KR101455407B1 - 자석식 휠 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자기회로는, (a) 전자석 또는 하나 이상의 영구자석을 포함하는 자속원, (b) 디스크, 휠, 롤러 또는 외주면과 유사한 형태를 가지면서 각 회전축에 대해 회전가능하게 유지하는 자속원과 결합된 적어도 2개의 반대로 분극가능한 전극 확장 바디(body), 및 (c) 자석이 전극 확장 바디의 외주면에 아주 가깝거나 또는 접촉할 경우 자속에 대한 외부 자속로(external flux path)를 제공하도록 전극 확장 바디와 협력하도록 배열된 강자성 카운터 바디(ferromagnetic counter body)를 갖추며, 자속원이 회전가능한 전극 확장 바디에 대해 정지상태로 유지되는 것을 특징으로 한다.

자기회로, 전자석, 자속원, 영구자석, 디스크, 휠 부재, 롤러 부재, 회전축

Description

자석식 휠{MAGNETIC WHEEL}

본 발명은 자석 분야에 관한 것으로, 특히 자석식으로 부착된 상태에서 물체 서로에 대한 움직임을 허용하면서 한 물체를 또 다른 물체에 부착시키기 위한 자기력의 이용에 관한 것이다.

물체 서로에 대한 자유로운 이동 또는 회전 움직임을 허용하면서 한 물체를 또 다른 물체에 고정하거나 또 다른 물체 상에 지지시킬 필요가 있는 많은 상황 및 응용이 있다.

물류 운송 분야에 있어, 예를 들면, 어느 한 위치에서 다른 위치로 금속 박판과 기타 강자성의 작업 단편들(work pieces)을 운송하는데 롤러 컨베이어(roller conveyors)가 사용된다. 중력은 반드시 상기 작업 단편들이 운송됨에 따라 이들이 (일부 롤러가 구동(drive)될 수 있고 나머지가 정지(idle)되는) 상기 컨베이어 롤러 상에 유지되도록 하며, 따라서 그러한 컨베이어 시스템은 롤러가 경사진 이동 경로 부분들을 따라 배치되는 곳에서 상기 작업 단편들이 제거되는 것을 막는 것으로 추가적인 전용 억제 구조가 사용되지 않는 한 주로 공통 수평면으로 사실상 확 장하는 롤러 운송 경로를 가질 것이다.

밀폐된 환경, 예를 들면, 커다란 창고에서의 오버헤드 운송 응용에 있어, 휠형 캐리지(wheeled carriages)로부터 차례로 크레인(crane) 헤드 구조, 그리퍼(gripper) 및 유사한 부착 장치들이 메달려 있도록 고정된 오버헤드 레일을 설치하는 것이 알려져 있다. 중력은 반드시 상기 오버헤드 유도 레일의 상부에 그리고 상부와 맞물리는 홈이 있는 캐리지 휠을 고정하도록 하며, 사이드 브라켓(side brackets)은 상기 레일로부터 측상 이탈에 대한 추가적인 안전을 제공한다.

고층 빌딩 건축 분야에 있어, 유리창 청소 등과 같은, 유지보수 작업을 수행하기 위해 상기 빌딩의 정상(top)으로부터 수직 움직임을 위해 매달린 플랫폼을 작업하기 위한 가이던스(guidance)를 제공하는 레일을 수직으로 확장하여 제공하는 것에 관해 잘 알려져 있다. 상기 플랫폼은 상기 레일을 따라 수직으로 움직일 수 있도록 고정되는 동안 수평 움직임(예를 들면, 스웨잉(swaying))을 막도록 상기 레일에 걸쳐 딱 맞게 맞물리는 그리퍼 메커니즘(gripper mechanisms)을 병합한다.

로봇 공학, 특히 원격 제어 차량(remote controlled vehicle)을 사용하는 그러한 로봇 공학에 있어, 오퍼레이터(operator)에 의해 원격으로 특정 업무들이 수행될 수 있는 방법에 의해 자발적인 휠형 플랫폼 또는 자체-추적(self-tracked) 차량, 다수의 다양한 타입의 툴(tools)과 기구(implements)로 병합하는 것에 관해 잘 알려져 있다. 예를 들면, 그리퍼-아암(gripper-arms)은 접근하기 어렵거나 해가 되는 환경에서의 샘플들을 복구하기 위해 그러한 차량들로부터 배치될 수 있다. 마찰을 개선하는 동안 휠과 트랙 코팅은 상기 차량이 엄청난 경사들을 따라 오르거나 하강하도록 하기 위해 표면에 대한 상기 차량의 부착성을 증가시키는데 사용될 수 있다.

본 발명은 상기에 목록된 것과 같은 응용들, 특히 다음과 같은 하나 이상의 응용 환경들에 관한 것을 포함하여 고안되었다: (a) 강자성 재료는 이송 또는 운송을 필요로 하고, (b) 강자성 구조의 병합 또는 존재는 힘 소스로서 자석(magnet)의 사용이 대체가능한 방식으로 서로에 대한 물체들을 고정하도록 할 것이며, (c) 전용 강자성 재료 기판 또는 지지 표면 상에 움직일 수 있는 물체의 강제 잠금 체결부(force-locking engagement)를 제공하기 위해 중력이 부재하거나, 또는 (d) 실제로 중력의 존재는 차량이 자체-추진되게 하거나 그렇지 않으면 가파르게 경사지고, 수직이며, 심지어 경사지거나 수평한 강자성 특성을 갖는 오버행잉(overhanging; 예를 들면 천장) 표면을 따라 움직이게 하는 특수화된 지지대, 가이드 또는 다른 유지 구조물 또는 측정 기구의 건설 또는 설비를 필요로 할 것이다. 하지만, 하기에 개시된 발명과 그 근본적인 원칙은 또한 물체 결합을 달성하기 위해 자기력을 사용하는 것이 아닌 기존 해결방법을 대체하는, 보다 폭 넓은 응용들을 찾을 수 있다.

서로에 대한 물체들을 고정하기 위한 특정 영구자석의 사용에 있어, 자기 흡인력(magnetic attraction force)은 사용된 활성 자기 재료의 유형과 양에 관한 함수로서, 상기 자석의 작업면(working face)의 구조, 상기 활성 자기 재료를 둘러싸는 자속 회로에 있어서의 공기 또는 다른 자기 누출 경로와 상기 자기 흡인력에 영향을 주는 바디, 상기 흡인형 바디의 강자성 재료 특성(이를 테면 그것의 상대적 영구성과 자기 포화 한계), 및 중력 벡터에 비례하는 흡착된 물체들 사이의 수직 항력 벡터의 방향에 관한 것이 알려져 있다.

다른 말로, 제1 물체(예를 들면 영구자석을 운송하는 물체)와 제2 물체(예를 들면 강자성 박판) 사이에 생성된 폐쇄(또는 부하) 자기회로의 기능적 에너지 요소뿐만 아니라, 물리적 및 기하하적 인자들은 결국 어떻게 상기 물체들이 서로 강하게 끌어당기는지, 그리고 이러한 물체들은 서로 부착되어 있는 동안 서로에 대해 대체될 수 있는지를 결정할 것이다.

물체들의 보다 강력한 평면들은 자기 흡인력에 의해 서로 '강제'되며, 두 물체의 재료의 접합을 위해 적용한 임의의 주어진 마찰계수로, 흡인력 벡터에 수직인 힘을 가함으로써, 서로 부착되어 있는 동안 서로에 대해 그들을 대체하는 것은 보다 어렵다. 자기적인 흡인면은 매우 큰 마찰계수를 가질 수 있으며, 이러한 지식은 강자성 물체가 자기 활성 재료(magnetic active materials)를 병합하는 지지구조에서 (정상 동작 상태를 가정하는) 대체물에 대해 단단히 고정되어 있는, 자기 클램프(magnetic clamps), 자기 필터(magnetic filters), 자기 척(magnetic chucks) 등과 같은, 광범위한 기술적 해결방법에서 표현을 찾아냈다는 것을 또한 알 수 있다.

자기적으로 결합된 물체들이 서로에 대해 보다 쉽게 이동하도록 하기 위해, 소위 자석식 휠(magnetic wheels)이 예를 들면 디스크형 자체-추진 용접 및 정밀 검사 로봇과 같은 선택적인 산업 응용들을 위해 고안되었다.

그 가장 간단한 구현에 있어, 자석식 휠은, 상기 자석의 대향 축상의 단면들이 다른 극성(여기서 축방향으로 자기화된 이란 용어임)을 가지도록 자기화된, 예 를 들면 디스크형 네오디뮴-철-붕소 자석(disc-shaped Neodymium-Iron-Boron magnet)과 같은, 영구자석 재료의 솔리드 디스크(solid disc)로 구성될 수 있다. 하나의 그러한 디스크 각각은, 차례로 차량 섀시(chassis) 또는 프레임(frame)에 장착될 수 있는, 비-자성 차축 부재(non-magnetisable axle member)의 대향하는 종단 상에 고정될 수 있으며, 이로써 상기 디스크들은 자기적으로 흡인성 기판 표면 상의 그들 주변 표면과 맞물릴 수 있고 자석적으로 부착된 상태에서의 그러한 표면 상에서 롤링(rolling)할 수 있으며, 예를 들면 미국 특허 제6,886,651호(슬로컴(Slocum) 등)호의 컬럼 12의 44줄과 대비된다. 각 디스크(또는 휠)는 상기 디스크와 기판 사이의 강력한 흡인력을 생성하여, 그것이 남아 있는 기판으로 확장하는 적어도 부분적으로 폐쇄 루프 자기장을 생성할 것이다.

슬로컴(Slocum)은 또한 상기 디스크 부재만이 상기 휠이 자기적으로 맞물리는 자기적인 흡인면과 접촉하여 그들의 주변 표면들과 만날 수 있도록 자기 코어보다 다소 더 큰 직경을 가지는 (자화 가능하나 자기적으로 수동형(passive) 재료를 포함하는 연철, 퍼멀로이(permalloy) 또는 라미네이트형 구조로 만들어진) 2개의 자기 흡인형 부재 사이에 삽입된 디스크형의 축상으로 자기화된 자기 코어 요소로 이루어진 다소 더 정교한 아직 단순한 자석식 휠을 개시한다. 상기 디스크 부재는 따라서 상기 자기 코어 요소로 향하는 자속을 관통하는 전극 확장(pole extension) 조각들을 나타내고 그러한 자속에 대한 낮은 자기 저항 경로를 제공하며, 따라서 전극 확장 디스크 없는 휠 실시예와 비교하여 각 휠 유닛과 자기적인 흡인성 지지면 사이의 흡인력을 개선시킨다.

슬로컴의 자석식 휠은 재료 운송 시스템의 일부를 형성하는 자체-추진 캐리지(self-propelled carriages)로 병합되며, 그러한 캐리지는 천장, 수직 및 경사진 벽을 포함할 수 있는 자기적인 흡인면을 따라 움직일 수 있다.

