CN106015420A - 一种半主动式振动控制电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，用于抑制结构振动。由电涡流耗能模块，自动控制模块，磁场屏蔽罩，缓冲弹簧及各连接部件组成。电涡流耗能模块包括阵列式电永磁铁和铜板。自动控制模块包括外部电源、震动开关和电阻式传感器。磁场屏蔽罩是由磁导率较大的软铁构成的矩形封闭壳体。当结构振动时，震动开关开启，自动控制电路接通，同时铜板开始做切割磁感线运动产生电涡流耗能；电路中的电流大小随振动的强烈程度变化，进而改变磁场强度，起到主动调节阻尼系数的效果，使阻尼器在不同强度的振动下都保持较高的效率，实现半主动振动控制。具有装置简单，阻尼可变，机械摩擦极小的特点，在结构振动控制领域具有广泛的应用前景。

Description

一种半主动式振动控制电涡流阻尼器

技术领域

本发明涉及一种耗能减振的半主动控制装置，具体涉及到一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，属于结构振动控制领域。用于抑制结构在地震、风、车辆等外荷载作用下的振动响应。

背景技术

土木工程领域的振动控制，一般按有无外界能量输入可分为主动控制和被动控制两大类，以及由这两种控制方式结合而成的半主动控制和混合控制。常用的被动控制方式有：基础隔振、耗能构件减振体系、耗能器减振及吸振器减振。结构主动控制主要的控制方式有：主动调频质量阻尼器、主动锚索控制，脉冲控制，空气动力挡风板等。

被动控制是最早研究和使用的结构控制方式，具有无需外部能源、技术简单，造价低廉的优点，因而在工程中获得广泛的应用，如粘滞性阻尼器，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。此类阻尼器对仪器的密封性要求较高，存在液体泄露的问题，对阻尼器的可靠性造成影响。

此外，其控制效果受到一定限制，无法根据振动的变化做出相应的调整，对复杂多变的外部环境的适应能力较差。主动控制是在结构振动过程中，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。其控制效果好，适应性强。但是由于主动控制技术复杂，造价昂贵，维护难度大，所以其应用范围相对较小。

半主动控制的控制效果接近主动控制，而且只需要少量的能量输入即可实现，维护要求不高，容易实施，造价经济。综合考虑，半主动控制具有广泛的应用前景。此外，电涡流阻尼器利用电磁感应原理，当穿过非导磁金属导体的磁通量发生变化或导体在磁场中做切割磁感线运动时，在导体内部会产生感应电涡流，同时导体还会产生阻碍导体与磁场相对运动的阻尼力，最终部分结构振动的能量将以导体热量的形式耗散。在这一过程中电涡流表现出了良好的粘滞阻尼特性。相比液体阻尼器，电涡流阻尼器具有结构简单，无需介质，使用寿命长等特点。鉴于此，本发明提出了一种半主动式振动控制电涡流阻尼器。

发明内容

发明目的：本发明提供一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，可根据结构振动强度实现主动变阻尼的良好特点，且结构简单，只需少量的外部能量输入，可对结构振动实现模糊控制。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，包括磁场屏蔽罩、电涡流耗能模块、缓冲装置和自动控制模块，所述磁场屏蔽罩是矩形封闭壳体，包括第一承托板、第二承托板和底板；所述电涡流耗能模块包括电永磁铁和铜板，所述电永磁铁固定安装在底板上，相邻电永磁铁的磁场交替变化，相邻电永磁铁之间留有用于通过铜板的间隙，所述铜板与磁场屏蔽罩之间安装有缓冲装置和导向装置。

具体地，所述磁场屏蔽罩由高磁导率的软铁材料制成，包括第一承托板、第二承托板和底板。

所述缓冲装置是缓冲弹簧，所述缓冲弹簧安装在第二承托板与铜板之间。

所述导向装置包括直线轴承和直线导杆，所述直线导杆是由带有平键的由非导磁材料制成的导杆，所述直线导杆与铜板端部固定连接，所述直线轴承安装在第二承托板中心的圆形孔上，所述直线轴承套设在直线导杆上。通过直线轴承对直线导杆直线滑动的导向和限位作用，控制铜板进行直线运动。

