KR19990022751A - 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링 및 그 자기 스프링을 갖는 진동 메카니즘 - Google Patents

댐핑 특성을 갖는 자기 스프링 및 그 자기 스프링을 갖는 진동 메카니즘 Download PDF

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요시미 에노키
히로시 나카히라
세이지 가와사키
히로키 혼다
유미 오구라
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후지타 히토시
가부시키가이샤 데루타 쓰링구
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    • F16F15/03—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means

Abstract

자기 스프링은 운동 메카니즘에서 서로 이격된 적어도 2개의 영구자석(2 및 4)을 갖는다. 입력 시간 및 출력 시간에서, 2개의 영구자석간의 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 및 외력에 의해 변화된다. 기하학적인 크기의 변화가 운동 메카니즘에서 척력으로 변환되어, (1) 입력 시간에서 보다 출력 시간에서 더 큰 2개의 영구자석의 균형된 위치로부터 척력을 만들거나, (2) 비선형 댐핑 및 스프링 특성을 구비하기 위해 자기 스프링의 댐핑 항을 인출한다.

Description

댐핑 특성을 갖는 자기 스프링 및 그 자기 스프링을 갖는 진동 메카니즘
현재, 각종의 진동 모델이 제안되고 실제 사용되고 있다. 일반적으로, 진동 특성은 부하된 질량 및 입력에 의존한다. 부하된 질량 및 부하-변위 특성의 곡률간의 그리고 입력 및 부하-변위 특성의 히스테리시스간의 상호관계가 있음이 고려된다.
예를 들어, 자동차 차량용 서스펜션 시스템에서, 서스펜션 시스템의 스프링 상수 등의 승차 안락성을 조절하는 포인트는 도로 표면 상태, 제어 안정도, 및 임피던스(또는 그 차이) 상태이다. 모든 조건하에서 최적화하기 위해, 능동 제어는 필요로 된다. 도로 운전 또는 고속 운전을 괴롭히는 것은 결과적으로 저 주파수 및 고 진폭 영역에서 중대한 차이를 발생시킨다. 댐핑력이 낮은 경우에, 변위의 전달율이 증가하고, 공진 주파수는 저 주파수 영역으로 이동한다. 댐핑력을 증가시키기 위해, 댐퍼의 댐핑비를 증가시키거나 스프링 상수를 감소시키는 것이 필요하다. 그러므로, 종래의 수동 진동 모델은 그 성능상 제한을 갖는다.
명백한 예로서, 서스펜션 시트가 이후에서 설명된다. 서스펜션 시트는 지상-이동 기계 또는 여가 차량(RV) 등의 비포장 도로의 차량 또는 트럭 또는 버스 등의 장거리 이동 차량에서 주로 사용할 수 있는 시트이고, 제진(vibration isolator)메카니즘을 장착하고 있다. 제진 메카니즘으로서, 금속 스프링, 공기 서스펜션, 공기 댐퍼 등이 사용된다. 상기 시트에서, 시트 진동의 분리가 약 1.5 내지 12Hz의 주파수 범위내에서 개선된다. 그러므로, 서스펜션 시트는 1 내지 2.5Hz의 범위에서 공진 주파수를 갖는다.
도 51은 종래의 서스펜션 시트의 진동 특성을 도시한다. 도 51에서, (a)는 단단한 시트를, (b)는 서스펜션 시트를, (c)는 스프링이 많은 시트를, (d)는 댐퍼를 갖지 않은 서스펜션 시트를 표시한다.
낮은 단단함(즉, 소프트한 승차 안락성)을 갖는 시트에서, 어떤 쇼크 또는 저주파수 진동에 노출시 큰 동적 변위가 있다. 그러나, 시트 서스펜션 메카니즘의 이동은 페달 등을 누르는 것과 같은 운전자의 동작과 간섭하지 않기 위해 100mm 보다 적게 보통 제한된다. 큰 동적 변위의 경우에, 그것이 서스펜션 시트로 하여금 엔드-정지 충격을 발생하게 한다.
엔드-정지-충격의 영향을 서스펜션 시트의 성능상에서 고찰하기 위해, 스타일스(stiles)는 1994년에 트랙터 운전의 현장 조사를 수행했다. 그는 서스펜션 시트들중 45%가 운전자에 의해 경험된 가속도 레벨을 증가시킨다는 것을 발견했다. 그는 엔드-정지 충격이 서스펜션 시트의 분리 효율을 저하시킴을 제시했다. 쇼크 흡수기는 차량에 의해 경험된 갑작스런 또는 순간적인 범프에 해결책으로서 사용된다.
최근에, 능동 서스펜션 시트는 시트에 실장된 액추에이터가 승차 안락성을 증대시키기 위해 능동 제어 진동으로 작동하는 것으로 제안되었다.
그러나, 금속 스프링, 공기 서스펜션, 공기 댐퍼 등을 사용하는 제진 메카니즘은 차량 마루를 통해 전송된 진동중에서부터 4~20Hz의 진동 주파수를 감소시킴으로써 승차 안락성 또는 사용 느낌을 증대시킬 수 없다.
또한, 능동 서스펜션 시트는 무겁고 값비싸고 항시 액추에이터를 작동시키도록 또한 요구된다. 액추에이터가 터언 오프될 때, 진동은 액추에이터를 통해 시트 점유자에 전송되어, 승차 안락성을 잃어버린다.
다른 한편으로, 쇼크 흡수기를 사용하는 서스펜션 시트에서, 댐핑력이 너무 크면, 그것은 저 및 중간 주파수 영역, 즉 공진 주파수의 약 1.4배 이상에서 시트의 진동 분리 성능을 악화시킨다.
본 발명은 상설된 단점을 극복하기 위해 개발되었다. 따라서, 본 발명의 목적은 영구자석을 사용함으로써 포지티브, 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링을 구비하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 언급된 자기 스프링을 갖고 물리적인 댐핑 구조를 갖지 않는 안정된 비선형 진동 메카니즘 또는 계수 여기 진동 메카니즘을 구비함으로써 단순한 구조의 값싼 동적 특성 제어 시스템 또는 매우 효과적인 엔진을 실현한다.
본 발명은 복수의 영구자석을 갖는 자기 스프링 및 특히 복수의 영구자석의 척력을 사용함으로써 포지티브, 0- 또는 네가티브 댐핑(damping) 특성을 갖는 자기 스프링에 관한 것이다. 본 발명은 상기 자기 스프링을 가지나 물리적인 댐핑 구조를 갖지 않는 안정된 비선형 진동 메카니즘 또는 계수 여기 진동 메카니즘에 또한 관련한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 스프링의 개략적인 다이어그램이고, 특히 입력측 및 출력측상에서 2개의 영구자석의 균형된 위치의 도시도.
도 2는 도 1의 자기 스프링의 기본 특성의 그래프이고, 특히 2개의 영구자석 중 하나에 인가된 부하 및 균형된 위치로부터의 그 변위간의 관계의 도시도.
도 3은 측정된 부하 및 변위간의 관계를 도시하는 그래프.
도 4는 자기 전하가 영구자석의 단부 표면상에 일정하게 분배된다고 가정하는 전하 모델에서 입력 및 출력을 고려할 방법을 도시하는 개략적인 다이어그램이고, (a)는 인력을, (b)는 척력을, (c)는 (b)의 그것과 다른 위치에서의 척력을 도시하는 도시도.
도 5는 상호 이격된 영구자석을 서로 대향되는 동일한 자기 극으로써 도시하고 또한 영구자석들중 하나가 (대향하는 영역을 변화시키기 위해) 서로에 대해 이동되는 경우를 도시하는 개략적인 다이어그램.
도 6은 계산이 도 5를 토대로 해서 수행될 때 X축 방향에서의 이동량에 대한 X축 및 Z축 방향의 부하를 도시하는 그래프.
도 7은 도 5의 영구자석들간의 거리가 일정하게 유지되고, 자석들중 하나가 나머지에 대해 완전히 미끄러진 상태로부터 완전히 겹쳐진 것으로 및 다시 완전히 미끄러진 것으로 이동될 때 부하 및 변위간의 관계를 도시하는 그래프.
도 8은 상호 이격된 영구자석을 서로 대향되는 동일한 자기 극으로써 도시하고 또한 영구자석들중 하나가 (대향하는 영역을 변화시키기 위해) 서로에 대해 회전되는 경우를 도시하는 개략적인 다이어그램.
도 9는 자석들 중 하나가 도 8에 도시했듯이 회전될 때 대향하는 영역에 대한 최대 부하를 도시하는 그래프.
도 10은 네오디뮴을 주성분으로 한 자석이 사용될 때 자석들간의 거리 및 부하간의 관계를 도시하는 그래프.
도 11은 기하학적인 크기가 영구자석의 대향하는 영역을 변화시킴으로써 변화되는 제 1 자기 스프링 모델의 정면도.
도 12는 기하학적인 크기가 영구자석들간의 거리를 변화시킴으로써 변화되는 제 2 자기 스프링 모델의 정면도.
도 13은 기하학적인 크기가 레버-비(ratio)의 변환과 결합해서 변화되는 제 3 자기 스프링 모델의 정면도.
도 14는 기하학적인 크기가 극 변환에 의해 변화되는 제 4 자기 스프링 모델의 정면도.
도 15는 기하학적인 크기가 자기 회로 변환에 의해 변화되는 제 5 자기 스프링 모델의 정면도.
도 16은 자기 스프링의 특성을 설명하는 기본적인 모델 도시도.
도 17은 2개의 대향하는 자석들간의 거리 및 척력간의 관계를 도시하는 그래프.
도 18은 영역 변환없이 자기 스프링의 정적 및 동적 특성을 얻기 위해 사용된 장치의 정면도.
도 19는 도 18의 장치를 사용해서 얻어진 자기 스프링의 동적 특성을 도시하는 그래프이고, (a)는 50×50×10mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프이고, (b)는 50×50×15mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프이고, (c)는 50×50×20mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프이고, (d)는 75×75×15mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프이고, (e)는 75×75×20mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프이고, (f)는 75×75×25mm의 자석을 사용해서 얻어진 그래프도.