미국 특허 제5,809,099호는 반응기 압력 용기를 검사하는데 사용하기 위한 레이저-유도 수중 벽 클라이밍 로봇(laser-guided underwater wall climbing robot)을 개시하여, 이 로봇은 차량이 상기 반응기 용기의 강자성 내부 표면을 따라 움직이도록 하기 위해 필요한 흡인력을 제공하기 위해 사용된 4개의 자석식 휠을 병합하는 자체-추진 차량 상부구조를 포함한다. 각 휠은 그것과 함께 회전하기 위한 비자성 차축 샤프트 상에 지지된 링(ring)형의 영구자석, 상기 링-자석의 대향하는 축상의 면들에 자가적으로 부착되어 고정되어 있는 자석보다 약간 더 큰 직경의 2개의 강철(steel) 디스크들로 구성되며, 즉 상기 디스크는 상기에 개시된 슬로컴 휠과 유사한, 상기 휠 유닛의 주변 체결부 표면뿐만 아니라 자기화된 전극 확장 조각들을 제공한다.

미국 특허 제5,853,655호는 자동 용접과 파이프, 강철판과 같은 강자성 기판의 절단을 위해 자석식 휠 유도 캐리지(magnetic wheel guided carriage)를 개시하며, 여기서 상기 자석식 휠은 자석의 직경보다 더 큰 직경의 인터리빙 링형의 연철 디스크(예를 들면 5) 사이에 삽입된 다수의(예를 들면 3개의) 축상으로 자기화된 링-형 자석으로 구성된다. 적층형 디스크는 스테인리스 강철 슬리브(sleeve) 상의 회전에 대항하여 장착되고 고정되며, 차례로 상기 캐리지의 차축 상에 수용될 것이다. 다시, 각 휠 유닛은 자기장이 상기 강자성 기판으로 확장하는 다수의 N극 및 S 극을 가지며, 이로써 상기 기판 표면에 상기 휠을 고정하는 각 휠에서 폐쇄 자속로(closed magnetic flux path)를 형성한다.

다른 종래 기술의 특허들은 또한 '기본적인' 자석식 휠이 특정 응용 분야에서 나타날 수 있다는 특정 결점들을 처리하기 위해 연구하는 양태와 방법들을 다룬다는 것으로 알려져 있다.

그래서 예를 들면, 미국 특허 제3,690,396호(가이(Guy))는 자기적인 흡인면이 특정 응용들에 있어 불리할 수 있는 매우 큰 마찰계수를 가질 수 있다는 상기 언급된 문제를 처리하기 위한 목적이었을 것이다. 가이는 한 쌍의 휠 어셈블리가 상기 차량을 추진하기 위해 고정되는 라이브(live: 또는 정지 마찰(traction)) 차축을 적당히 조정함으로써 결합되는 발동기(prime mover)(예를 들면 전기 모터)가 장착된 프레임을 가지는 차량을 개시한다. 일 실시예에서, 비-구동 휠 어셈블리들 중 하나는 외부(외주)면이, 상기 차량 프레임이 추진됨에 따라 상기 휠 어셈블리 상에 드래그(drag)를 최소화하는, PTFE(polytetrafluoroethylene)와 같은, 비-분극성인 마찰-방지 재료로 된 박막으로 코팅된 원통형 롤러 휠을 형성하기 위해 서로 고정된 다수의 축상으로 분극화된 환형(annular)의 자석 디스크로 구성된다.

가이는 또한 전자석식 휠 어셈블리를 개시하며, 여기서 비-자기 원통형 쉘(shell)은 그것과 함께 회전하기 위한 상기 휠의 차축 상에 장착된 내부 코어 요소에 대한 전자기 코일을 개시한다. 자화가능 분극 디스크들이 상기 쉘 부재의 축상의 단부에 배열되며, 전기 에너지가 상기 분극 디스크들 중 하나에 고정된 와이퍼 접촉(wiper contacts)을 통해 자기 코일에 공급될 수 있다. 상기 전자기 코일의 에너지화 시, 상기 분극 디스크들은 반대 극성들로 분극될 것이다. 상기 분극 디스크들의 환형의 림(lims)은 상기 차량이 이동하도록 된 자화가능한 기판 표면과 접촉하여 롤링하기 위해 다시 비-자화가능한 낮은 마찰 재료로 코팅된다.

반대로, 미국 특허 제2,694,164호(게페트(Geppelt))는 강자성 표면들을 거쳐 자체-추진되는 용접 및 절단 토치(torch) 캐리지와 관련하여 사용된 유형의 자석식 휠을 개시한다. 상기 자석식 휠 유닛은 그 축방향으로 자기화되는 환형의 원통형 영구자석 내에 수용된 비자화가능한 재료의 차축 슬리브, 서로에 대해 그리고 그 축상의 길이의 중간에 대해 자석을 둘러싸는 비자성 스페이서(spacer) 디스크의 대향측면과 클램프형 폐쇄 체결체(clamped close engagement)로 확장하는 환형 플랜지(flanges)를 갖는 연철 재료로 된 2개의 원통형의 컵(cup)형 휠 부재로 구성된다. 상기 컵형 휠 부재의 각각의 맞댄 내부 면들에 대해 인접한 자석의 축상 단면들은 상기 자석에서 상기 휠로 운송하는 자속이 그들 주변 표면을 향하도록 하고, 상기 스페이서 디스크는 상기 2개의 휠을 분리하도록 제공함으로써 이는 상기 휠의 영구자석에 의해 생성된 자기장에 따른 반대 분극들을 나타낼 것이다. 게펠트는 (컵형 플랜지 두께가 균일한 종래 실시예와 비교하여) 스페이서 디스크로 향하는 상기 환형의 컵형 플랜지의 벽 두께의 감소는 상기 자석식 휠과 그것이 부착된 기판 사이에 인가될 수 있는 흡인력을 증가시킨다는 것을 약술하고 있다.

실제로, 그리고 종래 기술의 자석식 휠 구성에 대한 상기 설명의 관점에서, 한 물체에 다른 물체를 부착하기 위한 자석의 소스로서, 용량 또는 유지 요건들을 운송하는 특정 동작 부하를 충족시키기 위해 휠 구조를 통해 자기적인 흡인성 바디 로의 자속 운송 방법 및 배열을 고안함에 있어 기술적 도전은 여전히 존재한다.

보다 제한된 양태에 있어, 강자성 기판 표면 상에 그러한 차량을 고정하고 상기 자속 운송 메커니즘이 상기 기판 표면으로부터 상기 차량의 자기적인 결합 및 분리에 대한 더 큰 유연성(flexibility)을 허용하도록 하기 위해 자기 에너지를 사용하는 차량을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

또 다른 보다 더 제한된 양태에 있어, 강자성 물체가 고정된 방식으로 위치들 사이에서 운송될 수 있고, 여기서 그러한 운송 동작의 끝에 상기 물체가 상기 지지구조로부터 안전하고 쉽게 착탈될 수 있는 자기 지지구조를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

또 다른 양태에 있어, 머시닝(machining) 또는 상기 물체에 대한 다른 동작들을 수행하기 위해 상기 물체의 자유 움직임을 허용하는 동안 물체를 고정하기 위해 동작될 수 있는 자성의 그리퍼 제품을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본원에 사용된 '강자성(ferromagnetic)'이란 용어는 금속과 합금 뿐만 아니라 복합 재료도 포함하도록 하며 외부 자기장에 영향을 받을 때 자기화될 것이며 자기력에 영향을 받을 것이다.

본 발명의 다른 양태들은 하기에 후속하는 바람직한 실시예들로부터 분명해질 것이다.

광범위하게, 본 발명은 (a) 자속원으로서 하나 이상의 영구자석, (b) 디스크, 휠, 롤러 또는 외주면과 유사한 형태를 가지면서 각 회전축에 대해 회전가능하게 유지되는 상기 자속원과 결합된 적어도 2개의 반대로 분극가능한 전극 확장 바디(body), 및 (c) 자석이 전극 확장 바디의 외주면에 접촉할 경우 자속에 대한 외부 자속로(external flux path)를 제공하도록 전극 확장 바디와 협력하도록 배열된 강자성 카운터 바디(ferromagnetic counter body)를 갖춘 자기회로에 구비된 것으로 정의되며, 자속원이 회전가능한 전극 확장 바디에 대해 정지상태로 유지된다.

상술한 바와 같이 한 물체를 또 다른 물체에 부착하는데 사용된 "통상의" 자석식 휠 회로와 비교하면, 본 발명은 디스크, 롤러 또는 휠과 같은 전극 확장 단편(piece)으로부터 수동 자석원 또는 요소(예컨대, 절환가능(switchable) 또는 종래의 영구자석)를 물리적으로 분리시키며, 상기 전극 확장 단편은 그들 각각의 회전축에 대해 자유로운 회전을 유지하지만 결합된 자속원은 정지상태로 유지, 즉 전극 확장 단편과 함께 회전하지 않는다.

바람직하게, 회전가능한 전극 확장 단편으로부터 자속원을 공간적으로 분리시킴으로써, 예컨대 이들 요소들간 작은 에어 갭(air gap)을 유지함으로써 물리적인 분리가 달성될 것이다(이하 참조). 용어 "작은"은 특정 응용에 따라 달라지며, 예컨대 0.1mm(또는 보다 작은)에서 수 mm까지 될 것이다.

상술한 종래의 자석식 휠에 있어서, 자속원과 결합된 일단(mass)은 더이상 휠과 함께 회전하지 않으며, 이에 따라 모든 부수적인 장점에 적합한 휠 구조에서의 관성 모멘트(inertia moment)를 감소킨다. 또한, 자속원으로부터의 휠의 물리적인 분리는 자속원을 고안하거나 설계하는데 보다 높은 유연성을 가능하게 한다.

자석식 휠 유닛의 자속원은 전자석이며, 이는 미국특허 제3,690,393호 또는 제6,886,651호에 기술되어 있으며, 회전가능한 휠로부터 자속원의 물리적인 분리는 자석 코일 내로 전기력을 전달하기 위해 요구된 메카니즘/배열을 단순화시키며, 안정을 유지하면서 회전하는 전자석 코일 회전자 내로 전극 단편을 통해 전기를 전달하기 위해 요구된 것 외에는 브러쉬(brush) 또는 전극 슈(shoe)를 필요로 하지 않는다. 그와 같은 단순화된 배열은 특허문헌 RU 2 055 748에 개시되어 있다.

사용된 자속원 타입과 별도로, 자속원에서 회전가능한 전극 확장부재로 전달되는 자속은 자속원 유닛과 전극 휠 사이에 존재하는 용적(volume) 내에 수용된 유체이거나 에어(air)일 수 있는 '워킹 갭(working gap)'을 가로질러 영향을 미칠 수 있으며, 상기 유체는 저 자기저항 경로(low magnetic reluctance path), 즉 에어보다 낮은 상대적인 자기저항을 갖는 자화가능 유체를 우선적으로 제공한다.

