DE69729615T2

DE69729615T2 - Magnetische feder mit dämpfungseigenschaften und mit dieser befasstem schwingungsmechanismus

Info

Publication number: DE69729615T2
Application number: DE69729615T
Authority: DE
Inventors: Etsunori Fujita; Yoshimi Enoki; Hiroshi Nakahira; Seiji Kawasaki; Hiroki Honda; Yumi Ogura
Original assignee: Delta Tooling Co Ltd
Current assignee: Delta Tooling Co Ltd
Priority date: 1996-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: CN1188530A; CN1077966C; EP0833074A1; TW333591B; EP0833074A4; AU2179297A; WO1997038242A1; US6035980A; DE69729615D1; EP0833074B1; KR19990022751A; KR100266432B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Magnetfeder, die eine Mehrzahl von Dauermagneten besitzt.
Stand der Technik
Gegenwärtig wurden verschiedene Vibrationsmodelle vorgeschlagen und in praktischen Gebrauch umgesetzt. Im allgemeinen hängen die Vibrationseigenschaften von der belasteten Masse und der Eingabe ab. Es wird davon ausgegangen, dass es eine Korrelation zwischen der belasteten Masse und der Krümmung der Last-Auslenkungseigenschaften und zwischen der Eingabe und der Hysterese der Last-Auslenkungseigenschaften gibt.
Beispielsweise in Aufhängungssystemen für Automobile sind die Punkte zum Einstellen des Fahrkomforts, wie die Federkonstante des Aufhängungssystems, der Straßenoberflächenzustand, die Steuerbarkeit und der Impedanzzustand (oder die Differenz desselben). Für eine Optimierung unter allen diesen Bedingungen wird eine aktive Steuerung benötigt. Fahren auf schlechten Straßen oder Fahren mit hoher Geschwindigkeit führen zu signifikanten Unterschieden in einem Niederfrequenzbereich und einem Hochamplitudenbereich. In dem Falle, in welchem die Dämpfungskraft gering ist, wird die Übertragbarkeit einer Auslenkung zunehmen, und die Resonanzfrequenz wird sich in den Niederfrequenzbereich verschieben. Um die Dämpfungskraft zu erhöhen, ist es erforderlich, das Dämpfungsverhältnis eines Dämpfers zu erhöhen oder die Federkonstante zu vermindern. Daher besitzen herkömmliche, passive Vibrationsmodelle eine Grenze hinsichtlich ihrer Leistung.
Als konkrete Beispiele werden nachfolgend gelagert Sitze beschrieben. Die gelagerten Sitze sind Sitze, die hauptsächlich in Geländefahrzeugen wie Erdbewegungsmaschinen oder Erholungsfahrzeugen (recreational vehicles – RV) oder Reisefahrzeugen für große Entfernungen, wie Lastkraftwagen oder Bussen verfügbar sind und mit einem Vibrationsisolatormechanismus ausgestattet sind. Als Vibrationsisolatormechanismus werden Metallfedern, eine Luftlagerung, Luftdämpfer oder dergleichen verwendet. In diesen Sitzen wurde die Isolierung der Sitzvibration innerhalb des Frequenzbereichs von etwa 1,5 bis 12 Hz, insbesondere von 3 bis 5 Hz verbessert. Daher besitzen gelagerte Sitze eine Resonanzfrequenz im Bereich 1 bis 2,5 Hz.
51 zeigt die Vibrationseigenschaften herkömmlicher, gelagerter Sitze. In 51 zeigt (a) einen starren Sitz, (b) einen gelagerten Sitz, (c) einen gefederten Sitz, und (d) einen gelagerten Sitz, der keinen Dämpfer besitzt.
Bei den Sitzen mit einer geringen Steifigkeit (d. h. einem weichen Fahrkomfort) wird es eine große dynamische Auslenkung geben, wenn sie einigen Stößen oder einer nieder-frequenten Vibration ausgesetzt sind. Allerdings ist die Bewegung von Sitzlagerungsmechanismen üblicherweise auf weniger als 100 mm begrenzt, um nicht die Bedienvorgänge des Fahrers zu stören, wie beispielsweise ein Niederdrücken eines Pedals oder dergleichen. Im Falle großer dynamischer Auslenkungen wird dies dazu führen, dass der gelagerte Sitz einen Endanschlagsstoß erzeugt.
Um die Einflüsse des Endanschlagstoßes auf die Leistung des gelagerten Sitzes zu untersuchen, führte Stiles 1994 einen Feldversuch beim Traktorfahren durch. Er stellte fest, dass 45% der gelagerten Sitze die durch den Fahrer erfahrenen Beschleunigungsniveaus erhöhten. Er nahm an, dass die Endanschlagstöße die Isolationseffizienzen der gelagerten Sitze verschlechterten. Als Lösung bei einem durch das Fahrzeug erfahrenen, plötzlichen oder vorübergehenden Schlag wird ein Stoßabsorber verwendet.
Zuletzt wurde ein aktiv gelagerter Sitz vorgeschlagen, bei welchem ein an dem Sitz eingebauter Aktor derart arbeitet, um Vibrationen aktiv zu steuern, um den Fahrkomfort zu verbessern.
Allerdings können die Vibrationsisoliermechanismen, welche Metallfedern, Luftlagerung, Luftdämpfer oder dergleichen einsetzen, den Fahrkomfort oder das Gebrauchsgefühl durch Vermindern einer Vibrationsfrequenz von 4 bis 20 Hz aus den durch den Fahrzeugboden übertragenen Frequenzen nicht verbessern.
Ferner ist der aktiv gelagerte Sitz schwer und teuer, und es ist ebenso erforderlich, stets den Aktor zu aktivieren. Falls der Aktor ausgeschaltet ist, werden Vibrationen auf den Sitzenden über den Aktor übertragen, wodurch der Fahrkomfort verloren geht.
Falls andererseits in dem gelagerten Sitz, welcher den Stoßabsorber einsetzt, die Dämpfungskraft zu groß ist, kann er die Vibrationsisolierleistung für den Sitz in der Region niederer und mittlerer Frequenzen, d. h. bei mehr als etwa dem 1,4-fachen der Resonanzfrequenz, verschlechtern.
Ferner offenbart JP 07217687 eine Magnetfeder, die einen ersten und einen zweiten Dauermagneten aufweist, welche voneinander bei einander gegenüberliegenden, gleichen magnetischen Polen beabstandet sind, wobei der maximale Trennabstand der Magneten einstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Überwinden der oben beschriebenen Nachteile entwickelt. Es ist entsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetfeder bereitzustellen, die positive, 0- oder negative Dämpfungseigenschaften besitzt, und zwar unter Einsatz von Dauermagneten. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges Steuersystem mit dynamischen Eigenschaften oder einen hocheffizienten Antrieb mit einer einfachen Konstruktion durch Bereitstellen eines stabilen, nicht linearen Vibrationsmechanismus oder eines Koeffizienten-anregenden Vibrationsmechanismus, der die zuvor genannte Magnetfeder und keine physikalische Dämpfungsstruktur besitzt, zu verwirklichen.
Darstellung der Erfindung
Zum Lösen der obigen und weiteren Aufgaben umfasst die Magnetfeder gemäß der vorliegenden Erfindung die Merkmale gemäß Anspruch 1.
Die maximale Abstoßungskraft kann in der nahesten Position der mindestens zwei Dauermagneten oder einer Position, welche die naheste Position überschritten hat, erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Magnetfeder, die insbesondere ausgeglichene Positionen von zwei Dauermagneten auf der Eingabeseite und der Ausgabeseite zeigt;
2 ist ein Diagramm der grundlegenden Eigenschaften der Magnetfeder aus 1, das insbesondere eine Beziehung zwischen der auf einen der zwei Dauermagneten aufgebrachten Last und der Auslenkung desselben aus der ausgeglichenen Position zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der gemessenen Last und der Auslenkung zeigt;
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Denkweise der Eingabe und der Ausgabe in einem Ladungsmodell zeigt, das annimmt, dass die magnetischen Ladungen gleichmäßig auf Endflächen der Dauermagneten verteilt sind, wobei (a) die Anziehung zeigt, (b) die Abstoßung zeigt, und (c) die Abstoßung an anderen Orten als bei (b) zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung, die voneinander beabstandete Dauermagneten mit einander gegenüberliegenden, gleichen magnetischen Polen zeigt, und ebenso den Fall zeigt, in welchem einer der Dauermagneten in Bezug auf den anderen bewegt wird (um die einander gegenüberliegende Fläche zu verändern);
6 ist ein Diagramm, das die Belastung in Richtung der X-Achse und Z-Achse in Bezug auf den Bewegungsbetrag in der Richtung der X-Achse zeigt, wenn die Berechnung auf Basis von 5 ausgeführt worden ist;
7 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Last und der Auslenkung zeigt, wenn der Abstand zwischen den Dauermagneten aus 5 konstant gehalten wird, und einer der Magneten in Bezug auf den anderen von dem vollständig verschobenen Zustand in den vollständig überlappten und wieder in den vollständig verschobenen bewegt wird;
8 ist eine schematische Darstellung, die voneinander beabstandete Dauermagneten mit einander gegenüberliegenden, gleichen magnetischen Polen zeigt und ebenso den Fall zeigt, in welchem einer der Magneten in Bezug auf den anderen rotiert wird (um die einander gegenüberliegende Fläche zu verändern);
9 ist ein Diagramm, das die maximale Last in Bezug auf die einander gegenüberliegende Fläche zeigt, wenn einer der Magneten rotiert wird, wie in 8 gezeigt;
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Last und dem Abstand zwischen den Magneten zeigt, wenn neodym-basierte Magneten eingesetzt werden;
11 ist eine Frontansicht eines ersten Magnetfedermodells gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch Verändern einander gegenüberliegenden Fläche der Dauermagneten verändert werden;
12 ist eine Frontansicht eines zweiten Magnetfedermodells, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch Verändern des Abstands zwischen den Dauermagneten verändert werden;
13 ist eine Frontansicht eines dritten Magnetfedermodells, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch die Kombination mit einer Hebelverhältnisumwandlung verändert werden;
14 ist eine Frontansicht eines vierten Magnetfedermodells, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch eine Polumwandlung verändert werden;
15 ist eine Frontansicht eines fünften Magnetfedermodells, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch eine Magnetschaltungsumwandlung verändert werden;
16 ist ein grundlegendes Modell, welches die Eigenschaften der Magnetfeder erläutert;
17 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Dauermagneten und der Abstoßungskraft zeigt;
18 ist eine Frontansicht einer Vorrichtung, die verwendet wird, um die statischen und dynamischen Eigenschaften der Magnetfeder ohne jegliche Flächenumwandlung zu erhalten;
19 sind Diagramme, welche die dynamischen Eigenschaften der Magnetfeder zeigen, welche durch die Verwendung der Vorrichtung aus 18 erhalten sind, wobei (a) ein durch die Verwendung von Magneten mit 50 × 50 × 10 mm erhaltenes Diagramm ist, (b) ist ein durch die Verwendung von Magneten mit 50 × 50 × 15 mm erhaltenes Diagramm, (c) ist ein durch die Verwendung von Magneten mit 50 × 50 × 20 mm erhaltenes Diagramm, (d) ist ein durch die Verwendung von Magneten mit 75 × 75 × 15 mm erhaltenes Diagramm, (e) ist ein durch die Verwendung von Magneten mit 75 × 75 × 20 mm erhaltenes Diagramm, und (f) ist ein durch die Verwendung von Magneten mit 75 × 75 × 25 mm erhaltenes Diagramm;