도 20은 부하가 사용되는 동일한 자석으로써 변화될 때 도 18의 장치를 사용해서 얻어진 자기 스프링의 동적 특성을 도시하는 그래프.
도 21은 비교예로서 사용된 종래의 자동차 시트의 동적 특성을 도시하는 그래프.
도 22는 본 발명의 자기 스프링 구조에서 스프링 상수의 변화 및 시간에 대한 계수의 변화를 도시하는 그래프.
도 23은 패드만이 사용될 때, 패드 및 자기 스프링이 사용될 때, 및 반-능동제어가 수행될 때 침대형 제진 유니트의 동적 특성을 도시하는 그래프.
도 24는 자기 스프링의 동적 특성을 측정하기 위해 사용된 자기 레비테이션(levitation) 유니트의 정면도.
도 25는 도 24의 자기 레비테이션(levitation) 유니트를 사용해서 측정된 레비테이션 유니트의 동적 특성을 도시하는 그래프.
도 26은 자기 레비테이션 유니트를 포함하는 각종의 시트를 사용해서 측정된 시트 안락성의 평가치를 도시하는 그래프.
도 27은 부하 및 쿠션 재료를 변화시킴으로써 측정된 시트 안락성의 평가치를 도시하는 그래프.
도 28은 자기 레비테이션 유니트를 포함하는 각종의 시트를 사용해서 측정된 동적 특성을 도시하는 그래프.
도 29는 스톱퍼 및 탄성지지 부재가 결합되는 자기 스프링 모델의 개략적인 다이어그램.
도 30은 미끄러지는 형태의 기본 모델의 입력/출력 일 특성을 도시하는 그래프.
도 31은 회전 형태의 기본 모델의 입력/출력의 측정된 값을 도시하는 그래프.
도 32는 회전 형태의 기본 모델의 입력/출력 일 특성을 도시하는 그래프.
도 33은 입력/출력 기본 모델의 포인트를 설명하는 개략적인 다이어그램.
도 34는 자석들간의 거리 및 척력 또는 전하 모델을 사용해서 얻어지는 자속 밀도간의 관계를 도시하는 그래프.
도 35는 영역 변환에 의해 얻어지는 회전형 기본 모델의 척력 및 변위간의 관계를 도시하는 그래프.
도 36은 미끄러지는 형태의 스프링 모델의 입력/출력 일 특성을 도시하는 그래프.
도 37은 금속 스프링 모델의 포인트를 설명하는 개략적인 다이어그램.
도 38은 회전형 기본 모델의 사시도.
도 39는 미끄러지는 형태의 기본 모델의 사시도.
도 40은 도 11의 자기 스프링 모델이 균형 체중으로써 구비될 때 및 앞의 것이 균형 체중을 구비하고 있지 않을 때 가속도 및 입력 또는 요구된 추력간의 관계를 도시하는 그래프.
도 41은 도 11 자기 스프링 모델이 균형 체중으로써 구비될 때 및 앞의 것이 균형 체중을 구비하고 있지 않을 때 진폭 및 주파수에 대한 가속도의 관계를 도시하는 그래프.
도 42는 금속 전도체내의 자기장 모델의 개략적인 다이어그램이고, (a)는 원주 자석 및 금속 전도체의 좌표를 도시하고, (b)는 원주 자석의 원형 원주 좌표를 도시하고, (c)는 금속 전도체내의 전류 밀도의 도시도.
도 43은 본 발명의 자기 스프링이 결합되는 서스펜션 시트용 제진장치의 도시도이고, (a)는 모든 제진장치의 정면도이고, (b)는 그 측면도이고, (c)는 제진장치(a)의 상부상에 매달려서 실장된 수평 제진 유니트의 사시도.
도 44는 전자기 유도에 의해 야기된 수평 댐핑 효과가 있을 때 또는 없을 때 진동 특성을 도시하는 그래프.
도 45는 극수를 달리하는 자기 스프링의 자석 배열의 개략적인 도시도이고, (a)는 단극 자기 스프링의 정면도이고, (b)는 2극 자기 스프링의 정면도이고, (c)는 3극 자기 스프링의 정면도이고, (d)는 4극 자기 스프링의 정면도이고, (e)는 (d)에서 화살표 방향으로 부터 본 상부 평면도.
도 46은 척력 및 자석들간의 거리간의 관계를 극수에 의해 도시하는 그래프.
도 47은 2극 또는 4극 자기 스프링이 결합되는 서스펜션 시트용 제진장치의 진동 특성을 도시하는 그래프.
도 48은 각종 스프링의 진동 특성을 도시하는 그래프이고, (a)는 금속 스프링의 진동 특성을 도시하고, (b)는 공기 스프링의 진동 특성을 도시하고, (c)는 자기 스프링의 진동 특성의 도시도.
도 49는 자기 스프링을 사용하는 서스펜션 유니트의 정적 특성을 도시하는 그래프.
도 50은 종래의 서스펜션 유니트의 진동 특성 및 자기 스프링을 사용하는 서스펜션 유니트의 그것을 도시하는 그래프.
도 51은 종래의 일반적인 서스펜션 시트의 진동 특성을 도시하는 그래프.
상기 및 다른 목적을 수행할 때, 본 발명에 따른 자기 스프링은 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖고, 서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석과, 거기에 위치된 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며, 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 입력 시간에서 및 출력 시간에서 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되고, 척력으로 변환되어 적어도 2개의 영구자석들의 균형된 위치로부터 척력이 출력 시간에서 보다 입력 시간에서 더 크게 만들어진다.
최대 척력이 적어도 2개의 영구자석의 최근접 위치 또는 그 최근접 위치를 통과하는 위치에서 발생될 수 있다.
기하학적인 크기가 적어도 2개의 영구자석들, 그 대향하는 영역, 자속 밀도 및 자기장간의 거리중 어느 하나를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
또한, 본 발명의 자기 스프링이 포지티브 댐핑 특성을 가질 수 있고 서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석과, 거기에 위치된 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비한다. 적어도 2개의 영구자석들의 기하학적인 크기가 입력 시간에서 및 출력 시간에서 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 댐핑 항을 인출함으로써, 비선형 댐핑 및 스프링 특성을 구비한다.
상설된 구조에서, 최대 척력이 적어도 2개의 영구자석의 최근접 위치에서 발생될 수 있다. 또한, 기하학적인 크기가 적어도 2개의 영구자석, 그 대향하는 영역, 자속 밀도 및 자기장간의 거리중 어느 하나를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
더구나, 본 발명에 따른 계수 여기 진동 메카니즘은 자석들간에 형성된 가변의 기하학적인 크기를 갖기 위해 서로 이격된 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과, 거기에 위치된 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비한다. 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 자기 스프링으로 하여금 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖게 하고 에너지를 계속적인 발진 또는 발산 진동으로 변환한다.
상설된 구조에서, 기하학적인 크기가 외력에 의해 변화되어 운동 메카니즘내의 스프링 상수 및 댐핑 계수를 변화시킨다. 또한, 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 진동 특성을 개선시키거나 여기 또는 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 감소시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 한다.
또한, 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 변위가 적을 때 네가티브 댐핑 및 변위가 증가할 때 포지티브 댐핑을 구비하여 네가티브 댐핑 및 포지티브 댐핑이 균형될 때 진동이 안정되게 된다.
본 발명에 따른 비선형 진동 메카니즘은 자석들간에 형성된 가변의 기하학적 인 크기를 갖기 위해 서로 이격된 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과, 거기에 위치된 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비한다. 적어도 2개의 영구자석들의 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 자기 스프링으로 하여금 운동 메카니즘내의 스프링 특성보다 더 큰 포지티브 댐핑 특성을 갖게 된다.
상설된 구조에서, 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 진동 특성을 개선시키거나 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 감소시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 한다.
본 발명의 다른 형태에 따른 비선형 진동 메카니즘은 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖기 위해 서로 이격된 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과, 거기에 위치된 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며, 거기에서 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 증가시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 하여 큰 가속도 또는 진폭이 적은 입력으로써 발생된다.
도면에서, 본 발명의 양호한 실시예가 이하에서 논의된다.
자기 스프링 구조가 서로 대향되는 동일한 자기 극을 갖는 적어도 2개의 이격된 영구자석으로 구성될 때, 2개의 이격된 영구자석은 서로 접촉하지 않게 된다. 그 구조에서 마찰 손실이 무시할 정도로 충분히 적다면, 그 정적 특성은 역전가능하고, 즉 출력(복귀)은 입력(진행)과 같은 선상에 있고 비선형이다. 또한, 네가티브 댐핑(damping)은 비-접촉쌍에 대한 고유한 자유도 및 유동 제어 시스템의 불안정성을 사용하는 적은 입력량으로써 정적 자기장(자석의 배열)을 변화시킴으로써 쉽게 발생될 수 있다.
본 발명은 상기 사실에 주의해야 개발되어 왔다. 입력(진행) 시간 및 출력(복귀)의 시간에, 2개의 영구자석간의 기하학적인 크기는 영구자석이 위치되는 운동 시스템 내부의 메카니즘에 의해 또는 외부력에 의해 변화된다. 기하학적인 크기변화는 운동 시스템에서 척력으로 변화되어 입력 시간에서 보다 출력 시간에서 더 큰 2개의 영구자석의 균형된 위치로부터 척력을 형성한다.
기본 원리는 다음에서 설명된다.
도 1은 입력측 및 출력측상에서 2개의 영구자석(2 및 4)의 균형된 위치를 개략적으로 도시하는 반면에 도 2는 2개의 영구자석중 하나에 인가된 부하 및 균형된 위치로부터의 그 변위간의 관계를 표시하는 자기 스프링 구조의 기본 특성을 도시한다.
도 1에 도시했듯이, 영구자석(4)의 균형된 위치가 영구자석(2)에 대해 입력 측상에 있고 자기 스프링의 스프링 상수가 각기 x0및 k1 일 때, 그리고 그 균형된 위치가 출력측상에 있고 스프링 상수가 각기 x1및 k2일 때, 영역 변환이 x0및 x1간에 수행되고, 다음의 관계가 각 균형된 위치에서 유지된다.