또한, 각각 적어도 하나의 N-S 전극쌍을 포함하는 종래의 자석식 휠과 반대로, 본 발명은 각각 회전가능한 전극 확장부재가 오직 하나의 극성, 즉 S극 또는 N극만을 나타내는 실시 및 배열을 제공할 수 있어, 폐쇄된 자속로가 저 자기저항 자속로를 제공하는 강자성 카운터 바디를 통해서 그리고 또 다른 전극 확장부재 내에 하나의 전극 확장부재로부터 전달되는 자속을 둘러싼다.

이하, 이해를 용이하게 하기 위해, 그리고 특정 내용으로 다르게 나타나지 않는 한, 용어 '휠'은 보통 방사상 연결구조로 결합된 림(rim) 및 허브(hub), 예컨대 스포크(spoke), 페이스 웹(face web) 등을 포함하고, 고정축에 대해 회전가능하고 림의 회전에 따라 이동 또는 회전 움직임을 위한 차량 또는 작업편을 지지하는데 사용되는 단일의 연철 디스크, 원통형 롤러, 풀리(pully) 및 다른 구조 등과 같은 모든 타입의 회전가능한 전극 확장 바디들을 둘러싸는데 이용될 것이다.

또 다른 특징에 있어서, 본 발명은 적어도 2개의 휠 부재 및 적어도 하나의 쌍극자 자석을 지지하는 차량 바디를 포함하는 자석식으로 끌어당기는 기판(substrate)에 자석식으로 부착할 수 있는 차량을 제공하며, 상기 휠 부재는 자석식으로 수동적이지만 분극가능한 재료를 포함하고, 상기 휠 부재 및 쌍극자 자석(들)은 휠 부재가 다른 고정된 쌍극자 자석의 반대로 분극가능한 전극 확장 요소를 회전할 수 있게 하는 방식으로 차량 바디 상에 공간적으로 위치되며, 이에 따라 휠 부재의 기판의 표면 상의 안착은 쌍극자 자석, 전극 단편 휠 부재 및 기판을 둘러싸는 폐쇄 자기회로를 형성한다.

또 다른 특징의 본 발명은 회전을 위해 각각의 축에 배열된 적어도 2개의 휠 또는 롤러 부재를 탑재한 지지 바디, 및 휠 또는 롤러 부재로부터 분리된 지지 바디에 탑재된 적어도 하나의 쌍극자 자석을 포함하여, 자석식으로 끌어당기는 기판을 이동식 또는 회전식으로 변위가능하게 표면에 부착한 자석식으로 유지할 수 있는 지지구조를 제공하며, 상기 휠 또는 롤러 부재는 자석식으로 수동적이지만 분극가능한 재료를 포함하고, 휠 또는 롤러 부재가 별도 고정의 쌍극자 자석의 반대로 분극가능한 전극 확장 요소를 회전할 수 있게 하는 방식으로 지지구조 상에 공간적으로 위치되며, 이에 따라 강자성 기판을 휠 또는 롤러 부재 모두의 외주면과 표면 접촉시키는 것은 쌍극자 자석, 전극 확장 휠 또는 롤러 부재 및 기판을 둘러싸는 폐쇄 자기회로를 형성한다.

본질에 있어서, 첫번째 특징이 예컨대 경사 또는 수직 벽을 따라 이동할 수 있는 외부적으로 또는 자체 추진의 차량 구현을 제공하는 본 발명의 기초가 되는 보다 넓은 개념의 차량 완성을 제공하는 반면, 두번째 특징은 지지 바디와 함께 휠 또는 롤러 부재가 운송 경로를 따라 배치된 다수의 자석식으로 분극가능한 롤러 부재를 따라 강철과 같은 강자성 물체를 운송하기 위한 운송장치에서와 같은 고정을 유지하는 응용, 또는 지지 바디가 자체적으로 운반되거나 또 다른 응용물, 예컨대 로봇 아암에 탑재되고, 이에 따라 전극 휠 부재가 강자성 물체 또는 작업편에 자석식으로 체결되어 고정되게 하는 응용을 커버하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 전극 확장 휠의 자화 소스로서 기존의 영구자석(즉, 항상 외부 자기장이 존재하는)을 채용하는데 적합하다는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 기초가 되는 기본 개념은 미국특허 제6,707,360호 및 제7,012,495호에 개시된 바와 같은 절환가능 영구자석 구조를 이용하는 차량의 구현 및 또 다른 구현에 특히 도움이 될 것이다. 그와 같은 절환가능 영구자석 유닛은 전자석과 기존의 영구자석의 주요한 문제, 즉 전자석을 구동시키기 위한 전력원 및 영구자석의 자속 출력의 불변성의 문제 없이 전자석과 기존의 영구자석의 장점을 조합한다. 즉, 절환가능 영구자석은 전력원을 필요로 하지 않고 강과 약(실질적으로 제로(zero)) 사이의 외부 자기장 및 이들 최대치 사이의 값을 나타내도록 절환(switch)될 수 있다. 상기 미국특허와 관련된 좀더 상세한 내용은 크로스 참조하는 방식으로 여기에 반영된다.

상기 절환가능 영구자석 유닛과 전자석과 같은 가변 자속을 제공할 수 있는 자석유닛의 이용은, 자기 흡인력의 가변성이 강자성 작업편이 회전가능한 전극 확장 요소에 의해 선택적으로 체결되고, 자속원의 동작에 따라 공간적인 조작을 위해 자석식으로 거기에 고정되고, 최종적으로 자석의 비동작에 따라 거기에서 떼어질 수 있는 응용 및 기계 구현을 가능하게 하는 본 발명의 중요한 추가적인 특징을 제공한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 응용분야 뿐만 아니라, 상기 광범위한 발명의 개념의 바람직한 실시의 결론을 찾을 수 있는 추가적인 특징으로 가기 전에, 본 발명의 기초가 되는 기본 개념을 이해하는데 도움이 되는 수반되는 도면들(도 1a, 1b, 1c)의 참조가 이루어질 것이다. 이하의 설명들은 자기회로에서 관찰되고 존재하는 일부 비교적 복잡한 현상의 접근, 형상화 및 단순화에 따라 이해될 수 있을 것이다.

우선 도 1a로 되돌아 가서, 2개의 디스크 형상 휠(12, 14) 및 바(또는 원통) 형상 쌍극자 영구자석(16)으로 이루어진 자석식 휠 유닛(10)에 대해 기술한다. 이들 구성요소는 이하 기술하는 바와 같이 본 발명의 다수의 응용에 따라 구성, 변형 및 통합될 수 있는 기본 유닛을 나타낸다.

자석(16)은 축 끝단면(16a, 16b)을 통해 주로 에어 갭을 가로지르는 높은 자속을 포함하는 높은 보자기력의 희토류 자석이며, 상술한 바와 같이 축 끝단면 쪽으로 강자성 바디에 흡인력(자기 흡인력)을 생성한다.

디스크(12, 14)는 원주의 접촉면(13a) 및 2개의 축 면(13b, 13c)을 가지며, 완전한 강자성 연철을 형성한다.

디스크(12, 14)는 각각 고정된 작은 에어 갭(도 1에는 도시하지 않음)을 유지하는 자석(16)의 축 끝단면(16a, 16b)에 대향하여 위치되고, 따라서 그 디스크 각각은 자석(16)의 각각의 N극 및 S극(20, 22)의 반대로 극성된 전극 확장부를 제공한다. 더욱이, 디스크(12, 14)는 회전할 수 있게 하기 위해 공통 회전축(18)의 도시하지 않은 축(굴대) 부재로 지지된다. 즉, 디스크는 쌍극자 자석(16)에 대해 고정된 공간을 유지하는 전극 확장 '휠' 단편을 자유롭게 회전시킬 수 있으며, 그 회전축은 평행하거나 또는 쌍극자의 N-S 자화축과 일치한다.

자석(16)에서 디스크(12, 14)로 전달되는 자속은 디스크의 면 측(13b)과 자석(16)의 전극(20, 22) 사이의 작은 에어 갭을 가로질러 발생할 것이다. 그 에어 갭은 자석(16)과 전극 단편(12, 14) 사이의 인터페이스에서 마찰 손실을 최소화하기 위한 것이지만, 디스크(12, 14)와 자석의 축 끝단면간 물리적인 접촉을 제공하는 자화가능 롤러 베어링으로 교체되어 자석(16)과 전극 디스크(12, 14) 사이에서 전달되는 자속을 향상시킬 수 있다.

강자성 기판, 예컨대 강철 시트(24)의 표면이 자석식 휠 유닛(10)의 양 전극 디스크(12, 14)의 원주면(13a)과 접촉되면, 폐쇄 자기회로가 형성되며, 폐쇄 자속 루프는 자석(16)과 전극 확장 디스크(12, 14)의 내부 경로, 및 전극 확장 디스크(12, 14)와 강자성 기판(24)간 유닛(10)의 외부 경로로 이루어질 것이다. 즉, 외부 자기장은 기판(24) 내에서 확장하고, 이는 도 1a에서는 26으로 나타나고, 도 1b에서는 27로 전체 폐쇄 루프 자속로로 나타나 있다.

디스크(12, 14)와 강철 시트(24) 사이의 실제 물리적인 접촉영역이 디스크(12, 14)의 총 두께(즉, 폭)를 측정하는 라인으로 규정됨에도 불구하고, 자석식 휠 유닛(10)은 기판(24)에 끌어당겨져 강하게 고정유지될 것이다. 디스크 휠(12, 14)의 자유 회전 특성은 자석식 휠 유닛(10)을 기판(24)에 부착하는 자기 흡인력에 반대되는 매우 작은 힘을 인가함으로써 기판(24)의 표면에 걸쳐 유닛(10)의 이동 변위를 허용한다. 작은 힘의 필요성은 강철 기판 상에서 구르는 강철 디스크에 적용할 수 있는 비교적 낮은 롤링(rolling) 저항계수로부터 유래하며, 그 크기는 동일한 재료-쌍의 조합에 적용할 수 있는 정적 및 동적 마찰계수보다 작은 크기이며, 전극 휠(12, 14)은 그와 같은 정적 휠이 활주하는 표면과 자석(16)에 따라 고정상태를 유지한다.

