CN113595358B - 更改涡流相互作用的方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了使用涡流相互作用来抵抗构件之间的相对移动的制动机构和相关使用方法，其中在涡流区域周围的磁通量被改变为超过由简单的磁极布置产生的固有拖曳力效应。

Description

更改涡流相互作用的方法

本申请是申请日为2015年12月4日、申请号为201580065937X(国际申请号为PCT/NZ2015/050206)、发明名称为“更改涡流相互作用的方法”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本文描述了制动机构和制动构件之间的相对移动的方法。更具体地，本文描述了使用涡流相互作用来抵抗构件之间的相对移动的制动机构和相关使用方法，其中在涡流区域周围的磁通量被改变为超过由简单的磁极布置产生的固有拖曳效应。

背景技术

本领域设备可以利用涡流拖曳力向经受相对于一磁场的相对移动的导电构件施加拖曳力。涡流拖曳效应施加无摩擦的减速力，因此可以用于各种制动应用，尤其是不期望磨损效果的情况。涡流效应还能够被调整以适应各种应用，在发明人的其他申请中描述了一些示例。

涡流拖曳力相互作用的一方面是磁场强度与制动转矩成平方关系。换言之，磁场强度的小幅增加可以导致涡流拖曳力的急剧增大。

申请人在涡流相关装置领域的共同未决专利和已授权专利包括US8,851,235、US8,490,751、NZ619034、NZ627617、NZ627619、NZ627633、NZ627630及其他等同专利，其全部通过引用并入本文。虽然在这些专利/申请中描述的装置可能是有用的，但是更改涡流相互作用的其他方法诸如通过增加磁通量密度也可能是有用的，或者至少为公众提供选择。

根据仅通过示例给出的后续描述，上述制动机构以及制动相对运动的方法的其他方面和优点应变得明了。

发明内容

本文描述的是使用涡流相互作用来抵抗构件之间的相对移动的制动机构和相关使用方法，其中在涡流区域周围的磁通量被改变为超过由简单的磁极布置引起的不变磁场所产生的固有拖曳效应。

在第一方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

至少一个磁通量密度改变装置；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在第二方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件和在磁性元件周围的磁性覆层提供的至少一个磁场，该覆层至少部分地改变在预定区域周围的磁通量；和

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在第三方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、被定位成形成海尔贝克阵列的至少一个磁场，该海尔贝克阵列改变在一个或多个预定区域周围的磁通量，

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在第四实施方案中，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；

铁磁流体，该铁磁流体至少部分地位于磁性元件和至少一个导电构件或其一部分周围，从而改变预定区域的磁通量密度；以及

当至少一个导电构件或其一部分穿过预定区域时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在第五实施方案中，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；

位于至少一个导体或其一部分上和/或中的磁通量密度改变装置，该磁通量密度改变装置增加磁性元件与至少一个导体或其一部分之间的磁导率，从而改变在区域周围的磁通量密度；以及

当至少一个导电构件或其一部分穿过预定区域时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

第六方面，提供了一种控制构件之间的相对移动的方法，该方法包括以下步骤：

(a)选择至少一个基本上如上所述的制动机构；

(b)将至少一个第一构件与磁性元件连接，并将至少一个其他构件与一个或多个导体连接；

(c)对一个或多个构件施加动力，并利用由制动机构产生的所形成涡流拖曳力抵抗构件之间的相对移动。

上述制动机构和使用方法的优点包括改变和调整减速力的能力。与没有使用磁通量密度增加选项的情况相比，一个实施方案允许可能引起显著更大的减速力的能力。

附图说明

根据下面仅以示例方式并参照附图给出的描述，上述制动机构和制动相对移动的方法的其他方面将变得明了，在附图中：

图1A示出了在没有改变磁通量密度的情况下，由以简单的磁极布置进行配置的磁性元件的相互作用产生的、在北磁极和南磁极周围的典型磁场；

图1B示出了经受磁性覆层的磁场；

图2示出了经受磁性覆层的磁回路的可替代实施例；

图3示出了使用磁性覆层和导体的可替代制动机构；

图4示出了使用磁性覆层和磁回路的制动机构的可替代实施例；

图5示出了使用穿过海尔贝克(Halbach)阵列的环形导体的制动机构；

图6示出了铁磁流体制动机构实施方案；

图7示出了可替代的铁磁流体制动机构实施方案；

图8示出了另一可替代的铁磁流体制动机构实施方案；

图9示出了在导体中使用添加剂以增强磁通量的经改变导体；以及

图10示出了可能的紧凑形状的制动机构。

具体实施方式

如上所述，本文描述的是使用涡流相互作用来抵抗构件之间的相对移动的制动机构和相关使用方法，其中在涡流区域周围的磁通量被改变为超过由简单的磁极布置引起的不变磁场所产生的固有拖曳效应。

