CN102667974B - 多级相关磁系统以及使用多级相关磁系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明记载了一种包括第一相关磁结构(1002a)和第二相关磁结构(1002b)的多级相关磁系统(1000)以及使用该多级相关磁系统的方法。本文中还描述了可集成一个或多个所述多级相关磁系统的各种装置，包括瞬时快动开关、缓冲装置、以及爆炸玩具。
Description
要求在先提交美国申请的权益
本专利申请要求下列美国临时申请的权益：No.61/277,214(于2009年9月22日提交)、No.61/277,900(于2009年9月30日提交)、No.61/278,767(于2009年10月9日提交)、No.61/279,094(于2009年10月16日提交)、No.61/281,160(于2009年11月13日提交)、No.61/283,780(于2009年12月9日提交)、No.61/284,385(于2009年12月17日提交)、以及No.61/342,988(于2010年4月22日提交)，上述申请的内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明总体涉及多级相关磁系统以及使用该多级相关磁系统的方法。本文中描述了可集成一个或多个多级相关磁系统的各式各样的装置，包括瞬时快动开关、缓冲装置、以及爆炸玩具等。
发明内容
一方面，本发明提供一种多级相关磁系统，其包括：(a)第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(b)第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(c)其中，第一相关磁结构与第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，且所述第二部分位于彼此对面；以及(d)其中，第一部分中的每一个相比第二部分产生更高的峰值力，而第一部分中的每一个相比第二部分具有更快的场消失速率(field extinction rate)，使得：(1)当第一与第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，第一部分所产生的磁力与第二部分所产生的磁力抵消；(2)当第一与第二相关磁结构所具有的彼此间隔的间距小于过渡距离时，第一部分所产生的磁力强于第二部分所产生的磁力；并且(3)当第一与第二相关磁结构之间的间距大于过渡距离时，第一部分所具有的磁力弱于第二部分所产生的磁力。
在另一个方面中，本发明提供了一种瞬时快动开关，其包括：(a)快动多级相关磁系统，所述快动多级相关磁系统具有：(i)第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(ii)第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；和(iii)第一相关磁结构与第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，且所述第二部分位于彼此对面；以及(b)排斥装置，所述排斥装置被连接到第一相关磁结构；(c)第一触头，所述第一触头被连接到第一相关磁结构；(d)第二触头，当第一相关磁结构与第二相关磁结构相距预定距离时，所述第二触头与第一触头接触；以及(e)间隔件，所述间隔件阻止第一相关磁结构完全接触第二相关磁结构。
在又一个方面中，本发明提供了一种缓冲装置，其包括：(a)母组件，所述母组件包括第一相关磁结构，该第一相关磁结构包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；以及(b)公组件，所述公组件包括第二相关磁结构，该第二相关磁结构包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(c)第一相关磁结构与第二相关磁结构对准，从而所述第一部分与所述第二部分分别位于彼此对面；(d)母组件可移动地位于公组件上方；以及(e)间隔件，所述间隔件用于阻止第一相关磁结构完全接触第二相关磁结构。
在又一个方面中，本发明提供了一种装置(例如，爆炸玩具、触发器等等)，包括：(a)第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(b)第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(c)第一相关磁结构与第二相关磁结构对准，从而所述第一部分与所述第二部分分别位于彼此对面；(d)间隔件，所述间隔件用于阻止第一相关磁结构完全接触第二相关磁结构；以及(e)将所述间隔件的大小使得：如果第一与第二相关磁结构彼此连接，则如果力施加给第一相关磁结构或第二相关磁结构，则这使得第一与第二相关磁结构相互排斥。
在又一个方面，本发明提供了一种多级磁系统，其包括：(a)相关磁结构，该相关磁结构包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；以及(b)磁结构，其具有：具有第一极性的第一部分以及具有第二极性的第二部分。
在又一个方面，本发明提供了一种使用多级相关磁系统的方法。所述方法包括下述步骤：(a)提供多级相关磁系统，所述多级相关磁系统具有：(1)第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(2)第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(b)将第一相关磁结构与第二相关磁结构进行对准，从而所述第一部分与所述第二部分分别位于彼此对面；以及(c)其中，所述第一部分中的每一个相比第二部分产生更高的峰值压力，而所述第一部分中的每一个相比第二部分具有更快的场消失速率，使得：(1)当第一与第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，第一部分所产生的磁力与第二部分所产生的磁力抵消；(2)当第一与第二相关磁结构所具有的彼此相距的间距小于过渡距离时，第一部分所产生的磁力强于第二部分所产生的磁力；并且(3)当第一与第二相关磁结构的间距大于过渡距离时，第一部分所具有的磁力弱于第二部分所产生的磁力。
本发明其它方面将会在具体说明书、附图以及任何权利要求中部分地予以阐述，并且部分地从具体说明书中得到，或者可以通过对发明的实施习得。应当理解的是，前述总体描述以及下面的具体说明只是示例性的和说明性的，而并非限制所公开的发明。
附图说明
在结合附图时，参照以下具体描述可以获得对本发明更加完全的理解，在附图中：
图1至9是用于帮助解释关于可以用于本发明不同实施例中的相关磁技术的不同概念的各个图示；
图10描绘了根据本发明实施例的多级相关磁系统；
图11描绘了多级过渡距离确定曲线；
图12描绘了根据本发明实施例的多级相关磁系统；
图13A描绘了根据本发明实施例的多级相关磁系统；
图13B和13C描绘了根据本发明实施例的可替选的相关磁系统结构；
图14A和14B描绘了根据本发明的实施例使用多个多级结构来实现两个物体的无接触连接；
图15A描绘了根据本发明实施例的瞬时快动开关；
图15B描绘了图15A的快动开关的过渡距离确定曲线；
图15C描绘了图15A的快动开关的力规律曲线；
图15D描绘了根据本发明实施例的图15A所示瞬时快动开关的磁力的滞后；
图16的图示描绘了在弹簧与构成图15A所示瞬时快动开关的快动相关磁结构的两个磁体之间的力与位置的关系；
图17A描绘了当外力施加于图15A的快动开关然后释放时外力位置与快动开关的磁体位置的关系。
图17B描绘了当外力施加于图15A的快动开关然后释放时磁体的力；
图17C描绘了当外力施加于图15A的快动开关然后释放时磁体位置与外力位置的关系；
图18A-18F描绘了根据本发明实施例的多级系统的可替选的布置；
图19A描绘了根据本发明实施例的可替选的瞬时开关，其中，以用于产生排斥力的磁体来替代图15A的弹簧；
图19B描绘了根据本发明实施例的可替选的瞬时开关，其中，以构造成为无接触连接多级系统的一半的磁体来替代图15A的弹簧；
图19C描绘了根据本发明实施例的两个磁体以及能够代替图19A和19B中所示中间磁体使用的可选间隔件；
图20A描绘了在外磁体与图19A所示瞬时快动开关中的快动多级系统的两个磁体之间的力与位置的关系；
图20B描绘了在外磁体与图19B所示瞬时快动开关中的快动多级系统的两个磁体之间的力与位置的关系；
图21A描绘了根据本发明实施例的示例性瞬时开关的第一磁体和按钮；
图21B描绘了根据本发明实施例的示例性瞬时开关的、具有相关联的电触头的第二磁体；
图21C描绘了根据本发明实施例的示例性瞬时开关的基座和第三磁体；
图21D描绘了根据本发明实施例的具有上唇缘、顶部开口以及底部开口的示例性圆筒，其用于接收图21A所示第一磁体和按钮、图21B所示第二磁体和电触头、以及图21C所示第三磁体和基座；
图21E描绘了根据本发明实施例处于其正常断开状态下的已装配的示例性瞬时开关，其中，间隔件和触头置于槽中且在第三磁体顶部；
图21F描绘了根据本发明实施例处于其闭合状态下的图21E的已装配的示例性瞬时开关；
图22A描绘了根据本发明实施例的第一示例性磁缓冲装置的母组件；
图22B描绘了根据本发明实施例的第一示例性磁缓冲装置的公组件；
图22C描绘了根据本发明实施例的已装配的第一示例性磁缓冲装置；
图23A描绘了根据本发明实施例的第二示例性磁缓冲装置的母组件；
图23B描绘了根据本发明实施例的第二示例性磁缓冲装置的公组件；
图23C描绘了根据本发明实施例的已装配的第二示例性磁缓冲装置；
图24描绘了根据本发明实施例的多个第一示例性磁缓冲装置的第一示例性阵列；
图25示出根据本发明实施例的多个第一示例性磁缓冲装置的第二示例性阵列；
图26描绘了根据本发明实施例的使用第一示例性磁缓冲装置的另一示例性阵列的示例性缓冲器；
图27描绘了根据本发明实施例的使用多级磁性来在吸收震动时产生电流的减震器；
图28描绘了根据本发明实施例的多个级别的多级磁机构；
图29A-29D描绘了根据本发明实施例的、经编码以产生三级磁性的两个磁结构；
图30A-30C描绘了根据本发明实施例的使用与关于图29A-29D所述类似的两个磁结构的膝上型电脑；
图30D描绘了根据本发明实施例的用于转动一个磁体以使其与第二磁体解相关的示例性机构；
图31A-31K描绘了根据本发明实施例的儿童防护(proof)/动物防护装置；
图32描绘了处于排斥取向的两个传统磁体的力曲线；
图33描绘了根据本发明实施例的五个不同代码密度的力曲线；
图34描绘了根据本发明实施例的与多级排斥和快动行为对应的力曲线；
图35描绘了传统排斥行为与根据本发明实施例的两个不同多级排斥和快动力曲线的比较；
图36A-36D示出根据本发明实施例的演示装置以及它们相关联的力曲线；
图37A-37C描绘了根据本发明实施例使用多级无接触连接装置来产生能够关闭但并不触碰的柜子；
图38A-38B描绘了根据本发明实施例的能够用于产生爆炸玩具等并存储能量的装置；
图39描绘了根据本发明实施例的使用磁力组件的复杂机器。
具体实施方式
本发明包括多级相关磁系统以及使用该多级相关磁系统的方法。本发明的多级相关磁系统在某种程度上归功于使用被称作“相关磁”的新兴的革命性技术。在2008年5月20日提交的题为“A Field Emission System and Method”的共同转让的美国专利申请No.12/123,718中首次完整描述和实现了本文称之为“相关磁”的这个革命性技术。这篇文献的内容以引用方式并入本文中。在2009年1月23日提交的题为“A Field Emission System and Method”的共同转让的美国专利申请No.12/358,423中描述并实现了第二代相关磁技术。这篇文献的内容以引用方式并入本文中。在2009年6月2日提交的题为“A Field Emission Systemand Method”的共同转让的美国专利申请No.12/476,952中描述和实现了第三代相关磁技术。这篇文献的内容以引用方式并入本文中。在2009年2月4日提交的题为“A System and Method for Producing an Electric Pulse”的共同转让的美国专利申请No.12/322,561中描述和实现了与相关磁有关的、被称为“相关电感”的另一技术。这篇文献的内容以引用方式并入本文中。在提供关于本发明的多级相关磁系统及方法的细节论述之前，首先提供关于相关磁的简要论述。
