CN107084218A - 一种自适应可控电磁阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应可控电磁阻尼器，包括阻尼外筒、位于阻尼外筒内腔中部的套设有弹簧的铁芯和分别位于阻尼外筒两端的活塞组件，该活塞组件包括设置在阻尼外筒内腔并可沿其轴向方向来回移动的活塞、一端与该活塞相连另一端穿出阻尼外筒的活塞杆和设于活塞内的永磁铁，该活塞组件与阻尼外筒的内壁之间形成封闭空间；所述活塞杆内部设有外周套设有绝缘套的锚头，弹簧两端分别穿过永磁铁固定在相应的锚头上，两端锚头上分别通过导线引出与电磁控制系统相连接，并形成两导电端。

Description

一种自适应可控电磁阻尼器

技术领域

本发明涉及一种减震阻尼器，属于土木工程领域的桥梁、房屋等结构的减震控制技术，尤其涉及一种自适应可控电磁阻尼器。

背景技术

我国位于环太平洋地震带-欧亚地震带，地震频发，近十余年来发生的五级以上的地震共计500余次，汶川地震、玉树地震、雅安地震等给人民的生命、财产带来了难以承受的损失。研发新型减隔震装置，增强建筑、桥梁结构的抗震性能，是保证人民生命、财产安全的关键。

随着超高、超大跨建筑、大跨度桥梁的不断涌现，结构减隔震装置得到了充分的研发与应用，并取得了良好的减隔震效果，为保障工程结构的安全可靠，减隔震装置在实际工程结构中发挥着重要作用，如隔震支座、软钢阻尼器、弹性拉索及磁流变阻尼器等等。然而，罕遇地震、台风等极端荷载作用下，采用传统的隔震措施及减隔震装置依旧不能满足要求，如结构发生倒塌。要满足“大震不倒”的抗震设防目标，采用减隔震措施可以大大减小传至上部结构的地震能量，从而避免结构在强震、强风作用下发生倒塌破坏。与此同时，大型结构中各种阻尼器的使用，也使结构的耗能能力大大加强。尽管不同类型的阻尼器得到了广泛的应用，但主要以被动控制为主，而且阻尼器的耗能能力无法实现调节可控，当结构的输入能量超过减隔震装置耗能能力时，减隔震装置会失效，此时结构将产生难以想象的破坏。

近年来，隔震结构(如隔震建筑、隔震桥梁等)得到了广泛的应用，并在地震中表现出良好的抗震性能。但隔震支座是一种被动耗能装置，当遭遇强震时，会出现隔震支座位移超限，对结构造成灾难性破坏。如隔震建筑发生倾覆而倒塌，隔震桥梁因支座位移超限而发生落梁及结构倒塌。问题的关键在于，传统的耗能装置都已被动耗能为主，且主要运用减隔震装置自身的材料性能。地震是一种随机荷载，当减隔震装置无法满足结构的耗能需求时，结构就会发生破坏，特别是在强震作用下，难以实现“大震不倒”的抗震设防目标。目前，国内外学者关于减隔震装置做了诸多研究，提出多种新型的减隔震装置，如新型减隔震支座、新型阻尼器。既有的新型减隔震支座由钢铅组合芯减隔震橡胶支座、软钢芯橡胶垫弹簧组合减隔震支座、复合叠层橡胶-环状钢棒隔震装置、多维减隔震铅芯橡胶支座、滑移隔震支座等；既有的阻尼器有屈曲约束支撑、软钢阻尼器、粘滞阻尼器、粘弹性阻尼器、质量调谐阻尼器、磁流变阻尼器。以上减隔震装置均以被动控制为主，由于被动减隔震装置的阻尼系数是恒定的，不可能对各种等级的地震、台风都有良好的减震效果，且其耗能能力主要取决于阻尼器自身材料的耗能能力，难以适应各种极端荷载作用下的结构减震控制。对于大跨度复杂结构，如大型体育场馆、高耸结构、大跨度桥梁等，对结构实施有效的减震控制至关重要，采取有效的减隔震措施是解决问题的根本。目前，现有的阻尼器耗能装置及限位装置仍旧存在不足：被动耗能减震，耗能能力、限位需求的不可调节；且只能充分利用自身材料的耗能性能实现最大耗能能力，阻尼器及限位装置本身的可控制性差，难以适用于各种等级的结构减震控制。

