JP2986414B2

JP2986414B2 - 誘導電流を利用した減衰装置

Info

Publication number: JP2986414B2
Application number: JP8266681A
Authority: JP
Inventors: 正之河合; 道明鈴木; 洋一植木
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1996-09-17
Filing date: 1996-09-17
Publication date: 1999-12-06
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: JPH1089406A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建造物や機器、配
管などの振動を抑えるための耐震支持装置に用いる減衰
装置に関する。特に、振動方程式に取り込む減衰項を忠
実に実現する減衰力を備える減衰装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】振動源からの励振力や地震により生ずる
振動や衝撃荷重から建造物、機器、配管等を保護するた
めの手段として建造物等の振動を緩和する耐震用支持装
置が用いられている。応答振幅の小さい強固な外部の静
止箇所に一端を固定したステーやストッパなど耐震用支
持装置の他端を振動体に固定して振れ止めとし、振動体
の固有振動数を高くして、振動が問題になる局部の応答
の拡大を防ぐことができる。特に、原子炉における構造
物や配管は振動を抑制する支持金具を多数使用して異常
振動や地震時の危険を回避するようにしている。原子炉
における配管は、特に熱応力条件や放射線の影響を考慮
した設計をする必要がある。

【０００３】この様な耐震用支持装置類は、急激に生ず
る振動や荷重から機器配管等を保護すると共に、熱膨張
などによって生ずるストレスを回避するため低速度の変
位を拘束することなく自由に伸縮できることが要求され
る。従来このような支持装置として油圧防振器やメカニ
カルスナッバが用いられてきた。油圧防振器は油の流体
抵抗を使うもので、作動油やシール類に有機材料を使用
しているため、高温雰囲気や放射線のため劣化し、短期
間で交換する必要が生じたり、初期漏れや点検作業時の
損傷、老化などによる油漏れなどの可能性があり、作動
油の補給や定期的な保守点検が必要である。なお、核融
合炉では、トリチウムの漏洩を管理する必要があるた
め、トリチウムと置換して分離が困難になる水素原子が
含まれる油を用いる油圧防振器の使用をできるだけ避け
たいという要請がある。

【０００４】これに対し、メカニカルスナッバは、全て
金属製部品で構成されていて作動油を使用しないため、
温度や放射線の影響を受けにくくなっている。メカニカ
ルスナッバの内部構造は、例えば図４に示すように、両
端を取り付けた配管と静止点間の距離の変化に伴いスナ
ッバ自体が伸縮すると、ボールナットがボールネジの軸
方向に移動するためボールナットが回転する。するとボ
ールナットに連結された回転慣性質量すなわちフライホ
イールが高速回転する機構になっている。このスナッバ
においては主として慣性力が抵抗力になっていて、振動
エネルギーの吸収を目的としていない。さらに改良され
たものに、ボールネジの端部にディスクスプリングを設
け、これと回転自在のフライホイールの間に鋼球を介在
させて、フライホイールの回転を利用してブレーキ作用
を起こさせ軸の回転を止めるようにしたものもある。こ
れは高速回転すると鋼球が遠心力により外側に移動し、
ディスクスプリングとフライホイールの間のくさび状に
なった間隙をこじ開けるようにすることにより、ディス
クスプリングの背面が固定部材に取り付けられたブレー
キディスクに近づき接触摩擦してブレーキ作用を増大さ
せる機構を付加したものである。

【０００５】油圧防振器やメカニカルスナッバは、低速
度の運動にはブレーキとして作用せず、地震などで衝撃
的な励振力を受けたときのみ剛性を現し、あたかも剛支
持であるかのように作用するもので、これらは減衰力を
持たせるというより、急激な振動に対して剛的に支持す
る機能を持つものである。メカニカルスナッバは、広く
一般的に機器や配管の耐震支持に使用されているもの
で、この他にも回転慣性力と摩擦を併用したもの、回転
慣性力を利用してコイル状のバネを軸に巻き付けてその
摩擦力で振動を抑えるもの等がある。

