磁通聚焦的成型永磁体、具有该磁体的磁性单元、具有该磁性单元的设备以及非对称地聚焦永磁体的磁通场的方法

摘要

一种磁通聚焦的成型永久磁体包括磁性材料体，所述磁性材料体具有多个表面轮廓造型，以形成具有凸起表面的磁通减小侧和具有凹入表面的磁通增大侧。所述表面形成高磁阻外部磁通路径和低磁阻外部磁通路径，从而产生聚焦的非对称磁通场。还提供了一种磁性单元和动力装置，该磁性单元具有成型永磁体以及磁通吸引器或者由两个分段的永磁体互相连接的两个成型永磁体，该动力装置具有静止的定子环、在所述定子环内旋转的转子盘以及在所述转子盘和所述定子环上的多个磁性单元。

说明书

技术领域

本发明涉及磁通聚焦(flux-focus)的成型永磁体。本发明还涉及具有该磁体的磁性单元、具有该磁性单元的设备以及用于非对称地聚焦永磁体的磁通场(flux field)的方法。

背景技术

永磁体在其实用性上被其对称的磁通场所限制。因为永磁体的对称性，使同名磁极聚拢所耗费的能量与磁极在相斥中送回的能量相同，所以永磁体的磁极力(pole force)是自中和的(self-neutralizing)。

诸如电磁体的非对称或者聚焦磁场的磁体具有容易利用的场差(field difference)，并且如果永磁体以非对称或不相等的磁通场制成，则可以具有改善的实用性。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种磁通聚焦的成型永磁体、具有该磁体的磁性单元、具有该磁性单元的设备以及用于非对称地聚焦永磁体的磁通场的方法，其克服了前面所提到的目前已知的设备以及该一般类型的设备的缺点，并且允许基于改变磁体本身的形状和轮廓以生成可用的磁通场非对称性来改善永磁体的磁通场的应用。磁通非对称引起磁力场差别，并且可以利用这些磁力的差别。该发射的磁通能量可以通过减少在其它方向上的发射而被聚焦于一个优选的方向上，保持总的发射能量恒定。

考虑前述的以及其它目的，根据本发明，提供了一种磁通聚焦的成型永磁体，该永磁体包括磁性材料体，该磁性材料体具有多个表面轮廓造型，以形成具有凸起表面的磁通减小侧和具有凹入表面的磁通增大侧。这些表面形成高磁阻(resistance)外部磁通路径和低磁阻外部磁通路径，从而产生聚焦的非对称磁通场。

考虑本发明的目的，还提供了一种磁性单元，该磁性单元包括磁通聚焦的成型永磁体，该永磁体具有磁性材料体，该磁性材料体的表面轮廓使得形成具有凸起表面的磁通减小侧和具有凹入表面的磁通增大侧。这些表面形成高磁阻外部磁通路径和低磁阻外部磁通路径，从而产生聚焦的非对称磁通场，并且该磁性材料体具有两个磁极端面。由高导磁(permeable)材料形成的磁通吸引器具有两个端面。磁通吸引器的两个端面中的一个与成型永磁体的端面中的一个接触，使磁场线在磁通吸引器的端面中的另一个和成型永磁体的端面中的另一个之间延伸。

考虑本发明的目的，还提供了一种磁性单元，该磁性单元包括两个磁通聚焦的成型永磁体，每一个永磁体具有磁性材料体，该磁性材料体具有表面轮廓造型，以形成具有凸起表面的磁通减小侧和具有凹入表面的磁通增大侧。这些表面形成高磁阻外部磁通路径和低磁阻外部磁通路径，从而产生聚焦的非对称磁通场，并且该磁性材料体具有两个磁极端面。两个分段的永磁体一起与每一个成型永磁体的端面中的一个互相连接。

考虑本发明的目的，还提供了一种动力(kinetic)装置，该动力装置包括：静止的定子环；转子盘，该转子盘在该定子环内旋转，并在该定子环和该转子盘之间限定相互旋转表面；以及多个根据本发明的磁性单元，其设置在所述转子盘和所述定子环上。所述转子盘上的磁性单元和所述定子环上的磁性单元被设置为在所述相互旋转表面周围彼此相对。磁通吸引器的端面中的另一个和每一个磁性单元的成型永磁体的端面中的另一个面对所述相互旋转面。

