CN1199830A - 具有磁性弹簧的能量取出机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用了具有负的衰减特性的磁性弹簧的能量取出机构,通过有效利用磁场位能,提供价廉且结构简单的加压机构及激振器等。解决方法为,使至少两个永久磁铁2、4在相斥磁极相对的状态下分离配置,通过改变其相对面积来显示负的衰减特性,或组成静磁能变化的磁性弹簧。此外,其构成能通过向对置的永久磁铁2、4之一输入,而从另一永久磁铁输出能量。

Description

具有磁性弹簧的能量取出机构

本发明涉及具有多个永久磁铁的磁性弹簧，更具体地，涉及一种能量取出机构，该机构采用利用多个永久磁铁的斥力的具有负的衰减特性的磁性弹簧。

在上下机架之间插入材料进行加压成形加工的压力机之类的加压机构，早已存在有利用水压或液压的、利用机械性机构的或同时使用两种机构的等各种机构。

此外，为了检测某种结构体的振动特性而使用的、人为地产生振动的激振器，有电动式的、不平衡质量式及凸轮式的。

但是，上述的加压机构及激振器均结构复杂、重量重且价格高，所以，希望能有重量轻价廉的加压机构及激振器。

鉴于上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于，提供一种利用具有负的衰减特性的磁性弹簧的能量取出机构，通过有效利用磁场的位能，制成价廉且结构简单的加压机构及激振器等。

为了达到上述目的，本发明技术方案1所述的发明是一种能量取出机构，其特征在于，该能量取出机构通过至少使两个永久磁铁以相斥磁极相对的状态相互分离，并使上述至少两个永久磁铁的相对面积发生变化，来表示出负的衰减特性，或者，该能量取出机构为，组成静磁能变化的磁性弹簧，并通过向上述至少两个永久磁铁之一进行输入，而从另一永久磁铁输出能量。

本发明技术方案2所述的能量取出机构，其特征在于，使上述一个永久磁铁旋转，使上述另一永久磁铁滑动。

本发明技术方案3所述的能量取出机构，其特征在于，对上述一个永久磁铁加负荷使其增加位能，同时，在与上述另一永久磁铁的平衡点处，以小的输入使上述一个永久磁铁振动，从而使上述另一个永久磁铁根据欲使其返回位能极小的位置的力、变换能量及惯性矩作连续旋转。

图1所示为在本发明的磁性弹簧中，两永久磁铁的输入侧和输出侧的平衡位置的模式图。

图2所示为图1所示磁性弹簧的基本特性曲线图，给出了所施加负荷与永久磁铁离开平衡位置的位移量的关系。

图3所示为实际测出的负荷与位移量的关系的曲线图。

图4所示为假定在永久磁铁端面上磁荷均匀分布的加载模型中的输入输出考虑方法的模式图，其中(a)为吸引，(b)为相斥，(c)为与(b)不同部位的相斥。

图5是使相同磁极相对的永久磁铁中的一个相对另一个移动(改变相对面积)时的模式图。

图6是根据图5计算出的X轴和Z轴方向负荷相对X轴移动量的曲线图。

图7所示为使图5中的永久磁铁保持一定分离距离的状态下，使其中一个相对另一个从完全错开状态移动至完全重叠状态，再从该状态移动至完全错开状态时的位移量与负荷关系的曲线图。

