CN102493573A - 一种多场耦合节能调谐质量减振装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种多场耦合节能调谐质量减振装置，利用力-电-磁-热的多场耦合，针对外界对工程结构的振动激励，通过铝板切割磁感线将振动机械能转为电能，用螺杆来固定铝板并通过调节铝板和强磁铁之间的距离实现阻尼比的可调，在铝板后固定铜线圈吸收铝板中电涡流产生的能量，从而在铜线圈中产生电流，将镍钢片插在铜线圈中增加铜线圈的磁感应强度，通过调整线圈的直径和匝数、增加镍钢片的个数和调整镍钢片的尺寸使铜线圈中产生不同大小的电流，也实现阻尼比的可调；同时铜线圈中的电流对蓄电池以充电方式加以储存，以满足结构上照明或景观的供电需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制结构振动的减振装置，尤其适用于建筑工程结构的振动控制，属于工程结构减振技术领域，具体地说是涉及一种能够抑制工程结构振动并具转化电能加以储备的减振装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，工程结构的跨度越来越大，高度越来越高，在地震或强风等外界动力荷载的作用下结构会产生较为强烈的振动，从而严重影响结构的刚度，增加结构的疲劳和损伤，最终导致结构在设计寿命未到时就失效甚至发生灾难性事故。结构振动控制可以有效地减轻结构在风、地震、车辆等动力作用下的反应和损伤积累，有效地提高结构的抗震性能，是大型工程结构减振和抗灾变的有效方法和技术。与本发明最为相近的现有技术是专利号为CN201010022003.7、公开号为CN101761146A、公开日为2010.06.30，名称为“永磁式电涡流调谐质量阻尼器”的发明，该发明通过永磁铁运动在金属导体表面形成感应电流，感应电流反过来阻碍永磁铁的运动；但该发明在实际应用中存在如下缺陷：1、由于直线轴承座倒挂在圆轴上会使质量块在与圆轴的轴线垂直的平面内晃动，导致装置结构不够稳固；2、仅利用了质量块的一面来布置磁铁，减振效果不够理想，阻尼比不高；3、通过调节永磁铁和金属导体之间的距离调节阻尼比，在阻尼调节上存在一定的限制，感应电流在电涡流中发热耗散，导致减振吸收到的能量未被利用，存在大量的能量只被电涡流消耗而不回收利用的浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种多场耦合节能调谐质量减振装置，利用力-电-磁-热的多场耦合，针对外界对工程结构的振动激励，通过铝板切割磁感线将振动机械能转为电能，用螺杆来固定铝板并通过调节铝板和强磁铁之间的距离实现阻尼比的可调，在铝板后固定铜线圈吸收铝板中电涡流产生的能量，从而在铜线圈中产生电流，将镍钢片插在铜线圈中增加铜线圈的磁感应强度，通过调整线圈的直径和匝数、增加镍钢片的个数和调整镍钢片的尺寸使铜线圈中产生不同大小的电流，也实现阻尼比的可调；同时铜线圈中的电流对蓄电池以充电方式加以储存，以满足结构上照明或景观的供电需求，整个结构采用对称形式，从两个面对质量块的能量进行吸收，使得减振、储备能源效果提高一倍，实现桥梁等大型工程结构的振动控制及振动能量转化利用。
本发明的技术方案是这样实现的：
所述的一种多场耦合节能调谐质量减振装置，主要由镍钢片1、铜线圈2、铝板3、强磁铁4、橡胶垫块5、导轨6、铁块7、端板8、螺杆9、弹簧10、蓄电池11组成，其特征是：