相关磁技术
该部分用于向读者介绍基本磁体以及新的革命性的相关磁技术。这个部分包括涉及基本磁体、相关磁体以及相关电磁学的小节。应当理解的是，这个部分用于帮助读者理解本发明，但不应该用于限制本发明的范围。
A.磁体
磁体是产生磁场的材料或物体，该磁场是具有方向和大小(也被称为强度)的向量场。参照图1，示出了示例性的磁体100，其具有南极102和北极104以及磁场向量106，该磁场向量106表示该磁体的力矩的方向和大小。磁体力矩是表征磁体100的整体磁属性的向量。对于条形磁体，磁体力矩的方向从南极102指向北极104。在本文中，北极104和南极102还被分别称为正极(+)和负极(-)。
参照图2A，图中示出，两个磁体100a和100b对准，使得它们的极性在方向上相反，得到排斥空间力200，该排斥空间力200使得这两个磁体100a和100b相互排斥。与此形成对比，在图2B的图中示出，两个磁体100a和100b对准，使得它们的极性沿相同方向，得到吸引空间力202，该吸引空间力202使得这两个磁体100a和100b相互吸引。在图2B中，磁体100a和100b被示为彼此对准，但它们也可以彼此部分地对准，在这种情况下，它们仍能够相互“粘住”并且关于彼此保持它们的位置。图2C的图示示出了磁体100a、100b以及100c如何以其极性交替的方式自然地彼此堆叠。
B.相关磁体
取决于在上述美国专利申请No.12/123,718、No.12/358,432以及No.12/476,952中描述的特定应用，通过使用相关理论(一般与概率理论和统计相关联)、编码理论(一般与通信系统和雷达系统相关联)以及磁体阵列(在本文中被称为磁场发射源)的独特结合，能够以各种各样的方式创建相关磁体。下面提供简要论述以解释如何以独特而新颖的方式来使用这些变化多样的技术以创建相关磁体。
基本上，以磁(或电)场发射源的组合来生成相关磁体，所述磁场发射源根据具有期望的相关特性的预选代码来配置。因而，当将磁场发射结构与互补的、或镜像的磁场发射结构对准时，各磁场发射源将全部对准以使得产生峰值空间吸引力，而磁场发射结构的不对准会使得各磁场发射源以取决于用于设计这两个磁场发射结构的特定代码的方式基本上相互抵消；与此形成对比，当将磁场发射结构与完全相同的磁场发射结构对准时，则各磁场发射源全部对准使得产生峰值空间排斥力，而磁场发射结构的不对准使得各磁场发射源以取决于用于设计这两个磁场发射结构的特定代码的方式基本上相互抵消。
上述空间力(吸引力、排斥力)具有的大小是两个磁场发射结构的相对对准和它们对应的空间力(或相关)函数、这两个磁场发射结构之间的间距(或距离)、以及构成这两个磁场发射结构的各个源的磁场强度和极性的函数。可以使用空间力函数来实现利用基本磁体无法实现的精确对准和精确定位。此外，空间力函数能够实现精确控制磁场和相关联的空间力，因而实现新形式的连接装置用于精确对准地连接物体，以及实现用于控制物体的精确移动的新的系统和方法。与相关磁体相关的另外的独特特征涉及如下情形：构成两个磁场发射结构的各磁场源在它们失去对准(其在本文中描述为释放力)时可以有效地相互抵消。这个释放力是用于构造磁场发射结构的特定相关编码的直接结果。
编码理论领域的技术人员应当意识到：存在具有不同相关特性的许多不同类型的代码，它们在通信中用于信道化目的、能量扩展、调制、以及其它目的。这种代码的许多基本特征使得它们适用于产生本文所述的磁场发射结构。例如，巴克码(Barker code)因其自相关特性而闻名并且可以用于帮助构造相关磁体。虽然针对图3A-3B在下面的示例中使用了巴克码，但是本领域中熟知的或未必熟知的其它形式的代码由于它们的自相关、互相关或者其它特性也可适用于相关磁体，这些代码包括，例如：高德码(Gold code)、卡沙米序列(Kasami sequence)、双曲同余码、二次同余码、线性同余码、韦斯特-科斯塔斯阵列码(Welch-Costasarray code)、哥伦布-科斯塔斯阵列码(Golomb-Costas array code)、伪随机码、无序码、最佳哥伦布法则码(Optimal Golomb Ruler code)、确定性码、设计码、一维码、二维码、三维码、四维码、或其结合，等等。
参照图3A，图示用于解释如何能够将巴克长度为7的码300用于确定构成第一磁场发射结构304的磁体302a、302b、......、302g的极性和位置。磁体302a，302b...302g中的每一个均具有相同或基本上相同的磁场强度(或幅度)，该磁场强度为了这个示例起见而被设为单位1(其中，A＝吸引，R＝排斥，A＝-R，A＝1，R＝-1)。与第一磁场发射结构304相同的第二磁场发射结构306(包括磁体308a，308b，......，308g)被示为相对于第一磁场发射结构304处于13个不同的对准方式310-1至310-13。对于每一个相对对准方式，计算出排斥的磁体的数量加上吸引的磁体的数量，其中，每个对准方式具有的空间力符合基于磁体302a、302b、......、302g和308a、308b、......、308g的磁场强度和相关函数的空间力函数。针对所使用的具体巴克码，空间力从-1至7变化，其中，当这两个磁场发射结构304和306各自的代码对准而出现这两个磁场发射结构304和306对准时出现峰值。被称为旁瓣力的非峰值空间力从0至-1变化。像这样，空间力函数使得磁场发射结构304和306总体相互排斥，除非磁场发射结构304和306对准而使得它们的每个磁体均与互补磁体相关(即，磁体的南极与另一个磁体的北极对准，反之亦然)。换句话说，这两个磁场发射结构304和306对准为基本上互为镜像的时候，它们实质上彼此相关。
在图3B中，曲线图描绘了两个磁场发射结构304和306的空间力函数，其由巴克长度为7的码300的二进制自相关函数产生，其中，在每个对准位置1至13处的值对应于针对图3A中所示两个磁场发射结构304和306之间的13个对准位置310-1至310-13所计算出的空间力的值。因为相关磁场结构的真实自相关函数是排斥的，且所想到的大多数使用会具有吸引相关峰值，所以在本文中，除非另外说明，使用术语“自相关”来表示互补相关。也就是说，两个这样的相关磁场发射结构304和306的互作用面将会相互补偿(即，互为镜像)。在图3A中可以看到这种互补自相关的关系，在图3A中，具有模式“S S S N NS N”的第一磁场发射结构304的底面被示为与具有模式“N N N S S N S”的第二磁场发射结构306的顶面相互作用，其中，第二磁场发射结构306的顶面是第一磁场发射结构304的底面的镜像(模式)。
参照图4A，图示出了根据示例性代码来定位以产生示例性磁场发射结构402的19个磁体400的阵列，以及用于产生镜像磁场发射结构406的19个磁体404的另一阵列。在这个示例中，该示例性代码旨在产生第一磁场发射结构402，以当与其镜像磁场发射结构406对准时具有第一较强锁定，并且当第一磁场发射结构402相关于其镜像磁场发射结构406旋转90°时具有第二较弱锁定。图4B描绘了磁场发射结构402与其镜像磁场发射结构406相互作用以产生第一较强锁定的空间力函数408。可以看出，空间力函数408具有峰值，其在两个磁场发射结构402和406基本上对准时出现。图4C描绘了与其镜像磁场发射结构406相互作用的磁场发射结构402在旋转90°之后的空间力函数410。可以看出，空间力函数410具有较小的峰值，其在两个磁场发射结构402和406基本上对准但一个结构旋转了90°时出现。如果两个磁场发射结构402和406处于另外的位置，则它们可被容易分开。
参照图5，该图示描绘了以其自身包裹在圆筒504(或者圆盘504、轮504)上的相关磁体表面502，以及其上设有镜像相关磁体表面508的传送带/轨道结构506。在这种情况下，圆筒504可通过一定的力而以顺时针方向或以逆时针方向进行转动，从而沿着传送带/轨道结构506滚动。当由一定的其它机构(例如，马达)转动圆筒504时，固定的磁场发射结构502和508提供牵引及抓持力(即，保持力)。当圆筒504沿着传送带/轨道结构506移动时，该抓持力将与摩擦力或重力无关地保持基本恒定，并且因而能够在克服对准的磁场发射结构502和508的空间力的重力(其为物体重量的函数)极限内，用于相对于沿墙壁向上、穿过天花板、或者沿任何其它期望方向的轨道而移动物体。如果期望，还可以相对于其它旋转相关表面而操作该圆筒504(或者其它旋转装置)，以提供类似于齿轮的操作。由于牵制力等于牵引力，所以这些齿轮可松散连接，并仍给出确定的、非滑动的旋转精度。此外，磁场发射结构502和508具有的表面可以是理想平滑的，但仍提供积极的、非滑动的牵引力。与传统的基于摩擦的轮对比，由磁场发射结构502和508提供的牵引力很大程度上与在牵引轮与牵引表面之间的摩擦力无关，并且可以用于低摩擦表面。例如在包括太空、水下、垂直表面甚至是倒置等的无重力条件下，可以与重力无关地操作基于磁牵引而四处移动的装置。
参考图6，该图示描绘了示例性圆筒602，在该示例性圆筒602上包裹有第一磁场发射结构604，该第一磁场发射结构604具有码图(code pattern)606，该码图606绕着圆筒602的外侧重复六次。在圆筒602的下面是物体608，该物体608具有相比圆筒602具有稍大曲率的弯曲表面，并且具有也使用码图606进行编码的第二磁场发射结构610。假设，通过轴612以1转每秒的转速来转动圆筒602。这样，当圆筒602转动时，以下情况每秒出现六次：圆筒602上的第一磁场发射结构604与物体608上的第二磁场发射结构610对准，使得物体608由于两个磁场发射结构604和610的峰值空间力函数而受到排斥(即，向下移动)。类似地，如果使用与码图606镜像的码图来对第二磁场发射结构610编码，则以下情况每秒出现6次：圆筒602的第一磁场发射结构604与物体608的第二磁场发射结构610对准，这使得由于两个磁场发射结构604和610的峰值空间力函数而吸引(即，向上移动)物体608。因而，圆筒602以及相对应的第一磁场发射结构604的运动可用于控制具有其相应的第二磁场发射结构610的物体608的运动。本领域技术人员应当意识到：可与圆筒602连接的轴612可以由于风转动风车、水车或涡轮、海浪运动以及其他方法而转动，从而物体608的运动可以源自一些能源提取利用。像这样，相关磁体使得物体之间的空间力能够根据物体的移动而得到精确控制，并且还使得物体的移动能够根据这样的空间力而得到精确控制。
在上面的示例中，借助于诸如粘着剂、螺钉、螺栓与螺母之类的保持机构，相关磁体304、306、402、406、502、508、604和610克服正常的“磁体取向”行为。在其它情况下，同一磁场发射结构的磁体可能与其它磁体稀疏隔开(例如，在稀疏阵列中)，从而各个磁体的磁力基本上没有相互作用，在这个情况中可以根据代码来改变各个磁体的极性，而无需保持机构来防止磁力“翻动”磁体。然而，磁体通常彼此足够接近从而它们的磁力实质上相互作用以使得它们中的至少一个“翻动”以便它们的移动向量对准，但是，通过使用诸如粘着剂、螺钉、螺栓与螺母之类的保持机构可以使这些磁体保持为期望的取向。像这样，相关磁体通常利用某种保持机构来形成不同的磁场发射结构，其可以用于各种各样的应用，例如，钻头装配、孔切削刀具装配、机器冲压工具、固定器、滑动环机构、以及结构化组件等。此外，磁场发射结构可以包括转动机构、工具插槽、对准标记、锁闩机构、枢轴机构、旋转机构、或者杠杆等。
相关电磁学