图8是使相同磁极相对的永久磁铁中的一个相对另一个旋转(改变相对面积)时的模式图。

图9所示为根据图8使永久磁铁旋转时与相对面积对应的最大负荷的图表。

图10所示为采用钕系磁铁作为永久磁铁时磁铁间距离与负荷关系的曲线图。

图11是通过改变永久磁铁的相对面积来改变几何学尺寸的旋转机构的立体图。

图12是图11所示旋转机构的机械模型。

图13所示为图11所示旋转机构中的输入转矩与输出功关系的曲线图。

图14所示为图11所示旋转机构中的输入功与输出功关系的曲线图。

图15所示为图11所示旋转机构中的输入负荷与输出负荷关系的图表。

图16是将图11所示结构更具体化的旋转机构的立体图。

图17是通过使永久磁铁的相对面积发生变化来改变几何学尺寸的往复机构的立体图。

图18是通过使永久磁铁旋转来取出旋转能的能量取出机构的立体图。

图19所示为在图11所示旋转机构中的滑动永久磁铁周围配置线圈时的电磁感应特性的图表。

图20是将图18所示构成更具体化的能量取出机构的立体图。

图21是图20所示能量取出机构主要部分剖视图。

图22是在图20所示能量取出机构安装驱动源时的主视图。

图23是设于图20所示能量取出机构的永久磁铁的立体图。

图24所示为在图20所示能量取出机构中，设于下方的永久磁铁与惯性轮的位置关系的俯视图。

图25所示为在图20所示能量取出机构中，相对两个永久磁铁位置关系的俯视图。

图26是图20所示能量取出机构的变形例的主视图。

图27是说明磁性弹簧特性用的基本模型图。

图28所示为本发明磁性弹簧结构中的弹簧常数及系数相对时间变化的曲线图。

以下，参照附图说明本发明的实施形态。

如果是具有相互分离且同极相对的至少两个永久磁铁的磁性弹簧结构体，相互分离的永久磁铁相互不接触，故若忽略结构体本身的摩擦损失等，则其静态特性为非线性，与输入时(往)在同一直线上被输出(返)，并利用非接触副特有的自由度和悬浮控制系统，以小的输入使静态磁场(磁铁的配置)变化，从而容易产生负的衰减。

本发明是着眼于该事实而完成的，利用运动行程内机构或外力，使两个永久磁铁间的几何学尺寸在输入侧(往)和输出侧(返)发生变化，在该运动系统内变换成斥力，从而使两个永久磁铁离开平衡位置的输出侧的斥力大于输入侧的斥力。

以下说明其基本原理。

图1是示出位于输入侧和输出侧的两个永久磁铁2、4的平衡位置的模式图，图2示出了磁性弹簧结构体的基本特性，即，示出了对其中一个永久磁铁施加的负荷与两个永久磁铁离开平衡位置的位移量之间的关系。

如图1所示，若设永久磁铁4相对永久磁铁2的输入侧平衡位置及弹簧常数分别为x₀、k₁，输出侧平衡位置及弹簧常数分别为x₁、k₂，则在x₀～x₁之间进行面积变换，在各平衡位置存在如下的关系：

-k₁/x₀+mg＝0

-k₂/x₁+mg＝0

   k₂＞k₁

因此，其静态特性如图2所示表示出负的衰减特性，位置x₁和位置x₀处的位能之差可以认为是激振的位能。

另外，当制成图1所示的模型并改变施加负荷的时间，对负荷与位移量的关系进行实际检测，获得如图3所示的曲线图。这可以解释为，一旦两个永久磁铁2、4靠近最接近位置，即有很大的斥力起作用，而若离开平衡位置的位移量发生微小的变化，就会因磁性弹簧的阻尼效应而发生摩擦损失，因此而出现衰减项。

在图3中，(a)是施加一定负荷时的曲线，并按(a)、(b)、(c)的次序，使施加负荷的时间变短。即，由于负荷的施加方式不同，静态特性也不同，施加负荷的时间越长，冲量越大。

此外，稀土类磁铁磁化的强度不依赖于磁场。即，内部磁矩不容易受到磁场的影响，所以在消磁曲线上，磁化强度几乎不发生变化，基本保持其饱和磁化强度的值。因此，稀土类磁铁可以考虑使用假定端面上磁荷均匀分布的加载模型进行输入输出。

图4示出了该想法，磁铁定义为最小单位磁铁的集合，并将各单位磁铁间的力的关系分为三类进行计算而得出。

(a)吸引(r、m均相同，故用一个定义两种类型)

f⁽¹⁾＝(m²/r²)dx₁dy₁dx₂dy₂

f_x ⁽¹⁾＝f⁽¹⁾cosθ

f_z ⁽¹⁾＝f⁽¹⁾sinθ

(b)相斥

f_x ⁽²⁾＝f⁽²⁾cosθ

f_z ⁽²⁾＝f⁽²⁾sinθ

(c)相斥

f_x ⁽³⁾＝f⁽³⁾cosθ

f_z ⁽³⁾＝f⁽³⁾sinθ

因此，

-f_x＝2f_x ⁽¹⁾-f_x ⁽²⁾-f_x ⁽³⁾

-f_z＝2f_z ⁽¹⁾-f_z ⁽²⁾-f_z ⁽³⁾

因为在此，库仑定律可如下表示：

F＝k(q₁q₂/r²)     q＝MS

其中，r：距离，q₁、q₂：磁荷，M(m)：磁化强度，S：面积

对上述-f_x和-f_z在磁铁的尺寸范围内进行积分，可求出力。

将此如图5所示，使对置的磁铁从各磁隙完全重叠的状态(x轴移动量＝0mm)移动至完全错开的状态(x轴移动量＝50mm)，示出这样移动后计算结果的是图6。只是，虽然定义为“内部磁矩一定”，但当磁隙小时，磁铁周边会产生散乱，故进行了修正。

