阅读说明：本技术 用于扰动永磁体不对称场以移动物体的系统和方法 (System and method for perturbing an asymmetric field of permanent magnets to move objects ) 是由 M·L·克利默 B·L·麦康奈尔 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：一种用于扰动永磁体不对称场以移动物体的系统和方法包括构造成围绕旋转轴线旋转的旋转体、包含两个或更多个永磁体的布置在旋转体上的永磁体布置结构以及扰动元件。永磁体布置结构构造成使得由永磁体围绕扰动点产生不对称磁场。在扰动点处或附近致动扰动元件导致在旋转体和/或永磁体布置结构上的切向磁力,从而导致旋转体围绕旋转轴线旋转。本公开也可用于物体的线性运动。(A system and method for perturbing a permanent magnet asymmetric field to move an object includes a rotating body configured to rotate about an axis of rotation, a permanent magnet arrangement disposed on the rotating body containing two or more permanent magnets, and a perturbing member. The permanent magnet arrangement is configured such that an asymmetric magnetic field is generated by the permanent magnets around the disturbance point. Actuating the perturbing member at or near the perturbation point results in a tangential magnetic force on the rotating body and/or the permanent magnet arrangement, thereby causing the rotating body to rotate about the rotation axis. The present disclosure may also be used for linear motion of an object.)

具体实施方式

如下文更详细讨论的，在一些实施例中，本公开涉及用于扰动永磁体不对称场以提供物体的运动的系统和方法。本公开的系统和方法可基于期望的设计参数使用任何形状和尺寸的永磁体，并且可构造有或没有外壳。本公开具有一种永磁布置结构，该永磁布置结构基于磁(或通量)回路构造导致具有存储在磁场中的势能的不对称磁场。

我们已经发现，由扰动不对称场的扰动元件施加的小的输入力导致由永磁体构造释放势能，其导致大于施加的输入力的输出力(或力放大)，从而提供永磁体驱动(或辅助)的力放大器。

参考图1和图2，根据本公开的实施例示出了永磁体不对称场系统100A的示例性实施例。系统100A包括旋转体(诸如飞轮)102、具有多个永磁体106的永磁体布置结构104和扰动元件(或控制杆或驱动销)108。旋转体102构造成围绕旋转轴线110旋转。旋转体102示出为通过轴125连接到交流发电机/发电机112，轴125可通过螺栓123等附接到物体102。另外，交流发电机/发电机112可具有通风孔12以避免过热。

在该实施例中，扰动元件108是钢螺杆或钉子或杆或销，其构成由含铁材料制成的含铁体。该实施例示出为具有呈用于扰动元件108的尖端的承窝(socket)形式的任选支座(或座)107。支座107可由塑料和/或金属或任何其它材料形成，或者在一些实施例中，可为底板102中的凹坑或凹陷部。

布置结构104的永磁体106固定地布置在(或附接到)旋转体102上，使得围绕一个或多个扰动点116A、116B、116C、116D(统称为“116”)产生不对称磁场，其具有由此产生的大磁场114(或大场114)和小磁场115(或小场115)。每个扰动点116具有周向地围绕扰动点116的四个磁体106的簇，其中每个磁体106具有距扰动点116的相等的径向距离或基本上相等的距离。一些簇共享一个或多个公共磁体106。在每簇磁体106中，存在产生大场的三个磁体106和产生小场115的一个磁体106，该产生大场的三个磁体106的背对旋转体102的上表面具有相同的北极(N)极性，该产生小场115的一个磁体106的背对旋转体102的上表面具有南极(S)极性。每个扰动点116具有基本平行于旋转轴线110的扰动轴线118。另外，存在位于该构造的中心的公共磁体106A，物体102围绕该公共磁体旋转。

如果物体102(或底板)是钢，则磁体1067可磁性地固定或附接到物体102；否则，磁体106可通过螺栓、胶、夹具或其它附接手段固定到物体。如果期望，它们也可嵌入物体内。