考虑本发明的目的，另选地提供了一种动力装置，该动力装置包括：静止的定子环；转子盘，该转子盘在该定子环内旋转，并在该定子盘和该转子盘之间限定相互旋转面；以及多个根据本发明的磁性单元，其设置在所述转子盘和所述定子环上。所述转子盘上的磁性单元和所述定子环上的磁性单元被设置为对于所述相互旋转面彼此相对，并且每一个磁性单元的每一个成型永磁体的端面中的另一个彼此面对。

考虑本发明的目的，附带地提供了用于非对称地聚焦永磁体的磁通场的方法。该方法包括对磁性材料体进行表面轮廓造型，以形成具有凸起表面的磁通减小侧和具有凹入表面的磁通增大侧。利用所述表面形成高磁阻外部磁通路径和低磁阻外部磁通路径，以产生聚焦的非对称磁通场。

在所附权利要求中阐明被视为本发明特性的其它特征。

虽然本发明在此被示出和描述为以磁通聚焦的成型永磁体、具有该磁体的磁性单元、具有该磁性单元的设备以及用于非对称地聚焦永磁体的磁通场的方法实施，然而，其不旨在限于所示细节，因为在不脱离本发明的精神的情况下，在权利要求的等同物的范围内可以对本发明进行各种修改和结构上的改变。

然而，当结合附图阅读特定实施方式的以下描述时，将最好地理解本发明的构造和操作方法以及本发明附加的目的和优点。

附图说明

图1是现有技术的U形或所谓的马蹄形磁体及其磁场的照片；

图2是现有技术的矩形或所谓的条形磁体及其磁场的照片；

图3是现有技术的马蹄形磁体的概要俯视图，表示了马蹄形磁体的磁通或磁场向量的方向；

图4是现有技术的条形磁体的俯视图，表示了条形磁体的磁通或磁场向量的方向；

图5A至图5E分别是根据本发明的具有聚焦磁通的成型永磁体的俯视图、侧视图、端部立体图、侧面立体图以及顶部立体图；

图5F至图5G分别是与图5B和图5C相似的视图，它们旋转了90度，并示出了由成型永磁体产生的磁通线；

图6A至图6D分别是根据本发明的磁通吸引器的底视图、侧视图、侧面立体图以及底部立体图；

图6E至图6F分别是由磁性吸引导磁材料和电绝缘并磁分离的多个层形成的磁通吸引器的另选实施方式的底视图和侧视图；

图7A至图7B分别是如图5B所示的成型永磁体与如图6B所示的磁通吸引器的组件的侧视图和底部立体图；

图8是反磁性(dimagnetic)盖的侧面立体图；

图9A至图9B分别是如图5B和图5D所示的成型永磁体的侧视图和侧面立体图，其中所述成型永磁体具有如图8所示用于增加磁通聚焦的反磁性盖；

图10A至图10D分别是磁性单元的端部侧视图、左侧视图、右侧视图和立体图的分解图，其中所述磁性单元具有图如7A至图7B所示的组件以及如图8所示的反磁性盖；

图11A至图11C是如图10A至图10D所示的两个组合的磁性单元的侧视图，其中，所述两个组合的磁性单元彼此相对设置，并且关于它们的强磁通侧和弱磁通侧在不同的位置对准；

图12是具有定子环以及转子盘的设备的侧视图，其中所述定子环及转子盘具有如图11A至图11C所示的磁性单元；

图13A是本发明另一实施方式的侧视图，其中，如图5B与图5D所示的两个成型永磁体具有如图8所示的用于增加磁通聚焦的反磁性盖，所述两个成型永磁体通过两个分段的相似永磁体互相连接，以形成磁性单元，从而避免与导管通道(conduit channel)相冲突；以及

