KR20200014419A

KR20200014419A - 전자석 전환 가능 영구 자석 디바이스

Info

Publication number: KR20200014419A
Application number: KR1020207000546A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 에이치. 모턴; 마이클 씨. 블랜차드; 토마스 알. 휘트; 마이클 에이치. 리드
Original assignee: 마그스위치 테크놀러지 월드 와이드 피티와이 리미티드
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2020-02-10
Also published as: CN115331911A; JP2023052892A; JP7303753B2; MX2019014709A; US20210296039A1; EP3635758A4; MX2023003911A; US11031166B2; EP3635758A1; KR102313077B1; WO2018227140A1; JP7495536B2; JP2020523792A; US20200185137A1; CN110998760A; CA3066394A1; US11837402B2; WO2018227140A9; CN110998760B; US11651883B2

Abstract

전환 가능한 영구 자석 유니트를 개시한다. 상기 유니트는 하우징, 제 1 및 제 2 영구 자석, 및 도전 코일을 포함한다. 제 1 자석은 하우징 내에 장착되며, 제 2 자석은 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에서 회전 가능하고 제 1 자석과 적층 관계로 하우징 내에 장착된다. 유니트는 제 2 자석이 제 1 위치에 있을 때 작업물 접촉 계면에서의 제 1 레벨 자속(magnetic flux) 및 제 2 자석이 제 2 위치에 있을 때 작업물 접촉 계면에서의 제 1 레벨을 초과하는 제 2 레벨 자속(magnetic flux)을 생성한다. 도전 코일은 제 2 자석 둘레에 배치되고 자기장을 생성한다. 도전 코일의 자기장의 일 성분은 제 2 자석이 제 1 위치에 있을 때 제 2 자석의 N-S 극 쌍을 따라 S로부터 N으로 지향된다.

Description

전자석 전환 가능 영구 자석 디바이스

[관련 출원]

본 출원은 "ELECTROMAGNETIC-SWITCHABLE PERMANENT MAGNET DEVICE"라는 명칭으로 2017년 6월 8일 출원된 미국 가출원 특허 제62/517,057호의 이득을 주장하며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

[기술분야]

본 개시는 자석 디바이스(magnetic device)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 개시는 자기적으로 흡인하는(attractive) "온(on)" 상태와 비흡인하는 "오프(off)" 상태 사이에서 전환할 수 있는 전환 가능한 자석 디바이스에 관한 것이다.

전환 가능한 자석 디바이스를 사용하여 자석 디바이스를 하나 이상의 강자성 작업물에 자기적으로 결합시킬 수 있다. 전환 가능한 자석 디바이스는 자기장을 생성하고 단락(shunt)시키기 위해 하나 이상의 고정 자석에 대해서 상대적으로 회전 가능한 하나 이상의 자석을 포함할 수 있다. 전환 가능한 자석 디바이스는 수많은 응용 분야 중에서도, 예를 들어 물체 부양 작업, 소재 취급, 소재 파지, 물체를 다른 물체에 자기적으로 물리게 하거나 결합하기 위해서 "온" 상태와 "오프" 상태 사이에서 자석 디바이스를 전환함으로써 강자성 물체(작업물)에 탈착 가능하게 부착될 수 있다.

본 개시의 예시적인 실시예에 있어서, 강자성 작업물에 자기적으로 결합하기 위한 전환 가능한 영구 자석 유니트가 제공된다. 자석 유니트는 하우징; 상기 하우징 내에 장착되고 능동 N-S 극 쌍을 갖는 제 1 영구 자석; 상기 하우징 내에서 상기 제 1 영구 자석과 적층 관계로 회전 가능하게 장착되고 능동 N-S 극 쌍을 갖는 제 2 영구 자석 -- 상기 제 2 영구 자석은 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에서 회전 가능하며, 상기 전환 가능 영구 자석 유니트는 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 전환 가능 영구 자석 유니트의 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 1 레벨의 자속 및 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 2 레벨의 자속을 가지며, 상기 제 2 레벨은 상기 제 1 레벨을 초과함; 및 적어도 하나의 적어도 하나의 도전 코일 -- 상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치되고 상기 적어도 하나의 도전 코일을 통해서 전달되는 전류에 반응하여 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 도전 코일의 자기장의 일 성분은 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 제 2 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍을 따라서 S로부터 N으로 지향됨;을 포함한다.

그 일 실시예에 있어서, 전환 가능한 영구 자석 유니트는 제 2 영구 자석을 제 2 위치에 유지하기 위한 수단을 더 포함한다.

그 변형 실시예에 있어서, 전환 가능한 영구 자석 유니트는 제 2 영구 자석을 제 2 위치에 유지하도록 구성된 회전 리미터(rotation limiter)를 포함한다.

그 다른 변형 실시예에 있어서, 적어도 하나의 도전 코일은 제 1 영구 자석 및 제 2 영구 자석 둘레에 배치된다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 도전 코일은 하우징의 외측면 둘레에 배치된다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 도전 코일은 하우징 내에 및 제 2 영구 자석의 외측면 둘레에 배치된다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 제 1 영구 자석의 능동 N-S 극 쌍(active N-S pole pair)은 둘 이상의 능동 N-S 극 쌍을 포함하고 제 2 영구 자석의 능동 N-S 극 쌍은 둘 이상의 능동 N-S 극 쌍을 포함한다.

그 다른 실시예에 있어서, 전환 가능한 영구 자석 유니트는 도전 코일에 전류를 공급하여 도전 코일의 자기장을 생성하도록 구성되는 전원 공급 장치를 포함한다.

그 또 다른 실시예에 있어서, 제 2 영구 자석의N-S 극 쌍(pole pair)의 N-S 극 쌍을 따라 S로부터 N으로 지향되는 성분은 도전 코일의 자기장의 전부를 포함한다.

이의 또 다른 실시예에 있어서, 하우징은 두 부분으로 형성된 하우징이다.

이의 다른 실시예에 있어서, 하우징은 단일 부부으로 형성된 하우징이다.

본 개시의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법이 제공된다. 전환 가능한 영구 자석 유니트는 전환 가능한 영구 자석 유니트의 작업물 접촉 계면에서 강자성 작업물에 자기적으로 결합하도록 구성된다. 상기 방법은, 제 1 영구 자석을 하우징 내에 장착하는 단계 -- 상기 제 1 영구 자석은 능동 N-S 극 쌍을 가짐; 상기 하우징 내에서 상기 제 1 영구 자석과 적층 관계로 제 2 영구 자석을 장착하는 단계 -- 상기 제 2 영구 자석은 능동 N-S 극 쌍을 가지며, 상기 제 2 영구 자석은 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 상기 제 1 영구 자석에 대해서 상대적으로 회전 가능하며, 상기 전환 가능한 영구 자석 유니트는 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 1 레벨의 자속 및 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 2 레벨의 자속을 가지며, 상기 제 2 레벨은 상기 제 1 레벨을 초과함; 및 적어도 하나의 도전 코일을 상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치하는 단계 -- 상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 도전 코일을 통해서 전달되는 전류에 반응하여 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 자기장의 일 성분은 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 제 2 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍을 따라서 S로부터 N으로 지향됨;를 포함한다.

그 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 도전 코일은 하우징의 외측면 둘레에 배치된다.

그 변형 실시예에 있어서, 적어도 하나의 도전 코일은 하우징 내에 및 제 2 영구 자석의 외측면 둘레에 배치된다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 적어도 하나의 도전 코일은 제 1 영구 자석 및 제 2 영구 자석 둘레에 배치된다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 본 발명의 방법은 제 2 영구 자석을 제 2 위치에 유지하도록 구성되는 수단을 포함하는 단계를 더 포함한다.

그 변형 실시예에 있어서, 본 발명의 방법은 제 1 영구 자석에 대해서 설정된 회전 범위 내로 제 2 영구 자석의 회전을 제한하도록 구성된 회전 리미터(rotation limiter)를 포함하는 단계를 더 포함한다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 상기 제 1 영구 자석 및 상기 제 2 영구 자석 중 적어도 하나는 복수의 영구 자석을 포함한다.

그 또 다른 변형 실시예에 있어서, 본 발명의 방법은 도전 코일에 전원 공급 장치를 결합하는 단계를 더 포함하며, 전원 공급 장치는 도전 코일의 자기장을 유도하기 위해서 도전 코일에 전류를 공급하도록 구성된다.

그 다른 실시예에 있어서, 하우징은 두 부분으로 형성된 하우징이다.

그 또 다른 실시예에 있어서, 하우징은 단일 부분으로 형성된 하우징이다.

본 발명의 다른 측면과 선택적인 및/또는 바람직한 특징은 이하에서 첨부 도면을 참조하여 제공되는 하기 바람직한 실시예의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1 은, 본 개시의 실시예에 따른, 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 개략적인 분해도이다.
도 2는, 본 개시의 실시예에 따른, 조립된 상태의 도 1의 디바이스의 등각 투상도이다.
도 3a는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 1 및 도 2에 나타낸 디바이스 및 이 디바이스가 "오프" 위치에 있을 때 생성된 자기 회로의 정면 단면도이다.
도 3b는, 도 3b에 나타낸 디바이스 및 이 디바이스가 "오프" 위치에 있을 때 상측 자석에 의해서 생성된 B 자장을 포함하고 있는 디바이스의 평면도이다.
도 3c는, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 디바이스 및 이 디바이스가 "오프" 위치에 있을 때의 상측 자석을 포함하는 디바이스의 부분 평면 단면도이다.
도 4a-도 4e 내지 도 8a-도 8e는, 본 개시의 실시예에 따른, "오프" 위치로부터 "온" 위치로 순차적으로 전환되는 도 1 및 도 2에 나타낸 디바이스의 평면도이다.
도 9a는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 1 및 도 2에 나타낸 디바이스 및 이 디바이스가 "온" 위치에 있을 때 생성된 자기 회로의 정면 단면도이다.
도 9b 및 도 9c는, 본 개시의 실시예에 따른, 도 1 및 도 2에 나타낸 디바이스 및 이 디바이스가 "온" 위치에 있을 때 상측 자석에 의해서 생성된 B 자장의 평면도이다.
도 10a는, 본 개시의 실시예에 따른, 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 다른 실시예의 측면도이다.
도 10b는, 도 10a에 나타낸 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 측면도로, 캡 구조와 솔레노이드 코일 본체가 이 디바이스로부터 제거된 상태를 나타낸 도면이다.
도 10c는, 도 10a 및 도 10b에 나타낸 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 측단면도이다.
도 11은, 본 개시의 각 실시예에 따른, 전환 가능한 자석 디바이스를 포함하는 로봇 시스템을 도시한다.
개시된 본 발명의 청구 대상이 다양한 변형 및 대체 형태로 구현될 수 있지만, 구체적인 실시예는 도면에서의 예시에 의해서 나타내어지며 또한 이하에서 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 이하에 설명된 구체적인 실시예의 개시에만 제한되지는 않는다. 반면에, 본 개시는 첨부한 청구 범위에 의해서 한정되는 바와 같이 본 개시의 범위 내에 들어가는 모든 변형, 균등, 및 대체를 포함하도록 의도되었다.

