KR100346335B1

KR100346335B1 - 자기회로

Info

Publication number: KR100346335B1
Application number: KR1020000034175A
Authority: KR
Inventors: 오구라유미; 에노키요시미; 야마네히데유키; 와가타시게키; 에노키조노마사토
Original assignee: 가부시키가이샤 데루타 쓰링구
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-07-26
Also published as: EP1063658A2; EP1063658A3; JP4159184B2; KR20010007469A; DE60020301D1; DE60020301T2; EP1063658B1; CN1279486A; JP2001012544A; TW454211B; US6356177B1; CN1181504C

Abstract

반발계의 자기스프링을 구성하여, 보다 강한 반발력이 얻어질 수 있도록 저렴한 자기회로를 제공하려는 것이다.

요크(6)의 소정면에 대하여 수직방향으로 자극이 형성된 다극자석(8)을 분리한 상태에서 요크(6)의 소정면에 장치하여, 다극자석(8)의 자극이 방향과는 다른 방향으로 자극이 형성된 단극자석(10)을 다극자석(8)의 분리부분에 장치한다.

Description

자기회로{MAGNETIC CIRCUIT}

본 발명은 서스펜션 유닛(suspension unit)등에 장치하여 반발계(反撥系)의 자기스프링을 구성하는 자기회로에 관한 것이다.

강성을 확보하기 위하여, 내부 감쇠가 적은 재료로 구성하는 것이 많은 기계나 구조물의 진동·소음대책으로서, 여러 가지 제진재, 제진기, 제어방법이 제안되어 있다.

통상, 제진절연에 관해서는, 금속스프링, 고무, 공기스프링, 점탄성재료, 댐퍼라고 한 스프링과 감쇠재를 가장 적합하게 조합하여 사용하지만, 이 조합에서는 동배율(動倍率)과 손실계수와 같이 이율배반 관계가 있는 것이 많다. 이 때문에 동(動) 흡진기를 포함한 수동(受動) 제진장치나 준능동·능동제어에 의하여 진동을 억제하는 시험이 다수 시행되고 있다. 이들 제진기의 특성재로서, 로바스트성이 있는 것, 제진대상의 특성변동에 따르는 것, 고온, 저온, 오존 등의 환경에 좌우되지 않고, 경년에도 변화하지 않은 것이 바람직하다.

근년에는 고보자력, 고잔류자속밀도를 가진 영구자석이 실용화되는데 수반하여, 자기부상, 자기베어링, 자성유체를 사용한 댐퍼등 자기제진계의 연구가 성행되어 있다. 특히, 자기유도에 의한 와전류와 자속의 작용에 의한 자기감쇠를 이용한 전기패턴은 감쇠력요소로서 사용되어 응용범위도 확대하여 있다.

그렇지만, 같은 극의 영구자석을 대향시킨 반발계의 자기스프링을 구성하는 효율적 자기회로의 구성에 관해서는 아직 연구의 여지가 있고, 현재로는 자기의 크기(판두께, 대향면적 등)를 크게하여 자기스프링의 반발력을 증대하고 있지만, 자기스프링의 중량이 증대하기도 하고, 값이 바싸지기도 한다는 문제가 있다.

본 발명은, 종래기술이 가진 것과 같은 문제점을 감안한 것으로서, 반발계의 자기스프링을 구성하여, 보다 강한 반발력이 얻어질 수 있게 한 저렴한 자기회로를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명중에서 청구항 1에 기재한 발명은, 요크(yoke)의 소정면에 대하여 수직방향으로 자극이 형성된 다극 자석을 분리한 상태에서 상기 요크의 소정면에 장치하고, 상기 다극 자석의 자극에 방향과는 다른 방향으로 자극이 형성된 단극 자석을, 상기 다 자석의 분리부분에 장치한 것을 특징으로 하는 자기회로이다.

또, 청구항 2에 기재한 발명은, 상기 요크의 소정면에 철부(凸部)를 형성하여, 이 철부상에 상기 단극 자석을 배치하고, 상기 철부 및 단극자석의 약쪽으로분리한 상기 다극 자석을 배치한 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 3에 기재한 발명은, 상기 요크의 소정면에 스페이서를 장치하여, 이 스페이서상에 상기 단극자석을 배치하고, 상기 스페이서 및 단극자석의 약쪽으로 분리한 상기 다극자석을 배치한 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 4에 기재한 발명은, 상기 다극자석의 상기 요크와는 반대쪽의 단면쪽에 있어서, 상기 다극자석과 상기 단극자석의 동일 자극을 대향시킨 것을 특징으로 한다.

