CN106760843A - 一种基于电磁悬浮的三维隔震装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，其固定连接于一建筑设备底盘上，其包括固定于所述建筑设备底盘上的筒形基座，所述基座内部设有固定于所述建筑设备底盘上的缠绕线圈的铁芯、搁置于所述铁芯上方的永磁体，所述永磁体具有相对铁芯的竖向运动自由度；所述基座内部设有用于搁置定位框的环形墩台，所述定位框底面开口且开口朝下地扣合于所述永磁体上；所述定位框的顶面上固定有水平向隔震支座。本发明综合利用磁悬浮技术和水平向隔震支座对水平地震作用及竖向地震作用进行隔绝或者控制，利用筒形基座防止由于磁场不均匀使上部结构发生偏移或倾斜的危险，利用永磁体与电磁体组合实现在非隔震条件下的抗拉、抗倾覆的功能以及隔震条件下的节能效果。

Description

一种基于电磁悬浮的三维隔震装置

技术领域

本发明涉及建筑设备隔震及防护技术领域，具体涉及一种基于电磁悬浮的三维隔震装置。

背景技术

地震是常见的自然灾害之一，强烈的地震会严重破坏建筑内部的仪器设备，造成巨大经济损失。在建筑设备隔震方面，滚珠式隔震支座、滚轮式隔震支座、碟形弹簧支座已经比较成熟且应用比较广泛。但是现有的滚珠式隔震支座、滚轮式隔震支座、滑块式隔震支座等一般只考虑水平地震作用，对于竖向地震作用考虑甚少，因此仅能减弱水平地震作用，碟形弹簧支座通过吸收能量仅能在一定程度上减少竖向地震作用对建筑内部设备安全的威胁。上述被动控制的隔震支座只能单方向减弱地震作用，且无法完全隔绝地震作用，无法达到良好的隔震效果。现有的三维隔震装置无非是将传统隔震支座采用并联、串联的组合形式实现三维隔震，此种组合方式势必造成隔震装置的隔震效果较差、造价较高、尺寸较大。

磁悬浮隔振是一种新型的主动式隔振方法。电磁场理论表明：电磁体与衔铁之间的磁力作用与两者之间距离的平方成反比，与电流的平方、匝数的平方以及气隙面积成正比。对于建筑设备隔震，采取磁悬浮技术半主动控制简单、方便、实用。目前，磁悬浮隔振技术已经成功运用到航天、精密仪器、交通运输等领域，但是其技术是隔振而非隔震，且在土木工程中的隔震设备尚未见运用。

申请公布号为CN 101481933A，申请公布日为2009年7月15日的中国发明专利申请公开了一种建筑结构防震方法，该方法在常导条件下利用磁悬浮斥力使结构悬浮时，由于磁场本身不均匀，上部结构会发生偏移或倾斜，但该专利申请中未提供水平向的纠偏措施，因此在隔震使用中很难达到相对稳定状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，能够综合利用磁悬浮技术和水平向隔震支座对竖向地震作用和水平地震作用进行控制和减弱，实现建筑设备的三维隔震。

为实现上述目的，本发明所提供的一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，其固定连接于建筑设备底盘上，其包括固定于所述建筑设备底盘上的筒形基座，所述基座内部设有固定于所述建筑设备底盘上的缠绕线圈的铁芯、搁置于所述铁芯上方的永磁体，所述永磁体具有相对铁芯的竖向运动自由度；所述基座内部设有用于搁置定位框的环形墩台，所述定位框底面开口且开口朝下地扣合于所述永磁体上；所述定位框的顶面上固定有水平向隔震支座。