본 발명의 설명 및 명세서에서 단순히 사용된 "수직으로", "수평으로", "상부", "하부", "상측", "하측", "측면으로", "측방으로", "폭 방향으로" 등과 같은 용어 및 형용사는 도면의 이해 및 서로에 대한 각 요소들의 관계를 이해하기 쉽도록 하기 위해서 참조 부호가 제공됨을 알아야 한다.

전환 가능한 자석 디바이스는 수동 구동, 공압 또는 유압 구동 및/또는 전기 구동을 사용하여 작동될 수 있다. 수동 구동은 핸들이나 수동 액추에이터에 의해서 하나 이상의 자석 또는 자석 유니트를 하나 이상의 고정 자석 또는 자석 유니트에 대해서 선형적인 방식으로 직접 회전 또는 이동시키는 것이다. 본 명세서에서 제공된 각 실시예는 전환 가능한 자석 디바이스에 관한 것이다. 예시적인 수동 전환 가능한 자석 디바이스는 "SWITCHABLE PERMANENT MAGNETIC DEVICE"라는 명칭의 미국 특허 제7,012,495호(이하, '495 특허'라 함), 2015년 10월 30일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0007-01-US-E, 발명의 명칭이 "MAGNETIC COUPLING DEVICE WITH A ROTARY ACTUATION SYSTEM"인 미국 가출원 특허 제62/248,804호, 및 2015년 11월 07일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0006-01-US-E, 발명의 명칭이 "MAGNETIC COUPLING DEVICE WITH A LINEAR ACTUATION SYSTEM"인 미국 가출원 특허 제62/252,435호에 개시되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

공압 또는 유압 구동 방식은 전환 가능한 자석 코어(core) 디바이스의 하나 이상의 이동 가능한 자석 또는 자석 유니트가 공압 또는 유압 유체 액추에이터에 의해서 구동되는 것이다.

전기식 구동 방식은 통상 두 범주 중의 하나에 속한다. 첫번째 범주는 강자성 전기자(armature) 및 이 전기자 또는 자석을 완전하게 둘러싸는 도전 코일(예컨대, 솔레노이드 코일)과 협력하는 두 개의 (또는 그 이상의) 고정 영구 자석을 갖는 "전자기 영구 자석"(EPM, electromechanical permanent magnet) 디바이스를 포함한다. 두 개의 자석은 서로 다른 자화 및 포화 보자력(coercivity) 특성을 가지고 있으며, 도전 코일은 디바이스가 능동 상태에서 비능동 상태의 쌍안정 방식으로 전환하기 위해서, 전기적으로 생성된 자기장을 중첩함으로써 자석 중의 하나의 자기장을 일시적으로 상쇄하는 것으로 알려져 있다. 각 실시예에 있어서, 도전 코일에 의해서 생성된 자기장은 다른 고정 자석에는 영향을 미치지 않을 수 있다. 이들 디바이스는 전형적으로 외부 자화의 영향에 의해서는 쉽게 반자화될 수 없는 높은 포화 보자력의 영구 자석 부재, 및 도전 코일과 협력하도록 위치하여 코일의 자기장에 의해서 자화되어 자기 회로 내에도 존재하는 높은 포화 보자력을 갖는 자석과 함께 그 자화 벡터와 정렬되거나 반정렬(anti-align)되는 매체(medium) 또는 낮은 포화 보자력의 자석 소자를 포함하는 제 2 자석 소자에 의존한다.

제 2 범주의 전기 구동 방식은 상술한 설명에서의 것과 유사한 영구 자석 디바이스를 포함하며, 여기에서 전기 모터를 사용하여 이 전기 모터의 출력축에 결합된 축(shaft) 또는 다른 유형의 전달 메커니즘을 사용하여 이동 가능한 자석에 토크를 부여한다.

독립적인 구동 모터를 사용하는 것과 비교하여, 이동 부품이 없을 뿐만 아니라 매체 또는 낮은 포화 보자력 요소를 직접 자화하는 효율이 향상되었기 때문에, 온(on) 및 오프(off) 상태 사이에서 자석을 전기적으로 전환하기 위해서 제 1 범주의 방법이 더욱 일반적으로 사용된다.

전환 가능한 자석 시스템의 전기식 구동은 수동 및 공압 구동 시스템에 비해서 몇 가지 장점을 가지고 있다. 전기식 제어 시스템 및 구동 시스템이 현재 널리 사용되고 있고, 또한 동작을 위해서 전기 동력을 필요로 하는 소비자 제품에 자석 스위치 기술이 확대되어 사용되고 있기 때문에, 전환(switching)하기 위해서 전력을 사용하는 것은 산업 및 제조 공장에서의 설정을 제외하고는 일반적으로 사용할 수 없는 작동 유체원(fluid source)을 필요로 하는 유압이나 공압 액추에이터를 사용하는 것에 비해서 덜 성가시게 되었다.

이들 장점에도 불구하고, 기존의 EPM 디바이스는 다수의 단점을 가지고 있다. 더욱 일반적으로 마주치게 되는 AlNiCo/NdFeB EPM 디바이스는 자화 상태 사이를 전환하는 AlNiCo를 작업 소재로 채택하고 있으며, 이에 대해서는, 예컨대, 아나 너시즈 크나이안(Ara Nerses Knaian)의 PH 논문(http://cba.mit.edu/docs/theses/10.06.knaian.pdf)을 참조하라. AlNiCo는 강력한 자석 소재이며 높은 잔류 자기 유도와 최고의 비희토류 자석 에너지 제품이지만, 예상외로 낮은 포화 보자력을 나타낸다. 이 낮은 포화 보자력으로 EPM 기술이 작동되도록 하고 있지만, 이는 또한 EPM 디바이스의 성능을 떨어뜨리고 있다.

대형 자기 회로의 단면 전체에 EPM 디바이스를 사용하면, 전체 출력되는 자속 밀도는 동일 체적의 NdFeB와 필적하게 된다. 그러나, 부실하거나 부하가 과중한 자기 회로에 이 기술을 사용하는 경우, 낮은 포화 보자력 때문에, 바람직하지 못한 자화 곡선의 AlNiCo는 시스템의 사용 가능한 (당기는) 힘의 현저한 감소를 초래하게 된다. 이는 대부분의 EPM 유니트를 충분하고 완전하게 포화될 수 있는 상황에 적용하는 범위를 제한한다.

또한, 솔레노이드 전자석이 한 조각의 영구 자석 소재를 반대 자기장으로 완전히 포화시키는데 다량의 전류를 필요로 하기 때문에, 오히려 EPM 디바이스가 온과 오프 상태 사이에서 시스템을 전환하기 위해서 과도한 전력 사용이 필요하다. 이는 심지어 작은 자화 단위에 대해서도 대전력 취급 회로 및 제어 장치를 필요로 하며, 따라서 이들 시스템의 이식성 및 설치 유연성이 제한된다.

다른 한편으로는 전기 모터로 동작하는 구동 시스템은 토크의 관점에서 극단적으로 넓은 동작 범위를 갖는 장점을 가지고 있으며, 이는 외부 자기 회로(external magnetic circuit)가 존재하는 경우에도 전체 조작 주기에 걸쳐서 전환 가능한 영구 자석을 구동하는데 필요한 토크의 변동이 상당하기 때문이다.

전환 가능한 영구 자석 유니트와 함께 전기 모터를 사용하는 경우, 이상적인 지점까지 모터를 "조정"하는 것은 어려우며, 이는 자석 유니트가 적용되는 다양한 응용 분야 및 상황의 필요에 따라서 모터의 동작 조건을 광범위하게 변경해야 하기 때문이다. 또한, 기계식 결합 소자 및 가능하다면 기어 박스는 중량 및 복잡성을 증가시키며, 이에 결합된 손실은 상술한 직접 자화 EPM 기법 보다 모터 구동 자석이 현저하게 효율이 낮다는 것을 의미한다. 다수의 이동 요소와 이들 구성 요소에 대한 다량의 스트레스는 또한 부품의 수명을 감소시키고 또한 대부분의 임의의 EPM 유니트에 대한 효과적인 소형화 및 사이즈 축소를 불가능하게 한다.

본 개시의 한가지 목적은 유사한 포화 보자력 특성을 갖는 영구 자석을 사용할 수 있는 디자인을 제공하면서 자화 상태 사이에서 해당 디바이스를 전환하는데 필요한 전력을 감소시켜 기존의 EPM 디바이스를 개선하는 것이다. 본 개시의 다른 목적은 온과 오프 자화 상태 사이에서 디바이스를 전환하기 위해서 이동 가능한 자석에 토크(또는 힘)를 부여하여 고정 자석에 대한 상대 위치를 변경하는 다른 방법을 제공함으로서 전환 가능한 디바이스에 포함된 영구 자석의 상대 이동에 의해서 디바이스를 활성화 및 비활성화할 수 있는 변형된 영구 자석 전환 가능 디바이스를 제공하는 것이다.

본 개시의 각 실시예는 초기에는 예를 들면 '495 특허에 개시된 자석 디바이스와 같은 전환 가능한 영구 자석 디바이스를 구동(온 및 오프로 전환)하기 위한 다른 메커니즘을 가능하게 하거나, 개선하거나, 제공하기 위해서 고안되었다. 본 개시의 각 실시예는 '495 특허의 기본적인 개념 중의 일부를 사용할 수 있지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 이하의 발명의 설명, 본 개시의 각 실시예가 '495 특허에 설명된 것과 유사한 디바이스로 제한되지 않음을 즉각적으로 알 것이다. 예를 들면, '495 특허는 자속의 발생원으로서 두 개의 단일하고 원통형이며 직경 방향으로 자화된 희토류 영구 자석을 사용하고 있지만, 본 개시의 각 실시예는, 예를 들면, 미국 특허 제8,878,639호, 미국 특허 제7,161,451호, 독일 실용 신안 모델 DE202016006696U1, 및 2015년 10월 30일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0007-01-US-E, 발명의 명칭이 "MAGNETIC COUPLING DEVICE WITH A ROTARY ACTUATION SYSTEM"인 미국 가출원 특허 제62/248,804호에 개시된 디바이스와 같은 다른 유형의 디바이스로 구현될 수 있으며, 이들 문헌에 개시된 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

통상의 기술자라면 본 발명의 설명에 기재한 용어 "자석"(magnet)을 그 맥락대로 이해해야 함을 잘 알 것이다. 즉, 용어 "자석"(magnet)은, 예컨대, NdFeB 또는 SmCo와 같은 단일 유형의 희토류 자석 소재의 원통형 단일 쌍극(di-pole) 본체와 같은 영구 자석 본체, 또는 낮은 자기 저항 소재(일반적으로 강자성 수동 자극편(ferromagnetic passive pole piece)으로 통칭됨)의 극(pole) 연장체가 부착된 그와 같은 희토류 소재 코어를 포함하는 복합체를 지칭할 수 있다. 뿐만 아니라, 용어 "자석"은 엄밀하게 말하자면 강자성 코어 소자를 구비하거나 구비하지 않은 전자석, 및 도전 코일(예컨대, 솔레노이드 코일)도 지칭할 수 있다.