为了本说明书的目的，术语“约”或“近似”及其语法变型意指量、水平、程度、值、数量、频率、百分比、尺寸、大小、总量、重量或长度相对于参考量、水平、程度、值、数量、频率、百分比、尺寸、大小、总量、重量或长度变化多达30％、25％、20％、15％、10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、或1％。

术语“基本上”或其语法变型是指至少约50％，例如75％、85％、95％或98％。

术语“包括”及其语法变型应具有包容性意义，即，将其视为意指不仅包括其直接引用的所列出部件，而且包括其他未指明的部件或元件。

在磁通量的背景下，术语“改变”及其语法变型是指在预定区域中或周围的磁通量的密度的引导、增强、减弱、阻滞或增加中的任一个或全部。术语“不变的磁效应”或“简单的磁极布置”及其语法变型是指对导电元件的移动效果的阻抗，不变的效果是关于不具有磁通量改变效应的一个或多个简单的(例如，北/南)极布置所观测到的。变化的效果的一个示例可以是通过使用磁通量重定向装置或磁通量聚集装置。

在第一方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

至少一个磁通量密度改变装置；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在第二方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件和在磁性元件周围的磁性覆层提供的至少一个磁场，该覆层至少部分地改变在预定区域周围的磁通量；和

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

磁性覆层可以形成在每个磁性元件的至少一部分周围。覆层可以包围基本上全部磁性元件，以限制和/或引导基本上所有的所产生的磁场。

制动机构可以包括：由磁性元件和在磁性元件周围的磁性覆层提供的至少两个磁场构成的磁回路，该覆层至少部分地改变在至少两个预定区域周围的磁通量；以及与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分。如所提及的，磁回路可以通过使用两组相对的磁性元件和覆层形成，其中一间隙位于预定区域周围并且至少一个导电构件或其一部分穿过上述区域。

回路中的两个预定区域可以被定位成彼此相对。这种对准对于导体的形状和设计可能是有用的，但不是必需的。

导电构件可以为转子形状。可替代地，导电构件可以为杆状。术语“杆”是指可以是曲线形状但也可以具有多边形截面的细长实心体。杆可以是实心的或中空的。

磁场可以包括一个朝向北极的磁体元件和一个朝向南极的磁体元件，该朝向北极的磁体元件和该朝向南极的磁体元件对准以便在元件之间形成磁场。

预定区域可以位于具有最大磁通量密度的区域周围。预定区域可以直接位于磁性元件之间。该预定区域通常是直接位于磁极之间的空间，但也可以在其他地点，诸如可以由在下面更详细地说明的海尔贝克阵列产生的地点。

预定区域可以具有一个或多个导电构件可以穿过的间隙。

在第三方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、被定为成形成海尔贝克阵列的至少一个磁场，该海尔贝克阵列改变在一个或多个预定区域周围的磁通量；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；以及

当至少一个导电构件或其一部分与预定区域相互作用时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

在一种实施方案中，海尔贝克阵列可以包括以半圆形形状布置的磁阵列，上述预定区域是圆形区域内具有最高磁通量密度的区域。

上述至少一个导体可以具有各种形状，例如圆形、球形、卵形和环形。至少一个导体或其一部分可以穿过海尔贝克阵列的中心。

不论形状如何，至少一个导体构件或其一部分可以是无间断的或分段的。如果导体是分段的，则每一段可以例如围绕环形的轴线移动，结合驱动导体围绕主轴线移动一起，从而产生来自导体移动和段移动两者的甚至更大的涡流拖曳力。