【０００６】振動体を剛に支持することにより固有周波
数を上げて励振を抑える方法は、主な振動モードに対応
する数の制振装置を必要とし、また主振動系の固有振動
数を抑制する支持装置を付けたためその支持位置を節と
する新たな固有振動数を有する別のモードの振動が生
じ、改めてこの振動系を抑制する必要が生ずることがあ
り、スナッバ等の装備台数が増加する傾向がある。ま
た、１００万ｔ以上もある建屋などで上下方向の振動を
抑制するために上記メカニカルスナッバ等を使用する
と、急激な振動に対して生ずる剛支持作用が過負荷をも
たらし支持装置が破損したり、建屋が損傷を受けるおそ
れがある。

【０００７】従来の建造物や配管についての剛な設計方
法を改良する新たな手法として、柔な設計が行われるよ
うになってきた。すなわち、支持装置に振動エネルギー
を吸収する機能を持たせた減衰装置とバネを併せて用い
て振動体の振動を抑制することにより、振動絶縁あるい
は防振支持する方法である。振動緩和のためにはバネ定
数を小さくすることが原理的には望ましいが、質量支持
の都合上余り小さくすることはできない。また、質量は
変更の余地が小さいため、主として調節可能なのは減衰
係数である。しかし、防振支持装置の設計において適当
とされる減衰係数が実際の要素により実現可能で、実際
の減衰要素を計算に取り込むことができなければ、この
方法は実用にならない。このため、純枠に減衰力のみを
有し、しかも容易に調整できて設計値の減衰を忠実に実
現しうる減衰装置が望まれていた。また、特に原子炉に
おいて使用する場合には、寿命や保全性の関係から、油
を使用しない減衰装置が好ましい。

【０００８】この様な目的に使用できるものとして、図
５に示すような、永久磁石を用いた電磁式ダンパがあ
る。電磁式ダンパは、例えばＮ極とＳ極が交互に並んだ
永久磁石列を上下に設け、その間に金属平板を並進可能
に挿入配置してある。振動体に連接された金属板が運動
することにより磁界と作用して生じる渦電流の反作用力
を利用して制動するものである。電磁式ダンパは、誘導
される渦電流が金属板と磁石列の相対的速度に比例する
ため速度に比例した減衰力を発生し、これには摩擦制動
等の非線形な要素を含まないから防振支持方法の設計が
容易になる。また、電磁式ダンパは作動油を用いないた
め原子炉に用いても劣化の心配が無く、保全が容易にな
る利点がある。しかし、このような構造の電磁ダンパ
は、金属板を磁石列に接触せずかつできるだけ近接させ
て移動するように構成しなければならず、さらに平面的
に配列された磁石が互いの磁気反発力で分離しないよう
に支持固定する必要があるため、大型で複雑な構造が必
要となる。また減衰力を調整するには、磁石列と金属板
との間隔を調整する必要があるが機構が複雑になる困難
がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、速度に比例する減衰力を有しかつ
減衰力の調整が容易な減衰装置を得ることである。ま
た、作動油を必要とせず、簡単で組立が容易な構造を有
し、メンテナンスが容易な減衰装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の減衰装置は、第１の取付具を有するケース
と、第２の取付具を有しケースに対して直線運動する可
動端部と、軸に同心状に固設された円盤を有しケースに
回動可能に軸支される回転軸部とを備え、可動端部と回
転軸部が可動端部の直線運動を回転軸部の回転に変換す
る運動変換機構を介して接続され、回転軸部の円盤が導
電性材料からなり、ケースは異なる磁極同士が導電体円
盤を挟んで対向するように円盤と近接して配設された磁
石を有することを特徴とする。なお、磁石における回転
軸部の軸心からの距離を調整することができるようにす
ることができる。また、本発明の減衰装置は、回転軸部
の円盤に磁石をはめ込み、ケースに導電性材料からなる
中空円盤を回転軸部の円盤と近接して配設するようにし
てもよい。さらに、本発明における運動変換機構は、可
動端部の直線運動を回転軸部の高速回転運動に変換する
ものであることが好ましい。また、運動変換機構は回転
軸部のボールネジと可動端部に固設されたボールナット
により構成されるものであってよい。