在减振装置的底部设置有带运动滑轮的导轨6，作为质量块的铁块7置于导轨6的运动滑轮上，橡胶垫块5分别固定于铁块7相对的两个面上且与导轨6的轴线平行，强磁铁4分别固定于橡胶垫块5的中心位置上，使得铁块7、橡胶垫块5、强磁铁4一并能够沿导轨6滑动，橡胶垫块5用于减弱强磁铁4和铁块7之间的传导，使磁感线能充分利用在铝板3上；导轨6两端由端板8支撑，在端板8的两端通过螺杆9分别固定铝板3，铜线圈2分别固定在铝板3上且轴线与固定面垂直，并且铝板3和铜线圈2与强磁铁4相对应，在铁块7、橡胶垫块5、强磁铁4一并相对铝板3运动时，使得铝板3能有效切割磁感线将振动机械能转为电能和热能，实现铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼，从而达到质量调谐阻尼的效果；镍钢片1插在铜线圈2内，以增加铜线圈2的磁感应强度，使得铜线圈2更好地吸收铝板3中电涡流的能量；铜线圈2连接于蓄电池11，使得铜线圈2中的电流对蓄电池11充电储能；铁块7和端板8之间分别设置有弹簧10，在铁块7沿导轨6运动时，由弹簧10提供对铁块7运动的阻尼；工程结构的振动方向与导轨6的轴线平行，当工程结构发生振动时，减振器的固有频率和结构的固有频率接近，减振器能把结构的能量最大可能地吸收过来变为自身的振动；铁块7沿导轨6来回运动时，固定在铁块7两侧的强磁铁4会和铝板3产生相对运动，这样铝板3中的磁通量就会发生改变，这样就导致感应电流的产生；铝板3中的感应电流会产生一个类圆形回路的电涡流，电涡流一部分经铝板3的电阻发热耗散掉；电涡流一部分产生电磁场穿过铜线圈2，在强磁铁4和铝板3相对运动过程中，铝板3中的电涡流是变化的，所以穿过铜线圈2中的磁感应强度是变化的，磁场发生变化，也即磁通量发生改变，导致铜线圈2中产生感应电流，铜线圈2中的感应电流都被蓄电池11所存储；镍钢片1对磁场有汇聚作用，使铝板3中电涡流产生的磁场都积聚在铜线圈2内。
所述的一种多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过螺杆9调节铝板3和强磁铁4之间的距离，调节铝板3切割磁感线时的磁通量，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调；
所述的一种多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过调整铜线圈2的直径和匝数，使得铜线圈2吸收铝板3中电涡流的能量可调，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调，铜线圈2的直径和匝数可根据装置的实际尺寸和减振要求来调整；
所述的一种多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过调整镍钢片1的片数和尺寸，调节铜线圈2中的磁场强度变化，使得铜线圈2吸收铝板3中电涡流的能量可调，镍钢片1的宽度和片数以能插入铜线圈2中为准，镍钢片1在铜线圈2的轴线方向的的长度可调，使得铜线圈2中产生电流强度的可调，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调。
本发明的优点：
1.利用电磁感应原理来吸收振动的能量，装置工作过程中力由磁转化为电，电又转为热和磁，磁转化为电存储在蓄电池中，涉及力-电-磁-热多场耦合，适合低碳经济发展需求，原理清楚可靠，可操作性强；
2.通过螺杆调节铝板和强磁铁的距离、增减线圈数量、调节镍钢片的尺寸，实现不同的阻尼系数，可灵活应对不同结构尺寸和不同吨位的减振需求；
3.铝板中的电能一部分发热耗散外另一部分进一步产生变化磁场在铜线圈中产生电流，蓄电池和铜线圈相连将电能存储起来可供照明使用，既可实现工程结构的可调阻尼减振又能产生清洁能源，达到绿色环保的效果。
4、切割磁感线的导体金属板选用铝板，一是可以达到比铜板略低的减振效果，二是铝板在成本上远远比铜板低；
附图说明