각 실시예에 있어서, 한 쌍의 동일한, 직경 방향으로 자화된 원통형 쌍극(di-pole) 영구 자석은 한 쌍의 수동 강자성 극(pole) 소자(또한 슈(shoe)라고도 불림)가 고정된 의도적으로 설계된 두 부분으로 형성된 강자성체 하우징 내의 능동 단락(shunting) 장치에 배치된다. 강자성 작업물은 자극 슈(pole shoe)를 통해서 자석에 결합될 수 있다. 이와 같은 디바이스는 많은 서로 다른 기기 내에 수용될 수 있으며, 여기에서 자기 흡인(magnetic attraction)을 사용하여, 부양 디바이스, 결합 기기, 팔 말단 로봇 작업물 취급 디바이스, 래치(latch) 등과 같은 공구에 일시적으로 강자성 물체를 유지할 수 있다.

이와 같은 전환 가능한 영구 자석 디바이스 이면의 기본적인 개념에 대한 설명을 위해서, '495 특허를 참조하기로 하며, 그 내용은 모든 면에서 본 출원 명세서에 포함된다.

도 1 및 도 2에 도시한 제 1 실시예로 돌아가면, 디바이스(10)는 두 개의 강자성(예컨대, 철) 하우징 요소(28, 30)를 포함하는 중앙 하우징(12)을 포함하며, 이들 하우징 요소는 한 쌍의 강자성, 수동 극(passive-pole) 연장편(32, 34)에 의해서 결합될 수 있다. 도시된 실시예에서 극(pole) 연장편(32, 34)을 도시하였지만, 다른 실시예에서 디바이스(10)는 이들 극 연장편(32, 34) 없이도 동작할 수 있다. 두 개의 원통형 및 직경 방향 자화 자석(14, 16)은 상부 및 하부 하우징 요소(28, 30) 내에 각각 수용될 수 있다. 실시예들에 있어서, 자석(14, 16)은 NdFeB 자석일 수 있다. 실시예들에 있어서, 자석(14, 16) 중의 능동 자석 물질 및 자화 특성은 달성 가능한 제조 공차 및 영구 자석의 자화 기술 내에서 동일 및/또는 동일하다. 본 명세서에서 자석(14)은 상부 자석(14) 및/또는 제 2 자석(14)으로 통칭될 수 있으며, 또한 본 명세서에서 자석(16)은 하부 자석(16) 및/또는 제 1 자석(16)으로 통칭될 수 있다. 본 명세서에서 상부 자석(14)이 상부 하우징 요소(28) 내에서 회전 가능하고 또한 하부 자석(16)이 하부 하우징 요소(30) 내에 고정되어 있는 것으로 설명하고 있지만, 다른 실시예들에 있어서 상부 자석(14)은 상부 하우징 요소(28) 내에 고정될 수 있고 또한 하부 자석(16)은 하부 하우징 요소(30) 내에서 회전 가능할 수 있다.

실시예들에 있어서, 강자성 소재의 얇은 원형 디스크(18)는 하부 하우징 요소(30)를 관통하여 연장되는 원통형 캐비티(38)의 하부 단부를 폐쇄할 수 있으며 그렇지 않으면 개방할 수 있다. 다성분 지지 및 이격 구조(20)는 상부 및 하부 자석(14, 16) 사이에 위치할 수 있다. 비자화성(예컨대, 알루미늄) 캡 구조(22)가 상부 하우징부(28)에 장착되어 상부 하우징 요소(28)를 관통하여 연장되는 원통형 캐비티(36)의 개방 상측을 덮을 수 있다.

상부 자석(14)이 회전 가능한 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)이 에나멜 코팅된 와이어로 이루어질 수 있고, 상부 하우징부(28) 및 캡 구조/부재(22) 둘레를 둘러쌀 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 상부 하우징부(28)만 둘러쌀 수 있으며, 이 경우 캡 부재(22)는 그 폭 방향 단부에 캡이 하우징부에 부착될 수 있도록 하향하여 연장하는 푸팅부(footing portion)를 갖도록 변형될 수 있으며, 하우징부와 캡 부재 사이에 코일 두께가 수용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 상부 하우징부(28) 내에 위치하고 또한 상부 자석(14) 둘레를 둘러쌀 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상부 하우징부(28)는 솔레노이드 코일 본체(24)의 두께를 수용하도록 변형될 수 있다. 또한, 솔레노이드 코일 본체(24)는 상부 자석(14)의 회전에 필요한 여유를 제공하는데 충분한 와이어를 포함할 수 있으며 및/또한 슬립 링(slip ring)을 사용하여 솔레노이드 코일 본체(24) 및 전원 공급 장치(82) 간의 전기적인 접속을 유지할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 상부 자석(14) 및 하부 자석(16) 모두의 둘레를 감쌀 수 있다. 이들 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 하부 자석(16)의 하부 하우징 요소(30) 둘레를 감싸거나 하부 하우징 요소(30) 내에 배치되거나 하부 자석(16) 둘레를 감쌀 수 있다. 단지 하나의 솔레노이드 코일 본체(24)만 도시하였으나, 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 복수의 솔레노이드 본체를 포함할 수 있다. 솔레노이드 코일 본체(24)의 목적은 이하에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

하부 자석(16)이 회전 가능한 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 하부 하우징 요소(30) 및 캡 구조(18) 둘레를 둘러쌀 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 하부 하우징 요소(30)만 둘러쌀 수 있으며, 이 경우 캡 부재(18)는 그 폭 방향 단부에 캡이 하우징부에 부착될 수 있도록 하향하여 연장하는 푸팅부(footing portion)를 갖도록 변형될 수 있으며, 하우징부와 캡 부재 사이에 코일 두께가 수용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 하부 하우징 요소(30) 내에 있을 수 있으며 하부 자석(16) 둘레를 감쌀 수 있다. 본 실시예에 있어서, 하부 하우징 요소(30)는 솔레노이드 코일 본체(24)의 두께를 수용하도록 변형될 수 있다. 또한, 솔레노이드 코일 본체(24)는 하부 자석(16)의 회전에 필요한 여유를 제공하는데 충분한 와이어를 포함할 수 있으며 및/또한 슬립 링(slip ring)을 사용하여 솔레노이드 코일 본체(24) 및 전원 공급 장치(82) 간의 전기적인 접속을 유지할 수 있다.

각 실시예에 있어서, 두 개의 하우징 요소(28, 30)는 동일할 수 있고, 또한 낮은 자기 저항의 강자성 소재로 형성된 직사각형의 평행 육면체 블록을 포함할 수 있으며, 동시에 중앙에 위치한 원통형 캐비티(35, 38)는, 각각, 상부 및 하부 자석(14, 16)을 수용하기 위해서 상부 및 하부 축 방향 단부면(도 1에서는 상부면(42, 44)만 보임)에 직각으로 각각의 블록을 관통하여 연장된다.

소재의 작은 웹(web)(37', 37")만이 블록(28, 30)의 직경 방향 대향 수직측(40)에 존재하도록 캐비티(36, 38)의 직경이 형성될 수 있다. 그러나, 블록(28, 30)의 다른 두 개의 평행 수직 측면(43 및 45)에 위치한 벽부(39', 39")는 충분한 두께를 가질 수 있으며 또한 영구 자석(14, 16)에 의해서 생성되는 자속이 이들 강자성 벽부 또는 영역(39) 내에 수용되도록 하고 또한 재지향되도록 결정될 수 있다. 37' 및 37"에서의 얇은 웹은 두 개의 하우징 영역(39' 및 39")을 실질적으로 서로로부터 자기적으로 격리할 수 있으며, 따라서 이들은 자속 단락(short-circuit)을 초래하지 않고 각각 하우징 블록(28, 30) 내에 수용된 자석(14, 16)에 의해서 반대 N 및 S 극성을 갖도록 자화될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 얇은 웹 및 두꺼운 벽부(37 및 39)는 하부 하우징 블록(30)을 참조하여서만 식별될 수 있다.

상부 하우징 블록(28)의 원통형 캐비티(36)는 매끈한 벽면을 가질 수 있으며, 직경은 상부 자석(14)이 내부에 수용될 수 있도록 하며, 따라서 최소 마찰로 회전할 수 있고 또한 바람직하게는 최소한의 에어 갭을 유지할 수 있다. 실시예들에 있어서, 원통형 캐비티(36) 표면에 마찰 감소 코팅이 적용될 수 있다.

실시예들에 있어서, 하부 하우징 블록(30) 내의 원통형 캐비티(38)는 조벽면(roughened wall surface) 및 하부 자석(16)과 억지 끼워 맞춤을 제공하도록 선택된 직경을 가질 수 있으며, 이에 의해서 자석(16)이 캐비티(16) 내에 유지될 때, 그 회전 방향으로 유지되며 또한 디바이스(10)의 동작 상태 하에서의 축 방향 및 회전 방향으로의 변위가 억제된다. 이에 더하여 또는 이를 갈음하여, 예를 들어, 변위에 대해서 자석(16)을 캐비티(38) 내에 고정하기 위해서 접착 또는 추가적인 꼭맞춤 요소(미도시)와 같은 다른 메커니즘을 사용할 수 있다.

도 1로부터 더욱 상세하게 알 수 있는 바와 같이, 한 쌍의 평행하게 이격되고, 나사가 형성된 보어(46, 47)는 양 하우징 블록(28, 30)의 강자성 벽부(39', 39")의 대향 수직 외측면(43, 45)에 절결하여 형성될 수 있다. 보어 쌍(46, 47)은 중앙 캐비티(36, 38)의 축(A)에 직각으로 연장될 수 있으며, 극 연장 블록(32, 34)이 중앙 하우징 블록(28, 30) 모두에 탈착 가능하게 고정되는 방식으로 (미도시) 나사 또는 볼트를 고정하기 위한 앵커링(anchoring; 고정) 제공 목적으로 기능한다. 실시예들에 있어서, 강자성체 몸체의 수용 범위를 벗어나서도 현저한 누출없이 자석(14, 16) 내에서 유래되는 전체 자속을 담지하는데 충분한 단면을 갖는 상부 및 하부 하우징 블록(28, 30)의 하우징 벽부(39") 때문에 극 슈(pole shoe)(32, 34)와 하우징 벽부에는 에어 갭이 없거나 최소한만 있을 수 있고, 상부 및 하부 하우징 블록(28, 30)의 일측에서의 적층 벽부(39")는, 벽부(39')의 경우에서와 같이, 반대 극성을 갖는다.