所述自动控制模块是由外部电源、电阻式加速度传感器、震动开关与电永磁铁依次串联形成的控制电路。

上述半主动式振动控制电涡流阻尼器的工作方法如下，当结构发生振动时，震动开关打开，自动控制电路接通，电阻式加速度传感器根据结构振动动力加速度的大小变化，控制流过电永磁铁的电流大小，改变磁场强度，进而改变阻尼系数大小，实现主动变阻尼。电阻式加速度传感器的阻值随振动的增强而变小，流过电永磁铁的电流增大，磁场增强，电涡流耗能模块消耗的能量增加。使阻尼器在不同的振动强度下保持较高的效率。

发明原理：当结构振动时，震动开关控制电路接通；电阻式加速度传感器的阻值随振动的增强而变小，流过电永磁铁的电流增大，磁场增强，电涡流耗能模块消耗的能量增加。使阻尼器在不同的振动强度下保持较高的效率。

使用时，电涡流耗能模块包括阵列式电永磁铁和铜板。自动控制模块由外部电源，震动开关，电阻式加速度传感器与阵列式电永磁铁组成。磁场屏蔽罩是由磁导率较大的软铁制成的矩形封闭壳体。连接部件包括，与铜板连接的带有平键的直线导杆，安装在磁场屏蔽罩上的直线轴承。

电涡流耗能模块中的阵列式电永磁铁布置在磁场屏蔽罩的第一承托板和内部，电永磁铁的数量为偶数，根据相邻磁场交替变化的原则安装电永磁铁。铜板两端与直线导杆固结，铜板插在阵列式电永磁铁交替变化的磁场中。电磁铁之间的间隙很小，不与插入其中的铜板接触即可。直线导杆与安装在磁场屏蔽罩上的直线运动轴承组成导向系统，共同控制铜板的运动。直线导杆上带有平键，直线轴承上带有键槽，目的是为了使铜板保持直线运动，防止其在运动时发生扭转。缓冲弹簧具有一定刚度，一端连接铜板端部，一端连接磁场屏蔽罩，防止铜板运动行程过大，对磁场屏蔽罩造成撞击。同时可为铜板提供一个反弹力，使铜板在磁场中做直线往复运动。

磁场屏蔽罩是由高磁导率的软铁材料制成，由于软铁的磁导率比空气大的多，所以绝大部分的磁场线从罩壁内通过，防止内部电永磁铁互相影响，也防止对外部其他设备造成干扰。磁场屏蔽罩的第二承托板中心开孔用于安装直线轴承。

外部阵列式电磁铁布置在磁场屏蔽罩的第一承托板上，内部阵列式电永磁铁安装在磁场屏蔽罩底板上。直线导杆穿过直线轴承与铜板固结，将铜板架立在电永磁铁磁场中，并控制铜板的运动方向

有益效果：本发明利用铜板切割磁感线运动产生电涡流耗能的原理，并随结构振动的强度，以主动变阻尼的方式使阻尼器产生更大的阻尼力，实现对振动的模糊控制，使其振动控制效果与主动控制效果接近，而与主动控制相比又具有结构简单，所需外部能量少的特点。

(1)磁场强度可以根据振动的强烈程度主动发现改变，即可根据振动强烈程度主动改变阻尼系数。振动越强烈，电永磁铁产生的磁场越强，阻尼系数越大。实现主动变阻尼，达到半主动控制的目的。

(2)与主动式振动控制相比，具有结构简单，所需外界能量少，造价经济，应用范围广等良好特点。且振动控制效果接近主动式振动控制。因此，本发明具有广阔的应用前景。

(3)由于构成阻尼器的材料的物理特性稳定，所以在一定的使用年限内可保证较高的阻尼效率。电永磁铁是指以永磁铁为铁芯，外套线圈，线圈的充磁方向与永磁铁的磁场方向相同。在无电力供应时，阻尼器也可正常工作。

(4)由光滑直线导杆和直线轴承组成的导向系统，物理摩擦极小，启动灵敏度高，可使阻尼器在振动发生的同时启动工作。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明阻尼器的原理图；

图2是本发明实施例中阻尼器的内部布置图；

图3是图2的剖面图；

图4是本发明实施例的自动控制电路图；

图5是图2中直线导杆的示意图；

图6是图2中直线轴的示意图；

图7是图2总铜板的俯视图；

图中：第一承托板 1A，第二承托板 1B，电永磁铁 2，第一电永磁铁 2A，第二电永磁铁 2B，铜板 3，缓冲弹簧 4，直线导杆 5，直线轴承 6，外部电源 7，震动开关 8，电阻式加速度传感器 9。