-k1/x0+ mg=0
-k2/x1+ mg=0
k2 k1
따라서, 정적 특성은 네가티브 댐핑 특성을 도 2에 도시했듯이 표시하고, 위치들(x0및 x1)간의 전위차가 발진용 전위 에너지에 대응한다고 생각할 수 있다.
도 1의 모델이 이루어지고 부하 및 변위간의 관계는 부하가 인가되는 시간동안 변화함으로써 측정된다. 결과적으로, 도 3에 도시된 그래프는 2개의 영구자석(2 및 4)이 그 최근접한 위치에 접근할 때 큰 척력이 발생되고, 균형된 위치로부터의 변위량이 약간 변화할 때 마찰 손실이 자기 스프링의 댐핑 효과에 의해 발생되어, 댐핑 항(term)을 만드는 것을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.
도 3에서, (a)는 일정한 부하가 인가될 때 얻어진 곡선이고, 부하를 인가하는 시간이 (a), (b) 및 (c)의 순서로 짧게 된다. 환언해서, 정적 특성은 부하가 인가되는 방법으로 변화하고, 부하가 인가되는 시간이 길어질수록, 임벌스가 커진다.
회토류(rare-earth) 자석에서, 자화 강도는 자기장에 의존하지 않는다. 특히, 내부 자기 모멘트가 자기장에 의해 쉽게 영향받지 않기 때문에, 소자(demagnetization) 곡선상에서 자화 강도는 결코 변화하지 않고, 그 값은 포화 자화의 그것과 같이 거의 일정하다. 따라서, 회토류 자석의 경우에, 힘은 자기 부하가 그 표면에서 일정하게 분배된다고 가정하는 전하 모델을 사용해서 계산될 수 있다.
도 4는 자석이 일련의 최소 유니트 자석으로서 형성되는 사고의 방법을 도시한다. 유니트 자석간에 동작하는 힘의 관계는 그것을 3개로 분류함으로써 계산된다. (a) 인력(유니트 자석이 r 및 m 모두에서 동일하고, 2개의 형태는 하나로 형성된다.)
f(1)= (m2/ r2) dx1dy1dx2dy2
fX (1)= f(1)cosθ
fZ (1)= f(1)sinθ
(b) 척력
fX (2)= f(2)cosθ
fZ (2)= f(2)sinθ
(c) 척력
fX (3)= f(3)cosθ
fZ (3)= f(3)sinθ
따라서,
-fX= 2fX (1)- fX (2)- fX (3)
-fZ= 2fZ (1)- fZ (2)- fZ (3)
이에 관해서, 쿨롱 법칙이 F=k(q1q2/r2), q=MS 으로 표현되고, r : 거리, q1, q2: 자기 저하, M(m) : 자화 강도, S : 영역이다.
힘이 자석 크기의 범위에 대해 상기(-fX) 및 (-fZ)를 집적함으로써 얻어질 수 있다.
계산은 다른 것에 대해 2개의 대향 자석중 하나를 그들이 완전히 겹치게 되는(이동 x=0mm의 길이) 상태로부터 그들중 하나가 완전히 벗어나는(이동 x=50mm의 길이) 상태로 이동함으로써 각 자기 간격에 대해 수행된다. 계산 결과는 도 6에 도시된다. 내부 자기 모멘트가 일정하게 되도록 형성되지만, 그것은 어느 정도 올바르게 되는데 왜냐하면 자기 간격이 적을 때, 무질서가 자석 주위에서 야기되기 때문이다.
계산의 상기 결과는 실제 측정의 결과와 일반적으로 일치한다. 도 2에서 포인트(a)를 포인트(b)로 이동하는 데 요구된 힘이 x-축 부하인 반면에, 출력이 z축 부하로 표현된다. 불안정성에 의해 야기된 입력출력의 관계는 정적으로 명백해진다.
도 7은 자석들간의 거리가 3mm이고, 자석들의 상태가 완전히 벗어난 상태로 부터 완전히 겹쳐진 상태로, 다시 완전히 벗어난 상태로 변화될 때 x축 부하 및 z축 부하간의 관계를 표시하는 그래프이다. 상기 그래프는 x축 부하의 절대값이 동일하나 출력 방향이 역으로 되는 것을 표시하는 특성 곡선이다. 자석들중 하나가 다른 것에 대해 이동되어 완전히 겹쳐진 상태로 접근하고, 앞의 것은 저항을 수납하여, 결과적으로 댐핑한다. 다른 한편으로, 자석중 하나가 완전히 겹쳐진 상태로 부터 완전히 벗어난 상태로 다른 것에 대해 이동되고, 앞의 것은 가속된다. 상기 특성은 비-접촉 댐퍼에서 사용될 수 있어 진동 에너지를 감소시키거나 인간이 감지할 수 있는 저, 중 및 고 주파수 영역(0~50Hz)에서 전달율을 개선시키나 종래의 댐퍼는 그것을 이룰 수 없었다.
대향하는 자석의 회전각이 도 8에서 도시하듯이 변화될 때, 도 9에 도시된 그래프는 얻어진다. 물론, 최대 부하는 대향하는 영역이 감소함에 따라 감소한다. 상기 그래프는 출력이 설정된 입력을 인가함으로써 수행될 수 있는 영역 변환을 통해 변화될 수 있다.
도 10은 네오디늄을 주성분으로 한 자석이 사용될 때 자석들간의 거리 및 부하간의 관계를 표시하는 그래프이다. 척력은 질량의 증가에 따라 증가한다. 척력 F은 다음의 식으로 설정된다.
FBr2× (기하학적인 크기)
Br : 자화 강도
기하학적인 크기는 대향하는 자석, 대향하는 영역, 자속 밀도, 자기장의 강도 등간의 거리에 의해 결정된 크기를 의미한다. 자석 재료가 같다면, 자화 강도(Br)가 일정하고, 그러므로 자석의 척력이 기하학적인 크기를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
도 11은 기하학적인 크기가 자석(2 및 4)의 대향 영역을 변화시킴으로써 변화되는 제1의 특정한 자기 스프링을 도시한다. 도 11에서, 서로 평행하고 있는 베이스(6) 및 상부판(8)은 2개의 링크(10a 및 10b)를 각기 갖는 2개의 X-링크(10)에 의해 연결된다. 링크(10a)의 한 단부 및 링크(10b)의 한 단부는 베이스(6) 및 상부판(8) 각각상에 추축으로 실장되는 반면에, 링크(10a)의 나머지 단부 및 링크(10b)의 나머지 단부는 상부판(8)상에서 미끄러지게 실장된 상부 슬라이더(slider)(12) 및 베이스(6)상에서 미끄러지게 실장된 하부 슬라이더(14)상에서 추축으로 실장된다.
베이스(6)는 그 위에 위치된 영구자석(2)을 갖는 자석 플래트폼(platform)(18)이 미끄러지게 실장되는 그위에 고정 실장된 선형 행정(way)을 갖는다. 베이스(6)는 제 1 아암(22a) 및 제 2 아암(22b)으로 구비된 L자형 레버(22)의 일반적인 중심부가 추축으로 실장되는 거기에 고정된 지지부(20)를 갖는다. 제 1 아암(22a)은 자석 플래트폼(18)상에 추축으로 실장된 한 단부를 갖는 반면에 제 2 아암(22b)은 그위에 실장된 균형 체중(24)을 갖는다.
상설된 구조에서, 소정의 입력이 베이스(6)를 상부판(8)으로 이동시키기 위해 베이스(6)로 인가될 때, 자석 플래트폼(18)은 균형 체중(24)의 관성력에 의해 선형 행정(16)을 따라 우측 방향으로 이동된다. 결과적으로, 2개의 영구자석(2 및 4)의 대향하는 영역이 점차로 증가하고, 최대 척력이 영구자석(2 및 4)의 최대 닫힘 위치 또는 그런 위치를 통과하는 위치에서 발생된다. 베이스(6)는 척력에 의해 하향으로 이동된다. 베이스(6)가 상부판(8)을 향해 및 상부판(8)으로부터 멀리 이동되고, 도 11의 자기 스프링은 도 3에 도시했듯이 네가티브 댐핑 특성을 보인다. 균형 체중(24)이 베이스(6)에 대해 위상이 약간 지연되기 때문에, 최대 척력을 발생시키는 위치가 입력에 따라 제 2 아암(22b)을 따라서 균형 체중(24)을 이동시킴으로써 조절될 수 있다. 또한, 타이밍 또는 대향하는 영역이 영구자석을 상부 슬라이더(12)로써 인터로킹(interlocking)함으로써 조절될 수 있다.
도 12는 베이스(6) 및 상부판(8) 각각상에 고정 실장된 2개의 영구자석(2 및 4)을 갖고, 또한 그들간의 간격(거리)을 변화시킴으로써 기하학적인 크기를 변화시키기 위해 사용된 2개의 추가적인 영구자석(26 및 28)을 갖는 다른 모델을 도시한다.
도 12에서 영구자석(28)은 영구자석(4)과 대조적으로 하향으로 그 S극으로써 상부판(8)에 고정되는 반면에 영구자석(26)이 영구자석(2)과 대조적으로 상향으로 그 S극으로써 로킹(rocking) 아암(30)의 한 단부에 고정된다. 로킹 아암(30)의 중심부는 지지부(20)상에 추축으로 실장되고, 균형 체중(24)은 영구자석(26)에 대향하는 측면상에서 로킹 아암(30)상에 실장된다.