극 연장 블록(32 및 34)은 수동 자화 극 소자(passive magnetisable pole element)의 제조에서 사용되는 것과 같이 구성면에서 동일할 수 있으며, 낮은 자기 저항을 갖는 강자성 소재를 포함할 수 있다. 극 연장 블록(32, 34)이 평행 육면체의, 플레이트 형상으로 도시되어 있지만, 극 연장 블록은 디바이스(10)가 부착되는 작업물의 형상에 기초할 수 있는 다른 형상을 가질 수도 있다. 추가적인 극 연장 블록 장치는 2018년 01월 29일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0015-01-US, 발명의 명칭이 "MAGNETIC LIFTING DEVICE HAVING POLE SHOES WITH SPACED APART PROJECTIONS"인 미국 가출원 특허 제62/623,407호에 개시되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

도시된 실시예에서 극 연장 블록(32, 34)을 도시하였지만, 다른 실시예에서 디바이스(10)는 이들 극 연장 블록(32, 34)을 포함하지 않을 수 있다.

중앙 하우징 블록(28, 30)의 수직 측면(43, 45)과 결합될 수 있는 블록(32, 34)의 수직 측면(33, 35)은 틈이 없고 양 하우징 블록(28, 30)의 측벽(39', 39")의 외측면(43, 45) 상에 동일 표면 높이로 결합될 수 있는 마감 처리된 표면과 형상을 갖는다. 측면(33, 35)은 양 하우징 블록(28, 30)의 측면(43, 45)을 완전히 덮기에 충분한 크기이다.

각각의 판 형상 극(pole) 연장 블록(32 및 34)은 그 측면 간격이 하우징 블록(28, 30)에서의 나사 형성 보어 쌍(44, 46)의 측방 간격과 동일하며, 또한 캐비티 축(A)을 따르는 간격이 보어(54, 56)를 관통하여 연장되고 또한 하우징 블록(28, 30)의 나사 형성 보어(46, 47) 내에 고정되는 도시하지 않은 고정 볼트에 의해서 이격되는 방식으로 하우징 블록(28, 30)을 고정하는 한 쌍의 접시 머리 관통 보어(countersunk through bore)를 포함할 수 있다. 따라서, 하우징 블록(28, 및 30)은 모두 양 하우징 블록(28, 30) 및 내부에 수용된 각각의 자석(14, 16)의 두꺼운 벽부(39', 39") 사이에서 실질적으로 갭(gap)이 없는, 낮은 자기 저항의 자기 회로 경로를 제공하는 방식으로 측방 극 연장 블록(32, 34)을 통해서 접속될 수 있으며, 이에 의해서 캐비티(36 및 38)와 원통형 자석(14, 16)이 공축적으로 정렬되고 또한 축(A)에 대해서 공축적이며, 각각의 하우징 블록(28, 30)의 수직면은 쌍별로 공면(pair-wise coplanar)이다.

실시예들에 있어서, 직경 방향으로 자화된 하부 원통형 자석(16)은 하부 하우징 블록(30)의 캐비티(38)에 수용되고 고정되어 회전이 방지되며, 이와 같은 방식으로 N-S 극 분리선은 (자석(16)의 상부면 상에 직경 표시선(D)으로 도시한 바와 같이) 블록(30)의 대향하여 위치하는 얇은 벽 웹(37' 및 37")에 걸쳐 연장한다. 달리 말하자면, 상기 분리선에 대해서 직각으로 연장하고 화살표(ML)로 도시한 영구 자석(16)의 N-S 축은 대향 하우징 측벽(39' 및 39")(및 이에 각각 결합된 극 연장 블록(32, 34))이 옆에 있는 능동 자극(magnetic pole)에 따라서 자화되도록 지향된다. 따라서, 도 1에 있어서, 벽부(39")는 S 극으로 자화되며, 반면에 벽부(39')는 N 극이 된다.

이와는 대조적으로, 상부 하우징 블록(28) 내의 상부 원통형 자석(14)이 축(A) 둘레, 및 고정 자석(14)을 갖는 하부 하우징 블록(30)에 대해서 회전하는데 자유롭기 때문에, 극(pole) 연장 블록(32, 34)이 없는 경우, 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이 측벽(39' 및 39")의 극성은 상부 자석의 N-S 축(MU)의 상대적인 회전 위치 및 방향에 의해서 결정될 수 있다.

실시예들에 있어서, 상부 자석(14)은 도 1에 타나낸 방향으로부터 N 극이 하부 자석(16)의 N 극과 일치하고 또한 반대로 S 극이 서로 중첩되는 (또한 N-S 축(MU 및 ML)은 평행하게 지향됨) 회전 위치까지 180 도 회전 가능하도록 구성된다. N-S 축(MU 및 ML)이 평행하게 지향되면, 상부 및 하부 하우징 블록(28 및 30)의 양 측벽(39')은 동일한 N 자극 극성으로 자화될 수 있으며, 인접 극(pole) 연장 블록(32)도 마찬가지이다. 또한, 인접 극 연장 블록(34)이 되는 다른 (대향) 측벽(39")은 동일하지만 반대인 S 자기 극성으로 자화된다. 상부 자석(14)의 이 재지향은 극 연장 블록(32, 34)의 하부 축 방향 단부면(50, 52)에서 "능동"(active)적으로 동작하는 에어 갭(air gap)을 생성하며, 따라서 낮은 자기 저항의 생성을 가능하게 하고, 하우징 블록벽(39', 39"), 극 연장 블록(32, 34) 및 극 연장 블록(32, 34)의 하부 축 방향 단부면(50, 52)의 모두와 접촉할 수 있는 강자성 작업물을 관통하여 자석(14, 16) 내에서 출발하고 종료하는 닫힌 자기 회로의 형성이 가능해진다. 그와 같기 때문에, 극 연장 블록(32, 34)은 디바이스(10)용 작업물 접촉 계면을 형성한다. 즉, 극 연장 블록(34)은 디바이스(10)의 작업물 접촉 계면의 N 극 부분을 형성하고, 또한 극 연장 블록(32)은 디바이스(10)의 작업물 접촉 계면의 S 극 부분을 형성한다. 다른 실시예에 있어서, 하우징 블록(30)의 하나 이상의 다른 부분이 디바이스(10)용 작업물 접촉 계면을 형성할 수 있다. 이 상태는 본 출원 명세서에 있어서 디바이스(10)가 "온" 상태로 되어 있다고 언급되거나 및/또는 상부 자석(14)이 제 2 위치(도 9a 내지 도 9c에 도시함. 여기에서, 도 9a는 디바이스(10)의 정면 단면도이고 도 9b 및 도 9c는 디바이스(10)의 평면도이다)에 있는 것으로 언급될 수 있다. 반대로, MU와 ML이 역평행하게 지향되어 있고 또한 폐쇄 자기 회로가 디바이스(10) 내에 형성된 상태는 디바이스(10)가 "오프" 상태 및/또는 상부 자석(14)이 제 1 위치에 있는 것으로 언급될 수 있다(도 1 및 도 3a 내지 도 3c에 도시함. 여기에서, 도 3a는 디바이스(10)의 정면 단면도이고, 도 3b는 도 3b에 나타낸 디바이스의 평면도이고 디바이스가 "오프" 위치에 있을 때 상부 자석에 의해서 생성되는 B 자장을 포함하며, 도 3c는 도 3a 및 도 3b에 나타낸 디바이스의 부분 평단면도이고 디바이스가 "오프" 위치에 있을 때의 상부 자석을 포함하고 있다).

실시예들에 있어서, 얇은 강자성 하측 디스크(18)는 눌러서 끼워 맞춰지거나 다르게 고정되어 원통형 캐비티(38)의 하부 개방 단부를 폐쇄하며 이에 의해서 자석 디바이스(10)의 작업면에서의 오염을 방지하기 위해서 캐비티(38) 및 그 내부에 수용된 자석(16)을 밀봉한다. 디스크(18)가 강자성 속성을 가지고 있으므로, 하우징 블록의 극 단부(polar end) 사이에 추가적인 자화 가능한 소재를 제공하여 자기 회로를 완성하는데 도움을 줄 수 있으며, 따라서 하부 영구 자석(16)의 자장은 하우징 블록(28) 및 극 연장 블록(32, 34)에 제공된 자성 재료와만 독점적으로 결합하여 온 또는 오프 위치 중의 하나로 자기 회로를 형성한다. 이는 또한 디바이스(10)가 온 상태일 때 더 큰 파지력으로 작동할 수 있도록 하고 오프 상태일 때 임의의 파지력을 상쇄시킨다.

상술한 바와 같이, 디바이스(10)는 상부 하우징 블록(28)의 캐비티(36)의 원통형벽 내의 상부 자석(14)을 지지하도록 하고 또한 하부 하우징 블록(30) 내에서 하부 자석(16)의 상부 원형면으로부터 상부 자석(14)의 하부 원형면 간의 소정의 축방향 거리를 유지하도록 하는 상부 및 하부 자석(14, 16) 사이에 위치하는 다요소 지지 및 이격 구조(20)를 더 포함한다. 실시예들에 있어서, 지지 및 이격 구조(20)는 비자화성 금속 소재로 형성된 원형 하측 플레이트(60), 회전 베어링(62) 및, 그 상면은 바람직하게는 슬립(slip)을 촉진하는 PTFE 코팅막을 가지고 그 하면은 일체로 형성되는 보스(boss) 또는 축 스텀프(axle stump)(미도시)를 갖는 원형 비자성 플레이트(63)를 포함하는 페테스탈 요소(64)를 포함할 수 있다. 하측 플레이트(60)는 하부 자석(16)의 상면 상에 위치하고 또한 바람직하게는 중간 끼워맞춤되어 원통형 캐비티(38)의 상부 개방 단부를 폐쇄한다. 하측 플레이트(60)의 상면에는 적절한 크기로 형성된 원통형 오목부(또는 시트(seat))(61)에 볼(ball) 또는 다른 유형의 베어링(62)이 위치할 수 있다. 페데스탈(pedestal)의 축 스텀프(axle stump)는 베어링(62)의 내측 링 베어링부내에 위치할 수 있다. 비자성 원형 플레이트(63)의 직경은 상부 하우징 블록(28)의 캐비티(36)의 하부 종단축 단부 내에서 회전할 수 있는 직경, 즉 하부 축 방향 단부면에 위치하는 상부 자석(14)의 것과 유사한 직경을 가진다.

