JP5336200B2 - 磁気車輪 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、磁気学の分野に関し、特に複数物体が磁気的付着状態で相互に動き得るようにしながら１つの物体を他の物体に取り付けるための磁力の使用に関する。

発明の背景
複数物体が相互に並進運動又は回転運動を自由に行い得るようにしながら１つの物体を他の物体に固定又は支持することが望ましい、又は必要であるという状況や用途が多数存在する。

例えば資材取扱の分野では、ローラコンベヤが金属薄板や他の強磁性加工対象物を１つの地点から他の地点に運ぶために用いられる。運搬時に加工対象物がコンベヤのローラ（その一部は駆動ローラであり、他部は従動ローラである。）の上に留まるようにするために重力が頼りにされており、その結果、このようなコンベヤシステムは、傾斜運行経路部にローラが配置されている箇所から加工対象物が浮き上がることを防止するために専用の押さえ構造が採用されるのでなければ、殆どが実質的に共通水平面に延びるローラ運行経路を有する。

閉鎖環境、例えば大規模倉庫における頭上運搬用途では、頭上レールを設置し、これに車輪付き台車を固定し、更にクレーンヘッド構造体、把持部及び同様の付属装置を吊り下げることが知られている。溝付き台車の車輪を頭上案内レールに係合しその上部に保持するために重力が頼りにされ、側部の持送りによりレールからの横方向移動に対する安全性が付加される。

高層ビル建築の分野では、垂直方向延伸レールを用いることが知られており、これは、窓清掃のような保守業務遂行のためのビル頂部からの垂直移動用に吊り下げられる作業台の案内となる。この台は、レールに形状を合わせて係合する把持機構を内蔵し、レールに沿った垂直移動中に水平方向移動（例えば揺動）をしないようにする。

ロボット工学の分野、特に遠隔制御車両を使用するものでは、特定作業を操作者が遠隔から実行するための多数の多様な道具や器具を自立型の車輪付き台や自己軌道車両に内蔵させることが知られている。例えば、接近困難な又は厳しい環境で標本を回収するためにこのような車両に把持腕が配備される。車両が険しい斜面に沿って昇降できるようにするために車両の表面に対する付着力が増すよう摩擦力強化車輪や軌道塗装が用いられるとしても、転倒したり制御不能状態で滑ったりすることなく車両が安全に征服できる運行経路の険しさには限界がある。

本発明は、上記のような用途を考慮して、特に、（ａ）強磁性材料の運搬又は輸送を必要とする場合、（ｂ）強磁性構造体の取り込み又は存在により物体を相互に変位可能に固定する力の源として磁石を使用できる場合、（ｃ）可動物体を専用強磁性材料基板又は支持面に強制固定係合するために重力が欠けている場合、又は（ｄ）実際に重力の存在により、自己推進又はその他の車両を傾きの急峻な、垂直な、更に傾いた又は水平に張り出した（例えば天井）強磁性特性の面に沿って移動可能とするために、特殊な支持、案内、その他の保持用構造体ないし手段の組み立て又は供給が必要となる場合、の１以上の用途環境を考慮して考えられたものである。しかし、以下に開示する発明とその背景の原理は、より広い用途を有しており、物体の結合を達成するために現在は磁気力を採用していない既存の解決策を置き換えることもできる。

物体を他の物体に固定するために特定の永久磁石を使用する場合、磁気吸引力は、使用する能動磁性材料の種類と量、磁石の作用面の形状、能動磁性材料と磁気吸引力を受ける部分を包囲する磁束回路における空気又はその他の磁気漏洩路、引力を受ける部分の強磁性材料特性（すなわちその相対透磁率及び磁気飽和限界）、並びに引力を受ける物体の重力ベクトルに対する法線力ベクトルの向きの関数であることが知られている。そして、必要な変位力は、実効的な引力と物体表面間で規定される摩擦係数との関数となる。

換言すれば、物理的要因と幾何学的要因は、第１物体（例えば永久磁石を有する物体）と第２物体（例えば磁性板）間に生成される閉じた（負荷された）磁気回路の機能的、エネルギー的要素と同様に、物体がどの程度強く相互に引きつけられるか、これらの物体が相互に付着している間に変位させられるか否か、を最終的に決定する。

物体の平面が磁気吸引力で「強制的に」より強く一体化されればされるほど、２つの物体の材料対に適用される任意の所与の摩擦係数に対して相互に付着している間に引力ベクトルに垂直な力を及ぼしてそれらを相互に変位させることは益々困難となる。磁気的に吸引される面が非常に大きな摩擦係数を有し得ることも認められており、この知識は、磁気的締め具、磁気的持ち上げ具、磁気的固定具等のような広範な技術的解決法に現れており、そこでは（通常の動作条件と仮定して）強磁性材料は、変位しないように、磁気的能動材料を内蔵する支持構造体にしっかりと固定される。

磁気的に結合された物体をより容易に相互に動かし得るように、所謂磁気車輪が選ばれた産業分野、例えば自己推進溶接検査ロボットで考案されていた。

最も簡単に具体化する場合には、磁気車輪は、磁石の軸方向両端面が反対極に磁化された（ここでは軸方向に磁化されたという。）永久磁石材料、例えば円板形状のネオジム−鉄−硼素磁石の中実円板から成る。このような１つの円板の各々は、磁化可能でない車軸部材の両終端に固定でき、これを今度は車両の車台又は枠に搭載し、これにより円板は磁気吸引基板面の外周面に係合し、磁気的に引かれた状態でその表面上を転動する、例えば米国特許第６８８６６５１号（スロッカム他）第１２欄、４４行以降を参照。各円板（又は車輪）は、少なくとも部分的に閉ループ磁界を発生し、円板と基板の間に強力な引力を生成する。

スロッカムは、また、やや詳細であるが単純な磁気車輪を開示しており、これは、円板形状で軸方向に磁化され、２つの磁気吸引円板部材（軟鉄、パーマロイ又は磁化可能であるが磁気的に受動的な材料から成る積層構造体で形成）間に挟まれた磁心要素から成り、磁心よりやや大きい直径を有するため、円板部材だけがその外周面と共に、車輪が磁気的に係合する磁気吸引面と接触する。この結果、円板部材は、磁極延長片を表しており、これは、磁心要素に由来する磁束を集中し、この磁束に対する低磁気抵抗経路を提供し、このため磁極延長円板を有しない車輪の実施形態に比して各車輪ユニットと磁気吸引支持面との間の引力を改善する。

スロッカムの磁気車輪は、材料輸送システムの一部を形成する自己推進台車に組み込まれており、そこではこのような台車が天井、垂直壁及び傾斜壁を含む磁気吸引面に沿って走行できる。

米国特許第５８０９０９９号は、原子炉圧力容器検査用レーザ誘導水中壁面走行ロボットを開示しており、このロボットは、自己推進車両の上部構造を有し、車両が原子炉容器の強磁性内面に沿って走行するのに必要な引力を供給する磁気車輪を内蔵する。各車輪は、非磁性回転車軸で支持される環状永久磁石、磁気的に取り付けられる磁石より僅かに大きい直径を有し、環状磁石の軸方向両端面に取り付けられる２つの鋼板円板、すなわち上記スロッカム車輪同様、車輪ユニットの係合外周面と共に磁化された磁極延長片を提供する円板から成る。

米国特許第５８５３６５５号は、管や鋼板のような強磁性基材の自動溶接と切断に用いる磁気車輪付き台車を開示しており、磁気車輪は、磁石の直径より大きい直径を有する交互配置環状軟鋼円板（例えば５個）間に挟まれた複数（例えば３個）の軸方向磁化環状磁石から成る。積層円板は、ステンレス鋼板の軸ざやに搭載され、回転しないよう固定され、次に、軸ざやは、台車の車軸で受けられる。また、各車輪ユニットは、複数のＮ極とＳ極を有し、その磁界が強磁性基板まで延び、そこで車輪を基板面に固定する閉磁束路を車輪毎に形成する。