在第四方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；

铁磁流体，该铁磁流体至少部分地位于磁性元件和至少一个导电构件或其一部分周围，从而改变预定区域的磁通量密度；以及

当至少一个导电构件或其一部分穿过预定区域时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

如上所述，在磁性元件之间可以存在供至少一个导体构件或其一部分穿过的间隙。可以在磁性元件后面使用背板，以将磁性元件和至少一个导体或其一部分密封在背板腔体内。背板腔体内的自由空间可以填充有铁磁流体。密封是指磁性元件和至少一个导体被封闭在其他元件内以形成密封区域。密封可以是不可渗透的，从而防止密封区域中损失材料例如铁磁流体。

在上述的可替代实施方案中，磁性元件可以通过使用间隔件或阻隔件间隔开。这些阻隔件还可以使在其中放置铁磁流体的腔体的大小减小。阻隔件还可以防止在导体的区域外的磁场“短路”。

在另一实施方案中，制动机构可以包括如上所述的在其中具有磁性元件的背板。两个导体板可以位于磁性元件之间，从而在导体板之间限定腔体或空间。导体之间的腔体或空间可以填充有铁磁流体。

在上述实施方案中，铁磁流体还可以具有抑制导体移动的流体特性，从而进一步增强拖曳效应。流体特性可以是指作为用以吸收动能或动力能量的已知手段的流体粘度-粘性拖曳。在本实施例中，可以改变流体特性诸如导电性和粘度，以更改拖曳力动力学。

在第五方面，提供了一种制动机构，包括：

由磁性元件提供的、在预定区域周围引起磁通量的至少一个磁场；

与预定区域相互作用的至少一个导电构件或其一部分；

位于至少一个导体或其一部分上和/或中的磁通量密度改变装置，该磁通量密度改变装置增加磁性元件与至少一个导体或其一部分之间的“磁导率”，从而改变在区域周围的磁通量密度；以及

当至少一个导电构件或其一部分穿过预定区域时，产生抵抗至少一个导电构件或其一部分与磁场之间的相对移动的涡流拖曳力。

至少一个导体或其一部分可以通过使用位于部分或全部所述导体的上或中的添加剂来改变磁通量，该添加剂诸如粒子或纳米粒子。粒子可以由各种磁通量增强材料——包括例如铁和镍——制成。粒子可以形成到导体中、接合到导体外部和/或层叠于导体外部。

上述各种制动机构可以采用宽范围的最终拓扑，包括直线运动、旋转运动、极运动、轴向运动等。这些范围内的拓扑可以相组合，以实现磁场与导体之间的各种类型的相对移动。

除了上述变化的拓扑之外，导体形状本身也可以改变，例如用以优化空间和整体制动机构的大小和形状。例如，导体可以具有翼片，并且翼片可以用作穿过区域的导体部分，在该实施方案中，翼片可以沿着不同的方向从中央枢纽延伸，从而优化穿过多个磁通量区域的导电表面。

在第六方面，提供了一种控制构件之间的相对移动的方法，该方法包括以下步骤：

(a)选择至少一个基本上如上所述的制动机构；

(b)将至少一个第一构件与磁性元件连接，并将至少一个其他构件与一个或多个导体连接；

(c)对一个或多个构件施加动力，并利用由制动机构产生的所形成涡流拖曳力抵抗构件之间的相对移动。

本文描述的制动机构的最终实施方案可以是变化的。磁场部分可以例如连接到制动机构的第一构件，并且一个或多个导体构件与第二构件连接。例如，自动栓绳或自回缩式救生索(SRL)的实施方案可以使用该制动机构。在该实施方案中，导体可以例如连接到线轴上的绳索，并且磁场部分可以连接到单独的转子，当绳索以预定速率伸出时——可能等同于坠落，导体和磁性元件相互作用以制动绳索的放出，并通过制动坠落来防止事故。该实施例不应被视为限制性的，这是因为所描述的制动机构可以应用于各种各样的其他应用，非限制性示例包括对以下项的速度控制：