为了更有效地控制结构强震作用下的地震响应，有必要研发新型减隔震装置。电磁效应是电场和磁场的相互感应效应，通电螺线管可以产生磁场，可通过控制电流大小来控制磁场强度。利用同性相斥，异性相吸的原理，可以利用电磁效应产生的引力/斥力调节减震装置的耗能能力，具有耗能能力可调节的优点。当前，利用电磁效应的阻尼器得到了应用，如“半可控圆筒型直线电磁阻尼器”、“一种转子振动主动控制电磁阻尼器”、“一种电磁阻尼器”、“带轴承的电磁阻尼器”，但主要应用于电机技术领域，且主要以充分利用减震装置自身材料性能为主，不能实现耗能调节，且不能实现主动控制。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种根据弹簧的实时位移量，通入相适应的电流，利用电磁效应增大阻尼器的耗能能力，可实现结构耗能减震和限位自适应实时控制的自适应可控电磁阻尼器。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的自适应可控电磁阻尼器，包括阻尼外筒、位于阻尼外筒内腔中部的套设有弹簧的铁芯和分别位于阻尼外筒两端的活塞组件，该活塞组件包括设置在阻尼外筒内腔并可沿其轴向方向来回移动的活塞、一端与该活塞相连另一端穿出阻尼外筒的活塞杆和设于活塞内的永磁铁，该活塞组件与阻尼外筒的内壁之间形成封闭空间；所述活塞杆内部设有外周套设有绝缘套的锚头，弹簧两端分别穿过永磁铁固定在相应的锚头上，两端锚头上分别通过导线引出与电磁控制系统相连接，并形成两导电端。

其中，所述活塞杆与阻尼外筒内壁、活塞与阻尼外筒内壁之间的接触面上设有用于密封的橡胶衬垫。

优选的，所述弹簧均匀绕设在铁芯外围，且铁芯和弹簧之间留有间隙；其中位于弹簧中间位置段对称均布有支撑杆，该支撑杆限制铁芯自由悬于弹簧中间位置。

进一步，所述铁芯两端设有止挡板，限制铁芯位于弹簧中间位置。

再者，所述弹簧的端部通过材质为导电金属的连接件与锚头固定连接，该连接件外套有绝缘套。

进一步，所述阻尼外筒、活塞和活塞杆的材质均为环氧树脂玻璃纤维绝缘材料。

优选的，所述穿过永磁铁和活塞组件的弹簧部分外部套有绝缘套，与永磁铁和活塞组件绝缘。

再者，所述电磁控制系统包括滑动触碰旋转式双向开关，该滑动触碰旋转式双向开关包括电源端(a、b、c、d)和之相对应的弹簧端(a＇、b＇、c＇、d＇)，该电磁控制系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1、弹簧初始状态时处于平衡位置，输入电流为零，监测弹簧位移大小及方向，判断弹簧拉伸或压缩状态，依据弹簧的位移大小控制输入电流的大小，根据弹簧的位移方向控制输入电流的方向；根据振动幅值大小，可将弹簧位移分为小位移、中位移、大位移三个层次，并依据小位移、中位移和大位移的位移值设置相应的电流阈值，通过输入电流的大小控制内部磁场力的大小，其中位移大小：小位移<中位移<大位移，对应电流大小：电流1<电流2<电流3；

步骤2、当阻尼器受压，弹簧处于压缩状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端b与弹簧端a＇、电源端c与弹簧端d＇，通入电流的方向为从A端到B端，电流使螺旋弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相同的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生斥力作用；根据弹簧压缩位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的正向电流1、正向电流2、正向电流3，对应的正向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的斥力，从而实现调节阻尼器压缩状态时的耗能能力；

步骤3、当阻尼器受拉，弹簧处于拉伸状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端a与弹簧端b＇、电源端d与弹簧端c＇，通入电流的方向为从B端到A端，电流使弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相反的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生引力作用；根据弹簧拉伸位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的反向电流1、反向电流2、反向电流3，对应的反向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的引力，从而实现调节阻尼器拉伸状态时的耗能能力。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明利用活塞组件和套设有弹簧的铁芯组成阻尼器，充分发挥阻尼器材料自身耗能性能；其次该阻尼器通过电磁控制系统，根据弹簧的实时位移大小和位移方向，通入相适应大小和方向的电流，在充分利用阻尼器自身耗能能力的基础上，通过弹簧在铁芯上产生的电磁效应实现实时增大阻尼器的耗能能力，可实现结构耗能减震和限位自适应实时控制；再者该可控电磁阻尼器可最大程度实现结构震动的主动控制，避免结构在强震、强风作用下发生倒塌破坏，以实现“大震不倒”抗震设防目标。

