CN105715737A - 一种磁悬浮组合隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮组合隔振装置，包括磁悬浮柱和位于磁悬浮柱下方的隔振支座，磁悬浮柱由外磁柱和内磁柱以及磁流变支座组成，内磁柱不接触地套设于外磁柱中且底部置于磁流变支座内，上部结构固定于内磁柱顶部，上部结构内设有振动传感器，振动传感器及磁流变支座与控制电路连接，外磁柱及磁流变支座固定于隔振支座上，内磁柱及外磁柱上设有构成磁力线回路的磁体阵列，内磁柱受到磁流变支座阻尼作用，当外磁柱与内磁柱沿竖向错位时，内磁柱与外磁柱间对应产生与错位方向相反的磁力。本发明经济性好，在基本消除地震作用的情况下，结构主体的抗震设计标准可大大降低，工程结构建造费用降低；其次能够消除了地震带来的财产损失、人员损失，消除了人类面对自然威胁的精神压力。

Description

一种磁悬浮组合隔振装置

技术领域

本发明涉及一种工程结构减振装置，具体涉及一种磁悬浮组合隔振装置。

背景技术

磁悬浮隔振是一种新型的主动式隔振方法，它在振源与结构体之间用主动控制的磁场来支撑，使得振源与结构体之间完全脱离机械接触，达到隔绝振动的目的。磁悬浮隔振技术已成功的运用于航天、航海、铁路运输、风能发电等领域，但在土木工程界尚未见运用。本申请系专利《磁悬浮在工程结构防振领域中的技术应用》（ZL200910111587.2）的一种具体实施装置。

《电磁悬浮隔振装置》（ZL201420258189.X）和《电磁永磁混合悬浮隔振装置》（ZL201420258151.2）两项实用新型专利提出的磁悬浮隔振支座，基本原理就是制造一个利用磁力的支座，使结构脱离基础，从而摆脱地震动的影响。其设想是：“在接收到地震信号时自动开启电源，绕有线圈的悬浮电磁铁和衔铁之间产生吸力，迫使衔铁带动结构上升，脱离结构基础，悬浮于空中”。

电磁场理论表明：电磁铁与衔铁之间磁作用力与两者间间隙的平方成反比，和电流的安匝数成正比。常导电磁技术要想获得足够的电磁悬浮力，必须加大电流或减小间隙，而加大电流必然要求悬浮装置尺寸加大、造价提高，减小间隙则必然会影响地震波竖向分量的控制（通常较大地震时地表竖向振动幅度可达5-10cm甚至更大）。虽然在超导技术成熟、造价大幅降低、维护保养简易可行后可采用悬浮高度达10cm的超导技术，但现阶段在量大面广的土木工程中运用超导技术是不现实的。

设想将工程结构底层柱设计成磁悬浮柱，组合上述磁悬浮隔振支座，利用磁悬浮柱隔绝竖向振动，利用磁悬浮支座隔绝水平振动。由于磁悬浮支座只需要解决水平振动问题，其悬浮间隙可以设计较小，如3mm或5mm，按照电磁场理论，悬浮力将大大增加，装置的尺寸和造价也将大幅减小。

发明内容

现有的磁悬浮隔振技术仅能隔绝水平振动和扭转振动的问题，无法或仅能部分对工程结构的竖向振动隔绝，本发明针对此问题进行了改进。

本发明的具体实施方案是：一种磁悬浮组合隔振装置，包括磁悬浮柱和位于磁悬浮柱下方的隔振支座，所述磁悬浮柱由外磁柱和内磁柱以及磁流变支座组成，所述内磁柱不接触地套设于外磁柱中且底部置于磁流变支座内，上部结构固定于内磁柱顶部，所述上部结构内设有振动传感器，所述振动传感器及磁流变支座与控制电路连接，所述外磁柱及磁流变支座固定于隔振支座上，内磁柱及外磁柱上设有构成磁力线回路的磁体阵列，内磁柱受到磁流变支座阻尼作用，当外磁柱与内磁柱沿竖向错位时，内磁柱与外磁柱间对应产生与错位方向相反的磁力。

