JP3979452B2

JP3979452B2 - ダンパ装置

Info

Publication number: JP3979452B2
Application number: JP34713097A
Authority: JP
Inventors: 力村上; 一樹佐藤
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-12-02
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2017-12-02
Also published as: JPH112292A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はダンパ装置に係り、特に例えば回転機械の回転軸等の振動を、電磁力で受動的に減衰させるための減衰機構（ダンパ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁石を使うダンパ装置の歴史は長いが、それを使った防振または振動の減衰には未だ改良の余地がある。磁性材料内での磁束の増減はヒステリシス損を招来し、振動の減衰にはなるが、その効果は小さく、これは主として低周波振動に有効である。以下、主力となる渦電流による効果のみを述べる。ダンパ装置は、振動エネルギーを熱エネルギーに変えて、振動を減衰させるためのものである。振動によって電気的導体（以下導体という）上の磁束の分布や密度を変えたり、磁束を導体が切断することによって、導体に起電力が発生し、その起電力が導体内で短絡された形となっているので、渦電流Ｉが生じ、短絡された回路の抵抗をＲとすればＩ² Ｒの熱エネルギーを発生する。発生起電力Ｅが同じであれば、同じ熱エネルギーをＥ² ／Ｒと表現することもできる。従って、機械的な振動エネルギーが熱エネルギーに変換され、振動の減衰機構（ダンパ）として動作するのであるが、ダンパとしての効率をよくするためには、振動による発生起電力Ｅを大にし、抵抗Ｒを小さくすることが必要である。
【０００３】
さて、従来の最も単純な方式のダンパ装置を図８に示す。この方式のダンパ装置は、磁石１と導体２を接近させ、磁石１または導体２の一方は振動体に固定され、他方は静止体に固定されている。このダンパ装置による振動体の振動減衰は、振動による両者間の相対運動（図示の矢印方向）によって導体中の磁路の磁束にほぼ振動の振幅に比例する変動を与え、交流起電力Ｅを発生させるが、起電力Ｅは磁路の磁束密度Ｂの変化分に比例する。従って熱エネルギーは磁束密度Ｂの自乗に比例する。導体中の磁束密度Ｂを大にするには導体を磁石に接近させるか、導体を磁路の空隙に挟む場合には、磁束密度Ｂ増大のためには空隙を狭くする必要がある。従ってどちらも磁束密度Ｂの大きい導体部分は小さく、電流Ｉはその部分を磁束密度Ｂに直角の方向に流れるのであるから、電流通路が狭くなることが避けられない。このことは等価的に抵抗Ｒの増大を招く。空隙を拡大して空隙に挟まれる導体の体積を増大すると磁束密度Ｂが小さくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、ダンパ装置の効率を上げるためには、渦電流が流れる導体部分をなるべく大きくして抵抗Ｒを小さくすべきである。導体を磁路の空隙に挟む場合には、その部分が抵抗Ｒのネックとなるので、それを太くするとギャップが大となり、磁気抵抗が増大して磁束密度Ｂが小さくなる。このため、例えば磁路の途中に空隙を設けて、導体を挟み込む方式は適当ではない。
以上の条件から、導体の回路が自由に選べる磁路を予め複数個作っておいて、振動によってその磁路が変化して磁束変化が激しくなるような構造が望ましいことが分かる。そのためには振動による複数の磁路と磁石との相対変位によってギャップに長短が生じるようにし、磁路が大幅に変化するような新規なダンパ装置の構造が必要となる。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、簡単な構造で且つ振動減衰効率の高い新規な構造のダンパ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のダンパ装置は、角柱状磁石および該磁石の両極に装着された一対の磁極と、前記一対の磁極に空隙を隔てて入り口および出口が対面するように前記磁石および磁極の両側に配置された２個のコの字形ヨークとから構成され、該２個のコの字形ヨークは剛に機械的に接続され、前記磁石および一対の磁極と、前記ヨークとは、一方が振動の発生側に直結され、他方が静止側に直結され、前記磁石の両極に装着された一方の磁極から出る磁束を、前記ヨーク入り口に前記磁極に面する空隙を介して分岐通過させ、該磁束はヨークを通り、ヨーク出口からの磁束を再び前記磁石の両極に装着された他方の磁極に戻す２分岐回路の磁気回路が形成され、前記磁極およびヨークは高透磁率であるとともに導電率の高い電磁軟鉄で構成され、前記振動によって空隙長が分岐の方向によって差動的に変化することにより前記磁束の分岐に変化が生じるようにして、前記ヨークおよび磁極において渦電流及びヒステリシス損が発生することを特徴とする。
