CN102797786B - 一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器，它由电涡流耗能单元、弹性缓冲单元、电磁屏蔽部件、轴向位移导向单元和支撑部件组合构成；弹性缓冲单元、电涡流耗能单元、轴向位移导向单元按顺序从底至上依次嵌套在支撑部件上面；作为阻尼器核心部件的电涡流耗能单元，其底部与弹性缓冲单元顶部相连接，其顶部则与轴向位移导向单元底部相连接；该阻尼器顶端设有柔性球形绞座，与轴向位移导向单元相连，同时连接外部负载，并输出阻尼力；该阻尼器底端设有柔性球形绞座，用于固定阻尼器；本发明具有阻尼系数可调，高阻尼力与阻尼器整体质量比值，结构紧凑，可靠性高等优点，它在结构振动控制技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器，该装置能对结构的轴向振动进行抑制。

背景技术

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。

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。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，其阻尼特性好、可靠性高，阻尼系数大小可调，其结构紧凑，可以应用于航天相关器件以及其它精密器械的减振需求。

电涡流阻尼器属于电（磁）感应式耗能器，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。

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。在这种情况下，电涡流阻尼器可以很好的发挥自己的有点。

目前电涡流阻尼器在航天、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。此类电涡流阻尼器结构较简单，不能方便的调节阻尼系数的大小，磁场的利用率不高，导致金属板内的电涡流较小，从而影响阻尼力与阻尼器质量比值的大小，为了达到阻尼效果，其尺寸都很大，导致重量很重，很大程度上影响到电涡流阻尼器的在航天中的应用。

本发明提出了一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器结构设计方案，具有阻尼系数可调，高阻尼力与阻尼器质量比值，结构紧凑，可靠性高，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能对精密机械结构的轴向振动进行抑制的阵列式新型高性能电涡流阻尼器，它具有阻尼系数可调，高阻尼力与阻尼器整体质量比值，结构紧凑，可靠性高等优点。

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，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，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。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。

阻尼器的磁路确定之后，为了实现阻尼比可调，可以通过改变电涡流阻尼源的数目来实现。具体的方法是通过一定的方式将多个图1所示的电涡流阻尼源组合在一起，显然阻尼器阻尼力的大小取决于电涡流阻尼源的数目。

根据上述原理，本发明一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器，由电涡流耗能单元、弹性缓冲单元、电磁屏蔽部件、轴向位移导向单元和支撑部件组合构成。它们之间的位置连接关系是：弹性缓冲单元、电涡流耗能单元、轴向位移导向单元按顺序从底至上依次嵌套在支撑部件上面，如图3a所示。作为阻尼器核心部件的电涡流耗能单元，其底部与弹性缓冲单元顶部相连接，其顶部则与轴向位移导向单元底部相连接；该阻尼器顶端设有柔性球形绞座，与轴向位移导向单元相连，同时连接外部负载并输出阻尼力；阻尼器底端设有柔性球形绞座，用于固定阻尼器。

所述电涡流耗能单元包括电涡流阻尼源胞和固定软铁，其之间的关系是：电涡流阻尼源胞对称的分布在电涡流耗能单元内部，构成一个阵列，固定软铁分布在相邻电涡流阻尼源胞之间。电涡流阻尼源胞的具体数目可根据设定的阻尼力大小确定，一般至少为四个。其功能是通过各个电涡流阻尼源胞，在外部负载的作用下，发热耗能，输出阻尼力。该电涡流阻尼源胞包括永磁体阵列、条形软铁和电涡流板，其之间的关系是：该永磁体阵列由多块分布在电涡流板两侧的条形永磁体按规律排列而成，两侧条形永磁体之间留有微小间隙，电涡流板插于两侧条形永磁体之间的间隙内。具体的排布方式是：电涡流板同一侧的条形永磁体均匀分布且用条形软铁隔开，且二者的充磁方向相反；电涡流板另一侧的条形永磁体以同样的方式布置。其功能是在电涡流板中形成多个方向交替变化的均匀磁场，电涡流板在中间运动，发热耗能，形成一个阻尼器件；该电涡流板是矩形铜质薄板，穿插于永磁体阵列中间的间隙中，其顶端与轴向位移导向单元一端相连，用于向外输出阻尼力；另一端与底部弹性缓冲单元相连。其功能是通过电涡流板在方向交替变化的均匀磁场中运动来产生阻尼力。该条形软铁是由高磁导率的软铁制成，其长度方向的尺寸等于条形永磁体的长度，分布在条形永磁体之间的间隙中，用于增强电涡流板所处间隙内的磁场强度。该固定软铁是由高磁导率的软铁制成，如图4a所示，其长度方向的尺寸m等于电涡流板的长度l，分布在相邻电涡流阻尼源胞之间，用于固定电涡流阻尼源胞中的永磁体阵列和条形软铁，同时增强电涡流板所处间隙内的磁场强度。

