CN106639470A - 电涡流阻尼器减振控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电涡流阻尼器减振控制装置，包括一个箱型结构；在所述的箱型结构内垂直的安置着与箱型结构顶面相连的弹簧摆，所述的弹簧摆能在箱型结构内各个方向摆动，其运动方式为弹簧上下振动与弹簧摆的摆动两种运动方式的耦合；所述的弹簧摆包括一个弹簧以及竖直连接在弹簧下端的圆筒结构，在所述的圆筒结构自身水平四个方向以及下端各连接一个磁体，所述的磁体会随着圆筒结构来回摆动并与箱型结构发生相对运动，会在箱型结构各个面中产生电涡流，并且箱型结构会受到电磁力阻碍相对运动。

Description

电涡流阻尼器减振控制装置

技术领域

本发明属于高耸结构减振控制领域，特别涉及一种电涡流阻尼器减振控制装置，可用于土木工程结构中减振控制。

背景技术

高耸结构是一种高度较高、横截面相对较小、横向荷载起主要作用的细长构筑物，因其形式高挑美观，被广泛应用于通讯、电力及化工等众多领域。相对于普通建筑结构，高耸结构水平刚度偏小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大的静力和动力反应。

我国是一个风灾和地震灾害相对频发的国家，高耸结构在强风或者强震的作用下反应强烈甚至破坏倒塌的事故时常发生，很难满足其安全性能的要求，造成了巨大的经济损失。因此提高高耸结构的抗风和抗震性能，减小其在强风或强震下的振动响应，降低风或地震对高耸结构的损害已经成为了结构工程领域的热门话题。能够找到一种使高耸在风荷载或地震作用下安全运行的控制装置，对整个结构工程行业具有重要的现实意义。结构在地震作用或风荷载作用下的运动呈多方向，单纯的研究单方向的控振是远远不能满足要求的，因此应从多个方向考虑对结构进行减振控制。

按照控制措施是否需要外部能源，结构振动控制通常分为主动控制、半主动控制、被动控制和混合控制。其中，阻尼器又成为了控制装置的核心部件，阻尼器选取的质量直接影响着控制能力的好坏。主动控制装置利用额外能量控制减少结构在地震作用或风荷载下的振动反应，尽管其控制效果好，适应性强，但技术复杂、造价昂贵、维护要求高，工程应用有较大困难。被动控制则没有外部能量输入，主要是通过抗震设计改变结构的刚度、阻尼和质量的大小及其在结构体系中的分布，或者改变外荷载的传递途径，以达到控制工程结构地震响应的目的，该方法技术简便，造价廉洁，实际应用能力强，并且也具有较好的减振效果。目前主要的被动控制装置有隔震装置、消能减震装置和质量调谐TMD装置等，但目前各种形式的减振器大多仅针对结构某一个方向进行振动控制，考虑地震或者风作用引起结构振动的多维性，这类减振器的振动控制效果难以保证。本发明属于被动控制装置，能够实现高耸结构多个方向上的振动控制，具有较好的减振吸能效果。

发明内容

本发明目的是提供一种电涡流阻尼器减振控制装置，旨在减小高耸结构在地震作用和风荷载作用下的振动响应，以便达到多维耗能减振的效果。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

电涡流阻尼器减振控制装置，包括一个套有橡胶外套的箱型结构；在所述的箱型结构内垂直的安置着与箱型结构顶面相连的弹簧摆，所述的弹簧摆能在箱型结构内各个方向摆动，其运动方式为弹簧上下振动与整体摆动两种运动方式的耦合，当所述弹簧摆满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，会发生一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果；所述的弹簧摆包括一个弹簧以及竖直连接在弹簧下端的圆筒结构，在所述的圆筒结构自身水平四个方向以及下端各连接一个磁体，所述的磁体会随着圆筒结构来回摆动并与箱型结构发生相对运动，会在箱型结构各个面中产生电涡流，并且箱型结构会受到电磁力阻碍相对运动。此过程中主体结构的振动能量会转化为电热能耗散掉，有较好的吸振耗能效果。

进一步的，电涡流阻尼器减振控制装置固定在被控结构的顶部。

进一步的，所述的箱型结构由金属铜制成，具有良好的导电性。

进一步的，所述的箱型结构外面套有一层橡胶外套，能够保证与被控结构绝缘。

进一步的，所述的弹簧摆装置还包括一根穿过弹簧的合金绞线，目的是能够发生内共振。

进一步的，所述的弹簧采用马氏体形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点，在弹簧中间穿过一根弹性合金绞线，所述的弹性合金绞线采用奥氏体形状记忆合金制成，此合金具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，在弹簧损坏后可以保护圆筒结构，所述的圆筒结构采用镀锌铜制成，其有防腐蚀、导磁性小、散热快的优点。