20 ist ein Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften der Magnetfeder zeigt, die durch die Verwendung der Vorrichtung aus 18 erhalten sind, wenn die Last bei Verwendung derselben Magneten verändert wird;
21 ist ein Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften eines herkömmlichen Automobilsitzes zeigt, der als Vergleichsbeispiel eingesetzt wird;
22 ist ein Diagramm, das eine Veränderung einer Federkonstante und eines Koeffizienten in Bezug auf die Zeit in der Magnetfederstruktur zeigt;
23 ist ein Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften einer Vibrationsisoliereinheit vom Betttyp zeigt, wenn nur Kissen verwendet werden, und wenn die Kissen und die Magnetfeder verwendet werden, und wenn eine halbaktive Steuerung durchgeführt wurde;
24 ist eine Frontansicht einer Magnetschwebeeinheit, die zum Messen der dynamischen Eigenschaften der Magnetfeder verwendet wird;
25 ist ein Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften der Magnetschwebeeinheit zeigt, die durch Verwendung der Magnetschwebeeinheit aus 24 gemessen sind;
26 ist ein Diagramm, das Bewertungswerte eines Sitzkomforts zeigt, die durch Verwendung verschiedener Sitze mit der Magnetschwebeeinheit gemessen sind;
27 ist ein Diagramm, das Bewertungswerte des Sitzkomforts zeigt, die durch Verändern der Last und des Polsterungsmaterials gemessen sind;
28 ist ein Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften zeigt, die durch Verwendung verschiedener Sitze mit der Magnetschwebeeinheit gemessen sind;
29 ist eine schematische Darstellung eines Magnetfedermodells, in welchem ein Anschlag und ein elastisches Lagerelement enthalten sind;
30 ist ein Diagramm, das die Eingabe-/Ausgabearbeitseigenschaften eines Prinzipmodells vom Schiebetyp zeig;
31 ist ein Diagramm, das gemessene Werte einer Eingabe und einer Ausgabe eines Prinzipmodells vom Rotationstyp zeigt;
32 ist ein Diagramm, das die Eingabe-/Ausgabearbeitseigenschaften des Prinzipmodells vom Rotationstyp zeigt;
33 ist eine schematische Darstellung, welche die Punkte eines Eingabe-/Ausgabe-Prinzipmodells erläutert;
34 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand zwischen den Magneten und der Abstoßungskraft oder der magnetischen Flussdichte zeigt, die durch Verwendung eines Ladungsmodells erhalten wurde;
35 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Auslenkung und der Abstoßungskraft des Prinzipmodells vom Rotationstyp zeigt, die durch eine Flächenumwandlung erhalten ist;
36 ist ein Diagramm, das die Eingabe-/Ausgabearbeitseigenschaften eines Federmodells vom Schiebetyp zeigt;
37 ist eine schematische Darstellung, welche die Punkte des Metallfedermodells erläutert;
38 ist eine Perspektivansicht des Prinzipmodells vom rotierenden Typ gemäß der vorliegenden Erfindung;
39 ist eine Perspektivansicht des Prinzipmodells vom Schiebetyp gemäß der vorliegenden Erfindung;
40 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Beschleunigung und der Eingabe oder dem erforderlichen Schub zeigt, wenn das Magnetfedermodell aus 11 mit einem Ausgleichsgewicht ausgestattet ist und wenn ersteres nicht mit einem Ausgleichsgewicht ausgestattet ist;
41 ist ein Diagramm, das eine Beziehung der Amplitude und der Beschleunigung in Bezug auf die Frequenz zeigt, wenn das Magnetfedermodell aus 11 mit einem Ausgleichsgewicht ausgestattet ist, und wenn ersteres nicht mit einem Ausgleichsgewicht ausgestattet ist;
42 ist eine schematische Darstellung eines Magnetfeldmodells innerhalb eines Metallleiters, das (a) die Koordinaten eines Säulenmagneten und des Metallleiters zeigt, (b) die Kreiszylinderkoordinaten des Säulenmagneten zeigt; und (c) die Stromdichte innerhalb des Metallleiters zeigt;
43 sind Ansichten einer Vibrationsisolationsvorrichtung für gelagerte Sitze, in welcher eine Magnetfeder enthalten ist, wobei (a) eine Frontansicht der gesamten Vibrationsisolationsvorrichtung ist, (b) eine Seitenansicht davon ist, und (c) eine Perspektivansicht einer horizontalen Vibrationsisolationseinheit ist, die schwingbar an einem oberen Abschnitt der Vibrationsisolationsvorrichtung (a) montiert ist;
44 ist ein Diagramm, das die Vibrationseigenschaften in der Anwesenheit oder Abwesenheit der horizontalen Dämpfungswirkung zeigt, welche durch elektromagnetische Induktion verursacht ist;
45 sind schematische Ansichten von Magnetanordnungen magnetischer Federn, die sich in der Anzahl an Polen unterscheiden, wobei (a) eine Frontansicht einer Einzelpol-Magnetfeder ist, (b) einer Frontansicht einer Zweipol-Magnetfeder ist, (c) eine Frontansicht einer Dreipol-Magnetfeder ist, (d) eine Frontansicht einer Vierpol-Magnetfeder ist, und (e) eine Draufsicht betrachtet in der Richtung eines Pfeils in (d) ist;
46 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Abstoßungskraft und dem Abstand zwischen den Magneten durch die Anzahl von Polen zeigt;
47 ist ein Diagramm, das die Vibrationseigenschaften einer Vibrationsisolationsvorrichtung für gelagerte Sitze zeigt, in welcher eine Zweipol- oder Vierpol-Magnetfeder enthalten ist;
48 sind Diagramme, welche die Vibrationseigenschaften verschiedener Federn zeigen, wobei (a) die Vibrationseigenschaften einer Metallfeder zeigt, (b) die Vibrationseigenschaften einer Luftfeder zeigt, und (c) die Vibrationseigenschaften einer Magnetfeder zeigt;
49 ist ein Diagramm, das die statischen Eigenschaften einer die Magnetfeder einsetzenden Lagereinheit zeigt;
50 ist ein Diagramm, das die Vibrationseigenschaften herkömmlicher Lagereinheiten sowie diejenigen der Lagereinheit, welche die Magnetfeder einsetzt, zeigt; und
51 ist ein Diagramm, das die Vibrationseigenschaften herkömmlicher, normaler gelagerter Sitze zeigt.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung diskutiert.
Wenn eine Magnetfederstruktur aus mindestens zwei voneinander beabstandeten Dauermagneten miteinander gegenüberliegenden, gleichen Magnetpolen gebildet ist, werden die zwei beabstandeten Dauermagneten kontaktlos voneinander gehalten. Falls dementsprechend die Reibungsverluste in der Struktur selbst gering genug sind, um vernachlässigt zu werden, sind die statischen Eigenschaften derselben umkehrbar, d. h. die Ausgabe (zurück) ist dieselbe wie die Eingabe (hin) und ist nicht linear. Ferner kann ein negatives Dämpfen leicht durch Verändern des statischen magnetischen Feldes (der Anordnung der Magneten) mit einer geringen Eingabemenge unter Einsatz des Freiheitsgrades, der dem kontaktlosen Paar eigen ist, und der Instabilität des Schwimmersteuersystems erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Tatsache entwickelt. Während der Eingabe (hin) und während der Ausgabe (zurück) werden die geometrischen Abmessungen zwischen den zwei Dauermagneten durch einen Mechanismus innerhalb eines kinetischen Systems, in welchem die Dauermagneten platziert sind, oder durch eine äußere Kraft verändert. Die Veränderung der geometrischen Abmessungen wird in eine Abstoßungskraft in dem kinetischen System umgewandelt, um die Abstoßungskraft von der ausgeglichenen Position der zwei Dauermagneten größer während der Ausgabe als während der Eingabe zu machen.
Das grundlegende Prinzip wird nachfolgend erläutert.
1 zeigt schematisch ausgeglichene Positionen von zwei Dauermagneten 2 und 4 auf der Eingabeseite und auf der Ausgabeseite, während 2 die grundlegenden Eigenschaften der Magnetfederstruktur zeigt, die eine Beziehung zwischen der auf einen der zwei Dauermagneten aufgebrachten Last und der Auslenkung desselben aus der ausgeglichenen Position angibt.
Wenn, wie in 1 gezeigt, die ausgeglichene Position des Dauermagneten 4 auf der Eingabeseite in Bezug auf den Dauermagneten 2 und die Federkonstante der Magnetfeder x₀ bzw. k1 sind, und die ausgeglichene Position desselben auf der Ausgabeseite und die Federkonstante x₁ bzw. k2 sind, wird eine Flächenumwandlung zwischen x₀ und x₁ durchgeführt, und die folgenden Beziehungen gelten in jeweils ausgeglichenen Positionen. –k1/x0 + mg = 0 –k2/x1 + mg = 0 k2 > k1
Dementsprechend weisen die statischen Eigenschaften negative Dämpfungseigenschaften auf, wie in 2 gezeigt, und es ist vorstellbar, dass die Potentialdifferenz zwischen der Position x₁ und der Position x₀ der Potentialenergie zur Oszillation entspricht.
Ein Modell gemäß 1 wurde hergestellt, und eine Beziehung zwischen der Last und der Auslenkung wurde durch Verändern der Zeit gemessen, während derer die Belastung aufgebracht wurde. Als Ergebnis wurde ein in 3 gezeigtes Diagramm erhalten, und dessen Bedeutung kann dahingehend ausgelegt werden, dass wenn die zwei Dauermagneten 2 und 4 sich ihrer nahesten Position nähern, eine große Abstoßungskraft erzeugt wird, und dass wenn der Auslenkungsbetrag von der ausgeglichenen Position sich etwas verändert, ein Reibungsverlust durch eine Dämpfungswirkung der Magnetfeder erzeugt wird, wodurch ein Dämpfungsterm erzeugt wird.
In 3 ist (a) eine Kurve, die erhalten wurde, wenn eine konstante Last aufgebracht wurde, und die Zeitdauer, während derer die Last aufgebracht wurde, wird in der Reihenfolge von (a), (b) und (c) kürzer. In anderen Worten variieren die statischen Eigenschaften entsprechend der Weise, auf welche die Last aufgebracht wird, und je länger die Zeitdauer ist, während derer die Last aufgebracht wird, umso größer ist der Impuls.
Bei seltenen Erdmagneten hängt die Stärke der Magnetisierung nicht von dem magnetischen Feld ab. Genauer gesagt, da das innere magnetische Moment nicht leicht durch das magnetische Feld beeinflusst wird, verändert sich die Stärke der Magnetisierung auf einer Entmagnetisierungskurve kaum, und der Wert wird annähernd konstant auf demjenigen der Sättigungsmagnetisierung gehalten. Dementsprechend kann im Falle von seltenen Erdmagneten die Kraft unter Einsatz eines Ladungsmodells unter der Annahme berechnet werden, dass die magnetische Last gleichmäßig auf seinen Oberflächen verteilt ist.
4 zeigt die Vorstellungsweise, auf welche ein Magnet als Satz von Magneten kleinster Einheit definiert ist. Die Beziehung von unter den Einheitsmagneten wirkenden Kräften wurde berechnet, indem diese in drei aufgeteilt wurden.