他の従来技術の特許文献も知られており、「基本的」磁気車輪が或る応用分野で示す特定の欠点に取り組む態様や手法を扱っている。

つまり、例えば米国特許第３６９０３９３号（ガイ）は、磁気吸引面が非常に大きい摩擦係数を有し、或る分野では有害であるという上記問題に取り組むことを目的としているようである。ガイは、車両推進のために一対の車輪組立体を固定活軸（又は牽引軸）に適当な歯車装置で結合した原動機（例えば電動機）搭載枠を有する車両について記述している。１つの実施形態では、非駆動車輪組立体の１つは、相互に結合されて円筒状ローラ車輪を形成する複数の軸方向磁化環状磁石円板から成り、その外（周）面は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のような非磁化性減摩剤の薄層で被覆され、車両枠が推進されるとき車輪組立体の引きずりを最小化する。

ガイは、また、電磁車輪組立体について記述しており、非磁性円筒殻が車輪の回転車軸に搭載された内部中心要素の回りの電磁コイルを取り囲んでいる。磁化可能な磁極円板は、殻部材の軸方向端に配置され、電気エネルギーは、磁極円板の１つに固定された摺動子接点を介して電磁コイルに供給できる。電磁コイルの通電に際しては、磁極円板は、逆極性に分極される。磁極円板の周縁は、車両が走行する予定の磁化可能な基板面との転がり接触のために、磁化可能でない低摩擦材料で被覆される。

対照的に、米国特許第２６９４１６４号（ゲッペルト）は、強磁性面上を自己推進する溶接・切断用トーチ台車と関連して使用される型の磁気車輪を開示している。磁気車輪ユニットは、軸方向に磁化された環状円筒永久磁石で受けられる非磁性材料の車軸ざや、環状突縁部が互いに向かって延び、軸方向長さの中間で磁石を囲む非磁性間隔子円板の反対側に密接に係合固定された２つの円筒状カップ形状の軟鋼材料の車輪部材から成る。磁石の軸方向端面は、それぞれカップ車輪部材の内面に隣接し、磁石から車輪の外周面への磁束伝達を可能とし、間隔子円板は２つの車輪の磁気的分断を保証する役目をし、これらは車輪の永久磁石で発生される磁界に従って逆極性をとる。ゲッペルトは、環状カップ突縁の壁厚が間隔子円板に向かって減少する（従来技術の一様なカップ突縁厚の形態に比して）と、磁気車輪とこれが取り付けられる基板との間に働く引力が増すと概要を述べている。

上記従来技術の磁気車輪の構成に照らし実際的な言い方をすると、特定の使用可能な負荷運搬能力又は保持要件に対応するために、１つの物体を他に取り付ける磁力の源としての磁石から車輪構造体を通して磁気吸引部分へ磁束を伝達するための方法と配置の工夫における技術的な課題が未だ残っている。

より限定された態様では、このような車両を強磁性基板に固定するために磁気エネルギーを用い、また磁束伝達機構が車両の基板面との磁気的結合及び分離に関してより大きな柔軟性を可能とする車両を提供することが望ましい。

より限定された他の態様では、強磁性物体を固定位置間で輸送することができ、このような輸送操作の終わりに物体を安全かつ容易に支持構造体から解放することができる磁気支持構造体を提供することが望ましい。

他の態様では、物体に機械加工又は他の操作を行うために物体の運動を自由にしながら物体を固定するために作動させる磁気的把持具を提供することが望ましい。

ここで用いられた用語「強磁性」は、単に金属と合金だけでなく、外部磁界を受けたときに磁化し、磁化力を受ける複合材料をも含むことを意図している。

本発明の他の態様は、その好適な実施形態に関する以下の説明から明らかとなる。

発明の概要
大まかに言うと、本発明は、（ａ）磁束源としての１以上の永久磁石、（ｂ）前記磁束源に関連する少なくとも２つの逆方向分極可能な磁極延長部分であって、該部分は、円板、車輪、ローラ又は外周面を有しそれぞれの回転軸の回りに回転可能に保持される同様形状のもの、及び（ｃ）前記磁極延長部分の外周面と磁気的に接近又は接触するとき前記磁束の外部磁路を提供するために前記磁極延長部分と協働するよう配置された強磁性の対抗部分、を有し、前記磁束源が回転可能な磁極延長部分に対して静止状態に保持される磁気回路にあると規定できる。

上記のもののように１つの物体の他の物体への取り付けに使用する「伝統的」磁気車輪回路とも言うべきものと比較すると、本発明は、能動的磁気源ないし部品（例えば、切換可能な永久磁石、又は通常の永久磁石）を円板状、ローラ状、又は車輪状の磁極延長片から物理的に切り離すものであり、磁極延長片はそれぞれの回転軸の回りに自由に回転するが、関連する磁束源は静止し、すなわち磁極延長片と共に回転することはない。

好ましくは、物理的な切り離しは、空間的に磁束源を回転可能な磁極延長片から分離すること、例えば、以下にも示すように、部品間に小さな空隙を維持することを伴う。この用語「小さな」は、特定の用途に依存し、例えば０．１ｍｍ（又はこれ未満）から数ミリメートルである。

上記従来の磁気車輪に対して、前記磁束源に関連する質量は、もはや車輪の回転を受けず、これにより車輪構造体自体の慣性モーメントを減少し、このような車輪質量減少がもたらす付随的な利点を伴う。車輪を磁束源から物理的に切り離すことは、また、磁束源自体の工夫ないし設計上の大きな柔軟性を可能とする。

米国特許第３６９０３９３号又は第６８８６６５１号に記載されているように磁気車輪ユニットの磁束源が電磁石である場合、本発明に従って磁束源を回転可能車輪から物理的に切り離すことは電磁コイルへの電力伝達に要する機構ないし配置を単純化するが、これは、後者が静止しているとし、他の場合に電気を磁極片を通して（又は他の場合に）回転電磁コイル電機子に伝達するのに必要なブラシや磁極シューの必要性がないという前提である。このように単純化した配置は、特許文献ＲＵ２０５５７４８号に開示されている。

使用する磁束源の種類に関係なく、磁束源から回転可能磁極延長部材への磁束伝達は、「作業用間隙」（空気、又は、場合によっては、磁束源ユニットと磁極車輪との間の空間に閉じこめられる他の流体）を介して行われ、ここで流体は、好ましくは低磁気抵抗路を提供するもの、すなわち空気より相対的に小さな磁気抵抗を有する磁化可能な流体である。

また、留意すべきは、各々が少なくとも１つのＮ−Ｓ磁極対から成る従来の磁気車輪とは対照的に、本発明では、各回転可能磁極延長部材が唯一の極性、すなわちＳ又はＮ極性の一方をとる実施形態又は装置が提供され、閉磁束路が１つの磁極延長部材から低磁気抵抗磁束路を提供する強磁性対抗部分を通じて他の磁極延長部材へ至る磁束伝達を網羅することである。換言すれば、このような２つの回転可能磁極延長部材は、閉磁束伝達回路のために必要であり、また十分である。

理解を容易にするために、以下では特に文脈上異なるものでない限り、用語「車輪」は、単一軟鋼円板、円筒ローラ、プーリ及び他の構造体であって、例えば一般的にはスポーク、面状薄板等の径方向結合構造体で結合された周縁部と中心部から成り、静止した（軸方向の）軸の回りに回転可能であり、周縁部の回転による並進運動又は回転運動のために車両又は加工対象物を支持する役目を果たすもののような、あらゆる種類の回転可能磁極延長部分を網羅するように用いる。

より具体的な態様では、本発明は、磁気吸引基板に磁気的に取り付け得る車両であって、少なくとも２つの車輪部材及び少なくとも１つの双極子磁石を支持する車両本体を含み、前記車輪部材は磁気的に受動的であるが分極可能な材料を含み、前記車輪部材と前記双極子磁石は、前記車輪部材が別途静止している前記双極子磁石の回転可能で逆方向分極可能な磁極延長要素を提供するように、空間的に前記車両本体上に位置しており、前記車輪部材が前記磁気吸引基板上にとどまることで前記双極子磁石、磁極片車輪部材及び基板にまたがる閉磁気回路を生成するものを提供する。