상설된 구조에서, 2개의 영구자석(2 및 26)이 서로 대향된 그 대향하는 자기극으로써 베이스(6)상에서 실장되고, 자기 인력은 균형 스프링으로서 그들간에 동작한다. 소정의 입력이 베이스(6)에 인가되어 베이스(6)를 상부판(8)을 향해 이동시킬 때, 영구자석(26)이 영구자석(2)의 자기 인력에 대해 균형 체중(24)의 관성력에 의해 상향으로 이동된다. 결과적으로, 영구자석(26 및 28)간의 간격 또는 거리가 점차로 변화하고, 최대 척력이 그 최근접된 위치 또는 그런 위치를 통과하는 위치에서 발생된다. 베이스(6)가 척력에 의해 하향으로 이동된다. 베이스(6)가 상부판(8)을 향해 및 상부판(8)으로부터 멀리 이동되는 동안, 도 12의 자기 스프링이 도 3에 도시했듯이 네가티브 댐핑 특성을 보인다. 도 11의 모델의 경우에서처럼, 최대 척력을 발생시키는 위치가 입력에 따라 로킹 아암(30)을 따라서 균형 체중(24)을 이동시킴으로써 조절될 수 있다.
도 13은 2개의 대향하는 영구자석(2 및 4)이 로터리 레버를 사용함으로써 변화되는 부가적인 모델을 도시한다.
도 13에서, 영구자석(2)은 베이스(6)에 고정되는 반면에 영구자석(2)를 대향하는 영구자석(4)이 베이스(6)로부터 상향으로 되어 있는 프레임(32)상에서 미끄러지게 실장되는 마운트(34)에 고정된다. 링크(36)가 그 한 단부에서 마운트(34)에 및 그 나머지 단부에서 하부 슬라이더(14)의 한 측면에 고정된 제 1 지지부(38)에 추축으로 연결된다. 제 2 지지부(40)는 하부 슬라이더(14)의 나머지 측면에 고정되고, 레버(42)는 그 한 단부에서 제 2 지지부(40)에 추축으로 연결되고 그 나머지 단부상에 실장된 핀(44)을 갖는다. 핀(44)은 링크(36)의 중간부에 형성된 기다란 개구(36a)로 느슨하게 삽입되고 또한 상부판(8)상에 추축으로 실장된 아암(46)의 하부단부상에 실장된다.
상설된 구조에서, 소정의 입력이 베이스(6)에 인가되어 베이스(6)를 상부판(8)을 향해 이동시킬 때, 레버(42)는 화살표로 도시된 방향으로 회전되고, 그럼으로써 2개의 영구자석(2 및 4)으로 하여금 가까이 오게 한다. 영구자석(2 및 4)의 동일한 자기 극이 서로 대향되기 때문에, 레버(42)의 회전이 척력을 점차로 증가시킨다. 영구자석(2 및 4) 그 최근접 위치를 통과한 후, 영구자석(2 및 4)이 척력에 의해 서로 멀리 이동된다. 베이스(6)가 상부판(8)을 향해 및 상부판(8)으로부터 멀리 이동되는 동안, 레버 비(ratio)는 점차로 변화하고 도 13의 자기 스프링이 도 3에 도시했듯이 네가티브 댐핑 특성을 보인다.
도 14는 기하학적인 크기가 영구자석의 극 변환을 사용함으로써 변화되는 자기 스프링을 도시한다.
도 14에서, 영구자석(2)은 베이스(6)상에서 회전가능하게 실장되고 거기에 고정된 적은 직경 풀리(pulley)(48)를 갖는다. 상기 풀리(48)는 벨트(52)를 경유해 베이스(6)상에 회전되게 실장된 큰 직경 풀리(50)에 연결된다. 풀리(50)는 그 중심에서 링크(54)의 한 단부에 연결되고, 그것의 나머지 단부는 균형 체중(24)이 실장되는 레버(56)에 연결된다. 균형 체중(24)의 하부 단부의 위치는 브래킷(bracket)을 경유해서 상부판(8)상에 실장된 스프링 부재(60)에 의해 억제된다.
상설된 구조에서, 소정의 입력이 베이스(6)에 인가되어 베이스(6)를 상부판(8)을 향해 이동할 때, 큰 직경 풀리(50)가 균형 체중(24)의 관성력에 의해 화살표 방향으로 회전되고, 그러므로 벨트(52)와 함께 영구자석(2)이 같은 방향으로 회전된다. 결과적으로, 영구자석(2)의 S극이 상부판(8)에 고정된 영구자석(4)의 N극에 의해 끌어당겨진다. 그러나, 균형 체중(24)이 소정의 위상 지연으로 될 때, 영구자석(2)은 화살표에 대향한 방향으로 회전되고 그 N극은 영구자석(4)의 그것에 대향된다. 같은 자기 극의 대향은 번갈아서 상부판(8)으로부터 멀리 하향으로 베이스(6)를 이동시키는 척력을 발생시킨다. 베이스(6)가 상하로 이동되는 동안, 도 14의 자기 스프링이 도 3에 도시했듯이 네가티브 댐핑 특성을 보인다.
도 15는 기하학적인 크기가 영구자석의 자속 밀도를 변화시킴으로써 변화되는 자기 스프링을 도시한다.
도 15에서, 복수의 차폐판(66)은 그 양 단부에서 베이스(6)에 고정된 제 1 지지부 판(62) 및 제 1 지지부 판(62)으로부터의 설정된 거리로 이격되고 거기에 평행해 있는 제 2 지지부 판(64)에 추축으로 연결된다. L자형 레버(70)는 아암(68)을 경유해서 그 중간부에서 제 2 지지부 판(64)의 한 단부에 추축으로 연결된다. L자형 레버(70)는 베이스(6)에 고정된 지지부(72)에 추축으로 연결된 한 단부 및 균형 체중(24)이 실장되는 나머지 단부를 갖는다.
상설된 구조에서, 소정의 입력이 베이스(6)에 인가되어 베이스(6)를 상부판(8)을 향해 이동할 때, 제 2 지지부 판(64)은 균형 체중(24)의 관성력에 의해 화살표 방향으로 이동되고, 그럼으로써 차폐판(66)으로 하여금 위로부터 어느 정도까지 영구자석(2)을 차폐시킨다. 결과적으로, 베이스(6)상에 실장된 영구자석(4)에 대한 그 척력은 감소된다.
균형 체중(24)이 소정의 위상 지연을 하게 될 때, 제 2 지지부 판(64)은 화살표에 대향한 방향으로 이동되어 영구자석(2)의 상부 표면을 개방한다. 따라서, 영구자석(2 및 4)의 척력은 증가되고, 베이스(6)가 상부판(8)으로부터 멀리 하향으로 이동된다. 베이스(6)가 상하로 이동되는 동안, 도 15의 자기 스프링이 도 3에 도시했듯이 네가티브 댐핑 특성을 보인다.
상기에서 언급된 자기 스프링의 동적 특성은 도 16에 도시된 단순 기본적인 모델의 특성 식을 사용해서 이하에서 설명된다.
도 16에서, 입력(F)은 예를 들어 영구자석의 영역 변환 등의 기하학적인 크기 변화에 의해 발생된 힘이다.
도 17은 50×25mm2의 대향 영역 및 10mm의 두께를 갖는 2개의 영구자석이 서로 물리치기 위해 대향될 때 대향하는 자석 표면의 거리(x) 및 척력(f)간의 관계를 표시한다. 실선은 Levenberg-Marquardt 알고리즘의 사용에 의해 얻어진 복귀(regression) 분석의 결과를 표시하고, f = 66/x 의 관계와 양호하게 일치한다. 환언해서, 자석들간에 동작하는 척력은 k/x에 의해 설정된다.
그것을 고려해서, 자기 스프링의 특성은 함수로서 이루어지고, 동작의 식은 공식화된다. 자석들간에 동작하는 척력이 k/x에 의해 설정되기 때문에, 상기 설명했듯이, 특성 식은 다음의 식으로 설정된다.
도 16에서, 상부 영구자석(4) 및 그 자석(4)에 인가된 부하의 질량을 vh함하는 총 질량, 스프링 상수, 댐핑 계수 및 질량에 입력된 고조파 여기는 m, k, r 및 F(t) 각각으로 표현된다.
균형된 위치가 x0로 표현되고 그 균형된 위치로부터의 변위는 y로 표현되고,
k/x0 2=k' 이면,
고조파 여기 F(t)=Feiωt, y=Xeiωt 이면,
여기서 Φ는 위상각을 표현한다.
따라서, 고유 주파수(공진 주파수)(ω0)가 다음식에 의해 설정된다.
유 주파수 및 스프링 상수간의 관계는 금속 스프링의 역이다. 환언해서, 비선형 때문에, 최적의 부하-변위 특성의 곡률이 자기회로 및 동작점의 세팅 위치를 조절함으로써 계산될 수 있다면, 공진점을 일정하게 유지하는 것이 가능하다.
식(2)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
y를 x로 놓고 3차수의 항까지를 갖는 식이 고려될 때,
식 (3)이 2차수의 항에서 -bx2의 맵핑을 갖는다.
x=x0cosωt일 때,
적은 진폭을 갖는 진동 영역에서, 일정한 척력((b/2)x0 2)이 주기적인 외력에 계속해서 인가되어 그것을 감쇠시킨다. 그것은 영구자석의 동작 궤적을 조절함으로써 댐핑 효과가 댐퍼 메카니즘을 실장하지 않고 사용가능하다.
상기를 비추어 볼 때, 자석만의 동적 특성이 도 18의 장치를 사용해서 고찰될 때, 도 19 및 20에 도시된 결과는 얻어진다.
도 18의 장치는 2개의 대향하는 영구자석(2 및 4)을 갖고, 그 거리는 어떤 영역 변환없이 X링크(10)를 경유해서 변화된다.
도 19 및 20에서, 횡좌표 축은 주파수(Hz)를 나타내는 반면에 종좌표 축은 진동 전달율(G/G)을 표시한다. 도 19(a), (b), (c), (d), (e), 및 (f)는 30kg의 같은 부하가 50×50×10mm, 50×50×15mm, 50×50×20mm, 75×75×15mm, 75×75×20mm, 및 75×75×25mm 각각의 자석을 사용해서 인가될 때 얻어진 그래프이다. 다른 한편으로, 도 20에서, 53kg 및 80kg 의 다른 부하는 50×50×20mm의 같은 자석을 사용해서 인가된다.
