CN1305634A - 用于构成磁固定组件和相关的组件的模块 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成组件的模块,其包括至少一个用于产生吸力的有效磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48)和适用于限定用于和其它模块连接的区域的至少一个铁磁元件(6,21,22,30,40,44),利用这些模块,可以形成一个模块组件,其通过所述铁磁元件提供完全闭合或至少部分闭合的磁路。

Description

用于构成磁固定组件和相关的组件的模块
本发明涉及一种模块，这些模块可以被连接而形成可以用于多种领域中的组件，例如形成用于游戏或教育的组件，呈装饰品形式的室内用品，分子集聚模块，模型，舞台，舞台组件和许多其它用途。
由永磁材料制成的模块是公知的，这些模块被用于一种用途而不用于由许多模块组成一种组件。例如这些永磁模块被用于国际象棋或跳棋中，其磁元件位于铁磁的棋板上，位于由字母与/或数字构成的磁板中，这些字母和数字可以借助于磁力被吸附在铁磁板上而形成图文，并且还位于各种形状的元件中，这些元件都具有磁体，因而可以被吸附在磁板上而形成二维的动物图案等。
这些可以在市场上得到的磁用品不是基于多个磁模块的连接，而是简单地基于这样的事实，即，把各种模块相邻地放置在磁板上便可以形成二维图案，在磁板上每个单个的模块被分别短路。
还已知一种用于形成三维结构的***，其中使用各种模块的互连。其中具有各种形状的模块，不过一般地说，这些模块是棱柱形的，具有基本上是矩形的平面，它们由塑料基体构成，具有被放置在一个或几个轮廓面上的磁耦连***物。所述磁***物可以由呈规则形状例如方形或圆形的磁部位构成，它们被对称地排列成行，或者由具有不同极性的带状磁化部分的磁膜构成。
常规模块的若干个大的局限性之一是，它们必须遵守装配的“规则”，特别是从可以利用的总的元件数看来，这带来了严重的限制，因而是极为不利的。
关于可用于连接的棱柱体的8个面，只有一些是实际有效的，并且局限于一个小的面积。特别是具有点状***物的两个以上的模块经常是只有当预定数量的相应的磁点排重叠时，才能够被连接，同时还要求这些相应的磁点排必须以相反的极性相互面对。在另一些情况下，模块的上表面和另一个模块的下表面之间的连接是可能的，但是横向表面之间的连接则不可能，或者反之亦然。在另一些情况下，表面之间的连接取决于模块的预先确定的翻转定位，因此只能够通过使一个模块翻转，即通过交换其上下表面，而另一个保持不变。
除去连接的限制之外，传统的模块还受其形成的磁路的低输出的影响，即用于连接的磁能站具有的总的能量的很小的比例。
沿着其磁路发生的高的磁通耗散使得其具有的磁膜不能够被充分利用。当结构越复杂时，这种情况越显得重要，这是因为构成组件的模块越多气隙也就越多。为了获得难于设置而又结实的合成的形状，例如一种有悬臂粱的结构，磁场源必须具有大的体积，因而需要较多的磁性材料，这使得整个结构的重量增加，并且不可避免地增加成本。
在磁***物由具有不同极性的带的磁化膜构成的情况下，还具有附加的缺点，即，每单位连接表面用于连接的有效磁面积是非常有限的，并且要求使用的磁材料具有低的矫顽力。
传统的装配模块还使得其构成的空间构型不会是磁中性的，即所述空间构型和周围环境具有相互作用，因而导致存在实际上的危险情况。例如尤其是用于儿童时这个问题尤感严重，此时呈磁砖形状的模块可能吸引散布在周围的铁磁材料，例如铁针、铁钉等。
因此本发明的目的在于提供一种模块，它们可以被相互连接而形成复杂的组件，同时能够消除现有的***中的缺点。