出于本申请的目的，不对称磁场包括“大”场和“小”场，其中大场114在尺寸上大于小场115和/或大场114具有大于小场115的磁场强度。在该实施例中，磁体形成共面矩阵图案，以形成大场114的H形图案磁通线。虽然该实施例示出存在比用于产生小场115的磁体106的数量更多的用于产生大场114的磁体106的数量，但是存在大量的用于产生小场115的磁体106在本公开的范围内。例如，产生大场114的磁体106可在数量上比产生小场的更多数量的“较弱”磁体106更少，但“更强”。用于任一场114、115的磁体106不需要具有相同的形状、尺寸或强度，并且对于一个或两个场114、115可存在不同的磁体类型/形状。

在该实施例中，飞轮旋转体102为约15''直径×1.25''厚，并且为约八十(80)磅，并且是汽车/卡车飞轮。然而，其它尺寸、形状和重量的旋转体102也在本公开的范围内。交流发电机/发电机112是由密苏里风能和太阳能公司(Missouri Wind and Solar)制造的型号FREEDOM PMG的四十八(48)伏的永磁发电机，其在266 rpm下达到电池电压。然而，其它类型的交流发电机/发电机也在本公开的范围内。

各种外壳和磁体构造都在本公开的范围内。例如，但不限于，封闭永磁体106的外壳可为封闭的高含铁钢圆柱体，其具有8''外径×7''内径×2''的高度，在底部上盖有8''直径×1/4''厚的含铁钢盘，并且在顶部上盖有8''直径×1/4''厚的铝帽。如本文所述，帽、底部和侧部可由含铁材料或非含铁材料制成。永磁体106可为例如但不限于1-1.25''直径×0.5''厚(或高)的轴向磁化的钕铁硼/圆柱形稀土磁体。永磁体106可作为现货以部件号DX48从K&J Magnetics公司采购。

在操作中，当扰动元件108在初始位置布置在扰动点116处(或扰动点116附近)时，使得扰动元件108的纵向延伸部平行于扰动轴线118(或垂直于在扰动点116处的旋转体102的表面)，并且然后在方向120A、120B、120C、120D上通过提供的输入力(或施加的力)被致动，以朝向小场115的中心点和/或产生小场115的(多个)磁体106的中心点偏离扰动轴线118。图1中示出了偏离扰动轴线118的偏差119。扰动元件108可插在扰动点116的基本上中心部分处，但是当扰动元件108从扰动点116的中心部分径向地偏移时，系统和方法可工作。在该实施例中，小场115的中心点与背对旋转体102(或底板)的具有南极极性(S)的磁体106的中心点对齐。扰动元件108以这种方式偏离扰动轴线118的致动导致不对称场114、115的扭曲(或扰动)，并围绕旋转轴线110在永磁体布置结构104和/或旋转体102上产生合成切向磁力，从而导致旋转体102围绕旋转轴线110在逆时针方向122或顺时针方向124上旋转，假设切向磁力大于抵抗切向磁力的摩擦力和/或负载。有利地，永磁体布置结构104允许逆时针方向122旋转和顺时针方向124旋转，这可被认为是双向性的正向和反向选项。

在一些实施例中，旋转体102的旋转可由扰动元件108的致动导致，以在任何方向上偏离扰动轴线118。例如，扰动元件108相对于扰动轴线118的几度摆动也将导致旋转体102的旋转。

在根据本公开的实施例中，致动扰动元件108偏离扰动轴线118所需的输入力小于作用在旋转体102上的合成切向磁力。这是可能的，这是由于永磁体布置结构104中包含的势能，其产生切向磁力以驱动旋转体102围绕旋转轴线110旋转，该力大于所提供的输入力(或施加的力)。因此，本公开提供了一种永磁驱动力放大器。

旋转体102的旋转可用于适合旋转体做功的任何应用，诸如例如发电、推进汽车、驱动船或飞机的螺旋桨等。例如，根据本公开的实施例可促进风力涡轮中的旋转，显著减少在启动以发电时(特别是在低风速下)所需的输入能量。实施例可促进水平风力涡轮(或HAWT)或竖直风力涡轮(或VAWT)中的旋转。根据本公开的实施例可与飞轮和风力涡轮的交流发电机或发电机联接。根据本公开的实施例可用于住宅、商业和/或公用事业规模使用应用中。