相关磁体可以通过电磁体的使用来承担，该电磁体是磁体的一种形式，在该电磁体中通过电流的流动来产生磁场。通过电流的方向来确定磁场的极性，并且当电流终止时磁场消失。下面的一对示例示出使用电磁体的阵列来产生第一磁场发射结构，该第一磁场发射结构相对于第二磁场发射结构随着时间而移动，该第二磁场发射结构与物体相关联因而使得物体移动。
参照图7，使用数个图示来解释2-D相关电磁示例，该示例中具有桌子700，该桌子700在其表面以下具有二维电磁阵列702(第一磁场发射结构702)，并且具有移动平台704，该移动平台704具有至少一个桌子接触构件706。在这个示例中，移动平台704被示为具有四个桌子接触构件706，该四个桌子接触构件706中的每一个均具有能够由电磁阵列702吸引的磁场发射结构708(第二磁场发射结构708)。电磁阵列702的各个电磁体的状态的计算化控制确定它们是否接通或关断，并且确定它们的极性。第一示例710描绘了电磁阵列702的状态，该状态用于使得桌子接触构件706之一吸引磁场发射结构702内的电磁体的子集712a。第二示例712描绘了电磁阵列702的不同状态，该不同状态用于使得桌子接触构件706中的所述之一被磁场发射结构702内的电磁体的不同子集712b所吸引(即，移动)。依据这两个示例，本领域技术人员应当意识到，通过改变电磁阵列702的电磁体的状态，可以使桌子接触构件706围绕桌子700移动。
参照图8，使用数个图示来解释3-D相关电磁学示例，在该示例中，存在第一圆筒802，该第一圆筒802比包含在其内部的第二圆筒804稍大。将磁场发射结构806围绕第一圆筒802(或者可选地围绕着第二圆筒804)放置。将电磁体阵列(未示出)与第二圆筒804(或者可选地与第一圆筒802)相关联，并且控制电磁体的状态以创建能够吸引磁场发射结构806的移动镜像磁场发射结构，从而使得第一圆筒802(或者可选地第二圆筒804)相对于第二圆筒804(或者可选地第一圆筒802)旋转。在第二圆筒804上的电磁阵列于时间t＝n、t＝n+1以及t＝n+2时所产生的磁场发射结构808、810、以及812显示出与围绕第一圆筒802的磁场发射结构806的图样成镜像的图案。该图案被示为在时间上向下移动，从而使得第一圆筒802逆时针旋转。照这样，可以经由构成电磁阵列的电磁体的状态改变来控制第一圆筒802(或者第二圆筒804)的运动速度和方向。在图8中还描绘了电磁阵列814，其对应于能够置于表面上的轨道，从而移动的镜像磁场发射结构可以用于在使用与磁场发射结构808、810和812所示出的相同的代码转换方法(对比图5)的轨道上向前或向后移动第一圆筒802。
参照图9，示出了基于球体902的示例性阀机构900，该球体902位于圆筒906内(该球体902具有包裹在该球体上的磁场发射结构904；该圆筒906具有位于其上的电磁场发射结构908)。在这个示例中，可以通过改变电磁场发射结构908以在圆筒906内向上或向下移动球体902，该圆筒906具有第一开口910以及第二开口912，该第一开口910的圆周小于或等于球体902的圆周，而该第二开口912的圆周大于球体902的圆周。由于能够控制球体902在圆筒906内的移动以控制气体或液体通过阀机构900的流速，因而这个配置是需要的。类似地，可以将阀机构900用作压力控制阀。此外，使一个物体在大小渐减的另一个物体内运动的能力能实现各种类型的密封机构，其可以用于窗户、冰箱、冷冻室、食物贮藏容器、船舱盖、潜艇舱盖等的密封，其中可以精确地控制密封力的大小。本领域技术人员应当意识到，可以通过使用相关磁体而采用包括垫圈、O型环之类的许多不同类型的密封机构。另外，本领域技术人员应当意识到，磁场发射结构可以具有源的阵列，所述源包括例如永久磁体、电磁体、驻极体、磁化的铁磁材料、部分磁化铁磁材料、软磁材料、超导磁材料、或上述的特定组合等等。
多级相关磁系统
本发明提供了一种多级相关磁系统以及使用该多级相关磁系统的方法。其涉及与下列申请中所述有关的多级磁技术：2009年6月2日提交的美国专利申请No.12/476,952；2009年9月22日提交的题为“A System and Method forContactless Attachment of Two Objects”的美国临时专利申请No.61/277,214；2009年9月30日提交的题为“A System and Method for Contactless Attachment of TwoObjects”的美国临时专利申请No.61/278,900；2009年10月9日提交的题为“ASystem and Method for Contactless Attachment of Two Objects”的美国临时专利申请No.61/278,767；2009年10月16日提交的题为“A System and Method forProducing Multi-level Magnetic Fields”的美国临时专利申请No.61/280,094；2009年11月13日提交的题为“A System and Method for Producing Multi-levelMagnetic Fields”的美国临时专利申请No.61/281，160；2009年12月9日提交的题为“A System and Method for Producing Multi-level Magnetic Fields”的美国临时专利申请No.61/283,780；2009年12月17日提交的题为“A System and Methodfor Producing Multi-level Magnetic Fields”的美国临时专利申请No.61/284,385；以及2010年4月22日提交的题为“A System and Method for Producing Multi-levelMagnetic Fields”的美国临时专利申请No.61/342,988，将上述文献的全部内容以引用方式并入本文中。这种系统和方法描述于：2009年2月4日提交的美国专利申请No.12/322,561；2009年6月5日提交的美国专利申请No.12/479,074、No.12/478,889、No.12/478,939、No.12/478,911、No.12/478,950、No.12/478,969、No.12/479,013、No.12/479,073、No.12/479,106；2009年6月7日提交的美国专利申请No.12/479,818、No.12/479,820、No.12/479,832、No.12/479,832；2009年6月29日提交的美国专利申请No.12/494,064；2009年6月30日提交的美国专利申请No.12/495,462；2009年7月1日提交的美国专利申请No.12/496,463；2009年7月7日提交的美国专利申请No.12/499,039；2009年7月11日提交的美国专利申请No.12/501,425；以及2009年7月21日提交的美国专利申请No.12/507,015，将上述文献的全部内容以引用方式并入本文中。
根据本发明的一个实施例，多级相关磁系统包括第一相关磁结构和第二相关磁结构，所述第一相关磁结构和第二相关磁结构各自具有第一部分和第二部分，其中，第一部分包括多个互补的经编码磁源，而第二部分包括旨在仅排斥或仅吸引的一个或多个磁源。本发明所使用的磁源可以是永久磁源、电磁体、电永久磁体、或者其结合。根据本发明的另一实施例，两个相关磁结构的两个部分均可以包括多个互补的经编码磁源。对于这两个实施例，当第一相关磁结构与第二相关磁结构相距特定间距(即，位于过渡距离)时，多级相关磁系统从排斥模式过渡为吸引模式，或者从吸引模式过渡为排斥模式。因而，多级相关磁系统具有排斥级别和吸引级别。
可以将具有多个经编码磁源的、两个相关磁结构中的每一个的第一部分描述为近程部(short range portion)，并且可以将两个相关磁结构中的每一个的第二部分描述为远程部(long range portion)，其中近程部和远程部产生彼此有效对抗的反向力。近程部产生的磁场相比由远程部产生的磁场具有更高的近场密度以及更低的远场密度。由于这些近场密度和远场密度的不同，所以近程部产生比远程部更高的峰值力，然而却具有更快的场消失速率，从而近程部在间距小于过渡距离时强于远程部而在间距大于过渡距离时弱于远程部，其中，当两个相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，由两个部产生的力相互抵消。因而，两个相关磁结构的第一部分和第二部分产生两个相反极性力曲线，其对应于吸收力与两个相关磁结构之间的间距的关系，以及排斥力与两个相关磁结构之间的间距的关系。
根据本发明的另一实施例，两个相关磁结构的第一(近程)部分产生吸引力并且这两个相关磁结构的第二(远程)部分产生排斥力。关于这个布置，当将两个互补结构相互靠近时，它们初始时相互排斥直到处于过渡距离处为止，在此处，它们既不排斥也不吸引，随后当使它们靠近而相比过渡距离更近时，它们开始强烈吸引，表现为“快动”。关于这个实施例，吸引曲线的范围更短，而其峰值力比范围更长的排斥力曲线更强。
根据本发明的又一实施例，将力曲线的极性颠倒，以使范围更短但更强的峰值力曲线是排斥的，而范围更长但更弱的峰值力曲线是吸引的。利用这个布置，所述两个结构当在过渡距离之外时相互吸引，而当在过渡距离内时相互排斥，其结果是这两个相关磁结构实现无接触连接，其中，它们被锁定于相对位置并且相对对准，然而它们间隔开过渡距离。
在本发明的一个实施例中，多级相关磁系统的近程部和远程部都能够产生吸引力来产生具有强近场吸引力和强远场吸引力两者的相关磁结构，其中，过渡点对应于这两个吸引力曲线交叉处的点。类似地，近程部和远程部都能够产生排斥力来产生具有强近场排斥力和强远场排斥力两者的相关磁结构，其中，过渡点对应于这两个排斥力力曲线交叉处的点。
根据本发明的又一实施例，将所述两个相关磁结构连接到一个或多个移动约束结构。移动约束结构可以只允许两个相关磁结构相互接近或彼此远离，其中，这两个相关磁结构总是相互平行。移动约束磁结构可以不允许扭转(或旋转)任一个相关磁场结构。类似地，移动约束结构可以不允许侧向运动。可替选地，一个或多个这样的移动约束结构可以具有可变状态，从而处于第一状态中时以某一方式约束两个相关磁结构的移动，而在另一状态期间不约束或以不同方式约束两个相关磁结构的移动。例如，移动约束结构可以当处于第一状态时不允许任一个相关磁结构进行旋转，而当在另一状态时允许相关磁结构之一或二者进行旋转。
本发明的一个实施例包括圆形相关磁结构，其具有围绕圆形区域的单极性圆环，在该圆形区域内存在经编码磁源的集合。在对应于快动行为的一个布置下，经编码磁源的集合将生成范围更短、更强的峰值吸引力曲线，而圆环将生成范围更远、更弱的峰值排斥力曲线。在对应于无接触连接行为的第二布置下，这些角色将颠倒。
在本发明的另一实施例中，将圆形相关磁结构的配置颠倒，其中，经编码磁源的经编码的集合占据外部圆环且内圆为单极。在对应于快动行为的布置下，存在于外部圆环中的经编码磁源的集合会产生范围更短、更强的峰值吸引力曲线，而内圆将生成范围更短、更弱的峰值排斥力曲线。在对应于无接触连接行为的第二布置下，这些角色将颠倒。
在本发明的又一实施例中，可以使用生成附加磁场的附加调制元件来增加或减少多级磁场系统1000的过渡距离。
如果以电磁体或电永久磁体来实施所述第一部分和第二部分中的一个或多个，则可以使用控制系统来改变近程力曲线或远程力曲线。
根据本发明使用的空间力函数可设计为允许多级相关磁系统的相关磁结构中的至少一个移动(或旋转)，以改变近程力曲线或远程力曲线。
参照图10，示出了示例性的多级相关磁系统1000，其包括第一相关磁结构1002a以及第二相关磁结构1002b。将第一相关磁结构1002a划分为外部1004a和内部1006a。类似地，将第二相关磁结构1002b划分为外部1004b和内部1006b。第一相关磁结构1002a的外部1004a以及第二相关磁结构1002b的外部1004b各自具有一个或多个磁源，该磁源具有根据与第一空间力函数对应的第一代码来编码的极性和位置。第一相关磁结构1002a的内部1006a以及第二相关磁结构1002b的内部1006b各自具有一个或多个磁源，该磁源具有根据与第二空间力函数对应的第二代码来编码的极性和位置。