本发明的另一个目的在于提供一种组件模块，其能够快速地、容易地装配而形成复杂的组件，并且还适合于同样快速地、容易地被拆卸。
本发明的另一个目的在于提供一种组件模块，其使得能够获得极稳定的三维结构。
按照本发明，上述目的是通过按照任何一个所附的独立权利要求所述的模块及其装配实现的。
在这种情况下，所述组件限定了用于通过由磁***物产生的磁通的合适的磁路，其中总的气隙，即在非磁材料中形成的磁通的路径的量，只是模块的可能的形状、具有大的摩擦系数的层所要求的，或者是由结构的允差而产生的，其可以在两个相邻模块的两个连接表面之间被形成。
按照本发明的永磁模块具有铁磁磁轭和铁磁模块，它们的组合能够使磁通完全或至少部分地被短路。
铁磁磁轭的存在使得磁模块的总数根据需要而增加，而不以相同的程度增加结构中的整个气隙。
产生磁通的磁体被串联设置，并被铁磁轭以这样的方式短路，使得在磁路中的模块的每个附加的***物增加结构的矫顽力的利用率，因而减少了磁路的磁阻。
完全利用设置的磁势，和使用的磁性材料一道，使得能够获得模块之间的高的吸引力。
显然，考虑到较大的内聚力大大增加其自持性，通过合适地组合模块而形成的短路再次和使用的磁性材料一道，使得能够形成特殊形状的更灵活，更复杂的结构。
本发明的另一个特点和优点在于，具有铁磁磁轭的永磁体模块和全部是铁磁的模块完全不用被置于任何预定的位置以便进行翻转地连接，与此相反，一个模块可以在另一个模块上连续地运动而不会被中断。
这些和其它的优点通过结合附图阅读以下的说明将看得更加清楚，在附图中磁元件部分用浅的斜线表示，非磁基体的元件部分用粗细交替的斜线表示，同时字母n和s表示磁体的北极和南极，并且磁路的磁通用点划线表示。
图1和1d表示按照本发明的永磁模块部分，图1a,1b表示通过组合图1所示的模块或者组合图1的模块和铁磁模块而使磁通短路的情况；
图2和图3表示按照本发明的永磁模块的其它例子，图1c表示使用图3的模块和铁磁模块组合而形成的被短路的磁通；
图4和图5表示按照其它实施例单个的永磁模块和相关的组件，其能够使磁通完全短路；
图6表示按照本发明的一种可能的实施例的组件，其中除去了模块的磁元件；
图7表示按照本发明的另一个实施例的一种组件，其中一个模块可以在另一个上面连续地运动；
图8表示按照本发明的另一个实施例的一种组件，其中所得到的结构不和外部环境相互作用。
图1的永磁体模块包括被设置在槽4、5内的上下两个磁元件2，3，它们位于圆柱形铁磁轭的相对端。槽4和5也是圆柱形的，但是比磁体2、3沿径向延伸得较多，以便限定在上下磁体的侧壁和相应的槽4,5的侧壁之间限定一个间隙70。磁体2,3的磁极轴线和磁轭6的轴线平行，因而通过磁轭6串联连接。
由两个磁体2,3和铁磁轭6形成的磁心被设置在非磁的基体7中，其呈空心圆柱形，在两端具有开口，以便露出磁体2和3的端面和用于与其它模块连接的铁磁轭6的上下边缘10和110。
使用模块1可以提供由两个、三个或更多的模块与同类型的或不同类型的其它模块构成的组件，其中在任何情况下都会使磁通短路，如图1a-1d所示。
通过使用两个单元，借助于使用两个相同模块1’和1”的拉牢，可以使磁通短路，其中接触的磁体3’和2”的相反的极性被叠置在一起(图1a)。还如图1a所示，模块1’和1”的相接触的外部极表面12’和11”表示用于使相同模块1’和1”倒向连接的第一类直接有效区。铁磁轭6’的上边缘10’被模块1’和与模块1’接触的1”中的磁体极化，因而确定一个第二种类型的区域，此时通过感应作用和模块1”相连。模块1”的边缘10”经受完全相同的作用。来自模块1”的内极表面13”的磁通向着同一模块的铁磁体内部6”行进，朝向边缘10”偏离，连续地通过边缘10”，然后通过10’，从而最后形成闭合磁路，重新从模块1’的极表面14’进入。间隙70’和70”分别避免在槽5’和4”的侧壁和磁体3’和2”的侧壁之间可能形成的磁通短路。