优选地，所述铁芯与永磁体之间设置有橡胶垫，所述橡胶垫搁置于所述墩台上。

优选地，所述筒形基座的外侧面上固定安装有隔磁片，所述筒形基座的内侧面上固定安装有摩擦片。

优选地，所述环形墩台设置于所述基座内壁与铁芯之间，所述环形墩台对所述铁芯形成周向限位。

优选地，所述定位框上预留至少两个沿定位框中心线对称分布的位移传感器通道。

优选地，所述定位框的顶面上固定安装有隔磁片。

优选地，所述定位框与所述永磁体之间为固定连接。

优选地，所述水平向隔震支座螺栓连接于定位框的顶面上，所述水平向隔震支座的底面高出于基座的顶面。

优选地，所述水平向隔震支座采用滚轮式隔震支座或滚珠式隔震支座或滑块式隔震支座。

上述技术方案所提供的一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，具有以下有益效果：1、设计了筒形基座，电磁悬浮隔震装置在工作过程中由于磁场本身不均匀，上部结构悬浮时容易发生偏移或倾斜，很难达到相对稳定状态，通过设置筒形基座能有效改善上部结构水平向偏移或倾斜这一现象；2、由于常导条件下单纯采用斥力装置对电磁体的性能要求较高，采用永磁体与电磁体组合能使装置的尺寸和造价大幅减小：在非隔震条件下，永磁体与铁芯存在吸力，使隔震装置具有抗拉、抗倾覆的功能，在隔震条件下，永磁体与铁芯产生斥力，使隔震装置具有节能效果；3、具有良好的竖向隔震功能，在接受到地震信号时，线圈自动通电，由永磁体与铁芯产生的斥力使得上部结构脱离与建筑设备底盘接触，悬浮于空中，并通过控制电流大小适时调整悬浮高度，保证上部结构始终处于悬浮状态，从而不受竖向地震作用的影响；4、具有良好的水平向隔震功能，当发生水平地震作用时，通过能够发生较大水平变形的水平向隔震支座，基本保证上部结构不受水平地震作用影响；通过上述有效措施实现建筑设备的三维隔震，减少地震给人类带来的损伤。

附图说明

图1是本发明的实施例1的基于电磁悬浮的三维隔震装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例1的基于电磁悬浮的三维隔震装置的结构剖视图；

图3是本发明的实施例1的基于电磁悬浮的三维隔震装置的结构爆炸图；

图4是本发明的实施例2的基于电磁悬浮的三维隔震装置的结构剖视图。

其中，1-建筑设备底盘，2-基座，3-线圈，4-铁芯，5-永磁体，6-定位框，7-墩台，8-水平向隔震支座，9-橡胶垫，10-隔磁片，11-摩擦片，12-位移传感器通道，13-承重构件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所提供的一种基于电磁悬浮的三维隔震装置为斥力型半主动控制磁悬浮三维隔震装置，采用一种新型的半主动式隔震方法，在竖向地震作用下，震源与建筑设备之间用永磁体与电磁体组合形成的磁场斥力来支撑，根据地震竖向加速度，适时调整线圈的电流，控制悬浮高度，从而达到竖向隔震的目的；在水平地震作用下，震源与建筑设备之间利用水平向隔震支座隔绝，从而达到减小水平震动的目的。本发明可适用于建筑内部仪器设备隔震,所述建筑设备包括大型信息数据中心、救灾指挥中心、医院、博物馆等放置在楼面或台面上的非中断性精密仪器设备、文物等，本发明对建筑设备在地震中的正常使用和安全具有重大保护作用。

实施例1

请参阅附图1、2、3，本发明所提供的一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，其固定连接于建筑设备底盘1上，其包括固定于所述建筑设备底盘1上的筒形基座2。所述基座2内部设有固定于所述建筑设备底盘1上的缠绕线圈3的铁芯4、搁置于所述铁芯4上方的永磁体5，所述永磁体5具有相对铁芯4的竖向运动自由度。所述基座2内部设有用于搁置定位框6的环形墩台7，所述环形墩台7固定于基座2内壁与铁芯4之间，既可用于搁置定位框6，又能起到对铁芯4的周向限位作用。所述定位框6底面开口且开口朝下地扣合于所述永磁体5上，用于对所述永磁体5进行限位固定。较佳地，所述定位框6与所述永磁体5之间为相对固定的连接，所述永磁体5焊接或者粘结固定于定位框6的安装位内。在本实施例中，所述永磁体5可采用钕铁硼系列。

