KR20080063482A

KR20080063482A - 자기 어레이

Info

Publication number: KR20080063482A
Application number: KR1020087010019A
Authority: KR
Inventors: 프란즈 코시잔
Original assignee: 맥스위치 테크놀로지 월드와이드 피티와이 리미티드
Priority date: 2005-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2008-07-04
Also published as: KR101492764B1; US20090027149A1; JP2013219364A; KR20130127557A; US20120092104A1; WO2007033437A1; CN101356597B; EP1941521A4; JP2009509886A; US20150042427A1; US9484137B2; US20150042428A1; US9818522B2; US20150022299A1; US8878639B2; JP5595661B2; US20130234817A1; EP1941521A1; CN101356597A

Abstract

자기 에너지의 소스로부터 하나 이상의 강자성 작업편으로 자기-조절 자속을 전달하기 위한 방법 및 장치에 있어서, 자화축을 정의하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 각각 갖는 다수의 자석이 제1비투자율을 갖는 매체에 배치되고, 상기 자석들은 소정 거리의 갭이 어레이의 이웃하는 자석들간 유지되고 바로 이웃하는 자석들이 반대의 극성으로 서로 면하도록 상기 자석들의 자화축이 방향지워진 어레이로 배열되고, 상기 배열은 매체에 걸친 내부 자로가 상기 이웃하는 자석들 사이에 존재하고 자속 접속 입구가 상기 이웃하는 자석들의 반대 극성의 극편 사이에 형성되는 자기 탱크 회로를 나타내며, 하나 이상의 자속 접속 입구를 제1비투자율보다 높은 제2비투자율을 갖는 강자성체의 표면에 근접 또는 표면과 접촉할 정도로 가깝게 함으로써 자기 탱크 회로보다 낮은 자기저항을 갖는 적어도 하나의 작업 회로가 생성되고, 그에 따라 상기 자기 탱크 회로로부터 작업편으로의 효과적인 자속 전달의 한계가 작업편이 탱크 회로의 자기저항과 거의 동일한 작업 회로의 자기저항과 자기 침투력에 근접할 때 도달된다.

강자성체, 자로, 자기 에너지, 자화축, 캐리어, 극편, 작업편, 영구자석

Description

자기 어레이{MAGNET ARRAYS}

본 발명은 원하는 자기장 패턴을 제공함으로써, 재료의 불충분한 두께 및 타입에 의해 야기된 제한된 강자성 특성을 갖는 작업편(work piece)과 상호 작용할 때, 자석에 포함된 자기 에너지를 가장 효율적으로 사용할 수 있는 자기 어레이에 관한 것이다.

본 발명은 최초 자기 승강장치를 배경으로 하여 착안했지만, 이하의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 강자성 재료를 끌어 올리기 위한 장치 및 작업편 홀더와는 관련되지 않는다. 본 발명의 개발은 영구자석을 배경으로 하여 실시했지만, 기초가 되는 원리는 전자석을 채용하는 자기 어레이에 반영될 수 있다는 것을 알 수 있다.

자기 승강기는 작은 다발의 막대나 토막 재료부터 강자성의 크고 무거운 블럭이나 시트에 이르는 하나 이상의 철 재료 작업편을 자력을 이용하여 장치의 접촉면에 부착하고, 그에 따라 상기 작업편이 장치에 안전하게 수용된 상태에서 어느 한 위치에서 다른 위치로 이송시키기 위한 다방면의 재료를 다루는 장치이다.

자기 승강기는 이 승강장치의 접촉면에서 작업편 상으로 인가된 당김력(pulling force) 및 자기장의 조절을 가능하게 하는 전자석을 이용하거나, 또는 상기 장치의 작업편 접촉면에 인접(또는 제공)하는 패시브 폴(passive pole) 부분과 선택적으로 상호작용하도록 하우징 내에 이동가능 로터(또는 다른 지지구조)에 수용되는 영구자석을 채용할 수 있으며, 상기 접촉면은 자석의 주변 오염을 방지하거나 작업편의 자석로부터의 분리의 어려움을 없애기 위해 자석 몸체와 작업편간 직접 접촉하지 않도록 자석을 위한 패시브 폴 부분으로 작용하도록 제공된다.

일반적으로, 현재의 영구자석 승강기는 보통 고강도 자기장을 생성하는 영구자석을 사용한다. 지난 10년간 야금 및 자기 기술의 발전은 전례가 없는 힘을 갖는 자석재료, 그 중에서도 특히 "희토류" 자석의 효용성의 성과를 남겼고, 그 중 몇몇은 자기 중량의 100배 이상의 당김 강도를 나타낸다. 이들은 '전통적인' 영구자석의 방치되어도 보자자(keepers)의 제거 또는 외부 자기 영향을 조절하기 위한 노출로 인한 갑작스러운 자력의 손실 또는 시간이 지남에 따른 자력의 저하 등과 같은 문제를 심각하게 격지 않는다. 따라서, 낮은 자체 중량(dead weight) 및 100 내지 2000 Kg의 승강 수용능력을 갖는 영구자석 승강기가 시장에 도입되어 왔다.

상기 승강기의 수동 활성화 및 불활성화를 가능하게 하는 예시의 영구자석 승강장치가 이탈리안 컴패니 테크노마그네트(Italian company Tecnomagnete)에 의해 RD modules, SMH module, 및 MaxX와 MaxX TG Series로 제조되어 판매되었다.

승강기로서 사용하기 위한 턴-오프 영구자석이 미국특허 제3,452,310 호(Israelson에 의한)에 개시되어 있다. 거기에서, 스택(stack)의 세라믹 판형 자석(제1의 N-S 쌍극 구조를 제공하는)은 강자성 작업편에 대한 부착을 위한 작업 에어 갭을 그들 보다 낮은 자유단에 제공하는 직사각형의 판형 극편들(pole pieces) 사이에 그리고 그 상단부에 샌드위치되어 수용된다. 각 스택 단부에 단편 형태의 극편을 갖는 스택의 세라믹 판형 자석(제2의 N-S 쌍극 구조를 제공하는)으로 이루어진 전기자(armature)가 판형 극편으로 확장하면서 그들 사이에 형성된 원통영역 내에서 회전가능하게 수용됨으로써, 극편 작업면에 자기장(즉, 제1의 쌍극 구조가 극편에 전달하는 N극 및 S극과 부합하는 전기자의 N극 및 S극)을 증가시키거나 또는 쌍극 구조 사이에 내부 폐쇄 루프 자기 통로를 제공하여 상부 자기 스택의 자기장을 효과적으로 전환시킨다.

미국특허 제4,314,219호(Haraguchi에 의한)에는 다소 유사한 개념이 개시되어 있는데, 즉 스택의 판형 영구자석으로 이루어진 다수의 회전가능 전기자가 외부 비자화가능 하우징(outer non-magnetiseable housing) 내에 넣어진 다수의 자화가능 패시브 자극(passive magnetic pole)간 형성된 원통형 공동(cavity) 내에 어레이로 배치된다. 여기에 다시 전기자의 회전위치는 극편 작업면이 작업편 상에 인접할 때 외부 자로(external flux path)를 제공하기 위해 사용된 극편의 자화상태(magnetization state)를 좌우할 것이다.

이러한 타입의 승강기들은 보통 특정 디자인의 자석 길이와 직접 관련된 고정된 자력을 활성상태에서 생성한다. 자석 길이는 사이에 활성 자석재료의 부피를 수용하는 극편간 거리, 예컨대 쌍극 자석의 반대의 양극성 말단면간 길이로 정 의된다. 자기 에너지의 출력은 활성 자석재료 부피와 그 타입에 달려 있으며, 즉 본질적으로 고정된 값에 좌우된다. 그러나, 작업 로드(load)가 자석에 의해 제공된 모든 자기 에너지를 흡수할 수 없는 상황에서, 부착된 객체 상의 당김력은 감소한다. 과잉 자기 에너지는 관련된 표유자계(magnetic stray field)와 같은 누설로서 존재한다.

로드 전달 용량과 관련된 요소들이 기존의 장치에 가장 적절하게 채용되지만, 여전히 문제는 남아 있다.

금속 시트의 스택으로부터 단 하나의 금속 시트를 승강시켜야만 하는 자기 승강기 적용에 있어 특정의 문제가 존재한다. 기존의 장치들은 초기에 무거운 용량의 승강을 위해 형성되었고, 스택의 최상부 시트에 평면 부착을 가능하게 하는 접촉면을 갖는다. 그러나, 그와 같은 승강기는 스택의 최상부 시트와 그 다음 시트간 충분한 높이의 에어 갭이 유지되거나, 또는 작업편과 맞물리는 극편면에 이용할 수 있는 자속밀도가 감소되는 '중간'상태를 추정하기 위해 장치의 온(on)/오프(off)를 '스위치'하는데 채용된 영구자석의 상관 위치가 선택되지 않는 한, 상기 스택으로부터 단 하나의 시트를 개별 방식으로 승강하는 것이 불가능하다. 인접한 시트 내로 자기장의 침투를 피하고 시트를 분리하기 위해 전류를 감소시킬 때 동일한 고려사항들이 전자기 승강기에 적용된다.

영구자석 승강기의 경우에, 영구자석과 접촉하는 극편의 작업면이 최상부 금속시트와 접촉할 때, 클로즈(close) 또는 로드(load)된 자기회로가 생성된다. 생성된 (외부)자로가 상부 시트 내로 충분히 제한되고, 인접한 다음 시트 내로 누설 (즉, 자석(들), 극편 및 상부 시트로 이루어진 의도된 자기회로 외측 자로)되지 않게 하는 시트 재료의 (자기)도자성(permeability) 및 시트의 두께를 갖지 않는 한, 승강장치는 스택된 시트 내로 자석(들)의 자기장의 침투력 및 최대 중량 승강 수용능력에 의해 결정된 만큼의 자기적으로 함께 부착된 다수의 시트를 승강시키려 할 것이다. 즉, 최상부의 금속시트가 자석(들)에 의해 제공된 모든 자속을 전달할 수 없으면, 그 최상부 시트에 자속 과잉포화(flux oversaturation)를 야기하고, 자기장은 상기 최상부 시트의 두께를 넘어서 다음 하부 시트(들)로, 즉 최하부에 위치된 시트의 포화가 더 이상 존재하지 않는 범위까지 확장하며, 사실상 그 자력은 승강장치에 의해 함께 승강시키기 위한 다수의 시트들을 자기적으로 압박하여 고정시킨다.

단일 시트 승강 문제를 처리하기 위한 통상의 접근방식이 미국특허출원공개 US 2005/0269827 A1에 기술되어 있다. 이 문서는 시트의 스택으로부터 단일의 강자성 시트를 승강시키기 위해 특별히 발명된 다수의 쉘로우(shallow) 자기장 장치를 프레임 상에 필수 구성요소로 채용하는 영구자석 승강 시스템을 기술하고 있다.

다수의 자기 승강장치가 시트를 체결하기 위해 시트의 상면 영역 위쪽의 다수 위치에 2차원 배열, 예컨대 4×2 직사각형 배열로 배열된다. 각 개별 승강장치는 금속시트와 접촉할 때 각각의 승강장치가 생성하는 각각의 자기장과 자속간 상호작용하지 않는 범위로 떨어져 간격된다.