本発明の代替的な具体的態様では、磁気吸引基板を別途並進的又は回転的に変位可能に表面で磁気的に保持する支持構造体であって、それぞれの軸の回りで回転するように配置された少なくとも２つの車輪部材又はローラ部材が搭載された支持部分、及び前記車輪部材又はローラ部材とは分離した前記支持部分に搭載された少なくとも１つの双極子磁石を含み、前記車輪部材又はローラ部材は磁気的に受動的であるが分極可能な材料を含み、かつ、前記車輪部材又はローラ部材が別途静止している双極子磁石の回転可能で逆方向分極可能な磁極延長要素を提供するように、空間的に前記支持構造体上に位置しており、これによって強磁性基板を前記車輪部材又はローラ部材の外周面に面接触させて前記双極子磁石、磁極延長車輪部材又はローラ部材及び基板にまたがる閉磁気回路を生成するものが提供される。

要するに、第１の態様は、本発明に内在する広い概念の車両的な実現の提供、例えば、傾斜壁又は垂直壁に沿って運動可能な外部推進又は自己推進の車両の実施形態の提供に向けられているが、第２の態様は、鋼板のような強磁性物体を運搬経路に沿って配置された複数の磁化可能なローラ部材に沿って運搬するコンベヤ装置のように車輪部材又はローラ部材が支持部分と共に静止している用途、又は支持部分がそれ自体運搬されるか、若しくは他の器具、例えばロボットの腕に搭載され、これによって磁極車輪部材が強磁性物体や加工対象物に磁気的に係合ないし固定できるようにする用途を対象とすることを意図している。

また、当然のことながら、従来の永久磁石（すなわち常に外部磁界を示すもの）を磁極延長車輪の磁化源として用いることは可能であるが、本発明に内在する基本概念は、特に、米国特許第６７０７３６０号及び第７０１２４９５号に開示されているような、切換可能な永久磁石構造を用いる車両と他の実施形態の実現に向けられている。この切換可能な永久磁石ユニットは、電磁石と従来の永久磁石の利点を、電磁石を駆動する電力源の必要性と永久磁石の出力磁束の非可変性という各々の主要な欠点無しに組み合わせるものであり、すなわち切換可能な永久磁石は電力源を必要とせず、また強、弱（実用上０）及びこの両極端の中間の外部磁界を示すように切り替えることができるものである。詳細については上記米国特許を参照でき、その内容は、相互参照によってここに組み込まれる。

上記の切換可能な永久磁石ユニット及び電磁石のように可変磁束を供給できる磁石ユニットの使用により、本発明の重要な付加的態様が与えられるが、これは、磁気的引力の可変性によって強磁性加工対象物を回転磁極延長要素で選択的に係合する用途や機械の実施形態が可能となり、磁束源の活性化時に空間操作に対して磁気的に固定し、磁石の不活性化時に解放されることによる。

上記の広い発明概念の好適な実施形態に含まれる付加的な特徴と同様、本発明の付加的態様と応用分野に向かう前に、本発明に内在する基本概念の理解に役立つよう極めて概略化した図を示す添付図面１ａ、１ｂ及び１ｃを参照する。当然のことながら、以下の説明は、磁気回路に現れ観察される、部分的に比較的複雑な現象の近似、理想化及び単純化によっている。

まず図１ａを参照すると、ここでは磁気車輪ユニット１０と呼ばれるものが描かれており、これは２つの円板形状車輪１２、１４及び棒（筒）形状の双極子永久磁石１６から成っている。これらの部品は、以下に説明するように、本発明の多数の応用で構築、修正及び組み込みを行うことができる基本ユニットを表している。

磁石１６は保持力が高く、すなわちその軸方向端面１６ａ、１６ｂを通る空隙（主として）に高い磁束密度を誘導できる希土類磁石であり、上記概説のように軸方向端面に対する引っ張り力（磁気的引力）を発生する。

円板１２、１４は、円周境界面１３ａ及び２つの軸方向面１３ｂと１３ｃを持ち、全体に強磁性軟鉄で形成されている。

円板１２、１４は、それぞれ磁石１６の軸方向端面１６ａ、１６ｂの反対側に位置し、各円板が磁石１６のそれぞれのＮ極とＳ極２０、２２に対して逆極性の磁極延長部となるように、固定した小さな空隙（図１では不図示）を保つ。更に、円板１２、１４は、その回転を可能とするために共通回転軸１８の回りに不図示の車軸部材で支持され、すなわち円板は、別途双極子磁石１６との固定した空間関係を維持する自由回転磁極延長「車輪」片と呼ぶことができ、回転軸は双極子のＮ−Ｓ磁化軸に平行であるか、又は一致する。

磁石１６から円板１２、１４への磁束伝達は、円板の対向側１３ｂと磁石１６の磁極２０、２２との間の小空隙にまたがって起こる。間隙は、磁石１６と磁極片１２、１４の間の境界面における摩擦損失の最小化を意図しているが、円板１２、１４と磁石の軸方向端面間の物理的直接接触を提供して磁石と磁極円板１２、１４間の磁束伝達を向上する磁化可能なころ軸受で置き換えることができる。

強磁性基板、例えば鋼板２４の表面が磁気車輪ユニット１０の両磁極円板１２、１４の外周面と接触すると、閉磁気回路が形成され、ここで閉磁束ループは、磁石１６と磁極延長円板１４、１６の内部経路、及び磁極延長円板１４、１６と強磁性基板２４間のユニット１０の外部経路から成る。すなわち、外部磁界は、基板２４内に延びており、これは図１ａの２６で、また全閉ループ磁束経路は図１ｂの２７で概略的に示されている。

磁気車輪ユニット１０は、基板２４に引かれ、強く固定されるが、その円板１２、１４と鋼板２４の間の実際の物理的接触面積は、本質的に円板１２、１４の厚さ（すなわち幅）の和である線に限られている。円板車輪１２、１４の自由回転の性質により、車輪ユニット１０を基板２４に付着する磁気的引力に対して横方向に極く僅かな力を加えるだけで基板２４の表面上でユニット１０を並進移動することが可能となる。僅かな力という要件は、鋼基板上における鋼円板転動の比較的低い転がり抵抗係数に由来し、その大きさは、磁極車輪１２、１４が磁石１６に関して不動の状態に留まる場合とこの静止車輪の表面が別途滑る場合とにおける同じ材料対の組合わせの静止摩擦係数と動摩擦係数より小さい。

直感に反するかも知れないが、磁束源１６と回転可能磁極円板１２、１４との間の空隙の存在、及び磁極片円板１２、１４と基板２４との間の非常に僅かな接触面積にも関わらず、磁気車輪ユニット１０は、基板にしっかりと付着している。図１に示された原理を具体化した磁気車輪ユニットの原型は、希土類ＮｄＦｅＢ磁石である永久磁石磁束源で５０ｍｍ×４０ｍｍの「磁束源領域」（すなわち磁石の磁化軸に垂直な磁束源断面領域）を有して１．２テスラの磁束密度を供給でき、大きさが幅２５ｍｍ×直径９０ｍｍの２つの軟鉄円板（約２テスラの磁束密度飽和水準を有する）で永久磁石に対して約１ないし２ｍｍの空隙を保持し、３５ｍｍ厚の強磁性鋼板に付着することができ、１２００ニュートン超の「分離力」に等しい負荷を運搬することができる。

既述のように、基板２４と（回転可能な）磁極円板１２、１４との間の実際の物理的接触区域ないし領域は、極めて小さい（変形、すなわち負荷時の軟鉄円板の「平坦化」を無視できるとすると、理論的には線である）。