所述定位框6的顶面上固定有水平向隔震支座8。在本实施例中，所述水平向隔震支座8采用滚轮式隔震支座。本实施例中的所述滚轮式隔震支座属于现有技术的隔震支座，在此不对其内部结构及其功能进行详细叙述。所述水平向隔震支座8螺栓连接于定位框6的顶面上，所述水平向隔震支座8的底面高出于基座2的顶面。所述水平向隔震支座8的底面高出于基座2的顶面。尤其是当地震荷载作用时，水平向隔震支座8的底部高于基座2的顶面。所述定位框6的顶面上粘结固定或者螺钉固定有隔磁片10。所述隔磁片10可采用不锈钢隔磁材料(比如成分为1Cr18Ni9Ti)，用于隔绝磁污染，使本装置可应用于各种场所，消除人们对该装置使用过程中产生磁污染的顾虑。所述定位框6上预留至少两个沿定位框中心线对称分布的位移传感器通道12，所述位移传感器通道12用于安装位移传感器。

在本实施例中，所述基于电磁悬浮的三维隔震装置应用于建筑设备隔震，所述建筑设备底盘1可为用于安装或者安放建筑设备的基础或者底座，所述装置上方为与水平向隔震支座8固定连接的建筑承重构件。

请参阅附图2，所述铁芯4与永磁体5之间设置有橡胶垫9，所述橡胶垫9粘结固定或者螺钉固定于所述环形墩台7上。橡胶垫片能够保证在通电前两铁芯之间保持一定的间距，避免通电后两铁芯之间因距离过近表现为吸力，使三维隔震装置能利用两铁芯之间的斥力顺利实现上部结构的悬浮。

所述筒形基座2的外侧面上粘结固定或者螺钉固定有隔磁片10，所述筒形基座2的内侧面上粘结固定或者螺钉固定有摩擦片11。所述摩擦片11可采用塑料材质，比如聚四氟乙烯。所述摩擦片11与基座2相对固定，所述摩擦片11与定位框6接触但不固定，保证上部装置上下活动的灵活性。需要指出的是，在实施例中所提及的上部装置是指在电磁斥力作用下能发生悬浮的部分，具体包括定位框6、定位框6上的隔磁片10、永磁体5、水平向隔震支座8。

所述缠绕线圈3的铁芯4采用U型或者E型或者I型铁芯。为保证铁芯4与永磁体5产生足够斥力，所述线圈3通入的电流为直流电，采用常导或超导实现悬浮。

在实际应用中，本发明的基于电磁悬浮的三维隔震装置的设计需要根据设备自重与永磁体等上部装置自重，计算浮起上部装置所需的斥力，根据斥力大小按电磁场理论设计线圈3、铁芯4、永磁体5，以保证悬浮间距为30mm及以上；需要根据设备自重与永磁体等上部装置自重，计算筒形基座2需要承受的水平力，可根据需要基座2四周设置加劲肋，保证基座在水平地震作用下不会被破坏；根据设备自重与永磁体等上部装置自重，设计墩台7；根据装置产生磁力大小以及漏磁状况等，设计隔磁片10；根据铁芯4、永磁体5与基座2之间的距离与摩擦力，设计摩擦片11及定位框6；需要根据设备自重与永磁体等上部装置自重、铁芯4与永磁体5的初始斥力、悬浮间距，设计橡胶垫9的厚度；需要根据设备自重与永磁体等上部装置自重，铁芯与永磁体的悬浮斥力以及内部需要固定的永磁体5，设计定位框6，并根据位移传感器大小预留位移传感器通道12；根据建筑设备自重，可以采取多个电磁悬浮隔震装置并联的方式，共同支撑建筑设备自重。