자속원(16)과 회전가능 전극 디스크(12, 14) 사이의 에어 갭 및 전극 단편 디스크(12, 14)와 기판(24) 사이의 매우 작은 접촉영역의 존재에도 불구하고, 자석식 휠 유닛(10)은 기판에 부착된 상태를 유지할 것이다. 1.2 테슬라 자속밀도를 전달할 수 있는 50mm×40mm '자속원 영역'(즉 자석의 분극 축에 수직인 자속원의 횡단영역)을 갖는 희토류 NdFeB 자석이 되는 영구자석 자속원과, 25mm 폭 × 90mm 직경의 크기를 갖는 2개의 연철 디스크(약 2 테슬라의 자속밀도 포화 레벨을 갖는)와 함께, 약 1 내지 2mm의 영구자석 쪽에 면하여 에어 갭을 유지하는 도 1에 기술된 원리를 구현하는 표준 자석식 휠 유닛(10)은 35mm 두께의 강자성 강철 시트에 부착하여 1200 뉴튼 이상의 '분리력(breakaway force)'으로 무거운 장비를 운반할 수 있다.

알 수 있는 바와 같이, 기판(24)과 회전가능한 전극 디스크(12, 14) 사이의 실제 물리적인 접촉 지역 또는 영역은 매우 작다(이론적으로, 라인은 변형을 감안하면, 즉 부하 하에서의 연철 디스크의 '평평함'은 무시된다).

소위 '수직 전극 영역'이 존재하는 물리적인 접촉영역의 부근에서, 현저한 자속이 에러를 가로질러, 즉 (a) 기판 표면에 면하는 접촉 지역의 양측의 전극 디스크의 원주면으로부터 그리고 (b) 접촉 지역 및 기판 표면에 가까운 디스크의 양쪽 면으로부터 발생하여 전달된다. 본 발명의 내용에 있어서, 그와 같은 에어 갭을 나타내지 않고 원하지 않는 누설 경로로 오해하지 않으며, 그 보다는 오히려 디스크와 기판 사이의 유효한 자석 접촉영역을 확대하고, 소위 가상 전극은 디스크(12, 14)에서 기판(24)으로 자속을 전달하는(비록 낮은 밀도치이지만) 추가적인 수단을 제공하고, 이에 따라 기판(24) 상에 유닛(10)을 고정(또는 그 반대로)하도록 이용할 수 있는 총 당김력에 부가한다. 이들 가상 전극 영역 확장은 도 1b 및 도 1c에 30a, 30b 및 31a, 31b로 도시되고, 상기 예시한 바와 같이 높이 유지하기 위해 가해진 흡인력에 대해 기판과 자석식 휠 유닛(10) 사이의 인터페이스에서 충분히 양호한 특성의 폐쇄 자기회로를 유지하는데 기여한다.

도 1c는 2 테슬라의 자기밀도 포화 레벨을 갖는 90mm 직경 × 25mm 두께의 2개의 연철 전극 디스크(12, 14)에서의 측정된 자속밀도치를 갖는 자기장 라인 모델을 나타내며, 이는 반대의 극성으로 분극되고 자석 기판(24)에 대해 멀리 떨어져 간격된 에어에 유지된다. 전극 휠(12, 14)과 기판(24) 사이의 선형 접촉지역(28)의 양 측 상에는 2 테슬라의 자속밀도가 급격하게 감소하는(즉, 수직 전극 확장부가 감소된 자속밀도를 나타내는) 것을 볼 수 있으며, 10mm의 선형 거리에서, 자속밀도는 물리적인 접촉영역에서 그 값의 약 15%가 감소하고, 20mm의 거리에서는 약 5%가 감소한다.

따라서, 자석(16)으로부터 기판(24)으로 전달되는 자속은 (a) 전극 디스크에 면하는 갭에서 자속원(예컨대 절환가능 영구자석 또는 전자석의 자속 전달 요소)의 인터페이스의 형태 및 크기, (b) 수동 전극 확장 디스크(12, 14)와 자속원(16) 사이의 에어 갭 인터페이스에서의 '자기 누설', (c) 자석(16)이 생성하는 주어진 자기장 강도에서의 동일한 자속밀도를 '지지'(즉 전달 및 전달)할 수 없는 디스크의 기하학적 형상 및 형태 제한, (d) 디스크(12, 14)의 강자성 재료가 가능한 주어진 자기장 강도에서의 동일한 자속밀도를 지금까지 이들이 지지할 수 없는 가상 전극의 특성, 및 (e) 강자성 바디가 자속원에 끌어당겨지는 수단에 의한 자기 당김력이 자속원과 부착된 바디 사이의 접촉영역에 의해 선형적으로 변하고 자속원에 의해 제공된 스퀘어(square)의 자속밀도에 의해 수학적으로 변하는 것을 상기시키는 자속원과 강자성 기판간 총 자기 경로 길이에 의해 영향을 받고 제한될 것이다.

예컨대, 상술한 바와 같은 비교적 큰 직경, 예컨대 3배의 전극 디스크(12, 14)를 이용하는 자석식 휠 유닛(10)은 보다 긴 자기 경로(디스크의 증가된 직경으로 인한)를 갖고, 접촉영역에서의 자기력은 보다 낮으며, 가상의 전극 영역은 보다 작을 것이다(그리고 극한의 상황에서 가상적으로 존재하지 않는).

가상 전극의 실제 크기, 형태 및 기하학적 범위는 고정하지 않고 실제 작업 및 응용 조건에 따라 변경한다. 일반적으로 말해서, 보다 큰 가상 전극지역이 형성될 수 있고, 좀더 큰 자속 전달이 디스크-기판 인터페이스 근처에서 일어날 수 있다. 따라서, 중요한 고려대상은 자기력 손실을 피하거나 최소화하는 것이 필요조건이다.

따라서, 본 발명의 기초가 되는 또 다른 특징에 따르면, 전극 휠은 (a) 자속원으로부터 회전가능한 전극 휠로의 최적의 자속 전달과 (b) 전극 디스크와 기판 표면 사이의 직접적인 물리적 접촉지역의 바깥쪽으로의 최적화된 자속 전달을 가능하게 하도록 상대적으로 큰 면적의 실질 전극을 제공하는 반면, (c) 기판에 면하는 충분한 자기 흡인력을 유지하는데 부응하기 위한 형태 및 크기가 될 것이며, 이는 지금까지 실제로 가능한 각 인터페이스에서의 자기력의 손실을 피하기 위한 중요한 포인트이다.

가상 전극지역의 정확한 한정에 대한 어려움을 알고 있으므로, 자속원(예컨대 영구자석)과 회전가능한 전극 휠 사이의 이상적인 에어 갭 누설이 자유로운 자속 경로를 추정하면, 구성상 가능한 최선의 휠 또는 롤러 전극의 직경 횡단영역, 즉 자화축에 수직인 쌍극자 자석의 전극의 횡단의 크기를 자속원 영역의 크기에 매칭시킬 수 있다. 그와 같은 측정은 최적화, 즉 휠 또는 롤러 전극 확장부의 기하학적 크기가 임의로 선택되거나 또는 자속 전달 고려대상에 상관없이 선택되는 경우와 비교하여 기판과 함께 디스크의 작업 인터페이스(즉 에어 갭)에서 보다 높은 자기력을 생성할 것이다.

그리고, 예컨대 모든 다른 파라메터는 동일하고, 쌍극자 자석의 각각 결합된 전극의 결정가능한 부분을 환형 림부로 둘러싸도록 배치되고 쌍극자 자석의 축 끝단면에 면하는 휠의 내부 디스크 면 사이의 작은 에어 갭을 유지하는 컵 형태의 휠 또는 롤러는 자속 전달 영역이 쌍극자 자석의 축 끝단면에 면하는 표면 영역으로 제한하는 간단한 평판 디스크형의 휠보다 큰 안과 밖으로 자속을 전달하기 위한 총 영역을 갖는 휠을 나타낸다. 일단 컵 형태의 휠이 자속원의 부분을 둘러싸는 컵의 환형 림부가 없는 자석으로부터 나오는 보다 큰 자속의 일부를 '캡쳐(capture)'할 수 있다면, 자속이 '산란"으로 손실될 수 있고, '평판 디스크형' 전극 확장부보다 강자성 기판 쪽에서 보다 높은 자기 흡인력을 생성하도록 그와 같은 추가로 캡쳐된 자속을 이용할 수 있다.

컵 형태의 휠 또는 롤러의 림부의 실제 깊이는 채용되는 자속원의 특성, 특히 자속 전달장치의 자속 '출력'부재에 달려 있다. 본질적으로, 컵 깊이는 자속을 전달하는 최적화된 림 구성에서 낮아지는 원하는 자기력(즉 자기 흡인력)과 최대 자속 전달 조건(환형 림부 깊이가 자석 각각의 N전극/S전극의 전체 길이를 확대시켜 커버할 수 있도록 최적화된) 사이에서 절충한다. 자속원의 커버링과 관련된 환형 림의 실험적으로 결정된 상대적인 크기는 본 발명의 특정 실시예와 연결지어 이하 제공된다.

또한 높은 보자기력의 자속원의 자기력을 보존하기 위해, 수동 강자성 재료 전극 확장 휠의 용적을 최소화하는 것이 바람직하다. 자속 전달의 최적화를 찾는 포인트의 관점에서 보면, 자속원의 효과적인 횡단면이 소정 적용가능한 자속 압축/집중 요소에 의해 분할된 휠의 직경 횡단면과 동일한 이론적인 필요한 용적 최대치가 주어진다(후자는 자속원 밀도 출력과 용량을 수반하는 재료의 특정 자속밀도에 의해 결정된다. 예컨대, 만약 자속원이 1.2 테슬라의 자속밀도를 제공하고 2 테슬라의 자속밀도를 연철에 유도하기에 충분한 자기력을 생성할 수 있으면, 압축 요소는 약 1.6이다). 실제 최대치는 총 자석 경로 길이와 자속/휠 에어 갭 손실로 인해 낮아진다.

다음에, 상술한 광범위한 개념의 다른 실시예에 통합되는 유효한 추가적인 특징으로 되돌아 간다.

종래의 자속원으로서 절환가능하지 않은 자석 또는 바람직하게 절환가능 영구자석 배열을 이용함에 있어서, 자석식 수동 재료가 케이스에 넣어지거나 아니면 회전가능한 전극 확장 요소(즉, 휠)에 추가된 다른 고정 전극 단편과 협력하도록 배치되는 것으로 평가되며, 그 경우에 자속은 수동 재료에서 발생되고 회전가능한 전극 휠에 가깝게 면하여 배치되는 다른 고정 전극 단편을 통해 '이용가능'하게 될 것이다. 또한 특정 형태의 고정 전극 단편은 전극이 수동 자기 재료(즉, 자속원)에 의해 발생된 자기장에 대한 '부하'를 나타내는 것과 같이 자속 전달 용량에 영향을 주어 최대 이용가능한 자화력에 영향을 미친다.