上述计算结果与实际测定值也基本一致，x方向负荷是使从图2的点a移动至b的力，输出则用z方向负荷表示，不稳定系统导致的输入＜输出的关系从静态已经得到证明。

此外，图7所示的曲线图示出的是当图5所示磁铁间的分离距离保持为3mm，使其从完全错开状态移动至完全重叠状态，再从该状态移动至完全错开状态时的关系。该曲线所示的是x方向负荷的绝对值相同且输出方向相反时出现的特性，表明当接近完全重叠状态时出现阻力即衰减，而从完全重叠状态变为完全错开状态时被加速。将该特性利用于非接触式减振器，就可能实现现有减振器实现不了的、使人能认可的低、中、高频区(0-50Hz)振动能量的降低，即，能够改善振动传导率。

又如图8所示，若使对置磁铁的旋转角度发生变化，即可获得如图9所示的图表。当然，当对置面积减少时，最大负荷也减少，表明通过给予一定的输入使面积变换，能使输出发生变化。

图10是示出采用钕系磁铁作为永久磁铁时的磁铁间距离与负荷之关系的图表，斥力随着质量的增加而增加。在此，斥力F表示为：

F∝Br²×(几何学尺寸)              Br：磁化强度

所谓几何学尺寸，指的是由对置磁铁的分离距离、对置面积、磁通密度及磁场强度等决定的尺寸。磁铁材料相同时，磁化强度(Br)也一定，故通过改变几何学尺寸可以改变磁铁的斥力。

图11示出的是使永久磁铁2、4之一相对另一永久磁铁旋转而使对置面积变化，从而改变几何学尺寸的旋转机构，图12是其机构模型。

如图11所示，永久磁铁2可自由转动地安装在基座6上，直线滑动导轨8固定在基座6上，并竖立设置在上方。直线滑动导轨8上安装着可上下自由移动的L型角块10，在L型角块10的上面固定着加载块12。此外，在L型角块10的下侧面上固定着与永久磁铁2呈相同(相斥)磁极对置状态的永久磁铁4。

在上述结构的旋转机构中，用49mmL×25mmW×11mmH的永久磁铁(商品名为NEOMAX-39SH)作为永久磁铁2、4，并使用6.5kg的加载块12(包括L型角块和永久磁铁4的合计重量约为7.33kg)，对永久磁铁2施加转矩，获得如下结果：

表1

X	F	Z
			0°15°30°45°60°75°90°	00.45gf0.56kgf0.51kgf0.40kgf0.20kgf0	01.18mm2.80mm4.52mm5.70mm6.37mm6.65mm

在此，X表示从图11的状态即永久磁铁2、4的对置面积最小的状态起的旋转角度，F表示施加于与永久磁铁2中心沿长度方向的距离为r的位置处的负荷，Z表示永久磁铁2、4离开平衡位置(G＝7.5mm)的位移。

另外，图13和图14示出了上述旋转机构的输入输出特性。从该两图可知，到X＝30°为止，应输入转矩迅速增大，一超过X＝30°，转矩就渐渐减小，在X＝0°时，F＝0，同时，利用磁性弹簧具有的负的衰减特性，或者，通过使静磁能发生变化，能以小的输入功引出大的输出功。又，输入功和输出功可从下式导出。

N(转矩)＝rF

P＝mv  P：永久磁铁4的动量    F＝dP/dtL：永久磁铁2的角动量     N＝dL/dt

此外，图15所示的图表示出了尺寸为50mmL×25mmW×10mmH的两个永久磁铁在相同磁极相对的状态下，其中一个相对另一个从0°(50％重叠)转动至90°(100％重叠)时的输入负荷与输出负荷的关系。