附图说明

图1为本发明中压缩状态的结构示意图；

图2为本发明中拉伸状态的结构示意图；

图3为本发明中图1的I-I的剖视图；

图4为本发明中图1的Ⅱ-Ⅱ的剖视图；

图5为本发明中图1的III-III的剖视图；

图6为本发明中图1的Ⅳ-Ⅳ的剖视图；

图7为本发明中图1的Ⅴ-Ⅴ的剖视图；

图8为本发明中弹簧与铁芯的连接示意图；

图9为本发明中铁芯的端部示意图；

图10为本发明的电磁控制系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明公开了一种自适应可控电磁阻尼器，包括阻尼外筒1、弹簧2、铁芯3、活塞4、活塞杆5、永磁铁6、绝缘套7、锚头8、导线9、橡胶衬垫10、支撑杆11、止挡板12和连接件13。

如图8和图9所示，弹簧2均匀绕设在铁芯3外围，且铁芯3和弹簧2之间留有间隙；其中位于弹簧2中间位置段对称均布有支撑杆11，铁芯3两端设有止挡板12，该支撑杆11和止挡板12限制铁芯3自由悬于弹簧2中间位置。套设有弹簧2的铁芯3位于阻尼外筒1内腔中部。

阻尼外筒1两端设有活塞组件，该活塞组件包括设置在阻尼外筒1内腔并可沿其轴向方向来回移动的活塞4、一端与该活塞4相连另一端穿出阻尼外筒1的活塞杆5和设于活塞4内的永磁铁6，该活塞组件与阻尼外筒1的内壁之间形成封闭空间。具体的活塞的截面形状为槽型结构，该槽型结构内嵌有永磁体，且槽口端向内折弯形成用于止挡永磁体的止口。上述活塞杆5与阻尼外筒1内壁、活塞4与阻尼外筒1内壁之间的接触面上设有用于密封的橡胶衬垫10。如图3所示，活塞杆的端部开设有圆孔，便于拉动活塞杆进行移动。

如图1和图4所示，活塞杆5内部设有外周套设有绝缘套7的锚头8，弹簧2两端分别穿过永磁铁6固定在相应的锚头8上，两端锚头8上分别通过导线9引出与电磁控制系统相连接，并形成导电端A、B。本发明的活塞杆5、活塞4和永磁体6上均开设有相应的孔道，便于弹簧与导线相连接。

如图5、图6和图7所示，本发明的弹簧2的端部通过材质为导电金属的连接件13与锚头8固定连接，该连接件13外套有绝缘套7。阻尼外筒1、活塞4和活塞杆5的材质均为环氧树脂玻璃纤维绝缘材料。

上述穿过永磁铁6和活塞组件的弹簧2部分外部套有绝缘套7，与永磁铁6和活塞组件绝缘。

如图10所示，电磁控制系统包括滑动触碰旋转式双向开关，该滑动触碰旋转式双向开关包括电源端a、b、c、d和之相对应的弹簧端a＇、b＇、c＇、d＇，该电磁控制系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1、弹簧初始状态时处于平衡位置，输入电流为零，监测弹簧位移大小及方向，判断弹簧拉伸或压缩状态，依据弹簧的位移大小控制输入电流的大小，根据弹簧的位移方向控制输入电流的方向；根据振动幅值大小，可将弹簧位移分为小位移、中位移、大位移三个层次，并依据小位移、中位移和大位移的位移值设置相应的电流阈值，通过输入电流的大小控制内部磁场力的大小，其中位移大小：小位移<中位移<大位移，对应电流大小：电流1<电流2<电流3；

步骤2、当阻尼器受压，弹簧处于压缩状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端b与弹簧端a＇、电源端c与弹簧端d＇，通入电流的方向为从A端到B端，电流使螺旋弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相同的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生斥力作用；根据弹簧压缩位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的正向电流1、正向电流2、正向电流3，对应的正向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的斥力，从而实现调节阻尼器压缩状态时的耗能能力；随弹簧压缩位移逐级增大，正向电流逐级增大，磁场强度逐级增大，斥力逐级增大，阻尼器耗能能力不断增强。