도 19 및 20은 자기 스프링의 비선형 특성을 표시하고 부하가 동일할 때, 자석의 대향하는 영역이 증가함에 따라, 자석들간의 거리가 증가하고, 공진점이 저주파수 영역으로 시프트되고, 진동 전달율이 적어짐을 나타낸다. 환언해서, 자기 스프링은 금속 스프링 또는 공기 스프링에 대향하는 행정으로 작동한다. 다른 한편으로, 자석 크기가 같을 때, 부하가 변화할지라도, 공진점은 변화하지 않는다. 부하가 증가될 때, 진동 전달율이 감소된다. 짧게 말해서, 공진점에서의 진동 전달율이 부하의 크기에 의존한다.
상기로부터, 부하 변위 곡선의 최적 곡률을 사용함으로써, 공진 주파수를 일정하게 유지하고, 부하된 질량이 변화할지라도 저 진동 전달율이 저 주파수 영역에서만 사용가능할지라도 저 진동 전달율을 적게 되는 것이 가능하다. 그것들은 식 (4), (5), 및 (6)에 포함되는 부하된 질량 m 및 스프링 상수 k에 의한 댐핑 효과이다.
도 21은 종래의 자동차 시트의 동적 특성을 표시하는 비교예로서 사용된 그래프이고 진동 전달율이 전체적으로 높고, 공진점 및 진동 전달율 모두는 부하 변화에 따라 변한다.
식 (1)에서, 대향하는 영구자석간의 기하학적인 크기가 내부 운동 메카니즘(척력 시스템내의 영구자석을 이동시키는 메카니즘)에 의해 또는 외력에 의해 변화될 때, 스프링 상수(k)가 도 22에 도시했듯이 시간에 따라 변하는 사각파(k(t))이고 T=2π/ω의 주기의 절반에서 +k' 또는 -k'의 값을 대안적으로 취한다. 따라서, 식 (1)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
(i) 0 t π/ω 일 때,
(ii) π/ω ≤ t 2π/ω일 때,
0 t π/ω이고 균형된 위치가 x0로 표현되고 그 균형된 위치로부터의 편향이 y1으로 표현될 때,
(n-k')/x0 2=k'1일 때,
고조파 여기 F(t)=Feiωt및 y1=xeiωt일 때,
여기서, Φ는 위상각을 나타낸다.
따라서, 공진 주파수는 다음 식에 의해 설정된다.
비슷하게, π/ω≤t2π/ω일 때,
그러므로, y1y2일 때, 그것은 발산한다.
일반적으로, 자체 여기된 진동시스템이 네가티브 댐핑 특성으로써 대치될 수 있고, 진동 에너지는 진동동안 외측으로부터 그곳으로 도입된다. 그러나, 공기 저항 또는 여러 저항이 질량점상에서 동작하기 때문에 실제 진동은 에너지를 잃는다.
그러나, 진동 에너지가 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링으로 외력으로서 도입된다면, 그것은 상설했듯이 y1y2의 경우에서 발산한다. 그것이 발산을 계속하면, 진폭은 점차로 증가되어 시스템을 파괴한다. 그렇치 않으면, 포지티브 댐핑이 변위로써 증가하는 댐핑 항을 상기 특성 식에 더함으로써 시스템상에서 동작하도록 된다. 상기 경우에, 포지티브 댐핑이 네가티브 댐핑으로써 균형되게 될 때, 안정 상태 진동이 시스템에서 발생한다. 환언해서, 스프링 계수(k(t))를 갖는 경우처럼, 댐핑 계수는 변수이고, 그러므로, 식 (1)이 다음과 같이 재기록될 수 있다.
본 발명의 자기 스프링을 갖는 진동시스템은 계속적인 진동을 유도하거나 진동을 발산하는 에너지 변환 시스템을 포함한다. 포지티브 댐핑 항을 상기 특성 식에 더하는 것은 결과적으로 다음 식과 같이 표현된다.
상기 특성 식에서, r2≠0일 때, 좌측의 3개항이 x에 따라 커지고 스프링 항은 포지티브 댐핑 항으로서 동작한다. 따라서, 영구자석에 의해, 적은 변위가 네가티브 댐핑을 야기하는 반면에, 변위의 증가는 포지티브 댐핑을 결과적으로 발생되게 하고, 진동은 포지티브 댐핑 및 네가티브 댐핑이 균형되게 되는 진폭에서 안정되게 된다.
진동시스템에서 질량, 댐핑 계수, 및 스프링 상수중 적어도 하나의 크기가 시간에 따라 변화하는 경우에, 그것에 의해 야기된 진동은 계수 여기 진동으로 언급된다. 각 식 (7), (8), 및 (9)는 여기 소스 자체가 진동하는 계수 여기 진동을 표시하고 시스템내의 비-진동 에너지를 진동 여기로 변환함으로써 진동을 발생시킨다.
공급 에너지가 동적 에너지중 일부로부터 일반적으로 변환되기 때문에, 동적 에너지가 상한을 가질 때, 공급 에너지가 제한되고, 상기 에너지가 소모되는 에너지와 같게 될 때 진폭이 억제된다. 영구자석에 의한 전위 에너지는 시스템내의 동적 에너지와 무관하고, 그것 및 소모되는 에너지간의 차이가 커진다. 영구자석의 단위 질량당 최대 에너지 생산량이 증가하면, 상기 언급된 차이는 상당히 커진다. 그것 때문에, 진동 에너지가 1사이클로 이루어짐으로써 증가될 수 있다. 네가티브 댐핑에 의해 생산된 공급 에너지는 댐핑에 의해 소모된 에너지보다 크다.
상설했듯이, 식 (1)에서 댐핑 계수(r) 및 스프링 상수(계수)(k)를 자유롭게 제어하는 것이 가능하다. 도 1의 개략적인 다이어그램에서, 예를 들어, 영구자석(4)이 그 하부 단부에 위치될 때 진폭이 영구자석(2 및 4)의 대향하는 영역을 최대화함으로써 감쇠될 수 있다. 상기 특성은 자기 브레이크(brake)에 적용될 수 있다. 다른 한편으로, 영구자석(4)이 그 하부 단부로부터 및 그 상부 단부를 향해 이동될 때 척력은 대향하는 영역을 최대화함으로써 증가될 수 있다. 상기 특성은 발전기, 증폭기 등에 적용될 수 있다.
또한, 상기 특성 식의 해답으로부터 알 수 있듯이, 고유 주파수가 부하 변화에 따라 변화할지라도 본 발명에 따른 계수 여기 진동시스템은 여기 주파수를 이동시킴으로써 진폭 변화를 감소시킬 수 있다. 환언해서, 공진 주파수는 여기 주파수 변수를 만들고 공진 주파수로 하여금 그것을 수동 또는 자동으로 따르게 함으로써 감소될 수 있다. 자동차 시트용 제진장치에 상기 특성을 인가함으로써, 진동 분리특성을 증대시키고 그 개별적인 성능을 개선시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 공진점을 4Hz 이하의 주파수로 낮추는 것이 가능하다. 또한, 저 주파수 영역에서 진동은 네가티브 댐핑을 사용함으로써 개선될 수 있는 반면에 체중의 차이는 영구자석의 비선형 특성을 특성화시킴으로써 흡수될 수 있다.
여럿의 진동 실험은 서로 결합된 우레탄 및 섬유를 갖는 패드와 본 발명의 자기 스프링 구조를 사용하는 침대형 제진 유니트를 사용해서 전달된다.
도 23에서 도시된 그래프로부터 볼 수 있듯이, 패드와 함께 본 발명의 자기 스프링 구조를 사용하는 제진장치는 그것이 패드만을 사용하는 제진장치의 공진 주파수의 반보다 적은 3Hz로 공진 주파수를 낮출 수 있다는 사실 때문에 극히 효과적인 것으로 인식된다. 또한, 공진점에서 진동 전달율이 제진장치를 능동적으로 제어함으로써 약 1/3로 감소될 수 있었다.
도 24는 자기 레비테이션(levitation) 유니트를 도시한다. 그 동적 특성의 고찰시, 도 25에 도시된 결과가 얻어질 수 있었다.
도 24의 자기 레비테이션 유니트는, 베이스(74)와, 복수의 매달릴 수 있는 레버(76)를 경유해서 베이스(74)상에서 매달릴 수 있게 실장된 시트(78)와, 서로 설정된 거리로 이격되고 베이스(74)의 상부 표면상에 고정 실장된 2개의 영구자석(80 및 82)과, 시트(78)의 하부 표면상에 고정 실장된 영구자석(84)을 구비하여 같은 자기 극이 영구자석(80 및 82)에 대해 서로 대향된다. 각 영구자석은 75×75×25m2의 크기를 갖는다.
도 25는 53kg, 75kg, 및 80kg의 다른 부하가 상기 자기 레비테이션 유니트에 인가될 때 얻어진 그래프이다. 본원에서 도시했듯이, 부하 변화에 의해 야기된 진동 전달력의 차이가 제한되어 적게 될 뿐만 아니라 공진점은 실제로 일정하게 만들어질 수 있었다.
또한, 시트 안락성이 본 발명의 자동차 시트, 서스펜션 시트A, 서스펜션B, 및 자기 레비테이션 유니트를 사용해서 고찰된다. 그 결과는 도 26에 도시된다. 자기 레비테이션 유니트에 인가된 부하는 53kg이고, 75×75×25mm의 영구자석이 사용된다. 도면에서, 고정된은 시트가 서스펜션상에 단지 고정되는 상태를 표시하고, 우레탄, 겔, 또는 스틸렌이 유니트상에 위치된 쿠션의 재료이다.
SAE paper 820309에서 형성되고 다음의 식에 의해 설정된 승차수(R)는 시트 안락성을 평가하기 위해 사용된다.
R=K/(A·B·fn)
여기서 변수 A, B 및 fn는 시트의 전달 함수(T.F.)로부터 얻어질 수 있고, 다음의 값 각각을 표시한다.
A : T.F.의 최대값
B : 10Hz에서 T.F.의 값
fn : 공진 주파수 도는 A가 나타나는 주파수
K : 완전히 다른 시트를 나타내는 시트 안락성의 계수(각종의 시트가 사용되기 때문에 K값은 1로 세트된다.)
