CN102777525B - 一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，它是由电涡流耗能单元、磁性缓冲单元、电磁屏蔽罩和连接部件组合构成；电涡流耗能单元和磁性缓冲单元分别分布在阻尼器两端，电涡流耗能单元中的电涡流筒插入电涡流耗能单元的内、外永磁体之间的磁场内，其顶端与连接部件一端相连，用于连接外部负载；另一端与底部磁性缓冲单元中的活动永磁体相连；阻尼器底部设有一个由两块极性方向相反的活动永磁体和固定永磁体组成的磁性缓冲单元，其中上部的活动永磁体与电涡流筒末端固结，并随之运动，另一固定永磁体则固定在阻尼器底端。它具有结构简单、非接触、无需工作介质、寿命长及刚度与阻尼可控等特点，在结构振动控制技术领域里具有实用价值。

Description

一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，该装置能对结构的轴向振动进行抑制。

技术背景

航空、航天、机械、土木以及环境等许多工程领域都普遍存在着振动问题，可带来噪声、设施疲劳等危害。有效地控制振动，降低振动带来的危害，一直是工程技术人员的研究重点。关于结构振动控制研究早在20世纪始于机械工程，而后发展到航空航天工程。

传统的结构减振方式是通过增强结构本身的抗振动性能（强度、刚度）延性来抵御外界激励作用，即由结构本身储存和消耗振动能量，这是被动消极的抗振对策。合理有效的抗振途径是对结构施加抗振装置，由抗振装置与结构共同储存和耗散振动能量，以调节和减轻结构的振动作用反应。结构耗能减震技术是在结构物的某些部位（如支撑、节点、连接件）等设置耗能装置，通过耗能装置产生摩擦、弯曲、弹塑性滞回变形来耗散或吸收振动输入结构中的能量，以减小主体结构的振动响应。耗能减震器可依据不同的材料，不同的耗能机理和不同的构造来制造。目前研发的耗能减震器种类很多，依耗能减震器的耗能机理可分为摩擦耗能器、弹塑性耗能器、粘弹性耗能器、粘滞性阻尼器和电（磁）感应式耗能器。

目前在结构振动控制技术领域得到广泛应用的是粘滞性阻尼器，特别是油液式阻尼器。这类阻尼器主要结构包括缸体、粘滞液体、活塞、活塞杆、阻尼材料腔、密封端套、密封环等部件。此类阻尼器在工作的过程中需要液体介质，因而对密封性能要求较高，而且也不适用于一些温度变化剧烈的场合，比如航天器在轨运行中，工况十分复杂、恶劣，对阻尼器性能的可靠性要求很高。

电涡流阻尼器属于电（磁）感应式耗能器，现有的电涡流阻尼器，一般都是基于导体（非导磁材料）在磁场中运动或在交变磁场中产生电涡流效应的原理来工作。当涡电流产生后，磁场便会对导体产生力的作用，阻止导体的运动，即产生了阻尼力。导体内产生的涡电流以热能的形式通过阻尼器耗散到周围的介质中。于是电涡流阻尼器不断地将振源传过来的动能转化为导体中的涡电流，又将涡电流转化成热能，达到耗能减振的目的。相比其他传统阻尼器，电涡流阻尼器具有结构简单、非接触、无需工作介质、寿命长及刚度与阻尼可控等特点，特别是非接触性，它不改变结构的动态特性或者导致质量局部集中以及增加系统的刚度，在工作过程中不需要粘性介质、密封部件以及定期的维护。

目前在土木、建筑减震领域有相关应用研究，大都是利用一块或者多块金属板与永磁体之间的相对运动产生来产生阻尼力，且利用弹簧等弹性元件使金属板恢复平衡位置。此类电涡流阻尼器结构较简单，没有充分利用永磁体的磁场，导致金属板内的电涡流较小，从而影响阻尼力的大小，并且金属弹簧容易产生摩擦，影响其可靠性。因此，为了达到阻尼效果，其尺寸都很大，重量很重，很大程度上影响到电涡流阻尼器的推广应用。

航天器在轨道中长期运行，工作环境恶劣，维护不便，这对阻尼器的性能、使用寿命提出了苛刻的要求，在这种情况下，电涡流阻尼器可以很好的发挥自己的有点。显然现有的电涡流阻尼器不适用于航天器的需求。鉴于此，本发明提出了一种新型的电涡流阻尼器结构设计方案，其结构紧凑，阻尼特性好、可靠性高，且对中性较好，可以应用于航天相关器件以及其它精密器械的减振需求。