さらに、２個のコの字形ヨークを、前記２個のコの字形ヨークと直交方向に配置し、４分岐回路の磁気回路が形成されたことを特徴とする。
【００１１】
また、磁気回路の磁極及びヨークは、減衰希望の周波数、該磁極及びヨークの透磁率および導電率で決まる表皮厚の、板にあっては厚さを２倍にしたものを単数または電気的に絶縁した複数を並列に配置したものであることを特徴とする。
【００１２】
上述した構成の本発明のダンパ装置は、磁束の流れを振動の変化に伴う分岐点での振り分け効果が顕著になるようにしたものである。このことによって磁路中の磁束の流れが大幅に変化するようになり、磁束密度の変化ΔＢを大きくすることができると共に、その磁路自体を導体で構成するか、または必要によっては磁路に銅リングを巻き付けてもよく、等価的な抵抗Ｒを小さくすることができる。
これまでの図８に示す方式のダンパ装置では、変位による磁路の変化が小さ過ぎることと、電流が磁石の近傍に集中するために、その部分の渦電流経路の幅が狭くなるので、ネックとなり、電気抵抗Ｒを大にする嫌いがあった。
【００１３】
本発明においては、電磁軟鉄などの高透磁率で電気導体ともなる材料による磁路（ヨーク）を一個の永久磁石に対して並列に二つまたは四つに分岐し、分岐点は磁石のＮ極とＳ極の同材料の磁極とヨーク間の空隙に設け、必要ならばそのヨークを磁石から少し離して設けて、そのヨークには銅などの低電気抵抗の材料で取り囲む配置としたものである。振動がないときには磁石からの磁束は分岐点の空隙もほぼ対称なので全ヨークをほぼ均等に分岐して流れるが、変位を生ずると並列ヨークの空隙に非対称性が生じ、そのために各磁路の磁気抵抗に差が生じることによって磁束の振り分け効果を招き、各ヨークに通過磁束数の変動を発生させる。それがヨークの磁束に直交する渦電流を磁極、ヨーク内またはヨーク外周の導体に効果的に発生させることになる。外周の導体のほうがより有効な場合には、ヨークは磁石からある程度離して設け、電流回路としての銅リングのために十分なスペースを与えることができる。変位による磁石からの磁束数の絶対量は殆ど変化しないが、流路と方向に変化をもたらし、これにより効果的に渦電流を発生する。このような構造・配置にすることによって電気抵抗のネックとなる部分がなくなるのでダンパとしての効率が増大する。
【００１５】
また、本発明によれば、磁気回路の磁極及びヨークを、その表皮厚の２倍とすることにより、断面積当りの減衰量を最大とすることができる。即ち、これにより所要の磁束量を電気的に絶縁した複数の磁気回路に並列に分割し、単位となる磁気回路の断面積を減衰効率が最大となるように設定することで、全体として小型軽量化して且つ減衰効率を最大としたダンパ装置とすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、２分岐回路の実施形態を示すものである。その構造は、１個の角柱状永久磁石１１とこれに装着された磁極１２とから、空隙を隔てて配置された２個の「コ」字形ヨークに磁束が分岐される場合である。即ち、図示する方向に着磁した角柱状永久磁石１１の両端には、電磁軟鉄等の磁性材からなる磁極１２が固定され、Ｎ極とＳ極とを構成している。磁極１２に空隙Ｓを介して対面するように、コの字形状のヨーク１３が配置されている。ヨーク１３も磁極１２と同じ高透磁率の磁性軟鉄等の材料が用いられている。磁極１２及びヨーク１３は、高透磁率であると共に電気導体ともなる材料で構成されているので、磁極１２及び１３自体が渦電流の電流流路となる。この例ではヨーク１３に銅製のリングを周回させて、渦電流の電流流路としてもよい。
【００１８】