(a) Anziehung (da die Einheitsmagneten sowohl hinsichtlich r als auch m identisch sind, sind zwei Arten durch eine definiert) f(1) = (m2/r2)dx1dy1dx2dy2 fx (2) = f(2)cosθ fz (2) = f(2)sinθ
(b) Abstoßung fx (3) = f(3)cosθ fz (3) = f(3)sinθ
(c) Abstoßung fx (2) = f(2)cosθ fz (2) = f(2)sinθ

Dementsprechend, –fx =) 2fx (1) – fx (2) – fx (3) –fz =) 2fz (1) – fz (2) – fz (3)
Dabei ist das Coulomb-Gesetz ausgedrückt durch: F = k(q1q2/r2)r: Abstand q = MSq1, q1: magnetische Ladung
M(m): Stärke der Magnetisierung
S: Fläche
Die Kräfte können durch Integrieren der obigen (–f_x) und (–f_z) in Bezug auf den Bereich der Magnetabmessung erhalten werden.
Wie in 5 gezeigt, wurde die Berechnung für jeden magnetischen Spalt durch Bewegen einen der zwei gegenüberliegenden Magneten in Bezug auf den anderen von dem Zustand, in welchem sie vollständig überlappt sind (Länge der Bewegung x = 0 mm), in den Zustand, in welchem einer von ihnen vollständig verschoben ist (Länge der Bewegung x = 50 mm) durchgeführt. Die Ergebnisse der Berechnung sind in 6 gezeigt. Obwohl das innere magnetische Moment als konstant definiert ist, wird es etwas korrigiert, da eine Störung um die Magneten verursacht wird, wenn der magnetische Spalt gering ist.
Die obigen Ergebnisse der Berechnung stehen allgemein in Übereinstimmung mit den Ergebnissen der tatsächlichen Messung. Die zum Bewegen des Punkts (a) zum Punkt (b) in 2 erforderliche Kraft ist die x-Achsenlast, während die Ausgabe durch die z-Achsenlast dargestellt ist. Die Beziehung von Eingabe < Ausgabe, welche durch Instabilität verursacht ist, wird statisch geklärt.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der x-Achsenlast und der z-Achsenlast angibt, wenn der Abstand zwischen den Magneten bei 3 mm gehalten ist, und der Zustand der Magneten wird von dem vollständig verschobenen Zustand zu dem vollständig überlappten und wieder zu dem vollständig verschobenen verändert. Dieses Diagramm ist eine charakteristische Kurve, die angibt, dass der Absolutwert der x-Achsenlast derselbe ist, jedoch die Richtung der Ausgabe ist umgekehrt. Wenn einer der Magneten in Bezug auf den anderen bewegt wird, um sich dem vollständig überlappten Zustand anzunähern, erfährt der erstere einen Widerstand, was zu einem Dämpfen führt. Wenn andererseits einer der Magneten in Bezug auf den anderen von dem vollständig überlappten Zustand in den vollständig verschobenen Zustand bewegt wird, wird der erstere beschleunigt. Diese Eigenschaften können in einem berührungslosen Dämpfer verwendet werden, um die Vibrationsenergie zu vermindern oder die Durchlässigkeit in der unteren, mittleren und hohen Frequenzregion (0–50 Hz), die Menschen spüren können, zu verbessern, obgleich herkömmliche Dämpfer dies nicht erzielen konnten.
Wenn der Rotationswinkel der gegenüberliegenden Magneten wie in 8 gezeigt verändert wird, wird ein in 9 gezeigtes Diagramm erhalten. Selbstverständlich nimmt die maximale Last ab, wenn die gegenüberliegende Fläche abnimmt.
Dieses Diagramm gibt an, dass die Ausgabe durch eine Flächenumwandlung verändert werden kann, die durch Aufbringen einer vorbestimmten Eingabe durchgeführt werden kann.
10 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Last und dem Abstand zwischen den Magneten angibt, wenn neodym-basierte Magneten eingesetzt werden. Die Abstoßungskraft nimmt mit der Masse zu. Die Abstoßungskraft F ist gegeben durch: F = Br2 × (geometrische Abmessungen)Br: Stärke der Magnetisierung
Die geometrischen Abmessungen meinen die durch den Abstand zwischen den gegenüberliegenden Magneten, die gegenüberliegende Fläche, die magnetische Flussdichte, die Stärke des magnetischen Feldes oder dergleichen definierten Abmessungen. Falls das Magnetmaterial dasselbe ist, ist die Stärke der Magnetisierung (Br) konstant, und somit kann die Abstoßungskraft der Magnete durch Verändern der geometrischen Abmessungen verändert werden.
11 zeigt ein bestimmtes Magnetfedermodell gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchem die geometrischen Abmessungen durch Verändern der gegenüberliegenden Fläche der Magneten 2 und 4 verändert werden. In 11 sind eine Basis 6 und eine obere Platte 8, die sich parallel zueinander erstrecken, durch zwei X-Glieder 10, die jeweils zwei Glieder 10a und 10b besitzen, verbunden. Ein Ende des Gliedes 10a und dasjenige des Gliedes 10b sind schwenkbar an der Basis 6 bzw. der oberen Platte 8 angebracht, während das andere Ende des Gliedes 10a und dasjenige des Gliedes 10b schwenkbar an einem unteren Schieber 12, der an der oberen Platte 8 montiert ist, bzw. einem unteren Schieber 14, der verschiebbar an der Basis 6 montiert ist, angebracht.
Die Basis 6 besitzt einen fest daran angebrachten, geradlinigen Pfad 16, auf welchem eine Magnetplattform 18, auf der der Dauermagnet 2 platziert ist, verschiebbar montiert ist, während der Dauermagnet 6 fest an der oberen Platte 8 montiert ist. Die Basis 6 besitzt ebenso eine daran angebrachte Lagerung 20, an welcher ein allgemein mittlerer Abschnitt eines L-förmigen Hebels 22, der aus einem ersten Arm 22a und einem zweiten Arm 22b besteht, schwenkbar montiert ist. Der erste Arm 22a besitzt ein schwenkbar an der Magnetplattform 18 montiertes Ende, während der zweite Arm 22b ein daran angebrachtes Ausgleichsgewicht 24 besitzt.
Wenn bei dem oben beschriebenen Aufbau eine bestimmte Eingabe auf die Basis 6 aufgebracht wird, um die Basis 6 zu der oberen Platte 8 zu bewegen, wird die Magnetplattform 18 entlang des geradlinigen Pfades 16 mittels der Trägheitskraft des Ausgleichgewichts 24 nach rechts bewegt. Als Ergebnis hieraus nimmt die gegenüberliegende Fläche der zwei Dauermagneten 2 und 4 graduell zu, und die maximale Abstoßungskraft wird in der nahesten Position der Dauermagneten 2 und 4 oder einer Position, welche eine solche Position überschritten hat, erzeugt. Die Basis 6 wird dann durch die Abstoßungskraft nach unten bewegt. Während die Basis 6 hin zu der oberen Platte 8 und dann von dieser weg bewegt wird, weist die Magnetfeder aus 11 negative Dämpfungseigenschaften wie in 3 gezeigt auf. Da das Ausgleichsgewicht 24 etwas in ihrer Phase in Bezug auf die Basis 6 verzögert ist, kann die Position, bei welcher die maximale Abstoßungskraft erzeugt wird, durch Bewegen des Ausgleichsgewichts 24 entlang des zweiten Arms 22b entsprechend der Eingabe reguliert werden. Darüber hinaus können das Timing oder die gegenüberliegende Fläche durch Verriegeln des Dauermagneten 4 an dem oberen Schieber 12 reguliert werden.
12 zeigt ein weiteres Modell, das zwei Dauermagneten 2 und 4 besitzt, die fest an der Basis 6 bzw. der oberen Platte 8 montiert sind, und ebenso zwei zusätzliche Dauermagneten 26 und 28 besitzt, die zum Verändern der geometrischen Abmessungen durch Verändern des Spalts (Abstands) zwischen diesen verwendet werden.
In 12 ist der Dauermagnet 28 an der oberen Platte 8 befestigt, wobei der S-Pol davon nach unten entgegen dem Dauermagneten 4 gerichtet ist, während der Dauermagnet 26 an einem Ende eines Schwenkarms 30 befestigt ist, wobei der S-Pol davon nach oben im Gegensatz zu dem Dauermagneten 2 gerichtet ist. Ein zentraler Abschnitt des Schwenkarms 30 ist schwenkbar an der Lagerung 20 montiert, und ein Ausgleichsgewicht 24 ist an dem Schwenkarm 30 auf der dem Dauermagneten 26 gegenüberliegenden Seite montiert.
Da die zwei Dauermagneten 2 und 26 an der Basis mit entgegengesetzten magnetischen Polen derselben einander gegenüberliegend montiert sind, wirkt bei der oben beschriebenen Konstruktion die magnetische Anziehung dazwischen als Ausgleichsfeder. Wenn eine bestimmte Eingabe auf die Basis 6 aufgebracht wird, um die Basis 6 zu der oberen Platte 8 zu bewegen, wird der Dauermagnet 26 durch die Trägheitskraft des Ausgleichsgewichts 24 entgegen der magnetischen Anziehung des Dauermagneten 2 nach oben bewegt. Als Ergebnis hieraus verändert sich der Spalt oder Abstand zwischen den Dauermagneten 26 und 28 graduell, und die maximale Abstoßungskraft wird in der nahesten Position davon oder in einer Position, welche eine solche Position überschritten hat, erzeugt. Die Basis 6 wird dann durch die Abstoßungskraft nach unten bewegt. Während die Basis 6 zu der oberen Platte 8 und dann von dieser wegbewegt wird, weist die Magnetfeder aus 12 negative Dämpfungseigenschaften wie in 3 gezeigt auf. Wie im Falle des Modells aus 11 kann die Position, in welcher die maximale Abstoßungskraft erzeugt wird, durch Bewegen des Ausgleichsgewichts 24 entlang des Schwenkarms 30 entsprechend der Eingabe reguliert werden.
13 zeigt ein weiteres Modell, bei welchem die geometrischen Abmessungen zweier gegenüberliegender Dauermagneten 2 und 4 unter Einsatz eines Drehhebels verändert werden.
In 13 ist der Dauermagnet an der Basis 6 befestigt, während der Dauermagnet 4, welcher dem Dauermagneten 2 gegenüberliegt, an einem Träger 34 befestigt ist, der verschiebbar an einem Rahmen 32 montiert ist, welcher sich von der Basis 6 nach oben erstreckt. Ein Glied 36 ist schwenkbar an einem Ende davon mit dem Träger 34 verbunden, und ist an dem anderen Ende davon mit einer ersten Lagerung 38 verbunden, die an einer Seite des unteren Schiebers 14 befestigt ist. Eine zweite Lagerung 40 ist an der anderen Seite des unteren Schiebers 14 befestigt, und ein Hebel 42 ist schwenkbar an einem Ende davon mit der zweiten Lagerung 40 verbunden und besitzt einen Stift 44, der an dem anderen Ende davon montiert ist. Der Stift 44 ist lose in eine längliche Öffnung 36a eingefügt, die in einem mittleren Abschnitt des Gliedes 36 definiert ist, und ist ebenso an einem unteren Ende eines Arms 46 montiert, der schwenkbar an der oberen Platte 8 montiert ist.
Wenn bei der oben beschriebenen Konstruktion eine bestimmte Eingabe auf die Basis 6 aufgebracht wird, um die Basis 6 zu der oberen Platte 8 zu bewegen, wird der Hebel 42 in einer durch einen Pfeil gezeigten Richtung rotiert, wodurch die zwei Dauermagneten 2 und 4 veranlasst werden, sich einander anzunähern. Da dieselben magnetischen Polen der Dauermagneten 2 und 4 einander gegenüberliegen, erhöht eine Rotation des Hebels 42 graduell die Abstoßungskraft. Nachdem die Dauermagneten 2 und 4 die naheste Position derselben überschritten haben, werden die Dauermagneten 2 und 4 durch die Abstoßungskraft voneinander weg bewegt. Während die Basis 6 zu der oberen Platte 8 und dann von dieser weg bewegt wird, verändert sich das Hebelverhältnis graduell und die Magnetfeder gemäß 13 weist negative Dämpfungseigenschaften wie in 3 gezeigt auf.