物理的接触領域の周辺には所謂「仮想磁極領域」が存在し、そこでは顕著な磁束伝達が空中で、すなわち（ａ）接触区域のいずれかの側における磁極円板の外周面から基板面へ、また（ｂ）接触区域近傍の円板両面と基板面から起こる、と指摘されてきた。この文脈では、そのような空隙が不所望の漏洩経路を表すことはなく、またこれと誤解されるべきものではなく、むしろ円板と基板の間の実効的磁気接触領域は拡大され、所謂仮想磁極は円板１２、１４から基板２４への磁束伝達（低密度値でも）の付加的な手段となり、これによりユニット１０を基板２４上に（又は逆に）固定するために利用可能な全引っ張り力を増す。この仮想磁極領域延長部は、図１ｂ及び図１ｃの３０ａ、３０ｂと３１ａと３１ｂで概略的に図示されており、上記例示のように、及ぼされる引力を高く保持して基板と磁気車輪ユニット１０の間の境界面で十分良質な閉磁気回路を維持することに実際貢献している。

図１ｃは、磁気力線モデルを、２テスラの磁束密度飽和値を有し逆極性に分極して磁性基板２４上で間隔を空けて空気中に保持されている２つの軟鋼による９０ｍｍ径×２５ｍｍ厚の磁極円板１２、１４での磁束密度測定値と共に示している。容易に分かるように、磁極車輪１２、１４と基板２４間の本質的に線状の接触区域２８のいずれかの側で、２テスラの磁束密度が急激に減少し（すなわち仮想磁極延長部が減少磁束密度を示している）、１０ｍｍの直線距離で磁束密度は物理的接触領域の値の約１５％まで、２０ｍｍの距離で約５％まで減少する。

磁石１６から基板２４への磁束伝達は、このように、（ａ）磁極円板に向かう間隙での磁束源（例えば切換可能な永久磁石装置又は電磁石における磁束供給部品）の境界面の形状と大きさ、（ｂ）受動的磁極延長円板１２、１４と磁束源１６間の空隙境界面での「磁気漏洩」、（ｃ）磁石１６が発生する所与の磁界強度で同じ磁束密度を「支える」（すなわち運搬し、供給する）ことができない円板の幾何学的及び形状的制約、（ｄ）円板１２、１４の強磁性材料が可能な所与の磁界強度で同じ磁束密度を支えることが出来ない仮想磁極の性質、及び（ｅ）任意の強磁性体が磁束源に引きつけられる磁気的な引っ張り力が数学的に源から供給される磁束密度の２乗で変化し、源と付着体の接触面積で線形に変化することを想起することによる磁束源と強磁性基板の間の全磁路長、によって影響され、制限される。

例えば、上記のものより相対的に大きな、例えば３倍の直径の磁極円板を用いる磁気車輪ユニット１０は、長い全磁路（円板直径の増加のため）を有し、そのため接触領域の磁化力は低くなり、仮想磁極領域は小さくなる（極端な場合には実質的に存在しなくなる）。

仮想磁極の実際の大きさ、形状及び幾何学的長さは固定されておらず、実際の作動条件と応用条件に応じて変わる。一般的に言えば、仮想磁極区域を大きくすると、円板と基板の境界面近傍で発生する磁束伝達が多くなる。したがって、考慮すべき重要なことは、磁化力損失を避ける、又は最小化する必要性である。

それ故、本発明の背景にある他の態様によると、磁極車輪は、（ａ）磁束源から回転可能磁極車輪への最適磁束伝達、（ｂ）磁極円板と基板面との間の物理的直接接触区域外でも最適磁束伝達を可能とするために比較的大きな面積の仮想磁極を提供すること、（ｃ）その間基板に対して十分な引力を維持するという各境界面での磁化力損失を実際上可能な限り避けるという重要な点、を満たすような形状と大きさを有する。

仮想磁極区域の厳密な定義の困難性に留意し、理想的な空隙漏洩が磁束源（すなわち永久磁石）と回転可能磁極車輪との間の自由磁束経路であるとすると、製作上可能な限り、車輪又はローラの磁極の直径断面領域の大きさを磁束源領域すなわち双極子磁石の磁極磁化軸に垂直な断面の大きさに合わせることが可能である。このような対策により、車輪又はローラの磁極延長部の幾何学的大きさが任意に又は磁束伝達に関する考慮なしに選ばれた場合に比して、円板の基板との作動境界面（すなわち空隙）において最適化された（すなわち高い）磁化力を生じる。

例えば、他の全てのパラメータが等しいとすると、環状周縁部で双極子磁石のそれぞれ関連する磁極の決定的部分を包囲し、車輪の内部円板面と双極子磁石の軸方向端面との間に小空隙を維持するカップ形状の車輪又はローラは、磁束伝達面積が双極子磁石の軸方向端面に対向する表面積だけに限定される単なる平板円板形状車輪よりも車輪との磁束伝達全面積を大きくする。カップ形状の車輪は、磁束源の一部を包囲するカップの環状周縁部が無い場合に「浮遊」磁束として失われる磁石放射磁束の大部分を「捕捉」し、このような付加的に捕捉された磁束により強磁性基板に対して「単なる円板形状」磁極延長部よりも高い磁気引力を発生するために使用できる、と言える。

カップ形状車輪又はローラの周縁部の実際の深さは、使用される磁束源、特に磁束供給装置の磁束「出力」部材、の性質に依存する。本質的には、カップの深さは、最大磁束伝達についての考慮（環状周縁部の深さが磁石のそれぞれの北極・南極の全長に延びて覆う場合が最適）と磁束伝達最適時の周縁配置で低くなる磁化力（すなわち磁気的引力）の所望値との妥協の表現である。実験で決定した環状周縁の磁束源被覆に対する相対的な大きさは、本発明の特定の実施形態に関連して以下に示す。

高保持力磁束源の磁化力保存のために、受動的強磁性材料の磁極延長車輪の体積を最小化することも望ましい。磁束伝達の最適化を追求する観点からのみ見ると、理論的に必要な体積の最大値は、磁束源の実効断面が分割された車輪の直径断面に等しい場合、任意の適用可能な圧縮・集中の係数によって与えられる（後者は、材料特有の磁束密度伝達能力及び磁束源密度出力によって決定される。例えば、磁束源が１．２テスラの磁束密度を供給でき、軟鋼で２テスラの磁束密度を誘導するに十分な磁化力を発生できる場合、圧縮係数は、約１．６である。）。実用的な最大値は、全磁路長及び磁束・車輪空隙損失のために、より低くなる。

ここで、上記の広い概念の様々な実施形態に内蔵される有利な付加的特徴を説明する。

従来の切換できない磁石又は好ましくは切換可能な磁石装置を磁束源として用いるとき、当然のことながら、磁気的能動材料は筐体に入れられるか、又は回転可能な磁極延長要素（すなわち車輪）に付加される他の静止磁極片と協働するように配置され、この場合、磁束は、能動材料から「発生」し、回転可能な磁極車輪に極く近接して対向するように配置される他の静止磁極片を通して「利用可能」とされる。また、磁極は能動磁性材料（すなわち磁束源）によって発生される磁界の「負荷」を表すので、静止磁極片の具体的な形状は、磁束伝達能力に影響し、最大利用可能磁化力に影響を及ぼす。

上記磁気車輪ユニット１０の好適実施形態では、上記米国特許第７０１２４９５号に開示された切換可能永久磁石装置が使用され、その様々な種類は、マグスイッチ・テクノロジー・ワールドワイド株式会社（オーストラリア）又はその子会社から入手できる。この磁束源ユニットでは、能動磁性材料は、２つの径方向逆極性双極子円筒で、２つの磁極片の筐体の円筒室内に積層されたものから構成され、磁石円板が相互に回転可能なように、これによって磁石円板のＮ極とＳ極のそれぞれの半円の部分が相互に軸方向整列状態と不整列状態を取り得るようにする。筐体の２つの強磁性（受動的）磁極片は、軸方向に延びる接触辺に沿って磁気的に分離ないし隔離されており、積層磁石円板のＮ極とＳ極のそれぞれが回転して完全に整列している場合、磁石円板のＮ極とＳ極を分離する直径は筐体の接触辺間に延び、これにより磁極片の一方を分極してＮ極磁極延長部と他のＳ極磁極延長部を提供する。