또, 청구항 5에 기재한 발명은, 상기 다극자석으로서 2극 자석을 사용한 것을 특징으로 한다.

도 1은 여러 가지 영구자석을 수직방향으로 운동시켰을 때의 자석간 거리와 정적인 반발력과의 관계를 나타내는 그래프.

도 2는 동일 자극이 대향하는 2개의 영구자석의 반발력 및 흡인력의 해석모델을 나타낸 개략도.

도 3은 동일 자극이 대향하는 2개의 자석중 상부자석에 추를 얹혀 놓았을 때의 평형점 둘레의 미소진동 모델을 나타낸 개략도.

도 4는 여러 가지 영구자석의 사시도로서 (a)는 단극(單極)을, (b)는 2극을, (c)는 3극을 (d)는 4극을 평행으로 인접 배치한 것을, (e)는 4극을 "田" 형상으로 인접배치한 것의 각각을 나타낸 것이다.

도 5는 대향면적이 75 ×75㎟, 두께가 20㎜의 도 4에 나타낸 영구자석을 동일자극을 대향시켜서 배치하였을 때의 자석간 거리와 반발력의 관계를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 관한 자기회로의 사시도.

도 7은 본 발명에 관한 자기회로의 변형예를 나타낸 사시도.

도 8은 본 발명에 관한 자기회로의 다른 변형예를 나타낸 사시도.

도 9는 도 6의 자기회로로 구성한 자기스프링을 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타내는 모식도를 (b)는 자속의 그러데이션(gradation)을 나타낸 모식도.

도 10은 도 9의 자기스프링에 있어서 중앙의 단극자석의 자극을 역으로 한 경우를 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타낸 모식도, (b)는 자속의 그러데이션을 나타내는 모식도.

도 11은 2극 자석만으로 자기회로를 구성한 자기스프링을 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타내는 모식도, (b)는 자속의 그러데이션을 나타낸 모식도.

도 12는 도 11의 자기회로의 크기를 크게한 경우의 자기스프링을 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타내는 모식도, (b)는 자속의 그러데이션을 나타낸 모식도.

도 13은 도 11의 자기회로의 크기를 더욱 크게함과 동시에 이간(離間) 거리를 짧게 한 경우의 자기스프링을 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타내는 모식도, (b)는 자속의 그러데이션을 나타낸 모식도.

도 14는 단극 자석만으로 구성한 도 13의 자기스프링과 동일 크기의 자기스프링을 나타낸 것으로서, (a)는 자속분포를 나타내는 모식도, (b)는 자속의 그러데이션을 나타낸 모식도.

도 15는 여러 가지 자기스프링의 이간거리와 하중과의 관계를 나타내는 그래프.

도 16은 이간거리가 짧은 경우에 있어서 도 15의 그래프의 일부 확대한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2, 4 : 영구자석 6 : 요크

6a : 철부(凸部) 8 ; 2극 자석

8a, 8b, 10, 10A : 단극자석(單極磁石) 12 : 스페이서

M1, M2, M3 : 자기회로

[발명의 실시형태]

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

같은 극의 영구자석을 대향시킨 반발계의 영구자석은, 운동을 허여하므로서, 부하질량이나 입력에 따라서 스프링 정수가 변화하는 것으로 로바스트성이 있고, 진동방향에 대하여 비접촉에서 대응할 수 있다. 거기서 전방위(全方位)의 진동절연을 행할 수 있는 자기스프링 특성에 관해서 이하에 설명한다.

자기스프링은 희토류자석(Nd-Fe-B계)을 서로 반발하여 만나도록 마주보게 하여 상대 운동시켰을 때에 생기는 반발력, 흡기력 전자유도에 의한 자기제동력에 의하여 구성된다.

도 1은 크기, 질량이 다른 영구자석을 면에 직각 방향으로 운동시켰을 때의자석간 거리(z)와 정적인 반발력(f)의 관계를 나타낸 것이며, 자석 A, B, C의 크기는 각각, s = 75 ×75㎟, h = 20㎜, s = 75 ×75㎟, h = 10㎜, s = 50 ×50㎟, h = 10㎜로 되어 있다. 자기스프링계에 있어서 부하-변위특성은, 마찰손실이 무시될 수 있을 정도로 작을 때, 가역적이다.

