CN108252200A - 一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，属于桥梁结构振动控制领域。该阻尼器包括刚性轴、第二直线运动机构、固定盘、导体盘、主动齿轮、至少三个不同半径的从动齿轮以及至少一对不同磁极的永磁铁；刚性轴一端连接第二直线运动机构，另一端依次穿过固定盘、导体盘以及各从动齿轮；固定盘相对于刚性轴固定，导体盘与各从动齿轮相对固定，各从动齿轮均通过轴承与刚性轴连接；永磁铁设于固定盘的盘面上。本发明利用导体盘在永磁铁磁场中作切割磁力线运动产生电涡流阻尼，以耗散斜拉索的振动能量，对斜拉索的振动进行抑制，并且通过不同半径的从动齿轮与主动齿轮的啮合，可以调节耗能功率，对外部荷载适应性强，使阻尼器长期处于适载运行状态。

Description

一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于桥梁结构振动控制领域，更具体地，涉及一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器。

背景技术

随着斜拉桥建造技术的不断进步，其跨度逐渐增大，作为主要承力构件的斜拉索长径比随之增大，且刚度、阻尼不断降低，极易在风、风雨、地震及车载等外界激励喜爱产生大幅振动，进而引发斜拉索锚固区的疲劳损伤以及行人的不舒适感和不安全感。因此需要对斜拉索振动做出有效控制。

目前常用的阻尼器有摩擦性阻尼器、油压阻尼器、橡胶减震器以及电涡流阻尼器等等。传统的摩擦阻尼器自适应能力差，耗能能力低；油压阻尼器对密封性要求较高，易出现漏油现象；在橡胶减震器中，金属与橡胶为两种不同性质的材料，表面结构及力学性能有着本质的区别，因此难以保证两者之间优良的粘接效果，此外橡胶减震器还存在橡胶老化的问题。而电涡流阻尼器因其灵敏度较高，维护要求低，使用寿命长以及控制振动的性能优越而倍受青睐。传统的电涡流阻尼器控制装置虽然简单，但是安装之后控制参数无法调节，因此对结构参数和外部荷载的适应性不强，控制目标单一，在风载过高时极易出现阻尼器过载的情况。因此在工程领域急需一种对外部荷载适应性强，可以调节耗能功率，长期处于适载运行状态的电涡流阻尼器。

电涡流阻尼技术根据电磁感应定律把物体运动的机械能转化为导体盘中的电能，然后通过导体盘的电阻效应耗散振动能量。由电磁感应定律知，当导体盘和磁场发生相对运动，并导致导体盘内的磁通量发生变化时，导体盘内就会产生电涡流。由楞次定理可知，电涡流会与原磁场相互作用，产生一个阻碍导体盘和磁场相对运动的力，也就是阻尼力。此外，由于导电盘的电阻不为零，根据欧姆定律，电涡流将以热能的形式耗散，从而产生阻尼效应。由能量守恒定律可知，因电涡流所耗散的热能与导体盘损失的动能相等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其目的在于对外部荷载适应性强，可以调节耗能功率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，包括：伸缩杆、连接杆、支撑杆、阻尼产生单元；

伸缩杆包括第一直线运动机构及杆体；杆体一端连接第一直线运动装置，杆体另一端枢接于支撑杆上；

连接杆一端枢接于伸缩杆杆体上，另一端用于垂直固连斜拉索；

阻尼产生单元包括刚性轴、第二直线运动机构、固定盘、导体盘、主动齿轮、至少三个不同半径的从动齿轮以及至少一对不同磁极的永磁铁；刚性轴一端连接第二直线运动机构，另一端依次穿过固定盘、导体盘以及各从动齿轮；固定盘相对于刚性轴固定，导体盘与各从动齿轮相对固定，各从动齿轮均通过轴承与刚性轴连接；永磁铁设于固定盘的盘面上；