旋转体102可如由单个扰动元件108对不对称场的扰动所描述的那样被导致旋转。然而，任何数量的扰动元件108都可在其相应的扰动点116处被致动。例如，第一扰动元件108可在扰动点116A处被致动，而第二扰动元件108同时(或基本上同时)在扰动点116D处被致动，以在逆时针方向上驱动旋转体102。类似地，第三扰动元件108可在扰动点116B处被致动，而第四扰动元件108同时(或基本上同时)在扰动点116C处被致动，以在顺时针方向上驱动旋转体102。虽然附加的扰动元件108被示出为在相对的扰动点116处被致动，但是在其它实施例中，附加的扰动元件108不在围绕旋转轴线的相对的扰动点116处。例如，扰动元件108可在30º、45º或90°的角向间隔处的扰动点116处。然而，任何其它角度的角向间隔都在本公开的范围内。根据磁体106的数量和永磁体布置结构的形状/构造，可存在任意数量的扰动元件108和/或扰动点116。附加的扰动元件108和扰动点116提供根据磁体106的强度向旋转体102提供附加切向磁力的能力。

在图1和图2的实施例中示出和描述的磁体106是圆柱形磁体。然而，任何类型或形状的磁体都在本公开的范围内。例如，磁体106可为矩形条形磁体、圆形扁平(或圆盘)磁体等。

虽然扰动元件108已经被示出和描述为钢螺杆，但是在本公开的范围内扰动元件108实际上是任何尺寸和形状，并且由任何含铁材料制成，诸如例如钢、钢合金、铁、铁合金等。扰动元件108也可为永磁体，诸如例如圆锥形磁体、圆柱形磁体等。呈磁体形式的扰动元件108可通过比类似质量、尺寸和/或形状的含铁体扰动元件108提供更大的不对称磁场的扭曲或扰动来提供输入力(或施加的力)的更大放大。扰动元件108的质量、尺寸和形状可根据期望进行调节，以实现扰动元件108的期望的磁场扰动特性，例如，扰动元件108的每度或单位距离致动119的切向磁力的强度或调节量。在一些实施例中，可通过将偏置磁体布置到含铁控制杆来实现输入力的更大放大，该含铁控制杆具有与产生小场115的磁体106的背对旋转体102的侧面的极性相同的极性，其布置在扰动元件108的上端或远端。

参考图3，示出了永磁体不对称场系统100B，其与图1和图2的永磁体不对称场系统100A基本上相同，不同的是移除了磁体106中的两个。在该实施例中，系统100B仅具有围绕两个扰动点116B、116C的两个四个磁体106的簇，其具有公共中心磁体106A。系统100B在与如上面关于图1和图2的系统100A示出和描述的相同的原理下以相同的方式操作。图3所示的系统100B与图1和图2的系统100A之间的一个区别在于，系统100B的永磁体布置结构104仅围绕两个扰动点116B、116C产生不对称场114、115，其可被扰动以产生切向磁力120B、120D，切向磁力120B、120D导致在相同方向(顺时针方向124)上的旋转。

参考图4，示出了永磁体不对称场系统100C，其与图1和图2的永磁体不对称场系统100A基本上相同，不同的是移除了磁体106中的五个。在该实施例中，系统100C仅具有围绕一个扰动点116C的一个四个磁体106的簇，并且物体围绕磁体106A的中心旋转。系统100C在与如上面关于图1和图2的系统100A示出和描述的相同的原理下以相同的方式操作。图4所示的系统100C与图1和图2的系统100A之间的一个区别在于，系统100C的永磁体布置结构104仅围绕一个扰动点116C产生不对称场114，其可被扰动以产生切向磁力120D，切向磁力120D导致在一个方向(顺时针方向124)上的旋转。

参考图5和图6，示出了永磁体不对称场系统100D，其与图1和图2的永磁体不对称场系统100A基本上相同。系统100D包括致动输入设备200。在该实施例中，致动输入设备200是具有输出轴的电动马达，该电动马达构造成围绕致动旋转轴线204旋转两个致动臂202A、202B(统称为“202”)，该致动旋转轴线204基本平行于旋转轴线110或与旋转轴线110相同。致动输入设备200与控制器206可操作地通信，该控制器206配置成控制由致动臂202提供的致动力以及它们的致动时机(timing)。电动马达200是十二(12)伏DC高rpm、低扭矩直流马达(型号XD-3420、DC 12伏、3,000 RPM)，其类似于在无线电控制的汽车和玩具和小型工业致动器应用中使用的电动马达。