そして、このような切換可能双極子磁石ユニットは、図１ａの磁束源１６を構成し、回転可能磁極円板１２、１４への磁束伝達は、磁石円板から筐体磁極片を介して、筐体磁極片と筐体の２つの磁極片にそれぞれ近接対向する位置にある磁極車輪との間の空隙をまたいで起こる。磁極片筐体の壁厚及び外形は、磁束源ユニットが筐体周囲に一定の磁界又はほぼ一定の磁束を供給するように選定でき、ユニット筐体の回転可能磁極車輪に対する空間的方向は、所望のとおりに決定できる。切換可能永久磁石ユニットの具体的な選択は、マグスイッチ・テクノロジー・ワールドワイド社から利用可能な情報を参照し、負荷支持要件に応じて行うことが出来る。

上述のとおり、磁極車輪と磁束源ユニットの対向面を低摩擦材料で被覆することや境界面ユニットの磁極車輪に軟鋼ころ軸受を備えることが考えられる。しかし、実用的な実装では、空隙間の磁束に重大な悪影響を与えることなく可動部品と静止部品との間のごく僅かな空隙公差を維持することは技術的に可能である。結局、具体的な応用環境が空隙距離要件を決定する。

同様に、磁石の軸方向端面との変位を許容しつつ車軸の回りに自由回転できるように磁極車輪を搭載し、摩擦係合を選択的に導入できるようにし、これによって統合クラッチ・ブレーキを磁気車輪ユニット自体に実装できるようにする応用も考えられる。

既述のように、本発明の車両への静的な実装は、駆動又は従動の磁極車輪又はローラを内蔵する。車輪及びローラの外周面は、車輪が駆動輪であるか従動輪であるかに応じて、車輪・基板境界面の駆動力増大又は摩擦力減少のために摩擦係数を増大又は減少する被覆を必要に応じて有する。

被覆材料は、薄膜ゴムを含み、好ましくは強磁性粒子、薄片、粉末等を内蔵し、このゴム化被覆による摩擦係数増大を維持しながら磁束伝達損失を減少するためにこの被覆の比透磁率の値を増加する。車輪の接触面は、異なる「風合い」、例えば低駆動力用に滑らかであるか、又は高駆動力用に「噛みつき」を増加する輪郭を有することが出来る。また、被覆は、車輪又はローラ表面の全体的硬度を増加するための方法と物質の使用、例えば滑りやすさ増大（平滑表面）又は摩擦増大（織目加工表面）を達成するための窒化チタンを含むことが出来る。同様に、騒音減少用被覆を考えることもでき、この場合、車輪・ローラ外周面への異物付着防止のための塗膜は、鋼板取り扱い操作、遠隔制御の塗装、蝋付け及び溶接に用いられる車両の磁気車輪ユニットの使用、その他の応用のような「汚れた」応用分野で特に有用である。

上述の一般的な型の１以上の磁気車輪ユニットを内蔵する装置は、有利には、トルクを車輪又はローラ（磁極）部材の少なくとも１つに伝達するよう構成した原動機のような駆動手段を内蔵することができる。そして、車輪又はローラ部材で利用可能なトルクは、車輪と接触している物体に推進力を与える（例えば金属板を運搬する）ために、磁気車輪ユニットを内蔵する車両を自己推進するために、又は、伝達トルクが外力により回転させられる車輪の回転速度を減少するための「負の」トルクである場合、車輪と摩擦接触している物体を減速若しくは制動するために用いられる。

磁極延長車輪部材は、有利には、軟鋼又は他の強磁性の受動的材料で形成される。有利な車輪設計は、プラスチック材料又はゴム基質であって内部に磁束伝達目的で大量の強磁性材料粉末が分散されたものから成る複合材料から成る。磁極延長車輪の磁気的負荷時に留まる基板との境界面における変形性は、車輪部材と基板間で磁束伝達が直接起こる接触区域を拡大し、摩擦係合をも増大する。

当然のことながら、磁極片車輪又はローラの外周面は、平滑、織目加工、波形、又は他の種類の突起、例えば歯車の歯を有していてもよい。車輪表面特性の選択は、磁気車輪ユニットが作用する基板の相補的に調整された表面と協働するように行う。例えば、滑らかで、波形でない磁極車輪又はローラを有する１以上の基本的磁気車輪ユニットを内蔵する摩擦車変速機や可変比駆動装置においては、他の平滑表面物体を転がるときの固有の滑り機能は、滑りによりトルク伝達が減少するので、過負荷状態を最小化するために用いることができる。勿論、磁極車輪又はローラと基板との間のトルク伝達滑りが好ましくない場合、形状的にかみあう相補性磁極車輪又はローラと基板の表面を採用することができ、これは、例えば歯車の歯を有する表面である。

本発明の特に有用な実施形態は、基板面上で車両を自己推進する手段を含む車両への応用であり、これは、自己推進手段が地面又は壁面へのトルク伝達を行うために磁極車輪又はローラと協働するトルク伝達配置を含むか否か、推進ユニットがこのような車両、例えば独立牽引車輪駆動、に存在する磁気車輪ユニットから独立しているか否かに無関係である。

トルク伝達配置は、所与の応用分野に適するように工夫することができ、ベルト駆動、スプロケット駆動、チェーン駆動若しくはウォームギア駆動又はこれらの組合わせの内の１以上を含んでもよい。

トルク伝達配置の好ましい選択肢は、磁極車輪又はローラ部材の少なくとも１つの外周に係合することによりトルクを伝達するよう配置された１以上の摩擦ローラを含む。摩擦ローラは、独立機構を用いる車輪部材に対してバイアスをかけられ、選択的に係合状態となるが、有利には、摩擦ローラは、ローラにバイアスをかけ、磁力により車輪部材との接触を保持するよう動作可能に配置された強磁性材料を内蔵できる。

本発明の更に別の車両用自己推進装置実装では、磁極車輪又はローラ部材の回転運動を１方向だけに限定する、例えば車輪が時計方向又は反時計方向のいずれかに回転するが、両方向には回転しないようにする手段を提供することができる。この方策は、通常の車軸に存在する双方向自由回転特性を取り除くことにより、滑り状況での牽引効率を増す。

また、急勾配又は垂直の面に沿ってこれに磁気的に付着し続けながら登る推進（すなわちトルク伝達）車輪部材を有する１以上の磁気車輪（Magwheel）ユニットを用い車両の後退防止を目的とする機構又は器具を提供することが有利である。１つの実現法は、車輪部材と基板面の間の位置に選択的に移動可能なブレーキパッド又はブロックを接触領域の車輪・基板面の直後に置くことであり、これにより車輪の後退を防止する楔作用を提供する。

他の後退防止機構はシーソー的な停止枠で構成され、ここでは、実質的にｕ字形又はブラケット形の枠部材が両磁極車輪の共通車軸に回転可能に、しかし別途固定されて搭載され、枠の２つの平行な梃子腕は、車輪が磁気的に付着する基板面にそれぞれの端部が強制的に係合するように回転できる。梃子腕は、それ自体が折り曲げ棒部分、例えば角のある腕部の車軸との交点で軸支されるＬ字の折り曲げ腕で構成され、これによりレバー引っ張り配置を形成し、制動力は、車輪組立体自体により与えられる磁気引力の梃子係数（leveraged factor）である。

４以上の磁極車輪を内蔵する車両の実施形態では、切換可能な永久磁石装置は１つの車輪対に関連しているが、個々の切換可能磁石の選択的なオン・オフ（又は磁界強度出力の変化）を可能とする適当な機構の設備は、多数の利点を生じる。このような個々の車輪対の選択的な「磁気的活性化及び不活性化」は、基板からの車両離脱の操作を簡便にするだけではない。それは車両が階段状の障害物を乗り越えることや水平面と急傾斜面又は垂直面との間の遷移を可能とするが、これは、そのような経路変化位置に到達した前輪対が「消磁」され、磁気的に不動作となり、これによって最初の面から離れて上昇し、傾斜面に係合し、そこで「再磁化」され、車両の傾斜面への遷移を可能とするからである。後輪対は、それ故、これも経路不連続箇所に到達したときに切り替えられる。