ISO 안락성 평가는 적은 수가 양호하게 되는 것을 표시하는 반면에, 승차수(R)는 큰 수가 양호하게 되는 것을 행한다.
도 26으로부터 볼 수 있듯이, 그것의 시트의 시트 안락성이 평가되고, 자동차 시트에서 얻어진 값이 0.2~0.3(모든 우레탄 시트) 및 0.3~0.5(금속 스프링 시트)이고, 체중 조절이 전달되는 서스펜션 시트에서 얻어진 그것들은 0.5~0.7이다. 다른 한편으로, 본 발명의 자기 레비테이션 유니트의 시트 안락성이 나머지 시트의 그것보다 양호하고, 그 시트 안락성의 평가값이 53kg의 부하에 대해 0.75~1.60이다.
도 27은 인가된 부하가 변화할 때 자기 레비테이션 유니트의 시트 안락성의 평가값을 표시한다. 상기 도면에서 볼 수 있듯이, 0.7 이상의 시트 안락성의 평가치는 어떤 부하에 대해서 얻어질 수 있었고, 그 사실은 본 발명의 자기 레비테이션 유니트가 시트 안락성에서 우수하다는 것을 의미한다.
도 28은 본 발명의 자동차 시트, 서스펜션 시트A, 서스펜션B, 및 자기 레비테이션 유니트의 동적 특성을 도시한다. 상기 도면에서, (a)는 자동차 시트를 표시하고, (b) 및 (c)는 53kg 및 75kg의 부하가 각기 인가되는 서스펜션 시트 A를, (d) 및 (e)는 45kg 및 75kg의 부하가 각기 인가되는 서스펜션 시트 B를, (f) 및 (g)는 45kg 및 75kg의 부하가 각기 인가되는 서스펜션 시트 B를, (f) 및 (g)는 다른 쿠션 재료를 갖는 본 발명의 자기 레비테이션 유니트를, 그리고 (h)는 능동 제어되는 본 발명의 자기 레비테이션 유니트를 표시한다.
도 28로부터 볼 수 있듯이, 자기 레비테이션 유니트의 공진점이 2~3Hz간에 있고 저 및 고 주파수 영역에서의 진동 전달율이 적다. 또한 그 반-능동 제어는 공진점을 더 낮출 수 있을 뿐 아니라 넓은 주파수 영역에서 진동 전달율을 감소시킬 수 있었다.
충돌 진동이 본 발명의 비선형 진동시스템 또는 계수여기 진동시스템에서 사용될 수 있다.
마찰뿐만 아니라 충돌은 기계적인 시스템에서 일반적인 비선형 현상이고 물체(object)의 변형 저항을 예로 하는 무엇인가 갑자기 방해하는 작동을 야기한다. 따라서, 충돌을 야기하는 물체가 빠르게 감속되고, 결과적으로 매우 큰 가속도가 발생한다. 자기 스프링은 동일한(의사-)형상을 충돌로서 또한 야기한다.
소정의 운동 에너지를 갖는 물체가 무엇인가에 대해 충돌할 때, 접촉 영역이 변형되어 운동 에너지는 플라스틱 변형하는 일, 접촉 표면에 의해 마찰하는 일, 물체의 내측으로의 파 작동 또는 외측으로의 음향 에너지로서 방출된다. 운동 에너지의 나머지는 교대로 운동 에너지로 변환되는 탄성 에너지로 변환된다. 상설했듯이, 자기 스프링이 비-접촉에 의해 특징지어지기 때문에, 큰 손실이 야기되지 않는다. 정적 특성에서, 출력은 입력과 같은 라인상에 있고 비선향이고, 네가티브 댐핑이 야기된다.
예에 의해, 자기 레비테이션 유니트가 엔드(end)-정지 충격을 야기하지 않으면, 그것은 가속되고 +α의 척력에 의해 자체 여기되고, 진동이 비-접촉 때문에 저-댐핑하는 것이지만, 인간에서 악영향을 갖지 않는 진동 특성을 보인다. 금속 스프링이 자기 레비테이션 유니트로 결합되면 및 가속도가 댐핑을 초과하면, 그것은 하드(hard) 스프링에 의해 완전한 탄성 충돌을 유도하고 자체-여기로 하여금 제 2 공진을 방지하게 한다. 잃어버린 에너지량은 자기장에서 전위 에너지의 변환에 의해 보상될 수 있다.
일반적인 진동 분리용 기본적인 원리로서, 질량 효과, 진동 분리, 진동 댐핑, 진동 간섭, 및 전달 방향을 고려하는 것이 필요하다. 탄성 지지부가 피칭(pitching) 또는 롤링(rolling)을 야기하기 때문에, 진동 방지 토대는 무겁고 크게 만들어져야 하고, 지지부 스팬은 길게 만들어져야 한다. 댐핑이 점착성 댐퍼 및 마찰 댐퍼 모두를 사용함으로써 야기될 때, 그런 댐퍼는 다음 충격이 발생되기 때문에 충격에 의해 발생된 빠르게 분산하는 에너지에 의해 변위를 감쇠할 수 있다.
또한 마찰 댐핑을 억제하기 위해, 엔드-정지 충격을 야기하는 스톱퍼의 탄성 지지부는 진동 분리 및 에너지 변환용으로 사용될 수 있어서, 자기 스프링의 척력의 부족을 보상한다.
도 29는 탄성 지지부 부재의 스프링 상수 k는 설정된 가속도 또는 진폭을 흡수할 수 있고 가변할 수 있는 탄성적으로 지지된 스톱퍼를 갖는 모델이다. 공진점은 스프링 상수 k를 알맞게 조절함으로써 조절될 수 있다.
상기 구조에서, 설정값 이하의 가속도 또는 진폭이 스톱퍼에 인가될 때, 탄성 지지부 부재의 탄성 변형이 마찰 댐핑을 억제할 수 있고 스톱퍼에 대한 엔드-정지 충격이 자기 스프링의 척력의 부족함을 보상할 수 있고 진동 분리 능력을 증대할 수 있다.
도 30은 50×25mm2의 대향하는 영역 및 10mm의 두께를 갖는 자석으로 구비된 미끄러지는 형태의 기본 모델의 입력 및 출력의 실험치를 도시하고, 거기에서 마찰손실이 가능한한 적게 감소된다. 부하된 질량이 3.135kg이다.
동일한 방법으로, 80%의 영역 변환율(대향하는 영역 : 250 → 1250mm2)을 갖는 미끄러지는 형태가 50%의 영역 변환율(625 → 1250mm2)을 갖는 회전형태로 변화되는 경우에, 영역 변환이 비선형적으로 이루어지고 설명된다.
도 31은 50×25mm2의 대향하는 영역 및 10mm의 두께를 갖는 자석으로 구비된 회전형태의 기본 모델의 입력 및 출력의 실험치를 도시하고, 거기에서 영역변환이 회전 중심으로서 하나의 자석의 중력 중심으로써 이루어진다. 도 32는 일의 견지에서 같은 회전형의 기본 모델의 입력 및 출력의 실험치를 도시한다.
영구자석을 사용한 에너지 인출에서, 에너지는 (명백한 출력/입력)의 차이를 증가시킴으로써 명백하게 발생된다. 도 33은 입력 및 출력의 기본 모델의 포인트를 도시하고, 가속도를 사용하고 더 큰 에너지를 명백하게 발생하는 것이 가능하다.
가상 일의 원리가 자석들간에 동작하는 척력이 인가되고, 자석의 이동에 의해 야기되는 가속된 자기 에너지의 진동량이 자석의 이동에 의해 야기된 일량과 같다. 자기 에너지를 인출하는 방법은 전력-리더블링(redoubling) 액추에이터의 포인트로 된다.
상기 내용은 무한대의 포인트에 있는 영구자석을 세트하기 위해 일이 필요하다는 것을 의미한다. 일단 자석이 세트될 때, 자석을 세팅하는 데 사용된 일, 즉 저장된 자기 에너지를 방출하고, 그것을 출력으로서 사용하고, 예를 들어 척력 시스템의 영구자석의 대향하는 영역의 변환을 트리거로서 사용하는 것에 의해 증폭기와 같은 힘을 증폭하는 것이 가능하다.
상기 증폭기는 전기 에너지의 입력에 의해 증폭하는 트랜지스터와 같은 효과를 부여할 수 있고, 그것이 그 저장된 자기 에너지를 그 연속 사용을 위해 기계적인 에너지로 효과적으로 변환한다. 즉, 그것은 더 큰 출력(즉, 일)을 적은 입력으로써 명백히 발생시킨다.
일 W은 다음과 같이 설정된다.
W = Wg(h) + Wm(h) = mgh + Wm(h)
따라서, 에너지 변화량이 다음과 같이 설정된다.
△W = mg·△ht△Wm(h)
mg·△h ≫ △W
mg·△h - △W = -△Wm(h) 0
△Wm(h)는 축적된 자기 에너지의 감소량을 표시한다.
회전형 모델의 경우에
-△Wm(h) ≒ △W
mg·△h ≒ 2△W
자석들간의 거리가 짧고 자속 밀도가 일정하다고 가정하고, 축적된 자기 에너지가 다음과 같이 표현된다.
Wm(h) = 1/2BHV = B2Sh/(2μ0)
여기서 B : 공기 갭의 자기장,
V : 공기 갭의 크기,
h : 공기 갭의 거리, 및
S : 자석의 횡단면 영역.
자석이 △h에 의해 이동할 때 축전된 자기 에너지의 변화량이 다음과 같이 표현될 수 있다.
△Wm(h)=B2S△h/(2μ0)
자석의 척력이 F에 의해 표현될 때, 이동에 의해 야기될 일량이 F△h로 표현될 수 있고,
△Wm(h) = F△h
그러면, 척력 F는 다음과 같이 표현될 수 있다.
F = B2S/(2μ0)[N]
Br = 1.0T의 전하 모델을 사용하는 계산으로부터, 100×100mm2의 대향하는 영역 및 10mm의 두께는 도 34에서 얻어질 수 있다.
도 35는 50×25mm2의 대향하는 영역 및 10mm의 두께를 갖는 자석이 사용되는 척력의 변화를 표시한다.