【００１１】本発明の減衰装置は、回転軸部の導電性円
盤を挟んで磁極が対向するように磁石が配置されている
ため、磁石に挟まれた位置に円盤を横切る磁束が存在し
ている。従って、導電性円盤が回転すると、導体が磁束
を横切るため円盤中に磁束密度と導体の移動速度に比例
した渦電流が発生する。この誘導電流が生成する磁界が
円盤の動きに対する反力を発生する。また、電流が円盤
中を流れて熱を発生することによりエネルギーの吸収を
行う。そこで、外壁と配管など、静止点と振動体の間に
減衰装置を配設し、両端の取付具を介してそれぞれに固
定して据え付けると、地震や震動源の励振力を受けて振
動体が運動するのに伴い可動端部がケースに対して直線
運動し、その直線運動が運動変換機構により回転軸部の
回転に変換され、回転軸と共に円盤が回転し形成されて
いる磁束を横切る。こうして、回転速度に比例した渦電
流が導電性円盤中に誘導され、発生した反力により回転
軸部の回転を制動しエネルギーの吸収を行う。誘導電流
は円盤の回転速度に比例し、回転速度は減衰装置の伸縮
する速度に比例するから、制動力およびエネルギー吸収
量は振動体の動く速度に比例する。このように、本発明
の減衰装置の減衰力は振動体の速度に比例するため、防
振支持装置に組み込んで使用する場合の設計が容易にな
る。

【００１２】なお、渦電流の強さは、磁束密度、磁束を
横切る速度、誘導電流が流れる部分の電気抵抗の関数で
あるから、磁石の強さ、磁気回路のインピーダンス、回
転半径、円盤の材質等により調整することができる。例
えば対向する磁石同士の間隔を狭めれば磁気抵抗が小さ
くなり減衰力は大きくなる。また、磁石として強力な永
久磁石に加えて電磁石を用い磁束密度の調整ができるよ
うにすることも可能である。また磁石の位置を回転軸の
中心から離せば、磁束横断速度が速くなり渦電流が大き
くなって減衰力が大きくなるばかりか、モーメントの腕
も長くなるので制動力が大きくなる。このような目的の
ために磁石の径方向位置を調整する機構を減衰装置に組
み込むことは容易である。さらに、円盤の数を多くし、
また周上の磁石対の数を多くすることも減衰力を増大さ
せる。なお、円盤はできるだけ導電率の高い銅やアルミ
ニウムなどの金属から製作することが好ましいが、制動
時には熱が発生し制動力がかかるので伝熱性と強度にも
配慮しなければならない。

【００１３】また、上記の構成と逆に、回転軸部の円盤
に磁石をはめ込み、ケースに導電性材料からなる中空円
盤を回転軸部の円盤と近接して配設するようにしても同
じ作用効果が得られることはいうまでもない。渦電流の
誘導は相対的速度に係るものであるからである。このよ
うに構成するときは、回転円盤中の磁石の保持に工夫が
必要であるが、導電体で発生する熱の除去がより容易に
なる利点がある。さらに、本発明の減衰装置において、
可動端部の直線運動を回転軸部の高速回転運動に変換す
る運動変換機構を使用することにより、可動端部に生じ
る小さな直線運動を大きな回転運動に変換して、より大
きな渦電流を生起させることができ、容易に大きな減衰
力を獲得するようにすることができる。なお、回転軸部
のボールネジと可動端部に固設されたボールナットによ
り構成される運動変換機構を用いると、既に技術的に完
成された部品により運動方向の可逆的変換が効率よく確
実にできる。本発明の減衰装置は、従来技術のメカニカ
ルスナッバと共通する機構部分が多く、組立も容易であ
る。また、油圧式減衰器のように作動油を必要とせず、
原子炉において使用しても放射線などによる劣化もな
く、メンテナンスも容易である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る減衰装置を１
実施例に基づき図面を用いて詳細に説明する。図１は、
本発明の減衰装置の１実施例を示す断面図である。減衰
装置は可動端部１と回転軸部２とケース３から構成され
ている。可動端部１の本体は中空のピストン１１であっ
て、外側の端面には孔を有する耳部１３が形成されてい
て配管等に固定するための取付具を構成し、内側の端部
にはボールナット１５が固定されている。ピストン１１
の裾の部分にはケースから外れないように鍔１７が形成
されている。回転軸部２はボールネジ２１とこれと同軸
に固定される何枚かの円盤２３で構成される。ボールネ
ジ２１は可動端部１のボールナット１５と係合して、可
動端部１が軸方向に運動すると回転軸部２がその運動速
度に比例した速度で回転するようになっている。円盤２
３はアルミニウムの板であって、周縁部で所定の幅にわ
たって一定の厚みを有するがそこから中心に近づくにつ
れ厚みを増すことにおり強度を持たせてある。回転軸部
２はボールベアリング２５を介してケース３に回転自在
に軸支されている。