在一个布置下，外部1004a、1004b各自包括多个磁源，这些磁源被互补编码从而它们在其互补(即，极性相反)源对基本对准时将产生吸引力，并且具有陡峭的吸引力对间距(或行程)的曲线，并且内部1006a、100b还包括多个磁源，这些磁源被反互补编码从而它们在其反互补(即，极性相同)源对基本对准时产生排斥力，但是具有更宽的、更缓的排斥力对间距(或行程)的曲线。这样，当相互接近并且基本上对准时，第一和第二相关磁场结构1002a、1002b将具有快动行为，借此它们的空间力从排斥力过渡为吸引力。可替选地，内部1006a、1006b各自可以包括具有相同极性取向的多个磁源，或者可各自使用仅仅一个磁源来实施，在该情况中将产生类似的快动行为。
在另一个布置下，外部1004a、1004b各自包括多个磁源，这些磁源被反互补编码从而它们在其反互补(即，极性相同)源对基本对准时将产生排斥力，并且具有陡峭的排斥力对间距(或行程)的曲线，并且内部1006a、1006b还包括多个磁源，这些磁源被互补编码从而它们在其互补(即，极性相反)源对基本对准时产生吸引力，但是具有更宽的、更缓的吸引力对间距(或行程)的曲线。这样，当相互接近并且基本上对准时，第一和第二相关磁场结构1002a、1002b将具有无接触连接行为，其中，它们在过渡距离处实现均衡，在该过渡距离处，它们的空间力从吸引力过渡为排斥力。可替选地，外部1004a、1004b各自可以包括具有相同极性取向的多个磁源，或者可各自使用仅仅一个磁源来实施，在该情况中将产生类似的无线连接行为。
针对所述外部1004a、1004b以及内部1006a、1006b都包括多个经编码磁源的布置，由于附加的相关，因而能够更大地控制它们对运动的反应。例如，当相对于一个相关磁结构而扭转另一个相关磁结构时，可以使远程部以与近程部相同或相似的速率来去相关，从而在锁定位置保持更高的准确性。可替选地，多级相关磁系统1000可以使用如下关于图18A-18F详细论述的非编码磁源的特殊配置。
图11描绘了多级过渡距离确定曲线图1100，其标绘了第一力的绝对值对间距的曲线1102，该曲线1102对应于构成多级磁场结构1000的两个相关磁结构1002a、1002b的近程部；并且还标绘了第二力的绝对值对间距的曲线1104，该曲线1104对应于这两个相关磁结构1002a、1002b的远程部。这两个曲线在过渡点1106处交叉，当两个相关磁结构1002a、1002b相互接近时该过渡点1106对应于过渡距离1108，在该过渡距离1108处，取决于是否将近程部配置为吸引并将远程部配置为排斥或者相反，两个相关磁结构1002a、1002b将从排斥模式过渡为吸引模式或者从吸引模式过渡为排斥模式。
图12描绘了具有第一和第二相关磁结构1002a、1002b的多级磁场结构1000的示例性实施例，该第一和第二相关磁结构1002a、1002b各自具有外部1004a、1004b以及内部1006a、1006b，该外部1004a、1004b具有正负交替模式的磁源并且该内部1006a、1006b具有一个正磁源。这样，第一和第二相关磁结构1002a、1002b是基本相同的。可替选地，两个相关磁结构1002a、1002b的编码可以互补但不采用正负交替模式，在该情况中这两个磁结构1002a、1002b将不相同。
图13A描绘了具有第一和第二相关磁结构1002a、1002b的多级磁场结构1000的又一实施例，该第一和第二相关磁结构1002a、1002b各自具有内部1006a、1006b以及外部1004a、1004b，该内部1006a、1006b具有正负交替模式的磁源并且该外部1004a、1004b具有一个负磁源。这样，第一和第二相关磁结构1002a、1002b相同，但能够结合以产生近程吸引力和远程排斥力。
图13B描绘了图13A的相关磁结构1002b的可替选方式，其除了外部1004b具有正极之外几乎相同。这两个相关磁结构1002a、1002b可以结合以产生近程排斥力和远程吸引力。
图13C描绘图13A的相关磁结构1002a的又一可替选方式，其中相关磁结构1002a是圆形的并且内部1006a的编码并不对应于正负交替模式。为了完成多级磁场系统1000，所使用的第二圆形相关磁系统1002b所具有的内部1006b具有互补的编码，并且所具有的外部1004b具有与第一圆形相关磁场结构1002a的外部1004a相同的极性。
图14A和图14B提供了由于三个不同的多级装置1000所实现的无接触连接而非接触连接的第一物体1400和第二物体1402的不同视图，该三个不同的多级装置1000每个均包括第一和第二相关磁结构1002a、1002b。本领域技术人员应当意识到，可以使用一个或两个或者更多的多级结构100来提供这两个物体1400、1402之间的无接触连接。事实上，本发明的一个方面在于其可以用于在两个物体1400、1402之间没有接触的情况下控制物体1400相对于另一个物体1402的位置。
如上所论述，可以一起使用多个多级相关磁系统1000来提供两个物体1400、1402的无接触连接。例如，可以使用三个或更多的这样的结构来扮演类似于磁性“不可见的腿”，以将物体保持在表面上的适当位置。类似地，可以使用两个或更多的“快动”实施来将物体保持在另一个物体上。例如，可以使用置于防水布(tarp)的四个角的四个快动多级结构来覆盖方形开口。通常，可以使用无接触连接结构与快动结构的不同结合。例如，快动结构可以将物体固定至旋转轴的末端，并且可以使用无接触连接结构以与在另一表面上方旋转的物体之间保持分开。特别地，在下表面或者上表面上的第一圆形带状多级相关磁结构可能与在相对面上的另一个圆形带状多级相关磁结构相互作用，或者甚至可以在表面之一上使用更小的拱形(即，所述带之一的子集)。
在另一个布置下，可以将“无接触”多级相关磁系统1000用作磁性弹簧或者减震器。这样的磁性弹簧可以用于无接触应用中，其中，磁性弹簧吸收震动、防止损坏等等。尤其地，通过将导体定位在磁场中并且允许由于其运动而生成短路涡电流以抑制振动，可以创建减震器的耗散单元。
在又一布置下，“无接触”多级相关磁系统1000可以用于制作静音的门和抽屉，原因在于可以将门和抽屉设计成使得门、柜门以及抽屉会关闭且磁性附着，但不接触。
在另一布置下，可以将“无接触”多级相关磁系统1000用于儿童安全和动物防护装置，该装置需要儿童或者动物例如通过对物体进行推或拉而在某物咬合之前克服排斥力。如果期望，新的设备可以具有电开关、机械闩锁之类的形式，其中，可将排斥力规定为儿童或者动物发现难于克服该力而大人却不会。这种装置可选地使用间隔件来对装置能够实现的吸引力的大小(如果有的话)进行控制。
通常，通过使盲人能够以已知的位置和取向来连接物体，使得这些物体更容易定位和操纵，从而相关磁结构可用于帮助盲人。独特的编码还能够提供物体的独特磁标识，从而将物体放置在错误位置时会被拒绝(或者不准许)。
发电机装置可被设计为包含“无接触”多级相关磁系统1000并且与缓慢运动的物体(例如风车等)一起工作，而无须当前使用的齿轮，以实现足够的发电。
可包含“无接触”多级相关磁系统1000的一个应用在于用于锯子的抗反弹(anti-kick)锯片释放机构，从而当锯片锯入物体(例如木头)中时，该机构会变为锁定，否则会弹起锯片和/或弹出该物体，锯片会脱离。在这种情况出现时锯子将自动关闭。
“无接触”多级相关磁系统1000的另一应用是关于可飞行的模型飞机，其能够使得诸如机翼等部分易于连接以实现飞行，但是易于分离进行储藏和运输。
下面是包含“无接触”多级相关磁系统1000技术的装置的一些其它创意：
●用于在住院期间减小和/或消除褥疮的、基于磁排斥的漂浮病床。将磁体内置于病人载运器中，于是通过床上对应的磁体将其支撑和保持在合适的位置。
●病人轮床，其使用相关磁体以将它固定锁定在救护车内。代替受制于弹簧磨损、变脏、腐蚀等等的现有的锁。
●使用相关磁体的病人约束装置。能够利用病人衣服上的键控(keyed)磁体以及在椅子上的相应的磁体等等。
●使用多级无接触连接装置来减小或消除振动的引擎或马达底座。
●易于拆卸的座衬。
●靴子/鞋子扣件，以淘汰系带和维可牢搭扣。
●拖车的自对准钩(hitch)。
●电梯门锁，以替代现有的机械锁。
●键控的磁体备胎基座。
●可互换的鞋底(运动鞋，个人穿着物等等)。
●电灯泡基座，以代替螺旋座。
●使用低速马达技术的烤箱炉烤肉架。
●使用低速马达技术的厨房微波旋转台。
●无接触的离合器片、消除耐磨的摩擦片。
●使用可变反向磁体的更持久的健身自行车(消除基于摩擦的元件)。
●钱包卡环。
●键控门闩。
●使用线性磁体以停止失控的电梯或其它机械设备。
参考图15A-15B，示出了另一个布置，其中，“快动”多级相关磁系统1000可用于生产根据本发明实施例的瞬时快动开关1500。如图15A所示，示例性瞬时快动开关1500包括弹簧1502、两个触头1504a和1504b、间隔件1506及快动多级相关磁系统1000。间隔件1506的用途是防止快动多级相关磁系统1000的元件1002a和1002b接触，从而保持净力是排斥的。图15B和图15C示出了间隔件1506的用途，在此，图15B相对于相关磁结构1002a和1002b的分开程度示出了快动多级相关磁系统1000的吸引力和排斥力曲线的绝对值，而图15C相对于Y轴上的快动多级相关磁系统1000的响应力示出了快动多级相关磁系统1000的吸引力和排斥力曲线的和(其在X轴上标记为输入的外力)。参考图15B，间隔件1506阻止这两个相关磁结构1002a和1002b接触并阻止快动多级相关磁系统1000过渡为吸引状态，这防止当移除外力时相关磁结构1002a、1002b粘住。参考图15C，间隔件接触距离是在峰值排斥力和介于吸引状态和排斥状态之间的过渡点之间的某个位置。本领域技术人员会意识到，为防止快动多级相关磁系统1000过渡到吸引状态，可以有多种配置和各种方式。
下面关于图15D描述瞬时快动开关1500的滞后作用。当弹簧1502由外力1508压缩时，其使得相关磁结构1002a、1002b互相靠近。这可通过沿着图15D中的45度线向上来表示。压缩快动多级相关磁系统1000所需的外力1508增加，直至在某个距离处该力开始随着进一步压缩而减小。这产生不稳定性，该不稳定性会导致快动多级相关磁系统1000加速闭合直至触头1504a、1504b闭合。此时，快动多级相关磁系统1000仅需要小的保持力来保持触头1504a、1504b闭合，而受压缩的弹簧1502可容易提供这个力。当弹簧1502上的外力1508放松时，触头1504a、1504b仍闭合，直至弹簧1502的力与快动多级相关磁系统1000的排斥力相等的另一个临界点。此时，快动多级相关磁系统1000开始加速打开直至它们达到最大力点并接着开始减小，从而抵抗外力1508而压缩弹簧1502。触头1504a、1504b然后分开一定量，该分开量导致排斥力和外力(弹簧力)相等。通过接着再次压缩弹簧1502可重复这个循环。这后一瞬态特性在图15D中通过上面的两个箭头在接近45度线上的稳定位置时示出。
图16的示图示出在弹簧1502和组成图15A的瞬时快动开关1500的快动多级相关磁系统1000的两个磁体1002a、1002b之间的力-位置关系。
