CN107061599B - 一种滚珠式电涡流全向阻尼装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种滚珠式电涡流全向阻尼装置，用于解决现有的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能的技术问题。本发明实施例的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置包括：电涡流产生系统、滚珠导向系统；所述电涡流产生系统、所述滚珠导向系统位于磁场屏蔽外壳的内部；所述电涡流产生系统包括两个磁体、导电线圈、球状滚珠；所述导电线圈缠绕在所述磁体上；两个磁体的一端分别连接所述滚珠导向系统的两端；两个磁体的所述一端为异性磁极；两个磁体的另一端连接所述磁场屏蔽外壳；所述滚珠导向系统与所述磁场屏蔽外壳连接；所述球状滚珠位于所述滚珠导向系统空腔内；所述滚珠导向系统为闭合曲面形状。

Description

一种滚珠式电涡流全向阻尼装置

技术领域

本发明涉及结构阻尼减振领域，尤其涉及一种滚珠式电涡流全向阻尼装置。

背景技术

当结构受到自然和人为条件下的脉动激励时(如风、地震、撞击和机械振动等)就会产生一定的振动响应。特别是在土木建筑领域，随着新施工工艺和计算理论以及新材料的出现，结构的柔度进一步加大，而且一般采用钢材，譬如大跨度桥梁的柔细主梁和大长细比柔性吊杆和吊索、超高层建筑主体结构及其附属构件(譬如大跨越输电导线、建筑的薄壁维护结构等)，其均具有抵抗刚度小、自振频率低、结构阻尼小，易发生风致振动的特点，从而极易造成人的振动不舒适感和构件的疲劳损伤，严重时甚至导致结构短时间倒塌破坏。例如1940年，美国的Tacoma悬索桥建成四个月后在小风下即发生了主梁大幅涡振，当风速提高至19m/s，主梁经历短时弯扭耦合振动后突然坍塌。超高层建筑在建成之初未采取减振措施之前，几乎均有一定幅度的风致摆动问题，譬如美国的帝国大厦、上海大厦和中国台湾的101大厦等，虽然对结构安全影响较小，但极易造成人的不舒适感。另外对于大长细比柔细结构，振动更加频繁、幅值也有所加大，譬如经常发生于桥梁吊杆(索)和覆冰输电导线的风致大幅舞动现象，其会引起严重的安全问题。另外因风脉动和流固耦合的复杂性，使得结构具有三维多向振动的特点。

针对上述结构极易发生的风致或者其它振动类型，在其上安装机械阻尼措施是最为直接有效的减振方法。目前一般有动力吸振器和耗能阻尼器两种类型，耗能阻尼器(如粘弹性和金属阻尼器(VED和MED))均需要固定支撑点，这对于高层建筑和大跨越的桥梁主梁和索类结构是无法满足的。动力吸振器(如调谐质量和调谐液体阻尼器(TMD和TLD))一般不需要固定支撑，将主体结构的能量转移至吸振器产生阻尼力并耗散能量来减轻振动。以上两类阻尼器的阻尼部件较多的使用粘弹性固体和液体材料，属于接触式阻尼部件，其存在一定的内摩阻，而且在野外的恶劣环境下，由于材料受温湿度和漏液等因素影响，其存在一定的耐久性问题。

针对已有阻尼部件的上述缺点，近年来，非接触式的电涡流阻尼装置开始逐渐进入结构振动控制领域。其利用导体材料切割磁力线引起磁通量变化而产生电磁感应下的阻尼力来减振，并通过电涡流以热传递形式耗散能量。目前已有板式电涡流TMD和轴向力电涡流阻尼器两种类型，轴向力电涡流阻尼器同样需要一端的固定支撑，而板式电涡流TMD一般采用悬吊式和弹簧支撑式，抑振频率单一。对于高层和大跨越柔细结构的多向多阶振动其抑振方案复杂，效果有限。另外悬吊结构和裸露的弹簧长期振动同样易出现应力疲劳和松弛等问题。上述形式的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能。

发明内容

本发明实施例提供了一种滚珠式电涡流全向阻尼装置，解决了现有的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能的技术问题。