상부 하우징 블록(28)의 원통형 캐비티(36) 내에 공축적으로 중심에 상부 자석(14)을 유지하기 위해서, 상부 하우징 블록(28)의 상부 축 방향 단면(42)을 덮는 상부 캡(22)에 중심 잡기를 수행할 수 있다. 관통 홀(66)은 상부 원통형 자석(14)의 중심축(A)을 따라서 연장되어, 각각 원통형 자석(14)의 축상 단부면과 같은 평면에 위치하는 비자성 베어링(미도시)이 눌러서 끼워진 직경이 확대된 카운터 보어(counter-bore) 내의 자석(14)의 대향 축 단면에서 종료할 수 있다. 자석(14)의 축 방향 단부에서 관통공(66)과 베어링을 조합하면 캡 요소(22)에서 회전 가능하게 지지되거나 이에 고정되는 축(69)이 상부 자석(14) 내에 수용될 수 있도록 하며, 이에 의해서 상부 하우징 블록(28) 내에서의 자석의 회전 중심을 잡을 수 있다.

이 지지 구조(20)는 축(69)의 종단 하부 단부 근처의 환형 그루브에 고정될 수 있는 미도시 리테이너 클립 링(retainer clip ring)에 의해서 그 자유 회전은 가능하지만 축(69)에서의 축 방향 변위를 방지하도록 상부 자석(14)에 고정되는, 그에 따라서 개구(66)를 지나서 살짝 돌출하게 되는 서로 다른 유형의 장치로 교체될 수 있다.

도 1 및 도 2에서 도시한 실시예의 비자화 캡 요소(22)는 이하에서 설명하는 바와 같이 단순 직사각형 플레이트(84)와 아치형 창(85)을 포함하며, 하우징 블록 자체에 고정될 수 있다. 비자화 캡 요소(22)를 하우징 블록에 고정하기 위해서, 네 개의 나사 형성 보어(bore)가 상부 하우징 블록(28)의 상부 축(42) 단면의 모서리에서 수직으로 연장될 수 있다. 도시하지 않은 고정 볼트는 캡 요소(22) 내의 보어를 관통하여 연장될 수 있다. 다르게는, 캡 부재(22)는 극 연장 블록(32, 34)에 볼트 또는 다른 패스너를 사용하여 고정되거나 전체 하우징 조립체의 상부 위에 눌러서 끼워 맞춰질 수 있다.

실시예들에 있어서, 캡 요소(22)는 그 하우징 블록(28) 내에서 상부 자석(14)의 회전 상태를 유지하도록 동작하는 스톱(stop), 핀, 및/또는 래치 메커니즘(83)의 일부를 포함할 수 있으며, 따라서 고정된 하부 자석(16)에 대해서는 상대적인 회전 위치에 동일하게 고정할 수 있다. 이에 더하여 또는 이를 갈음하여, 스톱, 핀 및/또는 래치 메커니즘(83)은 상부 자석(14)의 회전을 제한하거나 및/또는 단부 지점을 제공할 수 있다. 이에 더하여 또는 이를 갈음하여, 스톱, 핀, 및/또는 래치 메커니즘(83)은 하우징 블록(28) 내에 또는 디바이스(10)의 다른 부분에 포함될 수 있다. 스톱, 핀, 및/또는 래치 메커니즘(83)은 2018년 04월 27일에 출원한, 발명의 명칭이 "VARIABLE FIELD MAGNETIC COUPLERS AND METHODS FOR ENGAGING A FERROMAGNETIC WORKPIECE"인 미국 특허 출원 제15/965,582호에 개시된 것과 같은 격납 가능한 핀일 수 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

캡 부재(22)는 후술하는 바와 같이 솔레노이드 코일 본체(24)로의 전류 공급과 관련되고 이에 필요한 다양한 전자식 제어 장치 및 동력 컴포넌트를 지지/수용하도록 구성될 수 있다. 다르게는, 캡 부재(22)는 전류를 솔레노이드 코일 본체(24)로 공급하는 전원 공급 장치(미도시)에 접속하기 위한 접촉 리드(contact lead)를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 축(69)은 상부 자석(14) 내의 홀(66)을 관통하며, 따라서 상부 자석(14)은 축(69) 둘레로 공축적으로 회전할 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 축(69)은 캡 부재(22)의 중앙 허브부(86)에 용접되거나 또는 다른 방식으로 고정된 원통형 핀이다. 다르게는, 관통 홀을 통해서 캡 부재(22)의 하측을 관통하여 연장될 수 있는 회전 가능한 축을 채택할 수 있으며, 베어링은 관통 홀 및 축 주위에 위치하여 중심을 잡고, 상부 자석(14)과 함께 축(69)의 회전에 도움을 줄 수 있다. 캡 부재(22) 부분의 위에는 축(66)과 다른 기계적 요소가 위치하며, 캡 부재(22)의 제 2 부분(미도시)은 단일체로 또는 조립되어 있을 수 있으며, 도시하지 않은 전자 부품을 수용하도록 배치될 수 있다. 이 부분은 조립체의 기계적인 부분과는 분리되어 있어, 회로에 대한 기계적인 손상을 방지하지만, 축(69)은 전자 하우징부 내로 연장되어 인코더(encoder)나 리미트 스위치(limit switch)와 같은 피드백 디바이스를 축에 부착할 수 있도록 하여, 이에 의해서 제어 회로가 하부 자석(16) 및/또는 설정된 기준점과 마주보는 상부 자석(14)의 각변위를 검출할 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 캡 요소(22)의 비자성 플레이트(84)는 하우징 블록(28. 30)의 그것과 유사한 풋프린트를 갖도록, 즉, 외경에서 상부 하우징 블록(28)의 중앙 캐비티(36)의 그것과 일치하는 중앙 원호 형상 창(85)을 가진 직사각형을 갖도록 가공될 수 있다. 원호 형상 창(85)의 곡률 중심은 원통형 캐비티(36)의 축(A)과 일치할 수 있고, 동시에 공축(co-axial)일 수 있다. 중앙 웹부(86)는 원호 형상 창(85)의 방사 방향 내측 경계를 한정하며, 또한 상부 하우징 블록(28) 내에 상부 자석(14)의 중심을 잡기 위한 상술한 지지 축(69)을 유지하고 있다. 원호 형상 창(85)의 단부인 종단 대향 단부(87, 88)는 자석(14)의 상면에 고정된 블록 부재(89)를 회전 포획하기 위한 "하드 스톱"(hard stop)을 제공하며, 따라서 디바이스(10)의 전환 동작 중에 자석(14)의 회전 중에 슬롯(85) 내에서 이동할 수 있다. 하드 스톱(87, 88) 및 포획 블록(89)은, 후술하는 바와 같이, 디바이스의 온(on) 및 오프(off) 위치를 결정하는 두 개의 종단 위치 사이에서 캐비티(36) 내에서의 상부 자석(14)의 회전을 제한하는데 협력한다.

고정축(69)은 중앙 웹부(86)에 의해서 형성되는 허브(hub)로부터 수직으로 돌출하며, 따라서 상부 자석(14)과 협력하는 캡 부재(22)를 설치하여 축(69)의 위치를 설정하면 축이 상부 하우징 블록(28)의 원통형 캐비티 내에서 확실하게 공축 회전하게 된다.

솔레노이드 코일 본체(24)는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상부 하우징 블록(28) 주위를 둘러싸는 (또는 달리 배치되는) 에나멜 코팅된 구리 와이어 권선으로 이루어질 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 솔레노이드 코일 본체(24)는 또한 상부 자석(14) 주위를 둘러싸거나 또는 달리 배치될 수 있다. 솔레노이드 코일 본체(24)는 솔레노이드 코일 본체(24)의 수직 연장부(72, 76)가 상부 하우징 블록(28)의 쌍으로 된 수직 측면(43, 45)을 따라서 연장되고 또한 수평 연장부(75, 77)가 하우징 블록(28)의 하부 축 방향 단면(미도시) 및 상부 하우징 블록(28)의 상부 축 방향 단면(42) 또는 캡 부재(22)의 플레이트(84) 상부면 중의 하나와 평행하게 연장되도록 위치할 수 있다.

실시예들에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 복수의 솔레노이드 코일 본체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 솔레노이드 코일 본체(24)는 서로 전기적으로 절연되고 하우징(28)의 한쪽 모서리로부터, 상부 하우징 블록(28)의 상부면(42)을 대각선으로 가로질러, 하우징 블록(28)의 대향 모서리까지 연장되고 상부 하우징 블록(28) 아래로 되돌아가는 두 개의 솔레노이드 코일 본체를 포함할 수 있다. 각각의 코일은 하나의 코일이 다른 코일 위로 둘러싼 채로 상부 하우징(28) 및 캡 부재(22)를 대각선으로 반대로 가로질러 둘러쌀 수 있으며, 따라서 이들은 하우징(28)을 평면도로 보았을 때 'X' 형상의 권선을 형성한다. 권선은, 도 1의 실시예에 있어서, 상부 하우징 블록(28) 아래의 수평 연장부 상에서 안내되어 축(A) 주위의 (도 1에서 확인 가능한) 관통 홀(79)을 형성함으로써 상부 자석(14)이 하부 자석(16) 상에 안착하는 방식으로 지지 구조(20)의 페데스탈(pedestal)(64)의 지지 스텀프(support stump)(62)의 하향 통과가 가능하다.

캡 부재(22)를 고정하기 전에 상부 하우징 블록(28) 둘레에 솔레노이드 코일 본체(24)를 권취하는 실시예에 있어서, 상부 하우징(28) 위의 수평 연장부(75, 77)는 축(A) 둘레에 관통 홀(미도시)을 형성하도록 안내되어 캡 부재(22)로부터 상부 회전 가능 자석(14)으로 하향 연장되는 중심 위치 조정 축 또는 핀(69)이 상부 하우징 블록(28)의 원통형 캐비티(36) 내의 그 공축 회전의 중심에 위치하도록 할 수 있다.

실시예들에 있어서, 전원 공급 장치(82)는 오프 위치로부터 온 위치로 상부 자석(14)의 회전이 용이해질 수 있도록 상부 자석(14) 상의 H 자장을 유도하기 위해서 솔레노이드 코일 본체(24)에 전류를 공급하기 위해서 적절한 제어 회로를 통해서 솔레노이드 코일 본체(24)에 접속될 수 있다.

구체적으로, 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 및 도 8a는 디바이스(10)가 오프 위치로부터 온 위치로 이행함에 따른 디바이스(10)의 평면도를 나타내며, 더욱 구체적으로는, 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 및 도 8a는 하우징(28) 상의 자석(14, 16)에 의해서 생성된 B 자장의 평면도를 나타낸다. 도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b는 자석 솔레노이드 본체(24)를 관통하여 유동하는 전류의 방향을 도시한 도면이다. 도 4c, 도 5c, 도 6c, 도 7c, 도 8c는 솔레노이드 코일 본체(24)를 관통하여 유동하는 전류에 의해서 생성된 H 자장을 도시한 도면이다. 도 4d, 도 5d, 도 6d, 도 7d, 도 8d는 회전 가능한 상부 자석(14)의 재배향에 의해서 발생하는 상부 하우징 블록(28)의 순 자화 상태 및 여기에 중첩된 H 자장을 도시한 도면이다. 또한, 도 4e, 도 5e, 도 6e, 도 7e, 도 8e는 상부 자석(14)의 회전 위치 및 "오프" 상태로부터 순서대로 "온" 상태로 진행하는 N-S 극 축(pole axis)(MU)을 도시한 도면이다.