进一步的，所述磁流变支座包括磁流变液、磁流变支座线圈和磁流变支座永磁体套环，所述套环下部开设有联通孔，所述磁流变液设置于外磁柱内的底部，所述内磁柱下端埋设于磁流变液内，内磁柱底部与外磁柱之间设有由永磁体制造的套环，所述套环外缠绕有磁流变支座线圈，套环下部设有联通孔。

进一步的，所述外磁柱由外磁柱壳和固定于外磁柱壳内的多组磁体阵列组成，每组阵列由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，上下相邻永磁体磁场方向相反，左右相邻永磁体磁场方向相同；

所述内磁柱由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，内磁柱的永磁体和左右相邻的外磁柱永磁体等高排列并且磁场方向一致，内磁柱间隔块和外磁柱间隔块等高排列；内磁柱、外磁柱的永磁体磁场均为水平方向。

进一步的，所述外磁柱由外磁柱壳和固定于外磁柱壳内的多组磁体阵列组成，每组阵列由永磁体交替排列；

外磁柱的单侧竖直方向上永磁体的磁场方向为：奇数序列为上下方向且相邻的方向相反，偶数序列为水平方向且方向相反；左右相邻永磁体磁场方向：奇数序列与相邻的方向相反，偶数序列与相邻的方向相同；

所述内磁柱由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，内磁柱的永磁体和外磁柱偶数序列的永磁体等高排列，内磁柱间隔块和外磁柱奇数序列的永磁体等高排列。

进一步的，所述隔振支座为磁悬浮隔振支座，外磁柱和磁流变支座分别固定于磁悬浮隔振支座衔铁上。

进一步的，所述隔振支座为滑移板隔振支座，外磁柱和磁流变支座分别固定于滑移板隔振支座上板上。

进一步的，所述内磁柱与外磁柱之间设有轴承以保证所述内磁柱与外磁柱之间不接触且间距固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明经济性好，在基本消除地震作用的情况下，结构主体的抗震设计标准可大大降低，工程结构建造费用降低；其次能够消除了地震带来的财产损失、人员损失，消除了人类面对自然威胁的精神压力。

附图说明

图1为本发明实施例一的纵向剖视图

图2为本发明实施例二的纵向剖视图

图3为本发明磁流变支座剖视图

图4为本发明磁悬浮支座剖视图

图5为本发明实施例一外磁柱纵向剖视图

图6为本发明实施例一内磁柱纵向剖视图

图7为本发明实施例二外磁柱纵向剖视图

图8为本发明实施例二内磁柱纵向剖视图

图9本发明实施例二外磁体为3对情况下纵向剖视图

图10本发明实施例二外磁体为3对情况下外磁柱纵向剖视图。

其中：1、磁悬浮支座11、衔铁12、线圈13、电磁铁2、内磁柱21、内磁体22、内磁隔块23、内磁柱底部隔块3、外磁柱31、外磁体32、外磁隔块33、外磁柱壳4、磁悬浮柱5、磁流变支座51、磁流变支座永磁体52、磁流变支座线圈53、联通孔54、磁流变液6、轴承7、振动传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1～10所示，实施例一：

图1为磁悬浮组合隔振装置，主要包括磁悬浮柱4和磁悬浮支座1，磁悬浮柱4由内磁柱2和外磁柱3组成，内磁柱2不接触地套设于外磁柱3中且底部置于磁流变支座5内的磁悬浮组合隔振装置纵向剖视图。

通常状态下，磁流变支座5内的磁流变液54受磁流变支座永磁体51磁场作用，磁流变液54为弹性体，内磁柱受到磁流变支座的约束，同时内磁柱2受外磁柱3磁力作用，内磁柱2连同上部结构是静态稳定的。