각 자기장치의 자기장의 침투깊이를 제한하기 위해, 짧은 고정된 자석 길이를 갖는 영구자석이 사용된다. 활성 자석재료의 전체 부피를 증가시켜 원하는 승 강 수용능력을 달성하기 위해, 다수의 그와 같은 개별의 짧은 자석들이 단일의 자기장 방향을 제공하기 위해 직렬로 연결되며, 즉 각각의 장치는 연철의 극편판 사이에 끼워진 스택의 영구자석판(대향하는 면이 반대의 극성을 갖도록 그 판의 두께 방향으로 자화된)으로 이루어진다. 상기 자기판은 사이에 끼는 극편을 가로질러 또 다른 하나와 대향하는 동일한 극성의 면과 교대로 정렬되고, 그와 같은 스택 방향에 따른 북-남-북-등의 연속적인 교대의 자기장은 스택 방향에 따른 다수의 작업(에어) 갭을 제공하는 각 이웃하는 극편 사이에 존재한다. 즉, 각 장치의 활성 자석재료는 각 별개의 부분으로 세분되어 사이에 끼워져 활성 자석재료와 접촉함으로써 극편간 다수의 쉘로우 자기장 루프를 생성한다.

상기의 미국 특허문서의 승강 프레임이 갖는 하나의 명백한 문제점은 자기장치가 스위치 오프될 수 없으며, 원할 경우 프레임으로부터 시트를 강제로 이탈시키기 위해 기계적인 레버가 사용된다는 것이다. 스택된 행의 각 개별의 짧은 자석 길이의 자석들이 하나의 부착된 작업편 시트에 공통 방향으로 전체적으로 동일한 큰 자속을 생성하기 때문에, 결국에는 잔류 자기(분리된 작업편의 잔류 자화) 문제를 초래하게 될 것이다.

본 발명의 목적 중 하나는 강자성 시트 재료와 상호작용하도록 의도된 자기장의 소스로서 영구자석을 이용하는 승강장치를 제공하는 것이며, 상기 승강장치는 '온'과 '오프' 상태간 스위치될 수 있고, '온'상태는 인접하는 시트간 거의 에어 갭 없이 스택된 시트들로부터 각 개별 시트의 개별적인 승강을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 목적은 배열을 통합하는 장치와 작업편간 효과적인 인 력(attraction force)을 전체적으로 생성하고, 함께 생성된 외부 자기회로 상의 작업편에 배열에 의해 생성된 자속선을 동시에 제한할 수 있는 개별 자기장 소스의 구성/배열을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 배열을 통합시키는 장치와 작업편간 효과적인 당김력을 생성하는 개별 자기장 소스의 구성/배열을 제공하는 것이며, 상기 작업편 상으로 인가된 당김력이 총합의 개별 자기장 소스의 당김력보다 크다.

본 발명의 또 다른 목적은 배열을 통합시키는 장치와 작업편간 효과적인 당김력을 생성하고, 자속 전달이 자기장 소스에 의해 일방적으로 좌우되지 않지만 자속 소스의 자력을 작업편에 의해 제공된 외부 로드의 강자성 침투성과 매칭시키기 위해 독립의 내부 자속 조절이 행해지는 자기회로의 개별 자기장 소스의 구성/배열을 제공하는 것이다.

첫번째 특징적 구성의 본 발명은 자화축을 정의하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 각각 갖는 다수의 자석을 갖춘 강자성체로 효과적으로 자속을 전달하기 위한 자기장치를 제공하며, 상기 자석들은 소정 방향 및 공통 평면으로 적절하게 확장하는 자화축 및 자석들간 형성된 갭 간격을 갖는 소정 어레이 구성의 제1비투자율(relative permeability)을 갖는 매체에 위치되고, 상기 자기장치는 제1비투자율보다 높은 제2비투자율을 갖는 강자성체의 표면과 인접 또는 근접하도록 작용적으로 배치된 면을 가짐으로써 자석들과 강자성체간 클로즈 또는 로드된 자기회로를 생성하고 자석의 N극과 S극 사이의 강자성체를 통해 효과적으로 자속을 전달한다.

또 다른 특징적 구성의 본 발명은 자기 에너지 소스로부터 하나 이상의 강자성 작업편으로 자기-조절 자속을 전달하는 방법을 제공하며, 여기서 자화축을 정의하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 각각 갖는 다수의 자석은 제1비투자율을 갖는 매체에 배치되고, 상기 자석들은 소정 거리의 갭이 어레이(및 결과의 매체)의 이웃하는 자석들간 유지되고 자석들이 반대의 극성으로 서로 면하고 바람직하게는 공통 평면으로 확장하도록 상기 자석들의 자화축이 방향지워진 어레이로 배열되며, 그와 같은 배열은 매체에 걸친 자로가 이웃하는 자석들 사이에 존재하고 자속 접속 입구가 그와 같은 이웃하는 자석들의 반대 극성의 극편 사이에 형성되는 클로즈된 자기 탱크 회로(closed Magnetic Tank Circuit)를 나타내며, 여기서 하나 이상의 자속 접속 입구를 제1비투자율보다 높은 제2비투자율을 갖는 강자성체의 표면에 근접 또는 표면과 접촉할 정도로 가깝게 함으로써 자기 탱크 회로보다 낮은 자기저항을 갖는 적어도 하나의 작업 회로가 생성되고, 그에 따라 상기 자기 탱크 회로로부터 작업편으로의 효과적인 자속 전달의 한계가 작업편이 탱크 회로의 내부 자기저항과 거의 동일한 작업 회로의 자기저항과 자기 침투력에 근접할 때 도달될 것이다.

그와 같은 어레이에는, 2 종류의 자속 입구가 제공되는데, 그 중 첫번째 자속 입구는 제1(전방)자속방향의 각 개별 자석들의 극편들 사이에 제공되고, 두번째 자속 입구는 제2(반대)자속방향의 이웃하는 자석들의 극편들 사이에 제공된다. 따라서, 균일한 자속방향이 어레이에 존재하지 않고 작업편에서의 보다 작은 잔류자기의 문제가 지속될 것이다(그와 같은 어레이로부터 작업편의 분리 후 보다 작은 잔류자기).

이러한 프로세스는 독립된 그리고 필요한 조절 자속을 작업 회로의 조건으로 매우 빠르면서 거의 자연스럽게 조절하는 탱크 회로와 작업 회로간 전달하게 한다. 작업편의 물리적인 경계를 넘어 심각한 누설을 갖는 과잉포화는 불가능하다. 상기의 자기-조절 자속 전달을 정의하는 특징적 구성은 이후 명백해지는 바와 같이 자기 결합장치에 통합될 수 있다.

한편, 상기 폭 넓은 개념 및 이하 기술된 추가의 개념은 전자석과 같은 각기 다른 타입의 자속 소스를 이용하여 실시될 수 있으며, 보다 바람직하게는 온-오프 스위치가능 영구자석유닛이 사용된다. 상기와 같은 본 발명의 특징적 구성의 바람직한 실시예에 있어서, 미국특허 제6,707,360호 및 동 제7,012,495호에 기술되고, 통상 호주의 맥스위치 테크놀로지 월드와이드 피티와이 리미티드로부터 이용할 수 있는 스위치가능 자석유닛이 어레이에 사용된다. 본 실시예에서, 각기 다른 특징적 구성의 본 발명이 N-S극쌍의 소스, 즉 자속 소스 및 기자력을 제공하는 활성 자석재료로서 영구자석만을 참조하여 설명될 것이며, 이는 다른 적절하게 고안된 자속 소스로 숙련된 자에 의해 대체될 수 있다.

또, 본 발명의 바람직한 실시예가 상기 미국특허 제6,707,360호 및 동 제7,012,495호에 기술된 바와 같은 다수의 스위치가능 영구자석을 채용하는 경우, 스위치가능 영구자기장치의 이해와 좀더 상세한 설명을 위해 간단한 앞뒤 참조방식으로 본 발명에 반영되는 상기 문서들이 참조될 것이다.

어레이의 각각의 (영구)자석이 적어도 하나의 N-S극쌍을 가질 경우, 상기 어레이의 이웃하는 자석들의 각기 다른 상호작용 패턴은 전체 어레이 구성 내의 N-S극쌍 자화축의 상대적인 위치, 즉 각 개별 자석들 상호간의 간격 뿐만 아니라 고려되어야 하는 이웃하는 자석에 대한 각 자석의 N-S극쌍의 공간의 방향에 따른다

따라서, 각 개별 자석들이 얼마나 서로 떨어져 주어진 어레이 구성으로 배열되는지에 따라, 아마도 자석들의 개별 자기장이 상호작용하지 않을 수는 있지만, 이웃하는 자석들 사이 뿐만 아니라 자기 어레이에 부착된 또는 아주 근접한 강자성 작업편의 추가의 자속 루프를 통해 추가의 자로들이 생성될 수 있다. 하나의 자기 어레이 배열에 있어서, 개별 N-S극쌍에 의해 제공된 자기장 외에, 이웃하는 자석들의 반대의 극간 추가의 자기장이 제공된다.

이웃하는 자석들이 각기 다른 방향의 자화축으로 배치된 어레이의 각 개별 영구자석들을 배열하는 개념은 그 자체가 새로운 것은 아니다. 그와 같은 배열은 특정 패턴으로 자속을 변경할 목적으로 고안되었다. 예컨대, 베이직 할박 어레이(basic Halbach array)는 서로 인접하는 측면에 선형 어레이로 고착되는 5개의 개별 영구 입방체 쌍극 자석(예컨대, 네오디뮴-철-붕소 자석)으로 이루어지며, 인접한 자석들의 자화축(즉, N-S축)이 시계방향으로 회전됨으로써, 한 측면 상의 자기장이 증가되는 동안 또 다른 측면 상의 자기장이 0에 가깝게 소멸되는 영구자석 구성(또는 장치)을 생성한다. 그와 같은 한 측면의 자속 분배의 장점은 이상적인 경우에 어딘가 다른 곳에 자속 프리 영역을 생성하는 동안 자속이 제한되는 한 측면 상에서 자기장이 2배 정도 크다는 것에서 찾아볼 수 있다. 또한, 폐쇄 링으로 배열되고 정사다리꼴 횡단면을 갖는 다수의 개별 자석들로 이루어진 쌍극, 4극 및 다극 할박 실린더(halbach cylinders)가 공지되어 있다. 또한, 상술한 선형 할박 어레이를 모사하기 위해 고안된 개별 전자기 어레이가 미국특허 제5,631,618호에 공지되어 있다.

본 발명의 목적 및 기능은 할박 어레이 타입의 장치와 비교할 수 없다는 것에 주목해야 한다. 본 발명에 따른 어레이는 가급적 서로 간격을 두고 떨어져 어레이 내에 갭이 유지되도록 쌍극 자석유닛(그러나 다극 자석을 제외하지 않음)을 제공하기 위해 배열된 다수의 자석편으로 이루어지는 개별 자석들을 필요로 한다. 즉, 개별 자석들이 서로 선택된 거리를 유지할 필요가 있으며, 그 거리는 이웃하는 자석들간 추가의 변경 영역의 생성 및 제공을 보장하는 거리가 된다. 그 자속은 자기 어레이 요소들 사이에 위치된 매체를 통해 지나간다. 그 매체는 공기, 플라스틱 재료 또는 이상적으로 낮은 비투자율을 갖는(거의 1의 기준 투자율 값을 갖는) 다른 물질이 된다.