本发明实施例提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置，包括：电涡流产生系统、滚珠导向系统；

所述电涡流产生系统、所述滚珠导向系统位于磁场屏蔽外壳的内部；

所述电涡流产生系统包括两个磁体、导电线圈、球状滚珠；

所述导电线圈缠绕在所述磁体上；

两个磁体的一端分别连接所述滚珠导向系统的两端；

两个磁体的所述一端为异性磁极；

两个磁体的另一端连接所述磁场屏蔽外壳；

所述滚珠导向系统与所述磁场屏蔽外壳连接；

所述球状滚珠位于所述滚珠导向系统空腔内；

所述滚珠导向系统为闭合曲面形状。

优选地，所述磁场屏蔽外壳上设置有孔，所述导线线圈通过所述孔连接电源。

优选地，所述滚珠导向系统通过弹簧与支撑外壳连接，所述支撑外壳固定连接在所述磁场屏蔽外壳内部。

优选地，所述滚珠导向系统通过减振结构与支撑外壳连接，所述支撑外 壳在所述磁场屏蔽外壳内部固定连接所述磁场屏蔽外壳。

优选地，所述磁场屏蔽外壳与需要被减振的结构部件连接。

优选地，两个磁体关于所述滚珠导向系统对称放置。

优选地，所述滚珠导向系统和所述支撑外壳设置为一定厚度。

优选地，所述支撑外壳为闭合曲面外形。

优选地，所述滚珠导向系统设置向内突起障碍。

优选地，两个磁体的另一端固定连接所述磁场屏蔽外壳。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置包括：电涡流产生系统、滚珠导向系统；所述电涡流产生系统、所述滚珠导向系统位于磁场屏蔽外壳的内部；所述电涡流产生系统包括两个磁体、导电线圈、球状滚珠；所述导电线圈缠绕在所述磁体上；两个磁体的一端分别连接所述滚珠导向系统的两端；两个磁体的所述一端为异性磁极；两个磁体的另一端连接所述磁场屏蔽外壳；所述滚珠导向系统与所述磁场屏蔽外壳连接；所述球状滚珠位于所述滚珠导向系统空腔内；所述滚珠导向系统为闭合曲面形状。本实施例中，通过电涡流阻尼系统由永磁体或电磁体以及由隔磁强导电材料(如黄铜)制成的滚珠构成，滚珠导向系统由某种隔磁材料制成三维弧形曲面形式，从而可使滚珠三维滚动以实现全向抑振，解决了现有的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的一个实施例的结构示意图；

图2本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的滚珠沿弧面运动示意图；

图3本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的滚珠曲面 运动后切割磁力线产生电涡流阻尼力示意图；

图示说明：1-永磁体或电磁铁内芯；2-通电线圈；3-黄铜空心滚珠；4-隔磁材料所制滚珠导向光滑曲面；5-减振弹簧或其它减振构造；6-支撑外壁；7-固定连接头；8-磁场屏蔽封装外壳；9-阻尼器与本体结构连接接头；10-热交换和出线孔。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种滚珠式电涡流全向阻尼装置，用于解决现有的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的一个实施例包括：