此外，模块1可以和不同的模块拉牢，例如和球形的铁磁模块15拉牢(图1b)。
为了由两个元件形成一个整体上呈磁中性的组件，按照图1d所示的另一个优选实施例，可以使用具有一个单独的磁体17和17’的模块16和16’，模块16和16’可以通过沿着线1d-1d垂直地切断模块1而获得。在这种情况下，模块16和16’的相反极性的暴露的极表面18和18’可以倒向接合或者利用一个铁磁模块接合。
通过使各个相同的模块1在两个连接表面8和9上拉牢，从而使所有的磁体串联连接，或者通过在一个表面上定位一个相同模块而在另一个连接表面上定位一个例如球形的铁磁组件，从而使所有的磁体串联连接，或者通过在两个表面8和9上各定住一个例如球形的铁磁模块，可以利用永磁体模块1获得3个单元的组件。
虽然在本实施例中使用的铁磁模块是球形的，以便使磁路完全闭合，但是可以使用各种形状的铁磁模块，将这些模块***模块1构成的组合体中，可以构成包括3个以上的单元的组件。
按照一个不同的实施例，通过在两个相同的矩形铁磁部分21和22之间***磁体20，可以获得图2所示的另一种永磁模块的磁心，其中所述矩形铁磁部分完全盖住磁体的相对的极表面23和24，并从所述极表面23,24的边缘凸出，从而限定极延伸部分25,26。因此，被极化的极延伸部分25,26的边缘250,260借助于磁体20的感应形成和其它模块连接的有效区域。模块19的磁心被包含在非磁的壳体27中，其具有棱柱形的形状和方形的截面，只剩下未被盖住的由极延伸部分25,26的边缘形成的有效的铁磁区域。磁体20的极化最后以直角到达两个部分21,22的轴线。
模块19能够通过装配两个单元而形成的最小的结构使磁通短路，其中在两个相对的延伸部分25,26的一个上，吸牢一个相同的模块或者一个铁磁模块，例如球形模块，或者形成由从模块19和铁磁模块当中选择的至少3个模块构成的结构，例如球形模块，并且包括1个、2个或3个相同的永磁模块19。在图3中，按照另一个优选实施例，提供永磁模块28，其被容纳在具有棱柱形的形状和圆形截面的非磁基体29中。磁心由小的铁磁圆柱30构成，其相对端和两个磁体33,34的极表面31,32精确地匹配。两个磁体33,34平行于小圆柱30的轴线被磁化，其露在外面的极35,36直接限定吸引另一个模块的有效面积，在这种情况下，每单位表面积能够吸引的模块最大。利用本实施例，通过至少3个这样的模块串联可以形成磁通短路，在这种情况下，需要***球体铁磁组件37，因而获得整体上呈三角形的闭合磁路，如图1c所示。
如图1c所示，在这种情况下，在模块1,19和29构成的组件中的具有小的磁通分散，并增加了在设计的灵活性，能够使磁元件使用的材料的种类和数量最佳化。
已知矫顽力和磁通密度的平方成正比，因此，显然，按照本发明，可以实现只有一个磁路的铁磁元件6,21,22,30和37通过磁通，这相当于使用的磁体使得在模块之间具有大的矫顽力，或者相当于对于一定的矫顽力，所需的磁材料最少。
从复杂的和大的结构看来，例如场景结构，或者用于帐篷或舞台的支撑结构，通过使用最少的磁材料产生集中的矫顽力能够尽量减少重量的限制。在某些情况下，人力不足以使模块分开，因此设计一种使铁磁***吸引和排斥的结构，其中沿电磁线圈通过不同方向的电流，或者设计一种机械-人工***，用于结构的装配和拆卸期间对元件磁化和去磁。
图8表示一种利用图3所示的模块28和球形的铁磁体构成组合体110的一个例子，其形成一个完全平衡的磁栅结构，即，具有完全被短路的磁通和全部组合的磁势，因此，其和外部环境中的物体不会发生相互作用。