14 zeigt eine Magnetfeder, bei welcher die geometrischen Abmessungen unter Einsatz einer Polumwandlung (Polkonversion) der Dauermagneten verändert werden.
In 14 ist der Dauermagnet 2 drehbar an der Basis 6 montiert und besitzt eine daran angebrachte Rolle 48 mit geringem Durchmesser. Diese Rolle 48 ist über einen Riemen 52 mit einer Rolle 50 mit großem Durchmesser verbunden, die an der Basis 6 drehbar montiert ist. Die Rolle 50 ist ihrem Mittelpunkt mit einem Ende eines Gliedes 54 verbunden, dessen anderes Ende mit einem Hebel 56 verbunden ist, an welchem ein Ausgleichsgewicht 24 montiert ist. Die Position eines unteren Endes des Ausgleichsgewichts 24 ist durch ein Federelement 60 begrenzt, das an der oberen Platte 8 über einen Träger 58 montiert ist.
Wenn bei der oben beschriebenen Konstruktion eine bestimmte Eingabe auf die Basis 6 aufgebracht wird, um die Basis 6 zu der oberen Platte 8 zu bewegen, wird die Rolle mit großem Durchmesser 50 in einer Richtung eins Pfeils durch die Trägheitskraft eines Ausgleichsgewichts 24 rotiert, und daher wird der Dauermagnet 2 zusammen mit dem Riemen 52 in derselben Richtung rotiert. Als Ergebnis hieraus wird der S-Pol des Dauermagneten 2 durch den N-Pol des Dauermagneten 4, der an der oberen Platte 8 befestigt ist, angezogen. Wenn allerdings das Ausgleichsgewicht 24 mit einer bestimmten Phasenverzögerung folgt, wird der Dauermagnet 2 in einer dem Pfeil entgegengesetzten Richtung rotiert, und der N-Pol davon liegt demjenigen des Dauermagneten 4 gegenüber. Das Gegenüberliegen derselben magnetischen Pole erzeugt eine Abstoßungskraft, die wiederum die Basis 6 nach unten weg von der oberen Platte bewegt. Während die Basis 6 nach oben und unten bewegt wird, weist die magnetische Feder aus 14 negative Dämpfungseigenschaften wie in 3 gezeigt auf.
15 zeigt eine Magnetfeder, bei welcher die geometrischen Abmessungen durch Verändern der magnetischen Flussdichte der Dauermagneten verändert werden.
In 15 ist eine Mehrzahl von Abschirmplatten 66 schwenkbar an beiden Enden davon mit einer ersten Lagerplatte 62 verbunden, die an der Basis 6 befestigt ist, und mit einer zweiten Lagerplatte 64 verbunden, die um einen vorbestimmten Abstand von der ersten Lagerplatte 62 beabstandet ist und sich parallel zu dieser erstreckt. Ein L-förmiger Hebel 70 ist schwenkbar mit einem mittleren Abschnitt davon an einem Ende der zweiten Lagerplatte 64 über einen Arm 68 verbunden. Der L-förmige Hebel 70 besitzt ein Ende, das schwenkbar mit einer Lagerung 72 verbunden ist, die an der Basis 6 befestigt ist, und ein anderes Ende, an welchem das Ausgleichsgewicht 24 montiert ist.
Wenn bei der oben beschriebenen Konstruktion eine bestimmte Eingabe auf die Basis 6 aufgebracht wird, um die Basis 6 zu der oberen Platte 8 zu bewegen, wird die zweite Lagerplatte 64 in einer Richtung eines Pfeils durch die Trägheitskraft des Ausgleichsgewichts 24 bewegt, wodurch die Abschirmplatten 66 veranlasst werden, den Dauermagneten 2 von oberhalb in einem bestimmten Ausmaß abzuschirmen. Als Ergebnis hieraus wird die magnetische Flussdichte des an der Basis 6 montierten Dauermagneten vermindert, und daher wird die Abstoßungskraft desselben gegenüber dem Dauermagneten 4, der an der oberen Platte 8 montiert ist, vermindert.
Wenn das Ausgleichsgewicht 24 mit einer bestimmten Phasenverzögerung folgt, wird die zweite Lagerplatte 64 in einer dem Pfeil entgegengesetzten Richtung bewegt, um den oberen Raum des Dauermagneten 2 zu öffnen. Dementsprechend wird die Abstoßungskraft der Dauermagneten 2 und 4 erhöht, und die Basis 6 wird nach unten weg von der oberen Platte 8 bewegt. Während die Basis 6 nach oben und nach unten bewegt wird, weist die Magnetfeder gemäß 15 negative Dämpfungseigenschaften wie in 3 gezeigt auf.
Die dynamischen Eigenschaften der oben beschriebenen Magnetfeder werden nachfolgend unter Einsatz einer charakteristischen Gleichung eines vereinfachten, grundlegenden Modells erläutert, das in 16 gezeigt ist.
In 16 ist eine Eingabe F die durch eine Veränderung in den geometrischen Abmessungen, wie beispielsweise der Flächenkonversion der Dauermagneten, erzeugte Kraft.
17 gibt ein Beziehung zwischen dem Abstand (x) der gegenüberliegenden Magnetflächen und der Abstoßungskraft (f) an, wenn zwei Dauermagneten (Nd-Fe-B-System), die eine gegenüberliegende Fläche von 50 × 25 mm² und eine Dicke von 10 mm besitzen, einander derart gegenüberliegen, um einander abzustoßen. Eine durchgezogene Linie gibt das Ergebnis einer Regressionsanalyse an, die unter Einsatz des Levenberg-Marquardt Algorithmus erhalten ist und gut mit einer Beziehung von f = 66/x konsistent ist. In anderen Worten ist die zwischen den Magneten wirkende Abstoßungskraft durch k/x angegeben.
Unter Berücksichtigung hiervon wurden die Eigenschaften der Magnetfeder in eine Funktion überführt, und es wurde eine Bewegungsgleichung formuliert. Da die zwischen den Magneten wirkende Abstoßungskraft durch k/x wie oben beschrieben angegeben ist, ergibt sich die charakteristische Gleichung zu:
In 16 sind die Gesamtmasse einschließlich der Masse des oberen Dauermagneten 4 und einer auf den Magneten 4 aufgebrachten Belastung, die Federkonstante, der Dämpfungskoeffizient und eine auf die Masse m aufgebrachte, harmonische Anregung durch m, k, r bzw. F(t) dargestellt.
Wenn die ausgeglichene Position als x₀ und die Auslenkung von der ausgeglichenen Position als y ausgedrückt wird, erhält
x = x0 + y ẋ = ẏ ẍ = ÿ
Wenn k/x₀ ² = k' mÿ + rẏ + k'y = F(t)
Wenn die harmonische Anregung F(t) = Fe^iωt und y = xe^iωt ist, ẏ = iωxeiωt ÿ = i2ω2xeiωt –mω2xeiωt + riωxeiωt + k'xeiωt = Feiωt (–mω2x + riωx + k'x)eiωt = Feiωt x(k' – mω2+riω) = F
wobei ϕ den Phasenwinkel darstellt. ρ = r/2√mk'
Dementsprechend wird die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) ω₀ gegeben durch:
Die Beziehung zwischen der Eigenfrequenz und der Federkonstante ist der Kehrwert der Metallfeder. In anderen Worten, falls die Krümmung der optimalen Last-Auslenkungseigenschaften durch Einstellen der Setzposition des Betriebspunktes und des magnetischen Kreises berechnet werden kann, kann es aufgrund der Nichtlinearität möglich sein, den Resonanzpunkt konstant zu halten.
Gleichung (2) kann wie folgt ausgedrückt werden:
Lässt man y hier x sein, und wenn die Gleichung mit einem Term bis zum dritten Grad berücksichtigt wird, erhält man
mẍ + rẋ + ax – bx2 + cx3 = F(t) (3)
Die Gleichung (3) besitzt einen Dämpfungsterm von –bx² in dem Term zweiten Grades. Wenn die Gleichung (3) weiter vereinfacht wird, erhält man mẍ + rẋ + ax – bx2 = F(t) (6)
Wenn x = x₀cosωt, erhält man
In einer Vibrationsregion mit geringer Amplitude wird eine konstante Abstoßungskraft ((b/2)x₀ ²) kontinuierlich auf eine periodische, äußere Kraft aufgebracht, um diese zu dämpfen.
Dies bedeutet, dass durch Einstellen des Bewegungsortes der Dauermagneten eine Dämpfungswirkung verfügbar ist, ohne einen Dämpfermechanismus vorzusehen.
Als angesichts des obigen die dynamischen Eigenschaften nur der Magneten unter Einsatz einer Vorrichtung gemäß 18 untersucht wurden, wurden die in 19 und 20 gezeigten Ergebnisse erzielt.
Die Vorrichtung gemäß 18 besitzt zwei einander gegenüberliegende Dauermagneten 2 und 4, deren Abstand über X-Glieder 10 ohne jegliche Flächenkonversion verändert wird.
In 19 und 20 gibt die Abzissenachse die Frequenz (Hz) an, während die Ordinatenachse die Vibrationsübertragungsfähigkeit (G/G) angibt. In 19 sind (a), (b), (c), (d), (e) und (f) Diagramme, die erhalten wurden, wenn dieselbe Last von 30 kg unter Einsatz von Magneten von 50 × 50 × 10 mm, 50 × 50 × 15 mm, 50 × 50 × 20 mm, 75 × 75 × 15 mm, 75 × 75 × 20 mm bzw. 75 × 75 × 25 mm aufgebracht wurde. Andererseits wurden in 20 unterschiedliche Lasten von 53 kg und 80 kg unter Einsatz desselben Magneten von 50 × 50 × 20 mm aufgebracht.
19 und 20 zeigen die nicht-linearen Eigenschaften der Magnetfeder und haben aufgedeckt, dass wenn die Last bei Zunahme der gegenüberliegenden Fläche der Magneten dieselbe ist, der Abstand zwischen den Magneten zunimmt, der Resonanzpunkt in eine Region niedrigerer Frequenz versetzt wird und die Vibrationsübertragungsfähigkeit geringer wird. In anderen Worten verhält sich die Magnetfeder in entgegengesetzter Weise zu einer Metallfeder oder Luftfeder. Wenn andererseits die Magnetgröße dieselbe ist, verändert sich der Resonanzpunkt nicht, selbst wenn die Last verändert wird. Wenn die Last erhöht wird, wird die Vibrationsübertragungsfähigkeit vermindert. Kurz gesagt hängt die Vibrationsübertragungsfähigkeit im Resonanzpunkt von der Größe der Last ab.
Aus dem obigen ist es unter Einsatz der optimalen Krümmung der Last-Auslenkungskurve möglich, die Resonanzfrequenz konstant zu halten und die Übertragungsfähigkeit niedriger Vibrationen gering zu halten, selbst wenn sich die belastete Masse verändert, obwohl diese nur in der niederfrequenten Region verfügbar ist. Dies sind Dämpfungswirkungen durch die belastete Masse m und die Federkonstante k, die in den Gleichungen (4), (5) und (6) enthalten sind.
21 ist ein als Vergleichsbeispiel eingesetztes Diagramm, das die dynamischen Eigenschaften eines herkömmlichen Automobilsitzes zeigt und offen legt, das die Vibrationsübertragungsfähigkeit insgesamt hoch ist, und sowohl der Resonanzpunkt als auch die Vibrationsübertragungsfähigkeit mit einer Veränderung der Last variieren.
Wenn in Gleichung (1) die geometrischen Abmessungen zwischen den einander gegenüberliegenden Dauermagneten durch einen internen kinetischen Mechanismus (Mechanismus zum Bewegen der Dauermagneten innerhalb eines Abstoßungssystems) oder durch eine äußere Kraft verändert werden, ist die Federkonstante k eine sich mit der Zeit verändernde Quadratwelle k(t), wie in 22 gezeigt, und nimmt einen Wert von +k' oder –k' abwechselnd in einer Hälfte einer Periode von T = 2π/ω an. Dementsprechend kann Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:

(i) wenn 0 < t < π/ω
(ii) wenn π/ω ≤ t < 2π/ω

Wenn 0 < t < π/ω ist und wenn die ausgeglichene Position durch x₀ dargestellt ist und die Auslenkung von der ausgeglichenen Position durch y₁ dargestellt ist, erhält man
x = x0 + y1 ẋ = ẏ1 ẍ = ÿ1
wenn (n – k')/x₀ ² = k₁', mÿ1 + rẏ1 + k1'y1 = F(t)
Wenn die harmonische Anregung F(t) = Fe^iωt und y₁ = xe^iωt ist, ẏ1 = iωxeiωt ÿ1 = i2ω2xeiωt –mω2xeiωt + riωxeiωt + k'1 xeiωt = Feiωt (–mω2x + riωx + k'1 x)eiωt = Feiωt x(k'1 – mω2 + riω) = F
Hier zeigt Φ den Phasenwinkel
Dementsprechend ist die Resonanzfrequenz gegeben durch:
Ähnlich, wenn π/ω ≤ t < 2π/ω ist
Wenn somit y₁ > y₂, divergiert dies.
Im allgemeinen kann ein selbst angeregtes Vibrationssystem durch ein Feder-Massensystem ersetzt werden, das negative Dämpfungseigenschaften besitzt, und Vibrationsenergie wird in dieses von außerhalb während der Vibration eingeführt. Die tatsächliche Vibration verliert allerdings aufgrund des Luftwiderstands oder verschiedener Widerstände, die auf den Massenpunkt wirken, Energie.
Falls allerdings die Energie der Vibration als äußere Kraft in die Magnetfeder, die negative Dämpfungseigenschaften besitzt, eingeführt wird, divergiert diese im Falle von y₁ > y₂, wie oben beschrieben. Falls sie fortfährt, zu divergieren, nimmt die Amplitude graduell zu, wodurch das System zerstört wird. Andernfalls wird durch Hinzufügen eines Dämpfungsterms zu der obigen, charakteristischen Gleichung eine positive Dämpfung auf das System ausgelöst, die mit der Auslenkung ansteigt. Wenn in diesem Falle die positive Dämpfung mit der negativen Dämpfung ausgeglichen ist, tritt in dem System eine Vibration mit stabilem Zustand auf. In anderen Worten ist wie in dem Falle mit der Federkonstante k(t) der Dämpfungskoeffizient variabel, und daher kann die Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:
Das Vibrationssystem mit der Magnetfeder gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Energieumwandlungssystem, das eine kontinuierliche Oszillation oder eine divergierende Vibration enthält. Das Hinzufügen eines positiven Dämpfungsterms zu der obigen charakteristischen Gleichung führt zu der folgenden Gleichung:
Wenn bei dieser charakteristischen Gleichung r₂ ≠ 0 ist, werden die drei Terme auf der linken Seite mit x größer, und der Federterm wirkt als positiver Dämpfungsterm. Daher verursacht bei den inneren Anregungseigenschaften der Dauermagneten eine geringe Auslenkung eine negative Dämpfung, während ein Anstieg der Auslenkung zu einer positiven Dämpfung führt, und die Vibration wird bei einer Amplitude stabil, bei welcher die positive Dämpfung und die negative Dämpfung ausgeglichen sind.
In dem Falle, in welchem die Größenordnung mindestens einer der Masse, des Dämpfungskoeffizienten und der Federkonstante in einem Vibrationssystem sich mit der Zeit verändern, wird die hierdurch verursachte Vibration als "Koeffizientenanregungsvibration" ("coefficient exciting vibration") bezeichnet. Jede der Gleichungen (7), (8) und (9) gibt die Koeffizientenanregungsvibration an, bei welcher eine Anregungsquelle selbst vibriert und eine Vibration durch Umwandeln einer nicht Nicht-Vibrationsenergie innerhalb des Systems in eine Vibrationsanregung erzeugt.
Da zugeführte Energie im allgemeinen aus einem Teil der dynamischen Energie umgewandelt wird, ist die zugeführte Energie begrenzt, wenn die dynamische Energie eine obere Grenze besitzt, und die Amplitude ist begrenzt, wenn diese Energie gleich der zu verbrauchenden Energie wird. Die Potentialenergie durch die Dauermagneten ist unabhängig von der dynamischen Energie innerhalb des Systems, und der Unterschied zwischen dieser und der zu verbrauchenden Energie kann vergrößert werden. Falls das maximale Energieprodukt pro Masseneinheit der Dauermagneten ansteigt, kann der zuvor genannte Unterschied beträchtlich vergrößert werden. Daher kann die Vibrationsenergie erhöht werden, indem in einem Zyklus die durch die negative Dämpfung erzeugte, zugeführte Energie größer gemacht wird als die durch die Dämpfung verbrauchte Energie.
Wie oben beschrieben ist es möglich, den Dämpfungskoeffizienten r und die Federkonstante (den Koeffizienten) k in Gleichung (1) frei zu steuern. In der schematischen Darstellung aus 1 kann beispielsweise die Amplitude durch Maximieren der gegenüberliegenden Fläche der Dauermagneten 2 und 4, wenn der Dauermagnet 4 an seinem unteren Ende positioniert ist, gedämpft werden. Dieses Merkmal ist auf eine Magnetbremse, einen dynamischen Dämpfer oder dergleichen anwendbar. Andererseits kann die Abstoßungskraft durch Maximieren der gegenüberliegenden Fläche vergrößert werden, wenn der Dauermagnet 4 von seinem unteren zu seinem oberen Ende bewegt wird. Dieses Merkmal ist auf einen Generator, einen Verstärker oder dergleichen anwendbar.
Wie anhand einer Lösung der obigen charakteristischen Gleichung zu sehen ist, kann das Koeffizientenanregungs-Vibrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung Variationen der Amplitude durch Bewegen der Anregungsfrequenz vermindern, selbst wenn die Eigenfrequenz entsprechend Variationen der Last variiert. In anderen Worten kann die Resonanzfrequenz durch Variabelmachen der Anregungsfrequenz und manuelles oder automatisches Veranlassen der Resonanzfrequenz, dieser zu folgen, vermindert werden. Durch Anwenden dieses Merkmals auf eine Vibrationsisolationsvorrichtung für einen Automobilsitz ist es möglich, die Vibrationsisolationseigenschaften zu verbessern und die Individualleistung davon zu steigern. Beispielsweise ist es möglich, den Resonanzpunkt auf eine Frequenz unterhalb 4 Hz abzusenken. Darüber hinaus kann die Vibration in einer Niederfrequenzregion verbessert werden, indem von der negativen Dämpfung Gebrauch gemacht wird, während der Gewichtsunterschied absorbiert werden kann, indem die nicht-linearen Eigenschaften der Dauermagneten eingestellt werden.
Es wurden verschiedene Vibrations-Experimente unter Einsatz von Kissen durchgeführt, bei denen Urethan und Fasern miteinander kombiniert sind, und unter Einsatz einer Vibrationsisolatoreinheit vom Betttyp (bed-type vibration Isolator unit), welche die Magnetfederstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt. 23 zeigt die Ergebnisse der Experimente.
Wie von dem in 23 gezeigten Diagramm zu sehen ist, wurde die Vibrationsisolatorvorrichtung, welche die Magnetfederstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit den Kissen einsetzt, als eine extrem wirksame erkannt, und zwar aufgrund der Tatsache, dass sie die Resonanzfrequenz auf 3 Hz absenken konnte, was weniger ist als die Hälft der Resonanzfrequenz der Vibrationsisolatorvorrichtung, welche nur die Kissen einsetzt. Ferner konnte die Vibrationsübertragungsfähigkeit am Resonanzpunkt auf etwa 1/3 durch aktive Regelung der Vibrationsisolatorvorrichtung vermindert werden.
24 zeigt eine Magnethebeleinheit. Bei Untersuchung der dynamischen Eigenschaften derselben wurden die in 25 gezeigten Ergebnisse erzielt.
Die Magnethebeleinheit aus 24 umfasst eine Basis 74, einen schwingbar an der Basis 74 über eine Mehrzahl schwingbarer Hebel 76 montierten Sitz 78, zwei Dauermagneten 80 und 82, die um einen vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet und fest an der oberen Fläche der Basis 74 angebracht sind, und einen Dauermagneten 84, der fest an der unteren Fläche des Sitzes 78 derart angebracht ist, so dass dieselben magnetischen Pole in Bezug auf die Dauermagneten 80 und 82 einander gegenüberliegen können. Jeder der Dauermagneten besitzt eine Abmessung von 75 × 75 × 25 mm.
25 ist ein Diagramm, das erhalten wurde, in dem unterschiedliche Lasten von 53 kg, 75 kg und 80 kg auf diese Magnethebeleinheit aufgebracht wurden. Wie darin gezeigt, konnte nicht nur der Unterschied der Vibrationsübertragungsfähigkeit, der durch Variationen der Last verursacht wird, auf einen kleinen Wert begrenzt werden, sondern auch der Resonanzpunkt konnte im wesentlichen konstant ausgeführt werden.
Darüber hinaus wurde der Sitzkomfort unter Einsatz von Automobilsitzen, gelagerten Sitzen A, gelagerten Sitzen B und der Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung untersucht. Die Ergebnisse waren wie in 26 dargestellt. Die auf die Magnethebeleinheit aufgebrachte Last betrug 53 kg und es wurden Dauermagneten mit 75 × 75 × 25 mm eingesetzt. In der Figur bezeichnet "fest" den Zustand, in welchem der Sitz lediglich auf einer Lagerung befestigt war, und Urethan, Gel oder Styrol sind Materialien des auf die Einheit platzierten Kissens.
Die Fahrzahl ("Ride Number") R, die in "SAE paper 820309" definiert und durch die nachfolgende Gleichung angegeben ist, wurde zur Bewertung des Sitzkomforts verwendet. R = K/(A·B·fn)wobei die Variablen A, B und fn aus der Übertragungsfunktion (T. F.) des Sitzes erhalten werden können und jeweils die folgenden Werte angeben:
A: Maximalwert von T. F.
B: Wert von T. F. bei 10 Hz
fn: Resonanzfrequenz oder Frequenz, bei welcher A aufgetreten ist
K: Koeffizient des Sitzkomforts, der für vollständig unterschiedliche Sitze aussagekräftig ist (K-Wert wurde auf "1" gesetzt, da verschiedene Sitze verwendet wurden).
Während die ISO-Komfortbewertung geringere Zahlen als besser angibt, gibt die Fahrzahl R größere Zahlen als besser an.
Wie anhand von 26 zu sehen ist, sind von den Sitzen, von denen der Sitzkomfort bewertet wurde, die in den Automobilsitzen erzielten Werte 0,2–0,3 (Vollurethan-Sitze) und 0,3–0,5 (Metallfedersitze), und die bei den gelagerten Sitzen, an denen Gewichtseinstellungen vorgenommen wurden, sind 0,5–0,7. Andererseits ist der Sitzkomfort der Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung besser als derjenige der anderen Sitze, und dessen Bewertungswerte sind 0,75–1,60 bezogen auf eine Last von 53 kg.