상술한 자석식 휠 유닛(10)의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 미국특허 제7,012,495호에 개시된 절환가능 영구자석이 사용될 것이며, 그와 다른 타입이 맥스위치 테크놀로지 월드와이드 피티와 리미티드(Magswitch Technology Worldwide Pty Ltd; Australia)로부터 또는 그 자회사들로부터 제공될 수 있다. 이들 자속 유닛에 있어서, 수동 자기 재료는 자석 디스크 서로가 회전할 수 있게 하는 2개의 전극 단편 하우징의 원통형 챔버 내에 적층된 2개의 정반대로 분극된 쌍극자 영구자석 실린더로 구성됨으로써, 자석 디스크 각각의 반원형 N극 및 S극부 서로가 안과 밖으로 축 정렬될 수 있게 한다. 하우징의 2개의 강자성(수동) 전극 단편은 2개의 축으로 확장되는 접촉 엣지를 따라 자석식으로 분리되거나 고립되며, 적층된 자석 디스크 각각의 N극 및 S극이 완전 정렬로 회전되면, 자석 디스크의 N극 및 S극을 분리하는 직경이 하우징의 접촉 엣지간으로 확장됨으로써, 전극 단편이 분극되게 하여 N극 전극 확장부와 S극 전극 확장부를 제공한다.

그와 같은 절환가능 전극 자석 유닛은 도 1a의 자속원(16)을 구성하고, 회전가능한 전극 디스크(12, 14)로 전달되는 자속이 하우징 전극 단편을 통해 자석 디스크로부터 발생되어 하우징의 각각 2개의 전극 단편에 가깝게 면하여 위치된 전극 휠과 하우징 전극 단편 사이의 에어 갭을 가로지른다. 전극 단편 하우징의 벽 두께 및 외형은 하우징의 외주에 대해 일정한 자기장 또는 거의 일정한 자속을 갖는 자속원을 제공하도록 선택될 수 있으며, 회전가능한 전극 휠에 따른 유닛의 하우징의 공간적인 방향은 필요에 따라 결정될 수 있다. 절환가능 영구자석 유닛의 특정 선택은 짐 운반 조건에 따라 맥스위치 테크놀로지 월드와이드로부터 이용가능한 정보의 참조에 의해 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 가능한한 마찰이 낮은 재료로 코팅된 자속원과 전극 휠의 면하는 표면을 가지며 인터페이스 유닛-전극 휠에서의 연철 롤러 베어링을 제공할 수 있다. 실제 실시에 있어서는 이동가능한 요소와 고정된 요소간 매우 작은 에어 갭 오차 허용도를 기술적으로 유지하도록 실행할 수 있는 반면 에어 갭을 가로질러 전달되는 자속에 크게 부정적인 영향을 주지는 않는다. 결국, 특정 응용 환경은 에어 갭 거리 필요조건을 지시할 것이다.

또한, 응용은 전극 휠이 축에 대해 자유롭게 회전할 수 있게 하는 반면 자석에 면하는 축 끝단쪽으로 그리고 축 끝단으로부터 멀리 이동할 수 있게 하여, 안과 밖의 마찰 체결이 선택적으로 발생될 수 있으며, 이에 따라 완전한 클러치 및/또는 브레이크가 자석식 휠 유닛 자체에서 실행될 수 있다.

이미 기술한 바와 같이, 본 발명의 차량 및 고정 실행은 전극 휠 또는 롤러를 협력하여 구동 또는 정지시킬 것이다. 휠 및 롤러의 원주면은 휠이 정지 마찰 또는 휴면 휠인지의 여부에 따라 휠-기판 인터페이스에서의 마찰을 감소시키거나 정지 마찰을 향상시키기 위해, 필요에 따라 코팅을 강화하거나 감소시키는 마찰계수를 가질 것이다.

코팅 재료는 바람직하게 자속 전달 손실을 감소시키도록 그와 같은 코팅의 상대적인 자석 투자율 값을 증가시키기 위해 강자성의 미립자, 작은 조각, 분말 등을 혼합한 박막의 고무를 포함하며, 반면 그와 같은 고무화된 코팅을 제공하는 향상된 마찰계수를 유지한다. 휠 접촉면은 다른 '결 구조(texture)', 예컨대 낮은 정지 마찰을 위해 부드러운 결을 가질 수 있으며, 높은 정지 마찰을 위해 '바이트(bite)'를 증가시키도록 만들어질 수 있다. 또한 코팅은 휠 또는 롤러 표면의 전체적인 견고성을 증가시키는데 도움이 되는 재료, 예컨대 좀더 큰 미끄럼성(부드러운 표면) 또는 보다 높은 마찰(결이 만들어진 표면)을 달성하기 위한 티타늄 나이트라이드(Titanium Nitride)의 처리 및 사용을 포함한다. 마찬가지로 소음 감소 코팅이 가능한 반면, 외부로부터 휠/롤러 외주면 상에 부착되는 관계없는 재료를 방지하는데 도움이 되는 코팅은 강철 시트 처리 동작과 같은 '더러운' 응용분야에 특히 효과적이며, 차량에서의 자석식 휠 유닛의 사용은 원격 제어된 페인팅, 납땜, 용접 및 다른 응용에 따라 채용된다.

상술한 타입의 하나 이상의 자석식 휠 유닛을 통합한 장치는 전극 확장 휠 또는 롤러(전극 단편) 부재 중 적어도 하나에 토크(torque)를 전달하기 위해 배치된 모터와 같은 구동 수단을 효과적으로 통합시킬 수 있다. 휠 또는 롤러 부재에서 이용가능한 토크는 자석식 휠 유닛을 통합한 자체-추진 차량의 휠과 접촉하는 물체(예컨대 전달하는 금속판)에 추진력을 전달하기 위해 이용될 수 있으며, 또 전달된 토크는 휠과 마찰 접촉하는 물체를 외력에 의해 회전시키고, 천천히 회전시키거나 또는 회전을 억제시키는 것과 같이 휠의 회전속도를 감소시키는데 도움이 되는 '네카티브(negative)' 토크이다.

전극 확장 휠 부재는 연철 또는 다른 강자성 수동 재료들로부터 효과적으로 만들어질 수 있다. 유효한 휠 디자인은 자속 전달 목적을 위해 상당한 양의 강자성 재료 분말을 분산시킨 플라스틱 재료 또는 고무 주형으로 이루어진다. 자기 부하 하에 안착되는 기판과의 접촉면에서 전극 확장 휠의 변형성은 자속 전달이 휠 부재와 기판 사이에서 직접 발생하는 접촉지역을 확대하고, 또한 증가된 마찰식 체결을 제공한다.

전극 단편 휠 또는 롤러의 외주면은 부드럽고, 결이 형성되고, 주름이 지거나 또는 다른 타입의 돌출, 예컨대 톱니바퀴 휠의 이(teeth)가 제공될 것이다. 휠 표면 특성은 자석식 휠 유닛이 상호작용하는 상보적으로 준비된 기판의 면과 협력하도록 선택된다. 예컨대, 부드럽고, 주름지지 않은 전극 휠 또는 롤러를 갖춘 하나 이상의 기본적인 자석식 휠 유닛을 통합하는 마찰 휠 기어박스 및 가변비율의 구동 배열에 있어서, 토크 전달이 미끄러짐으로 인해 감소되는 과부하 조건을 최소화하기 위해, 또 다른 부드러운 표면의 물체 상에서 구를 때 주어지는 고유의 미끄러짐 작용이 이용될 수 있다. 물론, 전극 휠 또는 롤러와 기판간 토크 전달시의 미끄러짐은 바람직하지 않으며, 상보적으로 전극 휠 또는 롤러와 기판을 연동하는 형태, 예컨대 기어 이(gear teeth)를 갖는 표면이 채용될 것이다.

본 발명의 특히 유용한 실시는, 자체-추진(self-propelling)을 위한 수단이 지면이나 벽면에 토크를 전달하기 위해 전극 휠 또는 롤러와 협동하는 토크 전달을 위한 전달 장치를 포함하는지, 또는 자체-추진 유닛이 그와 같은 차량에 존재하는 자석식 휠 유닛으로부터 독립했는지, 예컨대 정지 마찰 휠 드라이브를 분리했는지에 상관없이, 기판 표면 상에서 차량을 자체-추진하기 위한 수단을 포함하는 차량 응용에 있다.

그 토크 전달 장치는 주어진 응용분야에 적합하도록 제공될 수 있고, 하나 이상의 벨트 드라이브, 사슬톱니 휠 드라이브, 체인 드라이브 또는 워엄 기어 드라이브 또는 그들 조합을 포함한다.

토크 전달 장치를 위한 바람직한 옵션은 적어도 하나의 전극 휠 또는 롤러 부재의 외주와의 체결에 의해 토크를 전달하도록 배치된 하나 이상의 마찰 롤러를 포함한다. 그 마찰 롤러는 분리 메카니즘을 이용하여 선택적으로 휠 부재와 안과 밖으로 체결되어 바이어스(bias)되지만, 바람직하게 그 마찰 롤러는 자기력을 통해 롤러를 바이어싱(biasing)하여 전극 확장 휠 부재와의 접촉을 유지하도록 작용하는 강자성 재료를 통합한다.

더욱이, 본 발명의 자체-추진 장치 실시의 차량에 있어서, 전극 휠 또는 롤러 부재를 오직 한방향으로만 회전 움직임을 제한하기 위한 수단이 제공되는데, 이는 휠이 시계방향 또는 반시계방향으로 회전할 수 있게 하거나, 아니면 양쪽 방향으로 회전하지 못하게 할 수 있다. 이러한 수단은 휠 축의 법선에 존재하는 다른 제공된 양방향 프리-휠링(free-wheeling) 특성을 없앰으로써 미끄러짐 상황의 마찰 효율을 증가시킨다.

또한, 본 발명은 자석적으로 부착된 것을 유지하면서 가파르게 경사진 면 또는 수직면을 따라 올라가는 추진(즉 토크 전달) 휠 부재를 갖춘 하나 이상의 자석식 휠 유닛을 채용한 차량의 롤-백(roll-back)을 방지하는데 도움이 되는 메카니즘 또는 실시를 제공하는 장점이 있다. 하나의 실시에 있어서, 휠-기판 표면간 접촉영역 바로 뒤의 휠 부재와 기판 표면 사이의 위치로 선택적으로 이동할 수 있는 브레이크 패드 또는 블럭이 제공됨으로써, 밀어내는 동작이 휠의 백워드 롤링(backward rolling)을 방지한다.

프레임을 구속하는 시소(see-saw) 형태로 또 다른 롤-백 방지 메카니즘이 구성될 수 있으며, 거의 u자 또는 브라켓(bracket) 형태의 프레임 부재가 프레임의 2개의 평행 레벨 아암이 회전을 위해 설치되거나 아니면 휠이 자석적으로 부착된 기판 표면에 강제 체결로 각각의 종단과 함께 회전될 수 있도록 양 전극 휠에 공통 축에 고정된다. 상기 레벨 아암은 굽은 막대부, 예컨대 축의 각진 아암 부분의 교차점에서 피벗(pivot)된 L자 형태로 굽은 아암으로 이루어짐으로써, 제동력이 휠 어셈블리 자체 의해 제공된 자기 흡인력의 지레대 요소인 풀 레버(pull lever) 배열을 제공한다.