主动齿轮连接第一直线运动机构；

工作时，根据风速调节第一直线运动机构和第二直线运动机构，以使主动齿轮与不同半径的从动齿轮啮合，进而改变导体盘转速，从而改变电涡流功率；其中，

风速较大时，主动齿轮与半径较小的从动齿轮啮合；风速较小时，主动齿轮与半径较大的从动齿轮啮合。

进一步地，各从动齿轮按照半径由大到小的顺序，与固定盘的距离依次增大。

进一步地，第一直线运动机构及第二直线运动机构均为直线步进电机；阻尼产生单元还包括控制器以及功率切换程序模块；控制器连接第一直线运动机构和第二直线运动机构；功率切换程序模块在被控制器调用时实现如下功能：根据接收或录入的当前、当日、当周、当月或者当季度的风速，控制第一直线运动机构和第二直线运动机构的伸缩，进而使主动齿轮与接收或录入的风速相匹配的从动齿轮啮合，从而匹配合适的工作功率。

进一步地，从动齿轮包括大、中、小三种半径。

进一步地，当主动齿轮与小从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.3mm；当主动齿轮与中从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.6mm；当主动齿轮与大从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.9mm。

进一步地，固定盘靠近导体盘一侧的盘面环向设有偶数个凹槽，且各凹槽中心距导体盘中心的距离一致；每个凹槽内均设有永磁铁，相邻永磁铁的磁极相反。

进一步地，永磁铁设于固定盘朝向导体盘的盘面上，且布置在导体盘外环。

进一步地，导体盘的材质为铜，铝或铜铝合金。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、当斜拉索振动时，连接杆带动主动齿轮和从动齿轮之一发生啮合转动，通过从动齿轮带动导体盘在永磁铁磁场中作切割磁力线运动产生电涡流阻尼，以耗散斜拉索的振动能量，从而对斜拉索的振动进行有效的控制；并且，设置了不同半径的从动齿轮，用于在不同风速下分别与主动齿轮相配合，对外部荷载适应性强，可以调节耗能功率，使阻尼器长期处于适载运行状态；

2、由于较小的从动齿轮带动导体盘旋转的角速度较大，距离固定盘及永磁铁较近，磁感应强度也较强，因此阻尼力也较大，较大的从动齿轮则反之；当风速增大时，使主动齿轮与相适应的半径较小的从动齿轮相配合，从而在提供较大阻尼力的同时，又能有效控制放热。

3、装置的荷载自适应能力是通过切换不同大小的从动齿轮来实现的，根据不同风载大小，通过控制器以及功率切换程序模块切换到相适应的从动齿轮。为了满足最大风载要求，减振效果要足够好，因而从动齿轮要足够小。但是在通常的荷载下，并不需要如此大的耗能功率，因而可以切换到较大的从动齿轮。这样做可以减小材料的疲劳损耗，延长结构耐久性，同时又能提供不同等级的耗能功率，风载自适应性强。

4、当主动齿轮与小、中、大从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙分别为0.3mm、0.6mm、0.9mm；一方面避免导体盘和永磁铁在工作中发生摩擦碰撞，另一方面保证主磁路的磁阻尽可能小，同时提供足够的散热空间；