所述弹性缓冲单元由弹簧、弹簧固定导向端和弹簧末端定位部件构成，其之间的关系是：弹簧末端定位部件固定在电涡流阻尼器底部，弹簧一端与之相连，另一端与弹簧固定导向端底部相连。其功能是为在外部载荷输入过程中，为电涡流耗能单元提供一个反向的弹力。该弹簧是一个高性能圆柱螺旋压缩弹簧；该弹簧固定导向端是中间带孔的带台阶的圆柱形零件；该弹簧末端定位部件是带台阶的套筒式零件。

所述轴向位移导向单元由负载杆和电磁屏蔽罩顶板构成，之间的关系是：负载杆一端与电涡流耗能单元里的电涡流板连接在一起，另一端与顶端柔性球形绞座连接，该负载杆是空心的圆管，该电磁屏蔽罩顶板是中间带孔且孔内外周围设有凸起部分的矩形零件，其凸起部分用于支撑该负载杆。其功能是提高阻尼器轴向运动定位精度，同时通过外部结构的运动带动电涡流耗能单元运动，将电涡流耗能单元产生的阻尼力提供给外部结构。

所述电磁屏蔽部件是由高磁导率合金板制成的密封薄壁外壳，它包括电磁屏蔽罩底板、电磁屏蔽罩侧板和电磁屏蔽罩顶板。其电磁屏蔽罩顶板开有一小圆孔，并有凸起部分，用于支撑负载杆。该电磁屏蔽罩底板是中间带孔的矩形零件，该电磁屏蔽罩侧板是底部带孔的矩形筒式零件。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；

所述支撑部件是一金属的空心支撑杆，其底部与阻尼器底端柔性球形绞座和支撑帽固结，另一端穿插于轴向位移导向单元内部的负载杆之中。其功能是支撑电涡流阻尼器各结构单元。

本发明的工作情况简介如下：电涡流耗能单元中的永磁体阵列在电涡流板两侧形成一个方向上交替变化磁场，电涡流板在外部负载的带动下，在永磁体间隙中往复运动，切割磁感线，于是在电涡流板表面产生了涡电流。当涡电流产生后，磁场便对电涡流板产生力的作用，阻止其运动，即产生了阻尼力。通过轴向位移导向单元反作用于外部主体结构，以削弱其振动。同时，弹性缓冲单元为电涡流耗能单元提供一个反向的弹力，以提高阻尼器的动刚度。同时，电涡流耗能单元中的电涡流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电涡流板中的涡电流，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电磁屏蔽部件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）本发明的阵列式新型高性能电涡流阻尼器，其阻尼力大小可以方便的调节：改变电涡流耗能单元结构，即增加或者减少电涡流阻尼源胞数目；从而阻尼系数可以在很大的范围内设定。

2）本发明的阵列式新型高性能电涡流阻尼器，结构紧凑，具有较高的阻尼力与阻尼器质量比值，具有很广泛的应用空间。

2）本发明的阵列式新型高性能电涡流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，适用于供电不方便的地方，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。

3）本发明的阵列式新型高性能电涡流阻尼器结构简单、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。

4）本发明的阵列式新型高性能电涡流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。

5）本发明的阵列式新型高性能电涡流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。

附图说明

图1为本发明的工作原理图

在图中：

S表示磁场南极，N表示磁场北极；

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3a为阵列式新型高性能电涡流阻尼器整体结构布局图；

图3b为图3a中的A-A剖面图；

图3c为图3b中的B-B剖面图；

在图中：

1-底端柔性球形绞座2-支撑帽3-电磁屏蔽罩底板4-弹簧末端定位部件5-弹簧6-弹簧固定导向端7-定位圆环8-条形永磁体9-条形软铁10-电涡流板11-负载杆12-顶端柔性球形绞座13-电磁屏蔽罩顶板14-电磁屏蔽罩侧板15-空心支撑杆16-固定软铁