본 발명의 어레이는 자기장치의 한 영역으로 자속을 제한하려 한다기 보다는 오히려 이하의 기술된 특정 어레이의 실시형태로부터 명확해지는 바와 같이 주어진 외부 회로를 위한 모든 자석들로부터 최적의 자속량을 이용할 수 있게 하는 것이다.

바람직한 형태에 있어서, 자기 어레이는 그 장치의 캐리어(몸체) 내에 위치될 것이다. 즉, 어레이의 자석들은 자체가 외부 회로 작업편과 상호작용을 위한 접촉면을 제공하는 캐리어 내에 고착될 것이다.

보다 특정한 특징적 구성에 있어서, 본 발명은 자속을 강자성체로 효과적으로 전달하기 위한 자기장치를 제공하며, 바람직하게 그 어레이는 미국특허 제6,707,360호 또는 미국특허 제7,012,495호에 기술된 스위치가능 타입의 하나 이상의 선형 행의 활성 쌍극 자석들로 이루어지고, 그 자석들의 자화축은 행 내에서 동축이거나 또는 그 행축에 거의 수직이며, 그 이웃하는 자석들은 교대의 극성으로 서로 면한다.

그와 같은 배열이 첨부되는 도면의 도 6, 7a 및 7b에 개략적으로 도시되어 있다. 그와 같은 교대의 N-S극 배열은 자기장 범위를 확장하지 않으면서 그 어레이를 채용하는(즉, 자기장치가 강자성체, 예컨대 강철 시트와 접촉될 때) 클로즈된 자기회로의 외부 자로와 효과적인 자속 변경영역의 수를 효과적으로 두배로 한다. 그 자속밀도가 강철 시트의 높은 자기저항에 의해 제한되면, 추가의 자속 변경영역의 결과는 패시브 극편의 접촉영역에서의 자속밀도의 증가를 가져온다. 보다 높은 당김력과 향상된 자기 효율은 이러한 방식으로 달성된다. 높은 자기저항이 강철 시트와 같은 작업편의 횡단영역 및 비투자율의 함수인 것에 주목해야 한다.

또 다른 보다 특정한 특징적 구성에 있어서, 본 발명은 자속을 강자성체로 효과적으로 전달하기 위한 자기장치를 제공하며, 바람직하게 호주특허 제753496호 또는 미국특허 제7,012,495호의 청구항에 기술된 타입의 다수의 쌍극 자석은 하나 이상의 동심원 어레이로 배열되고, 각 자석들의 자화축은 원의 중심에서 각 자석으로 확장하는 반경에 거의 수직으로 또는 상기 각각의 연관된 반경과 거의 동축으로 확장한다.

이러한 어레이 구성의 첫번째 선택의 대안은 이하의 원형(또는 링) 어레이라 칭하고 그 자석들의 자화축은 공통의 원 상에 접선을 형성하고, 반면 어레이 구성의 두번째 선택의 대안은 별형 어레이라 부르고 그 자화축은 그 어레이의 (공통)중심으로부터 별형태로 방사상으로 퍼진다. 물론, 기술된 정확한 기하학적 방향으로부터 약간의 편차가 그 장치의 전체적인 성능에 약간의 영향을 미칠 것이라는 것은 알 수 있을 것이다. 그와 같은 원형 및 별형 어레이는 첨부되는 도면의 도 8a 내지 8c에 개략적으로 도시되어 있다.

또한, 또 다른 어레이 구성이 주어진 적용에 적합하게 하기 위해 다수의 떨어져 간격된 자석유닛에 실시될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

클로즈된 자기 어레이 구성, 특히 원형 및 타원형 어레이 구성은, 자속이 누설되는 '프리'극 또는 어레이 단(array end)이 없고 의도된 유용한 외부 자기회로 내로 전달되지 않는다면, 어레이 내에서 비균형적인 자석의 동작을 피하는 장점을 제공함과 더불어 본질적으로 제한된 자기장을 제공한다.

개별 자석들의 인접한 극이 서로 직접적으로 면하기 때문에 그 개별 자석 쌍극간 상호작용이 매우 심해질 경우에는 원형 어레이가 특히 자기 탱크 회로에 사용하는데 아주 적합하다. 이웃하는 자석들간 짧은 갭 간격과 평면 극편면은 그와 같은 탱크 회로의 낮은 내부 자기저항을 야기한다.

바람직하게, 어레이 내에 균형적인 로딩 패턴을 달성하기 위해서 그리고 클로즈된 외부 회로가 작업편에 생성될 때 각 개별 자석들간의 간격이 고정되어 동일해진다.

그러나, 자기장치는 최소치와 최대치 사이에서 어레이 내의 각 개별 자석들의 거리를 변경하여 재고정할 수 있도록 서로에 대한 각 개별 자석들의 한정된 변위를 허용하기 위해 제한되는 캐리어를 갖춘다. 각 개별 자석들간 선택된 거리는 총 자기장 크기의 범위에서 약간 조절한다. 인접한 자석들간 짧은 거리는 총 자기장 밀도와 작업편, 예컨대 강철 시트 내로의 전체 자기장 침투깊이의 감소와 함께 각각의 자석들간 자속 변경을 중요시한다. 보다 넓은 간격은 자기장 강도의 전체적인 증가 및 작업편 내로의 비교적 깊은 자속 침투력과 함께 각 개별 자석들의 N극과 S극간 자속 변경에 좀더 중점을 둔다.

자석의 수 및 기하학적 크기, 및 어레이 내의 간격 배치는 자기장치, 예컨대 금속 시트 승강기에서의 의도된 사용, 및 자속이 전달되는 강자성체의 특성에 따라 선택될 수 있다. 예컨대, 자석들간 1mm의 간격이 유지되는 타입 맥스위치 버전(type Magswitch Version) M1008의 5개 자석의 원형 어레이는 0.8mm의 철 시트 상에 145N의 당김력을 가할 수 있다. 이 경우 아래에 직접 접촉하는 두번째 시트의 당김은 거의 보이지 않는다.

원형 어레이 구성의 경우, 인접하는 자석들의 극성이 서로 반대이고, 예컨대 N-S 쌍극 다음에 또 다른 N-S 쌍극 등이 이어지는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 그리고 이하 보다 상세히 기술하는 바와 같이, 그와 같은 어레이 구성은 그 장치가 강자성 작업편과 접촉될 때 자기-조절 자기장 강도(H)를 갖는 자기장치를 효과적으로 생성하고, 이웃하는 자석들간 다수의 추가적인 자속 변경 영역을 제공한다.

별형 어레이 구성의 경우, 그들 자화축이 모두 중심을 향해 N극 또는 S극으로 나타내도록 자석들을 배열할 수 있으며, 이는 사실상 하나의 내부 자기 극(S 또는 N중 어느 하나)과 외부 극(N 또는 S중 어느 하나)을 갖는 컵 자석을 모방한 이웃하는 자석들간 추가의 자속 변경 영역의 생성 없이 그 장치 내에서 이용할 수 있는 총 자기 에너지를 증대시키는 자석들의 자기 에너지가 '평행화'되는 것을 의미한다.

선택적으로, 별형 구성에 있어서, N-S 쌍극 다음에 인접한 S-N 쌍극이 이어지는 교대의 구성으로 자석들을 배열할 수 있다. 본질적으로, 그와 같은 어레이는 이웃하는 자석들 사이에 제공된 다수의 추가적인 자속 변경 영역을 가지며, 상술한 원형 어레이에서 나타나는 것과 같이 효과적이지는 않지만 탱크 회로 특성과 추가의 자속 영역 수에서 양호한 전체적인 중도(middle ground)를 나타내는 자기-조절 자기장 강도(H)를 보이는 자기 탱크 회로를 형성한다.

자기장 강도가 연관되는 한 본질적으로 상술한 바와 같은 탱크 회로 배열이 자기-조절인데, 그와 같은 자기 어레이가 장치의 외부 접촉면(예컨대, 작업면)에 근접한(또는 접촉한) 작업편에 물리적인 제한을 가할 수 있는 자화력을 본질적으로 그와 같은 자기-조절이 제한하기 때문에, 작업편을 넘어서는 심각한 자화력(및 자기장) '누설'은 없을 것이다. 이는 결합되는 장치의 그와 같은 어레이들의 통합(또는 구체화)을 구현하고, 여기서 특정한 관계의 작업편의 후부 가까이에 전자들이 존재한다. 따라서, 이동전화 홀터(halter), GPS 고정유닛, 및 한 장치에 다른 장치의 결합이 요구되는 또 다른 애플리케이션과 같이 자기장 간섭을 피하는 애플리케이션에 사용하기 위한 자기의 신속한 부착/탈락 장치가 형성될 수 있다.

또 다른 특징적 구성의 본 발명은 소정 부피의 활성 자석재료를 개별적으로 간격을 두고, 바람직하게는 스위치가능 자석들로 세분하는 단계와, 이웃하는 자석들이 그와 같은 자석들간 갭을 가로질러 서로에 대한 극성을 교대로 배치하는 방식으로 다수의 자석들을 선형(오픈) 또는 원형(클로즈) 어레이로 배열하는 단계로 이루어진 자석에 인접한 작업편으로의 자기장의 침투력을 제어하는 방법을 제공한다.

또 다른 특징적 구성의 본 발명은, 강자성 시트형의 작업편과 체결되게 하는 결합면을 갖는 하우징과, 상기 하우징의 결합면에 부착되어 상기 작업편을 승강장치에 자기적으로 고착하기 위해 제공된 다수의 스위치가능 영구자석 결합유닛을 구비한 스위치가능 영구자석 승강 또는 결합장치를 제공한다.

상기 각각의 유닛은 스택 축을 따라 스택되고 그 스택 축을 따라 자석들의 대향하는 축 말단면간 확장하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 갖도록 극성화된 2개의 원통형 또는 디스크형의 영구자석(정반대로 극성화된 자석); 상기 양 영구자석의 주변에 배열됨과 더불어 스택 축을 따라 간격된 축 말단면을 갖는 적어도 2개의 자기 극편; 및 양 자석의 자기 극성이 스택 축을 따라 동일한 방향으로 정렬되어 방향되고, 그 자석들로부터의 자속이 극편을 통해 지나가며, 강한 외부 자기장이 존재하는 활성상태와 양 자석의 자기장이 서로 왜곡되고, 외부 자기장이 약하거나 존재하지 않도록 극편 및 자석 자신들 내에서 그 자석의 자속이 단락되고 제한되는 비활성상태 사이에서 상기 유닛을 스위치하도록 영구자석 중 어느 하나의 선택 회전을 위해 배열된 활성수단을 포함하며, 상기 자석들은 극편 내의 상기 스택 축을 따라 서로 상대적인 움직임을 위해 유지된다.

상기 유닛은 어레이 구성으로 배열되는데, (a) 각 유닛의 극편 및/또는 스택된 자석쌍의 자석들 중 어느 하나는 그 접촉면에 또는 그 접촉면에 가까운 그들 축 말단면에 위치되고 (b) 각 개별 유닛은 이들 유닛의 활성상태에서 이웃하는 유닛들간 자속 변경을 가능하게 하도록 그들 각각의 자석쌍과 상호간에 갭을 두고 배치됨으로써 달리 각각 활성화된 유닛의 작업편으로 자속 침투 패턴이 변경된다.