27 zeigt Bewertungswerte des Sitzkomforts der Magnethebeleinheit, wenn die darauf aufgebrachte Last verändert wird. Wie anhand dieser Figur zu erkennen ist, konnten Bewertungswerte des Sitzkomforts von mehr als 0,7 in Bezug auf jegliche Last erzielt werden, und diese Tatsache bedeutet, dass die Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung einen überlegenen Sitzkomfort aufweist.
28 zeigt die dynamischen Eigenschaften eines Automobilsitzes, eines gelagerten Sitzes A, eines gelagerten Sitzes B und der Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur bezeichnet (a) den Automobilsitz, (b) und (c) die gelagerten Sitze A, auf welche Lasten von 53 kg bzw. 75 kg aufgebracht wurden, (d) und (e) die gelagerten Sitze B, auf welche Lasten von 45 kg bzw. 75 kg aufgebracht wurden, (f) und (g) die Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Kissen- bzw. Dämpfungsmaterialien, und (h) die Magnethebeleinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, die aktiv geregelt wurde.
Wie anhand von 28 zu erkennen ist, liegt der Resonanzpunkt der Magnethebeleinheit zwischen 2 und 3 Hz, und die Vibrationsübertragungsfähigkeit in Regionen mit niedriger und hoher Frequenz ist gering. Es wurde ebenso bestätigt, dass eine halbaktive Regelung derselben nicht nur den Resonanzpunkt weiter absenken konnte, sondern ebenso die Vibrationsübertragungsfähigkeit in einer breiten Frequenzregion vermindern konnte.
Stoßvibration kann in dem nicht-linearen Vibrationssystem oder Koeffizientenanregungs-Vibrationssystem gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
Ein Stoß ist ebenso wie Reibung ein typisches, nicht-lineares Phänomen in mechanischen Systemen und veranlasst etwas, plötzlich eine Bewegung aufzunehmen, wie beispielsweise der Verformungswiderstand eines Gegenstands. Dementsprechend wird der Gegenstand, welcher den Stoß verursacht hat, schnell verlangsamt, was zur Erzeugung einer sehr großen Beschleunigung führt. Die Magnetfeder führt ebenso zu demselben (quasi-) Phänomen wie der Stoß.
Wenn ein Gegenstand mit einer bestimmten kinetischen Energie auf etwas trifft, wird der Kontaktbereich verformt, so dass die kinetische Energie als plastische Verformungsarbeit, Reibungsarbeit durch die Kontaktfläche, eine Wellenbewegung in das Innere des Gegenstands oder akustische Energie nach außen freigesetzt werden kann. Der Rest der kinetischen Energie wird in elastischer Energie umgewandelt, die wiederum in kinetische Energie umgewandelt wird. Da wie oben beschrieben die Magnetfeder kontaktfrei ist, wird kein großer Verlust verursacht. Bei den statischen Eigenschaften ist die Ausgabe auf dieselbe Linie wie die Eingabe und ist nichtlinear, und es wird gleichermaßen eine negative Dämpfung verursacht.
Falls beispielhaft die Magnethebeleinheit keinen Endanschlagstoß verursacht, wird sie durch eine Abstoßungskraft von +α beschleunigt und selbst angeregt, und weist Vibrationseigenschaften auf, die keinen schädlichen Einfluss auf Menschen besitzen, obgleich die Vibration aufgrund der Kontaktfreiheit eine gering dämpfende ist. Falls Metallfedern in die Magnethebeleinheit aufgenommen werden, und falls die Beschleunigung die Dämpfung überschreitet, führt dies zu einem vollständigen elastischen Stoß durch die Wirkung harter Federn und verursacht eine Selbstanregung, was eine zweite Resonanz verhindert. Die verlorene Energiemenge kann durch eine Umwandlung von Potentialenergie in dem magnetischen Feld ausgeglichen werden.
Als grundlegendes Prinzip für die allgemeine Vibrationsisolation ist es erforderlich, Masseneffekte, Vibrationsisolation, Vibrationsdämpfung, Vibrationsinterferenz und Fortpflanzungsdirektivität zu berücksichtigen. Da eine elastische Lagerung ein Kippen oder Rollen verursacht, sollte ein Vibrations-sicheres Fundament schwergewichtig und groß ausgeführt werden, und die Stützweite sollte lang ausgeführt werden. Wenn eine Dämpfung durch die Verwendung eines viskosen Dämpfers und eines Reibungsdämpfers herbeigeführt wird, können solche Dämpfer die Auslenkung durch schnelles Verteilen der durch einen Stoß erzeugten Energiedämpfen, bevor der nächste Stoß auftritt.
Um darüber hinaus die Reibungsdämpfung zu begrenzen, kann eine elastische Lagerung eines Anschlages, der einen Endanschlagstoß erzeugt, zur Vibrationsisolation und Energieumwandlung verwendet werden, wodurch ein Mangel an Abstoßungskraft der Magnetfeder ausgeglichen wird.
29 ist ein Modell, das einen elastisch gelagerten Anschlag besitzt, bei welchem die Federkonstante k des elastischen Lagerelements eine vorbestimmte Beschleunigung oder Amplitude absorbieren kann und variabel ausgeführt ist. Der Resonanzpunkt kann durch geeignetes Einstellen der Federkonstante k eingestellt werden.
Wenn bei dieser Konstruktion eine Beschleunigung oder Amplitude unterhalb eines vorbestimmten Werts auf den Anschlag aufgebracht wird, kann eine elastische Verformung des elastischen Lagerelements die Reibungsdämpfung begrenzen, und ein Endanschlagstoß gegen den Anschlag kann einen Mangel von Abstoßungskraft der Magnetfeder ausgleichen und die Vibrationsisolationsfähigkeit verbessern.
30 zeigt Versuchswerte der Eingabe und Ausgabe eines Prinzipmodells vom Schiebetyp, das mit Magneten ausgestattet ist, die eine gegenüberliegende Fläche von 50 × 25 mm² und einer Dicke von 10 mm besitzen, wobei die Reibungsverluste soweit wie möglich vermindert wurden. Die belastete Masse betrug 3,135 kg.
In derselben Weise wird der Fall, in welchem der Schiebetyp mit einer Flächenkonversionsrate von 80% (gegenüberliegende Fläche: 250→1250 mm²) zu einem Rotationstyp mit einer Flächenkonversionsrate von 50% (625→1250 mm²) verändert wird, in welchem die Flächenkonversion nicht linear erzielt wird, beschrieben.
31 zeigt Versuchswerte der Eingabe und Ausgabe eines Prinzipmodells vom Rotationstyp, das mit Magneten ausgestattet ist, die eine gegenüberliegende Fläche von 50 × 25 mm² und eine Dicke von 10 mm besitzen, wobei die Flächenkonversion derart erzielt wird, dass der Schwerpunkt eines Magneten der Rotationsmittelpunkt ist. 32 zeigt Versuchswerte der Eingabe und Ausgabe desselben Prinzipmodells vom Rotationstyp im Hinblick auf die Arbeit.
Bei der Energieextraktion unter Einsatz von Dauermagneten wird ersichtlich durch Erhöhen der Differenz von (ersichtliche Ausgabe/Eingabe) erzeugt. 33 zeigt die Punkte eines Prinzipmodells von Eingabe und Ausgabe. Da es ein kontaktloses System ist, ist es möglich, die Beschleunigung zu nutzen und ersichtlich größere Energie zu erzeugen.
Das Prinzip der virtuellen Arbeit wird auf die zwischen den Magneten wirkende Abstoßungskraft angewendet, und der Variationsbetrag kumulierter magnetischer Energie, der durch einen Versatz der Magneten verursacht wird, ist gleich der Arbeitsmenge, der durch einen Versatz der Magneten verursacht wird. Die Weise, auf welche die magnetische Energie extrahiert wird, wird der Punkt eines Kraft-verdoppelnden Aktors (power-redoubling actuator) sein.
Das obige bedeutet, dass zum Einstellen der Dauermagneten, die im Punkt der Unendlichkeit liegen, auf eine begrenzte Position die Arbeit erforderlich wird. Sobald die Magneten eingestellt worden sind, ist es möglich, die zum Einstellen der Magneten eingesetzte Kraft, d. h. die gespeicherte magnetische Energie, freizugeben, diese als Ausgabe zu nutzen und die Kraft wie ein Verstärker zu verstärken, beispielsweise unter Einsatz der Konversion der gegenüberliegenden Fläche der Dauermagneten in dem Rückstoßsystem als Auslöser.
Dieser Verstärker kann dieselben Wirkungen wie ein verstärkende Transistor durch Eingabe elektrischer Energie besitzen und ist dadurch gekennzeichnet, dass er die gespeicherte magnetische Energie effektiv in mechanischer Energie zur nachfolgenden Nutzung derselben umwandelt. Das heißt, er erzeugt ersichtlich eine größere Ausgabe (d. h. Arbeit) bei einer geringen Eingabe.
Die Arbeit W ist gegeben durch: W = Wg(h) + Wm(h) = mgh + Wm(h)
Dementsprechend ist der Variationsbetrag der Energie gegeben durch: ΔW = mg·Δh + ΔWm(h) mg·Δh >> ΔW mg·Δh – ΔW = ΔWm(h) > 0
ΔW_m(h) gibt den Verminderungsbetrag der akkumulierten magnetischen Energie an.
Im Falle des Modells vom Rotationstyp gilt: –ΔWm(h) = ΔW mg·Δh = 2ΔW
Unter der Annahme, dass der Abstand zwischen den Magneten kurz und die magnetische Flussdichte konstant ist, kann die akkumulierte magnetische Energie ausgedrückt werden als: Wm(h) = 1/2BHV = B2Sh/(2μ0)mit
B: magnetische Flussdichte des Luftspalts,
H: magnetisches Feld des Luftspalts,
V: Volumen des Luftspalts,
h: Abstand des Luftspalts, und
S: Querschnittsfläche des Magneten.
Der Variationsbetrag der akkumulierten magnetischen Energie, wenn die Magneten um Δh versetzt werden, kann ausgedrückt werden als: ΔWm(h) = B2SΔh/(2μ0)
Wenn die Abstoßungskraft der Magneten durch F ausgedrückt wird, kann der durch ein Versetzen verursachte Arbeitsbetrag als FΔh ausgedrückt werden, und ΔWm(h) = FΔh
Dann kann die Abstoßungskraft F ausgedrückt werden als F = B2S/(2μ0) [N]
Aus der Berechnung unter Einsatz eines Ladungsmodells von Br = 1,0T, einer gegenüberliegenden Fläche von 100 × 100 m² und einer dicke von 10 mm konnte 34 erhalten werden.
35 gibt eine Veränderung der Abstoßungskraft an, bei welcher die Magneten mit einer gegenüberliegenden Fläche von 50 × 25 mm² und einer Dicke von 10 mm verwendet wurden.
In ähnlicher Weise wird ein Metallfedermodell beschrieben.