图4a为固定软铁的正视图；

图4b为固定软铁的左视图；

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1所示，两列永磁体与软铁相间排列，永磁体磁场方向交替变化，于是在二者间隙之中形成一个方向交替变化的均匀恒定的磁场。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。

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。

一种阵列式新型高性能电涡流阻尼器，如图3a所示，由电涡流耗能单元、弹性缓冲单元、电磁屏蔽部件、轴向位移导向单元和支撑部件组合构成。它们之间的位置连接关系是：弹性缓冲单元、电涡流耗能单元、连接部件按顺序从底至上依次嵌套在支撑部件上面。作为阻尼器核心部件的电涡流耗能单元，其底部与弹性缓冲单元顶部相连接，其顶部则与轴向位移导向单元底部相连接；阻尼器设有顶端柔性球形绞座12，与轴向位移导向单元相连，同时连接外部负载，并输出阻尼力；阻尼器设有底端柔性球形绞座1，用于固定阻尼器。电涡流耗能单元中的电涡流阻尼源胞的电涡流板10的上端接有负载杆11，下端接有定位圆环7，进而与弹性缓冲单元中的弹簧固定导向端6相连接；电涡流阻尼器中间装有空心支撑杆15，用以支撑电涡流阻尼源胞及弹性缓冲单元；该阻尼器最外层为一高磁导率电磁屏蔽罩，包括电磁屏蔽罩侧板14，电磁屏蔽罩顶板13以及电磁屏蔽罩底板3；电涡流阻尼器两端焊接有柔性球形绞座，其中底端柔性球形绞座1焊接有支撑帽2，顶端柔性球形绞座12与负载杆11固结。

所述电涡流耗能单元包括电涡流阻尼源胞和固定软铁16，如图3b所示，电涡流阻尼源胞对称的分布在电涡流耗能单元内部，构成一个阵列，固定软铁16分布在相邻电涡流阻尼源胞之间。电涡流阻尼源胞的具体数目可根据设定的阻尼力大小确定，一般至少为四个。

所述电涡流阻尼源胞结构包括永磁体阵列、条形软铁9和电涡流板10，如图3c所示，其之间的关系是：永磁体阵列由多块分布在电涡流板10两侧的条形永磁体8按规律排列而成，两侧条形永磁体8之间留有微小间隙，电涡流板10插于两侧条形永磁体8之间的间隙内。该永磁体阵列是由多块条形永磁体按规律排列而成。具体的排布方式是：电涡流板10同一侧的条形永磁体8均匀分布且用条形软铁9隔开，且二者的充磁方向相反；电涡流板10另一侧的条形永磁体8以同样的方式布置。该条形软铁9是由高磁导率的软铁制成，其长度方向的尺寸等于条形永磁体8的长度，分布在条形永磁体8之间的间隙中，用于增强电涡流板10所处间隙内的磁场强度。该固定软铁16是由高磁导率的软铁制成，如图4a、图4b所示，其长度方向的尺寸m等于电涡流板10的长度l，分布在相邻电涡流阻尼源胞之间，用于固定电涡流阻尼源胞中的永磁体阵列和条形软铁9，同时增强电涡流板10所处间隙内的磁场强度。

所述弹性缓冲单元由弹簧5、弹簧固定导向端6、弹簧末端定位部件4构成。弹簧末端定位部件4固定在电涡流阻尼器底部，弹簧5一端与之相连，另一端与弹簧顶端导向管6底部相连。该弹簧5是一个高性能圆柱螺旋压缩弹簧；该弹簧固定导向端6是中间带孔的带台阶的圆柱形零件；该弹簧末端定位部件4是带台阶的套筒式零件。

当与所述阵列式新型高性能电涡流阻尼器相连的主结构发生振动时，负载杆11带动电涡流板10运动，从而会在电涡流板10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，并且可以通过调整电涡流阻尼源胞的数目来实现电涡流阻尼大小的调节。当电涡流筒10向下运动时，将会受到固定在阻尼器底端的弹簧5对其的反作用力，起到弹性缓冲作用。

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)

