CN103233997A - 一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其由电涡流阻尼系统，导向系统与连接系统构成。电涡流阻尼系统由圆形磁体和一个双层圆管组成，双层圆管由强导磁材料制成的外圆管和由强导电隔磁材料制成的内圆管嵌套构成。导向系统由导向环、内导向轴和空心圆形支承柱构成，具有内外两层导向功能，但也可以视情况只设置一种导向功能。连接系统由双层圆管上端的连结块和圆形磁体下端的支座构成。本阻尼器独特的双层圆管设计使得只需在导电体管内侧设置一组圆形磁体，全部磁力线都会垂直切割导电体内圆管并且不会在双层圆管以外分布，同时达到提高电涡流效率和对外屏蔽磁场的目的。

Description

一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器

技术领域

本发明主要涉及一种利用电涡流原理的轴向力阻尼器，属于结构振动控制技术领域。

  

背景技术

阻尼器可以抑制从微型仪表到巨型结构的振动。电涡流阻尼器是一种性能优越，极具发展前景的一种减振阻尼装置。电涡流的基本原理是：当导体切割磁力线时，会在导体中产生电涡流，以致产生电阻热效应来消耗振动能量；电涡流又会产生与原磁场方向相反的新磁场，从而产生与导体运动方向相反的阻尼力，起到减振耗能的作用。相比已有的一些阻尼装置，它不依靠机械摩擦耗能，不存在密封和漏液问题，阻尼容易调节，构造简单，大大提高了其可靠性和耐久性，特别适合于要求疲劳寿命长且不易维护的结构，如桥梁和航天器等等。电涡流阻尼器也存在低频状态工作效率低和漏磁现象，是进一步推广应用亟待解决的关键问题。目前结构减振用的电涡流阻尼器可以分为两类。一类是平板式阻尼器，优点是可在平面内任意方向提供阻尼力，缺点是漏磁问题影响阻尼器效率和应用范围。另一类是轴向力阻尼器，一般做成圆形，效率较高且易于解决漏磁问题。国内已公布的发明使用内外两组圆形磁体外加屏蔽罩，结构比较复杂。

 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，可用来制作大中小型各类阻尼器。阻尼力的产生为非接触的电磁感应方式，没有摩擦、没有工作流体和密封件，具有结构简单，疲劳寿命长，几乎不用维护的优点。阻尼力接近理想的线性粘滞阻尼，附加刚度极小。该阻尼器也解决了漏磁问题。如采用电磁铁，该阻尼器只需在导电体管内侧设置一组圆形磁体，全部磁力线都会垂直切割导电体内圆管并只在导圆形磁体外圆管内通过，同时达到提高电涡流效率和对外屏蔽磁场的目的。本发明还简化了阻尼器内部结构。

本发明提供了一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其结构包括上整体和下整体；所述上整体包括内圆管2、外圆管3和连接件9，其中内圆管2和外圆管3嵌套构成一个双层圆管，内圆管2上端和连接件9底部相连接；所述下整体包括圆形磁体1、圆形磁极板12、圆形支承柱8和支座10，圆形磁体1上下两端均固定覆盖有面积大于圆形磁体1且和内圆管2不接触的圆形磁极板12，下端圆形磁极板12固定在圆形支承柱8顶部，支座10和圆形支承柱8底部相连接；所述上整体与圆形支承柱8之间设有导向结构，所述上整体经所述导向结构可相对圆形支承柱8作沿内圆管2轴线方向的滑动；所述外圆管3和圆形磁极板12为导磁材料制成；所述内圆管2为隔磁导电材料制成；所述圆形支承柱8为隔磁材料制成。

上述导向结构可为外导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；内圆管2的底端固定有外导向环7，该外导向环7的内圈壁可沿圆形支承柱8的外壁滑动；内外导向环6和外导向环7上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述外导向环7为隔磁材料制成；所述内外导向环6为隔磁高分子耐磨材料制成。

上述导向结构也可为内导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔11的圆形支承柱8顶端设置内导向环5；顶端与所述连接件9底部固定连接的导向轴4依次穿过内外导向环6、圆形磁体1及其两端圆形磁极板12、内导向环5上的导向轴孔，所述导向轴4可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环6上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述导向轴4和内导向环5为隔磁材料制成；所述内外导向环6为高分子耐磨材料制成。

上述导向结构还可为内外导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；内圆管2的底端固定有外导向环7，该外导向环7的内圈壁可沿圆形支承柱8的外壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔11的圆形支承柱8顶端设置内导向环5；顶端与所述连接件9底部固定连接的导向轴4依次穿过内外导向环6、圆形磁体1及其两端圆形磁极板12、内导向环5上的导向轴孔，所述导向轴4可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环6和外导向环7上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述导向轴4、内导向环5和外导向环7为隔磁材料制成；所述内外导向环6为隔磁高分子耐磨材料制成。