电涡流产生系统、滚珠导向系统；

所述电涡流产生系统、所述滚珠导向系统位于磁场屏蔽外壳的内部；

所述电涡流产生系统包括两个磁体、导电线圈、球状滚珠；

所述导电线圈缠绕在所述磁体上；

两个磁体的一端分别连接所述滚珠导向系统的两端；

两个磁体的所述一端为异性磁极；

两个磁体的另一端连接所述磁场屏蔽外壳；

所述滚珠导向系统与所述磁场屏蔽外壳连接；

所述球状滚珠位于所述滚珠导向系统空腔内；

所述滚珠导向系统为闭合曲面形状。

进一步地，所述磁场屏蔽外壳上设置有孔，所述导线线圈通过所述孔连接电源。

进一步地，所述滚珠导向系统通过弹簧与支撑外壳连接，所述支撑外壳 固定连接在所述磁场屏蔽外壳内部。

进一步地，所述滚珠导向系统通过减振结构与支撑外壳连接，所述支撑外壳在所述磁场屏蔽外壳内部固定连接所述磁场屏蔽外壳。

进一步地，所述磁场屏蔽外壳与需要被减振的结构部件连接。

进一步地，两个磁体关于所述滚珠导向系统对称放置。

进一步地，所述滚珠导向系统和所述支撑外壳设置为一定厚度。

进一步地，所述支撑外壳为闭合曲面外形。

进一步地，所述滚珠导向系统设置向内突起障碍。

进一步地，两个磁体的另一端固定连接所述磁场屏蔽外壳。

进一步地，所述球状滚珠可以是实心或者空心的。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的另一个实施例包括：永磁体或电磁铁内芯1；通电线圈2；黄铜空心滚珠3；隔磁材料所制滚珠导向光滑曲面4；减振弹簧或其它减振构造5；支撑外壁6；固定连接头7；磁场屏蔽封装外壳8；阻尼器与本体结构连接接头9；热交换和出线孔10，其中所述通电线圈2缠绕在所述永磁体或电磁铁内芯1上，所述通电线圈2穿过热交换和出线孔10与外部电源连接，永磁体或电磁铁内芯1为两个，两个永磁体或电磁铁内芯1异性磁极相对排列放置，两个永磁体或电磁铁内芯1一端(异性磁极)与支撑外壁6连接，两个永磁体或电磁铁内芯1另一端与磁场屏蔽封装外壳8通过固定连接头7连接，两个永磁体或电磁铁内芯1相对于支撑外壁6对称水平放置，黄铜空心滚珠3与隔磁材料所制滚珠导向光滑曲面4接触，隔磁材料所制滚珠导向光滑曲面4通过减振弹簧或其它减振构造5连接支撑外壁6，支撑外壁6通过固定连接头7连接磁场屏蔽封装外壳8，磁场屏蔽封装外壳8通过阻尼器与本体结构连接接头9连接需要被减振的结构物或结构部件。

本发明实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置的另一个实施例包括：

电涡流产生系统和滚珠导向系统。所述电涡流产生系统包含两端的异性磁极和强导电隔磁材料制成的球状光滑滚珠，球状光滑滚珠可以是空心或实心的，滚珠位于两端磁极的不均匀磁场范围内，其通过运动后可以切割不均 匀磁场引起滚珠内的磁通量变化而产生电涡流阻尼耗能。所述的滚珠导向系统，弧形曲面构造可以使滚珠沿弧周各个方向运动。

进一步地，所述电涡流产生系统的磁极为异性磁极相对排列，从而可以使得磁极间隙内的滚珠活动空间有足够多的磁力线通过。另外若采用磁场可调的电磁场，电流线圈包围的内芯需采用消磁性能较好的磁化材料，如软铁和硅钢材料，通过线圈中电流大小的调节可以很好的实现磁场强弱的主动控制，从而可以主动调节电涡流阻尼力的大小。对于切割磁力线的运动滚珠，考虑电涡流的集肤效应和提高减振效率以及减轻滚珠和结构质量，采用空心构造形式则更为合理，另外也可采用多个运动滚珠。

进一步地，电涡流产生系统外部由导磁材料制成的屏蔽外壳包围，以防止磁场泄露对外部的不良影响，另外，磁体端部用适当连接形式固定于屏蔽外壳之上，以防止其随意移动和异性磁极相吸而对支撑外壳产生附加压力。另外在屏蔽外壳之上开有数量和尺寸大小适当的内外热交换和出线孔10。

进一步地，滚珠导向系统由光滑的三维弧面构造形式，使得滚珠可以沿弧面全向运动，而且其需使用非导磁材料，以免破坏磁路使其不从弧面包围空间通过而导致滚珠无法切割磁力线。

进一步地，滚珠导向系统，在其外部还有消除滚珠撞击效应的减振耗能弹簧及其由非导磁材料制成的支撑外壳，支撑外壳以适当连接形式固定于屏蔽外壳上。导向系统和支撑外壳之间也可填充其它耗能阻尼材料。另外为限制滚珠滚动高度以避免对导向系统的较大撞击，可以在导向系统适当位置设置向内突起障碍。