图13B至图13D是根据图13A的两个磁性单元的侧视图，其中所述两个磁性单元彼此相对设置，并且关于它们的强磁通侧和弱磁通侧在不同的位置对准。

具体实施方式

现在详细参照附图，首先，具体参照附图中的图1，可见到U形或马蹄形永磁体的照片，该永磁体在U形的腿的端部具有北极和南极，并且可见到指示两极之间的磁场的图案中的感应线。可以通过在放置在磁体上方的一张纸上撒铁屑来示出这样的感应线。同样地，图2示出在其端部具有北极和南极的矩形或条形磁体，并示出了指示两极之间的磁场的感应线。图3概略地示出了图1的马蹄形磁体、北极N、南极S以及从北极到南极的磁通或磁场向量的方向。图4以类似的方式概略地示出了图2的条形磁体、北极N、南极S以及从北极到南极的磁通或磁场向量的方向。另一种未示出的但常见的形状是环形磁体，其常用于计算机的存储磁芯中。圆棒形、环形、盘形、多指环形、肾形和梯形也是已知的磁体形状。可以通过在模具中铸造以及将粉末碾入或挤压到模具中、以及压力粘结或烧结来制作其它形状。

已知感应线源于北极止于南极。它们的方向是磁场的方向并且区域中的感应线的数目代表感应线的密度和磁场的强度。因为线在磁极附近会聚，所以那里的磁场最强。还已知可以通过例如与条形磁体相比在马蹄形磁体中将磁极靠近地放在一起来增加永磁体的强度。磁场在一定的限度内取决于发射体的形状，并且可以通过改变发射磁体的形状或形式来改变这些磁场的形状，如图1至图4所示。

尽管在磁场中放置非磁性材料对磁通没有影响，但是在磁场中放置磁性材料(例如高导磁软铁)将使磁通改变方向。

图5A至图5E示出了根据本发明的成型永磁体1，该成型永磁体1产生非对称的磁通场。该成型磁体具有主体，该主体包括具有凸起表面2的磁通减小侧和具有凹入表面3的磁通增大侧，该主体通过如下的方法制成：对磁体的形状进行受控的弯曲和锥形化(tapering)；使磁质心偏离中心；表面轮廓造型；选择性地生成相对的较长外部磁通路径或较短外部磁通路径；以及/或者选择性地生成相对的高磁阻外部磁通路径或低磁阻外部磁通路径；以及其它根据本发明实现的特征，这些特征用于在永久磁体中生成可用的、差异化聚焦的、非对称的磁通场的特定目的。对于其它原因的磁体形状的改变不在本发明的意图内或者与本发明不具有可比性。

如图5B所示，在所期望的具有凸起表面2的磁通减小侧上，利用了总的表面横向和纵向凸起曲率。该弯曲轮廓和延长导致磁通力或磁通线在强度方面定向地散开、散射、扩散并且减小。在横向的x轴和纵向的y轴上，磁通强度都减小。在该磁通减小侧上的磁通路径长度在x和y轴上都更加长，并且增加的路径长度增大了磁通磁阻并减小了磁通强度。

在所期望的具有凹入表面3的磁通增大侧上，利用匹配双轴或x-y轴总的表面横向和纵向凹入曲率来缩短在该侧上的两个轴方向上的磁通路径，并且通过定向聚焦以及在x轴和y轴上以会聚向量将磁场从该优选的磁通侧导向焦点来集中磁通密度。磁通路径缩短和聚焦实现了磁通密度的增加以及可以被利用的磁场非对称性。

还可以通过附加的角度和焦距在x轴和y轴上形成两个磁极端面4、5，其中表面在一个或两个方向凹入，并且其角度朝向磁通增大或较强侧，从而进一步提高磁场非对称性以及定向的磁通发射，并且其中磁通进一步从该表面延伸，如图5A至图5E所示。

图5F至图5G示出由成型永磁体产生的磁通线。在图5F的顶部，磁通线被弱化、扩展开并且以垂直方向进入磁体。磁通线以对准的方式离开磁体的面4、5，并被聚焦、加强并且在底部的主轴附近会聚，并具有焦点8。图5G同样地示出磁通线在顶部扩展开并且在底部向焦点9会聚。

