CN1279486A

CN1279486A - 磁路

Info

Publication number: CN1279486A
Application number: CN00119338A
Authority: CN
Inventors: 小仓由美; 榎芳美; 山根秀之; 我田茂树; 榎园正人
Original assignee: Delta Tooling Co Ltd
Current assignee: Delta Tooling Co Ltd
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2001-01-10
Anticipated expiration: 2020-06-23
Also published as: KR100346335B1; US6356177B1; JP2001012544A; TW454211B; EP1063658A3; JP4159184B2; EP1063658B1; CN1181504C; DE60020301T2; KR20010007469A; DE60020301D1; EP1063658A2

Abstract

本发明涉及磁路,目的在于构成相斥型的磁弹簧,提供能够得到更强的相斥力而且廉价的磁路。本发明的解决手段是,把相对于轭铁6的规定面在垂直方向上形成磁极的多极磁体8以分离的状态安装于轭铁6的规定面上,把在与多极磁体8的磁极的方向不同的方向上形成磁极的单极磁体10安装在所述多极磁体8的分离部分中间。

Description

磁路

本发明涉及安装于悬浮单元等，构成相斥型的磁性弹簧的磁路。

作为为了确保刚性而往往以内部衰减少的材料构成的机器或构造物的振动、噪声的对策，已经提出了各种减振材料、减振器和控制方法。

通常，隔绝振动采用把金属弹簧、橡胶、空气弹簧、粘弹性(viscoelastic)材料、阻尼器(damper)这样的弹簧和衰减材料进行最佳组合使用的方法，但是这种组合往往像动态倍率(dynamic magnification，即动态弹性常数k_d与静态弹性常数k_s之比k_d／k_s)与损失系数那样处于相抵触关系中。为此进行了许多包含动态吸振器(dynamic vibration absorber)的被动减振装置和利用准能动、能动控制抑制振动的尝试。作为减振器的特性材料，这些材料最好是具有耐用性的材料，是能够对应于制动对象的特性变化的材料，而且是不受高温、低温、油、臭氧等环境因素影响的，经年不变的材料。

近年来，随着具有高顽磁力、高剩余磁通密度的永久磁体的实用化，使用磁力悬浮、磁轴承、磁流体的阻尼器等磁控制系统的研究非常盛行。特别是利用电磁感应引起的涡流和磁通的作用造成的磁衰减的磁阻尼器被用作产生阻尼力的要素，使用范围正在扩大。

但是，构成使同极的永久磁体相对的相斥型磁弹簧的高效率磁路的结构还很有研究余地，当前，采用加大磁路的尺寸(板厚、相对的面积等)虽然增大了磁弹簧的相斥力，但是存在着磁弹簧的重量增加，或成本上升的问题。

本发明鉴于存在的这样的问题而作，其目的在于，提供构成相斥型的磁弹簧，能够得到更强的相斥力的廉价的磁路。

为了达到上述目的，本发明中权利要求1所述的发明是一种磁路，把相对于轭铁的规定面在垂直方向上形成磁极的多极磁体以分离的状态安装于所述轭铁的规定面上，把在与所述多极磁体的磁极的方向不同的方向上形成磁极的单极磁体安装在所述多极磁体的分离部分中间。

而权利要求2所述的发明，其特征在于，在所述轭铁的规定面上形成凸部，在该凸部上配置所述单极磁体，在所述凸部及所述单极磁体的两侧配置分离的所述多极磁体。

还有，权利要求3所述的发明，其特征在于，在所述轭铁的规定面上安装垫块，在该垫块上配置所述单极磁体，在所述垫块及单极磁体的两侧配置分离的所述多极磁体。

又，权利要求4所述的发明，其特征在于，在所述多极磁体的与所述轭铁相反的一侧的端面侧，使所述多极磁体与所述单极磁体的同一磁极相对。

又，权利要求5所述的发明，其特征在于，所述多极磁体使用2极磁体。

图1是表示使各种永久磁体在垂直于形成其磁极的面的方向上运动时磁体之间的距离与静态相斥力的关系的曲线。

图2是表示相同磁极相对的2个永久磁体的相斥力及吸引力的解析模型的概略图。

图3是表示相同磁极相对的2个永久磁体中上部的磁体上放置重锤时的平衡点周围的微小振动模型的概略图。

图4是各种永久磁体的立体图，(a)是表示把单极平行地邻接配置的情况，(b)是表示把2极平行地邻接配置的情况，(c)是表示把3极平行地邻接配置的情况，(d)是表示把4极平行地邻接配置的情况，(e)是表示把4极邻接配置成“田”字形的情况。