当结构收到地震预警信号或传感器感知结构振动超阀值时（详ZL200910111587.2所述原理），磁流变支座线圈52通电，产生与磁流变支座永磁体51磁场相反的电磁场，使磁流变液54液化，其液体经联通孔53和磁流变支座永磁体51之外的磁流变液54交流。液化的磁流变液54同时起磁流变阻尼器作用，阻止内磁柱2上下振动；结构振动停止后，断开磁流变支座线圈52电流，受磁流变支座永磁体51磁场作用，磁流变液54重新变为弹性体。这是磁流变支座5工作原理。

本实施例如图1所示，本实施例中外磁柱3设有外磁体阵列4组，每组由2对外磁体31和中间的一对外磁隔块32组成，等高排列，2对外磁体31磁化方向一左一右，每对磁化方向一致，对应的内磁柱阵列完整的也是4组，每组由2个内磁体21和中间的一个内磁隔块22组成，内磁体21、内磁隔块22分别和外磁体31、外磁隔块32等高排列，磁化方向和相应高度处外磁体31磁化方向一致。其中外磁体31和内磁体21为永磁体制造，外磁隔块32及内磁隔块22为非导磁体材料制作；

当然根据上述实施例，外磁柱可以由n对外磁体31和n-1对外磁隔块32构成，相应的等高设置n个内磁体21和n-1个内磁隔块22，各磁体磁化方向同上所述原则。磁柱阵列组数可根据工程结构柱高和悬浮力要求综合计算确定。

为控制内磁柱2振动方向以及保证内、外磁柱间间隙，在磁柱的上部和下部设轴承6。

如果外力使上部结构向下振动，即内磁柱2下降，则内磁柱2上每一内磁体21受到外磁柱3上的外磁体31的向上吸引力，同时还受到下一层的相邻外磁体31的向上的排斥力，从而阻止内磁柱2下降。反之，如果外力使上部结构向上振动，则内磁柱2上每一内磁体21受到外磁柱3上的外磁体31的向下吸引力，同时还受到上一层的相邻外磁体31的向下的排斥力，从而阻止内磁柱2上移。

内磁柱2在振动时受磁流变支座5的阻尼作用以及内、外磁柱间磁力作用，阻止其上、下振动趋势，这是磁悬浮柱4工作原理。

此外，本实施例中采用的组合装置中磁悬浮支座1可采用《电磁悬浮隔振装置》（ZL201420258189.X）和《电磁永磁混合悬浮隔振装置》（ZL201420258151.2）中的设计方法和控制原理。当结构收到地震预警信号或传感器感知结构振动超阀值时（详《磁悬浮在工程结构防振领域中的技术应用》（ZL200910111587.2）所述原理），磁悬浮支座线圈12通电，磁悬浮支座1开始工作，磁悬浮支座电流应单独控制，其主要目的在于控制水平方向的振动。

实施例二：

图2为磁悬浮柱4和磁悬浮支座1固结，内磁柱2不接触地套设于外磁柱3中且底部置于磁流变支座5内的磁悬浮组合隔振装置纵向剖视图。

磁流变支座5、磁悬浮柱4、磁悬浮支座1工作原理同实施例一所述，本例的磁悬浮柱4构造不同于实施例一。

本示意图2中磁悬浮柱4的外磁柱3阵列完整的有2组，每组由5对外磁体31组成；等高排列，5对外磁体31磁化方向为：奇数序列一侧磁化方向依次为上、下、上，同侧偶数序列为依次左、右，即满足单侧磁体奇数序列磁体磁化方向为上下方向且相邻的方向相反，单侧磁体偶数序列磁体磁化方向为水平方向且方向相反的原则；而左右相邻外磁体的磁场方向：奇数序列与相邻的方向相反，偶数序列与相邻的方向相同；

所述内磁柱2由内磁体21及不导磁的内磁隔块22交替排列，内磁柱的内磁体21和外磁柱偶数序列的外磁体31等高排列。

外磁柱也可以是n对外磁体31，相应的等高设置n-3个内磁体21和n-2个内磁隔块22，各磁体磁化方向同上所述原则。磁柱阵列组数可根据工程结构柱高和悬浮力要求综合计算确定。