在上述阻尼器中，所述外圆管3和圆形磁极板12可为电工软铁制成；所述内圆管2可为铜制成；所述导向轴4、内导向环5、外导向环7和圆形支承柱8可为不锈钢制成；所述内外导向环6可为聚四氟乙烯制成。

在上述阻尼器中，所述圆形磁体1可为圆形电磁体。

上述阻尼器中，所述圆形磁体1和圆形磁极板12可为多个，按圆形磁极板12、N-S圆形磁体1、圆形磁极板12、S-N圆形磁体1、圆形磁极板12、N-S圆形磁体1、圆形磁极板12……的顺序串联。

上述阻尼器中，连接件9上可设有球铰，支座10可为钢制水平滑动支座。

本发明的工作原理说明如下：

图1是电涡流基本原理示意图。当导电板运动切割磁力线时，板内产生环形电涡流，此电流立即产生一个与运动方向相反的阻尼力，其大小与运动速度，磁场强度和磁通量变化率成正比。一般电涡流阻尼器也采用圆形磁体分置于导电板两侧的方式。

本发明的电涡流生成系统与图1不同，由强导电材料制成的内圆管2与强导磁材料制成的外圆管3紧密配合形成的双层圆管结构，使得只需在导电内圆管的内侧设置一组圆形磁体，全部磁力线都会垂直切割导电内圆管并不会在双层圆管以外分布，同时达到提高电涡流效率和对外屏蔽磁场的目的。

以下用图2说明本发明工作原理。图2的A部分是单个轴向充磁的圆形磁体的磁力线分布图，磁力线充满全空间。在该圆形磁体的上下表面各加一块直径大于圆形磁体的强导磁材料板，磁力线依据沿最小磁阻路径分布的原理，将向径向偏转，分别形成N，S极板，如图2的B部分所示。再将它置于一个直径大于导磁板的强导磁材料的长管内，如图2的C部分所示，此时几乎所有磁力线都会从N极导磁板的边缘垂直进入导磁外圆管，沿外圆管子午向到达S极附近，再一次垂直穿过导磁管，回到S极板，在导磁管外部没有任何磁力线，实现了对外屏蔽磁场的目的。如果在导磁管内嵌入一个铜管形成双层圆管，铜管内径仍稍大于磁极外径，圆形磁体与铜管保持不接触状态，如图2的D部分所示，那么当圆形磁体与双层圆管沿轴向相对运动时，所有磁力线垂直切割铜管两次，电涡流的方向正好沿管的周向，产生的阻尼力正好沿轴向且与运动方向相反，提高了单个圆形磁体产生电涡流阻尼力和耗能的效率。加大圆形磁体直径或用多个圆形磁体串联都可以起到增加最大阻尼力和耗能的作用。图2的E部分是两个圆形磁体串联的磁路图，它的磁通量是单个圆形磁体的两倍，且铜管可以三次切割磁力线。有条件的地方可尽量使用电磁铁，这时就可以实现半主动控制或智能控制。圆形磁体固定在圆形支承柱8的顶面，圆形支承柱8用隔磁材料如不锈钢制作，不会改变已设计好的磁路。

阻尼器的导向系统作用是保证阻尼器的上下两组部件沿轴向运动，圆形磁体与内圆管不接触的正常工作状态。图1是阻尼器只设置了外导向系统时的情况，而图4中同时设置了内外两套导向系统。外导向系统由内外导向环6和外导向环7构成，内外导向环6在铜管内表面滑动，所以宜采用硬度低于铜的耐磨材料如聚四氟乙烯板。内导向系统由导向轴4，内外导向环6和内导向环5组成。导向轴4、内导向环5和圆形支承柱8都要用非导磁材料如不锈钢制作，外导向环7可以用钢制作。小型阻尼器可以只设一种导向系统。

阻尼器的连接系统可使阻尼器在空间任意方向工作。上端连接块9内设球铰，与振动结构相连后不附加转动约束，只传递轴向阻尼力。下端可采用铰支或固定支座连接。竖向工作时圆形支承柱底面可加设钢制水平滑动支座，以避免附加因结构两连接点之间可能存在水平相对位移而产生不利的水平约束。

阻尼器在有条件的地方尽量使用电磁铁，这时就可以实现半主动控制或智能控制。

阻尼器可以通过同时加大由内圆管2和外圆管3构成的双层圆管长度和圆形支承柱8的长度来增加阻尼器行程。

本发明提供的阻尼器除了保持电涡流阻尼器固有的不依靠机械摩擦产生阻尼力，没有工作流体和密封件，静摩擦力和附加刚度都很小，结构简单耐用，几乎不用维护等优点外，与其他轴向电涡流阻尼器相比，还具有如下优点：