图5是表示使相对的面积为75×75mm²、厚度为20mm的图4所示的永久磁体相同磁极相对配置时磁体之间的间距与相斥力的关系的曲线。

图6是本发明的磁路的立体图。

图7是表示本发明的磁路的变形例的立体图。

图8是表示本发明的磁路的另一变形例的立体图。

图9表示用图6的磁路构成的磁弹簧，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次(gradation)的模式图。

图10是表示在图9的磁弹簧中中央的单极磁体的磁极反向的情况，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次的模式图。

图11是表示以只有2极磁体的磁路构成的磁弹簧，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次的模式图。

图12是表示把图11的磁路的尺寸加大的情况下的磁弹簧，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次的模式图。

图13是表示把图11的磁路的尺寸进一步加大，同时缩短间隔距离的情况下的磁弹簧，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次的模式图。

图14是表示只以单极磁体构成的、与图13的磁弹簧相同尺寸的磁弹簧，(a)是表示磁通分布的模式图。(b)是表示磁通的层次的模式图。

图15是表示各种磁弹簧的间隔距离与载重的关系的曲线图。

图16是把间隔距离短的情况下的图15的曲线的一部分加以放大的曲线。

下面参照附图对本发明的实施形态加以说明。

使同极的永久磁体相对的相斥型永久磁体利用给予运动的情况使弹簧常数相应于负载质量和输入而变化，因此具有耐用性，对于振动方向能够以非接触方式对应。这里，在下面对能够全方位隔绝振动的磁弹簧的特性加以说明。

磁弹簧是使稀土磁体(Nd-Fe-B磁体)相对，以使其相斥，使其发生相对运动时产生的相斥力、吸引力、电磁感应引起的磁制动力构成的。

图1是表示使大小、质量不同的永久磁体在垂直于形成其磁极的面的方向上运动时磁体之间的距离(z)与静态相斥力(f)的关系的曲线，磁体A、B、C的尺寸分别为s=75×75mm²，h=20mm，s=75×75mm²，h=10mm，s=50×50mm²，h=10mm。在摩擦造成的损失很小，可以忽略不计时，磁弹簧系统的载重-位移特性是可逆的，具有式1关系：

(式1)

F_mg=(k_m／z)+F₀ ……(1)稀土磁体的内部磁矩不容易受磁场影响，在去磁曲线上磁化强度几乎不变，大致保持其饱和磁化强度的值，因此使用假定磁荷在磁体端面上均匀分布的充磁(charge)模型计算在磁体之间起作用的相斥力。

如图2所示，在永久磁体2的表面N₂上的点(x₂、y₂、δ)与永久磁体4的表面S₁上的点(x₁、y₁、0)起作用的吸引力f⁽¹⁾为，

(式2)f⁽¹⁾dx₁dy₁dx₂dy₂=(m²／R²)dx₁dy₁dx₂dy₂ ……(2)其中，mdx₁dy₁、mdx₂dy₂分别为微小面积dx₁dy₁、dx₂dy₂的磁荷，R为

(式3)R²=(x₁-X₂)²+(y₁-y₂)²+δ² ……(3)

f⁽¹⁾的x分量、z分量分别由(4)、(5)给出：

(式4)f_x ⁽¹⁾=f⁽¹⁾[(X₂-X₁)²+(y₂-y₁)²]^1／2÷R ……(4)

(式5)f_z ⁽¹⁾=f⁽¹⁾δ／R ……(5)同样，若以f⁽²⁾表示N₁、N₂之间的相斥力，以f⁽³⁾表示S₁、S₂之间的相斥力，则载重Fz与Fx由式(6)表示：

(式6)F_α= dx₁dx₂dy₁dy₂(α=x，y) ……(6)其中l、d表示磁体的大小，示于图2。ζ表示2个磁体之间偏离的量，计算上的原点设置于各磁体的中心。其结果是，乘以修正系数后与实验值在5％的误差范围内，很一致。

在磁体之间作用的相斥力由下式(7)给出，(式7)F_mg=(k_m／z)+F₀ ……(7)因此，在图3的配置中，在上部磁体上放置重锤时的运动方程为：

(k_mz^-1+F₀)+mg=F(t) ……(8)其中，m为重锤(m₁)与上部磁体2(m₂)合在一起的质量。c是由筐体等产生的粘性衰减系数，第2项表示衰减项。第4项是重力项，F(t)是外力。假设加上重物的磁体的平衡位置是z₀，