图17A的示图示出了随着向图15A的瞬时快动开关1500施加外力1508一段时间然后释放力，外力1508的位置与瞬时快动开关1500的相关磁结构1002a的位置的关系。参考图17A，施加给瞬时快动开关1500的外力1508(例如，手指)的位置由第一曲线1702示出，在此，外力1508从与瞬时快动开关1500处于断开位置时对应的第一位置移动到与瞬时快动开关1500处于闭合位置时对应的第二位置，然后当从瞬时快动开关1500撤回外力1508时回到第一位置。本领域技术人员会意识到，外力1508可由任何对象例如一个自动化装备来施加。下面可关于第一曲线1702描述由第二曲线1704示出的相关磁结构1002a的位置。参考两个曲线1702、1704，相关磁结构1002a始于其断开位置，且当外力1508压下弹簧1502并往下按压在瞬时快动开关1500上时，相关磁结构1002a更靠近第二相关磁结构1002b而移动。起初，由于快动多级相关磁系统1000处于排斥状态(或模式)，弹簧1502和相关磁结构1002a实质上彼此互推，因此相关磁结构1002a相对于外力1508的移动而线性移动。当接近过渡距离时，快动多级相关磁系统1000开始从排斥状态过渡为吸引状态。由于相关磁结构1002a的力规律始于峰值排斥力且开始趋向零，施加给弹簧1502的外力1508对遇到越来越小的排斥力，导致相关磁结构1002a快速向下移动，直至间隔件1506阻止相关磁结构1002a更加靠近其它相关磁结构1002b。相关磁结构1002a的位置保持不变，直至外力1508位置已远离开关的闭合位置并朝向开关的断开位置而充分移动，使得相关磁结构1002a被排斥离开间隔件1506，其与第二曲线1704中的突然上升对应。由于已从瞬时快动开关1500去除外力1508，因此相关磁结构1002a随后线性地移动，直至快动多级相关磁系统1000再次处于其断开位置。
图17B示出了当向图15A的瞬时快动开关1500施加外力1508然后释放时的磁力。参考图17B，由曲线1706表示的磁力以最小排斥力开始，当快动多级相关磁系统1000处于其断开位置时出现该最小排斥力。随着外力1508的施加，磁力增加，直至相关磁结构1002a开始接近过渡距离，其在该过渡距离时开始从排斥状态过渡到吸引状态时。由于相关磁结构1002a的力规律始于峰值排斥力且开始趋向零，施加给弹簧1502的外力1508遇到越来越小的排斥力，导致相关磁结构1002a快速地向下移动，直至间隔件1506阻止它更靠近其它相关磁结构1002b而移动。磁力保持不变，直至外力1508的位置已远离开关的闭合位置并朝向开关的断开位置而充分移动，使得相关磁结构1002a被排斥而远离间隔件1506，这与第二曲线1706中的突然升起对应。相关磁结构1002a排斥且力增加，直至它被弹簧1502向下推并此后它们达到平衡。磁力随后由于外力1508移除而减小，直至磁力再次处于与其断开位置对应的最小排斥力。
图17C示出了当向图15A的瞬时快动开关1500施加外力1508然后释放时相关磁结构1002a的位置相对于外力1508的位置的关系。参考图17C及曲线1708，相关磁结构1002a和外力1508开始于与开关的断开位置对应的第一位置，其位于曲线图的右上角。由于相关磁结构1002a和弹簧1502是平衡的(即，彼此互推)，因此曲线1708随着外力1508的施加而线性变化。随着相关磁结构1002a开始接近过渡距离，此时其开始从排斥状态过渡为吸引状态，它的力规律始于峰值排斥力且开始趋向零。在这时，施加给弹簧1502的外力1508遇到越来越小的排斥力，导致相关磁结构1002a快速向下移动而外力1508位置处于相同的位置，直至间隔件1506阻止相关磁结构1002a更靠近其它相关磁结构1002b移动。当施加以外力1508时，相关磁结构1002a保持在相同位置，直至快动多级相关磁系统1000到达它的闭合位置，并且相关磁结构1002a继续保持在相同的位置，直至外力1508位置已远离开关的闭合位置且朝向开关的断开位置而充分移动使得相关磁结构1002a被排斥远离间隔件1506，其与曲线1708中突然的右拐对应。相关磁结构1002a和弹簧1502再次达到平衡、然后线性移动，直至它们已到达该曲线中与开关的断开位置对应的右上角位置。
图18A-18F示出了根据图15A的瞬时快动开关1500可使用的用于快动多级相关磁系统1000的可替选的布置。非常重要的是，图18A-18F的快动多级相关磁系统1000的相关磁结构1002a和1002b的相对大小和磁场强度被配置为产生与图15A的瞬时快动开关1500的期望操作特性对应的滞后性能。此外，尽管关于图15A中的瞬时快动开关1500中使用的快动-排斥的磁结构对多级相关磁系统1000进行了描述，但是本领域技术人员可意识到，如前所述，多级相关磁系统1000可以替选地被配置为具有无接触连接行为。
参考图18A，多级磁系统1000包括第一磁结构1002a和第二磁结构1002b。第一磁结构包括第一外部1004a和第一内部1006a，而第二磁结构1002b包括第二外部1004b和第二内部1006b。第一外部1004a和第二外部1004b具有带相反极性的磁源，因此它们将产生吸引力。第一内部1006a和第二内部1006b具有带相同极性的磁源，因此它们将产生排斥力。在一个布置下，在常规磁体1002a的正侧的第一内部1006a中磁化正磁源，而在常规磁体1002b的负侧的第二内部1006b中磁化正磁源。在一个可替选的布置下，在常规磁体1002a的正侧的第一内部1006a中磁化负磁源，而在常规磁体1002b的负侧的第二内部1006b中磁化负磁源。在另一个布置中，在第一内部1006a中磁化正磁源而在第一磁结构1002a的第一外部1004a中磁化负磁源，且在第二内部1006b中磁化正磁源而在第二磁结构1002b的第二外部1004b中磁化正磁源。在又一个布置中，在第一内部1006a中磁化负磁源，而在第一磁结构1002a的第一外部1004a中磁化正磁源，且在第二磁结构1002b的第二外部1004b中磁化负磁源。
参考图18B，多级磁系统1000包括磁结构1002和常规磁体1800，常规磁体1800在一侧具有第一极性并在其另一侧具有与第一极性相反的第二极性。磁结构1002包括外部1004和内部1006。在一个布置下，常规磁体1800的第一极性是正极性，且磁结构1002的内部1006被磁化为具有正极性而该磁结构1002的外部1004被磁化为具有负极性。在另一个布置下，磁结构1002初始是具有与第一常规磁体1800相反的极性的第二常规磁体，但是磁结构1002的内部1006随后被磁化为具有与第一常规磁体1800相同的极性。这样，当磁结构1002的示出侧及常规磁体1800的示出侧置于一起时，它们将产生多级排斥及快动行为。
图18C-18F旨在说明不同的形状可用于组成多级磁系统1000的磁结构1002、1002a、1002b、1004a、1004b、1800以及磁结构1002、1002a、1002b、1004a、1004b、1800的内部1006、1006a、1006b和外部1004、1004a、1004b。在图18C中，磁结构1002a、1002b是矩形，且内部1006a、1006b是圆形。在图18D中，磁结构1002的内部1006是矩形。在图18E和图18F中，内部1006、1006a具有六角形形状。通常，本领域技术人员会意识到，可使用两个磁结构的第一部分和第二部分的许多不同变型，以包括彼此挨着而不嵌套的部分，从而有内部和外部。例如，可使用具有不同强度的并排的条状部。
图19A示出了可替选的示例性瞬时快动开关1900，在此，由配置用于与相关磁结构1002a产生排斥力1904的磁体1902代替图15A的弹簧1502。参考图19A，瞬时快动开关1900采用了：用作快动多级系统1000的两个磁体1002和1004(例如，相关磁结构1002a、1002b)以及用于与磁体1002产生排斥力的上磁体1902。三个磁体1002、1004、1902被约束在活动约束系统1906内，活动约束系统1906仅允许上磁体1902和中间磁体1002的上下移动。另外，瞬时快动开关1900采用两个触头1910a和1910b，在此，触头1910a与磁体1002相关联而触头1910b与磁体1004相关联。而且，瞬时快动开关1900采用附连到磁体1004的间隔件1912，该间隔件1912用于防止快动多级磁系统1000的部件接触，从而保持净力是排斥的。间隔件1912可替代地附连到磁体1002。可替选地，第一间隔件1912可附连到磁体1004而第二间隔件1912可附连到磁体1002。
在操作中，当向上磁体1902施加外力1908时，在上磁体1902和中间磁体1002之间的排斥力的表现与图15A中的弹簧1502类似，其中，因为排斥力1904比在磁体1002、1004之间产生的排斥力大，意味着快动多级系统1000将产生与弹簧1502实质相同的滞后行为。然而，因为仅采用了磁性，所以滞后行为应该保持不变，本质上可永远使用永久性磁体1002、1004、1902。图19B示出了可替选的瞬时开关1900’，在此，由配置作为无接触连接多级系统1000的一半的磁体1902(另一半是1002)代替图15A的弹簧1502。本领域技术人员会意识到，图19A和图19B中的瞬时开关1900和1900’功能相同，而不论器件1900和1900’的朝向(例如，它可上下颠倒)如何。因此，术语“上磁体”和“上下移动”并非旨在限制，而仅仅是在给定了图19A和图19B中所示朝向的情况下的描述。而且，本领域技术人员会意识到，用于产生磁结构1002、1004、1902的代码的特性决定了所需平移及旋转约束的类型。
图19C示出了两个磁体1914、1916及可选的间隔件1918，该间隔件1918可代替图19A和图19B所示的中间磁体1002使用。
图20A示出了在图19A的外磁体1902与瞬时快动开关1900中的快动多级系统1000的两个磁体1002、1004之间的力与位置的关系。
图20B示出了在图19B的外磁体1902与瞬时快动开关1900’中的快动多级系统1000的两个磁体1002、1004之间的力与位置的关系。
图21A-21F示出了使用根据本发明实施例的瞬时快动开关1900的示例性圆筒2100。图21A示出了附连到示例性瞬时开关1900的第一磁体1902的按钮2102。图21B示出了示例性瞬时开关1900的、具有相关联的电触头1910a的第二磁体1002。图21C示出了示例性瞬时开关1900的第三磁体1004(其支撑在基座2104上)。图21D示出了示例性圆筒2100，其包括：用于接收图21A的按钮2102和第一磁体1902以及图21B的第二磁体1002和触头1910a的上唇2106、槽2108、上孔2110及下孔2112，以及图21C的第三磁体1004和基座2104。图21E示出了带有示例性瞬时开关1900的装配后的圆筒2100，该瞬时开关1900处于其正常断开状态，间隔件1912和触头1910b位于槽2108内且在第三磁体1004的上方。图21F示出了带有处于闭合状态的示例性瞬时开关1900的装配后的圆筒2100。
本领域技术人员会意识到，为了产生期望具有可重复的滞后行为的不同瞬时开关、其它开关以及其它类型的器件，可存在许多不同的用于图21A-21F的示例性圆筒2100中的示例性瞬时开关1900的变型。变型包括这种器件中所包含的磁体1002、1004、1902的不同形状和移动约束系统1906的不同形状以及约束磁体1002、1004、1902的不同方法。例如，可使用围绕中心圆筒的环形磁体，其与外部约束不同。内部及外部约束方法均可使用。任何各种类型的机械装置例如铰链等可用于约束磁体。通常，本领域技术人员根据本发明可设计众多的配置以产生这样的可重复的滞后形成。
图22A-22C示出了根据本发明实施例的示例性磁缓冲器件2210。图22A示出了示例性磁缓冲器件2200的母元件2202。图22B示出了示例性磁缓冲器件2200的公元件2204(例如，活塞2204)。图22C示出了装配后的示例性磁缓冲器件2200，其中母元件2202(包括磁体1002和间隔件1912)可活动地位于公元件2204(包括磁体1004)上。磁缓冲器件2200与图21A-22F的示例性瞬时开关1900的底部相似之处在于，它的两个磁体1002和1004及间隔件1912产生具有可重复的滞后行为的多级排斥快动行为。然而，图22A-22C的磁缓冲器件2200不作为开关，不需要用于开关的电路，而是更像是用作使用磁性而非弹簧的缓冲器那样。磁缓冲器件2200可用于使用弹簧用作缓冲的所有类型的应用，包括床，例如家用床或者医用床；在家中、飞机、交通工具、赛车、公共汽车、火车等的椅子的座位或靠背；用于交通工具的减震器；用于交通工具的缓冲器；用于交通工具的保护屏等等。然而，不同于弹簧(其中，随着外力的施加，弹簧的力不断增加)，磁缓冲器件2200展现出峰值排斥力，并且随着磁体1002和1004靠近移动直至由间隔件1912保持隔开，排斥力减小。间隔件1912可附连到磁体1002和1004中的任一个。
