CN209941949U - 一种调谐式电磁惯质阻尼器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种调谐式电磁惯质阻尼器。它主要包括设置于外筒内的滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构上端与变速箱和旋转飞轮连接，变速箱通过上限位装置固定；还包括设置于外筒内下端的内筒，内筒外部设置有下限位装置，内筒能在下限位装置内作上下直线运动；内筒上端与滚珠丝杠机构固连，带动滚珠丝杠机构作上下直线运动；在内筒下部里面从外至内依次配置有线圈和永磁体，在永磁体内固连有能作上下直线运动的导磁体，导磁体伸出到内筒及外筒的下端外，导磁体下端固连有下部连接件及其连接板，弹簧与连接板和内筒下端部固接并套装在导磁体外。本实用新型适用于有相对位移的土木工程结构，如斜拉索、大跨桥梁塔梁连接处，高层建筑层间位移处等。

Description

一种调谐式电磁惯质阻尼器

技术领域

本实用新型属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种适用于土木工程中结构振动控制的调谐式电磁惯质阻尼器。

背景技术

在受到自然环境中强风、暴雨、地震等外部作用下，土木工程结构容易产生大幅振动，产生结构损伤，以至于影响结构的安全性和舒适性，同时可能减少结构的使用年限。如何减轻外界作用引起的结构振动问题，成为了国内外学者研究的热点。迄今为止，国内外学者研究并开发了众多结构控制技术，根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等。结构被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类，如隔震支座和调谐质量阻尼器。调谐质量阻尼器是常用的减振装置之一，但由于调谐质量阻尼器的减振性能与其质量比成正比，愈增加结构的减振性能，须增大阻尼器的质量比，一定程度上减弱了调谐质量阻尼器的性能。结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加主动控制力，从而迅速减振。半主动控制具备被动控制与主动控制***的可调性等优点，成为土木工程隔振、减振及振动控制研究与工程应用的重要技术，然而由于半主动控制需要有专用的传感器和控制设备给阻尼器输入能量，也限制了半主动控制技术的应用。

2002年，Smith提出了一种“惯质”(Inerter)的概念，其实质是一种通过旋转或惯性飞轮放大质量的贯容器。目前，惯质的研究主要集中在汽车悬架、火车悬架等减隔振方面。为解决阻尼器谐振失调、对各种频率和形式外界激励的适应能力以及主动控制与半主动外部能源供应的问题，国内外学者积极开展自供能半主动控制、阻尼器调频和调阻尼比以及其他调谐方面的研究。如专利号201810425253.1，授权号CN108374330A，名称为“半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器”，包括质量块、永磁直线发电机及弹簧。该发明实现了阻尼力实时可调的半主动控制和振动能量的回收多重功能，具有能量收集效率高、结构简单、减振控制性能好、适用范围广等优点。专利号201810390815.3，授权号CN 108560754A，名称为“一种半主动变质量变阻尼的电涡流调谐质量阻尼器”，由半主动变质量的调谐质量阻尼部分、半主动变电涡流阻尼部分和控制中枢部分组成。该装置可以将结构的振动能量转化为质量块的机械能消耗结构的振动能量，同时将质量块的机械能转化为电涡流，电涡流发热进一步消耗结构振动的能量。专利号201820083557.X，授权号CN207974602U，名称为“一种风力机塔架调谐质量阻尼器”，包括：支架、阻尼挡块、吊杆和质量块；该实用新型中，当吊杆上端与阻尼挡块发生碰撞时，阻尼挡块能够有效消耗振动能量，增加减震效果。专利号201710463394.8，授权号CN107327038A，名称为“一种基于振动能量回收的电涡流调谐质量阻尼器”，由底座、通过支座固定在底座中部的永磁体、套设在永磁体外侧并通过弹性单元与底座连接的质量块，该发明用电涡流阻尼代替传统的黏滞阻尼，能够提高阻尼器的稳定性和耐久性，简化阻尼器的设计。专利号201720357813.5，授权号CN206737178U，名称为“一种半主动单摆式调谐质量阻尼器”，由单摆式调谐质量阻尼器和伺服控制***组成。该实用新型能实现单摆式调谐质量阻尼器频率的精确调节，提高减振效果，且易于维护安装，耐久性好等。上述调谐质量阻尼器均是阻尼器质量与结构之间的比值，实现质量比。当结构体量较大时，所需调谐质量阻尼器的质量也是非常大的；然而，实际工程中难以采用大体积质量。针对上述问题，本发明拟采用旋转惯性质量的虚质量，实现大幅增加结构质量比的功能。同时，本发明通过调节线圈的外接电阻值实现调谐式电磁惯质阻尼器的阻尼变化。