进一步地，屏蔽外壳需通过适当连接形式(可用铰接和弹性连接等其他形式)与减振本体结构相连，从而构成附加阻尼减振系统。

本实施例提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置,该装置能通过滚珠在光滑弧形曲面上的三维滚动，并切割磁力线来提供结构三维复杂振动条件下的无接触式电涡流阻尼力并耗能。所述滚珠式电涡流全向阻尼装置包括电涡流阻尼系统和滚珠导向系统构成。电涡流阻尼系统由永磁体或电磁体以及由隔磁强导电材料(如黄铜)制成的滚珠构成。滚珠导向系统由某种隔磁材料制成三维弧形曲面形式，从而可使滚珠三维滚动以实现全向抑振。

本发明实施例中提供的一种滚珠式阻尼装置的一个应用例为：它包括电涡流产生系统和滚珠三维运动导向系统。电涡流产生系统包括产生磁场的磁体、可以三维全向滚动的隔磁强导电滚珠。滚珠可以在光滑弧形曲面形式的导向系统中向任意方向滚动以切割磁力线产生电涡流阻尼力并耗能。

进一步地，磁体可以采用快速消磁的软铁或硅钢内芯和缠绕其外导电线圈组合成的电磁铁，其磁力大小可以通过改变缠绕线圈的通过电流进行控制。

进一步地，装置需采用导磁外壳避免磁场泄露。

进一步地，滚珠数量大小和数量可以改变以调节减振效果。

进一步地，导向曲面的弧度可以进行设计，从而调节滚珠沿曲面运动的频率，其频率计算公式和单摆是类似的(弧面半径对应摆长)。其和单摆的不同之处在于即使结构振动频率和滚珠沿导向弧面频率不一致时，由于导向面和滚珠之间仍然存在相对运动，故滚珠同样会做切割磁力线运动而产生电涡流阻尼力。

进一步地，导向系统和支撑外壁6之间可用弹簧或者其他减振构造相连，在其适当位置可设置向内突起障碍以限制滚珠运动高度，以减轻其跌落撞击影响。

本实施例中提供的一种滚珠式电涡流全向阻尼装置,适用于三维复杂振动的结构,它同现有技术相比的优点有：

1.本实施例中的滚珠式电涡流全向阻尼装置，采用的滚珠三维弧面导向构造，其对于结构的空间任意方向振动均具有一定的减振效果。

2.本实施例中的滚珠式电涡流全向阻尼装置，采用滚珠在光滑弧面滚动切割磁力线的方式，可大大减轻启动摩阻力，从而从可以抑制结构细微振动。滚珠近似光滑的滚动吸振耗能形式使得其抑振模态可以为多阶次。

3.本实施例中的滚珠式电涡流全向阻尼装置，采用的非接触式电涡流阻尼部件，可以避免漏液和部件磨损等其它影响耐久性的问题发生，其中非接触式电涡流阻尼部件具体是指由磁极产生的磁场和由强导电隔磁材料制成的滚珠，阻尼是由滚珠切割磁磁极产生的磁力线从而在自身表面引发电涡流而产生。因磁场不同于橡胶、油等其他可见的接触型实体阻尼物质，故称为非接触式阻尼部件。