从图15的图表可知，通过改变磁场的位能，能以小的输入获得大的输出。

因此，图11所示的旋转机构不仅能应用于垂直方向的激振器，而且通过使加载块12水平滑动，也能应用于水平方向的激振器。另外，若将加载块12用作压头，图11所示的旋转机构能应用于向上的压力机。

图16是将图11所示结构更具体化的旋转机构，在可自由转动地安装在基座6上的永久磁铁2的转轴2a上安装有大齿轮14，另一方面，与大齿轮14啮合的小齿轮16安装在驱动电动机18的转轴18a上。

在该旋转机构中，一旦小齿轮16因驱动电动机18的旋转力而旋转时，大齿轮14和永久磁铁2作为一个整体以小于小齿轮16的旋转速度旋转。其结果，在两个永久磁铁2、4之间进行了面积变换，永久磁铁4沿着直动滑尺8作上下滑动。在此，使小齿轮16旋转的驱动电动机是小转矩的即可，故如上所述，能用小的输入功引出大的输出功。

图17示出了通过使永久磁铁2相对永久磁铁4滑动来进行面积变换的往复机构。更详细地说，永久磁铁2例如连接在VCM(音圈电动机)之类的驱动源20的驱动轴20a上，受到驱动源20的驱动力，在固定于基座6的直线滑动导轨22之上，沿着图中的箭头方向滑动。一旦永久磁铁2作滑动，在相斥磁极相对的永久磁铁2与4之间发生面积变换，永久磁铁4沿着直线滑动导轨8在上下方向滑动，因此而与图16的旋转机构一样，能以小的输入功引出大的输出功。

另外，在图11所示的旋转机构中，若将永久磁铁4设定为输入侧，将永久磁铁2设定为输出侧，就能将上下振幅作为旋转能量取出。具体是，将永久磁铁4通过例如凸轮机构等与驱动源连接，向凸轮机构施加规定频率的输入，永久磁铁4即反复作上下振动。其结果，永久磁铁2旋转，例如使线圈与永久磁铁2一起旋转，就能引起电磁感应。即，若对永久磁铁4施加负荷并给予位能，同时，在与永久磁铁2的平衡点处，以小的输入使永久磁铁4振动，永久磁铁2即由于欲返回其位能极小位置的力、变换(运动)能量及惯性矩而连续旋转。又，上述一定的频率取决于磁力强度，输入能量的大小与附加负荷(加载块12)的大小成反比，通过对永久磁铁4施加振动输入，能以较小的输入使永久磁铁2高速旋转，例如能应用于发电机等。

图18示出的一种旋转能量取出机构，在基座6上安装着可自由转动的永久磁铁2，同时，固定着永久磁铁4的L型角块10连接在例如VCM等的驱动源24的驱动轴24a上。在该旋转能量取出机构中，若L型角块10和永久磁铁4作为一个整体因驱动源24的驱动力而沿着直线滑动导轨8以一定周期上下滑动，与永久磁铁4以相斥磁极相对的永久磁铁2即高速旋转，能取出旋转能量。

在此，将与图15所用的相同的永久磁铁用作反复上下振动的永久磁铁4，在其周围设置线圈后测定产生的电流，获得图19所示的图表。使用的线圈是截面积为1mm²的绕了50圈的线圈，永久磁铁4的移动速度设定为100mm/分、500mm/分、1000mm/分。

从该图表可知，电流值大致与永久磁铁4的移动速度成比例地增大，通过适当设定输入的大小，能获得所希望的输出(电流值)。

图20至图22是将图18的旋转能量取出机构更具体化的图，具有大致矩形的下层板30、与下层板30有一定距离且相互平行地设置的大致矩形的上层板32，以及固定下层板30和上层板32的两个矩形框架34、34。在下层板30与上层板32的相应四个角，设置有4根垂直方向的支柱36、……36，在该垂直支柱36……36上，安装着可在上下方向自由滑动的磁悬浮台38。磁悬浮台38与固定于上层板32的例如VCM之类的驱动源39的驱动轴39a连接，利用驱动源39的驱动力，磁悬浮台38向上下方向作往复移动。