1.一种阵列式高性能电涡流阻尼器，其特征在于：它由电涡流耗能单元、弹性缓冲单元、电磁屏蔽部件、轴向位移导向单元和支撑部件组合构成；弹性缓冲单元、电涡流耗能单元和轴向位移导向单元按顺序从底至上依次嵌套在支撑部件上面，电涡流耗能单元的底部与弹性缓冲单元顶部相连接，其顶部则与轴向位移导向单元底部相连接；该阻尼器顶端设有柔性球形绞座，与轴向位移导向单元相连，并连接外部负载输出阻尼力；阻尼器底端设有柔性球形绞座，用于固定阻尼器；

所述电涡流耗能单元包括电涡流阻尼源胞和固定软铁，电涡流阻尼源胞对称的分布在电涡流耗能单元内部，构成一个阵列，固定软铁分布在相邻电涡流阻尼源胞之间；电涡流阻尼源胞的数目根据设定的阻尼力大小确定，至少为四个；其功能是通过各个电涡流阻尼源胞，在外部负载的作用下，发热耗能，输出阻尼力；该电涡流阻尼源胞包括永磁体阵列、条形软铁和电涡流板，该永磁体阵列由多块分布在电涡流板两侧的条形永磁体按规律排列而成，两侧条形永磁体之间留有间隙，电涡流板插于两侧条形永磁体之间的间隙内；具体排布方式是：电涡流板同一侧的条形永磁体均匀分布且用条形软铁隔开，且二者的充磁方向相反；电涡流板另一侧的条形永磁体以同样的方式布置；其功能是在电涡流板中形成多个方向交替变化的均匀磁场，电涡流板在中间运动，发热耗能，形成一个阻尼器件；该电涡流板是矩形铜质薄板，穿插于永磁体阵列中间的间隙中，其顶端与轴向位移导向单元一端相连，用于向外输出阻尼力；另一端与底部弹性缓冲单元相连，其功能是通过电涡流板在方向交替变化的均匀磁场中运动来产生阻尼力；该条形软铁是由高磁导率的软铁制成，其长度方向的尺寸等于条形永磁体的长度，分布在条形永磁体之间的间隙中，用于增强电涡流板所处间隙内的磁场强度；该固定软铁是由高磁导率的软铁制成，其长度方向的尺寸等于电涡流板的长度，分布在相邻电涡流阻尼源胞之间，用于固定电涡流阻尼源胞中的永磁体阵列和条形软铁，同时增强电涡流板所处间隙内的磁场强度；

所述弹性缓冲单元由弹簧、弹簧固定导向端和弹簧末端定位部件构成，弹簧末端定位部件固定在电涡流阻尼器底部，弹簧一端与之相连，另一端与弹簧固定导向端底部相连；其功能是为在外部载荷输入过程中，为电涡流耗能单元提供一个反向的弹力；该弹簧是一个高性能圆柱螺旋压缩弹簧；该弹簧固定导向端是中间带孔的带台阶的圆柱形零件；该弹簧末端定位部件是带台阶的套筒式零件；

所述轴向位移导向单元由负载杆和电磁屏蔽罩顶板构成，该负载杆一端与电涡流耗能单元里的电涡流板连接在一起，另一端与顶端柔性球形绞座连接，该负载杆是空心的圆管，该电磁屏蔽罩顶板是中间带孔且孔内外周围设有凸起部分的矩形零件，其凸起部分用于支撑该负载杆；其功能是提高阻尼器轴向运动定位精度，同时通过外部结构的运动带动电涡流耗能单元运动，将电涡流耗能单元产生的阻尼力提供给外部结构；

所述电磁屏蔽部件是由高磁导率合金板制成的密封薄壁外壳，它包括电磁屏蔽罩底板、电磁屏蔽罩侧板和电磁屏蔽罩顶板；其电磁屏蔽罩顶板开有一小圆孔，并有凸起部分，用于支撑负载杆；该电磁屏蔽罩底板是中间带孔的矩形零件，该电磁屏蔽罩侧板是底部带孔的矩形筒式零件，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；

所述支撑部件是一金属的空心支撑杆，其底部与阻尼器底端柔性球形绞座和支撑帽固结，另一端穿插于轴向位移导向单元内部的负载杆之中，其功能是支撑电涡流阻尼器各结构单元。

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