CN107268824A - 多维调谐电磁耗能减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维调谐电磁耗能减振装置，包括一个外箱体和内箱体，所述的外箱体内设有多个小球，内箱体设置在小球上，确保其可以在水平方向自由移动；且内箱体的两侧通过电磁阻尼器与外箱体的内侧壁相连，在所述内箱体的内顶部和内底部各设有一个磁体，且内箱的顶部悬挂有弹簧摆，弹簧摆位于磁铁形成的磁性空间内，其摆动可以切割磁感线；所述外箱体的外侧壁通过滑块可以在外力作用下沿着导轨移动，且所述的滑块与一个平动齿条相连，所述的平动齿条随滑块运动，带动与其啮合的转动齿轮转动，所述的转动齿轮带动一个内芯转动，所述的内芯安装在内壁有磁极的外圆筒中，内芯上缠绕有线圈，内芯转动切割磁感线，进而形成了电涡流阻尼器。

Description

多维调谐电磁耗能减振装置

技术领域

本发明属于高耸结构减振控制领域，具体涉及一种多维调谐电磁耗能减振装置。

背景技术

我国是一个风灾和地震灾害相对频发的国家，高耸结构因其长细比大、高度高等特点，属于侧向荷载起主要作用的建筑物。相对于普通建筑结构，高耸结构水平刚度较小，对风荷载和地震作用敏感，易产生较大的动力响应，尤其是在强风或者强震作用下极易发生破坏甚至倒塌，造成巨大的经济损失。因此提高高耸结构的抗风和抗震性能，减小其在风荷载或地震作用下的振动响应，降低风或地震对高耸结构的损害已经成为了结构工程领域的热门话题。

目前提高结构的抗震性能主要是两种途径：一方面提高结构本身的承载能力和变形能力，防止其在外荷载下发生破坏；另一方面，通过外部的减振控制装置，减小结构的振动响应。随着社会发展，人们越发的发现第一种途径不合理、不经济，从而减振控制装置得到了广泛的应用。目前，振动控制技术主要包括主动控制、被动控制及半主动控制。被动控制指的是通过调节附加结构的频率与结构主频率一致，振动时与结构产生共振，产生与结构振动方向相反的惯性力，从而降低结构的振动。由于被动控制不需要额外的能量，技术相对简单并且造价低，因此被广泛运用。目前被动控制主要包括：调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)或悬挂质量摆(SMP)等。目前的被动控制主要都是简单单一的一个装置，虽然可以达到减振效果，但是效果不明显或者无法满足多维度的耗能减振。

发明内容

本发明目的是提供一种多维调谐电磁耗能减振装置，旨在减小高耸结构在地震作用和风荷载作用下的振动响应，通过多种减振吸能方式达到耗能减振的效果。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

多维调谐电磁耗能减振装置，包括一个外箱体和内箱体，所述的外箱体内设有多个小球，内箱体设置在小球上，确保其可以在水平方向自由移动；且内箱体的两侧通过电磁阻尼器与外箱体的内侧壁相连，在所述内箱体的内顶部和内底部各设有一个磁体，且内箱的顶部悬挂有弹簧摆，弹簧摆位于磁铁形成的磁性空间内，其摆动可以切割磁感线；所述外箱体的外侧壁通过滑块可以在外力作用下沿着导轨移动，且所述的滑块与一个平动齿条相连，所述的平动齿条随滑块运动，带动与其啮合的转动齿轮转动，所述的转动齿轮带动一个内芯转动，所述的内芯安装在内壁有磁极的外圆筒中，内芯上缠绕有线圈，内芯转动切割磁感线，进而形成了电涡流阻尼器。

本发明在悬挂质量摆的基础上，在下方增加了电涡流阻尼，在两侧增加了电磁阻尼，通过带线圈内芯在磁场中的转动和带线圈导体切割磁场线，将能量转化成电磁能和热能，从而实现多维度调谐电磁耗能减振效果。

进一步的，所述的弹簧摆包括一个弹簧以及竖直连接在弹簧下端的质量球，其运动方式为弹簧摆上下振动与质量球水平摆动两种运动方式的耦合，当所述弹簧摆满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