1.所述阻尼器的双层圆管结构不仅大大提高了电涡流阻尼的效率，而且实现了对外屏蔽磁场的功能。

2.所述阻尼器不用另设磁屏蔽罩，只有一组圆形磁体，进一步简化了结构。在重量相同的条件下，可以得到更大的阻尼力和耗能效果。

3.强度低的关键部件内圆管2和圆形磁体1分别依附在强度高的外圆管3和圆形支承柱8上，所述阻尼器的整体强度很好。

4.所述阻尼器提供了内外两套导向系统，适合制作大中小各类轴向力阻尼器。

5.连接系统尽可能消除了有可能产生的振动结构附加的各种不利约束

附图说明

图1是电涡流基本原理示意图

图2是本发明原理示意图

图3是本发明只设置了外导向结构时的实施例结构示意图

图4是本发明只设置了内导向结构时的实施例结构示意图

图5是本发明同时设置了内外导向结构时的实施例结构示意图

图中：1--圆形磁体；2--内圆管；3--外圆管；4、导向轴；5--内导向环；6--内外导向环；7--外导向环；8--圆形支承柱； 9--连接块；10--支座； 11--通气孔；12—圆形磁极板

具体实施方式

本发明的基本结构为：一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其包括上整体和下整体；所述上整体包括内圆管2、外圆管3和连接件9，其中内圆管2和外圆管3嵌套构成一个双层圆管，内圆管2上端和连接件9底部相连接；所述下整体包括圆形磁体1、圆形磁极板12、圆形支承柱8和支座10，圆形磁体1上下两端均固定覆盖有面积大于圆形磁体1且和内圆管2不接触的圆形磁极板12，下端圆形磁极板12固定在圆形支承柱8顶部，支座10和圆形支承柱8底部相连接；所述上整体与圆形支承柱8之间设有导向结构，所述上整体经所述导向结构可相对圆形支承柱8作沿内圆管2轴线方向的滑动；所述外圆管3和圆形磁极板12为软铁制成；所述内圆管2为铜制成；所述圆形支承柱8为不锈钢制成。

图3为本发明只设置了外导向结构时的实施例：在基本结构的基础上，导向结构设置为外导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；内圆管2的底端固定有外导向环7，该外导向环7的内圈壁可沿圆形支承柱8的外壁滑动；内外导向环6和外导向环7上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述外导向环7为不锈钢制成；所述内外导向环6为聚四氟乙烯制成。

图4则为本发明只设置了内导向结构时的实施例：在基本结构的基础上，导向结构设置为内导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔11的圆形支承柱8顶端设置内导向环5；顶端与所述连接件9底部固定连接的导向轴4依次穿过内外导向环6、圆形磁体1及其两端圆形磁极板12、内导向环5上的导向轴孔，所述导向轴4可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环6上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述导向轴4和内导向环5为不锈钢制成；所述内外导向环6为聚四氟乙烯制成。

图5则为本发明同时设置了内外导向结构时的实施例：在基本结构的基础上，导向结构设置为内外导向结构，即在圆形磁体1顶端的圆形磁极板12上固定内外导向环6，内圆管2的内壁可沿该内外导向环6的外周壁滑动；内圆管2的底端固定有外导向环7，该外导向环7的内圈壁可沿圆形支承柱8的外壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔11的圆形支承柱8顶端设置内导向环5；顶端与所述连接件9底部固定连接的导向轴4依次穿过内外导向环6、圆形磁体1及其两端圆形磁极板12、内导向环5上的导向轴孔，所述导向轴4可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环6和外导向环7上设有通气缺口，保证管内外气压平衡；所述导向轴4、内导向环5和外导向环7为不锈钢制成；所述内外导向环6为聚四氟乙烯材料制成。

上述三个实施例中，连接件9上均设有球铰，支座10均为钢制水平滑动支座。

上述三个实施例中，圆形磁体1和圆形磁极板12可为多个，按圆形磁极板12、N-S圆形磁体1、圆形磁极板12、S-N圆形磁体1、 圆形磁极板12、N-S圆形磁体1、圆形磁极板12……的顺序串联。