图6A至图6D示出了高导磁的磁通吸引器10。高导磁材料是一种可以很容易被磁化的材料。高导磁磁通场吸收材料可以是镍铁钴合金或镍铁高导磁合金(镍、铁、铜、钼合金)，它们吸引磁通的能力比空气大数千倍。磁通吸引器10可以被形成作为独立的磁通吸引器，它是进一步将磁通吸引到磁通增大侧并且进一步增大磁场的非对称性的组装元件。

在所示的实施方式中，磁通吸引器10具有第一端部11、中间部12以及第二端部13，还具有端面14和15。所有三个部分都弯曲至较大或较小的程度以形成磁性单元的期望形状，下面将具体讨论。

根据图6E与图6F所示的另选实施方式，由磁性吸引导磁材料层18以及电隔离或电绝缘且磁性分离的层19(例如具有诸如纸的磁中性层)以纵向层叠的方式形成磁通吸引器10’，以增大元件表面面积，从而改善高磁通密度的通路，该高磁通密度在导磁材料的表面上或表面附近比在导磁材料的内部更有效地流动。虽然仅示出了三层，但是可以使用五层或更多层。该导磁材料不用作容纳(containment)通道。

图7A与图7B示出图5A至图5E的成型永磁体1以及图6A至图6D的磁通吸引器10的组件。磁力线在该组件的磁极之间延伸，在该情况下由表面5和15来限定该组件的磁极。

图8示出了石墨、铋金属或其它合适材料的反磁性或抗磁性材料盖20。如图9A和图9B所示，盖20具有凸起表面22和凹入表面23，它可以被设置或形成在成型永磁体1的磁通减少或较低侧的表面2上，以进一步将磁通与优选的磁通增加侧相隔离，并且进一步增大磁场的非对称性。可以利用外部横向脊(ridge)来形成该反磁性材料，以通过增加磁通路径的长度来进一步阻止流动。所需的磁极到磁极的磁通的自然回路实际上被增强，但是引入了可用的非对称性。

图10A至图10D是具有成型永磁体1、磁通吸引器10以及盖20的磁性单元30的第一实施方式的分解图。图11A至图11C示出相对于彼此处于不同位置的两个组装的磁性单元30。在每一种情况中，两个磁性单元30的表面5和15朝向彼此取向。这样，在图11A中，由磁性单元30的表面5限定的同名磁极弱侧对弱侧地彼此接近，在图11B中，由磁性单元30的表面5限定的同名磁极几乎直接彼此相对或者在接近与离开之间处于零排斥(上死点)位置，在图11C中，由磁性单元30的表面5限定的同名磁极越过彼此使得强侧对强侧地偏离。还可以看到，在图11B中，上磁性单元30设置在静止的定子环40上，而下磁性单元30设置在转子盘41上，该转子盘41在定子环40内沿着由分隔线44指示的转子盘41和定子环40的相互旋转表面旋转。定子40和转子41可以由低摩擦材料(例如，塑料)形成，或者定子40和转子41可以装配有滚珠轴承，从而它们可以在彼此之上滑动，但它们优选地稍微隔开并且不发生接触地相互旋转。

通过从产生强烈的磁通发射的磁通吸引导磁材料分离磁通会聚磁极，来从发射北极形成聚焦的磁通发射，以用于任何相对的同名磁极的聚焦的排斥或者用于控制通过该加强的磁通区域的易受磁性影响的质量(mass)、微粒或发射束。可以改变对于这些组合装置的导磁材料分离、间隔、位置、尺寸、角度和磁通密度的磁极，以在其最有效的焦点和交互角度上发出磁通发射，并且所述通过反向面对相似的磁性单元30的同名磁极或者其它易受影响的质量、粒子或者束。

用于聚焦磁场的该方法和设备克服了不适用的对称场的问题并允许实际使用具有非对称磁通场的永磁体系统。与在永磁体和组装单元中的相对的低磁通、弱侧相比，该非对称磁通场的磁性方法和组装设备产生经改善的并且可用的、高磁通、强侧差异。