이러한 특징적 구성에 따른 본 발명은 각각의 자속 침투깊이와 작업편의 접촉면에 결합된 유닛이 감소하는 반면, 유사한 전체의 활성 자석재료 부피의 하나 또는 2개의 스위치가능 영구자석을 이용하는 유사한 장치와 비교하면 승강을 위해 이용할 수 있는 자력을 유지하는 승강장치를 제공한다.

각 스위치가능 자석의 극편은 바람직하게 등급 316의 스테인레스 강철 또는 알루미늄과 같은 비강자성 재료로 이루어진 전체 보호체 또는 강화 장치 하우징의 재료와 달리 최대 자속밀도를 허용하도록 최소한의 자기저항을 나타내는 적절한 패시브 자화가능 재료로 제조된다. 선택된 자기 활성 재료의 자속밀도보다 높은 패시브 강자성 극편 재료의 침투치는 결과의 보다 높은 당김력 및 자화력을 갖는 영구자석재료의 자속밀도 이상의 자속 가압을 허용한다. 연강이 주어진 높은 기계적인 강도에 바람직할 지라도 양식상 적절한 극편의 재료는 낮은 잔류자기의 정제된 철, 연철 및 연강이다.

기술한 바와 같이, 각 개별 스위치가능 자석유닛의 소정 임의의 승강장치 하우징 또는 캐리어, 특히 극편에 접촉면을 제공하는 하우징 요소는 실용적인 크기의 강자성체가 아닌 재료로 이루어진다.

정해진 승강 수용능력에 대한 보다 큰 레벨의 유연성을 허용하는 승강장치는 상술한 바와 같은 주어진 어레이 구성에 있어서 소정 수의 개별 스위치가능 자석유닛을 통합하고, 활성 메카니즘은 공동으로 그리고 동시에, 또는 선택적으로 그리고 동시에 활성 및 비활성화시키기 위해 개별 유닛을 작동하도록 제공, 즉 배열된다. 또한, 독립적으로 각각의 유닛을 개별적으로 활성 및 비활성화시키도록 제공된 활성 메카니즘을 제공할 수 있다. 기계적인 연결 아암 배열 또는 공압 또는 유압 회로가 공지의 방식으로 그와 같은 활성 메카니즘에 통합된다.

개별 스위치가능 영구자석유닛의 크기, 성능 파라메터 및 수의 선택 뿐만 아니라 그 유닛의 각 개별 극 축의 특정 배치는 그 자석재료의 특성, 무게 및 두께와 관련한 작업편의 특성에 따른다는 것을 알 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 각기 다른 특징적 구성 및 바람직한 선택적인 특징을 갖는 다수의 실시예가 첨부되는 도면을 참조하여 기술될 것이다.

도 1은 본 발명의 다수의 특징적 구성을 실시하는 '개념의 증거'모델로서 사용되는 각 개별의 스위치가능 영구자석유닛의 어레이를 통합하는 실험용 지그(jig)의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 다수의 특징적 구성에 따라 이루어진 자기 승강장치의 작업 모델의 사시도이다.

도 3a 및 3b는 도 1 및 2에 채용되는 단일의 정반대의 극성 영구자석 및 스 위치가능 영구자석의 개략 사시도이다.

도 4는 본 발명의 특징적 구성에 기초가 되는 몇몇 원리를 기술하는 단일의 스위치가능 영구자석유닛의 개략적이면서 아주 단순화된 측면도이다.

도 5는 유닛이 활성상태에서 강자성 시트 재료 작업편과 접촉할 때 자속 변경 영역을 도시하는 도 3의 단일의 스위치가능 영구자석유닛의 개략 사시도이다.

도 6은 본 발명의 특징적 구성에 따른 2개의 선형 자기 어레이 구성의 개략도이다.

도 7a는 본 발명의 몇몇 특징적 구성을 기술하는 다수의 스위치가능 영구자석유닛의 선형 어레이의 개략적이면서 아주 단순화된 측면도이고, 반면 도 7b는 3개의 자석 선형 어레이의 개략 사시도이다.

도 8a 내지 8c는 본 발명에서 고려된 바와 같은 3개의 다른 원형 어레이 자기장치 구성의 개략 평면 하면도이고, 도 8a의 어레이는 도 2의 승강장치에서 실제로 채용된다.

도 9a 내지 9c는 도 8a 내지 8c에서 각각 도시된 원형 어레이 구성에서 발견될 수 있는 자기장의 개략적 2차원도(또는 평면도)를 나타낸다.

도 10은 자속 분리 및 자기-조절 자기장 밀도와 관련된 본 발명의 또 다른 특징적 구성을 설명하기 위한 불연속 자석 원환체(discontinuous magnet torus)의 자기장 선분 모델(magnetic field line model)의 개략 평면도이다.

도 11a 및 11b는 선형 어레이로 배열되지만 도 8a 및 10의 자기 어레이 구성에 통합될 수 있는 도 3b와 같은 2개의 스위치가능 영구자석유닛의 개략 측면도이 다.

도 1은 본 발명에 기초가 되는 기본 개념 중 하나를 반영하는 테스트-장치-스타일의 스위치가능 영구자석 결합장치(10)를 도시한다. 그와 같은 자기장치의 실시예는 강자성체, 예컨대 시트의 스택으로부터 각각의 얇은 강자성 시트 금속재료를 승강하는데 적합한 도 2에 도시된 바와 같은 자기 승강기에 그와 같은 장치 또는 장비를 떼어 놓을 수 있게 자기적으로 결합하도록 좀더 복잡한(또는 단순한) 장비 또는 장치에 반영된다.

그와 같은 영구자석 결합장치(10)는 비강자성 재료의 하우징 또는 캐리어부(12)를 포함하며, 이러한 원판형을 갖는 경우에는 이하 기술하는 바와 같이 5개의 각 개별 영구자석 결합유닛(14)의 움직임에 따라 고착된다. 상기 결합유닛(14)은 하우징 또는 캐리어부(12)를 통해 확장하는 구멍에 탑재되고, 영구히 고착, 예컨대 접착되거나, 아니면 각 개별 유닛의 변경을 허용하도록 고착된다. 상기 결합유닛(14)은 이 결합유닛(14)의 적어도 보이지 않는 하부 축 말단면이 하우징 또는 캐리어부(12)의 원형 채용면과 같은 높이가 되거나 그로부터 약간 돌출된다. 도 1에서, 자석들은 하우징 또는 캐리어부(12)의 상면과 같은 높이가 되어 활성 및 비활성 자화 위치 사이에서 각 결합유닛(14)의 스위칭을 가능하게 하도록 접근할 수 있다. 상기 결합유닛(14)은 영구자석 결합장치(10)의 중심축 둘레에 원형 어레이 구성으로 배치된다.

도 3b에 도시된 각 개별 결합유닛(14)의 다음 설명으로부터 명확해지는 바와 같이, 각각의 결합유닛(14)은 한쌍의 스택된 원통형 영구자석(20)과 거의 동일한 덮개로 상기 자석들의 주위를 둘러싸는 2개의 극편(16, 18)을 포함하며, 높은 투자율(permeability)을 갖는 연철로 이루어진 도시하지 않은 극편(16, 18)의 하부 축 말단면이 원통형 영구자석(20)들 중 하부 자석의 대응하는 하부 축 말단면과 같은 높이가 되거나 대응하는 하부 축 말단면을 지나 약간 확장된다.

상기 결합유닛(14)의 원통형 영구자석(20) 중 하나가 도 3a에 도시되어 있다. 자석의 N극(22)과 S극(21)간 개념적인 분리는 자석(20)의 하면(29)을 따라 지나가는 수직 평면(24)에 의해 제공된다. 상기 자석(20)은 여전히 본질적으로 수직 평면(24)에 수직인 자화축(MA)을 갖는 쌍극자인데, 실린더의 원주영역에 걸친 자기장의 강도는 싸인형으로 변하며, 최소치는 N-S 접촉 평면(24)에 존재하고, 최대치는 그 원주영역에 걸친 90도 회전으로 존재한다. 바람직하게, 원통형(또는 디스크형) 자석(20)은 희토류형 자석, 예컨대 네오디뮴-철-붕소 자석이며, 일반적으로 이용가능한 희토류 자석은 극편(16, 18)에 사용될 수 있는 양호한 패시브 강자성 재료의 침투 밀도 이하인 약 1.4 테슬라(Tesla)의 최대 자속밀도를 달성하지 못한다. 또한, 본 발명은 다른 활성 영구자석재료의 사용을 고려한다.

도 3b는 유닛 활성 및 비활성 메카니즘(30)만 아니라면 도 1에 나타낸 결합유닛(14)과 본질적으로 유사한 스위치가능 영구자석유닛(14)의 분해된 상태를 나타낸다.

유닛(14)은 상술한 타입과 유사한 높이의 치수를 갖는 N-S극 구조의 2개의 원통형 자석(20a, 20b)을 포함한다. 예컨대, 10mm 직경 × 8mm 높이의 원통형 자석이다. 하부 자석(20b)은 동일한 형태 및 횡단면을 갖고 자석의 외부 수직면에 매칭하도록 대응적으로 구부러진 자석에 면하는 내면(32)을 갖는 2개의 극편(16, 18) 사이에 면 체결로 유지되는 반면, 상부 자석(20a)은 극편(16, 18) 내에서 부동이 유지되는 하부 자석(20b)에 대한 무마찰(또는 최소한) 회전을 가능하게 하기 위해 극편(16, 18)의 주변 면함 내면(32) 쪽에 대해 가능한한 최소의 갭을 유지할 필요가 있다. 자석들(20a, 20b)은 유닛(14)의 세로축을 정의하는 스택 축(A)을 따라 서로 간단하게 스택되며, 상부 자석(20a)은 활성 메카니즘(30)을 이용하여 하부 자석(20b)에 대해 회전될 수 있다.

구조에 대한 보다 상세한 설명, 즉 그와 같은 자석유닛(14)의 구성요소의 가능한 다른 구성 및 그 동작의 원리는 참조로 보다 더 상세히 설명된 미국특허 제6,707, 360호 및 7,012,495호에 기술되어 있다.

본 발명의 목적에 따라, 상부 및 하부 자석(20a, 20b)은 극편 하우징(16, 18) 내에서 정면으로 마주보고 나란하게 정렬되어 수용되고, 따라서 회전 축(A)에 따른 상부 자석(20a)의 회전이 하부 자석(20b)의 극 영역 N 및 S 위에서 상부 자석(20a)의 N극 영역의 순차 통과를 제공한다는 것을 알기에 충분하다. 상부 자석(20a)의 N극이 하부 자석의 S극과 거의 정렬되어 일치되고, 상부 자석(20a)의 S극이 하부 자석(20b)의 N극을 거의 덮는 위치일 때, 내부 활성 자기로 작용하는 그 제1 및 제2자석이 단락되고, 결과적으로 결합된 자석들의 자속 출력보다 높아지는 극편(16, 18)의 총 자속 전달용량과 양 자석(20a, 20b)의 활성 자기량의 동일성을 가정하면 그 유닛으로부터의 외부 자기장 강도는 제로(zero)가 될 것이다.