비슷하게, 금속 스프링이 설명된다.
도 36은 mg=10N, k=1N/mm, 및 L=200mm으로 세팅할 때 0의 마찰을 갖고 기계적인 변위를 갖지 않는 이상적인 상태에서 계산된 값을 도시한다.
정적으로, 금속 스프링, 공기 스프링, 및 자기 스프링은 동일한 경향을 도시한다. 그러나, 자기적으로 유동하는 쌍이 현재의 기계적인 쌍보다 낮은 레벨쌍으로 된다. 더구나, 가속성의 비선형성 및 이윤율을 고려해서, 효율을 포함하는 큰 차이가 상승한다. 도 38은 회전형의 기본 모델은 예시하는 반면에, 도 39는 미끄러지는 형태의 기본 모델을 행한다.
도 38의 회전형 기본 모델에서, 낮은 영구자석(2)은 베이스(90)상에서 회전가능하게 실장되는 반면에, 영구자석(4)은 슬라이더(92)상에서 수직으로 미끄러지게 실장된다. 따라서, 2개의 대향하는 영구자석(2 및 4)은 그들간의 거리 또는 그 대향하는 영역을 변화시킴으로써 도 35에 도시했듯이 부하-변위 특성을 보인다.
다른 한편으로, 도 39의 미끄러지는 형태의 기본 모델에서, 낮은 영구자석(2)은 베이스(90)상에서 수평으로 미끄러지게 실장되는 반면에, 영구자석(4)은 슬라이더(92)상에서 수직으로 미끄러지게 실장된다. 따라서, 2개의 대향하는 영구자석(2 및 4)은 그들간의 거리 또는 그 대향하는 영역을 변화시킴으로써 도 36에 도시했듯이 입력-출력 일 특성을 보인다.
여자기 또는 구동기로서 도 11의 자기 스프링 모델의 특성을 고찰할 때, 도40 및 41에 도시했듯이 결과는 얻어질 수 있었다.
특히, 도 11의 자기 스프링 모델에서, 점선으로 표시된 추력(thrust)은 자석 플래트폼(18), L자형 레버(22), 및 균형 체중(24)이 제거되는 상태하에서 도 40에 도시된 가속도를 얻도록 요구된다. 다른 한편으로, 자석 플래트폼(18), L자형 레버(22), 및 균형 체중(24)이 조절된 균형 체중(24)의 위치와 결부되는 도 11의 자기 스프링 모델에서, 상기 가속도는 실선에 의해 도시된 입력에 의해 얻어질 수 있었고, 큰 가속도(0.9~1.0G)는 5.5Hz의 주파수에서 최소 입력에 의해 발생될 수 있었다. 또한, 진폭은 도 41에 도시했듯이 상당히 진폭될 수 있었다.
환언해서, 큰 가속도 및 진폭이 척력 시스템의 영구자석의 대향하는 영역 등으로써 얻어질 수 있어서 자기 스프링의 공진 주파수를 사용한다. 도 11의 자기 스프링 모델에서, 갭의 량 및 대향하는 영역이 가변적이다. 예를 들어, 갭의 양 변화가 균형 체중(24)에 의해 야기된 2개의 영구자석(2 및 4)의 대향하는 영역에서 알맞은 변화에 의해 추종된다면, 자기 스프링이 임의의 공진점에서 알맞은 스프링 상수를 가질 수 있다.
댐핑 특성을 부여하기 위해, 전자기 유도에 의해 발생된 자기력의 적용이 고려된다. 금속 전도체내의 자기장이 도 42를 참고로 우선 설명된다. 도 42에서, (a)는 원주형 자석 및 금속 전도체의 좌표를 표시하고, (b)는 원주형 자석의 원형 좌표를, 및 (c)는 금속 전도체내의 전류 밀도를 표시한다.
도 42(a)에 도시했듯이, (a)의 반경 및 M의 자화를 갖는 원주형 자석의 하부 표면상에서 임의점(x, y)에 의해 전도체내의 임의점(ξ, 0, z)에서 이루어진 자기장(dHL)이 다음과 같이 표현된다.
여기서, ds는 점(x, y)을 포함하는 극히 적은 영역이다.
z성분이 다음과 같이 표현된다.
도 42(b)에 도시했듯이 원형 원통좌표가 사용될 때, x=r·cos(φ)ds=rdφdr 이고, 그러므로,
자석두께가 h로 표현될 때, 상부표면에 만들어진 자기장 Hz u는 다음과 같이 설정된다.
그런후, 전도체내의 (ξ, 0, z)에서 자기장의 수직성분 Hz(ξ, 0, z)이 다음과 같이 설정될 수 있다.
Hz(ξ, 0, z)=Hz L(ξ, 0, z)+Hz u(ξ, 0, z)
2차로, 전도체내의 유도된 전류가 설명된다. 자석들이 서로 접근할 때, 하향(즉, z에 대한 방향) 자속이 증가하고, 기전력(e)은 증가하여 그것을 방지한다.
여기서 Φ(R, z)는 전도체의 반경 R에 의해 둘러싸인 영역내의 자속을 나타낸다. 접근속도가 V로 표현되면,
v-dz/dt=-△z/△t∴△t=△z/|v|
식 (10)으로 부터, 원주 R에 따른 전압 V이 다음과 같이 설정된다.
V=|e|+v·△Φ(R, z)/△=v·dø(R, z)/dz ……… (11)
자속 Φ(R, z)은 다음과 같이 결정된다.
도 42(c)에 도시했듯이, ξ의 반경 원주 및 ξ+dξ의 반경 원주에 의해 둘러싸인 부분의 자속이 Hz(ξ, 0, z)으로 설정되고 그 영역이 2πξ·dξ이다. 따라서,
△ø(ξ, 0, z)=μ0Hz(ξ, 0, z)·2πξ·dξ
∴ø(ξ, z)=∫0 Rμ0Hz(ξ, 0, z)·2πξ·dξ
전기 저항 계수가 ρ, 전압 V, 전기 전류 I, 회로의 횡단면 영역 S, 및 회로의 길이 d=2πR에 의해 표현될 때, 전류 밀도 J는 다음과 같이 설정된다.
J(R, z)=1/s=V/(ρd)=V/(2πR·ρ) … (12)
식 (11)이 식(12)로 대치될 때, 다음의 식이 얻어진다.
J(R, z)=V/(2πR·ρ)·dΦ(R, z)/dz … (13)
셋째로, 자석 및 전도체의 상호작용 에너지는 설명된다. 자속의 변화에 의해, 전도체내에서 증가된 전류 에너지, 즉 자기 에너지 밀도 um은 다음과 같이 설정된다.
전류 밀도 J상에 방출된 힘이 다음과 같이 표현된다.
fz(R, z)=∂um(R, z)/∂z
그러므로, 반경 R의 전체 전류 I(R)상에 방출된 Fz(R)이 다음과 같이 설정된다.
여기서, z1 및 z2는 자석의 하부 표면으로부터 전도체의 상부 표면까지 및 그것으로부터 전도체의 하부 표면까지 각각의 거리를 표시한다.
식(13), (14) 및 (15)으로부터,
전체에 방출된 힘이 다음과 같이 설정된다.
여기서 Φ(R, z)는 전도체내의 반경 R에 의해 둘러싸인 영역내의 자속을 표현하고, z1및 z2는 전도체의 상부 및 하부 표면 각각에서 좌표를 표현하고, Fz는 전도체의 두께 T=z2-z1에 따른다.
도 43은 서스펜션 시트용 제진장치에 적용된 실시예를 도시하고, (a)는 모든 제진장치를 도시하고, (b)는 (a)의 제진장치의 측면도이고 특히 수직 댐핑 구조를 도시하고, (c)는 (a)의 제진장치의 상부상에 매달려서 실장된 수평 제진을 도시한다. 도면에서, 2, 4, 94, 및 96은 영구자석을 표시하는 반면에 98은 전도체로서 사용된 구리판을 표시한다.
상기 제진장치에서, 수직 스프링 특성은 영구자석(2 및 4)으로 구비된 척력 시스템에 의해 얻어지고 평행 링크(100 및 100)에 의해 지지된다. 댐핑이 전자기 유도에 의해 야기되는 수직 및 수평 댐핑 구조는 서로 제거될 수 있다. 전자기 유도에 의한 척력이 구리판(98)에 두께를 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
도 44는 수평 댐핑 효과가 있을 때 또는 없을 때 진동 특성의 비교를 도시하는 그래프이다. 저 주파수 영역에서 진동 전달율이 전자기 유도에 의해 어느 정도로 억제된다.
본 발명의 자기 스프링 구조에 따라, 척력 자기극이 서로 대향되기 때문에, 자석들은 소자(demagnetic)장내에 위치되도록 할 수 있고, 사용동안 소자를 야기하는데 대한 염려가 있다. 소자에 대한 대책으로서, 다른 극이 대안적으로 배열되는 더미(dummy)-자기-누출 구조는 소자(demagnetic)장을 감소시킬 수 있다.
상기 구조에서, 누출 자기장이 자기 벽에 동등한 자기 극들간에 생성된다. 대향하는 자석이 서로 접근할 때, 더 큰 척력이 얻어질 수 있다. 따라서, 대향하는 자석들간의 거리의 함수로서 척력은 대안적으로 배열된 자석들의 수에 따른다. 상기 현상은 도 45에서 예시된다.
도 45에서, (a)는 단일극의 자석 배열을 도시하고, (b)는 2개극의 그것을, (c)는 3개극의 그것을, (d)는 4개극의 그것을 도시한다. (e)는 4개극의 자석 배열 (d)에서 화살표 방향으로부터 보이는 도면이다. 대향하는 영역( 75×75mm2), 크기( 75×75×25mm2) 및 Br-값(11.7KG)은 동일하지만, 투자도는 다음과 같이 다르다.
투자도 계수
(a) 0.10
(b) 0.37
(c) 0.54
(d) 0.49
도 46은 (a) 내지 (d)의 자석 배열에서 척력 및 자석들의 거리간의 관계를 도시하는 그래프이다. 상기 그래프로부터 볼 수 있듯이, 대향하는 자석이 서로 접근할 때, 누출 자기장이 상설했듯이 자기벽에 동등한 자기극들간에 생성되기 때문에 척력은 자기극의 수를 증가시킨다.