步骤3、当阻尼器受拉，弹簧处于拉伸状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端a与弹簧端b＇、电源端d与弹簧端c＇，通入电流的方向为从B端到A端，电流使弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相反的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生引力作用；根据弹簧拉伸位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的反向电流1、反向电流2、反向电流3，对应的反向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的引力，从而实现调节阻尼器拉伸状态时的耗能能力。随弹簧拉伸位移逐级增大，反向电流逐级增大，磁场强度逐级增大，引力逐级增大，阻尼器耗能能力不断增强。

Claims (8)

1.一种自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：包括阻尼外筒(1)、位于阻尼外筒(1)内腔中部的套设有弹簧(2)的铁芯(3)和分别位于阻尼外筒(1)两端的活塞组件，该活塞组件包括设置在阻尼外筒(1)内腔并可沿其轴向方向来回移动的活塞(4)、一端与该活塞(4)相连另一端穿出阻尼外筒(1)的活塞杆(5)和设于活塞(4)内的永磁铁(6)，该活塞组件与阻尼外筒(1)的内壁之间形成封闭空间；所述活塞杆(5)内部设有外周套设有绝缘套(7)的锚头(8)，弹簧(2)两端分别穿过永磁铁(6)固定在相应的锚头(8)上，两端锚头(8)上分别通过导线(9)引出与电磁控制系统相连接，并形成两导电端(A、B)。

2.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述活塞杆(5)与阻尼外筒(1)内壁、活塞(4)与阻尼外筒(1)内壁之间的接触面上设有用于密封的橡胶衬垫(10)。

3.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述弹簧(2)均匀绕设在铁芯(3)外围，且铁芯(3)和弹簧(2)之间留有间隙；其中位于弹簧(2)中间位置段对称均布有支撑杆(11)，该支撑杆(11)限制铁芯(3)自由悬于弹簧(2)中间位置。

4.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述铁芯(3)两端设有止挡板(12)，限制铁芯(3)位于弹簧(2)中间位置。

5.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述弹簧(2)的端部通过材质为导电金属的连接件(13)与锚头(8)固定连接，该连接件(13)外套有绝缘套(7)。

6.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述阻尼外筒(1)、活塞(4)和活塞杆(5)的材质均为环氧树脂玻璃纤维绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述穿过永磁铁(6)和活塞组件的弹簧(2)部分外部套有绝缘套(7)，与永磁铁(6)和活塞组件绝缘。

8.根据权利要求1所述的自适应可控电磁阻尼器，其特征在于：所述电磁控制系统包括滑动触碰旋转式双向开关，该滑动触碰旋转式双向开关包括电源端(a、b、c、d)和之相对应的弹簧端(a＇、b＇、c＇、d＇)，该电磁控制系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1、弹簧初始状态时处于平衡位置，输入电流为零，监测弹簧位移大小及方向，判断弹簧拉伸或压缩状态，依据弹簧的位移大小控制输入电流的大小，根据弹簧的位移方向控制输入电流的方向；根据振动幅值大小，可将弹簧位移分为小位移、中位移、大位移三个层次，并依据小位移、中位移和大位移的位移值设置相应的电流阈值，通过输入电流的大小控制内部磁场力的大小，其中位移大小：小位移<中位移<大位移，对应电流大小：电流1<电流2<电流3；

步骤2、当阻尼器受压，弹簧处于压缩状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端b与弹簧端a＇、电源端c与弹簧端d＇，通入电流的方向为从A端到B端，电流使螺旋弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相同的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生斥力作用；根据弹簧压缩位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的正向电流1、正向电流2、正向电流3，对应的正向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的斥力，从而实现调节阻尼器压缩状态时的耗能能力；

步骤3、当阻尼器受拉，弹簧处于拉伸状态时，弹簧带动活塞触碰滑动触碰旋转式双向开关接通连接电源端a与弹簧端b＇、电源端d与弹簧端c＇，通入电流的方向为从B端到A端，电流使弹簧内铁芯产生与永磁铁方向相反的磁场，铁芯端部与两端的永磁铁产生引力作用；根据弹簧拉伸位移量，当弹簧位移值处于小位移、中位移、大位移时，分别输入相应的反向电流1、反向电流2、反向电流3，对应的反向电流使得弹簧内铁芯产生不同的磁场强度，铁芯与永磁铁相互产生不同大小的引力，从而实现调节阻尼器拉伸状态时的耗能能力。