图23A-23C示出了根据本发明实施例的另一个示例性磁缓冲器件2300。图23A示出示例性磁缓冲器件2300的母元件2302。图23B示出了示例性磁器件2300的公元件(例如，活塞2304)。图23C示出了装配后的示例性磁缓冲器件2300，其中母元件2302(包括磁体1002和间隔件1912)可活动地位于公元件2304(包括磁体1004)上。磁缓冲器件2300与图21A-22F的示例性瞬时开关1900的底部相似之处在于，它的两个磁体1002和1004及间隔件1912产生具有可重复的滞后行为的多级排斥快动行为。然而，图23A-23C的磁缓冲器件2300不作为开关，不需要用于开关的电路，而是更像用作使用磁性而非弹簧的缓冲器那样。磁缓冲器件2300可用于使用弹簧用作缓冲的所有类型的应用，包括床，例如家用床或者医用床；在家中、飞机、交通工具、赛车、公共汽车、火车等的椅子的座位或靠背；用于交通工具的缓冲器；用于交通工具的缓冲器；用于交通工具的保护屏等等。然而，不同于弹簧(其随着外力的施加，弹簧的力不断增加)，随着磁体1002和1004靠近移动直至由间隔件1912保持隔开，磁缓冲器件2300展现出峰值排斥力并且随后排斥力减小。该示例性磁缓冲器件2300与磁缓冲器件2200相比，旨在说明本领域技术人员可使用不同形状的磁体1002和1004及壳体2302和2304以产生根据本发明的任何类型的所期望的缓冲器件。
图24示出了多个示例性磁缓冲器件2200的第一示例性阵列2400。如图所示，每一行缓冲器件2200被推移了大约圆形缓冲器件2200宽度的一半，从而使它们能够紧凑地在一起而在它们之间具有更小的空气间隙。
图25示出了行和列对齐的多个示例性磁缓冲器件2200的第二示例性阵列2500。通常，本领域技术人员会意识到，取决于所采用的磁体的形状、用于产生缓冲器件2200、2300的壳体以及可替选物，可使用各种布置使得一起良好地用作例如座垫或床垫的一部分。
图26示出了使用示例性磁缓冲器件2200的另一个示例性阵列的示例性垫子2600。这样的垫子2600可用于褥垫中，用作坐垫或其它所述。本领域技术人员会理解，传统的方法，例如使用弹簧、泡沫或其它类型的材料，可与磁缓冲器件2200结合使用。例如，根据本发明的缓冲器件2200和2300可用于制造鞋或靴子的后跟且可用作鞋底或者放入鞋或靴子的鞋垫。相似的缓冲器件2200和2300可用于膝盖垫、肘垫或由运动员、工人、军事人员或类似的人使用的任何类型的保护装置，以吸收冲击从而防止伤害人。
图27示出了根据本发明实施例的具有发电能力的示例性减震器2700。示例性减震器2700利用之前在图22A-22C中描述的缓冲器件2200(包括两个磁体和一个间隔件)以及一个或多个其它磁体2702和相应的线圈2704以产生电2706。图27示出了减震器2700，一个轴2708附连到缓冲器件2200的一端并在另一端附连有轴2710，该轴2710周围围绕有磁体2702，且该磁体2702绕有线圈2704。
在另一个布置下，可制造包括多层多级磁系统1000的器件，该多层多级磁系统1000包括那些具有可重复的滞后行为的系统。图28示出了具有三个多级磁系统1000、1000’和1000”的示例性器件2800。第一和第二多级磁系统1000和1000’是“排斥-快动”而第三多级磁系统1000”是“无接触连接”。如图所示，示例性器件2800包括四个磁体，其中的两个具有用于产生三个多级磁系统1000、1000’和1000”的间隔件且每个展现多级磁性行为。如图所示，磁体1和2各自具有间隔件。磁体1和2以及磁体2和3结合产生排斥快动行为而磁体3和4产生无接触连接。四个磁体1、2、3、4的相结合的组合与可编程的可重复的滞后对应。本领域技术人员会意识到，能够通过结合多种前述多级磁系统1000而产生所有类型的行为。
在另一个布置下，可设计两个磁结构以产生多层的多级磁性。使用仅两个磁结构，可产生磁化区的许多不同组合。图29A-29D示出了两个磁结构2902和2904，对它们编码以产生三级磁性。具体地，随着两个磁结构2902和2904彼此靠近，存在外吸引层(或级)、排斥层以及当它们附连时的吸引层。图29A示出了两个磁结构2902和2904，每个磁结构由三个编码区2902a、2902b、2902c或2904a、2904b和2904c组成，在此，对第一和第二编码区2902a、2902b、2904a和2904b编码以产生无接触连接行为，并且对它们的第三编码区2902c和2904c编码以产生牢固的附连层，该牢固的附连层相比由第二和第三编码区2902b、2902c、2904b和2904c产生的平衡距离具有小得多的短的冲程。图29B示出了这两个磁结构2902和2904，它们分开的距离大于外吸引层的接合距离。图29C示出了这两个磁结构2902和2904，它们彼此相对设置，使得它们处于它们的外吸引层和它们的排斥层之间的平衡距离。图29D示出了接触的这两个磁结构2902和2904，在此，它们处于非常薄但却很牢固的吸引层中，在此，由于内吸引层的厚度，吸引力比排斥力大。本领域技术人员会意识到，并不要求两个磁结构2902和2904的各个区是连续的(即，并排的或接触的)。相反，在磁化区位于不同片材上的情况下也可产生磁结构，这些不同的片材彼此分离配置但能配置为一起工作以产生多级磁性。这种方式与使用不连续的(即，单独的)磁体作为磁源而不是压印在单个片材上的maxel(磁元)类似。一般而言，所有类型的结合都是可能的：两个互相作用的磁结构2902和2904中的每一个可以是单个片材、或多个片材、邻接的片材或者非邻接的片材、不连续的磁体或者压印的磁源等。
图29B到图29D还示出了可用作控制系统(未示出)的一部分的可选的传感器2906。通常，可使用一个或多个传感器2906来测量在两个磁结构2902和2904之间的磁性特性，在此，测量值可对应于不同的控制状态(例如，非接合状态、平衡状态、以及闭合状态)。
图29E示出了用于图29A-29D的两个磁结构2902和2904的示例性力曲线2908。如图所示，两个磁结构2902和2904具有外吸引力层，在该外吸引力层，在过渡到排斥力层(在排斥力层，第一个过零点对应于平衡位置或分离位置)之前，力达到峰值吸引力。两个磁结构2902和2904然后可被强制穿过排斥层，从而在力于第二过零点处衰减到零之前克服峰值排斥力，随后这两个磁结构将在内吸引层内吸引并附连。如之前所述，可使用间隔件防止这两个机构2902和2904变得比期望的分离距离(例如，与第二过零点对应的距离)更近。类似地，两个磁结构2902和2904的第三编码区可代替间隔件使用，以产生与排斥快动行为对应的可重复的滞后，在此，还存在最内的排斥层，其具有与吸引力相同的强度和冲程，否则会实现快动行为。因此，排斥力将达到峰值且然后在某个分离距离处降为零并在该距离内保持为零。
应注意，多级结构2902和2904未必是对称的并且并非必须是圆形的(例如，包括同心圆区)。多级磁性能够通过使用类似条带的编码、与不规则图案对应的编码、在圆周内与条带对应的编码以及使用无数的其它编码布置来实现。
图30A-30D示出了具有人机工程学的示例性便携式计算机3002，其根据其上部3004(即，具有显示屏的部分)相对于下部3006(即具有键盘的部分)的位置控制其状态。如在图30A中所示，传感器数据指出嵌入便携式计算机的上部3004和下部3006中的两个磁结构2902和2904分开，其距离大于它们的接合距离，这与“开启”状态对应。在图30B中，便携式计算机3002的用户已将上部3004向下推，直至它变得由两个磁结构2902和2904的无接触连接多级编码区的吸引部吸引。上部3004将到达平衡(或悬停)距离且保持在这个距离，传感器数据指出这种情况，导致便携式计算机3002进入“睡眠(SLEEP)”状态。用户然后可再次向上打开便携式计算机3002，或者可以推动穿过排斥力以使便携式计算机的上部3004和下部3006如图30C所示附连，由此，传感器数据将指出这两个部3004和3006附连且导致便携式计算机3002进入其“关闭(OFF)”状态。本领域技术人员会意识到，为了实现与三个状态位置(“ON”、“SLEEP”和“OFF”)对应的人机工程学方面，并不要求使用传感器及控制系统。如在图30D中所示，便携式计算机3002还可包括器件3008(滑行机构3008)，用于转动磁结构2902或2904之一以使它们去相关，则在此情况下磁结构2902和2904在附连状态时会更强得多。
通常，根据本发明的多级方面配置的便携式计算机3002可具有以下特点：
●至少三个状态：不接合、悬停及完全接合(关闭)。
●在两个磁结构2902和2904至少之一附近的霍尔传感器，用于通过在该位置测量的磁性级别读出状态。
●将检测值转换为离散状态，其以数字形式与计算机/处理器对接。
●操作系统或运行的应用将中断这些状态并适当地响应，例如，打开-＞正常运行、悬停-＞屏幕保护或待机、完全关闭-＞休眠或待机。
●可根据期望的人机工程学对任何或所有计算机响应从检测开始延迟。
●磁场可由包含产生所述行为所需的场的单个磁基底产生，或者由提供所述行为所需的组合场的各个磁体产生。
●悬停磁体及附连磁体中的任一个或二者可处于距盖子的旋转轴不同的半径，以提供机械优势并根据需要修正场的范围、场的强度等以产生期望行为。
便携式计算机、电话、个人数字助理(PDA)及其它类似的设备也可以以其它方式包括前述的相关磁技术：
●用于电话、媒体播放器等的具有相关磁密封的防震/防水外壳。
●具有360度一致移除力的电源线。
●在产品内部的相关磁体，用于减小过量的磁场。
●具有相关磁体的橡皮垫，用于向下保持便携式计算机。
●对接站。
●在接口处以聚集的磁通进行无线充电。
●精确对齐。
●贯穿从生产到销售到最终使用的生命周期使用相关磁体的概念。
●生产过程。
●安全线连接——去除相关磁体编码绳会响起警报。
●包括集成反馈回路的基于相关磁的开关。
根据本发明的另一个实施例，排斥快动多级相关磁系统1000(例如)可用于产生儿童安全及动物防护器件，该器件要求儿童或动物能够克服排斥力从而接合或解开锁定机构或其它这样的机构。力可以通过拉或推或者某些其它方式来施加。这样的器件可使儿童或动物难以打开设备，例如，垃圾处理器。
图31A-31K示出了可用作电开关或机械闩锁或用于某种其它目的的示例性儿童防护器件3100的各种示意图。通常，该器件3100设计为当两个磁结构1002a和1002b处于特定的对齐位置时展现出“多级排斥快动”行为，并且当磁结构1002a和1002b处于除所述特定对齐位置之外的对齐位置时展现出“仅排斥”行为。这样，儿童或动物将必须克服排斥力以致使器件3100使开关或闩锁接合，或者在两个磁结构1002a和1002b接触(或近似接触)时执行功能。一旦这两个磁结构1002a和1002b变为接触，它们将快动在一起并保持在一起，直至磁结构1002a和1002b之一被旋钮3102转动，从而使得它们去相关，因而导致吸引层的吸引力被器件3100中存在的排斥力克服。如图所示，器件3100被构造成使得旋钮3102将在引导部3104(例如导杆3104)内转动以使它到达其正常的对齐位置。依据互补的代码是对齐还是不对齐，器件3100可从排斥快动过渡到仅排斥。如在图31K中所示，器件3100如需要可引入间隔件3106，其附连到磁结构之一1002a(例如)。因此，当另一个磁结构1002b与间隔件3106相遇时，它可闭合例如电连接(例如，激活门铃)和/或作用于机械闩锁或其它器件。这要求要维持该力以实现器件(例如，垃圾处理器)的操作。