도 4a 내지 도 8e에 나타낸 바와 같이, H 자장은 내부에 수용된 상부 자석(14)의 회전 위치의 함수로서 상부 하우징 블록(28)이 나타내는 자화 패턴을 변경하기 위해서 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 유도될 수 있다. 즉, 전압을 인가하는 것에 의해서 및 따라서 솔레노이드 코일 본체(24)의 권선을 통해서 전류가 유동함으로써, 코일 둘레에 자기 H 자장이 생성되며, 이 자장은 전류 흐름 방향에 대해서 직각이고, 그 N-S 방향 벡터는 솔레노이드 코일 본체(24) 내의 전류의 순환 방향에 의해서 결정될 수 있다. 또한 H 자장과 B 자장 간 차이점이 있음을 알아야 한다. 자기장의 강도로 정의되는 H 자장은 다르게는 자화 자장(magnetizing field)이라고 칭해지며, 솔레노이드 코일 본체(24)가 하우징 블록(28) 상에 위치하는 경우의 효과를 설명하는데 사용하기로 한다. B 자장은 자기장의 자속(magnetic field flux)이며, 또한 특성상 전기적 또는 영구적 중의 하나인 자계원(magnetic field source), 및 매체의 자화의 조합으로 발생한다. 자기 쌍극자에 가해지는 기계적인 토크를 계산할 때 일반적으로 B 자장을 염두에 두기 때문에, 후술하는 바와 같이, 상부 자석(14)의 회전 및 디바이스의 전환 조작을 나타낼 때 이 B 자장을 사용한다.

솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성된 H 자장은 솔레노이드 코일 본체(24) 내에서의 코일의 권취 회전수, 코일의 단면, 및 전류 흐름의 함수(function)일 수 있다. 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성된 H 자장 중의 적어도 한 성분은 상부 자석(14)이 (예컨대, 도 1, 도 4a 내지 도 4e에 도시한 바와 같이) 제 1 위치에 있을 때 상부 자석(14)의 능동 N-S 극 쌍(pole pair)을 따라서 S로부터 N으로 지향될 수 있다. 전압을 인가하고 이에 의해서 솔레노이드 코일 본체(24) 내에 전류가 유동함으로써 생성되는 H 자장 때문에, 상부 하우징 블록(28)은 상부 하우징 블록(28)을 포함하는 강자성 소재의 상대 자기 투과도에 의해서 한정되는 수준까지 자화된다. 적어도 일 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성되는 H 자장의 강도는 상부 자석(14)이 오프 위치로부터 온 위치로 회전할 때 일정할 수 있다. 다른 예시에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성되는 H 자장의 강도는 상부 자석(14)이 오프 위치로부터 온 위치로 회전할 때 솔레노이드 코일 본체(24)를 관통하는 전류를 변동시켜서 변동할 수 있다. 이에 더하여 또는 이를 갈음하여, 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성된 H 자장의 방향은 제동 기능(braking function)을 제공하기 위해서 및/또는 온 위치로부터 오프 위치로 상부 자석의 회전을 가능하도록 하기 위해서 상부 자석(14)이 오프 위치로부터 온 위치로 회전할 때 솔레노이드 코일 본체(24)를 관통하는 전류의 방향을 변동시켜서 변동시킬 수 있다.

적어도 일부 실시예에 있어서, 솔레노이드 냉체(24)(cold body)에 의해서 생성된 H 자장은 (도 4a~4e에 도시된) 상부 자석(14)에 의해서 생성된 B 자장에 대해서 상대적인 각도로 지향될 수 있다. 이들 실시예에 있어서, 하우징 블록(28)의 자화는 이어서 하우징 블록(28)의 체적 내에 B 자장을 생성하여 상부 자석(14)에 기계적인 토크를 인가할 수 있다.

도 4a 내지 도 8e에 나타낸 바와 같이, 디바이스(10)는 수동 극(pole) 블록(32, 34)의 저면(50, 52)과 접촉하게 되는 경우에도 강자성 작업물이 사용할 수 있는 자장이 없거나 상대적으로 적은 "오프" 상태(도 4a 내지 도 4e)로부터 수동 극 블록(32, 34)이 반대 극성으로 자화되고, 또한 수동 극 블록(32, 34)을 강자성 작업물과 접촉시키고, 따라서 디바이스(10)를 그와 같은 작업물에 자기적으로 유지하여 생성될 수 있는 외부 자속 교환 경로가 생성되는 "온" 상태(도 8a 내지 도 8e)로 전환될 수 있다.

디바이스(10)의 "오프" 전환 위치에 있어서, 도 1 및 도 4a에서 도시하고 있는 바와 같이, 디바이스(10)를 평면도로 보았을 때, 상부 하우징 블록(28)의 상부 영구 자석(14) 및 하부 하우징 블록(30)의 하부 자석(16)은 상부 자석의 N 극이 하부 자석(16)의 S 극과 실질적으로 정렬하도록 하고 또한 상부 자석(14)의 S 극이 하부 자석(16)의 N 극과 실질적으로 정렬하도록 함으로써 회전이 고정된다. 즉, 상부 및 하부 자석 각각의 N-S 자화축(MU 및 ML)은 반대 방향으로 평행하게 정렬되어 있다. 이 오프 상태의 디바이스(10)에 있어서, 자석(14, 16) 및 한 쌍의 극 연장 블록(32, 34)을 수용하는 캐비티 둘레에서 두꺼운 벽부(39', 39")를 통하여 자석(14, 16) 및 하우징 블록(28, 30) 사이에 닫힌 자기 회로가 존재하며, 이 회로는 상부 및 하부 하우징 블록(28, 30) 사이에 낮은 저항의 자속 경로를 제공하여 디바이스(10) 내의 회로를 효과적으로 단락(shunting)시킨다.

벽부(39', 39")의 하부 단부 및/또는 극 연장 블록(32 및 34)에서 극 슈(pole shoe)가 반대 극성을 나타내는 "온" 위치로 디바이스(10)를 턴하기 위해서, 도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 솔레노이드 코일 본체(24)에 전류가 공급될 수 있다. 솔레노이드 코일 본체(24)가 활성화됨에 따라, 도 4c, 도 5c, 도 6c, 도 7c, 도 8c에 나타낸 전기적으로 유도된 자기장은 (영구 자석 및 코일 자석의 벡터에 의해서 제공되어) 얻어진 B 자장 벡터의 방향 및 순 강도(net magnitude)를 변경하며 이는 상부 자석(14)이 오프 위치로부터 (도 4e, 도 5e, 도 6e, 도 7e, 도 8e에 도시된) 온 위치로 (도 4d, 도 5d, 도 6d, 도 7d, 도 8d에 도시된) 회전함에 따라 상부 하우징 블록(28)을 자화한다.

전기적으로 생성된 자기장을 선택하여 두 개의 영구 자석(14, 16) 및 인접한 하우징 벽부(39', 39") 간에 형성된 자기 회로에 영향을 주거나 변경할 수 있다. 충분한 전류를 사용하면, 벽부(39', 39") 및/또는 연결 극(pole) 연장 블록(32, 34)을 통해서 하부 하우징 블록(30) 내의 하부 고정 자석(16)에 의해서 생성된 상부 하우징 블록(28) 내의 자기장 성분은 상쇄될 수 있으며, 따라서 상부 자석(14) 상의 하부 자석(16)의 자기적 영향이 상쇄된다. 따라서, 이후에 회전 가능한 자석(14) 자체는 제외하고, 상부 하우징 블록(28) 내의 일차 자계원(magnetic field source)으로서 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성된 자장이 남겨진다. 그 결과, 제 1 위치로부터 제 2 위치로 상부 자석(14)을 회전시켜서 전환 가능한 자석 디바이스를 "온" 위치로 전환하는데 필요한 토크가 감소하게 된다. 일부 예시적인 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 상부 자석(14)이 (도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 및 도 8b에 도시한) 제 1 위치에 있을 때 상부 자석(14)에 대해서 상대적인 각도로 지향될 수 있으며, 이는 상부 자석(14)에 토크를 부여할 수 있다.

적어도 하나의 실시예에 있어서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 서로 다른 방향으로 지향되는 두 개 이상의 코일을 포함할 수 있다. 솔레노이드 코일 본체(24)의 코일에 적어도 H 자장 성분이 상부 자석(14)에 의해서 생성되는 고유 자기장과 평행하지 않는 일 방향의 전류가 공급되고 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 생성된 자기장이 그 오프 위치에서 상부 자석(14)에 의해서 생성된 고유 자기장으로부터 회전하여 상쇄되는 경우, 상부 자석(14)이 기 유도된 B 자장의 자기축 및 솔레노이드 코일 본체(24)에 의해서 상부 하우징 블록(28)의 자화 가능 벽부(39' 및 39")에 유도된 극성을 추종하여 그 N-S 축(MU)과 재정렬하려고 함에 따라서 토크가 발생하며, 따라서 다른 외부 영향없이 상부 자석(14)이 상부 하우징 블록(28) 내에서 회전하게 된다.

하우징 블록(28)의 자화로부터 얻어지는 유도된 B 자장에 의해서 자석(14)에 충분한 토크가 공급된다면, 상부 자석(14)은 상부 자석(14) 각각의 N 극 및 S 극이 유니트(10)를 "온" 상태로 도시한 하부 자석(16)의 각각의 N 극 및 S 극과 정렬되기 전까지 회전시킬 수 있다. 이 지점에서, 솔레노이드 코일 본체(24)는 비활성화될 수 있다. 영구 자석(14, 16) 모두가 이제 동일한 방향으로 지향되고 평행하게 정렬된 N-S 축을 가지고 있기 때문에, 도 9a 내지 도 9c에 나타낸 바와 같이, 하우징 블록(28, 30) 및/또는 극 연장 블록(32 및 34)의 두꺼운 벽부(39' 및 39")는 반대 극성으로 자화된다. 그 결과, 디바이스(10)는 효과적으로 영구 쌍극 자석을 형성하며, 이 자석은 외부 강자성 작업물과 함께 폐쇄된 자기 회로를 생성할 수 있으며, 수동 극(pole) 연장 레일(rail) 또는 "슈"(32, 34)와 접촉하게 될 때 솔레노이드 코일 본체(24)에 지속적으로 전력을 인가할 필요가 없다. 이에 더하여 또는 이를 갈음하여, 하우징 블록(28) 또는 디바이스(10)의 다른 부분에 스톱, 핀(pin), 및/또는 래치(latch) 메커니즘(83)이 포함되어 상부 자석(14)을 실질적으로 제 2 위치에 유지할 수 있다.