의 관계를 가진다. 희토류자석은, 내부자기모멘트가 자계에 의한 영향을 받기 어렵고, 감자곡선상에서 자화의 강도는 거의 변화하지 않고, 대개 그 포화자화의 강한 값을 보유한다. 그 때문에, 자석단면에 자하가 균일하게 분포하여 있다고 가정한 채널모델을 사용하여 자석간에 활동 반발력을 계산한다.

도 2에 나타낸 바와 같이 영구자석(2)의 표면(N₂)상의 점(x₂, y₂, δ)과 영구자석(4)의 표면(S₁)상의 점점(x₁, y₁, 0)에 활동 흡인력 f⁽¹⁾는

로 되다. 여기서, mdx₁dy₁, mdx₂dy₂는 각각 미소면적 dx₁dy₁, dx₂dy₂의 자하에서, R는,

이다.

f⁽¹⁾의 x 선분, z 선분은 각각,

로 주어진다. 같은 방식으로, N₁, N₂사이에서 활동반발력 f⁽²⁾라 하고, S_1,S₂사이에서 활동반발력을 f⁽³⁾라 하면, 하중 Fz와 Fx는,

로 나타낸다. 1, d는 자석의 크기를 나타내고, 도 2에 나타낸다. ξ는, 2개의 자석간의 어긋난량을 나타내고, 계산상의 원점은, 각각 자석의 중심에 놓여있다.

이 결과는 보정계수를 곱하는 것으로 실험값과 5%의 오차범위에서 잘 일치하고 있다.

자석간에 활동하는 반발력은,

로 주어지므로,

도 3에 배치에 있어서, 상부자석에 추를 곱했을 때의 운동방정식은,

로 된다. m는 추(m₁)와 상부 자석(2)(m₂)을 합한 질량이다. c는 상자등에 따라서 생기는 점성감쇠계수로, 제2항은 감쇠항을 나타낸다. 제4항은 중력항으로, F(t)는 외력이다. 무게를 곱한 자석의 평형위치를 z_O라 하면,

평형위치를 원점으로 하는 변위 ξ에 대한 운동방정식은,

여기서,

ξ/z_O《1인 때,

와 근사하다.

여기서, 외력은 각 진동수 ω로서 강제진동한다고 하면,

가 된다. 이 때,

라 하면, 진폭 A는,

로 구해진다. 여기서,

은 감쇠비를 나타낸다. 또, φ는 위상각으로서,

로 주어진다.

fm는 고유진동수로,

로 된다. 고유진동수와 스프링 정수의 관계가 비선형이기 때문에, 금속스프링과는역의 관계로 되어 있다. 동작점의 설정위치 및 자기회로의 조정으로, 하중-변위특성의 최적한 곡률을 설정하는 것으로서, 부하질량에 관계없이 공진점을 대개 일정하게 할 수가 있다. (13)의 근사함을 2차항까지 생각하면 수학식 (10)은

로 된다. 단,

미소진동영역에서는 주기적인 외력에 대하여 끊임없이 일정한 반발력 bξ²가 가해지고 있으며, 그 힘으로 주기적 외력을 감쇠시킨다. 결국, 영구자석의 운동의 괴적을 조정하여, 스프링 정수를 제어함으로서, 입력에 한정을 받지만, 강제진동을 부하질량에 의하여 감쇠한다.

또, 자속밀도 B는 자발자화(自發磁化)와 유효자계(반발계 + 외부자계)로 그 크기가 결정된다.

B = 4πI - Hm + Hex (CGS 단위)

로 주어진다. 단, 4πI는 자발자화 I에 의하여 발생하는 자속으로서, Hm는, 자석이 스스로 약한 힘으로 나타내고, Hex는 자극이 대향함으로서 생기는 외부자계이다. 자기감자(自己減磁) 대책으로, 다극화하여 인접하는 자석으로 순자계(順磁界)를 만들면 Hm를 적게 할 수 있다. 그렇지만, 자력선의 구배가 없으면, 외부에 자력선이 나가지 않는다. 결국, Hm를 적게하기 때문에 극수(極數)를 늘려하면, 중앙부의 자력선이 외부에 거의 나가지 않는다. 또한, 단부의 자속도 없게 되고, 반발력이 약하다. 결국, 반발력의 강도는 대향면적과 극수와 통상사용하고 있는 자석간 거리로서 결정된다.

도 4는 대향면적이 75 ×75㎟, 두께가 20㎜에서 극수가 1∼4극의 영구자석을 나타내고, 도 5는, 동일자극을 대향시켰을 때의 자석간 거리와 반발력의 관계를 나타내고 있다.