【００１５】ケース３は回転軸部２の円盤部分を格納す
るケースシリンダ３１と可動端部１を納めるサポートシ
リンダ３３とからなる。また、可動端部１の反対側の端
面には孔を有する耳部３５が形成されていて壁等に固定
するための取付具を構成している。ケースシリンダ３１
の内面には永久磁石３７がそれぞれ回転軸部２の円盤２
３の周縁部を異なる磁極で挟むように配設されている。
磁石３７は円盤２３の周に沿って複数設けられていて、
円周上等間隔に配置されている。円周上の対応する位置
にある最外側の磁石同士を透磁率の高い磁性体で連結し
て、各磁石を透過する磁気回路を形成している。ケース
シリンダ３１の両端部にはボールベアリング２５が設け
られて回転軸部２を軸支している。サポートシリンダ３
３は先端に鍔３９が付いていて可動端部１の鍔１７と係
合して可動端部１が外れるのを防ぐストッパになってい
る。

【００１６】本発明の減衰器の、例えばケース３の耳部
３５を鉄骨など静止点に固定されたクレビスアタッチメ
ントにピンで結合し、他方の可動端部１の耳部１３を配
管に付けたパイプクランプと結合して据え付ける。地震
などにより配管が振動すると鉄骨と配管の間の距離が変
化し、配管に結合された可動端部１が鉄骨に結合された
ケース３に対して直線的な運動を行う。このためボール
ナット１５がボールネジ２１の軸に沿って並進運動を
し、円盤２３が一体に結合されているボールネジ２１を
コマのように高速回転させる。並進運動と回転運動の変
換比率はネジの傾きにより決まり、僅かな並進運動によ
り容易に大きな回転角を生じさせるようにすることがで
きる。なお、直線運動を高速な回転運動に変換する機構
には、ラックとピニオンの組み合わせや複合歯車など、
他の周知の方法を用いることができる。回転する円盤２
３はそれぞれ磁石３７により形成される磁場の中で動く
ため、導体が磁束を横切ることになり、電磁誘導による
電流が円盤２３中に発生する。この電流は永久磁石によ
り生成された磁界と作用して、円盤２３の運動を停止さ
せようとする力になる。誘導される電流は磁場の強さと
磁束を横断する速度に比例する。従って、発生する力は
円盤２３の回転速度に比例し、結局可動端部１の直線運
動、すなわち配管の振動の速度に比例することになる。

【００１７】また、減衰力の強さは、磁界の強度に比例
するため、永久磁石３７の磁化の強さや磁極問距離を調
整したり、磁石の位置を相互にずらすことにより、容易
に制御することができる。さらに、減衰力の強さは円盤
２３の厚さによっても変化するため、円盤の厚さを変え
ることにより調整することもできる。なお、反力の強さ
はさらに力の掛かるモーメント腕の長さと導体の移動速
度に比例するため、磁石３７の位置を調整して径方向の
距離を変えることによっても容易に制御することができ
る。本発明の減衰器をバネと並列に振動体に接合して耐
震支持装置として用いると、減衰器の作動が速度に比例
する減衰成分のみに基づくものとなるため、バネ体と複
合した設計計算が容易になり、個々の振動体に適した柔
な耐震支持設計が可能となる。本発明の減衰装置は配管
のみならず建造物や機器の耐震支持装置あるいは振動絶
縁装置に用いることができることは言うまでもない。例
えば、核融合実験炉における重量１５０万トンを有する
建屋の３次元免震構造を形成する上下方向減衰装置に使
用してもよい。また、本発明の減衰装置は放射線の作用
で変質劣化する作動油を用いないので原子炉周辺の装置
に使用することができる。