디바이스의 "온" 위치는 안정 상태이지만 불안정한, 즉 두 개의 상호 작용하는 영구 자석의 자장에 의해서 형성되는 안장(saddle) 모양의 자기 포텐셜 곡선의 상부 지점은 안정 상태이지만 불안정하며, 여기에서 디바이스(10)의 영구 자석(14, 16) 사이에 작은 외력, 자기 불균형, 또는 실제 평행 상태로부터 자석의 N-S 축의 정렬 어긋남이 발생하면 하우징(28, 30) 내의 두 개의 자석(14, 16) 사이의 자기장이 상부 자석(14)이 오프 위치, 즉 스스로 자기적으로 안정한 더 낮은 포텐셜 상태로 되돌아가는데 충분할 수 있는 작은 토크를 자연스럽게 부여하게 된다. 따라서, 또한 실제적인 이유 때문에 상술한 바와 같이 및 제조 공차를 수용하기 위해서, 디바이스(10)는 디바이스의 "온" 위치에 상부 자석(14)을 선택적으로 유지하고 또한 적절할 때 동일하게 해제하는 스톱, 핀 및/또는 래치 메커니즘(83)을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이는 단순한 하드 스톱(hard stop) 장치일 수 있다. 일 예시로서, 하드 스톱 장치는 축(69)에 부착되고 상부 자석(14)에 회전 가능하게 결합된 하나의 암(arm) 요소로 이루어질 수 있으며, 두 개의 스톱 블록은 디바이스(10)의 "온" 및 "오프" 위치를 나타내는 축(69)의 회전축 둘레의 회전 가능한 위치에서 상부 캡 부재(22) 상에 장착될 수 있다.

바람직하게는, 캡 부재(22), 특히 종단(terminal), 슬롯(85)의 방사 방향으로 연장하는 종단 단부(87, 88), 및 비자화 소재 포획 블록(89)에는 상부 자석(14)의 상부면으로부터 상향으로 돌출하는 이동을 차단하는 원호 형상 슬롯(85) 내에 스톱(stop), 핀(pin), 및/또는 래치(latch) 메커니즘(83)이 포함될 수 있으며, 그 형상은 (평면으로 보아) 단부 스톱(end stop) 사이에서 상부 자석(14)의 회전 중에 원호 형상 슬롯(85)에 들어맞고 또한 그 내부에서 이동하도록 형성된다. 달리 말하면, 원호 형상 슬롯의 길이가 적어도 180 도(degree)가 되어 상부 회전 가능 자석(14)이 고정 자석(16)의 N-S 축(ML)과 평행하거나 역평행한 N-S 축(MU)을 얻을 수 있다.

바람직하게는, 원호 형상 슬롯(85)은 원호가 180 도를 초과하여 연장될 수 있으며, 따라서 같이 회전하는 상부 자석(14)에 고정된 블록(89)이 상부 자석(14)이 "완전한 온" 위치를 약간 지나쳐서 회전한 위치에 정지할 수 있도록 하는 하드 스톱(88)을 제공할 수 있다. 이 "과회전" 위치에서, 하부 자석(16)의 B 자장은 충분한 값의 토크를 상부 자석(14)에 인가하며 이에 따라 상부 자석(16)이 치우쳐져서 하드 스톱(88)에서의 정지 위치에 유지된다.

솔레노이드 코일 본체(24) 내에 포함된 일련의 분리된 오프셋 코일을 (솔레노이드 코일 본체(24)에 있어서 둘 이상의 솔레노이드 코일을 포함하는 실시예에서) 정확한 순서대로 처리하면, 상부 자석(14)은 그 시작 위치, 즉 디바이스(10)의 오프 위치를 나타내는 기준선(도 4a 내지 도 4e 참조)으로 간주되는 0 도로부터 디바이스(10)의 완전한 온 위치까지, 180 도 만큼, 그리고 좀 더 나가서 180 도 내지 185 도 사이로 회전하여 도 8a 내지 도 8e에 나타낸 바와 같이 하드 스톱에 접촉하게 된다. 그 결과, 상부 자석(14)은 여전히 하부 자석(16)과 완전한 정렬에 가깝지만, 하드 스톱에서의 위치에 록(lock)되어, 확실하게 안전한 상태인 "온"으로 디바이스를 유지할 수 있다.

스톱, 핀, 및/또는 래치 메커니즘(83)을 사용하여 180 도로 회전하기 전에 상부 자석(14)을 정지시킬 수 있다. 이들 중간 상태 중의 하나에 있어서, 작업물 접촉 계면에서의 디바이스(10)의 자장 강도(또는 수준)는 디바이스(10)가 "오프" 상태에 있을 때 보다는 더 크고 디바이스(10)가 "온" 상태로 있을 때 보다는 더 작다. 이들 중간 상태 중의 하나에 있을 수 있기 때문에, 디바이스(10)는 다양한 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 예시적인 가변 자기장 시스템에 대한 추가적인 상세 내용은 2018년 04월 23일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0016-02-US, 발명의 명칭이 "VARIABLE FIELD MAGNETIC COUPLERS AND METHODS FOR ENGAGING A FERROMAGNETIC WORKPIECE"인 미국 특허 출원 번호 15/965,582호에 제공되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

솔레노이드 코일 본체(24) 내의 일련의 격리된 오프셋 코일로의 에너지 공급 순서를 간단히 역으로 하게 되면, 상부 자석(14)은 코일 내에서 유도된 B 자장에 의해서 하드 스톱으로부터 "벗겨"(pull off) 질 수 있으며, "온" 회전의 반대 방향으로 180 도를 지나서 회전하게 된다; 일단 완전한 온 지점을 지나게 되면, 상부 자석(14)은 하부 자석(16)의 B 자장에 의해 자연스럽게 오프 위치로 되돌아가려고 하며, 따라서 과도한 스톱(stop) 바이어스 토크에 대응하기 위한 충분한 토크를 얻는데 필요한 전류 임펄스를 초과하는 많은 추가적인 지원을 솔레노이드 코일 본체(24)로부터 받지 않고도 디바이스(10)는 실질적으로 스스로 "오프" 상태로 전환될 수 있다. 일단 턴 오프되면, 극 연장편(32, 34) 및/또는 디바이스(10)가 결합된 작업물의 자장이 감자(degauss)될 수 있다. 실시예들에 있어서, 디바이스(10)는 제 1 위치에서 상부 자석(14)을 록(lock)하는 메커니즘을 포함할 수 있으며, 한편으로 디바이스(10)가 결합된 극 연장편(32, 34) 및/또는 작업물은 감자된다. 감자 기능을 제공하는 시스템과 관련한 추가적인 상세 내용은 2018년 04월 27일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0013-02-US, 발명의 명칭이 "MAGNETIC COUPLING DEVICE WITH AT LEAST ONE OF A SENSOR ARRANGEMENT AND A DEGAUSS CAPABILITY"인 미국 특허 출원 제15/964,884호에 제공되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다. 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

또한, 이 전환 처리는 코일 구동 전자 부품의 장점에도 사용될 수 있다. 상부 자석(14)이 오프 위치로 반대로 회전함에 따라서, 회전하는 상부 자석(14)의 자기장 방향은 솔레노이드 코일 본체(24)에 포함된 코일의 평면의 법선에 대해서 변동, 즉 고정 전류 도체, 즉 코일 권선을 횡단하는 회전하는 B 자장을 갖게 된다. 이는 솔레노이드 코일 본체(24)에 포함된 코일에 전압을 유도하며, 권선에서의 전류 흐름을 유도한다. 캡 요소(22)에 에너지 저장 설비(커패시터, 배터리)를 갖는 적절한 구동 및 제어 회로를 설치하여 코일 구동 회로를 이용하고 이 회로로 동력을 되돌려주며, 오프에서 온 상태로 디바이스(10)를 전환하기 위해서 상부 자석(14)에 (자기적으로) 부여한 토크에서의 에너지 손실 중의 일부를 회수한다.

디바이스(10)의 상기한 순환 및 설계, 및 에너지 회수 가능성의 결과, 본 발명의 바람직한 실시예는 종래 기술에 비해서 현저한 개선점을 나타낸다. 디바이스의 활성 및 비활성 모두를 위해서 코일을 자화하는데 상당량의 전류를 필요로 하는 기존의 전기 영구 자석 시스템과는 달리, 상술한 본 발명의 실시예는 단지 전환 주기의 절반의 단시간만 전력을 필요로 하며, 전환 주기의 절반을 비활성화하는 중에 오프로부터 온 상태로의 디바이스(10)의 전환에 있어서 투입되는 전력의 상당 부분을 회수할 수 있다. 이는 기존의 고정 자석을 갖는 전기식 영구 자석 시스템에 비해서 현저하게 더 효율적인 작업을 가능하게 한다.

또한, 전기식 영구 자석 시스템은 원래부터 특정 조건 하에서의 자기 회로 형성 능력에 제한을 받는다. 전기 영구 자석 시스템에서 통상적으로 전환 가능한 자석으로 사용하고 있는 AlNiCo 자석의 자속 출력은 현대적인 희토류 자석의 자속 출력만큼이나 높지만, AlNiCo 자석의 포화 보자력은 희토류 자석에 비해서 현저하게 낮다. 몇 개의 에어 갭이나 낮은 상대 자기 투과력을 갖는 소재가 존재하는 경우 "부하가 걸린"(loaded) 자기 회로에 있어서, AlNiCo은 다량의 자화를 유지할 수 없으며, 결과적인 자기장의 전체 강도에 현저한 영향을 미친다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 영구 자석 소자는 모두 동일한 희토류 자성 소재로 이루어지며, 따라서, 이들은 동일한 높은 포화 보자력을 갖는다. 따라서, 극단적으로 기대에 못 미치는 자기 회로라고 할지라도, 본 발명에 따른 디바이스(10)는 동등한 크기 및 능동 자성 재료 체적의 대응하는 전기 영구 자석 유니트 보다 더 큰 자기장 강도를 가질 수 있다. 이는 전기적으로 구동되는 전환 가능한 영구 자석 시스템의 유연성을 현저하게 확장시킨다.

도 10a는 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스(10')의 다른 실시예의 측면도이고, 도 10b는 도 10a에 나타낸 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 측면도로, 캡 구조(22)와 솔레노이드 코일 본체(24)가 이 디바이스로부터 제거된 상태를 나타낸 도면이며, 또한 도 10c는 도 10a 및 도 10b에 나타낸 전기적으로 전환 가능한 영구 자석 디바이스의 측단면도이다. 동일한 도면 번호를 대응하는 동일한 부품을 지시한다.