发明内容

本实用新型的目的是在不改变调谐质量阻尼器体积与基本原理的情况下，将惯质概念引入到传统调谐质量阻尼器领域，而提供一种调谐式电磁惯质阻尼器，一方面大幅提高调谐质量阻尼器的质量比，另一方面实现调谐式电磁惯质阻尼器的阻尼调节。

本实用新型的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该调谐式电磁惯质阻尼器，包括外筒及其上部连接件和下部连接件、弹簧；它还包括设置于外筒内部的滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构上端轴伸端通过变速箱与旋转飞轮连接，变速箱通过设置于变速箱与滚珠丝杠机构之间的上限位装置固定；还包括设置于外筒内部下端的内筒，内筒外部设置有下限位装置，内筒能在下限位装置内作上下直线运动；内筒上端与滚珠丝杠机构固连，带动滚珠丝杠机构作上下直线运动；在内筒下部里面从外至内依次配置有线圈和永磁体，在永磁体内固连有能作上下直线运动的导磁体，导磁体伸出到内筒及外筒的下端外，导磁体下端固连有下部连接件及其连接板，所述弹簧与连接板和内筒下端部固接并套装在导磁体外，未工作时，弹簧处于放松平衡状态。

具体的，所述滚珠丝杠机构包括滚珠螺母、滚珠螺杆、滚珠，其中，滚珠螺母与内筒上端固连，滚珠螺杆上端轴伸端与变速箱连接。滚珠丝杠机构选用直线型滑块滚动导轨，具备把低频直线运动转变为高速旋转运动的性能，滚珠丝杠机构采用不锈钢密封式结构框架，端部加载防异物芯圈，避免工作中因外物掉入对丝杠的运动造成影响，同时采用自润滑装置，避免噪声污染，也具有使用寿命长，节省成本等特点。

具体的，所述线圈外接有电阻。通过调节外接电阻，实现阻尼比变化。

具体的，所述线圈外接有能量收集单元，所述能量收集单元包括RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池。线圈、永磁体以及导磁体可根据具体阻尼器的优化阻尼比进行选取，在终端增加能量收集单元后，能够实现减振与机械能转化电能的功能。

本实用新型的阻尼器是一种基于电磁阻尼元件的“惯质”阻尼器装置，它利用被控结构在外界振动作用的机械能转化为电能，线圈中磁通量发生改变，进而产生电磁阻尼即反电动势；并利用变速箱与旋转飞轮装置实现以较小自身重量获得较大“旋转惯性质量”的效果。同时，它通过弹簧弹性变形的性质，形成调谐减振的作用。本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器能够有效提升结构减振控制的性能，与传统调谐质量阻尼器相比，数量级地增加了调谐质量器的调谐质量，大幅提高了质量比；通过调节外接电阻，实现阻尼比变化。它适用于有相对位移的土木工程结构，如斜拉索、大跨桥梁塔梁连接处，高层建筑层间位移处等；还具有使用寿命长，减振性能好等特点。当被控主结构受地震、风荷载等外部作用发生振动时，本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器两端发生直线相对运动，经滚珠丝杠的直线转换机构，将低频直线运动转变为高速旋转运动，经由变速箱后，驱使旋转飞轮旋转产生较大惯质，在这个过程中，永磁体与导磁体一起运动，此时永磁体与线圈之间发生相对运动，从而使线圈中磁通量发生改变，线圈中产生感应电动势进而产生感应电流，根据楞次定律，感应电流会形成电磁阻尼即反电动势来抑制导磁体的运动；通过变速箱与旋转飞轮装置，为调谐式电磁惯质阻尼器提供了惯质系数。

综上所述，本实用新型的调谐式电磁惯质阻尼器与现有的阻尼器相比，具有以下几个优点：

(1)通过引入惯质概念，数量级地增加了调谐质量器的调谐质量，大幅提高了阻尼器质量比。

(2)通过调节线圈的外接电阻值实现调谐式电磁惯质阻尼器的阻尼变化。

(3)利用滚珠丝杆的直线转换旋转装置，使低频的直线运动转换为高频的旋转运动，以及变速箱与飞轮装置，大幅提升了电磁阻尼器的惯质系数，提升阻尼器减振性能。

(4)当线圈终端采用RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池作为能量收集单元时，该阻尼器能够同时实现减振与机械能转化电能的功能。