次に磁束の振り分け効果について説明する。例えば磁石１１及び磁極１２を振動の減衰対象物に装着して、コ字形ヨーク１３をその近傍の靜止体に固定する。そして、磁石１１及び磁極１２側が図示する左右方向（矢印方向）に振動が生じたとする。図１（Ａ）は相対変位のない場合で磁石からの磁束２Φが均等にΦずつに２分され、（Ｂ）は左側空隙が狭く、右空隙が広くなった場合で、左側の磁路ではΦ＋ΔΦとなり、右側の磁路ではΦ−ΔΦとなり、変化分の磁束ΔΦが左回りの周回磁束になることを示したものである。（Ｃ）はそれとは逆の相対変位になった場合であり、変化分の磁束ΔΦが右回りの周回磁束になることを示したものである。右図は鎖交した周回磁束の増大とそれを妨害する方向の起電力Ｅの方向を示したものである。従って相対変位が振動であれば、ΔΦは磁石を通らずに磁極と２個のヨークで形成される磁路を周回振動し、それと鎖交する振動起電力Ｅを発生する。
【００１９】
空隙が狭いと電気回路としてのインダクタンスが大きいのでダンパとしての効率が下がることもあるので、その場合には銅リングは不要で、渦電流の形成部分としてはヨークだけで十分である。ヨークは渦電流の形成部分となるので、透磁率が高く、しかも導電率も高いもので太めに作ることが望ましい。銅リングが無ければ、構造、材料ともに極めて単純な構造となり、その製造コストも低い。
【００２０】
磁石のために相対変位に対する剛性は不安定なので、何らかの機械的な安定剛性を付与する必要がある。それには金属バネを使用してもよいし、空隙に粘弾性的フィルム状の膜、例えばゴムシートを挟んでもよい。
【００２１】
また、図１における下側の空隙Ｓを無くして磁石と直結し、ヨークを多少薄く作ってヨークの弾性効果を利用することも可能である。ただし、磁束の振り分け効果は上側の空隙だけになるから減衰効果は落ちる。或いは、下側ヨークと下側磁極とを接続して空隙を下側磁極と磁石間に移動してもよい。空隙をこれらの機械的な安定化のために弾性体で埋めることなどによって相対位置の原点が完全な対称点からずれても、その位置を中心に振動するから問題はない。
【００２２】
〔第２実施形態〕
図２は、４分岐回路の実施形態を示すもので、その構造は、図１に示したのと同様な１個の磁石に対して図１に示したのと同様な「コ」字形ヨークを４個設けて、２方向（Ｘ，Ｙ）の振動の減衰を目的としたものである。図１に示す第１の実施形態では永久磁石１１から流れ出た磁束が磁極１２を介して右側と左側の２個のヨーク１３に２方向（例えばＸ方向）に分岐するのであるのに対して、これにＹ方向を加え、Ｘ，Ｙ方向の振動に対する減衰効果を狙ったもので、磁束を４方向に分岐するようにしたものである。これにより、直交２方向（Ｘ，Ｙ方向）の剛体の振動の減衰が１個の磁石で可能になる。４個のヨークは、固定部材１４により互いに剛に固定されている。
【００３０】
次に本発明の原理に基づくダンパ装置の振動減衰効果について説明する。図３に示すようにステンレス製の板５０の一端を片持ちバリ状に支持し、他端にヨーク５３を取り付けて内部の磁石部分５１，５２の有無による比較でダンパ効果を実験した。ステンレス板５０が機械的な復元剛性を与え、かつ振動のためのバネ要素ともなっている。磁石なしの場合の振動を外部からの打撃で与えてヨーク部分の変位を空隙センサ（図示せず）で検出したものの記録が図４である。減衰が非常に悪く減衰比ζで約０．００１５である。
【００３１】
図５は磁石部分５１，５２をヨーク５３に接触しないように配置固定した場合の同じ打撃による振動減衰効果である。ζは約０．５となった。この実験ではヨークに周回する銅材を全く使用しなかった。その理由は、銅材をヨークに周回させることによって、電流回路から見た自己インダクタンスが大きくなり過ぎるために、渦電流に位相遅れが生じて、減衰効果を阻害していたのである。この実験結果は、ダンパ装置としては銅材を用いない方がより有効という、常識から離れた結果がもたらされた。このことは、ダンパ装置として構造が極めて簡単化されることを実証したことになる。
【００３２】
ダンパを小型軽量化にするためには磁気回路の最適化が必要である。ここで言う最適化とは、特に磁性材料の量をなるべく小さく軽くすることである。ところで、磁路の断面積当たりの減衰効率は、減衰希望の周波数ω、等磁率μ、導電率κ等に対応した表皮厚δに依存することが判明した。表皮厚δは次式で与えられる。
δ=√[2/(ωμκ)]