·旋转涡轮机中的转子；

·运动器材，例如划船机、行星式训练器；

·过山车和其他游乐设施；

·电梯和自动扶梯系统；

·疏散下降器和安全梯装置；

·输送系统；

·工厂生产设施中的旋转驱动器；

·材料处理装置，诸如斜槽中的输送带或制动装置；

·用以控制旋转标志的变化率的动态显示标志；

·路侧安全系统，例如可以在系统中连接涡流制动器以通过经由制动器的能量耗散来提供碰撞衰减；

·车辆中的安全带；

·高空滑索；

·有轨电车和车厢的制动机构。

上述制动机构和使用方法的优点包括：改变和调整制动力的能力，以及可能引起与没有使用磁通量密度增加选项的情况相比显著更大的制动力的能力。

上述实施方案也可以广义地包括在本申请的说明书中单独地或共同地引用或指出的零件、元件和部件，以及任何两个或多个所述零件、元件或部件的任何或所有组合。

此外，在本文中提及的具体整数在实施方案所涉及的领域中具有已知的等同物的情况下，这些已知的等同物被视为并入本文中，如同单独阐述一样。

工作实施例

现在通过参照具体实施例来描述上述制动机构和使用方法。

实施例1

参照图1至图4，描述作为通过引导和增加在区域周围的磁通量密度来改变磁通量的手段的磁性覆层实施方案。

图1A示出了未覆层的磁场。磁场3包括两个磁性元件(北极1和南极2)，并且所产生的磁场3遵循在极1、2周围的经典场路径，最强通量区域4正好在元件1、2之间。图1B示出了当使用磁性覆层6时磁场3如何变化。所示的覆层6引导和增加在预定区域周围的磁通量密度，在该实施例中，该预定区域为直接位于磁性元件1、2之间的空间7。

图2示出了磁回路。回路10是利用建立极对的磁体元件13、14建立的。磁体元件13、14与高磁导率的结构材料15连接在一起，形成磁回路。利用与磁场磁体13、14相邻的磁体12建立覆层。在邻近间隙区域18处设置另外的覆层16。覆层磁体12、16的磁场使间隙区域18中的所形成磁场聚焦并增强。

图3和图4示出了利用图1和图2的经覆层磁场结合穿过区域21的导体构件20的可能的制动机构。在图3中，导体20具有穿过区域21的细长脚端。当这种穿过情况发生时，涡流拖曳力作用于导体20以减缓或抵抗磁性元件22、23与导体20之间的相对移动。图4示出了移动穿过图2的磁回路10的导体20，在这种情况下，导体构件20的两个部分20A、20B与不同的磁性区域21A、21B相互作用，从而增加可能的涡流拖曳力。

注意，导体构件相对于磁场的移动可以是线性的、旋转的或沿着不同的方向，并且所示的实施例不应被视为限制性的。导体形状也可以采用各种形式，包括例如杆状或转子形状。

还要注意，重要的方面是磁性元件与一个或多个导体构件之间的不同的相对移动。例如，磁性元件可以是静止的而导体构件移动。可替代地，导体构件可以保持静止而磁性元件可以移动。在另一可替代方案中，磁性元件和导体构件两者都可以移动，但具有不同的速度并且还可能具有不同的移动方向。

实施例2

海尔贝克阵列也可以用作引导和增加在预定区域周围的磁通量密度的手段。

图5示出了利用海尔贝克阵列的可能的制动机构的实施例。在该实施例中，磁性阵列30以半圆形形状布置，并且海尔贝克阵列增强圆形区域内的预定区域31中的磁通量。导体32穿过半圆形区域31，当这种穿过情况发生时，产生涡流拖曳力。在图5中，导体构件32具有环形形状，然而各种形状均可以使用。

实施例3

图6至图8示出了利用铁磁流体以通过增加磁性元件与导体之间的磁导率来改变磁通量密度的可替代实施方案。

图6示出了一实施方案，该实施方案中，制动机构40包括：两个背板41、42；从背板41、42起垂直地延伸的磁性元件43、44；以及在磁性元件43、44之间的供一个或多个导体45穿过间隙。背板41、42将磁性元件43、44和导体45密封在腔体内。然后，腔体内的自由空间可以填充有如上所述的铁磁流体46。当发生相对移动时，产生抵抗相对移动的涡流拖曳力。

图7示出了可替代的实施方案40A，在该实施方案中，磁性元件43、44通过使用间隔件或阻隔件47间隔开，并且这些阻隔件还减小了在其中放置铁磁流体的腔体的大小。阻隔件47可以防止磁场的短路，并且可以减少所需的铁磁流体的量。阻隔件47可以延伸超过磁性元件43、44的长度以进一步减小腔体的大小和磁场的短路。