本発明の車両応用分野は、船の船体、潜水艦の船体、パイプライン（内外）のような強磁性基板（すなわち構造体及び物体）に磁気的に付着し得る運動ロボットを含む。このようなロボットは、カメラ、構造体の欠陥の検知に用いられるあらゆる種類の検知器のような様々な器具を運搬し、又は他の作業、例えばパイプライン中での電線の輸送、パイプラインの清掃等を行う。例えば、水中移動中の潜水艦の船体を水中で光学的かつ構造的に検査するには、上述の一般的な型の磁気車輪（Magwheel）ユニットを適当な数だけ収容した流線型の体を有する遠隔制御ロボットが用いられ、ロボットが所望の検査経路に沿って推進される間中、船体にしっかり留まることができるようにする。

更に当業者には明らかなように、検知器システム、遠隔制御操作か、信号処理装置、原動機管理電子機器及び電源を用いる内蔵型制御操作かを問わない運動制御装置、並びに他の型の車両管理装置を車両の特定応用環境に応じて自己推進車両の車両支持構造体に装備する。

また、当業者であれば、本発明を具体化した車両の生成において異なる型の車軸システムや車台型を採用できることに気がつく。

本発明の更なる特徴と他の態様は、添付図面の参照と、本発明の多数の好適な実装及び実施形態に関する以下の記載からも分かる。しかしながら、留意すべきは、本発明は、さきに概説した応用分野に限定されるものではなく、また、異なる形式で実現できることである。

図面の簡単な記述
図１ａ、１ｂ及び１ｃは、本発明の背景にある基礎的概念をかなり単純化した概略図であり、
図２ａから２ｃまでは、異なる磁石配置で使用される回転磁極車輪装置の異なる配置の概略図であり、また図２ａは、回転磁極車輪からトルクを与える（又は受ける）ために用いる強磁性摩擦ローラを示しており、
図３ａから３ｃまでは、本発明を具体化した器具及び装置の概略図であり、
図４ａ、４ｂ及び４ｃは、図２ａのような磁気車輪において選ばれた磁束源に関して回転磁極片形状を最適化する方法を示す略図であり、かつ
図５は、利用可能な磁気吸引力を制動力に変換する磁気車輪ユニット制動装置の概略図である。

好適な実施形態の記述
図１ａ及び１ｂに示されている基本的な磁気車輪ユニットについては、既に上述した通りである。このようなユニットは、多数の異なる機械や器具に組み込むことができる。当然のことながら、能動磁気材料（すなわち永久磁石）又は他の磁束源（例えば電磁石）は専用の筐体内に納めることができ、このため、図１及び２の磁束ユニット１６の形状は、例示であって、このユニットの実際の形状を反映するものではない。

図２ａから２ｃまでを参照すると最もよく分かるように、磁束源として用いる双極子磁石の数と種類に応じ、異なる磁極車輪数と配置を有する磁気車輪が可能である。

図２ａは、先に図１ａに関して記載したように、１つの磁石１６と２つの回転磁極車輪１４、１６を用いる双車輪配置ユニット１０を示している。

図２ｂは、２対の磁極車輪１２’、１４’を有し、１対は両極磁石１６’のＮ極側であり、もう１つはＳ極側である配置、すなわち単一磁束源１６’を有する４輪磁気車輪ユニット１０’を示している。

図２ｃは、対照的に、２つの分離配置された磁束源１６”（磁束密度供給性能に関して同一でもよいが、その必要性はない。）を有する４輪磁気車輪ユニット１０”を示しており、各磁石１６”は、１つの磁極車輪対１２”、１４”と関連している。留意すべきは、２つの磁石１６”のＮ極とＳ極の間に延びる磁化軸は相互に逆向きであるが、このユニット１０”の実際の具体化ではそうする必要がないということである。

図２ａから２ｃまでのそれぞれの線１７、１７’及び１７”は、異なるユニット１０、１０’及び１０”の分極磁極車輪間にそれぞれ存在する基板２４（鋼板で代表される）に現れる外部磁束移動経路を、大略であるが比喩的には正しく示している。強磁性基板の透磁率が空気や水のような他流体の周囲環境より大きく、基板の特性が基板への磁束移動で磁束飽和を起こさないものであると仮定すると、磁極車輪と基板の間の接触領域（上記仮想磁極延長領域参照）並びに磁極車輪、基板及び磁束源装置から成る閉磁気回路の極く近傍の外では磁界は全く観測されない。

磁気車輪ユニット１０（又は１０’若しくは１０”）は、多様な用途の多数の器具や装置に埋め込み具体化できる。

まず図２ａに戻ると、同図は、ローラの軸方向長さに沿った回転３６の軸が磁極車輪対の回転１８の軸に平行に延びるよう位置づけされている強磁性ローラバー３５による、ユニット１０の磁極車輪１２、１４への、又はこれからの、トルク伝達を行うための１つの手法を示している。ローラバー３５は、滑らかな外周面を有し、任意の適当な機構（不図示）によって保持され、両車輪１２、１４の滑らかな外周面１３ａ上に摩擦接触するか、又はその外面が摩擦接触状態に入ったりこの状態を脱したりできるようにする。そして、この基本構造は、肯定的に駆動目的で、又は否定的に物体制動目的で、トルク伝達を実行するために採用される。例えばローラと電動機の出力軸との結合により、例えばローラバー３５が矢印３７のように回転すると、車輪１２、１４に矢印３８のような逆方向回転を与え、その結果、今度は静止状態に保持されている基板に対してユニット１０全体を矢印３９のように並進移動させるか、又はユニット１０が他の方法で固定され動かない場合には他の方法で固定されていない基板２４を矢印４０のように３９と逆方向に移動させる。

適度な大きさの強磁性ローラバー３５を用いると、利用可能な磁束の大部分をユニット１０の基板２４への固定に利用しながら、ユニット１０の磁束源１６による磁気エネルギーの一部をローラ３５の車輪部材１２、１４との摩擦的かつ磁気的接触維持のために「利用」することが可能である。そして、これも当然のことながら、磁束源１６が切換可能な永久磁石又は電磁石の場合、可変トルク伝達は、車輪磁極部材１２、１４を通りローラ３５（及び基板）に伝達される磁束量と、車輪１２、１４及びローラ３５の隣接面間にそのとき存在する摩擦係数とに依存して行われる。図２ａに示された構造は、固有のトルク滑り機能を提供しており、さもなければ過負荷となるような状態でユニット１０と基板２４間のトルク伝達を減少できる。

磁気車輪ユニットのより具体的な応用分野には頭上金属板コンベヤのような種々の形態のローラコンベヤシステムがあり、図３ａにその１つの概略が示されている。図２ａを参照して説明した概念（但し異なるトルク伝達構造）を具体化した複数の２輪磁気車輪ユニット１００ａないし１００ｇは、レール１５０で規定される延長又は移動の経路に沿って相互に所定間隔で天井レール１５０から吊り下げられる。各ユニット１００ａないし１００ｇは、適当なゴンドラ風筐体に収容された１対の磁極車輪を含み、この筐体は個々の車輪対に磁束を供給する切換可能磁石を受け入れている。ユニットの磁極車輪を選択的に回転させるために適当な原動機が用いられる。鋼板１４０は、ユニット１００ａないし１００ｇに順次取り付けられて磁気的に保持され、移動経路Ａに沿って運ばれる。代替的に、図２ｂ又は２ｃに示すようにユニット１００ａないし１００ｇは４輪ユニットでもよく、この場合、１つの車輪対は駆動され、１つの対は磁性遊動磁極車輪となる。更に他の代替案では、案内レール１５０をユニット１００ａないし１００ｇが固定されたチェーンベルトや同様のコンベヤラインで置き換えてもよく、このとき移動力がチェーンベルト自体で与えられれば、ユニット１００ａないし１００ｇは、全て遊動磁極車輪とできる。