发明内容

1、目的：本发明的目的是设计和提供一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，它具有结构简单、非接触、无需工作介质、寿命长及刚度与阻尼可控等特点，特别是非接触性，它不改变结构的动态特性或者导致质量局部集中以及增加系统的刚度，在工作过程中不需要粘性介质、密封部件以及定期的维护。

2、技术方案：电涡流阻尼器是利用电磁感应原理产生阻尼的一种阻尼减振装置。电涡流阻尼器的工作原理是：阻尼器安装在振源与减振设备之间时，如图1所示，当振动输入时，带动阻尼器内部的金属板单元切割永磁体产生的磁场，于是在金属板单元表面产生了涡电流，涡电流的方向符合Fleming右手法则。当涡电流产生后，磁场便会对载流金属板产生力的作用，阻止金属板的运动，即产生了阻尼力。阻尼力的方向符合Flemin左手法则。金属板内产生的涡电流以热能的形式通过阻尼器耗散到周围的介质中。于是电涡流阻尼器不断地将振源传过来的动能转化为金属板单元中的涡电流，又将涡电流转化成热能，达到耗能减振的目的。

为了提高阻尼系数，可以通过尽可能的增加导体内的磁通变化量来达到目的。如图2所示，当导体所处的磁场在其运动方向上交替变化时，在其内部会形成相应数量的电涡流，与单一磁场方向的结构方案比较而言，阵列方案中将会产生更大的电涡流，继而输出更大的阻尼力，具备较好的阻尼性能。

根据上述原理，本发明一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，它是由电涡流耗能单元、磁性缓冲单元、电磁屏蔽罩和连接部件组合构成；它们之间的位置连接关系是：电涡流耗能单元和磁性缓冲单元分别分布在阻尼器两端，电涡流耗能单元中的电涡流筒插入电涡流耗能单元的内、外永磁体之间的磁场内，其顶端与连接部件一端相连，用于连接外部负载；另一端与底部磁性缓冲单元中的活动永磁体相连；阻尼器底部设有一个由两块极性方向相反的活动永磁体和固定永磁体组成的磁性缓冲单元，其中上部的活动永磁体与电涡流筒末端固结，并随之运动，另一固定永磁体则固定在阻尼器底端；其结构如图3所示。

所述电涡流耗能单元包括永磁体阵列、电涡流筒、永磁体安装架；其之间的关系是：永磁体阵列由多块内、外永磁体按规律排列而成，内、外永磁体之间留有微小间隙，通过永磁体安装架固定位置，电涡流筒穿插于内、外永磁体之间的间隙内；该永磁体阵列是由多块环状的内、外永磁体按规律排列而成。永磁体阵列中的同一圆周层面上的内、外永磁体充磁方向相同；相邻圆周层面的内、外永磁体充磁方向相反。阵列的层数可根据设定的阻尼力大小确定，一般至少为三层。其功能是在涡流筒中形成多个磁场，电涡流筒在中间运动，发热耗能，形成一个阻尼器件；该电涡流筒是薄壁铜质圆筒，穿插于内、外永磁体阵列中间的间隙中，其顶端与连接部件一端相连，用于连接外部负载；另一端与底部磁性缓冲单元中的活动永磁体相连；其功能是在外部负载的作用下，通过磁场中运动发热耗能，输出阻尼力；该永磁体安装架包括内永磁体安装架和外永磁体安装架，都是一个内部有若干个卡槽的铝制薄壁圆筒，卡槽的尺寸由单个内、外永磁体的尺寸来确定，其功能是用于固定内、外永磁体的相对位置；

所述磁性缓冲单元由两块极性相反的活动永磁体和固定永磁体构成，其之间的关系是：活动永磁体与电涡流筒末端固结，并随之运动，另一固定永磁体则固定在阻尼器底端；该活动、固定永磁体都是轴向充磁的圆环状的永磁体，其功能是通过相反磁极之间的排斥力为电涡流筒提供一个反向的弹力；

所述电磁屏蔽罩是由高磁导率合金制成的密封薄壁圆筒，其顶部开有一小圆孔，用于安装连接部件。其功能是屏蔽装置中各永磁体产生的磁场，防止其影响周围其它元器件，提高其电磁兼容特性；

所述连接部件是由一实心金属杆和金属圆盘连接而成，二者均为非导磁材料。其中实心金属杆用于与外部主体结构连接，金属圆盘与电涡流筒顶端连接，其功能是通过外部结构的运动带动电涡流筒的运动，同时将电涡流筒产生的阻尼力提供给外部结构。