如图9～10所示为外磁体31为3对的情况。

如果外力使上部结构连同内磁柱2向下振动，则内磁柱2上每一内磁体21受到外磁柱3上的外磁体31的向上吸引力，同时还受到下一层的相邻外磁体31的向上的排斥力，从而阻止内磁柱2下降。反之，如果外力使上部结构连同内磁柱2向上振动，则内磁柱2上每一内磁体21受到外磁柱3上的外磁体31的向下吸引力，同时还受到上一层的相邻外磁体31的向下的排斥力，从而阻止内磁柱2上移。

当然，内磁柱和外磁柱的磁体排列还可以采取其它有效方式，如halbach阵列等，并不限于上述实施例。

本实施例中阐述的悬浮柱名称并不仅仅限于承重柱，还可以是其它形式竖向承重构件，如墙，此时，可以将本发明悬浮柱并列或者将其中的内磁体21和外磁体31以及相应的内磁隔块22和外磁隔块32相应设计成条状，同时悬浮墙下的悬浮支座采用上述专利中的墙下悬浮支座。

本发明中阐述的振动，其振动原因不仅仅受限于地震产生、风作用产生，还可以是但不限于自然外力、外力冲击或内部工程结构的相互作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，包括磁悬浮柱和位于磁悬浮柱下方的隔振支座，所述磁悬浮柱由外磁柱和内磁柱以及磁流变支座组成，所述内磁柱不接触地套设于外磁柱中且底部置于磁流变支座内，上部结构固定于内磁柱顶部，所述上部结构内设有振动传感器，所述振动传感器及磁流变支座与控制电路连接，所述外磁柱及磁流变支座固定于隔振支座上，内磁柱及外磁柱上设有构成磁力线回路的磁体阵列，内磁柱受到磁流变支座阻尼作用，当外磁柱与内磁柱沿竖向错位时，内磁柱与外磁柱间对应产生与错位方向相反的磁力。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述磁流变支座包括磁流变液、磁流变支座线圈和磁流变支座永磁体套环，所述套环下部开设有联通孔，所述磁流变液设置于外磁柱内的底部，所述内磁柱下端埋设于磁流变液内，内磁柱底部与外磁柱之间设有由永磁体制造的套环，所述套环外缠绕有磁流变支座线圈，套环下部设有联通孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述外磁柱由外磁柱壳和固定于外磁柱壳内的多组磁体阵列组成，每组阵列由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，上下相邻永磁体磁场方向相反，左右相邻永磁体磁场方向相同；

所述内磁柱由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，内磁柱的永磁体和左右相邻的外磁柱永磁体等高排列并且磁场方向一致，内磁柱间隔块和外磁柱间隔块等高排列；内磁柱、外磁柱的永磁体磁场均为水平方向。

4.根据权利要求1或2所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述外磁柱由外磁柱壳和固定于外磁柱壳内的多组磁体阵列组成，每组阵列由永磁体交替排列；

外磁柱的单侧竖直方向上永磁体的磁场方向为：奇数序列为上下方向且相邻的方向相反，偶数序列为水平方向且方向相反；左右相邻永磁体磁场方向：奇数序列与相邻的方向相反，偶数序列与相邻的方向相同；

所述内磁柱由永磁体及不导磁的间隔块交替排列，内磁柱的永磁体和外磁柱偶数序列的永磁体等高排列，内磁柱间隔块和外磁柱奇数序列的永磁体等高排列。

5.根据权利要求1所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述隔振支座为磁悬浮隔振支座，外磁柱和磁流变支座分别固定于磁悬浮隔振支座衔铁上。

6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述隔振支座为滑移板隔振支座，外磁柱和磁流变支座分别固定于滑移板隔振支座上板上。

7.根据权利要求1所述的一种磁悬浮组合隔振装置，其特征在于，所述内磁柱与外磁柱之间设有轴承以保证所述内磁柱与外磁柱之间不接触且间距固定。