图4所示的模块50由非磁材料的矩形板38构成，其中沿纵向形成用于具有矩形平面40的铁磁棒的第一壳体39和用于矩形磁体42的第二壳体41，磁体42的极化方向和板38的平面成直角。壳体41沿纵向和第一壳体39相邻，并被置于板38的一端。用于棒40和磁体42的壳体39和41的深度等于板38的厚度。由磁体42的上下端构成露在外面的极表面88,90，因而棒40的上下表面92,94成为直接的有效面积和由磁感应激励的面积，用于和相邻的模块相连。
图5的模块52也由非磁材料的板43构成，在其下壁84沿纵向形成第一壳体，其深度大约为板的厚度的一半，用于容纳具有矩形平面的棒状的铁磁元件44。在铁磁元件44的相对端，在板43的上侧壁86上提供有磁化方向相反的两个相同的磁体47,48的第二第三壳体45,46,使得只露出两个磁体47和48的极表面80,82。
图4和图5的点划线表示在由模块50和52构成的组件的操作期间磁通是如何通过铁磁元件40的部分被完全短路的。更具体地说，非磁层74沿纵向把棒40个磁体42分开，非磁层76将两个磁体47,48分开，使得从磁体42和47的一个极发出的磁通，只有在经过相邻模块50,52的铁磁棒40和44的部分之后，才能分别在另一个相反极性的极上闭合。
考虑到图4和图5所示的模块50和52和任何其它的已知的模块相比，具有用于反向吸合的较大的能量，减少了对组件内部的允差的限制。
因此能够用非磁层盖住磁体42,47,48连接的极表面，铁磁体40和44的露在外面的表面完全是为了美观和卫生，并增加各个模块50和52之间的摩擦力。
更具体地说，这样可以确定是应用包括一个或几个磁体和铁磁轭的磁心还是应用只有铁磁心和非磁壳体构成所需形状的模块，例如棒状的、立方体形的，八角形的等等。
磁心的完全非磁的壳体还避免在用于儿童时其口水直接和磁材料或铁磁材料接触的危险。
当产生三维结构时，特别是较重而又较复杂的结构，整体的稳定性不仅由矫顽力决定，而且由使两个连接表面滑动所需的力决定。因而，通过利用摩擦系数高的材料的薄层盖住模块来牺牲较高的矫顽力的一部分，这虽然使磁路的磁阻增加，但是作为补偿，对摩擦力具有明显的改进。
图6的组件具有模块54，其具有细长的铁磁元件55，其中的通孔56用于容纳磁体58。在本例中，通孔使得具有非磁螺纹的磁体吸合和脱离，因此，根据需要可以将磁体的一部分或全部***或除去。
通过适当的阳/阴连接部件，将铁磁元件和活性磁元件彼此相接并与可能存在的非磁性基体相接，上面所述及本发明的其他模块可实施于可拆的接合模块。
图7的组件包括带有整个的铁磁磁心152的模块150和具有图1d所示的永磁磁心102的模块100，它们被提供在铁磁轭104的相对端，铁磁轭是细长的并被***非磁棒106中。
在单元100中铁磁元件的存在使得输送的磁通的分散性小，但是，主要的是其使得单元100不用彼此相对被定位，图中给出了模块之间进行相对位移的例子，如箭头所示。这增加了可以实现的形状的数量，其中单元100的每个铁磁部分，不仅仅是磁体102的极表面，都可以提供和其它单元100的磁连接点。
按照当前的实施例，由所述模块构成的组件的各种结构具有的允差使得能够使用非磁材料作为顺从环境的盖层，例如木材，这使得不需要精加工，特别是塑料的压模铸造，因此，除去用于游戏领域之外，还可用于装备领域中。
特别是，相同的原理可以用于和优选实施例所述的形状不同的模块，在一个单元中可以包括一个或几个上述的有效的磁元件，这些磁元件可以是完全铁磁的，例如图6中的55所示，或者是部分铁磁的，例如图7中的铁磁元件104和非磁元件106。
而且，如果需要，磁体可以按照预定的结构被分散在非磁基体的一个或几个表面上，所述非磁基体可以是具有多个表面的多面体结构。

Claims (20)