本发明一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器的工作情况简介如下：电涡流耗能单元中的永磁体阵列在其内、外永磁体之间形成一个方向上交替变化磁场，电涡流筒在外部负载的带动下，在内、外永磁体间隙中往复运动，切割磁感线，于是在电涡流筒表面产生了涡电流。当涡电流产生后，磁场便对电涡流筒产生力的作用，阻止其运动，即产生了阻尼力。通过连接部件反作用于外部主体结构，以削弱其振动。同时，磁性缓冲单元通过相反磁极之间的排斥力为电涡流筒提供一个反向的弹力，以提高阻尼器的动刚度。同时，电涡流筒内产生的涡电流以热能的形式通过阻尼器耗散到周围的介质中。于是电涡流阻尼器不断地将振源传过来的动能转化为电涡流筒中的涡电流，又将涡电流转化成热能，达到耗能减振的目的。在这整个过程中，由高磁导率合金制成的密封薄壁圆筒能有效的屏蔽永磁体产生的磁场，防止其影响周围其它元器件。

3、优点及功效：本发明的优点在于：

1）本发明的电涡流耗能阻尼器，由于磁场强度的大小与永磁体尺寸相关，因此可以通过改变永磁体尺寸来调整磁场的大小和电涡流强度，并且改变阵列中永磁体的层数也可以方便的改变电涡流筒中的电涡流强度，从而阻尼系数可以在很大的范围内设定，并且可设定在最佳值。

2）本发明的电涡流耗能阻尼器由于导体材料以及磁体的物理特性几十年是不会发生大的变化的，因此阻尼系数的时间稳定性很好，可以实现几十年不变，从而保证了这种电涡流耗能阻尼器的最佳减振效果长期保持不变。

3）本发明的电涡流耗能阻尼器具有非接触性特点，即在工作过程中，它不改变结构的动态特性或者导致质量局部集中以及增加系统的刚度。

4）本发明的电涡流耗能阻尼器采用永磁体来提供现成电涡流所需的磁场，无需外界能源，就可以实现较大的阻尼比，特别是用于户外结构如桥梁、输电塔、航天器等供电不方便的地方，从而避免由于不方便或不能保证可靠供电而给阻尼器使用造成的障碍。

5）本发明的电涡流耗能阻尼器不依靠机械摩擦能，没有应力集中元件，也不存在密封问题，因此可靠性和寿命将大大高于其它传统耗能阻尼器。

6）本发明的电涡流耗能阻尼器底部的弹性结构不依靠弹簧器件，而是磁体的相互排斥力。不存在弹簧元件中材料之间的摩擦导致的非线性问题，也没有弹簧的使用寿命问题。

7）本发明的电涡流耗能阻尼器结构简单、易制造。由于稳定性好，又无需复杂的传动机构，故而几乎不需要保养。与传统的液压阻尼器相比，在工作过程中不需要粘性介质、密封部件以及定期的维护，节省了很多资源。

8）本发明的电涡流耗能阻尼器的外部电磁屏蔽壳可以有效地屏蔽永磁体产生的磁场，防止其影响周围其它元器件，具备良好的电磁兼容特性。

9）本发明的电涡流耗能阻尼器由于结构简单，制造方便，产品可以实现系列化、标准化。

10）本发明的电涡流耗能阻尼器与主题结构连接方便，只需将阻尼器的顶端连接部件与主结构固定即可。

附图说明

图1a为本发明的工作原理图

在图中：

F表示金属板所受到的外力，v表示金属板的运动速度，B表示金属板所处磁场的磁感应强度，E表示涡流电场的强度；

图1b为图1中一截块的断面示意图

在图中：

2a、2b分别表示磁场区域的长、宽，vB表示金属板的运动速度，Ecy表示电场强度；

图2为阵列电涡流原理图

在图中：

v表示金属板的运动速度；

图3为本发明阻尼器结构图示，箭头表示磁场方向；

在图中：

1-连接部件，2-电磁屏蔽罩，3-电涡流筒，4-内永磁体安装架，5-内永磁体，6-外永磁体，7-外永磁体安装架，8-活动永磁体，9-固定永磁体；

图4为本发明内永磁体安装架结构示意图

图5为本发明外永磁体安装架结构示意图

图6a为本发明电涡流筒结构正视图

图6b为本发明电涡流筒结构左视图

具体实施方式

在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。

注意，相同的附图标记用于相同的元件并且不作重复描述。

如图1a、b所示，当振动输入时，带动阻尼器内部的金属板单元切割永磁体产生的磁场，于是在金属板单元表面产生了涡电流，涡电流的方向符合Fleming右手法则。

如图2所示，当导体所处的磁场在其运动方向上交替变化时，在其内部会形成相应数量的电涡流，与单一磁场方向的结构方案比较而言，阵列方案中将会产生更大的电涡流，继而输出更大的阻尼力，具备较好的阻尼性能。