另一方面，下层板30上固定着基座40，该基座40上安装着可自由转动的一对惯性轮42、42。在惯性轮42、42的一侧通过枢轴连接着连接轴44的一端，而连接轴44的另一端通过枢轴与安装在基座40上的可自由滑动的滑块46相连。此外，与惯性轮42、42一体旋转的圆盘状永久磁铁48设置在惯性轮42、42的上方，与永久磁铁48相斥磁极相对的圆盘状永久磁铁50固定在磁悬浮台38的下侧面上。

如图23所示，永久磁铁48、50分别形成有圆形空心部48a、50a，圆形空心部48a、50a的中心相对圆盘状永久磁铁48、50的中心偏心配置。

图24及图25是分别示出两个永久磁铁48、50的磁通为最大的位置及惯性轮42、42的惯性力为最大的位置的图，安装在磁悬浮台38的永久磁铁50位于下死点(最下点)，处于与下方永久磁铁48最接近的状态。若下方的永久磁铁48从该状态向图中箭头方向转动180度，则上方的永久磁铁50到达上死点，若再转动约90度，即到达变异点，但由于惯性轮42、42的旋转惯性，使下方的永久磁铁48向着同一方向旋转。

对于上述结构，在两个永久磁铁48、50的平衡点处，一旦来自驱动源39的驱动力被传递给磁悬浮台38，磁悬浮台38和永久磁铁50即作为一个整体以一定周期向上下方向作往复移动(振动)。设于下方的可自由转动的永久磁铁48相对永久磁铁50是相斥磁极相对着的，所以，由于欲使其返回位能极小位置的力、其变换能量及惯性轮42、42的惯性力而作连续旋转。即，通过对永久磁铁50施加较小的振动输入，能使永久磁铁48高速旋转，能取出旋转能量。

图26示出的能量取出机构是在图20所示结构中，在磁悬浮台38之上放置加载块52，并在滑块46上连接VCM之类的驱动源54。

在该结构中，若对滑块46施加来自驱动源54的驱动力，则通过连接轴44，惯性轮42、42及永久磁铁48以一定周期成一体地旋转。于是，通过对置的两个永久磁铁48、50的面积变换，驱动源54的输入能量变换成加载块52的位能并被放大。利用两个永久磁铁48、50，位能进一步变换成转矩(旋转能量)，作为惯性轮42、42的惯性力被存储起来，所以能将该积存着的能量作为旋转能量取出。

接着对图27所示的简化后的基本模型用状态方程式说明上述磁性弹簧的动态特性。

图27的输入F是由于永久磁铁的面积变换等几何学尺寸变化导致的力。在图12中，若设弹簧常数为k，设衰减系数为r，设输入质量m的简谐振动为F(t)，则其状态方程式为可表达如下： $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}-\frac{k}{x}+\mathrm{mg}=F\left(t\right)---\left(1\right)$

在此，若设平衡位置为x₀，离开平衡位置的位移为y，则： $-\frac{k}{x_0}+\mathrm{mg}=0,$ $x_0=\frac{k}{\mathrm{mg}}$

x＝x₀+y $\stackrel{\·}{x}=\stackrel{\·}{y}$

x＝ y

$=\frac{k}{x_0}-\frac{k}{{x_0}^2}y$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}-\frac{k}{x}+\mathrm{mg}=m\stackrel{\·\·}{y}+r\stackrel{\·}{y}-\frac{k}{x_0+y}+\mathrm{mg}$ $=m\stackrel{\·\·}{y}+r\stackrel{\·}{y}-\frac{k}{x_0}+\frac{k}{{x_0}^2}y+\frac{k}{x_0}$ $=m\stackrel{\·\·}{y}+r\stackrel{\·}{y}+\frac{k}{{x_0}^2}y$