本发明的工作情况是：比如用任意一种实施例中的阻尼器抑制某桥主梁振动。该桥振动时在桥塔和主梁之间有竖向相对振动位移，同时有变化十分缓慢的顺桥向位移和竖向位移，幅度均大于振动位移。因此阻尼器的上端连接块通过球铰与主梁连接以消除主梁转动产生的附加力，下端支座通过可顺桥向水平滑动的滑轨再与桥塔相连，以消除水平静位移产生的不利约束。阻尼器的行程按竖向最大静位移加最大振幅设计，因此不设缓冲器。因该处有良好的电源供应条件，圆形磁体采用电磁铁以获得大的阻尼力和实现智能控制。当主梁相对桥塔竖向振动时，阻尼器的上下两个整体发生轴向相对振动，内铜管切割圆形磁体的磁力线产生电涡流效应，阻尼力始终与振动方向相反，可有效抑制主梁振动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，包括上整体和下整体，其特征在于：所述上整体包括内圆管（2）、外圆管（3）和连接件（9），其中内圆管（2）和外圆管（3）嵌套构成一个双层圆管，内圆管（2）上端和连接件（9）底部相连接；所述下整体包括圆形磁体（1）、圆形磁极板（12）、圆形支承柱（8）和支座（10），圆形磁体(1)上下两端均固定覆盖有面积大于圆形磁体(1)且和内圆管（2）不接触的圆形磁极板（12），下端圆形磁极板（12）固定在圆形支承柱（8）顶部，支座（10）和圆形支承柱（8）底部相连接；所述上整体与圆形支承柱（8）之间设有导向结构，所述上整体经所述导向结构可相对圆形支承柱（8）作沿内圆管（2）轴线方向的滑动；所述外圆管（3）和圆形磁极板（12）为导磁材料制成；所述内圆管（2）为隔磁导电材料制成；所述圆形支承柱（8）为隔磁材料制成。

2.根据权利要求1所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述导向结构为外导向结构，即在圆形磁体（1）顶端的圆形磁极板（12）上固定内外导向环（6），内圆管（2）的内壁可沿该内外导向环（6）的外周壁滑动；内圆管（2）的底端固定有外导向环（7），该外导向环（7）的内圈壁可沿圆形支承柱（8）的外壁滑动；内外导向环（6）和外导向环（7）上设有通气缺口；所述外导向环（7）为隔磁材料制成；所述内外导向环（6）为隔磁高分子耐磨材料制成。

3.根据权利要求1所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述导向结构为内导向结构，即在圆形磁体（1）顶端的圆形磁极板（12）上固定内外导向环（6），内圆管（2）的内壁可沿该内外导向环（6）的外周壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔（11）的圆形支承柱（8）顶端设置内导向环（5）；顶端与所述连接件（9）底部固定连接的导向轴（4）依次穿过内外导向环（6）、圆形磁体（1）及其两端圆形磁极板（12）、内导向环（5）上的导向轴孔，所述导向轴（4）可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环（6）上设有通气缺口；所述导向轴（4）和内导向环（5）为隔磁材料制成；所述内外导向环（6）为高分子耐磨材料制成。

4.根据权利要求1所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述导向结构为内外导向结构，即在圆形磁体（1）顶端的圆形磁极板（12）上固定内外导向环（6），内圆管（2）的内壁可沿该内外导向环（6）的外周壁滑动；内圆管（2）的底端固定有外导向环（7），该外导向环（7）的内圈壁可沿圆形支承柱（8）的外壁滑动；在为空心结构且设置有保证气压平衡的通气孔（11）的圆形支承柱（8）顶端设置内导向环（5）；顶端与所述连接件（9）底部固定连接的导向轴（4）依次穿过内外导向环（6）、圆形磁体（1）及其两端圆形磁极板（12）、内导向环（5）上的导向轴孔，所述导向轴（4）可在所述导向轴孔中滑动；内外导向环（6）和外导向环（7）上设有通气缺口；所述导向轴（4）、内导向环（5）和外导向环（7）为隔磁材料制成；所述内外导向环（6）为隔磁高分子耐磨材料制成。

5.根据权利要求4所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述外圆管（3）和圆形磁极板（12）为电工软铁制成；所述内圆管（2）为铜制成；所述导向轴（4）、内导向环（5）、外导向环（7）和圆形支承柱（8）为不锈钢制成；所述内外导向环（6）为聚四氟乙烯制成。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述圆形磁体(1)为圆形电磁体。

7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：所述圆形磁体（1）和圆形磁极板（12）为多个，按圆形磁极板（12）、N-S圆形磁体（1）、圆形磁极板（12）、S-N圆形磁体(1)、 圆形磁极板（12）、N-S圆形磁体（1）、圆形磁极板（12）……的顺序串联。

8.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的双层圆管型轴向力电涡流阻尼器，其特征在于：连接件（9）上设有球铰，支座（10）为钢制水平滑动支座。

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