(式9)-(k_mz₀ ^-1+F₀)+mg=0 ……(9)以平衡位置为原点的对于位移量ζ的运动方程为：(式10)

=F(t) ……(10)其中，(式11)ζ=z-z₀ ……(11)在ζ／z₀＜＜1时，近似为(式12)k_mz^-1≈k_mz₀ ^-1(1-ζ)=k_mz₀ ^-1-km’ζ ……(12)(式13)k／z≈(k／z₀)(1-ζ／z₀)=(k／z₀)-k’ζ……(13)(式14)km’=k／z₀ ²=(mg-F₀)²k^-1 _m ……(14)在这里，假设外力以角频率ω强迫振动，则外力(式15)F(t)=F₀e^jωt ……(15)这时假设

(式16)ζ=Ae^jωt ……(16)则振幅A可以由下式求出，

(式17)A=F₀e^j(ωt-φ)／{k’²[1-(ω／ω₀)²]²+(2γω／(ω₀)²}^-1／2……(17)其中，

(式18)γ=C／2(mk_m’)^-1／2 ……(18)表示衰减比。而φ为相位角，由下式给出：

(式19)tanφ=cω／(k_m’-mω²) ……(19)f_m为固有振动频率，

(式20)f_m=(1／2π)((mg-F₀)²／mk_m)^-1／2 ……(20)固有振动频率与弹簧常数的关系是非线性的，因此与金属弹簧的关系相反。利用磁路的调整，设定工作点的设定位置和载重-位移特性的最佳曲率，借助于此，可以使共振点为一定，而与负载质量无关。式(13)取近似值考虑到2次项为止，式(10)变成下述式(21)，即

(式21)aζ-bζ²=F(t)其中a为，a=(mg-F₀)²／k_m b=(mg-F₀)³／k² _m ……(22)在微小振动区域，对周期性的外力，不断地施加一定的斥力bζ²，以这一斥力使周期性外力衰减。也就是调整永久磁体的运动轨迹，控制弹簧常数，以此使输入受限制，而利用负载质量使强迫振动衰减。

又，磁通密度B的大小由自发磁化与有效磁场(反磁场+外部磁场)决定，由

B=4πI-Hm+Hex(CGS单位)给出。其中4πI为自发磁化I产生的磁通，Hm以磁体削弱自身的力表示反磁场，Hex是磁极相对而产生的外磁场。用自身去磁的对策实施多极化，用相邻的磁体制作顺磁场，则可以使Hm减小。但是如果没有磁力线的梯度，则磁力线不通往外部。也就是说，为了减小Hm，如果增加极数，则中央部的磁力线几乎都不通往外部。而且端部的磁通也不传播，斥力减弱。总之，斥力的强度是由相对的面积、极数、通常使用的磁体之间的间距决定的。

图4表示相对的面积为75×75mm²、厚度为20mm、极数为1～4极的永久磁体，图5表示使相同的磁极相对配置时磁体之间的间距与相斥力的关系。

由图5的曲线可知，磁悬浮中使人体悬浮的区域的效率良好的磁路是2极磁体。相当于磁畴壁的交叉磁体之间发生泄漏磁场，相对的磁体接近时，得到更强的斥力，冲击性上下振动的现象也将减轻。

图6表示本发明的磁路M1，分离的2个磁体配置于轭铁上，在2个磁体之间安装单极磁体。

更详细地说，是相对于矩形的轭铁6的规定的面(图6中的上表面)在垂直的方向上形成磁极的2极磁体8(或是不同极指向同一方向的2个单极磁体8a、8b)以规定的距离分开配置，同时在磁体8a、8b之间配置单极磁体10，在轭铁6的相反侧的磁体端面上(图6中的上表面)，磁体8a、8b与磁体10以相同的磁极相对。

图7表示磁路M1的变形例M2，在形成于轭铁6A的中央部的凸部6a上配置单极磁体10A，同时在凸部6A与单极磁体10A的两侧配置分离的2极磁体8(8a、8b)。

图8表示另一变形例M3，把图7所示的轭铁6A的凸出部6a置换为铝、铜等制成的垫块12。因此，图6所示的轭铁6与图8所示的轭铁6是相同的。

图9是把图6的磁路尺寸设定为口70，同时以使相同的磁极相对的方式配置2个磁路，以此构成磁弹簧时的磁通分布。

又，图10表示在图6的线路中，夹在磁体8a、8b中的磁体10的磁极反向配置，把磁极配置为在磁路的相对的一侧磁体8a、8b与磁体10相吸引的情况下的磁通分布。

从图9与图10的磁通分布可知，在磁路的相对的一侧，配置为分离的2个磁体8与配置于其中央部的磁体10以相同的磁极相对，则从磁体8a指向磁体8b的磁通可以利用磁体10的磁通进行控制，增加斥力。