具体实施方式

实施例：

实施例的半主动式振动控制电涡流阻尼器如图2所示，由磁场屏蔽罩，电涡流耗能模块，缓冲弹簧，自动控制模块和各连接部件组成。其中磁场屏蔽罩为一矩形封闭壳体，包括第一承托板1A、第二承托板1B和底板，由高磁导率的软铁材料制成，其中第二承托板1B的中心开有圆形孔，用于安装直线轴承6。电涡流耗能模块包括电永磁铁和耗能铜板3。电永磁铁包括第一电永磁铁2A和第二电永磁铁2B，按规律安装在第一承托板1A和底板上，按照磁场方向交替变化的规律安装电永磁铁，如图3所示。第一电永磁铁2A和第二电永磁铁2B之间的间隙略大于铜板3的厚度。铜板3插入电永磁铁阵列中，发生振动时，由直线导杆5控制铜板3在磁场中做直线运动。缓冲弹簧4一端连接铜板3端部，另一端与磁场屏蔽罩的第二承托板1B连接，防止振动时铜板的自由行程过大对磁场屏蔽罩造成撞击，同时为铜板的运动提供回复力。

如图5和图6所示，直线导杆5是由带有平键的由非导磁材料制成的导杆，与铜板端部固结，用于控制铜板的直线运动；带有键槽的直线轴承6，安装在磁场屏蔽罩两承托板上，用于控制直线导杆的滑动。如图7所示，铜板3上设置有平行的通槽。

如图4所示，自动控制模块是由外部电源7、电阻式加速度传感器9、震动开关8与电永磁铁2依次串联形成的控制电路。

当结构发生振动时，阻尼器启动。震动开关打开，自动控制电路接通，电阻式加速度传感器根据结构振动动力加速度的大小变化，控制流过电永磁铁的电流大小，改变磁场强度，进而改变阻尼系数大小，实现主动变阻尼。电阻式加速度传感器的阻值随振动的增强而变小，流过电永磁铁的电流增大，磁场增强，电涡流耗能模块消耗的能量增加。使阻尼器在不同的振动强度下保持较高的效率。

同时，铜板在磁场中做切割磁感线的往复运动，在铜板内部产生电涡流，其原理如图1所示，同时会产生一个阻碍铜板与磁场相对运动的阻尼力。最终结构振动的能量将以导体热量的形式耗散掉。在这一过程中电涡流变现出了良好的粘性阻尼特性，并且通过自身的耗能加速了振动的消减。当金属铜板处于交替变化的磁场中，会产生更大的阻尼力，具备更好的阻尼效果。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：包括磁场屏蔽罩、电涡流耗能模块、缓冲装置和自动控制模块，所述磁场屏蔽罩是矩形封闭壳体，包括第一承托板、第二承托板和底板；所述电涡流耗能模块包括电永磁铁和铜板，所述电永磁铁固定安装在底板上，相邻电永磁铁的磁场交替变化，相邻电永磁铁之间留有用于通过铜板的间隙，所述铜板与磁场屏蔽罩之间安装有缓冲装置和导向装置。

2.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：所述磁场屏蔽罩由高磁导率的软铁材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：所述缓冲装置是缓冲弹簧，所述缓冲弹簧安装在第二承托板与铜板之间。

4.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：所述导向装置包括直线轴承和直线导杆，所述直线导杆是由带有平键的由非导磁材料制成的导杆，所述直线导杆与铜板端部固定连接，所述直线轴承安装在第二承托板中心的圆形孔上，所述直线轴承套设在直线导杆上。

5.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：所述电永磁铁呈阵列式布置。

6.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器，其特征在于：所述自动控制模块是由外部电源、电阻式加速度传感器、震动开关与电永磁铁依次串联形成的控制电路。

7.根据权利要求1所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器的工作方法，其特征在于：当结构发生振动时，震动开关打开，自动控制电路接通，电阻式加速度传感器根据结构振动动力加速度的大小变化，控制流过电永磁铁的电流大小，改变磁场强度，进而改变阻尼系数大小，实现主动变阻尼。

8.根据权利要求6所述的一种半主动式振动控制电涡流阻尼器的工作方法，其特征在于：电阻式加速度传感器的阻值随振动的增强而变小，流过电永磁铁的电流增大，磁场增强，电涡流耗能模块消耗的能量增加。