所述基于电磁悬浮的三维隔震装置在施工时应先将铁芯4可靠固定在建筑设备底盘1上，在铁芯4上缠绕线圈3，并通过墩台7固定铁芯4；在墩台7上放置设计好的橡胶垫9；利用用定位框6固定永磁体5并将定位框6搁置于橡胶垫9之上；加工基座2，并在基座2内部固定安装摩擦片11，基座2外部固定安装隔磁片10；在定位框6顶部固定安装隔磁片10，并且定位框6上至少对称预留两个位移传感器通道12，将位移传感器固定在位移传感器通道12中；在定位框6、定位框6上隔磁片10以及水平向隔震支座8预留连接孔，通过螺栓连接方式将水平向隔震支座8固定在定位框6上方；在水平向隔震支座8上方固定建筑设备的承重构件；安装加速度监测器开关；安装位移电流控制器；接通电源。

本发明的基于电磁悬浮的三维隔震装置在实际应用中，当接收到竖向震动信号时，加速度监测器开关开启电源，电磁线圈3通电，铁芯4与永磁体5立刻产生较大的斥力，上部装置整体脱离与地面接触。基座2对永磁体5在上升过程中及悬浮状态下起稳定作用，使永磁体5在工作状态不发生错位。摩擦片11能减小定位框6与基座2之间的摩擦，减小外界输入能量。根据位移传感器监测到竖向地震的数据，由位移电流控制器实时调整电磁线圈3的电流大小，即当竖向有向上的位移时，位移电流控制器减小电流，使悬浮距离减小；当竖向有向下的位移时，位移电流控制器增大电流，使悬浮距离增大，保证能够隔离或者减弱竖向地震对上部装置的影响。同时，水平向隔震支座8隔绝水平地震作用。通过半主动控制与三维隔震，实现上部装置在水平向和竖向只有极小甚至零加速度。当地震停止时，减小线圈3中的电流，使得悬浮的永磁体5缓慢回到初始状态，至此三维隔震工作状态结束。

实施例2

请参阅附图4，本实施例与实施例1的区别之处在于，本实施例中的所述水平向隔震支座8采用滚珠式隔震支座。本实施例中的所述摩擦摆隔震支座属于现有技术的隔震支座，在此不对其内部结构及其功能进行详细叙述。在本发明的其他实施例中，所述水平向隔震支座8可采用滑块式隔震支座或者其他相同或者相似功能的隔震支座。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电磁悬浮的三维隔震装置，其固定连接于建筑设备底盘上，其特征在于，其包括固定于所述建筑设备底盘上的筒形基座，所述基座内部设有固定于所述建筑设备底盘上的缠绕线圈的铁芯、搁置于所述铁芯上方的永磁体，所述永磁体具有相对铁芯的竖向运动自由度；所述基座内部设有用于搁置定位框的环形墩台，所述定位框底面开口且开口朝下地扣合于所述永磁体上；所述定位框的顶面上固定有水平向隔震支座。

2.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述铁芯与永磁体之间设置有橡胶垫，所述橡胶垫固定安装于所述墩台上。

3.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述筒形基座的外侧面上固定安装有隔磁片，所述筒形基座的内侧面上固定安装有摩擦片。

4.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述环形墩台设置于所述基座内壁与铁芯之间，所述环形墩台对所述铁芯形成周向限位。

5.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述定位框上预留至少两个沿定位框中心线对称分布的位移传感器通道。

6.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述定位框的顶面上固定安装有隔磁片。

7.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述定位框与所述永磁体之间固定连接。

8.如权利要求1所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述水平向隔震支座螺栓连接于定位框的顶面上，所述水平向隔震支座的底面高出于基座的顶面。

9.如权利要求1-8中任一项所述的基于电磁悬浮的三维隔震装置，其特征在于，所述水平向隔震支座采用滚轮式隔震支座或滚珠式隔震支座或滑块式隔震支座。