若设k/x₀ ²＝k’，则： $m\stackrel{-}{y}+r\stackrel{\·}{y}+k^{\′}y=F\left(t\right)$ 设简谐振动为F(t)＝Fe^iωt，且y＝xe^iωt，则 $\stackrel{\·}{y}=\mathrm{i\ωx}{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ y＝i²ω²xe^iωt-mω²xe^iωt+riωxe^iωt+k＇xe^iωt＝Fe^iωt(-mω²x+Iiωx+k＇x)e^iωt＝Fe^iωtx(k＇-mω²+Iiω)＝F $x=\frac{F}{k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{ri\ω}}$ $=\frac{F(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{ri\ω})}{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{ri\ω})(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{ri\ω})}$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}[\frac{k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}-\mathrm{ir}\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}]$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}(\cos \mathrm{\φ}-i\sin \mathrm{\φ})$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}{e}^{-\mathrm{i\φ}}$ $y=x{e}^{\mathrm{i\ωt}}=\frac{F}{\sqrt{{(k^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})}$ $=\frac{F}{\sqrt{k^{\′2}[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2{]}^2+{\left(2\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})}$ 式中，φ为相位滞后。 $\mathrm{\ρ}=r/2\sqrt{m{k}^{\′}}$ ${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{k^{\′}}{m}=\frac{k}{m{x}_0^2}=\frac{k}{m}{\left(\frac{\mathrm{mg}}{k}\right)}^2=\frac{m}{k}{g}^2$ 因此，谐振频率ω₀为： ${\mathrm{\ω}}_0\∝\sqrt{\frac{m}{k}}$ 在此，式(2)还可表达为如下： $\frac{k}{x}=\frac{k}{x_0+y}=\frac{k}{x_0(1+\frac{y}{x_0})}=\frac{k}{x_0}\left(\frac{1}{1+\frac{y}{x_0}}\right)$ $=\frac{k}{x_0}\{1-\frac{y}{x_0}+{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^2-{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^3+\·\·\·{(-1)}^n{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^n+\·\·\·\}$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}-\frac{k}{x}+\mathrm{mg}=m\stackrel{\·\·}{y}+r\stackrel{\·}{y}+\frac{k}{x_0}-\frac{k}{x_0}\{1-\frac{y}{x_0}+{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^2-{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^3+\·\·\·\}$ $=m\stackrel{-}{y}+r\stackrel{\·}{y}+\frac{k}{x_0}\{\frac{y}{x_0}-{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^2+{\left(\frac{y}{x_0}\right)}^3-\·\·\·\}$ 若将y换成x，并考虑到3次方的项为止，则： $m\stackrel{-}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\frac{k}{x_0^2}x-\frac{k}{x_0^3}{x}^2+\frac{k}{x_0^4}{x}^3=F\left(t\right)$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{ax}-b{x}^2+c{x}^3=F\left(t\right)---\left(3\right)$ $a=\frac{k}{x_0^2}={\left(\frac{\mathrm{mg}}{k}\right)}^{2}k=\frac{{\left(\mathrm{mg}\right)}^2}{k}$ $b=\frac{k}{x_0^3}={\left(\frac{\mathrm{mg}}{k}\right)}^{3}k=\frac{{\left(\mathrm{mg}\right)}^3}{k^2}$ $c=\frac{k}{x_0^4}={\left(\frac{\mathrm{mg}}{k}\right)}^{4}k=\frac{{\left(\mathrm{mg}\right)}^4}{k^3}$

在式(3)中，2次方项表达为-bx²这样的衰减项，若将式(3)进一步简化，则： $m\stackrel{-}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{ax}-b{x}^2=F\left(t\right)$ 式中，若设x＝x₀cosωt，则 $x^2=x_0^2\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\ωt}=x_0^2(1-\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\ωt})$ $=x_0^2(1-\frac{1-\cos 2\mathrm{\ωt}}{2})=x_0^2\left(\frac{1+\cos 2\mathrm{\ωt}}{2}\right)$ $=\frac{x_0^2}{2}$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{ax}-b\frac{x_0^2}{2}=F\left(t\right)$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{ax}=F\left(t\right)+\frac{b}{2}{x}_0^2$