【００１８】図２は、本発明の減衰装置における永久磁
石の別の配置例を表す部分拡大断面図である。図中、図
１と同じ機能を有する要素には同じ参照番号を付して説
明を簡単にする。本配置例では上記の減衰装置と異な
り、Ｕ字形をした磁石４１をケースシリンダ３１の内壁
に固定して、それぞれ導電性円盤２３を外周側から挟み
込むように配設したものである。磁気回路は磁石ごとに
独立している。この配置では磁場を形成する位置は組立
により決定されるため任意に調整することができない
が、磁石相互間の位置調整が不要となるほか、磁石をケ
ースシリンダの内壁に直接取り付けることができるた
め、磁石の装着が容易になる利点がある。

【００１９】図３は、本発明の減衰装置の別の実施例を
表す部分拡大断面図である。図中、図１と同じ機能を有
する要素には同じ参照番号を付して説明を簡単にする。
本実施例の減衰装置は、回転軸部２の円盤２３の方に永
久磁石５１を埋め込んで、ケースシリンダ３１の内壁の
方に導体の板５３を備えたものである。円盤２３の磁石
群はそれぞれ導体板５３を挟んで対峙しており、この磁
石群により導電性の板５３を横断する磁束が発生する。
このような構成でも振動の速度と比例する減衰力が発生
するのは当然であるが、本実施例では誘導電流が発生す
る部分がケース３に直結しているため、エネルギの吸収
に伴い発生する熱の除去が容易になる利点がある。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の誘導電流を
利用した減衰装置は、速度に比例した減衰力を発生しか
つ減衰力の調整が容易であるから、建造物、機器、配管
等の耐震支持装置を柔な振動系設計に基づいて実現しよ
うとするときに設計通りの性能を有する要素として使用
することができる。また、作動油等の有機材料を用いな
いため、特に放射線の影響を蒙りやすい原子炉の炉内構
造物や配管の支持装置として使用する場合に、保全性や
寿命の点で有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の減衰装置の１実施例を示す一部断面図
である。

【図２】図１の減衰装置における永久磁石の配置例を表
す一部断面図である。

【図３】本発明の減衰装置の別の実施例を表す一部断面
図である。

【図４】従来のメカニカルスナッバを示す一部断面図で
ある。

【図５】従来の電磁式ダンパを示す一部断面図である。

【符号の説明】

１可動端部２回転軸部３ケース１１ピストン１３耳部１５ボールナット１７鍔２１ボールネジ２３円盤２５ポールベアリング３１ケースシリンダ３３サポートシリンダ３５耳部３７永久磁石３９鍔４ｌ磁石５１永久磁石５３導体板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−312536（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−4937（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16F 1/00 - 6/00 F16F 15/00 - 15/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の取付具を有するケースと、第２の
取付具を有し前記ケースに対して直線運動する可動端部
と、軸に同心状に固設された円盤を有し前記ケースに回
動可能に軸支される回転軸部とを備え、前記可動端部と
前記回転軸部は可動端部の前記ケースに対する直線運動
を回転軸部の回転に比例変換する運動変換機構を介して
接続され、前記回転軸部の円盤が導電性材料からなり、
前記ケースは異なる磁極同士が前記導電体円盤を挟んで
対向するように円盤と近接して配設された磁石を有し
て、前記直線運動の速度に比例する制動力を得ることを
特徴とする減衰装置。
【請求項２】請求項１記載の減衰装置であって、前記
磁石を固定するときに前記回転軸部の軸心からの距離を
調整することができるようにしたことを特徴とする減衰
装置。
【請求項３】請求項１記載の減衰装置において、前記
円盤が導電性材料からなる代わりに磁石をはめ込んだも
のであって、前記ケースが磁石の代わりに導電性材料か
らなる中空円盤を前記円盤と近接して配設することを特
徴とする減衰装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の減
衰装置であって、前記運動変換機構が前記可動端部の直
線運動を前記回転軸部の高速回転運動に変換するもので
あること特徴とする減衰装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかに記載の減
衰装置であって、前記運動変換機構が前記回転軸部のボ
ールネジと前記可動端部に固設されたボールナットによ
り構成されることを特徴とする減衰装置。