하나 이상의 전극 휠을 통합하는 차량 실시에 있어서, 절환가능 영구자석 장치는 한쌍의 휠과 결합되고, 각각의 절환가능 자석의 온/오프(또는 출력되는 자기장 강도의 변이) 스위치 선택을 가능하게 하는 적절한 메카니즘의 제공은 다수의 장점을 제공한다. 그와 같은 선택적인 '자석 활성화 및 비활성화'가 기판으로부터 차량의 동작상의 분리를 용이하게 할 뿐만 아니라, 급격하게 경사진 면 또는 수직면과 수평면간 이동을 용이하게 하거나 또는 계단 형태의 장애물을 따라 차량이 용이하게 올라갈 수 있게 하며, 그와 같은 경로 변경 위치에 도달하는 전방에 위치된 휠 쌍은 '소자화(demagnetised)'되어 자석으로 작용하지 않게 되고, 따라서 그들은 초기의 면으로부터 떠나 경사진 면에 체결될 수 있고, 그 결과 그것들이 '재자화(remagnetised)'되어 차량이 경사진 면 상에서 이동하게 한다. 후방에 위치된 휠 쌍은 경로 불연속성에 도달함에 따라 절환될 것이다.

본 발명의 차량 응용분야는 선박 차체, 잠수정 차체, 파이프라인(내측 및 외측)과 같은 강자성 기판(즉 구조 및 물체)에 자석식으로 부착된 동작 로봇을 포함한다. 그와 같은 로봇은 구조의 결함을 검사하거나 다른 작업, 예컨대 파이프라인을 통한 케이블 전달, 파이프라인 세척 등을 수행하는데 채용된 모든 타입의 센서, 카메라와 같은 다양한 장비를 수반한다. 예컨대, 이동 및 잠수된 잠수정 차체의 물속의 시각적 그리고 구조적 검사는 로봇이 원하는 검사 경로를 따라 추진하면서 선체에 단단히 부착될 수 있게 하는 상술한 일반적인 타입의 적절한 다수의 자석식 휠 유닛을 수용하는 유선형 바디를 갖는 원격-제어 로봇을 이용하여 달성될 수 있다.

기술분야에 숙련된 자는 센서 시스템, 동작 제어 장비, 신호처리장치, 모터 제어 전기 및 전력원을 이용하여 원격 제어 동작 또는 온-보드(on-board) 제어 동작을 수행하기 위한 동작 제어 장비, 및 다른 타입의 차량 관리장비 차량의 특정 응용환경의 요구에 따라 자체-추진 차량의 차량 지지구조에 수용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

또한, 기술분야에 숙련된 자는 본 발명을 채용하는 차량을 만드는데 채용되는 각기 다른 타입의 차축 시스템 및 차량 섀시 타입을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 다른 특성 및 또 다른 특징은 부가되는 도면을 참조하여 이하 설명하는 본 발명의 다수의 바람직한 실시예들로부 알 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명은 상기한 응용분야로 제한하지 않고, 다른 형태로 실시될 수 있다.

도 1a, 도 1b 및 도 1c는 아래에 있는 본 발명의 기본 개념을 매우 간략화시킨 개략도이다.

도 2a는 회전가능한 전극 휠에서 토크를 부여(또는 수용)하기 위해 사용된 강자성 마찰 롤러를 나타내는 것이고, 도 2a 내지 도 2c는 다른 자석 구성으로 사용된 회전가능한 전극 휠의 다른 구성을 나타내는 개략도이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에서 구체화할 수 있는 도구와 장치를 나타내는 개략도이다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 2a에 도시된 바와 같이 자석식 휠 유닛에서 선 택된 자속원에 대한 회전 가능한 자극편(pole piece) 구조를 최적화시키는 방법을 나타내는 개략도이다.

도 5는 제동력(braking force)으로 상당히 유용한 자기 흡인력(attraction force)을 설명하는 자석식 휠 유닛 정지 배열을 나타내는 개략도이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 기본적인 자석식 휠 유닛(magnetic wheel unit)은 이미 위에서 상술되었다. 그런 유닛들은 수없이 다양한 기계와 장치들에 결합될 수 있다. 수동 자기 재료(active magnetic material)(예를 들면, 영구자석(permanent magnet)) 또는 다른 자속원(magnetic flux source)(예를 들면, 전자석(electromagnetic))은 전용 하우징(dedicated housing) 안에 수용될 수 있으므로, 도 1 및 도 2에 도시된 자속 유닛의 실제 형상은 단지 하나의 실시예로 기술된 것일 뿐 그런 유닛의 실제 형상을 대표하는 것은 아니다.

도 2a 내지 도 2c를 통해 알 수 있듯이, 자속원으로 사용된 쌍극자 자석(dipole magnet)의 수와 특정 형태에 따라 다른 전극 휠 수와 배치를 갖는 자석식 휠 유닛이 가능하다.

도 2a는 도 1a에 도시된 바와 같이 하나의 자석(16)과 2개의 회전가능한 전극 휠(14, 16)을 이용하는 트윈 휠 구성 유닛(10)을 나타내는 도면이다.

도 2b는 쌍극성 자석(bipolar magnet)(16')의 N극과 S극에 각각 한 쌍의 전극 휠이 배치된 두 쌍의 전극 휠(12', 14') 배열 즉, 1개의 자속원(16')과 4개의 휠로 구성된 자석식 휠 유닛(10')을 나타내는 도면이다.

도 2c는 각각의 자석(16”)이 하나의 전극 휠 쌍(12”, 14”)과 결합되고, 일정 간격 떨어진 2개의 자속원(16”)이 4개의 휠로 구성된 자석식 휠 유닛(10”)을 대조적으로 나타내는 도면이다.

2개의 자석(16”)의 N극과 S극 사이에서 확장하는 자화축(magnetisation axis)은 서로 반대 방향을 향하나, 그런 유닛(10”)의 실시예에서는 필요하지 않는 다는 것을 알 수 있을 것이다.

도 2a 내지 도 2c에서 라인(17, 17', 17”)은 극성을 갖는 다른 유닛들(10, 10', 10”)의 전극 휠들 사이에 개별적으로 존재하도록 기판(24)(강철판(steel plate)으로 묘사된)에 표시된 외부 자속 전달로(flux transfer path)를 있는 그대로가 아닌 적절한 방법으로 나타낸 것이다.

강자성 기판(ferromagnetic substrate)의 투자율(magnetic permeability)은 공기 또는 물과 같은 다른 유체 등의 주변 환경보다 높게 주어지고, 기판으로 자속이 전달되는 동안 자속의 포화가 일어나지 않는 기판 특성을 가정하면, 전극 휠들과 기판(위에서 실제 극성 확장 영역으로 언급된) 사이의 접촉 영역과 전극 휠, 기판 및 자속원 장치로 이루어진 폐쇄 자기회로(closed magnetic circuit)와 가까운 주변 밖에서는 어떠한 자기장(magnetic field)도 관측되지 않는다.

자석식 휠 유닛들(10 또는 10' 또는 10”)은 다양한 응용으로 많은 장치와 기구에서 사용되고 구체화될 수 있다.

도 2a를 다시 참조하면, 도 2a는 롤러의 축 길이에 따른 회전축(36)이 전극 휠 쌍의 회전축(18)에 평행하게 확장하도록 놓여진 강자성 롤러 바(35)에 의해 유 닛(10)의 어떤 전극 휠(12, 14)에서든 영향을 주는 토크 전달(torque transfer)의 방법론을 개략적으로 나타내고 있다.

롤러 바(35)는 부드러운 외부 면을 구비하고, 그 내부에 있거나 2개의 휠(12, 14) 모두의 부드러운 표면에서 마찰점(frictional abutment)의 안과 밖으로 그 외부면과 함께 운송될 수 있는 어떤 적절한 기계(도시하지 않음)에 의해 지탱된다.

이런 기본적인 구조는 양의 추진용(propulsion purpose) 또는 부의 정지용(braking purpose) 모두 토크 전달에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 전기 모터의 출력 샤프트(output shaft)에 롤러가 결합되어 화살표(37) 방향으로 회전하는 롤러 바(35)의 회전은 화살표(38)와 같이 휠(12, 14)에 시계방향 회전(counter-orientated rotation)을 전할 것이고, 순차적으로 화살표(39)대로 고정된 기판(24) 위에서 병진방법(translatory manner)으로 움직이기 위해 전체 유닛(10)을 허용하거나 반대로 상기 유닛(10)이 움직임에 대해 안전한 곳에서 화살표(39)와 반대 방향인 화살표(40) 방향으로 안전하지 않은 기판(24)에 움직임을 전할 것이다.

적당한 크기의 강자성 롤러 바(35)의 사용은 마찰력에서 롤러(35)를 유지하기 위해 유닛(10)의 자속원(16)에 제공된 자기 에너지의 일부와 대부분의 사용가능한 자속이 기판(24)에서 유닛(10)을 안전하게 하기 위해 사용되는 동안 휠 수단(12, 14)과 접촉한 자석의 사용을 가능하게 한다.

자속원(16)이 스위칭 가능한 영구자석 장치 또는 전자석인 곳에서 다양한 토 크 변화는 휠 전극 수단(12, 14)을 통해 롤러(35)(및 기판)에 전달된 자속의 양과 휠(12, 14)의 인접한 표면과 롤러(35) 사이에 나타나는 마찰계수에 따라 영향을 받는 다는 것을 알 수 있을 것이다. 도 2a에 도시된 구조는 과적 조건에서 유닛(10)과 기판(24) 사이의 토크 전달이 감소할 수 있는 고유 토크 저하 관계를 제공한다.

자석 휠의 더욱 명확한 응용분야는 도 3a에서 개략적으로 도시된 것 중 하나인 오버헤드 시트(overhead sheet) 금속 컨베이어와 같은 다양한 형태의 롤러 컨베이어 시스템을 포함한다.

도 2a(다른 토크 전달 구조는 제외)에 도시된 개념을 구체화하는 2개의 휠로 구성된 수많은 자석식 휠 유닛(100a 내지 100g)은 확장 또는 레일(150)에 의해 설정된 이동로(travel path)를 따라 서로 일정 거리 이격된 천정 레일(150)에 매달린다.

각 유닛(100a 내지 100g)은 한 쌍의 휠에 자속을 제공하는 스위칭 가능한 자석이 수용된 곤돌라(gondola)같이 적당한 하우징에 수용된 한 쌍의 전극 휠을 포함한다. 유닛의 전극 휠에 선택적인 회전을 전달하기 위해 적당한 모터가 사용된다. 강철판(140)은 유닛(100a 내지 100g)에 고정된 자석으로 연속적으로 부착되어 운송로(A)를 따라 운송될 수 있다.