디바이스(10')는 디바이스(10)와 유사하게 기능하지만, 디바이스(10')는 디바이스(10) 내에 포함된 두 부분으로 형성된 하우징과는 달리 단일 부분으로 형성된 하우징(31)을 포함한다. 솔레노이드 코일 본체(24) 및 상부 자석(14)을 수용하기 위해서, 하우징(10')은 솔레노이드 코일 본체(24)를 수용하는 절결부(90)를 포함한다. 디바이스(10)에 유사하게 디바이스(10')의 상부 자석(14)은 솔레노이드 코일 본체(24) 내에 배치된다. 또한, 하부 자석(16)은 (도 10c에 도시한) 하우징(31)의 바닥부 내에 배치된다. 일단 하부 자석(16)과 솔레노이드 코일 본체(24)가 하우징(10')의 절결부(90) 내에 배치되면, 하우징(31)의 상측에 캡 부재(22)를 고정한다.

예시적인 실시예에 있어서, 디바이스(10, 10')는 로봇 시스템에 내장될 수 있다. 도 11을 참조하면, 예시적인 로봇 시스템(700)이 도시된다. 도 11에 로봇 시스템(700)을 도시하였지만, 이와 관련하여 설명한 실시예는 다른 유형의 기계(예컨대, 크레인 호이스트, 픽 앤 플레이스 기계(pick and place machine) 등)에도 적용 가능하다.

로봇 시스템(700)은 전자식 컨트롤러(770)를 포함한다. 전자식 컨트롤러(770)는 결합 메모리(774)에 저장되어 프로세서(772)에 의해서 실행되는 추가적인 논리(logic)를 포함한다. 로봇 암(704)의 이동을 제어하는 로봇 이동 모듈(702)이 포함된다. 도시된 실시예에 있어서, 로봇 암(704)은 수직축 둘레로 베이스에 대해서 상대적으로 회전 가능한 제 1 암(arm) 세그먼트(706)를 포함한다. 제 1 암 세그먼트(706)는 제 1 조인트(710)를 통해서 제 2 암 세그먼트(708)에 이동 가능하게 결합되며, 이때 제 2 암 세그먼트(708)는 제 1 방향으로 제 1 암 세그먼트(706)에 대해서 상대적으로 회전 가능할 수 있다. 제 2 암 세그먼트(708)는 제 2 조인트(712)를 관통하여 제 3 암 세그먼트(711)에 이동 가능하게 결합되며, 이때 제 3 암 세그먼트(711)는 제 2 방향으로 제 2 암 세그먼트(708)에 대해서 상대 회전할 수 있다. 제 3 암 세그먼트(711)는 제 3 조인트(716)를 관통하여 제 4 암 세그먼트(714)에 이동 가능하게 결합되며, 이때 제 4 암 세그먼트(714)는 제 3 방향으로 제 3 암 세그먼트(711) 및 회전 조인트(718)에 대해서 상대 회전할 수 있으며, 이에 의해서 제 3 암 세그먼트(711)에 대해서 상대적인 제 4 암 세그먼트(714)의 방향을 변경할 수 있다. 자석식 결합 디바이스(10)는 예시적으로 로봇 암(704)의 단부에 고정된 것으로 도시하였다. 자석식 결합 디바이스(10)를 사용하여 작업물(27)(미도시)을 로봇 암(704)에 결합한다. 자석식 결합 디바이스(10)를 도시하였지만, 본 출원 명세서에서 설명한 임의의 자석식 결합 디바이스 및 본 출원 명세서에서 설명한 임의 개수의 자석식 결합 디바이스를 로봇 시스템(700)에 사용할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 전자식 컨트롤러(770)는 프로세서(772)에 의해서 로봇 이동 모듈(702)을 실행시켜 로봇 암(704)을 제 1 자세로 이동시키며, 이때 자기 결합 디바이스(100)는 제 1 위치에서 작업물과 접촉한다. 전자식 컨트롤러(770)는 프로세서(772)에 의해서 자기 커플러 상태 모듈(776)을 실행시켜 자석 디바이스(10)로 하여금 상부 자석(12)을 하부 자석(14)에 대해서 상대적으로 이동시켜 자기 결합 디바이스(10)가 온 상태에서 작업물을 로봇 시스템(700)에 결합하도록 한다. 전자식 컨트롤러(770)는 프로세서(772)에 의해서 로봇 이동 모듈(702)을 실행시켜 제 1 위치로부터 제 2의 소정의 이격된 위치에 작업물을 이동시킨다. 작업물이 소정의 제 2 위치에 있게 되면, 전자식 컨트롤러(770)는 프로세서(772)에 의해서 자기 커플러 상태 모듈(776)을 실행시켜 자석 디바이스(10)가 하부 자석(14)에 대해서 상대적으로 상부 자석(12)을 이동시켜 자석 결합 디바이스(10)를 오프 상태에 위치시켜 로봇 시스템(700)으로부터 작업물의 결합을 해제한다. 전자식 컨트롤러(770)는 이후에 해당 공정을 반복하여 다른 작업물을 결합하고, 이동시키고, 그리고 결합 해제한다.

일 실시예에 있어서, 개시된 자석 디바이스는 자석 디바이스와 이 자석 디바이스에 결합하게 되는 작업물 사이에 위치하는 자기 회로의 특징을 결정하기 위한 하나 이상의 센서를 포함한다. 예시적인 센서 시스템에 대한 추가적인 상세 내용은 2018년 04월 27일자로 출원한, 출원인의 문서 번호 MTI-0013-02-US, 발명의 명칭이 "MAGNETIC COUPLING DEVICE WITH AT LEAST ONE OF A SENSOR ARRANGEMENT AND A DEGAUSS CAPABILITY"인 미국 특허 출원 제15/964,884호에 제공되어 있으며, 그 개시 내용 전체는 참조에 의해서 명시적으로 본 출원 명세서에 포함된다.

상술한 예시적인 실시예에 대해서 본 발명의 범위로부터 이탈하지 않고도 다양한 변형 및 추가를 행할 수 있다. 예를 들면, 상술한 각 실시예가 특정한 특징을 설명하고 있지만, 본 발명의 범위는 또한 상술한 특징 전체를 포함하지 않는 서로 다른 조합의 특징 및 실시예를 갖는 실시예를 또한 포함한다. 따라서, 본 발명의 범위는 모든 균등물과 함께 본 발명의 청구 범위 내의 모든 그와 같은 대체, 개량, 변형을 포함하도록 의도되었다.

Claims

강자성 작업물에 자기적으로 결합하기 위한 전환 가능한 영구 자석 유니트에 있어서,
하우징;
상기 하우징 내에 장착되고 능동 N-S 극 쌍을 갖는 제 1 영구 자석;
상기 하우징 내에서 상기 제 1 영구 자석과 적층 관계로 회전 가능하게 장착되고 능동 N-S 극 쌍을 갖는 제 2 영구 자석으로서, 상기 제 2 영구 자석은 제 1 위치 및 제 2 위치 사이에서 회전 가능하며, 상기 전환 가능 영구 자석 유니트는 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 전환 가능 영구 자석 유니트의 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 1 레벨의 자속 및 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 2 레벨의 자속을 가지며, 상기 제 2 레벨은 상기 제 1 레벨을 초과하는, 상기 제 2 영구 자석; 및
상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치되는 적어도 하나의 도전 코일로서, 상기 적어도 하나의 도전 코일을 통해서 전달되는 전류에 반응하여 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 도전 코일의 자기장의 일 성분은 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 제 2 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍을 따라서 S로부터 N으로 지향되는, 상기 적어도 하나의 도전 코일을 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2 영구 자석을 상기 제 2 위치에 유지하기 위한 수단을 더 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2 영구 자석을 상기 제 2 위치에 유지하도록 구성된 회전 리미터(rotation limiter)를 더 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 제 1 영구 자석 및 상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 도전 코일은 상기 하우징의 외측면 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 도전 코일은 상기 하우징 내에 및 상기 제 2 영구 자석의 외측면 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍은 둘 이상의 능동 N-S 극 쌍을 포함하며, 상기 제 2 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍은 둘 이상의 능동 N-S 극 쌍을 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 도전 코일에 전류를 공급하여 상기 도전 코일의 자기장을 생성하도록 구성되는 전원 공급 장치를 더 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 제 2 영구 자석의 상기 N-S 극 쌍의 상기 N-S 극 쌍을 따라 S로부터 N으로 지향되는 상기 성분은 상기 도전 코일의 자기장의 전부를 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 하우징은 두 부분으로 형성된 하우징인, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
청구항 1에 있어서,
상기 하우징은 단일 부분으로 형성된 하우징인, 전환 가능한 영구 자석 유니트.
전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법으로서, 상기 전환 가능한 영구 자석 유니트는 상기 전환 가능한 영구 자석 유니트의 작업물 접촉 계면에서 강자성 작업물에 자기적으로 결합하도록 구성된, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법에 있어서,
제 1 영구 자석을 하우징 내에 장착하는 단계로서, 상기 제 1 영구 자석은 능동 N-S 극 쌍을 갖는, 단계;
상기 하우징 내에서 상기 제 1 영구 자석과 적층 관계로 제 2 영구 자석을 장착하는 단계로서, 상기 제 2 영구 자석은 능동 N-S 극 쌍을 가지며, 상기 제 2 영구 자석은 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 상기 제 1 영구 자석에 대해서 상대적으로 회전 가능하며, 상기 전환 가능한 영구 자석 유니트는 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 1 레벨의 자속 및 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 2 위치에 있을 때 상기 작업물 접촉 계면에서 상기 강자성 작업물에 사용 가능한 제 2 레벨의 자속을 가지며, 상기 제 2 레벨은 상기 제 1 레벨을 초과하는, 단계; 및
적어도 하나의 도전 코일을 상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 도전 코일을 통해서 전달되는 전류에 반응하여 자기장을 생성하도록 구성되며, 상기 자기장의 일 성분은 상기 제 2 영구 자석이 상기 제 1 위치에 있을 때 상기 제 2 영구 자석의 상기 능동 N-S 극 쌍을 따라서 S로부터 N으로 지향되는, 단계를 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 하우징의 외측면 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 하우징 내에 및 상기 제 2 영구 자석의 외측면 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 적어도 하나의 도전 코일은 상기 제 1 영구 자석 및 상기 제 2 영구 자석 둘레에 배치되는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제 2 영구 자석을 상기 제 2 위치에 유지하도록 구성되는 수단을 포함하는 단계를 더 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제 1 영구 자석에 대해서 설정된 회전 범위 내로 상기 제 2 영구 자석의 회전을 제한하도록 구성된 회전 리미터(rotation limiter)를 포함하는 단계를 더 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 제 1 영구 자석 및 상기 제 2 영구 자석 중 적어도 하나는 복수의 영구 자석을 포함하는, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 도전 코일에 전원 공급 장치를 결합하는 단계를 더 포함하며, 상기 전원 공급 장치는 상기 도전 코일의 자기장을 유도하기 위해서 상기 도전 코일에 전류를 공급하도록 구성된, 전환 가능한 영구 자석 유니트의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 하우징은 두 부분으로 형성된 하우징인, 전환 가능한 영구 자석 유니트 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 하우징은 단일 부분으로 형성된 하우징인, 전환 가능한 영구 자석 유니트 제조 방법.