この表皮厚と断面積当たりの減衰効率ηとの関係を、断面が円の場合を図６に示す。図示するように、磁気回路の半径ａの表皮厚δに対する比ａ/δが１．８程度であるのが効率のピーク値になる。断面が長方形の板状の場合には、板厚ｄとδとの比ｄ/δを横軸にとったη曲線も殆ど類似のカーブが得られ、ピーク値がｄ/δで約２．３にずれるだけであるので省略した。つまり、どちらも磁路の外側面からδを少し越えた内部付近が減衰に最有効な位相の磁束が通過するのである。従って、その付近の長さを長くする、換言すれば断面の形状に関しては、表皮厚δに対して約２倍の厚さを保った周長を大にするのが効率を上げるための基本である。このため、磁路断面の太さまたは厚さがδよりもはるかに大きい場合には、ピーク値になる比の寸法のものを複数化してそれらを電気的に絶縁して並列に磁気回路中に設けるのが有効である。減衰力はギャップの磁束密度の二乗に比例するから、磁石の起磁力もそれに見合ったものにする必要がある。断面積の総量を大にすれば、当然、起磁力も大、つまり磁石量も増大する。
【００３３】
例えば断面が長方形の磁路で、その１辺の長さが表皮厚の４．６倍であるとすれば、表皮厚の２．３倍の厚さの２枚の板にすれば、効率のピーク値が得られ、かつそれが２枚なのでピーク値の２倍となる。それを具体的に示したのが図７である。即ち、この磁気回路は磁石１１の両極に２本の磁極１２ａ，１２ｂが固着され、ギャップＳを介して２本のヨーク１３ａ，１３ｂにより、２本の磁気回路が構成されている。２本の磁極及び２本のヨーク間１６は、それぞれ電気的に絶縁されている。これにより、１本の角棒の断面積が減衰効率の最大値となり、磁気力、磁束密度、全体的なヨーク及び磁極の材料量を変更することなく、減衰力を２倍程度に高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は磁石の磁極から出る磁束を二つまたは四つのヨークの磁極に対面する面に分岐して磁気回路を形成するようにしたものである。これにより、磁石またはヨークの一方を固定または自由にして他方を振動源に接続した時に、磁極とヨークの全断面に生じる磁束の変化ΔΦがヨークと磁極に渦電流及びヒステリシス損を形成する。このように磁束の変化を有効に利用して効率的に渦電流及びヒステリシス損を発生できるので、ダンパの減衰効率を従来の構造と比較して高いものとすることができる。又、渦電流をヨークまたは磁極内に形成することで、銅材等を周回する必要が無くなり、構造を簡素化できると共に小型化できる。更に構造が簡単なことから、例えば長い配管の振動抑制等にも、着脱が容易となり、利用し易い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のダンパ装置の説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態のダンパ装置の説明図である。
【図３】実験装置の概要を示す説明図である。
【図４】ダンパを取り付けない場合の板バネの振動波形を示す図である。
【図５】本発明のダンパ装置を取り付けた場合の板バネの振動波形を示す図である。
【図６】表皮厚と断面積当たりの減衰効率ηとの関係を示す図である。
【図７】電気的に絶縁された複数の磁気回路を用いたダンパ装置の説明図である。
【図８】従来のダンパ装置の説明図である。
【符号の説明】
１１，２１磁石
１２，２２磁極
１３，２３ヨーク
Ｓ空隙

Claims

角柱状磁石および該磁石の両極に装着された一対の磁極と、前記一対の磁極に空隙を隔てて入り口および出口が対面するように前記磁石および磁極の両側に配置された２個のコの字形ヨークとから構成され、
該２個のコの字形ヨークは剛に機械的に接続され、
前記磁石および一対の磁極と、前記ヨークとは、一方が振動の発生側に直結され、他方が静止側に直結され、
前記磁石の両極に装着された一方の磁極から出る磁束を、前記ヨーク入り口に前記磁極に面する空隙を介して分岐通過させ、該磁束はヨークを通り、ヨーク出口からの磁束を再び前記磁石の両極に装着された他方の磁極に戻す２分岐回路の磁気回路が形成され、
前記磁極およびヨークは高透磁率であるとともに導電率の高い電磁軟鉄で構成され、前記振動によって空隙長が分岐の方向によって差動的に変化することにより前記磁束の分岐に変化が生じるようにして、前記ヨークおよび磁極において渦電流及びヒステリシス損が発生することを特徴とするダンパ装置。
さらに、２個のコの字形ヨークを、前記２個のコの字形ヨークと直交方向に配置し、４分岐回路の磁気回路が形成されたことを特徴とする請求項１記載のダンパ装置。
前記磁極及びヨークは、減衰希望の周波数、該磁極及びヨークの透磁率および導電率で決まる表皮厚の、板にあっては厚さを２倍にしたものを単数または電気的に絶縁した複数を並列に配置したものであることを特徴とする請求項１または２に記載のダンパ装置。