可以理解，排斥快动多级相关磁系统1000(例如)可用在许多不同的儿童安全及动物防护器件中。通过要求儿童或动物在一些接合(例如，电接合或机械接合)之前例如通过推或拉物体而克服排斥力，可采用新形式的电开关、闩锁等等，在此，可规定排斥力使得对于儿童或动物难以克服该力而对于成人则不会。这样的器件可能任选地采用间隔件以控制该器件可能实现的吸引力(如果有)的大小，从而使得这些器件能够利用与实现接触所用的力(例如，推力)相反的力(例如拉力)而去除。如果需要，可对排斥快动多级相关磁系统1000(例如)编码，由此，当对应的磁结构1002a和1002b之一相对于另一个旋转时它们不会去相关，或者可对该系统进行编码，使得当由于旋转(和/或平移运动)而改变对齐位置时出现去相关。因此，在两个多级磁结构1002a和1002b之间的力可随这两个结构1002a和1002b的分离距离以及相对对齐位置而变化。
下述讨论意在比较传统磁体力曲线与经编码磁结构的力曲线的限制。传统的磁体对根据它们偶极子的空间定向而彼此吸引或者彼此排斥。传统的磁体可能具有强磁场，由于该磁场的线性达到而可能负面影响信用卡、手机、起博器等。由于相同的原因，这些磁体操作起来还可能很危险。而且，由于间接关系假设而限制了磁体设计，该间接关系假设将力描述为与磁体之间的线性距离成反比。由于这个限制，设计工程师们长久以来依赖于材料科学和先进制造技术来生产特定应用所需要的具有合适的吸引和/或排斥力性能特性的磁体。
在图32中所示的力曲线描述了关于两个标准的钕铁硼(NdFeB)N42级碟状磁体(1-1/2”直径×1/8”厚)的排斥力分布。示出了两个磁体3200a和3200b，它们的北极彼此相对，因而产生随着分开距离而迂回变化的排斥力。相关磁技术通过实现对磁器件编程以精确规定磁场、因而规定磁行为，从而消除了这种限制假设。具体地，磁体设计者现在可使用成组的和/或交替的磁元件(或者磁元)的图案，该磁元件(或者磁元)可各自表现为如同磁偶极子，但可作为整体展现许多不同的行为。可通过数个设计参数来控制力的分布的形状，设计参数包括磁元件总数、极性、幅值以及磁元(场发射源)的大小、形状和位置。在磁体表面上每单位面积(代码密度)的磁元极性变化的量会影响接触时峰值力的水平。代码密度还会影响在远场中力的剩余水平以及力曲线的衰减速率或斜率。随着代码密度的增加，峰值吸引力也增加。然而，吸引力衰减越快，远场力会明显减小。因此，与传统磁体形成鲜明对比，采用相关磁技术的自定义设计的磁场可展现带有很短“冲程”的更强的峰值力，得到安全得多的磁器件。
图33示出了通过改变磁元的代码密度产生的多个力曲线，其中的磁元是使用简单交替极性代码的实例而编程到磁体对中的。在这种情况下，材料是1/8”厚的NdFeB N42级3/4”正方形磁体，且代码密度从传统磁体(代码密度＝1)到经编码磁体表面上的256个磁元。尽管代码密度影响力曲线的倾斜程度以及峰值力及远场力的级别，但是磁元的大小、形状和幅值影响编程到磁体对中的力的接合距离。而且，如之前描述，可同时采用相反的力(吸引和排斥)，为设计者提供向力曲线引入变形的能力。在“压印/生产”磁体时，可通过改变感应线圈上的输入功率而调整每个磁元的幅值，而这会影响力曲线的形状。可增加或减小吸引力及排斥力，且可规定变形点以满足特定应用需要。
图34示出了被编程为具有排斥和快动行为的两个磁体3400a和3400b的力的分布，从而互补的磁元模式已被压印在传统磁体上以实现两个力曲线。该分布示出了多级磁性，在此，排斥力增加、达到峰值、然后随着一对经编码磁体3400a和3400b彼此接近而过渡为吸引力。这种可编程的力行为使设计工程师能够规定产品、元件和子系统的精准的阻尼和阻力行为，且它使得能够制造具有确定性重量支持特性的缓冲器件。相关磁性多力器件代表一种用于改进减震装置、减震器、医用床、儿童防护及动物防护的开关和闩锁、微开关及其它的实现技术。
图35示出了改变输入功率对力分布形状的影响。用于产生吸引力的输入功率的大小是175V(线条3502)和200V(线条3504)，而排斥力未改变。为了比较，还示出了关于常规磁体的力曲线(线条3506)。
图36A-36D示出了几个多级排斥和快动样品3602、3604、3606和3608，它们重点突出了在常规磁体和经编码磁体之间的差别，在此，粘附到四个固体圆筒的下表面的碟状磁体以类似于弹簧的方式与装配在四个圆筒管的底部的磁体相互作用。每个圆筒3602、3604、3606和3608的力曲线描述了磁体沿着轴竖直向下行进时所经历的排斥力性质。
最左边圆筒3602的特征在于两个常规磁体，随着磁体接近触头，这两个常规磁体展现出越来越刚硬的阻力。另外三个圆筒3604、3606和3608中的每一个的特征在于多级阻力及快动经编程磁体对，该磁体对提供越来越刚硬的阻力直至到达距表面触头大约6/10英寸的变形点。在这个点，阻力下降并在距表面触头大约2/10英尺处实际过渡为吸引力，在此，磁体对然后快动在一起并联结。可明显感到由较高功率吸引力代码和较低功率吸引力代码提供的阻力的差异。最右边圆筒3608示出了“分离垫”行为。圆筒行程受间隔件限制，使得磁体对不能进入吸引力区。净效应是：排斥力降至接近零，但是圆筒在被释放时仍将回到其开始位置。因此，新的缓冲器件可设计为在达到规定的力时回撤。
由于力曲线现在是可编程的，所以设计者可以定制磁行为以匹配应用要求并支持新的磁体应用。磁体现在可包括能够实现全新应用领域的吸引力和排斥力的结合。对磁体及其力曲线编程，可为整个行业的产品改革和效率提高提供强有力的新能力。通常，可将具有不同力曲线的多个区构造成一起工作以产生定制的合力曲线。合力曲线可以例如在某个范围的间距上具有平坦部(其代表恒定的力)，使得器件的行为类似于非常长的弹簧。而且，如之前描述，磁元可以压印在常规磁体上，由此将表面场放在它们上。通过将薄的相关磁层放在已磁化的基底上，体内场被投入到远场中且相关磁表面作用改变近场中的力曲线。
根据本发明的实施例，多级无接触连接器件可用于制造静音的门和抽屉，原因在于它们可以设计成使得门、柜门及抽屉会关闭并磁力附连但不接触。图37A-37C示出了示例性柜子3702、柜门3704、铰链3706和3708以及磁结构3710和3712，磁结构3710和3712具有多级无接触连接编码，该编码导致磁结构3710和3712关闭但是不完全闭合，因此使它们安静地关闭。在这个示例中，为了多级无接触连接，对磁结构3710和3712进行编码。如果要求，磁结构3710和3712可设在柜门3704与柜子3702重叠的重叠区3714中。磁结构3710和3712可通过粘合剂、钉子、螺丝钉等附连到柜子3702和柜门3704。此外，如果使用了过多的力来关闭柜门3704(例如，撞击)，可使用间隔件3716防止磁体接触。如果需要，当将磁结构3710和3712安装到橱柜3702和橱柜门3704时，可使用安装引导件3718。
图38A-38B示出了两个磁体3802和3804，它们被编码成具有多级排斥和快动行为，并在它们之间具有间隔件3806，并带有吸引层3810和排斥层3812。在一侧施加力3814以克服排斥力，从而两个磁体3802和3804快动在一起，而间隔件3806处在它们之间。然后，如果对磁体3802(例如)的一侧施加力3816，会导致磁体3802在间隔件3806上枢轴转动，于是这将导致磁体3802和3804彼此排斥(例如，爆炸分离)。因此，这种布置提供了相对不稳定的器件，该器件将保持在一起直至它接收到某种导致两个磁体3802和3804飞离(例如，很像爆炸)的冲击。因此，可采用这样的器件生产各种类型的玩具(爆炸玩具)、扳机等。可改变间隔件3806的大小、厚度、形状和其它方面以确定器件不稳定性的级别。这样的器件还可用作能量储存设备的形式，由此施加很小的力就能释放很大的力。
依据本发明的另一个方面，施加给构成多级器件的至少一个磁结构的外力可由于热、压力或并非物理力的某种其它外力原因而变化。例如，连接到多级器件的双金属条可用于产生期望的恒温器或第一灭火系统扳机的滞后。类似地，压力可导致多级器件从关闭位置变为打开位置，使得气体能够从容器中溢出。
根据本发明的另一个方面，通过改变两个磁结构的相对对齐位置并通过随间距而变的多级磁性，以非线性方式改变这两个磁结构之间的力的能力，使得能够实现全新类型的简单机械，包括六种典型的简单机械(即，杠杆、轮和轴、滑轮、斜面、楔及螺丝钉)。通常新型非线性设计尺寸使得力特性能够针对给定的距离和对齐位置而变化。而且，基于新的简单机械的组合，新型复杂机械现在变成可能。图39示出了包括杆3902的示例性复杂机械3900，杆3902的一端在表面3904上枢轴转动，并且在对端上具有滑轮3906，从该对端通过绳3910等悬挂重物3908。在沿着杆3902上的某一点，通过磁力元件3914施加力3912，该磁力元件3914是被编码用于产生期望的力关于距离的曲线的两个或更多的磁结构。通过使用具有不同的力关于距离的曲线(例如，力曲线)的不同磁结构，可产生复杂机械3900的不同功能。例如，如果力曲线被编程为展现出扩展的正弦曲线函数，则在该曲线是准确的范围上，在重物3908上的力是线性的，模拟很长弹簧的作用。
下面是关于包含相关磁技术的器件的一些其它想法：
●使用多级无接触连接器件的发动机或马达，用于减小或消除振动。
●无接触离合器片，去除可磨损的摩擦片。
生物应用：
●使用无接触连接能力用于机械元件和生物元件之间的对接以及用于两个生物元件之间的对接。原因是，如果在生物组织例如皮肤上施加太多的压力，它会阻止毛细管流入组织并会导致它在一小时内死亡。这种现象(缺血压力坏死)，使得机械元件和生物元件的交互-以及经常是不想通过缝合或其它方法长久参与的两个生物元件的交互-很困难。无接触附连可作为强有力的工具来解决这个问题。可适于用于机械到生物的附连的潜在应用包括：附连弥补术即在皮肤下面植入一个磁体、附连外部的微小的泵以及作为保持牙齿移植的方法、避免牙齿在TMJ中摩擦以及作为固定并对齐假牙的方法。为了从生物到生物的附连，应用的想法包括将磁体植入在软的上颚及为了避免睡眠窒息植在骨上，以及用于解决遗尿。相关磁性可以作为在胃上方的电子管的基础，能够克服灼烧感以解决胃酸倒流。
●在患有慢性窦问题的人的窦中植入带有无接触连接的相关磁系统。然后可以拿着另一个相关磁体靠近脸颊以使窦扩张，帮助内部液体流出。
●关节替换(膝盖、脊椎盘等)-使用无接触附连，因此没有磨损。
从上面的描述，本领域技术人员会意识到本发明包括多级相关磁系统，该系统包括：(a)第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(b)第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；(c)其中，第一相关磁结构与第二相关磁结构对齐，使得第一部分彼此位于对面，且第二部分彼此位于对面；及(d)其中，每个第一部分相比第二部分产生更高的峰值力，而每个第一部分相比第二部分具有更快的场消失速率，使得：(1)当第一和第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，第一部分产生的磁力被第二部分产生的磁力抵消，(2)当第一和第二相关磁结构彼此相距的间距大于过渡距离时，第一部分产生的磁力比第二部分产生的磁力更强，及(3)当第一和第二相关磁结构之间的间距大于过渡距离时，第一部分具有比第二部分产生的磁力更弱的磁力。
在一个示例中，第一相关磁结构的多个经编码磁源包括第一场发射源并且第二相关磁结构的多个互补的经编码磁源包括第二场发射源，每个场发射源具有与期望的空间力函数相关的位置和极性，该空间力函数与第一和第二相关磁结构在场域内的相对对齐位置对应，其中，空间力函数与代码一致，在此，该代码对应于第一场发射源的代码模(modulo)及第二场发射源的互补代码模。该代码定义峰值空间力，该峰值空间力与第一场发射源的代码模和第二场发射源的代码模的实质性对齐对应，其中，该代码还定义多个非峰值空间力，其与第一场发射源的代码模和第二场发射源的代码模的多个不同的未对齐对应，其中，多个非峰值空间力具有最大的非峰值空间力，在此最大非峰值空间力小于峰值空间力的一半。
尽管已对本发明的多个实施例通过所附附图进行了阐述并在前述详细说明中进行了描述，但是应该理解，本发明并非限于所揭示的实施例，而在不脱离所附权利要求所提出和限定的发明的情况下，能够做出许多的重新布置、变型和替换。还应注意，本文提及“本发明”或“发明”与示例性实施例相关，但是并不一定与所附权利要求所涵盖的每个实施例相关。