36 zeigt berechnete Werte in dem Idealzustand mit einer Reibung von 0 und keiner mechanischen Auslenkung, mit der Einstellung von mg = 10 N, k = 1 N/mm und L = 200 mm.
Statisch zeigen Metallfedern, Luftfedern und Magnetfedern dieselben Tendenzen. Allerdings ist das magnetisch schwimmende Paar ein Paar mit niedrigerem Niveau als das gegenwärtige mechanische Paar. Darüber hinaus werden unter Berücksichtigung der Nicht-Linearität und der Profitabilität der Beschleunigung große Unterschiede einschließlich der Effizienz entstehen. 38 veranschaulicht ein Prinzipmodell vom Rotationstyp, während 39 ein Prinzipmodell vom Schiebetyp veranschaulicht.
In dem Prinzipmodell vom Rotationstyp gemäß 38 ist ein unterer Dauermagnet 2 rotierbar an einer Basis 90 angebracht, während ein oberer Dauermagnet 4 vertikal verschiebbar an einem Schieber 92 angebracht ist. Dementsprechend weisen die zwei gegenüberliegenden Dauermagneten 2 und 4 Last-Auslenkungseigenschaften wie in 35 auf, indem der Abstand dazwischen oder die gegenüberliegende Fläche derselben verändert wird.
Andererseits ist in dem Prinzipmodell vom Schiebetyp gemäß 39 ein unterer Dauermagnet 2 horizontal verschiebbar an einer Basis 90 angebracht, während ein oberer Dauermagnet 4 vertikal verschiebbar an einem Schieber 92 angebracht ist. Dementsprechend weisen die zwei gegenüberliegenden Dauermagneten 2 und 4 Eingabe-Ausgabearbeitseigenschaften wie in 36 gezeigt auf, indem der Abstand dazwischen oder die gegenüberliegende Fläche derselben verändert wird.
Bei Untersuchung der Eigenschaften des Magnetfedermodells gemäß 11 als Anreger oder Antreiber konnten die in 40 und 41 gezeigten Ergebnisse erzielt werden.
Genauer gesagt war in dem Magnetfedermodell gemäß 11 ein durch eine gestrichelte Linie angegebener Schub erforderlich, um eine in 40 gezeigte Beschleunigung in dem Zustand zu erhalten, in welchem die Magnetplattform 18, der L-förmige Hebel 22 und das Ausgleichsgewicht 24 beseitigt waren. Andererseits konnte in dem Magnetfedermodell gemäß 11, in welchem die Magnetplattform 18, der L-förmige Hebel 22 und das Ausgleichsgewicht 24 bei eingestellter Position des Ausgleichsgewichts 24 enthalten waren, die obige Beschleunigung durch eine mittels einer durchgezogenen Linie gezeigte Eingabe erzielt werden, und eine große Beschleunigung (0,9–1,0 G) konnte durch eine minimale Eingabe bei einer Frequenz von 5,5 Hz erzeugt werden. Ebenso konnte die Amplitude beträchtlich verstärkt werden, wie in 41 gezeigt.
In anderen Worten können eine große Beschleunigung und Amplitude mit einer geringen Antriebskraft (Eingabe) durch Verändern der geometrischen Abmessungen wie der gegenüberliegenden Fläche oder dergleichen der Dauermagneten in dem Abstoßungssystem erzielt werden, um die Resonanzfrequenz der Magnetfeder zu nutzen. In dem Magnetfedermodell gemäß 11 sind der Betrag des Spalts und die gegenüberliegende Fläche Variablen. Falls beispielsweise eine Veränderung des Betrags des Spalts durch eine geeignete Veränderung der gegenüberliegenden Fläche der zwei Dauermagneten 2 und 4, welche durch das Ausgleichsgewicht 24 verursacht ist, folgt, kann die Magnetfeder eine geeignete Federkonstante an einem beliebigen Resonanzpunkt besitzen.
Um die Dämpfungseigenschaften zu ergeben, wird die Anwendung der durch elektromagnetische Induktion erzeugten Magnetkraft berücksichtigt. Das Magnetfeld innerhalb eines Metallleiters wird zuerst unter Bezugnahme auf 42 beschrieben. In 42 bezeichnet (a) die Koordinaten eines Säulenmagneten und des Metallleiters, (b) die Kreiszylinderkoordinaten des Säulenmagneten und (c) die Stromdichte innerhalb des Metallleiters.
Wie in 42(a) gezeigt, kann das an einem beliebigen Punkt (f, 0, z) innerhalb des Leiters durch einen beliebigen Punkt (x, y) an der unteren Fläche des Säulenmagneten, der ein Radius von (a) und eine Magnetisierung von M besitzt, erzeugte Magnetfeld dH^L ausgedrückt werden als:
wobei ds eine extrem kleine Fläche ist, die den Punkt (x, y) enthält.
Die z-Komponente wird ausgedrückt als:
Wenn die Kreiszylinderkoordinaten wie in 42(b) gezeigt verwendet werden, gilt x = r·cos(φ)·y = r·sin(φ)ds = rdφdr, und somit:
Wenn die Dicke der Magneten durch h ausgedrückt wird, ist das durch die obere Flächen erzeugte Magnetfeld H_z ^u gegeben durch:
Dann kann die vertikale Komponente H_z(ξ, 0, z) des Magnetfelds bei (ξ, 0, z) innerhalb des Leiters angegeben werden durch: Hz(ξ, 0, z) = Hz L(ξ, 0, z) + Hz u(ξ, 0, z)
Zweitens wird der induzierte Strom innerhalb des Leiters beschrieben. Wenn sich die Magneten einander annähern, nimmt der nach unten (d. h. der Richtung zu Z) gerichtete magnetische Fluss zu, und die elektromotorische Kraft (e) steigt an, um dies zu verhindern.
wobei Φ(R, z) den magnetischen Fluss innerhalb des durch den Radius R des Leiters umgebenen Bereichs angibt. Falls die Geschwindigkeit des Annäherns durch v dargestellt ist, v = dz/dt = Δz/Δt ∴ Δt = Δz|v|
Aus der Gleichung (10) ist die Spannung V entlang des Umfangs R gegeben durch: V = |e| = v·ΔΦ(R, z)/Δz = v·dΦ(R, z)/dz (11)
Der magnetische Fluss Φ(R, z) wird wie folgt bestimmt.
Wie in 42(c) gezeigt, ist der magnetische in dem durch den Umfang mit einem Radius von ξ und dem Umfang mit einem Radius von (ξ + dξ umgebenen Abschnitt gegeben durch H_z (ξ, 0, z), und die Fläche davon ist 2πξ·dξ. Dementsprechend ΔΦ(ξ, z) = μ0Hz(ξ, 0, z)·2πξ·dξ ∴ Φ(ξ, z) = ∫0 Rμ0Hz(ξ, 0, z)·2πξ·dξ
Wenn der elektrische Widerstandskoeffizient durch ρ, die Spannung V ist, der elektrische Strom I, die Querschnittsfläche der Schaltung S und die Länge der Schaltung d = 2πR ist, wird die Stromdichte J gegeben durch: J(R, z) = 1/sV/(ρd (= V/(2πR·ρ) (12)
Wenn Gleichung (11) in Gleichung (12) eingesetzt wird, kann die folgende Gleichung erhalten werden: J(R, z) = v/(2πR·ρ)·dΦ(R, z)/dz (13)
Drittens wird die Interaktionsenergie des Magneten und des Leiters beschrieben. Durch eine Veränderung des magnetischen Flusses wird die innerhalb des Leiters erhöhte Stromenergie, d. h. die magnetische Energiedichte um gegeben durch:
Die auf die Stromdichte J ausgeübte Kraft ist gegeben durch: fz(R, z) = ∂um(R, z)/∂z
Daher ist F_z(R), das auf den gesamten Strom I (R) mit einem Radius von R ausgeübt wird, gegeben durch:
wobei z₁ und z₂ den Abstand von der unteren Fläche des Magneten zu der oberen Fläche des Leiters bzw. denjenigen zu der unteren Fläche des Leiters darstellen.
Aus den Gleichungen (13), (14) und (15) erhält man:
Die insgesamt ausgeübte Kraft ist gegeben durch:
wobei Φ(R, z) den magnetischen Fluss innerhalb des durch einen Radius R innerhalb des Leiters umgebenenen Bereich darstellt, z₁ und z₂ die Koordinaten an der oberen bzw. der unteren Fläche des Leiters darstellen, und F_z von der Dicke T = z₂ – z₁ des Leiters abhängt.
43 zeigt eine Ausführungsform, die auf eine Vibrationsisolatorvorrichtung für gelagerte Sitze angewendet wird, wobei (a) die gesamte Vibrationsisolatorvorrichtung zeigt, (b) ist eine Seitenansicht der Vibrationsisolatorvorrichtung gemäß (a), die insbesondere eine vertikale Dämpfungsstruktur zeigt, und (c) zeigt eine Horizontal-Vibrationsisolatoreinheit, die schwingbar an einem oberen Abschnitt der Vibrationsisolatorvorrichtung gemäß (a) angebracht ist. In der Figur bezeichnen 2, 4, 94 und 96 Dauermagneten, während 98 eine als Leiter eingesetzte Kupferplatte bezeichnet.
Bei dieser Vibrationsisolatorvorrichtung sind die vertikalen Federeigenschaften durch ein Abstoßungssystem erhalten, das die Dauermagneten 2 und 4 enthält und durch parallele Glieder 100 und 100 gelagert ist. Die vertikale und die horizontale Dämpfungsstruktur, in welcher eine Dämpfung durch elektromagnetische Induktion verursacht werden, sind voneinander beseitigbar. Die Dämpfungskraft durch elektromagnetische Induktion kann durch Verändern der Dicke der Kupferplatte 98 verändert werden.
44 ist ein Diagramm, das ein Vergleich der Vibrationseigenschaften in der Anwesenheit oder Abwesenheit der horizontalen Dämpfungswirkung zeigt. Die Vibrationsübertragungsfähigkeit in einer Niederfrequenzregion ist in gewissem Maß durch elektromagnetische Induktion begrenzt.
Gemäß der Magnetfederstruktur der vorliegenden Erfindung können, da die abstoßenden magnetischen Pole einander gegenüberliegen, die Magneten dahingehend betrachtet werden, dass sie in einem endmagnetisierenden Feld positioniert sind, und daher kann es Bedenken geben, eine Endmagnetisierung während des Gebrauchs zu verursachen. Als eine Gegenmaßnahme gegen eine Endmagnetisierung kann eine Dummy-Magnetleckagenstruktur, in welcher unterschiedliche Pole abwechselnd angeordnet sind, das endmagnetisierende Feld vermindern.
Bei dieser Konstruktion wird ein Leckagemagnetfeld zwischen den Magnetpolen erzeugt, die äquivalent zum Magnetwänden sind. Wenn die gegenüberliegenden Magneten sich einander annähern, kann eine größere Abstoßungskraft erzielt werden. Dementsprechend hängt die Abstoßungskraft als Funktion des Abstands zwischen den gegenüberliegenden Magneten von der Anzahl abwechselnd angeordneter Magneten ab. Dieses Phänomen ist in 45 veranschaulicht.
In 45 zeigt (a) eine Magnetanordnung mit einem einzelnen Pol, (b) diejenige mit zwei Polen, (c) diejenige mit drei Polen und (d) diejenige mit vier Polen. (e) ist eine Figur, die aus der Richtung eines Pfeils der Magnetanordnung (d) mit vier Polen betrachtet ist. Obgleich die gegenüberliegende Fläche (75 × 75 mm²), das Volumen (75 × 75 × 25 mm³) und der Br-Wert (11,7 KG) dieselben sind, unterscheidet sich der Durchlässigkeitskoeffizient wie folgt:
Durchlässigkeitskoeffizient