参考图7，示出了永磁体不对称场系统100E，其与图5和图6的永磁体不对称场系统100D基本上相同。系统100E包括对致动臂202施加力(或压力)的力辅助设备208。力辅助设备208通过螺纹传动螺杆机构212(诸如具有高螺旋角的螺旋齿轮或斜齿轮)抵靠(causeagainst)臂202来分配螺纹配重元件210的重量(例如2.2磅)，以对销108施加力。力辅助设备208的辅助通过抵靠臂202保持抵靠销108，以辅助马达并减少振动或干扰的影响，以免导致臂202与扰动元件108分离，否则会导致旋转体102的不均匀旋转。虽然力辅助设备208在该实施例中是“重力”型力辅助设备，但是利用主动力辅助的其它力辅助设备也在本公开的范围内。在这种情况下，马达轴216和螺杆传动轴212二者都驱动臂202A，以在扰动销108上施加力。

参考图8和图9，根据本公开的实施例示出了永磁体不对称场系统100F。系统100F包括布置在旋转体102上的两个永磁体布置结构104A、104B，布置结构104A、104B中的每个具有围绕扰动点116E、116F的四个永磁体106，并且具有从扰动点116E、116F延伸的扰动元件108，类似于图3的系统100B，不同的是，布置结构104A、104B不共享围绕扰动点116E、116F的簇(或永磁体布置结构)中的任何公共永磁体。布置结构104A、104B布置成从旋转轴线110径向地偏移。将(多个)永磁体布置结构104构造成使(多个)扰动点116位于距旋转轴线110的期望的径向距离(d)(例如，8英寸)处也在本公开的范围内。布置结构104A、104B的扰动和操作基本上与如上面关于其它实施例讨论的一样。扰动点116E、116F中的一个或两个可使扰动元件108在其中被致动，以便扰动(多个)不对称磁场。来自布置结构104A、104B上的(多个)扰动的合成切向磁力320A、320B将导致旋转体102围绕旋转轴线110旋转。每个布置结构104A、104B布置在任选的外壳300A、300B中。

每个布置结构104A、104B封闭在5''外径×4''内径×1.5''高度的封闭的含铁钢圆柱体外壳300A、300B中，该外壳盖有5''直径1/4''厚的铝圆盘和由钢制成的相同尺寸的底板。然而，如本文所讨论，其它外壳300A、300B构造形状和尺寸也在本公开的范围内。另外，如上文所讨论，外壳300A、300B是任选的，并且永磁体106可直接布置或固定在旋转体102上。在该实施例中，旋转体102是前文讨论的80磅飞轮。然而，其它旋转体102的尺寸、形状和材料也在本公开的范围内。旋转体102可由含铁或非含铁的材料制成。

另外，图5至图7中所示的具有旋转臂以压靠扰动销108的马达驱动和/或螺旋齿轮布置结构可与图8和图9的该实施例一起使用。

参考图10和图11，根据本公开的实施例示出了永磁体不对称场系统100G。系统100G包括圆柱形旋转体402、多个壁磁体406、两个圆柱形偏置磁体407A、407B(统称为“407”)和扰动元件408。旋转体402构造成围绕旋转轴线410旋转。壁磁体406布置在旋转体402的内圆周壁412上。在将旋转体402一分为二的假想赤道414的一侧上的壁磁体406具有面向旋转轴线410的具有北极极性(N)的侧面，并且在假想赤道414的相反侧上的壁磁体406具有面向旋转轴线410的具有南极极性(S)的侧面。偏置磁体407布置在旋转体402的底表面418上的扰动点416处，在“赤道”414上对齐，并且从旋转轴线410径向地偏移。偏置磁体407背对底表面418的上表面具有不同的极性。特别地，偏置磁体407A的上表面具有北极极性(N)，并且偏置磁体407B的上表面具有南极极性(S)。