(5)适用于有相对位移的土木工程结构，如斜拉索、大跨桥梁塔梁连接处，高层建筑层间位移处等。

附图说明

图1是本实用新型实施例的原理结构示意图。

图中：1为上部连接件，2为旋转飞轮，3为滚珠丝杠机构的滚珠螺杆，4为滚珠丝杠机构的滚珠螺母，5为外筒，6为线圈，7为变速箱，8为上限位装置，9为滚珠丝杠机构的滚珠，10为内筒，11为永磁体，12为弹簧，13为导磁体，14为下限位装置，15为下部连接件，16为连接板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例的调谐式电磁惯质阻尼器，包括外筒5、弹簧12、外筒5两端的上部连接件1和下部连接件15；它还包括设置于外筒5内部的滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构包括滚珠螺母4、滚珠螺杆3、滚珠9。滚珠丝杠机构的滚珠螺杆3上端(即图中左端)轴伸端通过变速箱7与旋转飞轮2连接，变速箱7通过设置于变速箱7与滚珠丝杠机构之间的导杆17连接，导杆17采用环形上限位装置8固定于外筒5内；还包括设置于外筒5内部下端(即图中右端)的内筒10，内筒10外部中间设置有下限位装置14，内筒10能在下限位装置14内作上下直线运动(即图中的左右直线运动)并通过环形下限位装置14限位于外筒5内；内筒10上端与滚珠丝杠机构的滚珠螺母4固连，带动滚珠螺母4作上下直线运动；在内筒10下部里面从外至内依次配置有线圈6和永磁体11，在永磁体11内固连有能作上下直线运动的导磁体13，导磁体13伸出到内筒10和外筒5的下端外，导磁体13下端固连有下部连接件15及其连接板16，弹簧12与连接板16和内筒10下端部固接并套装在导磁体13外，未工作时，弹簧12处于放松平衡状态。

本实用新型的调谐式电磁惯质阻尼器能够用于抑制斜拉桥拉索、高层建筑结构、输电线塔以及海洋工作台等结构振动。若将本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器安装于斜拉桥拉索中，其装置的上端可通过上部连接件1固定于拉索上，下端通过下部连接件15固定于离地面较近的支座上。当斜拉桥拉索受到外界干扰而振动时，引起滚珠丝杆机构的滚珠螺母4沿滚珠丝杆机构的轴线进行直线运动，进而由滚珠9引起滚珠螺杆3做旋转运动，实现了将低频直线运动转变为高速旋转运动，最终滚珠丝杆机构、变速箱7与旋转飞轮2同时进行旋转运动，从而实现以较小转动质量获得较大“旋转惯性质量”的效果。再通过永磁体11与线圈6之间发生相对直线运动，线圈6中磁通量发生改变，线圈6中产生感应电动势进而产生感应电流，将斜拉桥拉索振动机械能转化为电能，同时电能会形成电磁阻尼即反电动势来抑制电机动子运动，达到传统调谐质量阻尼器中粘性阻尼单元的效果，在这个过程中弹簧处于工作状态，起到调谐作用；整个***在被动控制过程中，实现了电磁耗能、惯质以及弹簧调谐的多重作用功效。当线圈6外接有电阻时，能够实现本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器的阻尼变化。当线圈6外接有能量收集单元时，能实现本实用新型阻尼器减振与能量收集的双功能；其中，能量收集单元包括RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池，是一种常规的能量收集单元，在此不再赘述。

本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器在斜拉索上工作时，具体的实施过程是：当斜拉索受到外界干扰而振动时，引起本实用新型调谐式电磁惯质阻尼器产生轴向相对位移，由滚珠丝杠机构将低速直线运动转变为高速旋转运动，调谐式电磁惯质阻尼器产生电磁阻尼力和惯质效果反作用于结构上。斜拉索的振动机械能转化为电磁阻尼力消耗，从而实现惯质、电磁耗能和弹簧调谐等减振功能。

以上是本实用新型的典型实施例，本实用新型的实施不限于此。

Claims (4)

1.一种调谐式电磁惯质阻尼器，包括外筒及其上部连接件和下部连接件、弹簧；其特征在于：它还包括设置于外筒内部的滚珠丝杠机构，滚珠丝杠机构上端轴伸端通过变速箱与旋转飞轮连接，变速箱通过设置于变速箱与滚珠丝杠机构之间的上限位装置固定；还包括设置于外筒内部下端的内筒，内筒外部设置有下限位装置，内筒能在下限位装置内作上下直线运动；内筒上端与滚珠丝杠机构固连，带动滚珠丝杠机构作上下直线运动；在内筒下部里面从外至内依次配置有线圈和永磁体，在永磁体内固连有能作上下直线运动的导磁体，导磁体伸出到内筒及外筒的下端外，导磁体下端固连有下部连接件及其连接板，所述弹簧与连接板和内筒下端部固接并套装在导磁体外，未工作时，弹簧处于放松平衡状态。

2.根据权利要求1所述的调谐式电磁惯质阻尼器，其特征在于：所述滚珠丝杠机构包括滚珠螺母、滚珠螺杆、滚珠，其中，滚珠螺母与内筒上端固连，滚珠螺杆上端轴伸端与变速箱连接。

3.根据权利要求1所述的调谐式电磁惯质阻尼器，其特征在于：所述线圈外接有电阻。

4.根据权利要求1所述的调谐式电磁惯质阻尼器，其特征在于：所述线圈外接有能量收集单元，所述能量收集单元包括RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池。

Images