进一步的，所述的电磁阻尼器包括带有闭合线圈的导体，导体外套装有弹簧，导体的上下两侧是磁极；导体的一端通过连接装置连接内箱体，另一端连接外箱体。导体随着内箱体发生水平方向移动。

进一步的，所述的弹簧摆位于内箱体的磁场中，其摆动可以切割磁感线。

进一步的，所述的质量球为导体，摆动过程中切割磁感线，可以产生电流。

进一步的，所述的弹簧采用形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点。

进一步的，所述的弹簧中间贯穿一根弹性合金绞线，弹性合金绞线采用形状记忆合金制成，其具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，在弹簧损坏后可以保护结构。

进一步的，所述的弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度等；这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

进一步的，所述的电磁阻尼器减振控制装置固定在内箱体的两侧，在内箱体左右移动时提供阻尼，将内箱体的机械能转化为其他形式的能量并逐渐耗散。

进一步的，所述的弹簧采用形状记忆合金制成。

进一步的，所述的电涡流阻尼器下方布置一个垫块，固定外圆筒。

本发明的工作原理如下：

将本装置固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生振动时，带动减振装置一起振动，弹簧摆在竖直方向振动、在水平方向摆动，过程中满足内共振条件，两个振动模态强烈耦合，一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。此时内箱体会与弹簧摆形成相对运动，内箱体因为上下两侧布置磁极，两磁极之间存在磁场，弹簧摆在运动时切割磁感线，产生了电磁力，由楞次定律可知，电磁力阻碍相对运动，从而减缓被控结构的振动，从能量转换的角度看，结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

内箱体下方设置数个小球，内箱体可以在水平方向自由移动，带有线圈的导体在随着内箱体运动时，也达到了切割磁感线的目的。与此同时，导体端部的弹簧也会产生阻尼。这个过程，将结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。当外箱发生竖直方向运动时，带动平动齿条发生移动，从而带动转动齿轮发生转动，转动齿轮带动内芯发生转动，因为内芯外侧缠绕线圈，外圆筒内壁布置磁极，内芯转动的时候可以切割磁感线，将结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。

本发明的有益效果如下：

本发明利用弹簧摆的内共振特点，实现非线性吸振效果。并且本发明采用的形状记忆合金弹簧具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点；采用的形状记忆合金绞线具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，能够起到保护弹簧和质量球的作用。不仅如此，本发明通过磁体产生的磁感线，弹簧摆、带线圈导体、带线圈的内芯运动时切割磁感线，因此结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。本发明属于被动控制装置，无需外部能源的输入，可通过装置自身对结构进行实时控制，施工技术简便，性价比高，安全性能高。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多维调谐电磁耗能减振装置结构示意图。

图2是电涡流阻尼器减振控制装置结构放大图。

图中：1磁极，2形状记忆合金弹簧，3形状记忆合金绞线，4质量球，5内箱体，6小球，7连接块，8连接头，9导体，10磁体，11线圈，12形状记忆合金弹簧，13外箱体，14滑块，15导轨，16平动齿条，17电涡流阻尼器，18转动齿轮，19垫块，20线圈，21内芯，22磁极。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分:本发明所述的“内顶部”是指位于内箱体内部的顶部；所述的“内底部”是指位于内箱体内部的底部。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前被动控制主要包括：调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)或悬挂质量摆(SMP)等；本发明在悬挂质量摆的基础上，在下方增加了电涡流阻尼，在两侧增加了电磁阻尼，通过带线圈内芯在磁场中的转动和带线圈导体切割磁场线，将能量转化成电磁能和热能，从而实现多维度调谐电磁耗能减振效果。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种多维调谐电磁耗能减振装置，本发明在悬挂质量摆的基础上，在下方增加了电涡流阻尼，在两侧增加了电磁阻尼，通过带线圈内芯在磁场中的转动和带线圈导体切割磁场线，将能量转化成电磁能和热能，从而实现多维度调谐电磁耗能减振效果。

具体的，该装置固定于高耸结构的顶端，磁极1固定在内箱体5的内顶部和内底部，形状记忆合金弹簧2和形状记忆合金绞线3固定在内箱体5的顶端中央处，形状记忆合金绞线3穿过弹簧2的中心，形状记忆合金绞线3和弹簧2的下端均与质量球4顶部中央连接，内箱体5由于下方的小球6可以发生水平运动。电磁阻尼器通过连接头8与连接块7连接，从而固定在内箱体两侧。内箱体和电磁阻尼器在外箱13中，外箱13通过左右两侧与滑块14连接，平动齿条16固定在滑块14上，外箱13的上下运动可以引起转动齿轮18的转动，带动内芯21的转动。