Claims (24)
1.一种多级相关磁系统，其包括：
第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；
第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；
其中，所述第一相关磁结构与所述第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，且所述第二部分位于彼此对面；并且
其中，所述第一部分各自相比所述第二部分产生更高的峰值力，而所述第一部分各自相比所述第二部分具有更快的场消失速率，使得：(1)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，所述第一部分产生的磁力被所述第二部分产生的磁力抵消；(2)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构具有的彼此间的间距小于所述过渡距离时，所述第一部分所产生的磁力强于所述第二部分所产生的磁力；并且(3)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构之间的所述间距大于所述过渡距离时，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所产生的磁力。
2.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，所述第一部分产生吸引磁力并且所述第二部分产生排斥磁力，使得：(1)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离大于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此排斥；(2)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离等于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此既不排斥也不吸引；并且(3)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离小于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此吸引。
3.根据权利要求2所述的多级相关磁系统，其中，当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离小于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构快动在一起，于是，如果所述第一相关磁结构与第二相关磁结构中的一个相对于另一个转动，则所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此排斥。
4.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，所述第一部分产生排斥磁力并且所述第二部分产生吸引磁力，使得：(1)当所述第一与第二相关磁结构被分开的距离大于所述过渡距离时，所述第一与第二相关磁结构彼此吸引；(，2)当所述第一与第二相关磁结构被分开的距离等于所述过渡距离时，所述第一与第二相关磁结构彼此既不排斥也不吸引；并且(3)当所述第一与第二相关磁结构被分开的距离小于所述过渡距离时，所述第一与第二相关磁结构彼此排斥。
5.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，还包括一个或多个移动约束结构，其将所述第一相关磁结构附着到所述第二相关磁结构，从而所述一个或多个移动约束结构只允许所述第一与第二相关磁结构朝向或远离彼此移动，同时确保所述第一与第二相关磁结构相互平行。
6.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，还包括间隔件，其附着到所述第一相关磁结构或者所述第二相关磁结构，以防止所述第一相关磁结构完全接触所述第二相关磁结构。
7.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，通过将表示所述经编码磁源的磁元压印在第一现有磁体上来产生所述第一相关磁结构，并且通过将表示所述经编码磁源的磁元压印在第二现有磁体上来产生所述第二相关磁结构。
8.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，
所述第一相关磁结构包括所述第一部分、所述第二部分、以及具有多个经编码磁源的第三部分；
所述第二相关磁结构包括所述第一部分、所述第二部分、以及具有多个经编码磁源的第三部分；并且，
其中，所述第一相关磁结构与所述第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，所述第二部分位于彼此对面，且所述第三部分位于彼此对面。
9.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，所述第一相关磁系统的所述第二部分包括多个经编码磁源，并且所述第二相关磁系统的所述第二部分包括多个互补的经编码磁源。
10.根据权利要求1所述的多级相关磁系统，其中，所述多个经编码磁源包括第一场发射源，并且所述多个互补的经编码磁源包括第二场发射源，每个场发射源具有与期望的空间力函数有关的极性与位置，所述期望的空间力函数对应于场域内所述第一与第二相关磁结构的相对对准，其中，所述空间力函数与代码一致，其中，所述代码对应于所述第一场发射源的代码模以及所述第二场发射源的互补代码模。
11.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，所述代码定义峰值空间力，所述峰值空间力对应于所述第一场发射源的所述代码模与所述第二场发射源的所述互补代码模的基本对准，其中，所述代码还定义多个非峰值空间力，所述非峰值空间力对应于所述第一场发射源的所述代码模与所述第二场发射源的所述互补代码模的多个不同的未对准，其中，所述多个非峰值空间力具有最大非峰值空间力，其中，所述最大非峰值空间力小于所述峰值空间力的一半。
12.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，根据至少一个相关函数确定所述场发射源中的每一个的所述位置和所述极性。
13.根据权利要求12所述的多级相关磁系统，其中，所述至少一个相关函数与所述代码一致。
14.根据权利要求13所述的多级相关磁系统，其中，所述代码是伪随机码、确定性码、或者设计码中的一个。
15.根据权利要求13所述的多级相关磁系统，其中，所述代码是一维码、二维码、三维码、或者四维码中的一个。
16.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，所述场发射源中的每一个均具有根据所述期望的空间力函数确定的对应的场发射幅度和向量方向，其中，所述第一与第二磁场发射结构之间的间距以及所述第一与第二相关磁结构的相对对准产生与所述期望的空间力函数一致的空间力。
17.根据权利要求16所述的多级相关磁系统，其中，所述空间力包括吸引空间力和排斥空间力中的至少一个。
18.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，所述场域对应于与第二磁场发射相互作用的第一磁场发射，所述第一磁场发射来自于所述第一场发射结构的所述场发射源，所述第二磁场发射来自于所述第二磁场发射结构的所述第二场发射源。
19.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，所述场发射源的所述极性包括北-南极或正-负极中的至少一个。
20.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，至少一个所述场发射源包括磁场发射源或者电场发射源。
21.根据权利要求10所述的多级相关磁系统，其中，至少一个所述场发射源包括永久磁体、电磁体、驻极体、磁化铁磁材料、软磁材料、或者超导磁材料。
22.一种具有相关磁结构的装置，其包括：
第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；
第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有一个或多个磁源的第二部分；
所述第一相关磁结构与所述第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，且所述第二部分位于彼此对面；
间隔件，其用于防止所述第一相关磁结构完全接触所述第二相关磁结构；
所述间隔件具有以小于过渡距离的第一距离分离所述第一与第二相关磁结构的厚度，以使得所述第一与第二相关磁结构彼此磁性连接，其中将力施加给所述第一相关磁结构或第二相关磁结构，使得第一磁结构和第二磁结构以大于所述过渡距离的第二距离分离，使得所述第一与第二相关磁结构相互排斥。
23.根据权利要求22所述的具有相关磁结构的装置，其中：
所述第一部分中的每一个相比所述第二部分产生更高的峰值力，而所述第一部分中的每一个相比所述第二部分具有更快的场消失速率，使得：(1)当所述第一与第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，所述第一部分所产生的磁力与所述第二部分所产生的磁力抵消；(2)当所述第一与第二相关磁结构所具有的彼此相距的间距小于所述过渡距离时，所述第一部分所产生的磁力强于所述第二部分所产生的磁力；并且(3)当所述第一与第二相关磁结构之间的所述间距大于所述过渡距离时，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所产生的磁力；
所述第一部分产生吸引磁力并且所述第二部分产生排斥磁力，使得：(1)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离大于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此排斥；(2)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离等于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此既不排斥也不吸引；并且(3)当所述第一相关磁结构与第二相关磁结构被分开的距离小于所述过渡距离时，所述第一相关磁结构与第二相关磁结构彼此吸引。
24.一种使用多级相关磁系统的方法，所述方法包括步骤：
提供所述多级相关磁系统，所述多级相关磁系统具有：
-第一相关磁结构，其包括具有多个经编码磁源的第一部分以及具有一个或
多个磁源的第二部分；
-第二相关磁结构，其包括具有多个互补的经编码磁源的第一部分以及具有
一个或多个磁源的第二部分；
将所述第一相关磁结构与所述第二相关磁结构对准，从而所述第一部分位于彼此对面，且所述第二部分位于彼此对面；并且
其中，所述第一部分中的每一个相比所述第二部分产生更高的峰值力，而所述第一部分中的每一个相比所述第二部分具有更快的场消失速率，使得：(1)当所述第一与第二相关磁结构分开的距离等于过渡距离时，所述第一部分所产生的磁力与所述第二部分所产生的磁力抵消；(2)当所述第一与第二相关磁结构所具有的彼此相距的间距小于所述过渡距离时，所述第一部分所产生的磁力强于所述第二部分所产生的磁力；并且(3)当所述第一与第二相关磁结构之间的所述间距大于所述过渡距离时，所述第一部分所具有的磁力弱于所述第二部分所产生的磁力。
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