图8示出了另一实施方案40B，制动机构包括如上在其中具有磁性元件43、44的背板41、42。两个导体板45A、45B可以位于磁性元件43、44之间，从而在导体板45A、45B之间限定腔体或空间。导体板45A、45B之间的腔体或空间可以填充有铁磁流体46。

在上述实施方案中，铁磁流体46也可以具有抑制导体45、45A、45B移动的流体特性诸如粘性拖曳，从而进一步增强拖曳效应。

实施例4

图9示出了另一个制动机构50，该机构50包括与图6至图8相同的背板51、52和磁性元件53、54，然而，通过使用混合在导体构件56中或置于导体构件上的粒子或添加剂55形式的磁通量改变材料而不是使用铁磁流体来改变磁通量方向和密度。添加剂/粒子55可以位于导体构件56上或中。粒子55可以由各种磁通量增强材料——包括例如铁和镍——制成。粒子55可以形成到导体构件56中、接合到导体构件56外部和/或层叠于导体构件56外部。在图9中，粒子55均匀地散布在整个导体构件56的结构中。

实施例5

如上所述，导体构件和磁场可以采用各种形状和形式。一些制动机构可能需要紧凑的形式或拓扑。实现紧凑形式的一种方式可以是使用具有翼片61的导体60，翼片61用作穿过如图10所示的通量区域62的导体60部分。在该实施方案中，翼片61沿着不同的方向从中央枢纽63延伸，从而优化穿过多个磁通量区域62的导电表面。

已经仅通对示例的方式描述了制动机构和制动相对移动的方法的各个方面，并且应当理解的是，在不脱离本文的权利要求范围的情况下，可以对上述方面进行修改和添加。

Claims (9)

1.一种包括海尔贝克阵列的制动机构，所述海尔贝克阵列包括：

由磁性元件提供的至少一个磁场，所述磁性元件包括一个朝向北极的磁体元件和一个朝向南极的磁体元件，所述朝向北极的磁体元件和所述朝向南极的磁体元件对准从而在所述朝向北极的磁体元件和所述朝向南极的磁体元件之间并且在预定区域周围引起磁场，所述预定区域位于所述朝向北极的磁体元件和所述朝向南极的磁体元件之间；以及

在所述磁体元件周围以半圆形形状布置的在所述朝向北极的磁体元件和所述朝向南极的磁体元件周围的磁性覆层形式的至少一个另外的磁体，所述磁性覆层作用以改变在所述海尔贝克阵列内在所述朝向北极的磁体元件和所述朝向南极的磁体元件之间的所述预定区域周围的磁通量密度；以及

至少一个导电构件或其一部分；

其中，当所述至少一个导电构件或其一部分不与所述预定区域相互作用时，在所述导电构件和所述预定区域之间发生独立移动，并且，当所述至少一个导电构件或其一部分与所述预定区域相互作用时，产生涡流拖曳力，所述涡流拖曳力抵抗所述至少一个导电构件或其一部分与所述预定区域之间的相对移动并且促使所述至少一个导电构件或其一部分与所述预定区域之间的依赖移动，并且其中所述预定区域具有供所述导电构件穿过的间隙。

2.根据权利要求1所述的制动机构，其中，所述至少一个导电构件穿过所述海尔贝克阵列的中心以引起相互作用。

3.根据权利要求1所述的制动机构，其中，所述预定区域位于具有最大磁通量密度的区域周围。

4.根据权利要求1所述的制动机构，其中，所述至少一个导电构件具有选自圆形、球形、卵形或环形中的形状。

5.根据权利要求1或4所述的制动机构，其中，所述至少一个导电构件或其一部分是无间断的。

6.根据权利要求1或4所述的制动机构，其中，所述至少一个导电构件或其一部分是分段的。

7.一种控制在制动机构的构件之间的相对移动的方法，所述制动机构包括以下步骤：

选择根据权利要求1所述的制动机构；

将至少一个第一构件与所述磁性元件连接，并将至少一个其他构件与所述导电构件连接；以及

对所述第一构件或所述其他构件施加动力，并利用由所述制动机构产生的所形成的涡流拖曳力抵抗所述第一构件和所述其他构件之间的相对移动。

8.根据权利要求1所述的制动机构，其中，所述制动机构结合在一种自动栓绳系统内。

9.根据权利要求1所述的制动机构，其中，所述制动机构结合在一种自回缩式救生索(SRL)系统内。