1．一种用于形成组件的模块，其特征在于其包括至少一个用于产生吸力的有效磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48)和至少一个铁磁元件(6,21,22,30,40,44),其中所述有效磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48)的相反符号的极表面限定第一种类型的直接有效的区域，用于和其它模块进行磁连接，与/或极化由它们所形成的模块和/或要连接的其他模块的的铁磁元件(6,21,22,30,40,44),并且其中所述铁磁元件(6,21,22,30,40,44)限定由有效磁元件的极化而激励的第二种类型的区域,(110,10,250,260,92,94)，用于连接其它的模块与/或串联连接其所形成的模块的有效磁元件(2和3,47和48,33和34)。
2．如权利要求1所述的用于形成组件的模块，其特征在于，所述模块(1,16,19,28,50,52)包括非磁基体(7,27,29,38,43),所述有效磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48)和铁磁元件(6,21,22,30,40,44)被***所述基体中。
3．如前面任何一个权利要求所述的用于形成组件的模块，其特征在于，所述第一种类型的有效区域(13,14,35,36,88,90,80,82)和第二种类型的有效区域(110,10,250,260,92,94)位于所述模块的外表面。
4．如权利要求1和2所述的用于形成组件的模块，其特征在于，提供有非磁层用于覆盖所述第一种类型的有效区域(13,14,35,36,88,90,80,82)和第二种类型的有效区域(110,10,250,260,92,94)，从而使模块(1,16,19,28,50,52)具有所需的形状。
5．如权利要求1和2所述的用于形成组件的模块，其特征在于，提供具有大的摩擦系数的非磁层，用于覆盖所述第一种类型的有效区域(13,14,35,36,88,90,80,82)和第二种类型的有效区域(110,10,250,260,92,94)。
6．如权利要求1到5任何一个所述的用于形成组件的模块，其特征在于，所述至少一个铁磁元件呈细长的棱柱形铁磁轭(6,30)的形式，所述至少一个磁元件呈上棱柱形磁体(2,33)和下棱柱形磁体(3,34)的形式，所述上磁体(2,33)和下磁体(3,34)通过***所述棱柱形的轭(6,30)被串联连接，所述上磁体(2,33)和下磁体(3,34)的外部极表面(13,14,35,36)形成所述用于磁连接的第一种有效区域。
7．如前面任何一个权利要求所述的用于形成组件的模块，其特征在于，在所述轭(6)的上下端形成有上槽(4)和下槽(5)，用于容纳所述上(2)下(3)磁体，所述上下槽的侧壁和所述上下磁体离开一个距离，使得所述上槽(4)的上边缘(10)和所述下槽(5)的下边缘(110)形成所述用于磁连接的第二种类型的有效区域。
8．如权利要求6或7所述的用于形成组件的模块，其特征在于，利用和所述铁磁轭(6)的轴线垂直的并位于所述轴线的中点上的平面进行分离，可以得到具有一个磁体(17,17′)的两个相同的模块(16,16′)。
9．如权利要求1到5任何一个所述的用于形成组件的模块，其特征在于，所述至少一个铁磁元件呈第一(21)和第二(22)铁磁部分的形状，所述一个磁元件至少呈棱柱形磁体(20)的形状，其两个极表面的一个由所述第一部分(21)的壁完全盖住，而另一个由所述第二部分(22)的壁完全盖住，所述第一(21)和第二(22)铁磁部分从所述棱柱形磁体(20)的所述极表面(23,24)凸出，从而限定一个磁感应的延伸部分，其边缘(250,260)形成所述磁连接的第二种类型的有效区域。