유닛들(100a 내지 100g)은 한 쌍의 휠은 동작하고 다른 한 쌍의 휠은 정지된 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 4개의 휠로 구성된 유닛으로 될 수 있다. 한편, 가이드 레일(150)은 체인 벨트(chain belt)로 대치되거나 유닛(100a 내지 100g)이 고정될 수 있는 동일한 컨베이어 라인으로 대치될 수 있다. 이때, 유 닛(100a 내지 100g)은 이동이 체인 구동에 의해 제공되어 주어지는 정지된 전극 휠을 모두 포함한다.

도 3b는 외부 표면이 분무장치(atomiser apparatus)(260)에 의해 분말 코팅된 해체 가능하게 고정된 관모양의 강자성 제품(224)에 대해 자석 결함(magnet vice)으로 제공하는 도 2c에 도시된 개념을 구체화하는 4개의 휠로 구성된 자석식 휠 유닛(200)의 응용을 나타내는 도면이다.

전극 휠들(212, 214, 212')(네 번째 휠 수단이 도시되지 않았으나 동일한)은 지지 바디(support body)(232)와 같은 박스안에 설치된 차축 볼트(axle bolt)(213, 213')에 대해 회전한다. 전극 휠 쌍들(212, 214, 212')에 각각 결합된 2개의 자석(도시하지 않음)은 스위칭 가능한 자석의 N극-S극 축이 각각 결합된 전극 휠 쌍들의 회전축(b, b')과 축방향으로 부착하는 것과 동일한 방법으로 지지 바디(232) 안에 설치된다. 도면 부호 250은 자석 결함 수단(200)이 지지구조에 고정될 수 있고, 결함 유닛(200)을 원하는 공간에 방향을 맞출 수 있는 관절 접합된 아암(arm)으로 지지 수단을 표시하기 위해 제공한다.

하나 또는 그 이상의 유닛(200)의 전극 휠을 구동시키기 위해 모터 유닛을 결합하는게 실현 가능한 반면, 기술된 실시예는 단순히 세로축에 대해 화살표(252)로 지시된 것과 같은 회전을 허용하는 동안 안전한 공간을 자성으로 고정된 제품(240)에 제공한다.

이와 같은 장치(200)는 자석으로 2개의 관 모양의 파이프 영역을 끝과 끝을 이어서 인접한 관계로 고정하기 위해 사용될 수 있고, 그로 인해, 파이프 영역의 맞댄 용접과 같이 수행되기 위한 다른 작업들을 가능하게 한다.

도 3c는 미국 특허 제7,012,495호에 기술된 일반적인 기본 형태의 스위칭 가능한 영구자석 유닛(316), 자속원에 각각 결합된 컵 형태의 2개의 전극 휠 쌍들(312, 314), 전기 모터(320) 형태의 원동기(prime mover), 배터리 팩과 같이 모터에 전원을 공급하는 전원 공급기(도시하지 않음), 모터(320)에서 4개의 전극 휠들(312, 314) 모두에게 토크를 전달하기 위한 동력전달계통(drive train) 배열(318), 무선 리모콘 제어 차량이나 회로기판 상의 컴퓨터 제어 차량 모두에 사용된 회로기판 상의 자동차 제어 시스템(322), 상술한 구성 요소 모두가 설치된 슈-박스(shoe-box)와 같은 차량 몸체(324)가 기본적으로 2개씩 구성된 자체 추진의 자기 트롤리(trolley)(또는 차량)(300)의 원형을 나타내는 개략 사시도이다.

도 4a 및 도 4b에 상세히 도시된 바와 같이 원통형 컵 형태의 전극 휠들(312, 314) 각각은 자동차 몸체(324)의 측벽에 고정된 개별 차축 요소(326)에 저널(journaled)된다. 동력전달계통 배열(318)은 운동학적으로 4개의 휠들(312, 314) 모두가 톱니바퀴(cog wheel)가 전기모터(320)의 출력 샤프트에 결합된 나선형 스크류 샤프트(helical screw shaft)와 맞물리는 몸체(324)에 지지된 구동 기어축과 결합하는 벨트와 풀리 시스템을 포함한다.

도면부호 328과 329는 강한 외부 자기장이 발산되어 존재하는 활성 상태와 자석들(316)이 꺼지고 외부 자기장이 존재하지 않은 비활성 상태 사이에서 자석들(316)의 스위칭을 위해 이용된 레버 암(lever arm)을 나타내기 위해 사용된다.

결합된 전극 휠 쌍(312, 314)과 함께 개별 자속원 유닛(316)의 간략한 등거 리 표시(isometric representation)와 도 4a에서 화살표(IVb, IVc)를 따른 평면도 및 정면도를 나타내는 도 4a 내지 도 4c를 통해 알 수 있듯이, 각각 결합된 전극 휠 쌍(312, 314) 사이의 고정된 위치에서 차량 바디(324) 내부에 각각 고정된 자석 자속원 유닛(316)은 각 자석 유닛(316)(활성 상태에서)의 N-S 자축(magnetic axis)이 휠 축들(318)과 동축으로 확장하도록 위치가 정해진다.

각 유닛(316)은 휠(312, 314)의 고리 모양 림 플랜지(rim flange) 안에 설정된 2개의 개별 축 선단들과 함께 확장하고, 휠(312, 314)의 단자 디스크 웹(332)과의 관계에 대면하게 된다. 매우 작은 에어 갭(air gap)은 활동적이나 스위칭 가능한 유닛(316)의 영구자석 자속원(위에 언급된 것과 미국 특허 7,012,495호를 비교)을 제공하는 2개의 정반대 극성의 영구자석 실린더(340, 342)가 수용된 유닛(216)의 하우징을 형성하는 2개의 정지 전극(stationary pole) 확장부 사이에서 유지된다.

도 3c에 따른 시제품 차량(prototype vehicle)은 90㎜의 외경, 25㎜의 림벽(rim wall) 두께, 25㎜의 디스크 판(disc web)(도 4a의 344로 나타나는 1375㎜의 자속 전달 단면적을 설정하는)과 약 2테슬러의 자속 포화 한계를 갖는 연철의 몸체를 구비하는 4개의 컵 형태의 전극 휠들을 이용하여 구성된다. 컵 외주면은 육안으로 보여진 바와 같이 코팅되지 않고 부드러운 끝마무리(smooth finish)로 가공된다.

자속원 유닛들은 각각 맥스위치 테크놀로지 월드와이드사(Magswitch Technology Worldwide)의 M5040 타입의 스위칭 가능한 영구자석 유닛과 수동 자기 재료(즉, 2개가 원형으로 적층된 자석)의 전체 자속 영역이 2000㎟(도 4a에서 346으로 표시)인 자속 전달에 사용된 적절한 비활성 수동 고정 전극에서 1.2테슬러(Tesla) 전달 능력(언로드된 회로 조건에서)을 포함한다.

이용가능한 자속원, 즉 턴온(turned-on)된 상태에서 생성된 자기장의 형태가 불균일 자기장 분배를 가지고 있는 광자극(wide pole magnets)과 유사하게 주어진 M5040 자석의 선택은 컵 형태 휠의 공간 배열과 최적화된 자속 전달과 흡인력을 생성하는 자기력을 발생시키기 위하여 휠의 림 벽(rim wall)이 가지는 (휠 부재의 축방향에서의) 크기에 영향을 준다. 휠 전극 부재가 이용가능한 자기력에 대한 하중을 구성하기 때문에, 림부(rim portion)의 깊이는 M5040 자석을 N-S극 직경 분리선에 직각이 되는 선을 따라 측정한 자기장 강도의 최대 자계 값이 약 0.7이 되는 위치까지 감싸도록 선택되며, 도4c를 참조하면, 선택된 형태에서 약 12.5mm에 이른다.

모든 구동 트레인과 제어 장치, 차량 바디 및 차량에 탑재된 용접 장치를 포함한 차량의 총 중량은 약 12kg으로 기록되어 있다(자속원(316)과 컵 휠 전극(312, 314)으로 이루어진 단일 자석식 휠 유닛의 중량은 약 3kg이다).

차량(300)에 의해 수행되는 하중 실험에 의하면, 차량을 수평 클린(clean) 강철판 시트 위에서 자기 부착 상태에 있을 때 수직으로 끌어올리기(lift-off) 위해 요구되는 분리력은 약 2400N이며, 차량은 클린 강철 시트 기판에서 대략 400N의 견인력을 발생시킨다.

절환가능 자속 유닛(switchable flux unit)(316)의 활성 자기 재료와 기판 사이의 자속 전달 효율은 약 50%로 결정된다.

실험은 수직하게 경사진 강철 시트를 따라 자체 중량과 동일한 추가적인 적재물을 안전하게 전달할 수 있는 4륜 자체 추진용 트롤리(four-wheeled self-propelled trolley)에 의해 수행된다.

그러한 트롤리는 경사지고, 수직하며, 평평하게 돌출되어 있는 강자성 표면을 따라 안전하게 운반될 수 있는 장치나 기구 등을 적재하거나, 대체 가능한 방법으로 강자성 구조에 안전하게 부착될 것이 요구되는 다른 구조물과 일체가 되어 사용될 수 있다.

예를 들면, 도시된 절환가능 자석식 휠 유닛은 위에 매달아 놓고 플랫폼의 상하의 이동없이 선체의 플랫폼에 안전하게 자기력으로 부착되어 있는 수직하게 기울어진 강자성 표면, 일예로 선체에서 다른 작업을 수행하는 모든 유형의 작업 플랫폼과 일체로 사용될 수 있다.

마지막으로 도 5를 참조하면, 도 5는 일실시예와 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명된 유형과 유사하며, 상술한 크기를 갖고 있는 자석식 휠 유닛(510)을 포함하는 자석식 휠 승강 크롤러(magnetic wheel climb-crawler)(500)를 개략적으로 도시하고 있으며, 여기에서 자석 휠 승강 크롤러는 유닛(510)이 이동하기 위하여 부착되어 있는 기판에 연동되거나 되지 않도록 선택적으로 선회할 수 있는 동작 제동 프레임(motion arresting frame)(520)을 추가적으로 포함할 수 있다. 프레임(520)은 굴곡부(525)와 자유단(521, 523)의 반대단에 형성된 횡단 핸들 아암(526)을 가지고 이는 2개의 평행 핸들 아암(522, 524)을 포함하는 U 또는 브라켓이다.

프레임(520)은 양쪽의 전극 휠(512, 514)의 공통축(528)에 고정되거나 회전되도록 실장되며, 프레임의 두개의 평행한 레버 아암이 각각의 자유단(521, 523)이 동시에 기판 표면(530)과 연계되어 전극 확장 휠(512)이 자기적으로 연결되도록 하기 위하여 회전된다.