5、根据连接杆在斜拉索上安装方式的不同，如果连接杆为面内安装，则本发明可以抑制面内振动，如果连接杆为面外安装，则本发明可以抑制面外振动。

附图说明

图1为本发明一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器的结构图；

图2为图1中阻尼产生单元的结构图；

图3为图2中多个永磁铁位于固定盘一个盘面的示意图；

图4为可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器安装于桥面的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-底板，2-支座，3-伸缩杆，4-连接杆，5-支撑杆，6-斜拉索，7-阻尼产生单元，71-第一直线运动机构，72-主动齿轮，73-刚性轴，74-小从动齿轮，75-中从动齿轮，76-大从动齿轮，77-导体盘，78-固定盘，79-第二直线运动机构，700-永磁铁，8-索夹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2所示，一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器的结构图包括底板1，支座2，伸缩杆3，连接杆4，支撑杆5，阻尼产生单元7，及索夹8，所述支座2固定设置于底板1上方，所述伸缩杆3与支撑柱5铰接，所述索夹8固定位于连接杆4的顶端。所述阻尼产生单元7包括主动齿轮72和从动齿轮74,75,76；所述主动齿轮72固定设置于缩紧杆3的末端，且与所述从动齿轮74,75,76之一啮合；从动齿轮74,75,76通过轴承与刚性轴73连接。所述刚性轴73上还套设有作切割磁力线运动的装置；作切割磁力线运动的装置位于从动齿轮74,75,76的内侧。

作切割磁力线运动的装置包括导体盘77、固定盘78、从动齿轮74,75,76以及主动齿轮72。所述刚性轴73依次穿过固定盘78、导体盘77、大从动齿轮76、中从动齿轮75、小从动齿轮74；所述固定盘78固定设置于刚性轴73，所述导体盘77固定设置于大从动齿轮内侧76,并与刚性轴73通过轴承连接。刚性轴73末端固定设置于支座2顶部，且第二直线运动机构79固定设置于刚性轴73末端，可控制刚性轴73沿轴向位移。在伸缩杆3另一端布置有第一直线运动机构71，可控制伸缩杆3沿轴向伸缩。从而可使主动齿轮72与从动齿轮74,75,76之一切换啮合。固定盘78靠近导体盘的一侧设置有至少一个永磁铁700，所述永磁铁700与导体盘77之间设有间隙；

一个导体盘在固定盘一侧的磁场中旋转产生的阻尼系数为：

T—转动阻尼力矩，ω—转动角速度，σ—导体盘的导电系数，d—导体盘的厚度，B—磁感应强度，R_o—导体盘磁场覆盖区域外径，R_i—导体盘磁场覆盖区域内径。

本实施例中，固定盘78在靠近导体盘的一面，环向设置多个凹槽，每个凹槽内嵌入一个永磁铁700，且任意两个相邻凹槽内永磁铁700的磁极相反，(如图3所示)，以保证导体盘77在转动时磁场强度变化率足够大；永磁铁700与导体盘77之间的间隙在选取所述小从动齿轮74耗能时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.3mm；当中从动齿轮75耗能时，所述永磁铁与导体盘之间的间隙为0.6mm；当大从动齿轮76耗能时，所述永磁铁与导体盘之间的间隙为0.9mm。这是为了使材料在工作中不与周围发生摩擦碰撞，又保证主磁路的磁阻尽可能小，并为提供导体材料的散热空间。此外，永磁铁700具有强磁性，从而保证磁场的磁感应强度B。所述固定盘78上的永磁铁700在邻近导体盘77一面的边缘设置，以增大导体盘磁场覆盖区域外径和内径的4次方之差值主动齿轮72的半径大于大从动齿轮76的半径，大从动齿轮76的半径又大于中从动齿轮75的半径，中从动齿轮75的半径又大于小从动齿轮74的半径，从而增大导体盘的转动角速度，并可自由切换耗能功率。根据经济因素和导电系数，导体盘的材质可为铜，铝或铜铝合金。

本实施例中可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器产生阻尼的具体方法如下：

所述连接杆4的顶端设有索夹6，通过索夹6将所述连接杆4垂直连接于斜拉索6，并将所述底板1和支撑杆5固定于桥面(如图4所示)。当斜拉索6发生面内振动时，连接杆4带动主动齿轮72，和从动齿轮74，75，76之一发生啮合转动，从动齿轮74、75、76之一带动导体盘77作切割磁力线运动，从而产生电涡流阻尼以耗散斜拉索6的振动能量。