図３ｂは応用を図示しており、図２ｃに図示された概念を具体化した４輪磁気車輪ユニット２００は、噴霧器２６０で外面が粉体塗装された筒状強磁性加工対象物２２４を解放可能に固定する磁気的万力として働く。磁極車輪２１２、２１４、２１２’（及び図示されていないが対応する第４の車輪部材）は、箱状の支持体２３２に、またその内部に搭載された車軸ボルト２１３及び２１３’の回りに回転するようにそれぞれ固定されている。磁極車輪対２１２、２１４（２１２’）にそれぞれ関連した２つの磁石（不図示）は、支持体２３２内に搭載され、各々の切換可能な磁石のＮＳ磁極軸は、それぞれ関連する磁極車輪対の回転軸ｂ及びｂ’に軸が一致する。参照番号２５０は、磁気的万力ユニット２００を支持構造体に固定する支持部材を表記するためのものであり、この構造体自体は、万力ユニットを所望の空間に向けられるよう多関節腕とすることができる。

ユニット２００の１以上の磁極車輪を駆動するために原動機ユニットを内蔵することも可能であるが、図示した実施形態は、加工対象物２４０を、長さ方向軸の回りに矢印２５２で指示される回転を可能としながら、単純に空間中でしっかりと磁気的に保持する役目を果たしている。

この同じ装置２００を端と端が隣接した関係にある２つの筒状の管の磁気的固定に用いることができ、これによって管部分の突き合わせ溶接のような他の作業を実行することが可能となる

。
図３ｃは、概略透視図で磁気トロリー（車両）３００の自己推進プロトタイプを示しており、これは本質的に、２つの同一で独立して手動で切換可能な永久磁石ユニット３１６で一般的には米国特許第７０１２４９５号に記載された基本型のもの、２つのカップ形状の磁極車輪対３１２、３１４で磁束源３１６にそれぞれ関連するもの、電動機３２０の形式の原動機、不図示の電動機用電源、例えば蓄電池パック、電動機３２０から４つの全ての磁極車輪３１２、３１４へトルクを伝達するための駆動系配置３１８、無線遠隔制御車両又は車載コンピュータ制御車両のいずれかに採用されるような車載車両制御システム３２２、及び全ての前記構成要素を搭載するための靴箱状車両本体３２４から成る。個々の磁極車輪３１２、３１４は、図４ａ及び４ｂに詳細に示されているように円筒状カップ形状であり、車両本体３２４の側壁に固定された個々の車軸要素３２６に軸支されて（journaled）いる。駆動系配置３１８は、本体３２４に支持された従動歯車車軸に運動学的に全４車輪３１２、３１４を結合するベルトとプーリのシステムを含んでおり、その歯車は電動機３２０の出力軸に結合された螺旋ねじ軸にかみ合う。参照番号３２８及び３２９は、強力な外部磁界が放射されて存在する活性位置と、磁石３１６が止められ外部磁界が存在しない不活性位置の各々の間で磁石３１６を切り替えるために用いる梃子の腕を表記する役目を果たしている。

関連する磁極車輪対３１２、３１４を有する個々の磁気源ユニット３１６の単純化した等角図と、図４ａの矢印ＩＶｂ及びＩＶｃに沿った平面図と正面図とを示す図４ａないし４ｃを参照すれば最もよく理解できるが、磁束源ユニット３１６は、各々関連する磁極車輪対３１２、３１４間の固定位置で車両本体３２４にそれぞれ固定され、各磁石ユニット３１６（活性状態）のＮ−Ｓ磁気軸が車軸３１８と同軸に延びるように位置している。各ユニット３１６は、２つのそれぞれの軸方向端部を車輪３１２、３１４の環状縁部３３０内である円筒状の空所３２８に入れ、車輪３１２、３１４の末端の円板部３３２に対向する位置関係で延びている。ごく僅かな空隙３３４が２つの回転可能な磁極車輪３３６、３３８の間に形成されており、これはユニット３１６の能動であるが切換可能な永久磁束源を提供している２つの径方向分極永久磁石円柱３４０、３４２を収容するユニット３１６の筐体を形成する（上記事項と米国特許第７０１２４９５号を対比）。

図３ｃ（図４ａのユニット使用）によるプロトタイプ車両は、外径９０ｍｍ、周壁厚２５ｍｍ、円板部厚２５ｍｍの４個のカップ形状磁極車輪で構成され（これにより１３７５ｍｍ^２の磁束伝達断面積を形成。図４ａの３４４参照。）、約２テスラの磁束飽和限界を有する軟鉄で形成された。カップの外周面は、被膜がなく、肉眼で見られるように、滑らかな仕上げ加工がされた。

磁束源ユニットは、各々、マグスイッチ・テクノロジー・ワールドワイド社の型番Ｍ５０４０で、磁束伝達に用いられる適当な受動静止磁極面において１．２テスラを供給（無負荷回路条件で）することができる切換可能な永久磁石ユニットから成り、能動磁性材料（すなわち２つの円柱積層磁石）の磁束面積は、全体で２０００ｍｍ^２（図４ａの３４６参照）となる。

（利用可能な）磁束源すなわちＭ５０４０の選択は、「入」状態で発生される磁界形状を前提とすると、不均一な磁界分布を有する幅広磁極の磁石に類似し、また、カップ形状車輪の空間的配置と共に、最適な磁束伝達と磁界力発生引力を達成するために車輪の縁壁が持つべき大きさ（車輪部材の軸方向の）に影響する。車輪磁極部材は利用可能な磁力に関して負荷となるので、縁部の深さは、Ｎ−Ｓ磁極直径分離線に垂直に走る線に沿って測定した磁界強度が磁界最大値の約０．７となる位置までＭ５０４０磁石を覆う（囲む）ように選ばれ、図４ｃを参照すると、選ばれた配置では約１２．５ｍｍである。

車両の総重量は、全駆動系及び制御要素、車両本体並びに搭載される溶接器具を含めると、約１２ｋｇ（磁束源３１６及びカップ状車輪磁極３１２、３１４から成る単一磁気車輪ユニットの重量は約３ｋｇ）を記録した。

車両３００で行った負荷運搬実験では、水平清浄鋼板への磁気的付着の間に垂直に車両から離れるのに要する分離力は約２４００Ｎに上り、車両は清浄鋼板基板上で約４００Ｎの牽引力を発生できることが分かった。

切換可能磁束ユニット３１６の能動磁性材料と基板との間の磁束伝達効率は、約５０％と決定された。

行われた実験では、上記４輪自己推進トロリーは垂直方向に傾斜した鋼板に沿って自己重量に等しい付加的荷重を安全に運搬できることが示唆されている。

そして、当然のことながら、このようなトロリーは、傾斜した、垂直の、又は吊り下げられさえする強磁性面に沿って安全に運ばれ得るあらゆる種類の機器や器具を搭載するために用いることができ、又は、強磁性構造体に変位可能に安全に取り付けることを要する他の構造体に内蔵してもよい。

例えば、例示した切換可能磁気車輪ユニットは、上から吊り下げられ、垂直方向に傾斜した強磁性面、例えば船体で保守又は他の作業を行うあらゆる種類の作業台に内蔵することができ、台の上方及び下方への動きを妨げることなく台を安全に磁気的に船体へ取り付ける手段を提供する。

最後に図５を参照すると、これは図４ａないし４ｃを参照して例示し説明したものと同様の型で、上記と同様の大きさを有する磁気車輪ユニット５１０を内蔵する磁気車輪クライム−クローラ（climb-crawler）５００を概略的に示しており、付加的に、ユニット５１０が移動用に取り付けられている基板との係合時とその解除時に選択的に回転され得る動作停止枠５２０を内蔵する。枠５２０は、２つの平行な腕５２２と５２４を有する実質的にｕ字形ないし取り付け具であり、その長さ方向に沿った湾曲部５２５と、腕５２２、５２４の自由終端５２１及び５２３の反対側端部にある把持腕５２６とを内蔵する。