회전 축(A)에 따른 상부 자석(20a)의 180도 회전은 자석(20a, 20b)의 극쌍들의 정렬을 변경하며, 상부 자석(20a)의 각각의 N극 및 S극은 하부 자석(20b)의 각각의 N극 및 S극을 거의 덮는다. 이러한 정렬에 있어서, 유닛(14) 장치로부터의 자기장은 상당히 강하고 그 장치는 그 유닛(14)의 접촉면(34)에서 강자성 작업편 상에 자력이 가해짐으로써 그 유닛(14)을 그 작업편에 단단히 고착하고 외부 자로를 형성한다.

패시브 극편(16, 18)은 이러한 결합의 기능을 돕는데 중요하며, 낮은 자기저항의 강자성 재료, 예컨대, 정제된 철, 연철 또는 연강으로 이루어진다. 극편에 의해 제공된 그 유닛 하우징 벽의 횡단영역은 기술된 실시예에서는 극편 '로드된' 영구자석의 외부 자기장 강도의 증가를 달성하기 위해 균일하지 않다. 극편의 외형, 즉 극편(16, 18)의 벽 두께는 영구 자화된 실린더(20a, 20b)의 둘레 주변의 자기장 강도 변경의 함수를 반영할 정도가 된다.

본질적으로, 극편의 디자인은 영구자석 실린더(20a, 20b) 둘레 주변의 자기장 강도(H)의 변경, 양호한 결과를 달성하는 외형을 제공함에 있어의 자기장의 역제곱 법칙의 적용을 따르지만, 극편 및 자석을 위한 특정 재료의 사용, 및 전체 결합장치(10)의 예정된 적용은 극편(16, 18)의 최적 형태의 변경을 필요로 하고 그 최적 형태를 좌우한다. 보다 상세한 설명은 상술한 미국특허를 참조한다.

상기 원통형 자석(20a, 20b)이 결합된 극편(16, 18)의 외형은 외부 자기장 강도를 최대화하여 불완전한 '외부'자기회로의 경우 작업편의 적절한 위치에 그 유 닛(14)을 유지하는 것을 돕는다. 축(A)을 따라 가능한한 최단 길이의 극편(16, 18)이 바람직하다. 상기 극들은 각 유닛(14)의 자기회로(자석을 수반하는)의 일부를 형성한다. 상기 극들은 높은 투자율 재료가 채용되는 곳에서 조차 자기 에너지의 손실을 초래하는 고유 자기저항을 갖는다. 상기 극들의 길이, 및 결합유닛(14)의 전체 높이(또는 길이)를 최소화할 경우, 자기 에너지의 손실이 최소화되고 따라서 외부 자기장이 최대화된다. 상기 면하는 극편들간 접촉면을 제공하는 접합영역(36)은 자기저항이 매우 높지만 얇은 층이기 때문에, 극편(16, 18)의 자기 분리를 유지, 즉 단락을 방지한다.

결국, 바람직하게 참조번호 35 및 34로 나타낸 축 말단면의 표면영역이 자속 압축 기능을 제공하도록 선택된다. 즉, 극편(16, 18)의 전체 횡단(또는 접지 자국(foot-print))영역은 실린더의 직경과 총 높이를 곱한 것으로부터 유도된 자석(20a, 20b)의 횡단영역보다 작아지도록 선택될 것이다. 이는 활성 재료가 전달할 수 있는 최대 자속밀도에 따라 유닛(14)의 자속밀도 출력을 증가하게 한다. 예컨대, 양호한 강자성 재료가 2 테슬라 및 그 이상의 침투 레벨에 도달할 수 있기 때문에, 총 극 접지 자국 영역을 감소시킴으로써 이러한 레벨로 상기 극들의 자속밀도를 증가시킬 수 있다. 극편 쪽으로 그 횡단면을 따라 증가된 활성 소스 재료의 자속밀도, 패시브 강자성(극) 재료의 자속 침투 레벨, 및 극편 재료의 비선형 B-H 커브에 의한 손실요소로부터 유도된 설계 파라메터를 제외하고 자속 압축은 고정하지 않는다.

도 4 및 5에는 박막시트형 작업편(40) 상에 접촉 위치된 개략적인 형태의 개 별 자기 스위칭 유닛(14)이 도시되어 있으며, 상기 스위칭 유닛(14)은 상부 및 하부 자석(20a, 20b)의 N극 및 S극(21, 22; 도 3a 참조)이 동시에 발생하는 활성상태로 개략적으로 도시되고, 외부 자기장이 존재하며, 스위칭 유닛(14)의 연한 회색의 어두운 부분은 자석이 극편(16) 중 어느 하나에 중첩되는 활성의 S극(S)을 나타내고, 보다 더 짙은 회색의 어두운 부분은 또 다른 극편(18)으로 스위치된 N극(N)을 나타낸다.

작업편(40) 상의 극편 접지 자국 영역을 도 5의 42 및 43으로 나타내고, 즉 이러한 도시에 있어서, 도 3b에 34로 나타낸 극편의 하부 축 말단면은 스위칭 유닛(14)의 작업편 체결 영역을 제공하기 위해 제공된다. 그 접촉면(42)에서 N극편(18)을 '나가는' 자속은 작업편(60)의 두께 t의 작업편(60)을 가로지르는 자로를 통해 '흘러가고' 스위칭 유닛(14) 내에 극-정렬된 반대 극성의 원통형 자석들(20)의 N극과 S극 사이의 수직 접촉면 영역을 따라 확장하는 자속 루프에 클로즈된 또 다른 S극편(16)의 접촉영역(43)으로 '들어간다'.

작업편(40) 내의 제1유효 자속 변경 영역(44)은 자속밀도 침투가 존재하는 총 자속 변경 영역을 분할한 것이다. 스위칭 유닛(14)의 자기장이 그 접지 자국 영역을 제한하지 않기 때문에, 총 자속 변경 영역은 자속밀도가 스위칭 유닛(14)으로부터 멀어짐에 따라 떨어지는 중심영역(44)의 양측을 가로질러 위치된 제2유효 자속 변경 영역(46)까지 확장된다. 이들 제2유효 자속 변경 영역(46)은 작업편의 자속 침투력에 의해 야기되는 자속 누설에 의해 유지되고, 자속 변경 영역(44)의 크기는 작업편이 자속을 흡수하는 정도에 따른다. 높은 자속 흡수는 낮은 자속 누설 및 제2유효 자속 변경 영역 축소를 야기한다.

두께 t의 작업편 및 이 작업편의 관련된 총 유효 자속 변경 영역(62 및 64)이 각 개별 극편(16 또는 18)의 접지 자국 영역(42 또는 43)보다 작으면, 및/또는 그 작업편 재료의 자속 침투력(특성)이 극편보다 낮은 자속밀도에서 침투가 발생하는 것이면, 그 자속 변경은 제한되고 극 접촉영역에서 자속밀도가 떨어진다. 그 결과는 자속밀도와 당김력간 상호관계에 따른 부착된 작업편(40) 상의 스위칭 유닛(14)에 의해 가해진 '당김력'의 급격한 경사를 야기하며, 자기 당김력은 제곱의 자속밀도로 변하기는 하지만 극 영역에서만은 선형적으로만 변한다.

기술한 바와 같이, 작업편(40)이 스위칭 유닛(14)의 전체 자속을 수반할 수 없으면, 자속 침투가 작업편(40)에서 발생하고 스위칭 유닛(14) 내의 2개 자석(20)의 겹쳐진 개별 자기장에 의해 발생된 자기장이 도 4에 48로 개략적으로 나타낸 바와 같이 작업편(40)을 넘어서(두께 방향으로) 확장된다. 따라서, 단일 시트 재료의 작업편(40)에 대한 부착에 있어서, 스위칭 유닛(14)이 충분히 활성화된 상태에서 제공할 수 있는 이용가능 자기 에너지만이 부분적으로 사용된다. 상기 개략적으로 나타낸 자기장(48)은 시트 재료(40)의 두께를 따라 확장하고 그 시트 재료(40) 아래에 위치된 다른 강자성 작업편(41)과 상호작용할 수 있다. 총 두께 t2를 갖는 시트의 스택인 추가 작업편 시트의 두께와, 포화된 작업편 시트(40)와의 거리에 따라, 상기 스위칭 유닛(14)은 스택된 시트(40, 41)의 조합된 자속 변경 영역이 상술한 바와 같은 극편 접촉영역(42 또는 43)과 거의 동일한 조합된 두께까지 추가 시트(41)를 자기적으로 승강시킬 수 있다.

자기장이 바로 옆에 인접한 작업편(40)을 넘어 확장하는 것은 물론 개별 자기 결합유닛(14)에 존재하는 활성 자기 재료 부피에 따른다.

하나의 특징적 구성의 본 발명에 따르면, 특정 승강력 또는 결합력을 제공하기 위해 평가된 단일 또는 다수의 비교적 멀리 떨어져 간격된 유닛(14)을 이용하는 대신, 필요한 결합력(극편 형태가 기여하는 소정의 힘 및/또는 자속 전달 증대의 영향력과는 별도로)을 제공하는데 필요한 필수의 활성 자기량이 도 7a 및 7b에 예로 비유한 바와 같이 다수의 보다 작은 스위치가능 자석유닛(14)으로 분할된다. 도 1 및 2와 같이, 그 유닛(14)은 비강자성 재료의 보다 큰 하우징(도시하지 않음)에 고착되어 배열된다. 상기 유닛(14)은 이하 그 개별 유닛(14)의 상호작용이 향상된 성능을 달성할 수 있게 하는 도 8a 내지 8c 및 10에 비유하여 기술한 바와 같이 특정 타입의 어레이 구성으로 배치될 것이다.

이는 주어진 어레이의 개별 유닛(14)의 전체 배열 뿐만 아니라 활성화된 개별 유닛(14)의 N극 및 S극의 상대적인 위치를 설명하는데 필수적인 그 이상의 기하학적 파라메터를 정의하는데 적절할 것이다. 이와 관련하여, 도 5에는 소위 개별 유닛(14)의 양극화(또는 극성화) 축(PA)이 도시되고, 그 극성화 축은 그 유닛(14)의 반대 극성의 원통형 자석(20a, 20b)의 개별 접촉면(24; 도 3a 및 3b 참조)이 공통 평면에 접해 있을 때, 즉 개별 자석(20a, 20b)의 자화축(MA)이 동축 정렬되는 완전 활성화 상태 또는 완전 비활성화 상태에 있을 때 정의된 그 (수직)접촉면에 수직으로 확장하는 특성이 있다. 도 5에서, 결합유닛은 완전 활성화 상태로 도시되어 있다. 따라서, 본질에 있어 양극화 축(PA)은 그 유닛(14)의 완전 활성화 상 태에서 N극에서 S극까지의 방향축을 정의하고, 도 6에 예로 비유한 바와 같이 단일의 막대 자석의 N-S축으로 시각화되며, 그와 같은 유사한 단순화된(활성화된) 자석이 이후의 설명에 사용될 것이다.