进一步的，所述的弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度等；这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

进一步的，所述的位于圆筒结构自身水平方向以及下端的5个磁体为永磁体，能够产生持续稳定的磁场。

本发明的工作原理如下：

将本装置固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生振动或扭转时，带动箱型结构一起振动并带动弹簧摆振动或摆动，此时箱型结构会与弹簧摆形成相对运动，由金属铜制成的箱型结构相当于导体，有无数的闭合回路，相对运动过程中与圆筒结构连接的永磁体产生的磁感线会在箱型结构的各个面中发生变化，并在箱型结构中产生电涡流，箱型结构会受到电磁力作用，由楞次定律可知，电磁力阻碍相对运动，从而减缓被控结构的振动，从能量转换的角度看，结构振动的机械能先转化为箱型结构的电能最终转化为热能耗散掉，达到了减震耗能的效果。此外，弹簧摆在运动过程中满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，会发生一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

本发明的有益效果如下：

本发明属于被动控制装置，无需外部能源的输入，可通过装置自身对结构进行实时控制，施工技术简便，造价低廉，安全性能高。

本发明在弹簧摆满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，会发生一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

本发明通过永磁体产生的磁感线在箱型结构中发生变化，并在箱型结构的各个面中产生电涡流，并且产生的电磁力阻碍振动，从而减缓被控结构的振动，结构振动的机械能先转化为箱型结构的电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

本发明采用的马氏体形状记忆合金弹簧具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点；采用的奥氏体形状记忆合金绞线具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，能够起到保护弹簧和圆筒结构的作用。

本发明属于被动控制装置，能够实现在多个方向上以及扭转方面对高耸结构进行控制，具有较好的减震吸能效果，对结构行业提供了很大的实用价值。

本发明采用板式电涡流原理，具有构造简单，灵活性高，性价比高，使用方便，维护方便等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是电涡流阻尼器减振控制装置结构示意图。

图2是电涡流阻尼器减振控制装置结构俯视图。

图中：1箱型结构，2马氏体形状记忆合金弹簧，3奥氏体形状记忆合金绞线，4永磁体，5圆筒结构，6橡胶套。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的实施方式。

电涡流阻尼器是一种利用电涡流的阻尼效应制成的耗能减振装置，具有使用寿命长、维护少和易安装等优点，目前，主要作为调谐质量阻尼器的阻尼元件应用在土木工程结构的振动控制领域。相应的，本发明基于电磁感应原理，在振动过程中会产生电磁阻碍其振动，并且会形成电涡流，将振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。此外，弹簧摆作为一种非线性***，其运动方式是弹簧振动和整体摆动两种模态的耦合。当振动频率与摆动频率一致时，满足了内共振条件，会发生一种振动激发另一种振动的现象，称为内共振现象，从而达到非线性吸振效果。

本发明提出的电涡流阻尼器减振控制装置如图1所示，该装置可以安装在高耸结构的顶部；本发明属于被动控制装置，无需外部能源的输入，可通过装置自身对结构进行实时控制，施工技术简便，造价低廉，安全性能高；本发明采用板式电涡流原理，具有构造简单，灵活性高，性价比高，使用方便，维护方便等优点。

具体结构如下：

该减振装置是由箱型结构1、弹簧2、合金绞线3、永磁体4、圆筒结构5和橡胶套6组成。其中箱型结构1固定于高耸结构的顶端，橡胶套套6在箱型结构1外部，弹簧2和合金绞线3固定在箱型结构1的顶端中央处，合金绞线3穿过弹簧2的中心，合金绞线3和弹簧2的下端均与圆筒结构5顶部中央连接，5个永磁体4固定在圆筒结构5自身水平四个方向以及下端，圆筒结构5可以带动永磁体在多个方向摆动。

弹簧摆能在箱型结构内各个方向摆动，其运动方式为弹簧上下振动与整体摆动两种运动方式的耦合，当所述弹簧摆满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，会发生一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

5个永磁体会随着圆筒结构来回摆动并与箱型结构发生相对运动，会在箱型结构各个面中产生电涡流，并且箱型结构会受到电磁力阻碍相对运动。此过程中主体结构的振动能量会转化为电热能耗散掉，有较好的吸振耗能效果。