即，在微小振动区域，对周期性外力不断施加一定的斥力((b/2)x₀ ²)，则因该力使周期性外力衰减。

然而在上述式(1)中，若利用运动行程内机构或外力使对置的永久磁铁间几何学尺寸发生变化，则弹簧常数k如图28所示，是随时间变化的矩形波k(t)，在周期T＝2π/ω内，+k’与-k’的值每1/2个周期交替出现。因此，式(1)可表达如下： $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{mg}-\frac{k\left(t\right)}{x}=F\left(t\right)---\left(4\right)$ (i)当0＜t＜π/ω时 $m\stackrel{-}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{mg}-\frac{n-k^{\′}}{x}=F\left(t\right)$ (ii)当π/ω≤t＜2π/ω时 $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}+\mathrm{mg}-\frac{n+k^{\′}}{x}=F\left(t\right)$ 在此，若设0＜t＜π/ω时的平衡位置为x₀，离开平衡位置的位移为y₁则： $-\frac{n-k^{\′}}{x_0}+\mathrm{mg}=0,$ $x_0=\frac{n-k^{\′}}{\mathrm{mg}}$ x＝x₀+y₁ $\stackrel{\·}{x}=\stackrel{\·}{y_1}$ $\stackrel{\·\·}{x}=\stackrel{\·\·}{y_1}$ $=\frac{n-k^{\′}}{x_0}-\frac{n-k^{\′}}{{x_0}^2}{y}_1$ $m\stackrel{\·\·}{x}+r\stackrel{\·}{x}-\frac{n-k^{\′}}{x}+\mathrm{mg}=m\stackrel{\·\·}{y_1}+r\stackrel{\·}{y_1}-\frac{n-k^{\′}}{x_0+y_1}+\mathrm{mg}$ $=m\stackrel{-}{y_1}+r\stackrel{\·}{y_1}-\frac{n-k^{\′}}{x_0}+\frac{n-k^{\′}}{{x_0}^2}{y}_1+\frac{n-k^{\′}}{x_0}$ $=m\stackrel{\·\·}{y_1}+r\stackrel{\·}{y_1}+\frac{n-k^{\′}}{{x_0}^2}{y}_1$ 式中，若设(n-k’)/x₀ ²＝k₁’，则： $m\stackrel{\·\·}{y_1}+r\stackrel{\·}{y_1}+{{k_1}^{,}y}_1=F\left(t\right),$ 若设简谐振动为F(t)＝Fe^iωt，且y₁＝xe^iωt，则： $\stackrel{\·}{y_1}=\mathrm{i\ωx}{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ $\stackrel{\·\·}{y_1}=i^2{\mathrm{\ω}}^{2}x{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ $-m{\mathrm{\ω}}^{2}x{e}^{\mathrm{i\ωt}}+\mathrm{ri\ωx}{e}^{\mathrm{i\ωt}}+k_1^{\′}x{e}^{\mathrm{i\ωt}}=F{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ $(-m{\mathrm{\ω}}^{2}x+\mathrm{ri\ωx}+k_1^{\′}x)e^{\mathrm{i\ωt}}=F{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ $x(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{ri\ω})=F$ $x=\frac{F}{k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{ri\ω}}$ $=\frac{F(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{ri\ω})}{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{ri\ω})(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2-\mathrm{ri\ω})}$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}[\frac{k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}-\mathrm{ir}\frac{\mathrm{\ω}}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}]$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}(\cos \mathrm{\φ}-i\sin \mathrm{\φ})$ $=\frac{F}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}{e}^{-\mathrm{i\φ}}$ $y_1=x{e}^{\mathrm{i\ωt}}=\frac{F}{\sqrt{{(k_1^{\′}-m{\mathrm{\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{r\ω}\right)}^2}}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})}$ $=\frac{F}{\sqrt{k_1^{\′2}[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2{]}^2+{\left(2\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})}$ 式中，φ表示相位滞后。 $\mathrm{\ρ}=r/2\sqrt{m{k}_1^{\′}}$ ${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{k_1^{\′}}{m}=\frac{n-k^{\′}}{m{x}_0^2}=\frac{n-k^{\′}}{m}{\left(\frac{\mathrm{mg}}{n-k^{\′}}\right)}^2=\frac{m}{n-k^{\′}}{g}^2$ 因此，谐振频率ω₀为： ${\mathrm{\ω}}_0\∝\sqrt{\frac{m}{n-k^{\′}}}$ 同样地，当π/ω≤t＜2π/ω时， $y_2=\frac{F}{\sqrt{k_2^{\′2}[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2{]}^2+{\left(2\mathrm{\ρ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}\right)}^2}}{e}^{i(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\φ})}$ $k_2^{\′}=\frac{n+k^{\′}}{x_1^2}$ $\mathrm{\ρ}=\frac{r}{2\sqrt{m\frac{n+k^{\′}}{x_1^2}}}$ 因此，当y₁＜y₂时发散。一般情况下，自激振动系统能与具有负的粘性衰减的弹簧质量系统置换，在振动中能从外部引入振动能量，但实际产生的振动，对质点产生空气阻力及各种阻力，使能量消失。