다음에, 도 7a 및 7b에는 선형 어레이로 배치된 다수의 개별 결합유닛(14)이 개략적으로 도시되어 있으며, 상기 각각의 유닛(14)은 동일한 갭(g)으로 서로 떨어져 간격되고, 개별 유닛(14) 극성화 축(PA)이 직렬로 그리고 서로 동축으로 배열됨으로써 활성화된 유닛(14)의 N극 및 S극이 순차 교대로 배열된다. 도 6은 도 7a 및 7b에 실시된 직렬 교대의 어레이 구성(단일의 N-S 막대 자석으로 나타낸)을 개략적으로 나타낼 뿐만 아니라, 유닛(14)의 양극화 축(PA)이 어레이의 축(AA)에 수직으로 연장하는 또 다른 직렬 어레이 구성을 나타낸다. 또한, 인접한(또는 이웃한) 자석(14)들이 교대의 N-S극성을 갖고 갭을 가로질러 서로 면하는 것을 알 수 있을 것이다.

도 7a 및 7b로 되돌아 가서, 그 작업편(40) 내에는, 각각의 결합유닛(14)에 존재하는 각 개별 유효 자속 변경 영역(도 5의 44 및 46)과는 별도로, 그 어레이 라인에서 각 개별 유닛(14)들간 동일한 상대적인 근접한 공간 거리로 형성되고 각각의 이웃하는 유닛쌍의 자기장의 영향으로 인해 존재하는 각각의 유닛쌍 사이에 추가의 유효 자속 변경 영역(여기서는 제3유효 자속 변경 영역(50)이라 칭함)이 존재한다. 도 7a의 도시에 있어서, 5개 유닛(14)의 교대의 극성 배열에는 각 개별 유닛(14)의 자기장의 제한을 돕는 4개의 제3유효 자속 변경 영역(50)이 포함된다. 제3유효 자속 변경 영역(50)이 갖는 한가지 효과는 유닛(14)의 어레이가 작용하 는 작업편(60)의 높은 자기저항에 의해 자속밀도가 제한될 경우 각 유닛(14)의 극 접촉 영역(42, 43)에서의 자속밀도의 증가이다. 이러한 방식에서는 각 개별 유닛(14)들의 총합과 같은 동일한 전체 활성 자기량을 갖는 단일 유닛(14)의 사용과 비교하여 보다 높은 당김력 및 향상된 자기 성능이 달성된다.

개별 유닛(14)들간 간격(또는 선형 갭(g))은 총 자기장 크기의 범위에서 조절한다. 인접한 유닛(14)들간 짧은 거리(g)는 총 자기장 밀도와 전체 침투깊이의 감소와 함께 각각의 분리된 유닛(14)들간 자속 변경에 중점을 둔다. 유닛(14)들간 보다 넓은 간격은 자기장 강도의 전체적인 증가 및 작업편 내로의 보다 깊은 자속 침투력과 함께 각 개별 자석(14)들의 자기극간 자속 변경에 좀더 중점을 둔다.

도 8a 내지 8c는 도 6의 선형 어레이와 비교되는 개별 유닛(14)들의 원형 어레이 배열의 개략 평면(저면 또는 상면)도를 나타낸다. 도 8a의 원형 어레이 구성은 도 1에 도시된 테스트 장치 및 도 2에 나타낸 자기 승강장치(100)에 실시된다. 도 2의 자기 승강장치(100)에 있어서, 6개의 개별 유닛(14)은 작업편(도시하지 않음)이 접촉되는 원형의 면 플레이트(135)를 갖는 외부 원통형 하우징(120)에 고정 및 분리할 수 있는 방식으로 고착된다. 하우스에 기계적인 연결 아암 배열을 도시하지 않은 활성 모듈(130)이 하우징부(120)의 후방에 볼트 고정되고, 마찬가지로 도시하지 않은 개별 유닛(14)들의 활성 장치(예컨대, 도 3b에 30으로 나타낸 바와 같은)가 상술한 바와 같이 개별 유닛(14)들을 공동으로 활성 및 비활성하도록 동작시킬 수 있는 수단을 제공한다.

도 8a 및 8b의 원형 어레이 구성은 도 6에 도시된 교대의 극성을 갖는 선형 직렬 어레이의 자유단의 클로징(closing)을 나타내며, 모든 유닛(14)이 유닛쌍간 상호작용하는 이웃한 유닛(14)을 갖는 자기-포함 어레이 구성을 제공한다. 그러한 이유 때문에, 원형 어레이 구성은 개방된 선형, 직사각형 또는 다른 열-행 어레이와 비교하여 더 큰 균일한 자기력을 갖는 것이 바람직하다.

도 8a에 도시된 어레이에 있어서, 6개의 유닛(14)은 도면상의 평면과 허원(imaginary circle)의 반경(r)에 수직으로 확장하는 각 유닛(14)의 각각의 자석 스택 축(A)에 위치되고, 그 스택 축(A; 즉 상기 반경(r)에 수직인)과 연결되는 상기 허원 라인에 접하여 확장하는 각 유닛(14)의 극성화 축(PA)에 위치되며, 이웃하는 유닛(14)의 활성화된 S극에 면하는 각 유닛(14)의 활성화된 N극으로 그리고 그 반대로 배치된다. 이러한 어레이 구성에서는 개별 유닛(14)에 6개의 제1 및 제2유효 자속 변경 영역(44/46) 및 이웃하는 유닛(14)간 6개의 제3유효 자속 변경 영역(50)으로 이루어진 12개의 유효 자속 변경 영역이 존재한다.

또한, 도 8a의 어레이에서는, 인접하지 않은 유닛(14)의 N극과 S극간 상호작용의 자기장이 존재하지만, 실제로 이들은 한계가 있으며 유효 전체 자속 변경 영역(44/46 및 50)에 기여하지 못할 정도로 미약하다.

도 8a, 8b 및 8c의 비교로 알 수 있는 바와 같이, 개별 유닛(14)의 원형 어레이 구성은 이웃하는 유닛(14)에 따라 그리고 글로벌(global)형 어레이의 각 유닛(14)의 극성화 축(PA)의 상대적인 방향에 따라 각기 다른 유효 자속 변경 영역들을 생성할 수 있다. 소위 교대의 별형 어레이 구성이 도 8b에 도시되어 있으며, 도 8a의 원형 어레이와 같은 동일한 어레이 반경(r)이 존재한다. 그러나, 이러한 어레이 구성에 있어서, 개별 유닛(14)들은 각 유닛에 대한 각각의 반경을 갖는 동축의 반경 배열(허부(hub) 및 스포크(spoke))로 극성화 축(PA)에 배치되고, 상기 유닛(14)들은 안쪽에 면하는 활성 N극 또는 S극 및 바깥쪽에 면하는 또 다른 극을 갖는다. 동시에, 이웃하는 유닛(14)들은 방사상으로 안쪽 및 바깥쪽에 면하는 교대의 극들로 배열됨으로써 이웃하는 유닛의 활성 N극 및 S극은 인접한다.

또한, 도 8b는 이러한 어레이 구성에 존재하는 유효 자속 변경 영역을 개략적으로 도시하며, 방사상으로 안쪽에 위치된 제3변경 존(52)은 안쪽에 위치된 극들과 비교하여 이웃하는 유닛의 방사상으로 안쪽에 위치된 활성 극들의 증가된 거리로 인해 방사상으로 바깥쪽에 위치된 제3변경 존(54)과 비교하여 비교적 강한 변경을 나타내는 이웃하는 유닛(14)들 사이의 유효 자속 변경 영역을 나타낸다. 마찬가지로 거기에는 전체 어레이의 완전히 반대측에 배열된 유닛(14)들의 비교적 가까운 반대 극성의 활성 극들로 인한 방사상으로 면하는 유닛(14)들간 확장하는 3개의 제3유효 자속 변경 존(56)이 존재하며, 그 제3유효 자속 변경 존(56)은 교차하는 별형 패턴으로 배열된다.

만약 자속 침투깊이의 증가가 필요하면, 도 8b의 어레이가 도 8c에 나타낸 어레이 구성으로 변경되며, 동일한 유닛(14)의 배열이 제공되는 반면, 그 개별 유닛(14)들의 활성 극들(극성들)은 모든 유닛(14)들이 어레이의 내부 반경 말단에서 동일한 극성을 갖도록 배치된다. 즉 그 유닛(14)들이 방사상으로 바깥쪽에 면하는 또 다른 극과 함께 방사상으로 안쪽에 면하는 각 유닛(10)의 동일한 극으로 방사상으로 다시 배열된다. 이러한 어레이 형태에 있어서, 개별 활성 유닛(14)들의 N극 및 S극들은 반경(r)에 의해 정의된 원을 따라 '평행'해지고 2개의 환형의 보다 큰 극 유닛들에 효과적으로 합쳐짐으로써, 개별 유닛 유효 자속 변경 존(44, 46)으로부터 형성된 링 밴드 형태의 동심의 유효 자속 변경 존(58)을 정의한다. 그러나, 그 자기장이 그 변경 밴드를 따라 균일하게 분포되지 않으나, 개별 유닛(14)들의 각각의 극들에서 최대가 된다. 사실상, 그와 같은 어레이 구성은 이웃하는 유닛(14)들 사이에 어떠한 제3유효 자속 변경 영역도 갖지 않으며, 방사상으로 안쪽 및 바깥쪽 환형 자기극을 갖는 통상의 자석 컵 디자인과 비교할 수 있는(원리적으로)자속 변경 패턴을 제공한다.

도 9a 내지 9c는 매우 얇은 강자성 시트 금속 또는 자기페이퍼(Magpaper)와 접촉할 때 각각의 도 8a 내지 8c의 어레이의 접촉면에 존재하는 것과 같은 컴퓨터에 의한 모델링을 이용하여 생성된 이상적인 2차원 자기장 라인 패턴을 나타낸다. 상기 패턴은 시각화에 도움을 줄 뿐이고, 이상적인 모델을 나타낸다.

도 9a에 도시된 자기장 패턴은 얕게 관통하는 비교적 제한된 자기장(H-field)이며, 그와 같은 원형 배열의 반대 극성을 갖는 자석들의 배열은 이하 보다 상세히 기술하는 바와 같은 효과적인 자기-조절 자기장을 제공한다. 반대로, 도 9b에 도시된 자기장 패턴은 얕게 관통하는 반면 비교적 넓게 퍼지는 자기장을 제공한다. 마지막으로, 도 9c의 자기장 패턴은 그 어레이의 인접한 자석들의 결과로 생기는 축소된 자기장 라인을 넘어 이웃하는 자석들간 자기의 상호작용이 전혀 없는 것을 나타내며, 그에 따라 그 자기 에너지가 확대되어 도면상의 평면에 수직인 방향으로 보다 깊이 관통하는 자기장을 달성한다.

상기의 기술로부터 명확히 알 수 있는 바와 같이, 개별 자석유닛(14)의 개수, 크기 및 간격 배치의 선택은 자기 어레이를 통합하는 자기장치, 예컨대 결합장치, 승강기 등의 사용이 예정된 영역에 따라 결정되는데, 특히 그 어레이가 접촉하는 강자성체의 특성에 따른다. 예컨대, 자석들간 1mm의 간격이 유지되는 5개의 스위치가능 자석 버전 M1008의 어레이를 채용하는 도 1에 도시된 자기 승강 테스트-지그는 0.8mm의 철 시트 상에 145N의 당김력을 가할 수 있다. 이 경우 아래에 직접 접촉하는 두번째 시트의 당김은 거의 보이지 않는다.