도 5의 그래프로부터, 자기서스펜션에 있어서의 인체를 부상시키는 영역에서의 효율이 좋은 자기회로는, 2극자석임을 알 수 있다. 자벽(磁壁)에 상당하는 교호 자석간에서 누설자계가 발생하여, 대향자석이 접근했을 때, 보다 강한 반발력이 얻어져서, 바닥붙임 현상도 경감한다.

도 6은 본 발명에 관한 자기회로(M1)를 표시하고, 분리한 2극자석을 요크 위에 배치하여, 2극자석의 사이에 단극자석을 장치한 것이다.

다시 상술하면, 구형요크(6)의 소정면(도 6에서는 상면)에 대하여 수직방향으로 자극이 형성된 2극자석(8)[또는, 다른 극이 동일방향을 향한 2개의 단극자석(8a, 8b)]이 소정거리로 이간한 상태로서 배치됨과 동시에, 자석(8a, 8b) 사이에 단극자석(10)이 장치되어 있으며, 요크(6)의 반대쪽의 자석단면(도 6에서는 상면)에 있어서, 자석(8a, 8b)과 자석(10)은 동일자극이 대향하고 있다.

도 7은 자기회로(M1)의 변형예(M2)를 표시하고, 요크(6A)의 중앙부에 형성된철부(凸部)(6a)상에 단극자석(10A)이 배치됨과 동시에 철부(6a)와 단극자석(10A)의 양쪽에 분리된 2극자석(8), (8a, 8b)이 배치되어 있다.

도 8은 또 다른 변형예(M3)를 표시하고, 도 7에 표시되는 요크(6A)의 철부(6a)를 Al, Cu 등의 스페이서(12)로 치환한 것이다. 따라서, 도 6에 표시되는 요크(6)와 도 8에 표시된 요크(6)는 동일한 것이다.

도 9는, 도 6의 자기회로의 크기를 □70에 설정함과 동시에 2개의 자기회로를 동일자극을 대향시켜서 배치함으로서, 자기스프링을 구성했을 때의 자속분포를 나타내었다.

또, 도 10은 도 6의 자기회로에 있어서, 자석(8a, 8b)에 끼워진 자석(10)의 자극을 역으로 배치하여, 자기회로의 대향측에 있어서, 자석(8a, 8b)과 자석(10)이 흡인하도록 자극을 배치했을 때의 자속분포를 나타내었다.

도 9 및 도 10의 자속분포로서 알 수 있는 바와 같이 자기회로의 대향쪽에 있어서, 분리된 2극자석(8)과 그 중앙부에 설치된 자석(10)을 동일자극이 대향하도록 배치하면, 자석(8a)으로부터 자석(8b)으로 향하는 자속이 자석(10)의 자속에 의하여 제어되어서 반발력을 증대시킬 수 있다.

또, 도 11 및 도 12는 도 4(b)에 나타낸 2극자석의 크기를 각각 □70, □75로 설정했을 때의 자속분포를 나타내었다. 자기회로에 있어서의 자석배치가 같을 때에는 자기회로의 크기가 클수록 반발력이 세지만, 크기가 같을 경우에도 자석배치를 변경함에 의하여 자석분포를 제어할 수 있어서, 고도인 반발력의 자기회로를 제공할 수 있다.

도 13은, 도 12의 자기스프링에 있어서, 대향하는 2개의 회로를 구성하는 자석의 두께를 두껍게 함과 동시에, 2개의 자기회로의 이간거리를 더욱 짧게 한 것이다. 또, 도 14는 도 13의 자기스프링에 있어서, 2극자석을 단극자석으로 치환한 것이다.

도 13 및 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이 자기회로의 크기가 크고, 이간거리가 짧을수록 반발력은 세고, 또, 단극자석에 대신하여 2극자석을 사용함에 의하여 반발력을 세게할 수가 있다.

도 15 및 도 16은, 각종 자기회로의 이간거리와 하중(반발력)과의 관계를 표시하는 그래프이고, 도면중, 흡인(SN), 반발(NS), 반발(NS) + Cu와는 각각 도 10에 나타내는 자기회로, 도 9에 표시되는 자기회로, 도 9에 나태는 자기회로에 스페이서로서 Cu를 삽입한 자기회로(도 8 참조)라는 것이다. 또, □70 ×10t 및 □75 ×10t와는 각각 도 11 및 도 12에 표시되는 2극자석으로 구성된 자기회로라는 것이다.