(a) 0,1
(b) 0,37
(c) 0,54
(d) 0,49

46 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Abstand der Magneten und der Abstoßungskraft in den Magnetanordnungen gemäß (a) bis (d) zeigt. Wie anhand dieses Diagramms zu erkennen ist, nimmt bei einer Annäherung der gegenüberliegenden Magneten die Abstoßungskraft mit der Anzahl von Magnetpolen zu, da ein Leckagemagnetfeld zwischen den Magnetpolen erzeugt wird, die wie oben beschrieben äquivalent zu Magnetwänden sind.
Als die Vibrationseigenschaften von vier Polen und zwei Polen unter Einsatz einer Vibrationsisolatorvorrichtung für gelagerte Sitze verglichen wurden, wurden die in 47 gezeigten Ergebnisse erzielt. Wie anhand dieses Diagramms zu erkennen ist, besitzt die Magnetanordnung mit vier Polen eine durch die Anziehungskraft verursachte Dämpfungswirkung und kann die Vibrationsübertragungsfähigkeit im Bereich der Resonanzfrequenz innerer Organe wie der Wirbelsäule vermindern. Als Anregungszustand wurde eine LOG-SWEEP-Sinuswelle mit einer konstanten Beschleunigung von 0,3 G verwendet, und die belastete Masse wurde auf 53 kg eingestellt.
Herkömmlich beträgt k um den Gleichgewichtspunkt, der üblicherweise für Automobilsitze verwendet wird, zwischen 10 und 30 N/mm. Wenn daher die belastete Masse ansteigt, neigen die herkömmlichen Automobilsitze dazu, einen Endanschlag zu verursachen. Wenn im Gegensatz hierzu die belastete Masse abnimmt, verschiebt sich die Resonanzfrequenz derart, um eine Resonanz für innere Organe oder die Wirbelsäule zu erzeugen, oder die Vibrationsübertragungsfähigkeit nimmt zu. Aus diesem Grund wird Urethanschaum, der eine Dämpfungsfunktion besitzt, in einer Kissenschicht verwendet, während eine weiche, federreiche Struktur durch die Verwendung von Metallfedern erhalten wird. Darüber hinaus wird ein Stoßdämpfer verwendet, um die Dämpfungsfunktion zu erhöhen. In den Automobilsitzen werden die vibrationsisolierenden Eigenschaften, die Dämpfungseigenschaften, der Körperdruck und die Neigungsstabilität unter Einsatz solcher verschiedenartiger, funktionaler Elemente ausgeglichen.
Es gilt allerdings als schwierig, nicht nur die Vibrationsübertragungsfähigkeit weniger als 1,0 G/G in einer Niederfrequenzregion von 2–3,5 Hz zu vermindern, sondern auch die zweite Resonanz und das extrem weiche Gefühl in der Hochfrequenzregion zu beseitigen.
Wie in 48 gezeigt, können Lastauslenkungseigenschaften, die eine sanfte Veränderung der Eigenfrequenz ermöglichen, unter Einsatz der Magnetfedereigenschaften entworfen werden, die ein entgegengesetztes Verhalten zu Metallfedern oder Luftfedern zeigen. Darüber hinaus wurde in einer Lagereinheit mit den in 49 gezeigten Eigenschaften die Vibrationsübertragungsfähigkeit als ideal festgestellt, da sie auf niedriger als 1,0 G/G bei 2–3,5 Hz und niedriger als 0,4 G/G bei 3,5–50 Hz gehalten wurde, wie in 50 gezeigt.
Aus dem vorhergehenden können die folgenden Vorteile durch Integrieren der Magnetfelder gemäß der vorliegenden Erfindung in einen gelagerten Sitz erzielt werden.

(1) Jegliche Funktionen zum Einstellen sowohl des Gewichts des Sitzenden als auch die Steifigkeit eines Dämpfers sind unnötig, wenn die Bedingungen für eine Vibrationsübertragungsfähigkeit von weniger als 2,0 G/G in einer Niederfrequenzregion von 2–3,5 Hz benötigt werden.
(2) Die Funktion zum Einstellen des Gewichts des Sitzenden wird zum Erzielen einer Vibrationsübertragungsfähigkeit von weniger 1,0 G/G in einer Niederfrequenzregion von 2–3,5 Hz benötigt.
(3) Durch die Kombination mit Metallfedern, welche die Funktion zum Vermindern eines Endanschlagstoßes besitzen, kann eine überlegende Vibrationsisolation in einer Hochfrequenzregion von 5–50 Hz für eine LOG-SWEEP-Sinuswelle mit einer konstanten Beschleunigung von 0,3 G erzielt werden.

Andererseits kann ein zum Erzeugen einer großen Ausgabe bei einer kleinen Eingabe fähiger Verstärker durch Integrieren der Beziehung von Eingabe und Ausgabe der negativen Dämpfungseigenschaften in einen Kraftverdoppelungsmechanismus verwirklicht werden. Zusätzlich besitzen aktive Regler, welche diesen Verstärker einsetzen, die nachfolgenden guten Eigenschaften.

(1) Die antreibenden und sich bewegenden Teile sind kontaktlos, was eine Kraftübertragung auf Orte ermöglicht, die durch Trennwände geteilt sind.
(2) Die antreibenden und sich bewegenden Teile können in getrennten Räumen platziert werden, was die Freiheit beim Layout vergrößert.
(3) Der Verstärker kann eine Kraftverdoppelungsfunktion besitzen, und sowohl die antreibenden als auch die sich bewegenden Teile verursachen annähernd keinen Verlust, was zu einem geringen Geräusch und einer Energieeinsparung führt.

Selbst wenn eine Aktorfunktion (Stellantriebfunktion) ausgeschaltet ist, werden die vibrationsisolierenden Eigenschaften weiterhin aufrechterhalten. In anderen Worten kann ein Aktor mit einer weichen Struktur, der Federeigenschaften und Dämpfungseigenschaften besitzt, erzielt werden.
Da die vorliegende Erfindung die oben beschriebene Konstruktion aufweist, besitzt sie die folgenden Wirkungen.
Die geometrischen Abmessungen zwischen zumindest zwei gegenüberliegenden Dauermagneten werden durch eine äußere Kraft auf der Eingabeseite und auf der Ausgabeseite verändert und in eine Abstoßungskraft innerhalb eines kinetischen Systems umgewandelt, in welchem die Dauermagneten platziert sind, so dass die Abstoßungskraft von einer ausgeglichenen Position der Dauermagneten auf der Ausgabeseite größer sein kann als die Abstoßungskraft auf der Eingabeseite. Hierdurch können basierend auf derselben Konzeption eine passive Regelung, eine halbaktive Regelung und eine aktive Regelung erzielt werden.
Da die maximale Abstoßungskraft in der nahesten Position der Dauermagneten oder der Position, welche die naheste Position überschritten hat, erzeugt wird, kann das magnetische Feld als Potentialfeld effektiv genutzt werden, was ermöglicht, eine kostengünstige Magnetbremse, einen kostengünstigen dynamischen Dämpfer, Dynamo, Verstärker oder dergleichen zu verwirklichen.
Darüber hinaus besitzt das nicht-lineare Vibrationssystem oder Koeffizientenanregungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Struktur zum Umwandeln einer Energie in eine Dämpfung, eine kontinuierliche oder divergierende Vibration, und zwar unter Einsatz einer Magnetfeder, die positive, 0- oder negative Dämpfungseigenschaften besitzt. Dementsprechend ist es durch Integrieren derselben in eine Vibrationsisolatorvorrichtung für Automobilsitze oder Betten für Ambulanzfahrzeuge möglich, die Vibrationsübertragungsfähigkeit in einer Hochfrequenzregion zu vermindern, den Gewichtsunterschied auszugleichen oder die Vibrationsenergie in einer Niederfrequenzregion zur Verminderung des Resonanzpunkts oder dergleichen zu vermindern.

Claims

Magnetfeder, umfassend: einen ersten und einen zweiten Dauermagneten (2, 4), die voneinander beabstandet sind, wobei gleiche magnetische Pole einander gegenüberliegen, gekennzeichnet durch einen Mechanismus, der durch auf die Feder wirkende und zu dämpfende Vibrationskräfte angetrieben ist, welcher den ersten und den zweiten Dauermagneten (2, 4) betrieblich miteinander koppelt, um einen von diesen in Bezug zu dem anderen zwischen einer nahesten Position davon und einer entferntesten Position davon hin und her zu bewegen, wobei der Mechanismus eine Einrichtung zum Verändern der einander gegenüberliegenden Fläche des ersten und des zweiten Dauermagneten (2, 4) durch eine Dreh- oder Verschiebungsbewegung eines von diesen in Bezug auf den anderen aufweist, wobei der eine des ersten und zweiten Dauermagneten (2, 4) durch den Mechanismus derart gedreht wird oder veranlasst wird, sich zu verschieben, dass die gegenüberliegende Fläche größer gemacht wird, wenn der eine des ersten und des zweiten Dauermagneten (2, 4) sich in Bezug auf den anderen von der nahesten Position zu der entferntesten Position bewegt, als wenn der eine des ersten und des zweiten Dauermagneten (2, 4) sich in Bezug auf den anderen von der entferntesten zu der nahesten Position bewegt.
Magnetfeder nach Anspruch 1, wobei eine maximale Abstoßungskraft durch Maximieren der gegenüberliegenden Fläche in der nahesten Position des ersten und des zweiten Dauermagneten oder einer Position, welche die naheste Position überschritten hat, erzeugt wird.