枠５２０は、双方の磁極車輪５１２、５１４の共通軸５２８に、別途固定されるが、回転可能に搭載されており、枠の２つの平行な梃子の腕は、磁極延長車輪５１２、５１４が磁気的に取り付けられる基板面５３０にそれぞれの終端５１２及び５２３が強制的に係合するように回転できる。

梃子の腕の形状、特に腕５２２及び５２４の自由端と５２８の枢着部との間の長さＬ２と、５２８の枢着部と枠５２０を回転させるために力５３２が加えられる横棒部５２９の間の長さＬ１との比は、腕５２２、５２４の自由端が基板と接触する点に加えられる力５３３と、車輪５１２、５１４と基板の間に加えられる磁気吸引力により与えられる反作用の力５３４との梃子比を決定する。

装置５００の原理は、垂直の強磁性体壁を登ることを目的とする装置に用いることができ、この場合、車輪と基板との間の摩擦係数が低いための後方への滑りは、正の牽引力を確保することが不十分であることによる。当然のことながら、ユニットの関連する運動パターンと停止装置の前方又は後方磁極車輪の係合位置とは停止装置の機能性を決定するので、前方への滑りに対向するために停止装置を用いることもできる。

図１ａ、１ｂ及び１ｃは、本発明の背景にある基礎的概念をかなり単純化した概略図である。 図２ａから２ｃまでは、異なる磁石配置で使用される回転磁極車輪装置の異なる配置の概略図であり、また図２ａは、回転磁極車輪からトルクを与える（又は受ける）ために用いる強磁性摩擦ローラを示している。 図３ａから３ｃまでは、本発明を具体化した器具及び装置の概略図である。 図４ａ、４ｂ及び４ｃは、図２ａのような磁気車輪において選ばれた磁束源に関して回転磁極片形状を最適化する方法を示す略図である。 図５は、利用可能な磁気吸引力を制動力に変換する磁気車輪ユニット制動装置の概略図である。

Claims (19)

1. 磁気回路装置であって、
   （ａ）強の値および弱の値（実用上０の値を含む）の外部磁界を切り換えることができる切換可能な磁石デバイスを有する磁束源と、
   （ｂ）磁束源に磁気的に関連し、逆極性を有し得る少なくとも２つの磁極延長部分であって、円板、車輪、ローラ又は外周面を有する同様の形状を有する回転可能な磁極延長部分と、
   （ｃ）磁極延長部分をそれぞれの回転軸の回りに回転可能に保持し、磁束源を２つの磁極延長部分の間で、これらと物理的に接触させることなく、静止した状態で固定する支持構造体と、
   （ｄ）回転可能な磁極延長部分の周面と磁気的に接触して外部磁束経路を構成するために、磁極延長部分と協働するよう配置された強磁性特性を有する対抗部分とを備えた、磁気回路装置。
2. 磁気吸引基板に磁気的に取り付け得る車両であって、
   車両本体と、
   少なくとも２つの回転可能な車輪部材と、
   Ｎ極とＳ極を有する少なくとも１つの切換可能な永久磁石デバイスとを備え、
   車輪部材は磁気的に受動的であるが分極可能な材料を含み、
   切換可能な永久磁石デバイスが２つの回転可能な車輪部材の間で静止した状態で固定され、かつ回転可能な車輪部材がＮ極とＳ極の逆極性を有し得る磁極延長要素として機能するように、車輪部材および切換可能な永久磁石デバイスが空間的に車両本体上に配置され、
   車輪部材が磁気吸引基板上に載置されるとき、切換可能な永久磁石デバイス、磁極延長要素である車輪部材、および磁気吸引基板を通る閉磁気回路が生成される、車両。
3. 磁気吸引基板を着脱可能に磁気的に保持する支持器具であって、
   支持構造体と、
   支持構造体上の回転軸の回りで回転するように支持された少なくとも２つの車輪部材またはローラ部材と、
   ２つの車輪部材またはローラ部材の間であって、これらとは離間して静止した状態で支持構造体に固定された、Ｎ極とＳ極を有する少なくとも１つの切換可能な永久磁石デバイスとを備え、
   車輪部材またはローラ部材は、磁気的に受動的であるが分極可能な材料を含み、かつ、静止した切換可能な永久磁石デバイスのＮ極とＳ極の逆極性を有し得る磁極延長要素を構成するように空間的に車両本体上に配置され、
   車輪部材の外周面を磁気吸引基板に面接触させるとき、永久磁石デバイス、車輪部材もしくはローラ部材、および磁気吸引基板を通る閉磁気回路が生成される、支持器具。
4. 前記少なくとも１つの切換可能な永久磁石デバイスを車輪又はローラの磁極延長部材と空隙を保つように支持する、それぞれ請求項２又は３記載の車両又は支持器具。
5. 更にトルクを少なくとも１つの車輪部材又はローラ部材に伝達するために配置された駆動手段を含む、それぞれ請求項２又は３記載の車両又は器具。
6. 更に車両を基板上で自己推進するための手段を含む、請求項２記載の車両。
7. 前記自己推進手段がトルクを車載原動機から少なくとも１つの車輪部材へ伝達する配置を含む、請求項６記載の車両。
8. 前記駆動手段がベルト駆動、スプロケット駆動、チェーン駆動若しくはウォーム歯車駆動又はこれらの組合わせを含む、請求項５記載の車両又は器具。
9. 前記駆動手段が少なくとも１つの車輪部材の外周との係合によりトルクを送受するために配置された１以上の摩擦ローラを含む、請求項８記載の車両又は器具。
10. 前記摩擦ローラが磁力によりローラを付勢し車輪部材との接触を保つよう動作可能に配置された強磁性材料を内蔵している、請求項９記載の車両又は器具。
11. 前記駆動手段が歯車箱又は歯車配置を含む、請求項８記載の車両又は器具。
12. １つの双極子の切換可能な永久磁石デバイスが車輪部材対又はローラ部材対毎に設けられている、それぞれ請求項２又は３記載の車両又は器具。
13. 前記双極子磁石が、完全オン又は活性状態での最大磁束密度出力と完全オフ又は不活性化状態での最小の実用上無視可能な磁束密度出力との間で変化できる外部磁界を発生するよう配置された切換可能な永久磁石装置である、請求項１２記載の車両又は器具。
14. 前記切換可能な永久磁石装置が、完全オン状態と完全オフ状態との間で変更選択するためのトグルスイッチ、及び完全オンの値と完全オフの値の間で磁束出力を設定固定するための増分スイッチの１つを内蔵する、請求項１３記載の車両又は器具。
15. 前記車輪部材又はローラ部材が断面カップ形状で、双極子の切換可能な永久磁石デバイスの磁極の１つがカップ形状車輪又はローラ内に延びている、請求項１２記載の車両又は器具。
16. 対として配置された前記車輪又はローラを少なくとも４個有し、１つの前記切換可能永久磁石装置が各々の前記車輪部材対又はローラ部材対毎に存在し、更に２つの切換可能永久磁石装置を独立して又は共同して離散的に切り替えるための装置を含む、請求項１３又は１４記載の車両又は器具。
17. 回転可能磁極延長本体が、車輪形状であり、
    （ｉ）磁束源から回転可能磁極車輪への磁束伝達損失を最小化し、
    （ii）相対的に大きな面積の実質磁極を提供し、これにより磁極延長車輪と基板面との間の物理的直接接触区域外の磁束伝達を最大化し、かつ
    （iii）基板に対する磁気引力を所定の値に保つような、断面形状と大きさを有する、請求項１記載の磁気回路。
18. 磁極延長車輪が円筒状カップ形状本体であり、環状突縁部を有し、磁束源の磁界強度の関数である軸方向長さを有する、請求項１７記載の磁気回路。
19. カップ形状磁極延長車輪は、磁束源が最大磁界強度の約７０％を示す程度まで磁束源を覆うのに十分な軸方向長さを有している、請求項１８記載の磁気回路。

Images