在一些实施例中，壁磁体406是3''长、1/2''宽和1/4''厚的矩形永磁体；偏置磁体是1/4''直径和1/8''厚的圆柱形磁体；外壳具有4''的外径、3.5''的内径和4''的高度。外壳具有敞开的顶部，但是完全封闭的圆柱体或圆柱形外壳也在本公开的范围内，就像诸如矩形、卵圆形、三角形等的其它形状一样。在一些实施例中，外壳由含铁材料制成，并且在其它实施例中，外壳由非含铁材料制成。在一些实施例中，外壳具有一些含铁材料和一些非含铁材料，例如，具有由含铁材料(例如，钢)制成的壁412和底表面418以及由非含铁材料(例如，塑料或铝)制成的顶部的圆柱形外壳。然而，其它尺寸、形状和材料选择也在本公开的范围内，并且可根据应用需要或期望而改变。

壁磁体406和偏置磁体407产生磁通量场线420A，其在偏置磁体407附近偏离赤道414，但是基本上在旋转轴线410与赤道414相交的点附近与赤道414相交。具体地，磁通量场线420A从赤道414朝向壁磁体406偏离，该壁磁体406具有面向旋转轴线410的侧面，该侧面具有与偏置磁体407的上表面相反的极性。磁通量场线420A的构造导致基本上位于偏置磁体407的位置处的两个扰动点416。偏置磁体407可位于从内壁到旋转中心410的距离的约三分之一上。

在操作中，扰动元件408在任一扰动点416处(或基本上在任一扰动点处)插入旋转体402中，使得扰动元件408的纵向延伸部平行于或基本上平行于旋转轴线410。扰动元件408然后被致动以在方向430A上朝向磁通量场线420A移动或倾斜。扰动元件的致动扰动不对称磁通量场线420A，并在壁磁体406、偏置磁体407和/或旋转体402上产生围绕旋转轴线410的合成切向磁力，从而导致旋转体402围绕旋转轴线410在逆时针方向422上旋转，假设切向磁力大于抵抗切向磁力的摩擦力和/或负载。如上文关于其它实施例所讨论的，可存在附加的扰动元件408(未示出)，使得如果期望，存在在两个扰动点416处同时致动的扰动元件408，这可在物体402上提供两倍的旋转力。

在一些实施例中，偏置磁体407的上表面可具有相同的极性(N-N；或S-S)。在这样的实施例中，对于N-N布置结构，磁通量场线将具有在轴线410的右侧上的磁通量场线420B的形状。该构造允许物体402的双向旋转。例如，在偏置磁体407A处的扰动点416处沿方向430A被致动的扰动元件408将导致旋转体402的逆时针422旋转，而在偏置磁体407B处的扰动点416处沿方向432B致动扰动元件408(或致动第二扰动元件408)将导致旋转体402的顺时针424旋转。

两个偏置磁体407中的一个是任选的，并且可被移除。例如，如果偏置磁体407B被移除，则磁通量场线420A将仅基本上在单个偏置磁体407A处偏离赤道。在该实施例中，在单个偏置磁体407A处仅存在一个扰动点416。

参考图12，根据本公开的实施例示出了永磁体不对称场系统100H。系统100H包括旋转体502、类似于图8和图9中的布置结构300A、300B的具有多个磁体506的永磁体布置结构504以及扰动元件508。系统100H还包括限定扰动元件开口512的扰动元件引导件(或支撑件)510。扰动元件开口512构造成接纳扰动元件508，并且位于扰动轴线514周围，如果扰动元件508被致动以偏离扰动轴线518或朝向磁通量场线偏离，这将导致旋转体502的运动，如本文关于其它实施例所讨论的那样。扰动元件引导件510用于限制扰动元件508偏离扰动轴线514的范围(或距磁通量场线的距离119(图1))。引导件510可有利地防止扰动元件508被致动设备(诸如在图5至图7中的诸如电动马达和/或配重)致动，即被致动达大于所需或期望的距离。引导件510还可有利地构成止动件，以在扰动元件508没有被致动设备致动或保持时防止扰动元件508被磁体506移动。引导件510可为带有孔512的盖或帽，并且可与本文的任何实施例一起使用，以限制扰动元件508的运动范围。