如图1所示，将磁体分别与磁场屏蔽外壳两端固定，为使得磁力线能穿过滚珠滚动区域，需采用异性磁极相对排列的方式。若采用电磁体，需将导电线圈缠绕于具有快速消磁性能的软铁或者硅钢内芯上，电线通过孔与外界控制电源联通，以实现磁场强弱的主动控制。将隔磁材料制成的导向系统支撑外壁6通过固定连接头7与磁场屏蔽外壳两端固定，并使得磁极位于外壳左右(或者上下)两端，支撑外壁6上可以安装一定数量的减振弹簧或者其他减振构造，弹簧的另一端则和用隔磁材料制成的滚珠导向系统相连，滚珠导向系统与滚珠接触的内壁应保持尽可能的光滑。支撑外壁6和滚珠导向系统均需一定厚度以保证其在滚珠滚动和撞击以及其他局部受力条件下不发生局部屈曲变形。支撑外壁6和滚珠导向系统可以在事先安装好减振弹簧或者其他减振构造和在导向系统空腔内放入滚珠后采用对半拼接的方式制成最终闭合曲面外形。滚珠需采用黄铜等强导电隔磁材料制成，须尽心滚动面光滑处理，滚珠壁厚需满足其在规定的撞击下不发生局部屈曲变形。滚珠可以是空心或实心的，另外为限制滚珠滚动高度以避免和导向系统的较大撞击，可以在导向系统适当位置设置向内突起障碍。图2为滚珠在导向系统内沿曲面滚动并切割磁感线的示意图。图3为滚珠一定的速度v切割磁力线后在其表面形成电涡流并产生反方向电涡流阻尼力的示意图。

如图1所示，整套装置由屏蔽外壳进行封装处理，使得内部磁场不发生泄漏，屏蔽外壳上装有与结构本体相连的连接接头，连接接头的位置和类型(固结或者铰接等方式)可选择确定。

本实施例中，一种滚珠式电涡流全向阻尼装置,其由磁场发生系统、磁场屏蔽系统与电涡流发生系统以及滚珠导向系统构成。磁场发生系统由永磁体或者变磁力电磁体(硅钢表面缠绕感应线圈与外电源相连)构成。磁场屏闭蔽系统是由强导磁材料制成的闭合外壳构成。电涡流发生系统是由强导电隔磁材料制成的球状光滑滚珠制成。导向系统采用光滑的曲面闭合内壳由非导磁材料制成,其可以很好的引导滚珠在曲面上沿各个方向滚动。连接系统由装备或焊接于阻尼装置外壳上的固定或铰接连接件构成。本阻尼器独特的电涡流发生系统使得结构内部不需要使用接触式阻尼材料，可以避免漏液和结构摩阻损耗，外层屏蔽系统可以避免磁场的对外发散而造成的不良影响，内部 曲面导向构造可以实现滚珠的全向运动，使其切割磁体磁力线，从而使装置产生各向(全向)的电涡流阻尼，解决现有的单个电涡流阻尼器运动方向为一维或者二维的，均不具备全向抑振功能的技术问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，包括：电涡流产生系统、滚珠导向系统；

所述电涡流产生系统、所述滚珠导向系统位于磁场屏蔽外壳的内部；

所述电涡流产生系统包括两个磁体、导电线圈、球状滚珠；

所述导电线圈缠绕在所述磁体上；

两个磁体的一端分别连接所述滚珠导向系统的两端；

两个磁体的所述一端为异性磁极；

两个磁体的另一端连接所述磁场屏蔽外壳；

所述滚珠导向系统与所述磁场屏蔽外壳连接；

所述球状滚珠位于所述滚珠导向系统空腔内；

所述滚珠导向系统为闭合曲面形状。

2.根据权利要求1所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述磁场屏蔽外壳上设置有孔，所述导电线圈通过所述孔连接电源。

3.根据权利要求2所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述滚珠导向系统通过弹簧与支撑外壳连接，所述支撑外壳固定连接在所述磁场屏蔽外壳内部。

4.根据权利要求2所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述滚珠导向系统通过减振结构与支撑外壳连接，所述支撑外壳在所述磁场屏蔽外壳内部固定连接所述磁场屏蔽外壳。

5.根据权利要求3所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述磁场屏蔽外壳与需要被减振的结构部件连接。

6.根据权利要求5所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，两个磁体关于所述滚珠导向系统对称放置。

7.根据权利要求6所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述滚珠导向系统和所述支撑外壳设置为一定厚度。

8.根据权利要求7所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述支撑外壳为闭合曲面外形。

9.根据权利要求8所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，所述滚珠导向系统设置向内突起障碍。

10.根据权利要求9所述的滚珠式电涡流全向阻尼装置，其特征在于，两个磁体的另一端固定连接所述磁场屏蔽外壳。

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