如图3所示，一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，包括永磁体阵列中的内永磁体5，外永磁体6以及支撑它们的内永磁体安装架4和外永磁体安装架7；并且还包括穿插于内、外永磁体之间的电涡流筒3；所述电涡流筒3的上端接有连接部件1，下端接有活动永磁体8，该活动永磁体8下方设有固定永磁体9；该阻尼器最外层为一高磁导率电磁屏蔽罩2。图4、图5为本发明内、外永磁体安装架结构示意图；图6a、图6b为本发明电涡流筒结构的正视图、左视图。

所述永磁体阵列的同一圆周层面上的内、外永磁体5、6充磁方向相同，例如内永磁体5跟外永磁体6的方向相同，且都为径向充磁；相邻圆周层面的内、外永磁体5、6充磁方向相反，并且内、外永磁体5、6至少为三层。

所述电涡流耗能阻尼器底部的活动永磁体8跟固定永磁体9充磁方向相反，且都为轴向。

当与所述电涡流耗能阻尼器相连的主结构发生振动时，连接部件1带动电涡流筒3运动，从而会在电涡流筒3中产生抑制其运动的电涡流，形成电涡流耗能阻尼器耗能所需的阻尼，并且可以通过调整磁体阵列中内、外永磁体的层数来实现电涡流阻尼大小的调节。当电涡流筒3向下运动时，与其末端固结的活动永磁体8将会受到固定在阻尼器底端的固定永磁体9对其的斥力，起到无接触的弹性缓冲作用。

虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所述示例性实施例或结构。相反，本发明旨在包含不同的修改和等效的配置。另外，虽然示例性实施例的各种元件以示例性的不同组合与配置来显示，但是包括更多、更少或单一元件的其它组合和配置同样是在本发明的精神和范围内的。

Claims (1)

1.一种用于抑制轴向振动的电涡流耗能阻尼器，其特征在于：它是由电涡流耗能单元、磁性缓冲单元、电磁屏蔽罩和连接部件组合构成；电涡流耗能单元和磁性缓冲单元分别分布在阻尼器两端，电涡流耗能单元中的电涡流筒插入电涡流耗能单元的内、外永磁体之间的磁场内，阻尼器底部设有一个由两块极性方向相反的活动永磁体和固定永磁体组成的磁性缓冲单元，其中上部的活动永磁体与电涡流筒末端固结，并随之运动，固定永磁体则固定在阻尼器底端；

所述电涡流耗能单元包括永磁体阵列、电涡流筒、永磁体安装架；永磁体阵列由复数块内、外永磁体按规律排列而成，内、外永磁体之间留有微小间隙，通过永磁体安装架固定位置，电涡流筒穿插于内、外永磁体之间的间隙内；该永磁体阵列是由复数块环状的内、外永磁体按规律排列而成，永磁体阵列中的同一圆周层面上的内、外永磁体充磁方向相同，相邻圆周层面的内、外永磁体充磁方向相反；阵列的层数根据设定的阻尼力大小确定，至少为三层；其功能是在电涡流筒中形成复数个磁场，电涡流筒在中间运动，发热耗能，形成一个阻尼器件；该电涡流筒是薄壁铜质圆筒，穿插于内、外永磁体阵列中间的间隙中，其顶端与连接部件一端相连，用于连接外部负载；另一端与底部磁性缓冲单元中的活动永磁体相连；其功能是在外部负载的作用下，通过磁场中运动发热耗能，输出阻尼力；该永磁体安装架包括内永磁体安装架和外永磁体安装架，都是一个内部有复数个卡槽的铝制薄壁圆筒，卡槽的尺寸由单个内、外永磁体的尺寸来确定，其功能是用于固定内、外永磁体的相对位置；

所述磁性缓冲单元由两块极性相反的活动永磁体和固定永磁体构成，活动永磁体与电涡流筒末端固结，并随之运动，固定永磁体则固定在阻尼器底端；该活动、固定永磁体是轴向充磁的圆环状的永磁体，其功能是通过相反磁极之间的排斥力为电涡流筒提供一个反向的弹力；

所述电磁屏蔽罩是由高磁导率合金制成的密封薄壁圆筒，其顶部开有一小圆孔，用于安装连接部件；其功能是屏蔽装置中各永磁体产生的磁场，防止其影响周围其它元器件，提高其电磁兼容特性；

所述连接部件是由一实心金属杆和金属圆盘连接而成，二者均为非导磁材料；其中实心金属杆用于与外部主体结构连接，金属圆盘与电涡流筒顶端连接，其功能是通过外部结构的运动带动电涡流筒的运动，同时将电涡流筒产生的阻尼力提供给外部结构。

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