扰动元件开口512可为如所期望的或如应用需要的任何尺寸或形状。例如，扰动元件开口512可为圆孔、直狭槽、弯曲狭槽或之字形狭槽。然而，其它形状也在本申请的范围内。

参考图13，虽然上文讨论的实施例已经与具有围绕旋转轴线旋转的旋转体的系统相关，但是产生非旋转运动(例如平移或线性运动)的永磁体不对称场系统也在本公开的范围内。例如，参考图13，根据本公开的实施例示出了永磁体不对称场系统100I。系统100I包括具有多个轴承(或轮子)603的线性运动物体602、具有多个磁体606的永磁体布置结构604和扰动元件608。永磁体布置结构604产生大磁场和小磁场，如上文关于其它实施例所讨论的那样。当扰动元件608在方向610上朝向小场偏离或移动时，磁体606和/或线性运动物体602上的合成磁力导致线性运动物体602在方向612上移动。轴承603用于减小线性运动物体602在被迫在方向612上移动时可能遇到的摩擦力或阻力。

线性运动物体602被示出为布置在任选的线性轨道614中，该轨道614可具有护轨。线性轨道614限制线性运动物体602，以防止线性运动物体602在任何非线性方向上从轨道614移动。上文关于旋转实施例讨论的双向性也适用于线性运动实施例。特别地，可存在磁体布置结构，其中扰动元件608(或不同的扰动元件)的扰动导致线性运动物体602在相反的线性方向上移动，从而给予系统1001的正向和反向控制。

在根据本公开的实施例中，磁体布置成工作来促进诸如风力涡轮的结构中的旋转，这可显著减少启动风力涡轮的旋转所需的输入能量。

本文提供的尺寸是大概的，并且如果期望，可使用其它尺寸，只要它们提供本文描述的相同功能和性能即可。

对于本文公开的实施例，不对称场的扰动导致势能从永磁体释放为呈角速度或加速度或线(平移)速度或加速度形式的动能。我们已经发现，由于这种能量释放(或向动能的转化)，作用在定位在平行于旋转轴线(或垂直于布置结构的基底)处或附近的扰动元件上的小输入力导致放大的输出力。

虽然特定的永磁体布置结构已经被示出和描述为围绕(多个)扰动点产生(多个)不对称磁场，但是永磁体布置结构实际上是任何其它形状或构造或磁体数量都在本公开的范围内，只要该布置结构构造成围绕(多个)扰动点产生不对称磁场。例如，若非(多个)磁场屏蔽、干扰或转向结构的存在而原本将围绕(多个)扰动点产生对称磁场的永磁体布置结构(即，(多个)磁场屏蔽、干扰或转向结构最终导致永磁体布置结构围绕(多个)扰动点产生不对称场)也在本公开的范围内。

本文示出和描述的磁场线是磁场的位置的大概。磁场或场线的实际形状和位置可能与如所示的不同和/或可能基于系统的物理特性和材料而变化。

应当容易理解，本文所述的系统和方法的磁体的磁极性可颠倒，并且实现相同的预期功能和结构。具体地，具有北极N极性的磁体侧(或表面)可改为具有南极S极性，并且具有南极S极性的磁体侧(或表面)可改为具有北极N极性，并且永磁体不对称系统和方法将与本文公开的基本上相同地起作用。

虽然本公开已经将永磁体示出和描述为圆形扁平磁体、圆柱形磁体和条形磁体，但是应当容易理解，任何永磁体形状都在本公开的范围内。(多个)磁体在形状和类型上可不同。例如，圆柱形磁体可为圆柱体和/或在(多个)圆柱形磁体的纵向方向上在其中限定有中心内孔或孔的圆柱体。代替中心内孔(或中心内孔之外)，磁体可设有盲内孔。磁体可构造有必要的中心内孔和/或盲内孔，用于增强其磁场或产生其期望的磁场。诸如矩形磁体或扁平磁体的其它磁体形状可具有横向(穿过厚度)内孔或孔或盲内孔，用于增强或期望的磁场形状/强度。此外，虽然各种磁体已经被描述为独立的磁体，但是磁体形成单个整体件或结构也在本公开的范围内。另外，如果期望，本文所述的任何给定永磁体可包括多个较小永磁体，它们堆叠在一起以执行与给定永磁体相同的功能和极性。

尽管已经关于本发明的示例性实施例描述和示出了本发明，但是在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可在其中且对其进行前述和各种其它添加和省略。应当理解，除非本文另外明确或隐含地指示，否则关于本文特定实施例的任何特征、特性、备选方案或修改也可与本文描述的任何其它实施例一起被应用、使用或合并。