本发明通过永磁体产生的磁感线在箱型结构中发生变化，并在箱型结构的各个面中产生电涡流，并且产生的电磁力阻碍振动，从而减缓被控结构的振动，结构振动的机械能先转化为箱型结构的电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

进一步的，箱型结构1由金属铜制成，相当于导体，能形成无数的闭合回路。

进一步的，箱型结构外面套有一层橡胶外套，能够保证与被控结构绝缘。

进一步的，由弹簧2、合金绞线3、圆筒结构5做成的弹簧摆装置，其运动方式为弹簧上下振动与整体摆动两种运动方式的耦合，当振动频率与摆动频率一致时，满足了内共振条件，会发生一种振动激发另一种振动的，达到非线性吸振效果。

进一步的，弹簧摆在振动过程中会激发箱型结构中产生电涡流，进而产生电磁力阻碍振动，振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。

进一步的，弹簧2由马氏体形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点，在弹簧2中间穿过一根弹性合金绞线3，所述的弹性合金绞线3采用奥氏体形状记忆合金制成，此合金具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，在弹簧损坏后可以保护圆筒结构。

进一步的，所述的弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度等；这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

进一步的，圆筒结构5采用镀锌铜制成，其有防腐蚀、导磁性小、散热快的优点，与圆筒结构自身水平方向以及下端的5个磁体为永磁体，能够产生持续稳定的磁场。

使用时，将本装置固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生振动或扭转时，带动箱型结构1一起振动并带动弹簧摆振动或摆动，此时箱型结构1会与弹簧摆形成相对运动，由金属铜制成的箱型结构1相当于导体，有无数的闭合回路，相对运动过程中与圆筒结构连接的永磁体产生的磁感线会在箱型结构1的各个面中发生变化，并在箱型结构1中产生电涡流，箱型结构1会受到电磁力作用，由楞次定律可知，电磁力阻碍相对运动，从而减缓被控结构的振动，从能量转换的角度看，结构振动的机械能先转化为箱型结构的电能最终转化为热能耗散掉，达到了减震耗能的效果。此外，弹簧摆在运动过程中满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，会发生一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

本实施方案中需要注意以下几个方面：

一、该装置应设置在被控结构顶部较为开阔的位置，箱型结构会根据地震作用或者风荷载的方向，沿各个方向摆动；

二、弹簧的长度和刚度应根据被控结构的主频率进行选择，使其能满足内共振的条件；

三、弹簧和合金选择形状记忆合金，能够具有较强的自我复位能力，有较好的吸振功能，同时还能保护下端的圆筒结构；

四、圆筒结构表面镀锌，防止其在恶劣的天气情况下受到腐蚀，影响整体的功能性。

本实施方案中，应当根据结构的具体情况确定电涡流阻尼器减振控制装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振吸能效果。

本发明通过弹簧摆的内共振现象达到非线性吸振效果；通过电磁感应原理，使产生的电磁力减缓振动，使产生的电涡流将结构振动的机械能转化为电能最终转化为热能耗尽，达到耗能的效果。

本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，包括一个箱型结构；在所述的箱型结构内垂直的安置着与箱型结构顶面相连的弹簧摆，所述的弹簧摆能在箱型结构内各个方向摆动，其运动方式为弹簧上下振动与弹簧摆的摆动两种运动方式的耦合；所述的弹簧摆包括一个弹簧以及竖直连接在弹簧下端的圆筒结构，在所述的圆筒结构自身水平四个方向以及下端各连接一个磁体，所述的磁体会随着圆筒结构来回摆动并与箱型结构发生相对运动，会在箱型结构各个面中产生电涡流，并且箱型结构会受到电磁力阻碍相对运动。

2.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的电涡流阻尼器减振控制装置固定在被控结构的顶部。

3.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的箱型结构由金属铜制成，具有良好的导电性。

4.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的箱型结构外面套有一层橡胶外套，能够保证与被控结构绝缘。

5.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的弹簧采用马氏体形状记忆合金制成。

6.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的弹簧摆装置还包括一根穿过弹簧的合金绞线。

7.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的弹性合金绞线采用奥氏体形状记忆合金制成。

8.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度。

9.如权利要求1所述的电涡流阻尼器减振控制装置，其特征在于，所述的位于圆筒结构自身水平方向以及下端的5个磁体为永磁体，其能够产生持续稳定的磁场。