10．如权利要求1到5任何一个所述的用于形成组件的模块，其中所述非磁基体呈基本上为矩形板(38)的形状，其特征在于，至少所述一个铁磁元件和至少所述一个磁元件分别呈基本上为矩形的铁磁棒(40)和矩形的磁体(42)的形状，它们具有彼此相等的厚度，并且和所述板(38)的厚度也相等，其沿纵向被所述板(38)分开，所述棒(40)的上(92)下(94)壁形成所述第二类有效区域，磁体(42)的极表面(88,90)和板(38)的平面平行，从而形成所述第一类有效区域。
11．如权利要求1到5任何一个所述的用于形成组件的模块，其中所述非磁基体呈基本上为矩形板(43)的形状，其特征在于，至少所述一个铁磁元件和至少所述一个磁元件分别呈基本上为矩形的铁磁棒(44)和第一(47)、第二(48)基本上为矩形的磁体的形状，其极化方向垂直于板(43)的平面，并被设置在铁磁元件(44)的相对端上，以便通过所述铁磁元件(44)被串联连接，铁磁棒(44)的下壁形成所述第二类有效区域，两个磁体(47,48)的外部极表面(80,82)形成所述第一类有效区域。
12．如前面任何一个权利要求所述的用于形成组件的模块,其特征在于，在所述至少一个有效磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48)和所述至少一个铁磁元件(6,21,22,30,40,44)以及所述非磁基体(7,27,29,38,43)之间提供有可拆的接合部分。
13．如前面任何一个权利要求所述的用于形成组件的模块，其特征在于，所述可拆的接合部分利用阴阳型的机械接合部件构成。
14．一种用于形成组件的模块，其特征在于，其是通过组合权利要求1到13的一个或几个部分铁磁或全部铁磁的模块(102)和一个或几个有效磁元件在一个单元中而获得的。
15．一种由预定数量的模块在各自的有效区域相互吸引而获得的组件，其特征在于，所述模块从前面任何一个权利要求所述的模块(1,16,19,28,50,52,54,100)中选择。
16．一种由预定数量的模块在各自的有效区域相互吸引而获得的组件，其特征在于，所述模块从权利要求1-14任何一个所述的模块(1,16,19,28,50,52,54,100)中选择，包括由只由铁磁元件(15,37)形成的模块和由***非磁基体中的铁磁元件形成的模块。
17．如前面的权利要求所述的组件，其中所述铁磁元件是一个球(15,37)。
18．一种由预定数量的权利要求15-17的模块组成的组件，其中各个模块在所述第一类有效区域(13,14,35,56,88,90,80,82)和所述第二类有效区域(110,10,250,260,92,94)连接,其特征在于，由所述磁元件(2,3,17,20,33,34,42,47,48,58,102)形成的磁路贯穿所述第一类区域(13,14,35,56,88,90,80,82)和第二类区域(110,10,250,260,92,94)被完全闭合，或者至少部分地通过铁磁元件，在所述磁路中设置的磁势串联连接。
19．一种由预定数量的权利要求15-18的模块组成的组件，其特征在于，所述磁路除去在用于连接两个相连的模块的有效区域(13,14,35,36,88,90,80,82,110,10,250,260,92,94)之间形成的以及由于存在非磁覆盖层和具有大的摩擦系数的非磁层而产生间隙之外,只具有由结构允差导致的间隙。
20．一种由预定数量的权利要求15-19的模块组成的组件，其特征在于，其限定一种用于娱乐活动或装备供应的组件，或用于舞台场景或舞台之类的组件。
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