이하의 표는 주어진 활성 자기재료 부피를 각각 개별적으로 세분한 부피로 나누고 본 발명과 같이 그렇게 세분한 부피를 특정 어레이 구성으로 배치한다는 몇가지의 기본적인 이점을 나타낸다. 이하의 표는 6개의 자기 승강 타입으로 실시한 승강 실험의 결과를 요약하고 있으며, 그 표에서 첫번째 3개의 멤버는 타입 맥스위치 M1008(도 2 및 3에 도시된 바와 같은)의 6개 스위치가능 자석의 원형 어레이를 통합하는 자기 승강기이며, 반면 그 표에서 다음 3개의 멤버는 타입 M2020, M3020 및 M5020 중 어느 하나의 보다 큰 스위치가능 자석(즉, 각각 20mm 직경 × 20mm 높이의 자석, 30mm 직경 × 20mm 높이의 자석 및 50mm 직경 × 20mm 높이의 자석)을 채용한다. 이하의 표에서, '교대의 별형 어레이'는 도 8b와 같은 어레이 구성을 나타내고, '결합 별형 어레이'는 도 8c와 같은 어레이 구성을 나타내며, '원형 어레이'는 도 8a와 같은 어레이 구성을 나타낸다.

	활성 자기재료 부피(mm³)	최대 당김력(N)	완전 활성화된 1mm 시트의 당김력(N)	침투 레벨과 매칭하도록 일부 활성화된 1mm 시트의 당김력(N)
1008×6 교대의 별형 어레이	3768	420	260	자기 조절
1008×6 결합 별형 어레이	3768	450	200	130
1008×6 원형 어레이	3768	220	200	자기 조절
2020	6283	450	180	80
3020	14137	750	270	110
5020	39270	1500	320	100

다수의 관측결과가 가치가 있다. 어레이의 부피에 10배 이상의 총 활성 자기재료 부피를 가짐에도 불구하고, 단일의 M5020 자석의 최대 승강 수용능력(최대 당김력(N))은 교대의 별형 어레이 구성의 수용능력에 약 3.57배일 뿐이라는 것을 알 수 있을 것이다. 1mm의 두께를 갖는 강자성 시트와 체결되어 있을 때 그 동일한 어레이는 단지 단일의 5020 자석보다 낮은 60N의 당김력을 갖고, 교대의 별형 어레이 승강기에 포함된 활성 자기재료 부피의 약 2배를 갖는 단일의 2020 자석보다 높은 60N의 당김력을 가질 것이다. 또한, 실제로 금속시트 작업편 내로 자로를 제한하여 자기장이 그 이상으로 확장하는 것을 피하기 위해, 단일의 자석유닛 3020이 1mm의 얇은 금속시트에 의해 전해질 수 있는 자기 침투 레벨과 매칭하도록 자화상태로 스위치될 경우, 그 당김력은 완전 활성상태(자기장이 금속시트의 두께를 넘어 확장하는)와 비교하여 그 값에 1/2 이하이고 최대 당김력의 약 1/7이다. 즉, 작업편 경계를 넘어서는 자기장 확장을 피하기 위해 자력을 낮춘 단일 자석의 경우, 만약 자속이 '병목(bottlenecked)'되면, 극 자속밀도 강하를 야기하고, 동시에 이용가능한 당김력의 감소를 야기한다. 상기 어레이 구성은 이웃하는 어레이 부재들간의 추가 자로의 존재로 인해 '병목' 자속 영역을 확장시킴으로써 높은 당김력을 야기하는 전체 극 자속밀도의 증가를 이끈다.

그러나 특히 흥미로운 것은, 표에 목록된 소정의 다른 승강기들 보다 당김력을 높게 유지시키게 하는 자기-조절 자기장이라 부르는 교대의 별형 어레이 및 원형 어레이 구성이 있다는 것이다.

이러한 현상은 도 10 및 11을 참조하여 설명될 것이다. 도 10에는 이상적인 2차원 모델 자석 원환체(80)가 도시되어 있으며, 클로즈된 6극 자석 환원체가 6곳의 개별 위치(82a~f)에서 오픈됨으써, 활성화될 경우 사실상 도 8a의 원형 쌍극 어레이 구성과 유사한 배열을 제공하는 6개의 쌍극 자석들(84a~84f)을 정의한다(그러나 선형의 쌍극이 아닌 약간 커브된 극성화 축(PA)의 쌍극 자석들(84a~f)) .

이웃하는 자석들(84a~84f)이 '단락'된 교대의 극성(N-S)을 갖는 '클로즈된 회로'의 원형 자기 어레이(80)의 이상적인 자기장 패턴(수직으로 면하는 자석면을 접경면으로 가져오거나 또는 극편을 각각의 갭에 삽입하여 인접한 자석들의 각각의 N-S극쌍을 위한 브릿지를 제공하는)은 그 클로즈된 회로 내에 자체 포함되며 이용 가능하지도 외부 작업회로에 의해 접속할 수도 없다. 다수의 위치(예컨대, 도 10에 나타낸 6개의 갭(82a~f))에서의 그 환원체의 개구는 (환원체)어레이의 활성 자기재료에 저장된 자기 에너지에 '접근(access)'하게 하는 다수의 입구를 제공한다.

그 오픈된 환원체(80)는 이웃하는 자석(84)들간의 각 갭(82)에서 자속 변경 존이 인접한 자석들(84a~f)의 반대의 N극과 S극 사이에 존재함으로써 갭 부피 내에 존재하는 매체에 걸친 자로를 제공한다는 것을 알 수 있으며, 그 전체 어레이 배열은 자석들(84a~f) 및 갭(82a~f)으로 이루어진 제1(클로즈)자기회로를 제공할 것이다. 강자성체가 82a~f에 걸친 다수의 입구와 자기적으로 상호작용할 경우, 강자성체와, 이 강자성체와 접촉하는 인접한 자석들(84a~f)의 N극과 S극의 극편들(도시하지 않음), 및 강자성체 브릿지를 갖는 2개 이상의 자석(84a~f)으로 이루어진 제2(클로즈)자기회로가 상기 제1자기회로, 즉 어레이 회로보다 낮은 자기저항을 가지면 그 어레이에 의해 제공된 '탱크'회로에 이용가능한 자속이 그 강자성체로 전환되거나 분할될 수 있다.

제2자기회로로 분할되는 자속의 비율은 양 회로의 자기저항에 따른다. 또 다른 방식의 경우, 동일한 기자력에 노출된 제1 및 제2자기회로 모두가 동일한 투자율을 가지면, 동일한 자속 분할이 이루어진다. 상기 회로 중 어느 하나의 자기저항의 증가는 그 회로에서 또 다른 회로로의 자속의 이동을 야기하거나 그 반대의 경우를 야기한다. 이러한 기본적인 원리는 상술한 도 8a 및 b의 원형 및 교대의 별형 어레이 구성에서 실시된다.

본 발명의 자속-분할 기능성의 특징은 도 3b에 도시된 타입의 2개의 스위치 가능 영구자석유닛(240, 242)의 개략적 측면도인 도 11a 및 b를 참조하여 가장 잘 예시되어 있으며, 상기 영구자석유닛(240, 242)은 그 상호 직면하는 반대의 N극과 S극 사이에 작은 에어 갭(241)을 두고 서로 가까운 고정위치에 도 5 및 6에 도시한 바와 같은 선형 어레이로 배열된다. 그와 같은 이상적인 2개의 자기 어레이는 도 8a 및 b의 원형 어레이 뿐만 아니라 도 10의 오픈된 환원체에도 제공되는 것을 알 수 있을 것이다.

도 11a 및 b에 있어서, 라인 244는 단순히 영구자석유닛(240, 242)의 또 다른 N극과 S극 사이에 유지되는 에어 갭(242)을 가로질러 서로 면하지 않는 S극과 N극간 클로즈(단락)회로를 달성하기 위한 이상적인 자기저항을 나타내기 위해 제공되며, 따라서 그와 같은 배열에는 단지 하나의 입구만이 존재한다.

도 11a로 되돌아 가서, 즉 작업편(예컨대, 도 11b의 금속시트편(250))의 부재시에, 2개의 자석(240, 242)간 자속 변경 통로는 에어 갭(241)을 가로질러 존재한다(244로 나타낸 바와 같은 클로즈된 회로). 여기서 주어진 자화력의 자속의 크기는 주로 자석들(242, 240)간 에어 갭의 폭 및 횡단면에 따른다. 에어의 투자율이 자속밀도에 선형적이기 때문에, 이러한 일부 경로의 전체 자속 전달 동작은 선형적이다. 따라서 그 에어 갭 자석회로의 자기저항은 그 갭 내의 재료의 투자율 및 자속 전달 영역 형태에 따르고, 그 갭 내의 재료는 매우 낮은 상대적인 투자율(에어의 투자율이 약 1이 되는)을 갖는 에어 이외의 물질이며, 어떠한 경우에도 작업편의 상대적인 투자율보다 낮은 것이 고려된다.

도 11b에 나타낸 바와 같이, 에어보다 높은 투자율을 갖는 강자성 작업 편(250)이 인접한 자석들(240, 242)의 반대 극들과 자기적으로 상호작용할 경우, 그 자석들(240, 242)의 반대 극들 사이에 에어 갭(241)을 가로지르는 보다 낮은 자기저항을 갖는 추가의 자로가 생성된다. 이러한 자로(또는 회로)를 통해 '통과'하는 자속의 양은 주로 작업편 재료의 투자율에 의해 좌우된다(그 작업편이 얇은 두께를 가질 경우). 자속은 제1(에어 갭)자기회로로부터 '끌어당겨져' 제2(작업편)자기회로로 전환된다. 자속 침투가 작업편에 미칠 때까지 그 작업편의 투자율은 초기에는 수천배로 매우 높다(에어보다 높다). 제2회로의 투자율은 침투가 미칠 때까지 작업편 재료에 맞는 적절한 비선형 B-H 자화 커브와 같이 점진적으로 감소할 것이다(자속밀도의 증가에 따라). 다음에 제2회로의 자기저항이 에어 갭 회로보다 높거나 같아질 수 있으며, 더 이상 자기 에너지가 에어 갭 회로로부터 '끌어당겨지지' 않을 것이다.

도 11a 및 b에 도시되어 있는 바와 같이, 로드되지 않은 '탱크'회로에서의 에어 갭을 가로지르는 초기에 보다 높은 값을 갖는 자속, 예컨대 0.48 테슬라(Tesla)는 작업편이 인접한 자석들(240, 242)의 반대 극인 N극과 S극을 연결할 경우 분할될 것이며, 일단 작업편을 가로지르는 분할회로의 침투가 종료되면 보다 낮은 자속, 예컨대 0.11 테슬라가 에어 갭(241) 내에서 유지될 것이다.

사실상, 상기 기준에 따라 제공된 자기 어레이 구성은 강자성 작업편과 자기적으로 상호작용할 때 자기-조절 자기장을 나타내는 자기장치를 제공하며, 그 작업편의 비선형 투자율은 제1자기회로 내의 횡단 입구에서 이용가능한 자화력(자기장 강도(H))을 조절하여 안정화시키기 위해 제공한다. 입구를 통해 어레이로부터 끌 어당겨질 수 있는 전체 레벨의 자기 에너지는 인접한 자석들간 거리에 반비례하여 가해질 것이다.