4개극 및 2개극의 진동 특성이 서스펜션 시트용 제진장치를 사용해서 비교될 때, 도 47에 도시했듯이 결과가 얻어진다. 상기 그래프로부터 볼 수 있듯이, 4개극의 자석 배열이 인력에 의해 야기된 댐핑 효과를 갖고 내부 구조 및 중추 칼럼(vertebral column)의 공진 주파수 대역에서 진동 전달율을 감소시킬 수 있다. 여기 상태로서, 0.3G의 일정한 가속도를 갖는 로그-스윕프(LOG-SWEEP) 사인 곡선파가 사용되고, 부하된 질량이 53kg으로 세트된다.
종래에, 자동차 시트에 보통 사용되는 균형된 점 주위의 k는 10~30N/mm간에 있다. 그러므로, 부하된 질량이 증가할 때, 종래의 자동차 시트는 엔드-정지를 야기하기 쉽다. 대조적으로, 부하된 질량이 감소할 때, 공진 주파수는 이동되어 내부 구조 또는 중추 칼럼을 공진시키거나 진동 전달율이 증가한다. 상기 이유로 인해, 댐핑 기능을 갖는 우레탄 거품이 패드층에서 사용되는 반면에, 소프트한 스프링이 많은 구조는 금속 스프링의 사용에 의해 얻어진다. 또한, 쇼크 흡수재는 사용되어 댐핑 기능을 증가시킨다. 자동차 시트에서, 진동 분리 특성, 댐핑 특성, 몸체 압력, 및 자세 안정도가 각종의 기능 소자를 사용해서 균형화된다.
그러나, 진동 전달율을 1.0G/G보다 적게 2~3.5Hz의 저 주파수 영역에서 감소시킬 뿐만 아니라 제 2 공진 및 극히 소프트한 느낌을 고 주파수 영역에서 제거시키는 것이 말하여진다.
도 48에 도시했듯이, 고유 주파수에서 유연한 변화를 구비하는 부하-변위 특성이 금속 스프링 또는 공기 스프링에 대향하는 작동을 보이는 자기 스프링 특성을 사용해서 설계될 수 있다. 또한, 도 49에 도시한 특성을 갖는 서스펜션 유니트에서, 진동 전달율이 이상적으로 되는 데, 왜냐하면 그것이 도 50에 도시했듯이 2~3.5Hz에서 1.0G/G보다 적게 그리고 3.5~50Hz에서 0.4G/G보다 적게 유지된다.
앞선 설명으로부터, 다음의 장점이 본 발명의 자기 스프링을 결합시킴으로써 서스펜션 시트로 얻어질 수 있다.
(1) 2~3.5Hz의 저 주파수 영역에서 2.0G/G보다 낮은 진동 전달율에 대한 조건이 필요로 될 때, 댐퍼의 점유자의 체중 및 단단함 모두를 조절하는 어떤 기능도 불필요하다.
(2) 점유자의 체중을 조절하는 기능이 2~3.5Hz의 저 주파수 영역에서 1.0G/G보다 적은 진동 전달율을 얻는데 필요하다.
(3) 엔드-정지 충격을 감소시키는 기능을 갖는 금속 스프링을 결합해서, 우수한 진동 분리가 로그-스윕프 사인 곡선파에 대한 5~50Hz의 고 주파수 영역에서 0.3G의 일정한 가속도로써 얻어질 수 있다.
다른 한편으로, 큰 출력을 적은 입력으로써 발생시킬 수 있는 증폭기는 네가 티브 댐핑 특성의 입력 및 출력의 관계를 전력-더블링(doubling) 메카니즘으로 결합시킴으로써 실현될 수 있다. 또한, 상기 증폭기를 사용하는 능동 제어기들은 다음의 양호한 특성을 갖는다.
(1) 구동 및 이동하는 부품이 비-접촉하고, 전력 전송을 분할된 벽에 의해 분할된 장소로 허용한다.
(2) 구동 및 이동하는 부품이 분리한 공간에 위치될 수 있고, 설계의 자유도를 확대시킨다.
(3) 증폭기는 전력-더블링 기능을 가질 수 있고 구동 및 이동하는 부품 모두는 거의 손실이 없고, 결과적으로 잡음이 낮아지고 에너지가 절약된다.
(4) 액추에이터 기능이 터언 오프될 지라도, 진동 분리 특성이 여전히 유지된다. 환언해서, 스프링 특성 및 댐핑 특성을 갖는 소프트한 구조의 액추에이터는 얻어질 수 있다.
본 발명이 상기 언급된 구조이기 때문에, 그것은 다음의 효과를 갖는다.
적어도 2개의 대향하는 영구자석들간의 기하학적인 크기는 입력측 및 출력측 상에서 외력에 의해 변화되고, 영구자석이 위치되는 운동 시스템내의 척력으로 변환되어 출력측상에서 영구자석의 균형된 위치로부터의 척력이 입력측상에서 척력보다 더 크게 만들어진다. 그렇게 함으로써, 수동 제어, 반-능동 제어, 및 능동 제어가 동일한 개념을 토대로 해서 이루어질 수 있다.
최대 척력이 영구자석의 최근접 위치 또는 그 최근접 위치를 통과한 위치를 통과한 위치에서 발생되기 때문에, 전위의 필드로서 자기장은 효과적으로 사용될 수 있고, 값싼 자기 브레이크, 동적 댐퍼, 발전기, 증폭기 등을 실현하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 비선형 진동시스템 또는 계수 여기 진동시스템은 에너지를 계속해서 댐핑으로 변환하거나 포지티브, 0-, 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링을 사용함으로써 진동을 발산하는 구조이다. 따라서, 그것을 앰블런스 차의 자동차 시트 또는 침대용 제진장치로 결합시킴으로써, 고 주파수 영역에서 진동 전달율을 감소시키고, 체중 차이를 흡수하거나, 공진점 등의 감소에 대해 저 주파수 영역의 진동 에너지를 감소시키는 것이 가능하다.

Claims (15)

  1. 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링에 있어서,
    서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석과,
    거기에 위치된 상기 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며,
    상기 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 입력 시간에서 및 출력시간에서 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되고 척력으로 변환되어 상기 적어도 2개의 영구자석들의 균형된 위치로부터의 척력이 출력 시간에서보다 입력시간에서 더 크게 만들어지게 되는 것을 특징으로 하는 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  2. 청구항 1에 있어서, 최대 척력이 상기 적어도 2개의 영구자석의 최근접 위치 또는 그 최근접 위치를 통과하는 위치에서 발생되는 것을 특징으로 하는 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  3. 청구항 1에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 적어도 2개의 영구자석, 그 대향하는 영역, 자속 밀도 및 자기장간의 거리중 어느 하나를 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  4. 포지티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링에 있어서,
    서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석과,
    거기에 위치된 상기 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며,
    상기 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 입력 시간에서 및 출력 시간에서 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 댐핑 항을 인출함으로써, 비선형 댐핑 및 스프링 특성을 구비하는 것을 특징으로 하는 포지티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  5. 청구항 4에 있어서, 최대 척력이 상기 적어도 2개의 영구자석의 최근접 위치에서 발생되는 것을 특징으로 하는 포지티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  6. 청구항 4에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 적어도 2개의 영구자석, 그 대향하는 영역, 자속 밀도 및 자기장간의 거리중 어느 하나를 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 포지티브 댐핑 특성을 갖는 자기 스프링.
  7. 계수 여기 진동 메카니즘에 있어서,
    서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과,
    거기에 위치된 상기 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며,
    상기 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 상기 자기 스프링으로 하여금 0- 또는 네가티브 댐핑 특성을 갖고 에너지를 계속적인 발진 또는 발산 진동으로 변환하는 것을 특징으로 하는 계수 여기 진동 메카니즘.
  8. 청구항 7에 있어서, 기하학적인 크기가 외력에 의해 변화되어 상기 운동 메카니즘내의 스프링 상수 및 댐핑 계수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 계수 여기 진동 메카니즘.
  9. 청구항 7에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 진동 특성을 개선시키는 것을 특징으로 하는 계수 여기 진동 메카니즘.
  10. 청구항 7에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 여기 또는 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 감소시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 하는 것을 특징으로 하는 계수 여기 진동 메카니즘.
  11. 청구항 7에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 변위가 적을 때 네가티브 댐핑 및 변위가 증가할 때 포지티브 댐핑을 구비하여 네가티브 댐핑 및 포지티브 댐핑이 균형될 때 진동이 안정되게 되는 것을 특징으로 하는 계수 여기 진동 메카니즘.
  12. 비선형 진동 메카니즘에 있어서,
    서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과,
    거기에 위치된 상기 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며,
    상기 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어, 상기 자기 스프링으로 하여금 상기 운동 메카니즘내의 스프링 특성보다 더 큰 포지티브 댐핑 특성을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 비선형 진동 메카니즘.
  13. 청구항 12에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 진동 특성을 개선시키는 것을 특징으로 하는 비선형 진동 메카니즘.
  14. 청구항 12에 있어서, 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 여기 또는 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 감소시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 하는 것을 특징으로 하는 비선형 진동 메카니즘.
  15. 비선형 진동 메카니즘에 있어서,
    서로 이격되고 자석들간에 형성되는 가변의 기하학적인 크기를 갖는 적어도 2개의 영구자석을 갖는 자기 스프링과,
    거기에 위치된 상기 적어도 2개의 영구자석을 이동시키는 운동 메카니즘을 구비하며,
    상기 적어도 2개의 영구자석의 기하학적인 크기가 상기 운동 메카니즘 또는 외력에 의해 변화되어 공진 주파수를 가변되게 하고, 그럼으로써 공진 주파수 또는 진폭 변화를 증가시키기 위해 공진 주파수로 하여금 여기 주파수를 따르게 하여 큰 가속도 또는 진폭이 적은 입력으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 비선형 진동 메카니즘.
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