然而，若对本发明的具有负的衰减特性的磁性弹簧将振动能量作为外力引入，则如上所述，当y₁＜y₂时发散，发散继续下去，振幅逐渐增大，系统被破坏，或者，随着位移的增大而增大的衰减项被追加到上述状态方程式，于是正的衰减起作用，并与负的衰减取得平衡，在此状态下作稳定振动。即，与弹簧常数k(t)一样，衰减系数也可变，式(1)也可以再改写成如下式子： $m\stackrel{\·\·}{x}+r\left(x\right)\stackrel{\·}{x}+\mathrm{mg}-\frac{k\left(t\right)}{x}=F\left(t\right)---\left(5\right)$

本发明的具有磁性弹簧的振动系统，在振动系统内部存在引发持续振动、发散振动的能量变化及变换系统，在上述状态方程式里机理性加入正的衰减项，便能获得如下的状态方程式： $m\stackrel{\·\·}{x}+(r_2{x}^2-r)\stackrel{\·}{x}+\mathrm{mg}-\frac{k\left(t\right)}{x}=F\left(t\right)---\left(6\right)$

该状态方程式在r₂≠0时，若x增大则左边3项增大，且由于弹簧项的衰减项，正的衰减起作用。因此，作为永久磁铁的内部励振特性，位移小时是负的衰减，而随着位移的增大，正的衰减起作用，正与负的衰减平衡的振幅下，振动变为稳定。

此外，振动系统的质量、衰减系数及弹簧常数中的一项以上的大小随时间而变化时，由此而产生的振动称为系数励振振动，上述式(4)、(5)、(6)是励振源本身振动的系数励振振动，系统内的非振动性能量在系统内部变换成振动性励振，使振动发生。

一般情况下，供给的能量是动能的一部分变换成的，所以，若动能有上限，供给能量也有限，在其不再等于消耗能量的时刻，振幅受到抑制。永久磁铁的位能与其系统的动能是独立的，能加大与消耗能量的差别，若永久磁铁单位质量的最大能积增大，还能进一步大幅度加大其差别，通过在一个周期中，使负的衰减导致的供给能量大于衰减引起的消耗能量，从而使振动能量增大。

如上所述，在式(1)中，衰减系数r及弹簧常数k能自由控制，例如在图1的模式图中，当永久磁铁4位于最下端时，通过使与永久磁铁2相对面积为最大，能衰减振幅，能应用于磁力制动器及动力减振器等。此外，通过使永久磁铁4从最下端向着最上端离开并使相对面积最大，能增大斥力，所以，也能应用于发电机及放大器等。

本发明因为采用如上所述构成，所以有如下所述的效果。

若采用本发明技术方案1所述的发明，通过使对置的至少两个永久磁铁的相对面积发生变化来显示出负的衰减特性，或者，组成静磁能变化的磁性弹簧，通过向其中一个输入而从另一个永久磁铁取出输出，就能制成结构简单的能量取出机构。

若采用本发明技术方案2所述的发明，通过使其中一个永久磁铁旋转，使另一个永久磁铁滑动，能低成本地制成压力机、激振器等。

此外，若采用技术方案3所述的发明，使一个永久磁铁增加位能，同时在与另一个永久磁铁平衡点处用小的输入使所述一个永久磁铁振动，从而使另一个永久磁铁连续旋转，所以，利用该连续旋转能引起电磁感应，能应用于发电机等。

Claims (3)

1.一种具有磁性弹簧的能量取出机构，其特征在于，该能量取出机构通过至少使两个永久磁铁以相斥磁极相对的状态相互分离配置，并使上述至少两个永久磁铁的相对面积发生变化来表示出负的衰减特性，或者，该能量取出机构为，组成静磁能变化的磁性弹簧，并通过向上述至少两个永久磁铁之一进行输入，而从另一永久磁铁输出能量。

2.根据权利要求1所述的能量取出机构，其特征在于，使上述一个永久磁铁旋转，使上述另一永久磁铁滑动。

3.根据权利要求1所述的能量取出机构，其特征在于，对上述一个永久磁铁施加负荷使其增加位能，同时，在与上述另一永久磁铁的平衡点处，以小的输入使上述一个永久磁铁振动，从而使上述另一个永久磁铁根据欲使其返回位能变为极小位置的力、变换能量及惯性力矩作连续旋转。

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