如果使用该方法和单元的同名磁极横向地以弱磁通侧对弱磁通侧的方式靠近，则它们的排斥阻力被减小，并且，由于它们的横向偏离是自动地以强磁通侧对强磁通侧的方式，所以这些分开或推力实质上是增强的，如图11A至图11C所示。

散焦的或减小的接近排斥和聚焦的或增大的分离推进是可以在静态的或运动的设备中利用以执行工作的力差。

永磁体和磁性单元的内在磁通聚焦的该方法也可以改善诸如利用磁通场的易受磁性影响的质量、微粒或发射束的控制器的静态设备以及诸如利用传统的、非聚焦的、对称场的永磁体的电动机或发电机的运动设备。

根据本发明通过利用多个磁性单元的组合装置的永磁体的该内在的或形状磁通聚焦也生成了磁性驱动设备。

如图12所示，在所示的组装的多磁性单元设备42中，单独的组装的磁性单元30可以以诸如单元数量、位置、偏移定时和角度的变量被设置在定子环或单元40与转子盘或单元41上的功能相反的组中，从而当转子单元41绕着定子单元40内的轴43旋转时，在将其构造为自供电的永磁体设备时最大化推进力、使脉冲推力(pulse thrust)平均并防止吸引死锁(attraction lockup)。在转子盘41和定子环40上的磁性单元30在相互旋转面44周围彼此相反地设置，通过这样的方式，每一个磁性单元30的磁通吸引器10的端面15和成型永磁体1的端面5面对着相互旋转面44，因而彼此相互面对。这样，磁性单元30跨过分离线44相对于彼此以180度翻转或偏移。

一旦转子单元41被设置进入旋转，它将旋转一段延长的时间并最终由于永磁体1的最终弱化而减慢。当转子单元41旋转时，轴43也旋转并且可以进行工作，诸如通过驱动机器或发电机来进行工作。

图13A示出了本发明的磁性单元的第二实施方式，它也避免使用导管通道。在图10A至图10D的磁性单元30的实施方式中，提供了成型永磁体、反磁性盖以及磁通吸引器。相反地，图13A的磁性单元50包括两个具有反磁性盖20的成型永磁体1，其中，右边的永磁体和反磁性盖与左边的永磁体和盖相比是缩短的。成型永磁体1的端面4也由两个分段的相似永磁体51、52相互连接。与永磁体1相似，永磁体51、52也是磁通控制永磁体。因此，第一实施方式的导磁材料在第二实施方式中被替换为两个相似的但可能更短的有效永磁体单元，以进一步增强所发射的磁通弧。

图13B至图13D示出相对于彼此在不同位置的磁性单元50。磁性单元50处于与图12底部的磁性单元30相似的位置。因此，上部单元50是与其它单元一起设置在转子盘41上的转子元件，该转子盘41以箭头54所指示的旋转方向绕着轴43旋转，并且，下部单元50是与其它单元一起设置在静止的定子环40上的定子元件。在图13B中最靠近的成型永磁体1的另一端面5具有削弱的最大排斥。当转子盘或单元41旋转到图13C所示的位置时，最靠近的成型永磁体1的另一端面5具有增强的最大推进。最终，在进一步旋转之后，磁性单元50到达中间位置，并且由于永磁体1的同名磁极之间的距离，永磁体1的同名磁极之间具有最小的交互。

根据本发明，保持了能量守恒，因为能量首先被输入并以对准的磁畴的形式有效地储存在磁体内，并且在耗尽之后必须再充入(recharge)。

磁体由无限可分的微磁畴组成，该磁畴形成遍及磁体的越来越大的磁畴或共同的列。

作为成型的结果，根据本发明的磁畴被形成为在外围更长以及更强，而在中间更短以及更弱。弯曲、锥形化和轮廓造型的物理改变导致这些物理改变的直接的外部磁通复制，并且将相应的主要磁通场差异聚焦为可用的磁通场非对称。