这些磁极的磁损最小化。
本发明的较佳实施例的另一个优点在于，大量场力线通过磁极件引导至工件或表面。
本发明的可变换的磁装置提供了一种紧凑又坚固的装置，该装置可有各种用途。直径方向极化的基本圆柱形磁体的使用使装置更为紧凑，并且还使磁体可相互相对转动，而无须在内部腔室中为了移入的磁体留有较大的空隙量。外部磁极件的形状使外部磁场最大化。装置使用起来很简单，它可以提供一较强的保持力来将物体牢靠地保持在位置中。
精于本技术领域的人员可以理解的是，除上述特定描述以外，本发明还可以有各种变形和改变。需理解的是，本发明将涵盖所有落入本发明精神和范围内的变形和改变。

Claims (24)

1.一种可变换的磁装置，该装置包括一壳体、一第一永磁体、一第二永磁体以及致动装置，所述第一和第二永磁体基本为圆柱形，所述第一和第二永磁体以直径方向被极化，所述第一和第二永磁体被安装在壳体内，使第一和第二永磁体可相互相对转动，而该致动装置用于使第一和第二永磁体相对转动，其中，当所述第一和第二永磁体相互相对设置成使第一磁体的北极和南极与第二磁体的北极和南极基本对齐时，所述装置呈示出相对较强的外部磁场，而当第一和第二永磁体相互相对设置成使第一磁体的北极与第二磁体的南极基本对齐时，所述装置呈示出相对较弱的外部磁场，并且反之亦然。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二磁体基本为圆盘形。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，第一和第二磁体被安装在壳体内，使第一磁体的一表面与第二磁体的表面相对。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，一磁体设置在另一磁体上方。
5.如权利要求1到4中的任何一项所述的装置，其特征在于，一磁体固定地安装在壳体内，而另一磁体可在壳体内转动。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，将另一磁体转过180°，可使装置从具有相对较强的外部磁场的状态变化为具有相对较弱的外部磁场的状态。
7.如上述任何一项所述的装置，其特征在于，壳体包括两磁极件。
8.如权利要求1到6中任何一项所述的装置，其特征在于，壳体被制成一整体结构或由一单件材料制成。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，壳体的两部分具有减小的截面积，这样壳体可用作两个无源磁极。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，壳体的两部分被处理成非磁性的，由此使得壳体用作两无源磁极。
11.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，壳体形成一腔室，第一和第二磁体被安装在该腔室内。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，腔室具有打开端部。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，一个或多个腔室闭合装置使腔室的一个或多个打开端部闭合。
14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于，第一磁体和第二磁体的最下部闭合腔室的下端。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，腔室具有闭合端。
16.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，壳体由具有较低磁阻的材料制成。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，壳体由低碳钢、铁或坡莫合金制成。
18.如权利要求7-17中的任何一项所述的装置，其特征在于，磁极件被设置成一定形状，使外部磁场最大化。
19.如权利要求17-18所述的装置，其特征在于，磁极的长度为最小。
20.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，致动装置包括一个与一磁体相连的把手或突节。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，把手或突节通过一个或多个中间构件与磁体之一相连。
22.如权利要求20或21所述的装置，其特征在于，把手包括一超过预定量的扭矩，以施加到一磁体上。
23.如权利要求20到22中的任何一项所述的装置，其特征在于，把手或突节可以通过手动、电动、气动、液压的方式或者通过-双金属片的膨胀动作而致动。
24.如上述任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，第一和第二磁体包括稀土型磁体。
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