在本实施例中，第一直线运动机构及第二直线运动机构均为直线步进电机，使用者可以按季度预报的风速预先至安装现场手动调节直线步进电机，以改变主动齿轮与从动齿轮的配合，每季度一次。根据当地气候条件和风速变幅，也可以按日、周、月等频率至现场进行调节。

本发明的第二实施例与第一实施例的区别在于，采用自动调节方式进行阻尼控制。在第二实施例中，阻尼产生单元还包括控制器以及功率切换程序模块；控制器连接第一直线运动机构和第二直线运动机构；功率切换程序模块在被控制器调用时实现如下功能：根据接收或录入的当前、当日、当周、当月或者当季度的风速，控制第一直线运动机构和第二直线运动机构的伸缩，进而使主动齿轮与接收或录入的风速相匹配的从动齿轮啮合，从而匹配合适的工作功率。

由于本发明采用齿轮配合，直线步进电机既能够承受风力导致的拉索的强烈振动，同时在强烈振动下仍能保持伸缩运动时定位精确，确保切换及工作过程中齿轮准确对位啮合。并且，直线步进电机还具有足够的刚性和强度，从而有效传导拉索的振动和导体盘收到的阻尼力，提高力传导效率。

在其他实施例中。第一直线运动机构和第二直线运动机构也可以是通过螺栓连接的刚性伸缩套管，这种构造只能通过手动调节伸缩量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，包括：伸缩杆、连接杆、支撑杆、阻尼产生单元；

伸缩杆包括第一直线运动机构及杆体；杆体一端连接第一直线运动装置，杆体另一端枢接于支撑杆上；

连接杆一端枢接于伸缩杆杆体上，另一端用于垂直固连斜拉索；

阻尼产生单元包括刚性轴、第二直线运动机构、固定盘、导体盘、主动齿轮、至少三个不同半径的从动齿轮以及至少一对不同磁极的永磁铁；刚性轴一端连接第二直线运动机构，另一端依次穿过固定盘、导体盘以及各从动齿轮；固定盘相对于刚性轴固定，导体盘与各从动齿轮相对固定，各从动齿轮均通过轴承与刚性轴连接；永磁铁设于固定盘的盘面上；

主动齿轮连接第一直线运动机构；

工作时，根据风速调节第一直线运动机构和第二直线运动机构，以使主动齿轮与不同半径的从动齿轮啮合，进而改变导体盘转速，从而改变电涡流功率；其中，

风速较大时，主动齿轮与半径较小的从动齿轮啮合；风速较小时，主动齿轮与半径较大的从动齿轮啮合。

2.如权利要求1所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，各从动齿轮按照半径由大到小的顺序，与固定盘的距离依次增大。

3.如权利要求1或2所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，第一直线运动机构及第二直线运动机构均为直线步进电机；阻尼产生单元还包括控制器以及功率切换程序模块；控制器连接第一直线运动机构和第二直线运动机构；功率切换程序模块在被控制器调用时实现如下功能：根据接收或录入的当前、当日、当周、当月或者当季度的风速，控制第一直线运动机构和第二直线运动机构的伸缩，进而使主动齿轮与接收或录入的风速相匹配的从动齿轮啮合，从而匹配合适的工作功率。

4.如权利要求1或2所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，从动齿轮包括大、中、小三种半径。

5.如权利要求4的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，当主动齿轮与小从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.3mm；当主动齿轮与中从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.6mm；当主动齿轮与大从动齿轮啮合时，永磁铁与导体盘之间的间隙为0.9mm。

6.如权利要求1或2所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，固定盘靠近导体盘一侧的盘面环向设有偶数个凹槽，且各凹槽中心距导体盘中心的距离一致；每个凹槽内均设有永磁铁，相邻永磁铁的磁极相反。

7.如权利要求6所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，永磁铁设于固定盘朝向导体盘的盘面上，且布置在导体盘外环。

8.如权利要求1或2所述的一种可变功率的斜拉索永磁式电涡流阻尼器，其特征在于，导体盘的材质为铜，铝或铜铝合金。