图1是本发明多场耦合节能调谐质量减振装置的构造示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。该实施例为针对某工程结构抑振的模拟试验，该结构减振的固有频率为w＝15，最优阻尼比在4％-6％，根据该工程结构减振要求，确定作为质量块的铁块7尺寸为100mm×100mm×100mm，材质为Q235钢，重量为16kg；端板8的材质为Q235钢材，尺寸为150mm×150mm×10mm；端板8和铁块7之间四个弹簧10的刚度系数k＝3619N/m；铝板3尺寸为150mm×400mm×20mm；橡胶垫块5的尺寸为10mm×100mm×100mm；强磁铁4的强度为5000高斯，尺寸为10mm×60mm×60mm；铜线圈2两端产生5V的电压，可带动LED灯；减振效果：阻尼比为5％，
图1是本发明实施例的构造示意图。在减振装置的底部设置有带运动滑轮的导轨6，作为质量块的铁块7置于导轨6的运动滑轮上，橡胶垫块5分别固定于铁块7相对的两个面上且与导轨6的轴线平行，强磁铁4分别固定于橡胶垫块5的中心位置上，使得铁块7、橡胶垫块5、强磁铁4一并能够沿导轨6滑动，橡胶垫块5用于减弱强磁铁4和铁块7之间的传导，使磁感线能充分利用在铝板3上；导轨6两端由端板8支撑，在端板8的两端通过螺杆9分别固定铝板3，铜线圈2分别固定在铝板3上且轴线与固定面垂直，并且铝板3和铜线圈2与强磁铁4相对应，在铁块7、橡胶垫块5、强磁铁4一并相对铝板3运动时，使得铝板3能有效切割磁感线将振动机械能转为电能和热能，实现铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼，从而达到质量调谐阻尼的效果；镍钢片1插在铜线圈2内，以增加铜线圈2的磁感应强度，使得铜线圈2更好地吸收铝板3中电涡流的能量；通过螺杆9调节铝板3和强磁铁4之间的距离，调节铝板3切割磁感线时的磁通量，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调；通过调整铜线圈2的直径和匝数，使得铜线圈2吸收铝板3中电涡流的能量可调，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调，根据装置的实际尺寸和减振要求确定铜线圈2的直径和匝数分别为10mm、500匝，铜线圈2由铜质漆包线绕成；通过调整镍钢片1的片数和尺寸，调节铜线圈2中的磁场强度变化，使得铜线圈2吸收铝板3中电涡流的能量可调，镍钢片1的宽度和片数以能插入铜线圈2中为准，镍钢片1在铜线圈2的轴线方向的的长度可调，使得铜线圈2中产生电流强度的可调，实现对铝板3切割磁感线所产生抑制强磁铁4运动的阻尼效果可调；根据已确定的铜线圈2，其插入镍钢片1的尺寸为1mm×4mm×3.5mm，共20片；铜线圈2连接于蓄电池11，使得铜线圈2中的电流对蓄电池11充电储能；铁块7和端板8之间分别设置有弹簧10，在铁块7沿导轨6运动时，由弹簧10提供对铁块7运动的阻尼；工程结构的振动方向与导轨6的轴线平行，当工程结构发生振动时，减振器的固有频率和结构的固有频率接近，减振器能把结构的能量最大可能地吸收过来变为自身的振动；铁块7沿导轨6来回运动时，固定在铁块7两侧的强磁铁4会和铝板3产生相对运动，这样铝板3中的磁通量就会发生改变，这样就导致感应电流的产生；铝板3中的感应电流会产生一个类圆形回路的电涡流，电涡流一部分经铝板3的电阻发热耗散掉；电涡流一部分产生电磁场穿过铜线圈2，在强磁铁4和铝板3相对运动过程中，铝板3中的电涡流是变化的，所以穿过铜线圈2中的磁感应强度是变化的，磁场发生变化，也即磁通量发生改变，导致铜线圈2中产生感应电流，铜线圈2中的感应电流都被蓄电池11所存储；镍钢片1对磁场有汇聚作用，使铝板3中电涡流产生的磁场都积聚在铜线圈2内。
Claims (4)