도 15 및 도 16의 그래프는, 자기회로의 크기가 같은 경우에는, 본 발명에 관한 도 6 내지 도 8에 표시되는 자기회로에 의하여 고도의 반발력을 발생시킬 수 있는 것을 나타내었다.

또한, 도 6 내지 도 8에 나타내는 자기회로는, 2극자석을 체용하고 있으나, 3극자석 또는 4극자석 등의 다극자석을 채용할 수도 있다. 즉, 분리된 인접하는 자석간에 반발계의 자석을 삽입함에 의하여 반발력을 증대시킬 수 있다.

더욱 상술하면, 자기회로를 다극 구성하면, 교호로 자석간에서 누설자계가발생하고, 이때의 자장구배를 이용함으로서 반발력이 증대한다. 또, 다극자석을 분리하고, 분리된 인접하는 자석간에 반발계의 자석을 삽입하면 자석구배가 변화하여, 반발력을 더욱 증대시킬 수 있다.

자장구배가 있으면, 자장구배에 의하여 작용하는 힘은,

으로 나타낸다. M은 자기모멘트로서, dH/dx는 자장구배를 나타내고 있다(또한, 라운드디는 명세서 문장중에서 사용할 수 없으므로, 여기에서는 d로서 표시하였다).

다극 교호자석의 조합에 의하여 발생하는 누설자계를 이용하여 자속을 제어함에 의하여 자장구배에 방향성을 갖게 하여 반발력을 증대시킬 수 있다.

본 발명은, 이상 설명한 바와 같이 구성되어 있으므로, 아래에 기재하는 바와 같은 효과를 발휘한다.

본 발명중에서 청구항 1에 기재한 발명에 의하면, 요크의 소정면에 대하여 수직방향으로 자극이 형성된 다극자석을 분리한 상태로서 장치하고, 다극자석의 자극방향과는 다른 방향으로 자극이 형성된 단극자석을 다극자석의 분리부분에 장치하였으므로, 다극자석의 자속이 단극자석의 자속에 제어되는 것으로서, 간소한 구성의 저렴한 자기회로에 의하여 고도의 반발력을 발생시킬 수 있다.

또, 청구항 2 또는 청구항 3에 기재한 발명에 의하면, 요크의 소정면에 형성된 철부, 또는 요크의 소정면에 장치된 스페이서 위에 단극자석을 배치하고, 그 양쪽에 분리된 다극자석을 배치하였으므로, 단극자석의 크기를 작게할 수 있어서, 저렴한 자기회로를 제공할 수가 있다.

또한, 청구항 4에 기재한 발명에 의하면, 다극자석의 요크와는 반대쪽의 단면쪽에 있어서, 다극자석과 단극자석의 동일자극을 대향시켰으므로서, 반발력을 보다 증대시킬 수가 잇다.

또, 청구항 5에 기재한 발명에 의하면, 다극자석으로서 2극자석을 사용하였으므로, 간소한 구성에 염가인 자기회로에 의하여 고도의 반발력을 발생시킬 수가 있다.

Claims

요크의 소정면에 대하여 수직방향으로 자극이 형성된 다극자석을 분리한 상태에서 상기 요크의 소정면에 부착하고, 상기 다극자석의 자극의 방향과는 다른 방향으로 자극이 형성된 단극자석을 상기 다극자석의 분리부분에 장치한 것을 특징으로 하는 자기회로.
제1항에 있어서, 상기 요크의 소정면에 철부를 형성하여, 이 철부상에 상기 단극자석을 배치하고, 상기 철부 및 단극자석의 약쪽으로 분리한 상기 다극 자석을 배치한 것을 특징으로 하는 자기회로.
제1항에 있어서, 상기 요크의 소정면에 스페이서를 부착하여, 이 스페이서상에 상기 단극자석을 배치하고, 상기 스페이서 및 단극자석의 약쪽으로 분리한 상기 다극자석을 배치한 것을 특징으로 하는 자기회로.
제1항 내지 제3항의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다극자석의 상기 요크와는 반대쪽의 단면쪽에 있어서, 상기 다극자석과 상기 단극자석의 동일자극을 대향시킨 것을 특징으로 하는 자기회로.
제1항 내지 제4항의 어느 하나에 항에 있어서, 상기 다극자석으로서 2극자석을 사용한 것을 특징으로 하는 자기회로.