又，图11及图12表示图4(b)所示的2个磁体的尺寸分布设定为□70、□75时的磁通分布。磁路中磁体配置相同的情况下，磁路的尺寸越大则斥力越大，而在尺寸相同的情况下也可以利用改变磁体配置的方法控制磁通分布，提供高斥力的磁路。

图13是在图12的磁弹簧中把构成相对的2个磁路的磁体的厚度加大，同时把2个磁路的间隔距离进一步缩小的情况。而图14是在图13的磁弹簧中把2极磁体置换为单极磁体的情况。

从图13与图14可知，磁路的尺寸越大，而间隔距离越小，则斥力越大，而使用2极磁体代替单极磁体能够使斥力增大。

图15与图16是表示各种磁路的间隔距离与载重(斥力)的关系的曲线，图中所谓吸引(SN)、相斥(NS)、相斥(NS)+Cu分别为图10所示的磁路、图9所示的磁路、图9所示的磁路中插入作为垫块的铜的磁路(参照图8)的情况。又，所述□70×10t及□75×10t分别为图11及图12所示的2极磁体构成的磁路。

图15及图16的曲线表示在磁路的尺寸相同的情况下利用本发明的图6～图8所示的磁路能够产生大斥力的情况。

而且，图6～图8所示的磁路采用2极磁体，但是也可以采用3极或4极等多极磁体。也就是说，利用在分离的相邻磁体之间插入相斥型磁体的方法能够增加斥力。

更详细地说，如果以多极结构形成磁路，则在交叉的磁体之间发生泄漏磁场，利用这时的磁场梯度，能够增大斥力。又，把多极磁体分离开来，在分离的相邻磁体之间插入相斥型的磁体，则磁场梯度发生变化，能够进一步增大斥力。

一旦有了磁场梯度，则磁场梯度产生的作用力表示为：

(式23)F=M(H／x) ……(23)M为磁矩，dH／dx表示磁场梯度(又，由于在说明书的文章中不能使用，所以在这里以d表示)。

利用多极交叉磁体组合产生的泄漏磁场控制磁通，借助于此，能够使磁场梯度具有方向性，可以增大斥力。

本发明由于采用上述结构，所以能够得到下面所述的效果。

采用本发明中的权利要求1所述的发明，把相对于轭铁的规定面在垂直方向上形成磁极的多极磁体以分离的状态安装，把在与多极磁体的磁极的方向不同的方向上形成磁极的单极磁体安装在多极磁体的分离部分中间，因此能够利用单极磁体的磁通控制多极磁体的磁通，利用结构简单的廉价磁路产生很大的斥力。

又，采用权利要求2或3所述的发明，在轭铁的规定面上形成的凸部或在轭铁的规定面上安装的垫块上配置单极磁体，在其两侧配置分离的多极磁体，因此，可以把磁体的尺寸做得小，可以提供廉价的磁路。

又，采用权利要求4所述的发明，在多极磁体的与轭铁相反的一侧的端面侧，使多极磁体与单极磁体的相同磁极相对，因此能够使进一步增大斥力。

又，采用权利要求5所述的发明，多极磁体使用2极磁体，因此能够以结构简单的廉价磁体发生很大的斥力。

Claims

1．一种磁路，其特征在于，把相对于轭铁的规定面在垂直方向上形成磁极的多极磁体以分离的状态安装于所述轭铁的规定面上，把在与所述多极磁体的磁极的方向不同的方向上形成磁极的单极磁体安装在所述多极磁体的分离部分中间。

2．根据权利要求1所述的磁路，其特征在于，在所述轭铁的规定面上形成凸部，在该凸部上配置所述单极磁体，在所述凸部及所述单极磁体的两侧配置分离的所述多极磁体。

3．根据权利要求1所述的磁路，其特征在于，在所述轭铁的规定面上安装垫块，在该垫块上配置所述单极磁体，在所述垫块及单极磁体的两侧配置分离的所述多极磁体。

4．根据权利要求1～3中的任一项所述的磁路，其特征在于，在所述多极磁体的与所述轭铁相反的一侧的端面侧，使所述多极磁体与所述单极磁体的相同磁极相对。

5．根据权利要求1～4中的任一项所述的磁路，其特征在于，所述多极磁体使用2极磁体。