상술한 자기 어레이 구성이 상술한 특허에서도 기술한 바와 같이 스위치가능 영구자석유닛들(14, 140, 240)을 이용하는 반면, 그 외의 쌍극 자석유닛들이 채용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, N-S 자화축은 반드시 직선형일 필요는 없으며, 원형 어레이 형성의 경우에는 약간 굴곡될 수 있다.

(스위치가능)자석유닛의 활성 자기재료와 상호작용하는 극편의 특정한 기하학적 형태가 채용됨과 더불어 활성 자기재료로부터 작업편 내로 원하는 자속 전달 패턴을 달성하기 위해 필요에 따라 변경된다.

마찬가지로, 자석들의 어레이가 수용되는 하우징의 재료 및 형태가 상술한 제한 범위 내에서 정밀한 어레이 구성의 배치에 따라 특정 적용에 맞게 선택될 것이다.

도 9a~9c, 10 및 11은 이상적이면서 간단한 2차원 모델의 자로, 자기장의 기하학적 형태 등을 도시하는데, 이는 3차원 인공물에 기초하며, 오픈 및 클로즈(또는 로드)된 자기회로가 예컨대 불완전한 자로, 자기장 누설 등에 좌우되는 다수의 다른 결과 및 경계 조건에 의해 영향받는다. 또한, 컴퓨터 모델링은 도면을 그리는데 있어서 약간의 단순화 및 부정확성을 야기하므로, 이들을 일반적인 원리의 예시로만 볼 것이다.

비록 본 발명이 자기 승강기 및 결합장치에 적용하는 개념을 참조하여 원리적으로 기술했을 지라도, 자화가능(강자성) 작업편을 잡아당겨 그와 같은 장치에 고착시키거나 또는 그 장치에 단단하게 부착된 작업편을 이동시키거나 그와 반대의 경우에도 다른 장치에 자기 어레이가 용이하게 적용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims

자기 에너지의 소스로부터 하나 이상의 강자성 작업편으로 자기-조절 자속을 전달하는 방법에 있어서,

자화축을 정의하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 각각 갖는 다수의 자석이 제1비투자율을 갖는 매체에 배치되고, 상기 자석들은 소정 거리의 갭이 어레이의 이웃하는 자석들간 유지되고 바로 이웃하는 자석들이 반대의 극성으로 서로 면하도록 상기 자석들의 자화축이 방향지워진 어레이로 배열되고, 상기 배열은 매체에 걸친 내부 자로가 상기 이웃하는 자석들 사이에 존재하고 자속 접속 입구가 상기 이웃하는 자석들의 반대 극성의 극편 사이에 형성되는 자기 탱크 회로를 나타내며, 하나 이상의 자속 접속 입구를 제1비투자율보다 높은 제2비투자율을 갖는 강자성체의 표면에 근접 또는 표면과 접촉할 정도로 가깝게 함으로써 자기 탱크 회로보다 낮은 자기저항을 갖는 적어도 하나의 작업 회로가 생성되고, 그에 따라 상기 자기 탱크 회로로부터 작업편으로의 효과적인 자속 전달의 한계가 작업편이 탱크 회로의 자기저항과 거의 동일한 작업 회로의 자기저항과 자기 침투력에 근접할 때 도달되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 자석들은 쌍극이면서 단일의 원형 어레이로 배치되며, 상기 각 자석의 자화축은 원의 중심으로부터 각각의 자석으로 확장하는 반경에 거의 수직으로 또는 상기 각각의 연관된 반경에 거의 동축으로 확장하는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서,

호주특허 제753496호 또는 미국특허 제7,012,495호의 청구항에 기술된 스위치가능 영구자기장치들이 상기 어레이에 자석으로 채용되는 것을 특징으로 하는 방법.
자화축을 정의하는 적어도 하나의 N-S극쌍을 각각 갖는 다수의 자석을 갖춘 강자성체로 자속을 전달하기 위한 자기장치에 있어서,

상기 자석들은 (a) 제1비투자율을 갖는 매체에, (b) 소정 어레이 구성으로, (c) 떨어져 간격된 위치에, 그리고 (d) 소정 방향 및 동일 평면으로 확장하는 자화축에 위치되고, 상기 자기장치는 제1비투자율보다 높은 제2비투자율을 갖는 강자성체의 표면과 인접 또는 근접하도록 배치된 면을 가짐으로써 자석들과 강자성체간 클로즈 또는 로드된 자기회로를 생성하여 자석의 N극과 S극 사이의 강자성체를 통해 그리고 강자성체 내에 제한된 자로를 생성하는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항에 있어서,

상기 자석들이 고착되는 비강자성 캐리어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,

각 개별 N-S극쌍에 의해 제공된 자기장 외에 추가의 자기장이 이웃하는 자석들의 반대 극들 사이에 제공되도록 각 개별 자석들간의 상호 간격 및 바로 이웃하는 자석에 대한 각 자석의 N-S극쌍의 공간 방향이 선택되는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

매체가 에어, 플라스틱 재료 또는 낮은 비투자율을 갖는 비강자성 물질로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

어레이는 호주특허 제753496호 또는 미국특허 제7,012,495호의 청구항에 기술된 타입의 다수의 선형 행의 쌍극 자석으로 이루어지고, 상기 자석들의 자화축이 행 내에서 거의 동축이거나 그 행 축에 수직인 것을 특징으로 하는 자기장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

자석들은 호주특허 제753496호 또는 미국특허 제7,012,495호의 청구항에 기술된 타입의 쌍극 자석이고, 상기 자석들은 하나 또는 다수의 동심원 어레이로 배열되고, 상기 각 자석들의 자화축은 원의 중심으로부터 각각의 자석으로 확장하는 반경에 거의 수직으로 또는 상기 각각의 연관된 반경에 거의 동축으로 확장하는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

어레이의 자석들간 갭 또는 공간은 고정 및 동일한 것을 특징으로 하는 자기장치.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

캐리어가 최소치와 최대치 사이에서 어레이 내의 각 개별 자석들의 거리를 변경하여 재고정할 수 있도록 서로에 대한 각 개별 자석들의 한정된 변위를 허용하기 위해 제한되는 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

N-S 쌍극 다음에 또 다른 N-S 쌍극이 이어지도록 상기 어레이의 바로 이웃하는 자석들의 극성이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 자기장치.
제4항 내지 제7항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자석들은 단일의 원형 어레이로 배열되고, 상기 각 자석들의 자화축은 원의 중심으로부터 각각의 자석으로 확장하는 반경에 동축으로 확장하고, 상기 자석들은 원의 시계방향으로 N-S 쌍극 다음에 S-N 쌍극이 이어지는 교대의 구성으로 배치되는 것을 특징으로 하는 자기장치.
강자성 시트형의 작업편과 체결되되도록 배열된 결합면을 갖는 하우징과, 상기 하우징의 결합면에 부착되어 상기 작업편을 승강장치에 자기적으로 고착하기 위해 제공된 다수의 스위치가능 영구자석유닛을 갖추고,

상기 각각의 유닛은 스택 축을 따라 스택되고 그 스택 축을 따라 자석들의 대향하는 축 말단면간 확장하는 적어도 하나의 N-S 활성 극쌍을 갖도록 극성화된 2개의 원통형 또는 디스크형의 영구자석; 상기 양 영구자석의 주변에 배열됨과 더불 어 스택 축을 따라 간격된 축 말단면을 갖는 적어도 2개의 자기 극편; 및 양 자석의 자기 극성이 스택 축을 따라 동일한 방향으로 정렬되어 방향되고, 그 자석들로부터의 자속이 극편을 통해 지나가며, 강한 외부 자기장이 존재하는 활성상태와 외부 자기장이 약하거나 존재하지 않도록 극편 및 자석 자신들 내에서 그 자석의 자속이 단락되고 제한되는 비활성상태 사이에서 상기 유닛을 스위치하도록 영구자석 중 어느 하나의 선택 회전을 위해 배열된 활성 수단을 포함하며, 상기 자석들은 극편 내의 상기 스택 축을 따라 서로 상대적인 움직임을 위해 유지되며,

상기 유닛은 어레이 구성으로 배열되는데, (a) 각 유닛의 극편 및/또는 스택된 자석쌍의 자석들 중 어느 하나는 그 접촉면에 또는 그 접촉면에 가까운 그들 축 말단면에 위치되고 (b) 각 개별 유닛은 이들 유닛의 활성상태에서 이웃하는 유닛들간 자속 변경을 가능하게 하도록 그들 각각의 자석쌍과 상호간에 갭을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 승강장치.
제14항에 있어서,

원통형 영구자석은 각 자석의 N극 및 S극이 자석들의 원형 말단면의 직경으로 분리되는 정반대로 극성화된 쌍극자인 것을 특징으로 하는 영구자석 승강장치.
제15항에 있어서,

상기 극편은 상기 자석들의 스택 축에 수직인 횡단면에서 한쪽 또는 양쪽 자석의 N-S극 경계에 수직인 반경(r)을 따라 자기량 분배 구역에 대해 자석 주변을 둘러싸는 벽의 두께와 관련있는 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 영구자석 승강장치.
제14항, 제15항 또는 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

자석유닛들이 공통 중심에 대해 원형 어레이로 배열되고, 상기 각 개별 자석유닛이 그들 각각의 N-S극 축에 위치되고, 이들 축은 (a) 공통 중심점을 향하여 방사상으로 뻗어 있거나, 또는 (b) 개별 자석유닛의 스택 축을 연결하는 원에 접선하여 확장하며, 상기 배열은 이웃하는 자석유닛들이 반대의 극성으로 서로 면하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 영구자석 승강장치.
작업편과 자기적으로 상호작용하여 결합력을 발생시키는 소정의 활성 자기재료 부피를 갖는 스위치가능 영구자석장치에 있어서,

상기 활성 자기재료 부피가 각각 활성 자화축과 비활성 자화축간 스위치가능한 다수의 개별 자석유닛으로 세분되며, 상기 자석유닛들은 제1자로를 갖는 제1자기회로가 활성 자화상태에 있을 때 바로 이웃하는 유닛의 N극과 S극 사이에 제공되는 식으로 서로 소정 거리의 갭을 갖는 소정 어레이 구성의 비강자성 하우징 내에 고착되며, 상기 각각의 자석유닛은 이 자기유닛의 활성 자기재료를 갖는 클로즈된 외부 제2자기회로를 형성하기 위해 강자성 작업편과 상호작용하도록 배치된 자석들의 N극 및 S극과 결합된 극편을 갖고, 상기 제2자기회로는 극편을 통해 상기 이웃하는 자석들의 N극과 S극간 확장하는 상기 제1자로보다 낮은 자기저항의 제2자로를 갖는 것을 특징으로 하는 스위치가능 영구자석장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

2 종류의 자속 입구가 존재하며, 그 중 첫번째 자속 입구는 제1(전방)자속방향의 각 개별 자석들의 극편들 사이에 제공되고, 두번째 자속 입구는 상기 제1자속방향에 대향하는 제2자속방향의 이웃하는 자석들의 극편들 사이에 제공되어 균일한 자속방향이 어레이 전체에 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.