레버 아암 결합 구조는, 특히 아암(522, 524)의 자유단과 피봇점(pivot point)(528) 사이의 길이 L2와 피봇점(528)과 프레임(520)을 회전시키기 위하여 힘(534)이 제공되는 횡단 바 부분(travese bar section)(525) 사이의 길이 L1의 비율은 기판과 아암의 자유단(522, 524)이 접촉되도록 하기 위하여 제공되는 힘(533)과 휠(512, 14) 그리고 기판 사이에 작용하는 자기 흡인력에 의해 제공되는 반발력(534) 사이의 비(leverage)를 결정한다.

장치(500)의 원리는 휠과 기판 사이의 낮은 마찰계수로 인하여 후방 낙하가 양의 견인력을 보장하기에 불충분한 수직 강자성 벽에 따라 승강시키기 위한 장치에 응용될 수 있다. 제동장치는 전방 미끄러짐을 방지하기 위하여 사용될 수 있으며, 유닛의 상대적인 운동 패턴과 전극 휠의 전방 또는 후방의 제동장치의 접지 연계 위치는 제동장치의 기능에 결정적인 것을 알 수 있다.

Claims (26)

1. (a) 자속원으로서 적어도 하나의 영구자석 장치, (b) 디스크, 휠, 롤러이거나 또는 외주면과 동일한 형태를 갖는 것이면서 상기 자속원과 자기적으로 결합된 적어도 2개의 반대로 분극가능한 전극 확장 바디(body), (c) 상기 분극가능 전극 확장 바디가 각 회전축에 대해 회전가능하게 유지되고 상기 자속원이 상기 분극가능 전극 확장 바디와 물리적 접촉 없이 상기 2개의 분극가능 전극 확장 바디들간 고정위치에 정지상태로 유지되는 지지구조, 및 (d) 상기 영구자석 장치의 온(ON) 상태에서 자속이 상기 분극가능 전극 확장 바디를 통해 상기 영구자석 장치에서 카운터 바디(counter body)로 통과하도록 회전가능한 전극 확장 바디의 외주면과 자기 접촉을 야기시키는 강자성 특성을 갖는 상기 카운터 바디를 갖추며, 상기 영구자석 장치는 스위치 온 및 오프(switched on and off)될 수 있는 외부 자기장을 생성하기 위해 배열된 적어도 하나의 N-S 전극쌍을 갖고, 상기 영구자석 장치는 상기 영구자석 장치의 온(ON) 상태에서 출력된 최대 자속과 상기 영구자석 장치의 오프(OFF) 상태에서 출력된 최소 자속을 갖는 것을 특징으로 하는 자기회로장치.
2. 차량 바디, 적어도 2개의 휠 부재 및 N극과 S극을 갖는 적어도 하나의 영구자석 장치를 포함하고, 강자성 특성을 갖는 기판에 자기적으로 부착할 수 있는 차량에 있어서,

   상기 영구자석 장치는 스위치 온 및 오프될 수 있는 외부 자기장을 생성하기 위해 배열되고, 상기 영구자석 장치는 상기 영구자석 장치의 온 상태에서 출력된 최대 자속과 상기 영구자석 장치의 오프 상태에서 출력된 최소 자속을 갖고, 상기 휠 부재는 강자성 재료를 포함하고, 상기 휠 부재 및 영구자석 장치는 상기 영구자석 장치가 정지상태의 영구자석 장치의 N극과 S극의 회전가능하게 반대로 분극가능한 전극 확장 요소를 제공하는 휠 부재들간 고정위치에 정지상태로 유지되도록 차량 바디 상에 지지되어 공간적으로 위치되며, 이에 따라 강자성 특성을 갖는 기판의 표면 상의 휠 부재들의 안착은 상기 영구자석 장치의 온 상태에서 영구자석 장치, 전극 확장 휠 부재 및 기판을 둘러싸는 폐쇄 자기회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 차량.
3. 지지구조, 각각의 축에 대한 회전을 위해 상기 지지구조 상에 탑재된 적어도 2개의 휠 또는 롤러 부재, 및 상기 휠 또는 롤러 부재로부터 분리되고 고정위치에서 지지 바디에 탑재된 N극과 S극을 갖는 적어도 하나의 영구자석 장치를 포함하고, 강자성 특성을 갖는 바디를 변위가능하게 표면에 부착하여 자기적으로 유지할 수 있는 지지장치에 있어서,

   상기 영구자석 장치는 스위치 온 및 오프될 수 있는 외부 자기장을 생성하기 위해 배열되고, 상기 영구자석 장치는 상기 영구자석 장치의 온 상태에서 출력된 최대 자속과 상기 영구자석 장치의 오프 상태에서 출력된 최소 자속을 갖고, 상기 휠 부재는 강자성 재료를 포함하고, 상기 휠 또는 롤러 부재는 휠 부재가 정지상태의 상기 영구자석 장치의 N극과 S극의 회전가능하게 반대로 분극가능한 전극 확장 요소를 제공하도록 지지구조 상에 공간적으로 위치되며, 이에 따라 강자성을 갖는 바디를 휠 부재의 외주면과 표면 접촉시킴으로써 상기 영구자석 장치의 온 상태에서 영구자석 장치, 전극 확장 휠 또는 롤러 부재 및 바디를 둘러싸는 폐쇄 자기회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
4. 제2항에 있어서,

   적어도 하나의 영구자석 장치는 전극 확장 휠 부재에 에어 갭을 유지하도록 지지되는 것을 특징으로 하는 차량.
5. 제2항에 있어서,

   전극 확장 휠 부재 중 적어도 하나에 토크를 전달하도록 배치된 모터로 이루어진 구동 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
6. 제2항에 있어서,

   기판 표면 상에서 차량을 자체-추진(self-propelling)하기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
7. 제6항에 있어서,

   자체-추진 수단은 온-보드 모터로부터 전극 확장 휠 부재 중 적어도 하나에 토크를 전달하기 위한 전달 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
8. 제5항에 있어서,

   구동 수단은 벨트 드라이브, 사슬톱니 휠 드라이브, 체인 드라이브 또는 워엄 기어 드라이브나 그들 조합 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
9. 제5항에 있어서,

   구동 수단은 전극 확장 휠 부재 중 적어도 하나의 외주와의 체결에 의해 토크를 전달 또는 수신하도록 배치된 하나 이상의 마찰 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
10. 제9항에 있어서,

    마찰 롤러는 자기력을 통해 롤러를 바이어싱(biasing)하여 전극 확장 휠 부재와의 접촉을 유지하도록 작용하는 강자성 재료를 내장하는 것을 특징으로 하는 차량.
11. 제5항에 있어서,

    구동 수단은 기어 박스 또는 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
12. 제2항에 있어서,

    한 쌍의 상기 전극 확장 휠 부재 마다 하나의 상기 영구자석 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 차량.
13. 제2항에 있어서,

    영구자석 장치는 이 영구자석 장치의 온 및 오프 상태간 변경하여 선택하고 상기 온 및 오프 상태간 자속 출력을 설정하여 고정하기 위한 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
14. 제2항에 있어서,

    휠 또는 롤러 부재는 횡단면이 컵 형태이고, 영구자석 장치의 각각의 N 및 S극은 각각의 컵 형태 휠 부재 중 어느 하나로 확장하는 것을 특징으로 하는 차량.
15. 제2항에 있어서,

    쌍으로 배열된 적어도 4개의 상기 휠 또는 롤러를 갖추고, 온 및 오프 상태간 절환될 수 있는 상기 하나의 영구자석 장치는 각각 상기 휠 또는 롤러 부재 쌍마다 존재하며, 독립적으로 또는 공동으로 2개의 영구자석 장치의 온 및 오프를 각각 절환하기 위한 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
16. 제1항에 있어서,

    회전가능 전극 확장 바디는 자속원의 자기장 강도의 함수인 축방향 길이를 갖는 환형 플랜지부를 구비한 원통형의 컵 형태 휠이고,

    자속원으로부터 회전가능 전극 휠로의 자속 전달 손실을 최소화하고, 전극 확장 휠과 기판 표면 사이의 직접적인 물리적 접촉지역 밖으로의 자속 전달을 최대화하며, 기판쪽으로의 소정치의 자기 흡인력을 유지하기 위해, 영구자석 장치의 각각의 N 및 S극은, 상기 자속원이 최대 자기장 강도의 70%를 나타내는 범위까지 환형 플랜지부에 의해 커버되도록 각각의 컵 형태 휠 중 어느 하나로 확장하는 것을 특징으로 하는 자기회로장치.
17. 제3항에 있어서,

    적어도 하나의 영구자석 장치는 전극 확장 휠 또는 롤러 부재에 에어 갭을 유지하도록 지지되는 것을 특징으로 하는 지지장치.
18. 제3항에 있어서,

    전극 확장 휠 부재 중 적어도 하나에 토크를 전달하도록 배치된 모터로 이루어진 구동 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
19. 제18항에 있어서,

    구동 수단은 벨트 드라이브, 사슬톱니 휠 드라이브, 체인 드라이브 또는 워엄 기어 드라이브나 그들 조합 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
20. 제18항에 있어서,

    구동 수단은 전극 확장 휠 부재 중 적어도 하나의 외주와의 체결에 의해 토크를 전달 또는 수신하도록 배치된 하나 이상의 마찰 롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
21. 제20항에 있어서,

    마찰 롤러는 자기력을 통해 롤러를 바이어싱하여 전극 확장 휠 부재와의 접촉을 유지하도록 작용하는 강자성 재료를 내장하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
22. 제18항에 있어서,

    구동 수단은 기어 박스 또는 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
23. 제3항에 있어서,

    온 및 오프 상태간 절환될 수 있는 하나의 상기 영구자석 장치가 한 쌍의 상기 전극 확장 휠 부재 마다 제공되는 것을 특징으로 하는 지지장치.
24. 제3항에 있어서,

    영구자석 장치는 이 영구자석 장치의 온 및 오프 상태간 변경하여 선택하고 상기 온 및 오프 상태간 자속 출력을 설정하여 고정하기 위한 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
25. 제3항에 있어서,

    휠 또는 롤러 부재는 횡단면이 컵 형태이고, 영구자석 장치의 각각의 N 및 S극은 각각의 컵 형태 휠 부재 중 어느 하나로 확장하는 것을 특징으로 하는 지지장치.
26. 제3항에 있어서,

    쌍으로 배열된 적어도 4개의 상기 휠 또는 롤러를 갖추고, 온 및 오프 상태간 절환될 수 있는 상기 하나의 영구자석 장치는 각각 상기 휠 또는 롤러 부재 쌍마다 존재하며, 독립적으로 또는 공동으로 2개의 영구자석 장치의 온 및 오프를 각각 절환하기 위한 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지지장치.

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