1.一种多场耦合节能调谐质量减振装置，主要由镍钢片(1)、铜线圈(2)、铝板(3)、强磁铁(4)、橡胶垫块(5)、导轨(6)、铁块(7)、端板(8)、螺杆(9)、弹簧(10)、蓄电池(11)组成，其特征是：
在减振装置的底部设置有带运动滑轮的导轨(6)，作为质量块的铁块(7)置于导轨(6)的运动滑轮上，橡胶垫块(5)分别固定于铁块(7)相对的两个面上且与导轨(6)的轴线平行，强磁铁(4)分别固定于橡胶垫块(5)的中心位置上，使得铁块(7)、橡胶垫块(5)、强磁铁(4)一并能够沿导轨(6)滑动，橡胶垫块(5)用于减弱强磁铁(4)和铁块(7)之间的传导，使磁感线能充分利用在铝板(3)上；导轨(6)两端由端板(8)支撑，在端板(8)的两端通过螺杆(9)分别固定铝板(3)，铜线圈(2)分别固定在铝板(3)上且轴线与固定面垂直，并且铝板(3)和铜线圈(2)与强磁铁(4)相对应，在铁块(7)、橡胶垫块(5)、强磁铁(4)一并相对铝板(3)运动时，使得铝板(3)能有效切割磁感线将振动机械能转为电能和热能，实现铝板(3)切割磁感线所产生抑制强磁铁(4)运动的阻尼，从而达到质量调谐阻尼的效果；镍钢片(1)插在铜线圈(2)内，以增加铜线圈(2)的磁感应强度，使得铜线圈(2)更好地吸收铝板(3)中电涡流的能量；铜线圈(2)连接于蓄电池(11)，使得铜线圈(2)中的电流对蓄电池(11)充电储能；铁块(7)和端板(8)之间分别设置有弹簧(10)，在铁块(7)沿导轨(6)运动时，由弹簧(10)提供对铁块(7)运动的阻尼；工程结构的振动方向与导轨(6)的轴线平行，当工程结构发生振动时，减振装置的固有频率和结构的固有频率接近，减振装置能把结构的能量最大可能地吸收过来变为自身的振动；铁块(7)沿导轨(6)来回运动时，固定在铁块(7)两侧的强磁铁(4)会和铝板(3)产生相对运动，这样铝板(3)中的磁通量就会发生改变，这样就导致感应电流的产生；铝板(3)中的感应电流会产生一个类圆形回路的电涡流，电涡流一部分经铝板(3)的电阻发热耗散掉；电涡流一部分产生电磁场穿过铜线圈(2)，在强磁铁(4)和铝板(3)相对运动过程中，铝板(3)中的电涡流是变化的，所以穿过铜线圈(2)中的磁感应强度是变化的，磁场发生变化，也即磁通量发生改变，导致铜线圈(2)中产生感应电流，铜线圈(2)中的感应电流都被蓄电池(11)所存储；镍钢片(1)对磁场有汇聚作用，使铝板(3)中电涡流产生的磁场都积聚在铜线圈(2)内。
2.根据权利要求1所述多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过螺杆(9)调节铝板(3)和强磁铁(4)之间的距离，调节铝板(3)切割磁感线时的磁通量，实现对铝板(3)切割磁感线所产生抑制强磁铁(4)运动的阻尼效果可调。
3.根据权利要求1所述多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过调整铜线圈(2)的直径和匝数，使得铜线圈(2)吸收铝板(3)中电涡流的能量可调，实现对铝板(3)切割磁感线所产生抑制强磁铁(4)运动的阻尼效果可调，铜线圈(2)的直径和匝数可根据装置的实际尺寸和减振要求来调整。
4.根据权利要求1所述多场耦合节能调谐质量减振装置，其特征是：通过调整镍钢片(1)的片数和尺寸，调节铜线圈(2)中的磁场强度变化，使得铜线圈(2)吸收铝板(3)中电涡流的能量可调，镍钢片(1)的宽度和片数以能插入铜线圈(2)中为准，镍钢片(1)在铜线圈(2)的轴线方向的的长度可调，使得铜线圈(2)中产生电流强度的可调，实现对铝板(3)切割磁感线所产生抑制强磁铁(4)运动的阻尼效果可调。
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