本发明利用弹簧摆的内共振特点，实现非线性吸振效果。并且本发明采用的形状记忆合金弹簧具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点；采用的形状记忆合金绞线具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，能够起到保护弹簧和质量球的作用。不仅如此，本发明通过磁体产生的磁感线，弹簧摆、带线圈导体、带线圈的内芯运动时切割磁感线，因此结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

弹簧摆位于内箱体的磁场中，其摆动可以切割磁感线。质量球为导体，摆动过程中切割磁感线，可以产生电流。弹簧2采用形状记忆合金制成，此合金具有高阻尼，超弹性，高耗能等优点。弹簧中间贯穿一根弹性合金绞线，弹性合金绞线采用形状记忆合金制成，其具有高弹性模量和超弹性自复位能力等特点，在弹簧损坏后可以保护结构。

弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的长度等；这里所述的“接近”是指频率的相差范围控制在5％范围内。

内箱体5下方布置数个小球6，确保内箱体可以在发生水平方向自由移动。

电磁阻尼器减振控制装置固定在内箱体5的两侧，在内箱体5左右移动时提供阻尼，将内箱体的机械能转化为其他形式的能量并逐渐耗散。

电磁阻尼器由带闭合线圈的导体9、弹簧以及两侧的磁体组成；导体通过连接块7和连接头8固定在内箱体两侧，并在上面缠绕闭合线圈11。导体随着内箱体发生水平方向移动。导体端部连接弹簧，弹簧采用形状记忆合金制成。导体上下两侧布置磁体10。

外箱左右两侧连接滑块14和导轨15，滑块14在地震或者风荷载的作用下可以沿着导轨发生竖直方向的位移。

滑块14连接平动齿条16，平动齿条16可以随滑块14竖向移动。

外箱体13下部有两个电涡流阻尼器。电涡流阻尼器由转动齿轮18、缠绕线圈20的内芯21和内壁布置磁极22的外圆筒组成。电涡流阻尼器下方布置一个垫块19，固定外圆筒。转动齿轮连接滑块上的平动齿条，可以随平动齿条的竖直移动而发生转动。转动齿轮连接内芯，带动其发生转动。外圆筒内壁布置磁极，磁极之间会有磁场。内芯上缠有线圈，在外圆筒磁极产生的磁场内，其转动可以切割磁感线。

内箱体和外箱体的形状可以采用矩形或者圆柱形。电涡流阻尼器、电磁阻尼器的个数可以根据需要设置。

使用时，将本装置固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生振动时，带动减振装置振动，弹簧摆会发生竖向振动和水平向的摆动，此时外箱会与弹簧摆形成相对运动，弹簧摆会切割磁感线；内箱体5水平运动时带动导体9水平运动，切割磁感线；外箱13发生竖直运动时，平动齿条带动转动齿轮转动，带动内芯转动切割磁感线。从能量转换的角度看，结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

具体的工作原理如下：

将本装置固定在高耸结构的顶部，在地震或风荷载作用下，被控结构发生振动时，带动减振装置一起振动，弹簧摆在竖直方向振动、在水平方向摆动，过程中满足内共振条件，两个振动模态强烈耦合，一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。此时内箱体会与弹簧摆形成相对运动，内箱体因为上下两侧布置磁极，两磁极之间存在磁场，弹簧摆在运动时切割磁感线，产生了电磁力，由楞次定律可知，电磁力阻碍相对运动，从而减缓被控结构的振动，从能量转换的角度看，结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉，达到了减振耗能的效果。

内箱体下方设置数个小球，内箱体可以在水平方向自由移动，带有线圈的导体在随着内箱体运动时，也达到了切割磁感线的目的。与此同时，导体端部的弹簧也会产生阻尼。这个过程，将结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。当外箱发生竖直方向运动时，带动平动齿条发生移动，从而带动转动齿轮发生转动，转动齿轮带动内芯发生转动，因为内芯外侧缠绕线圈，外圆筒内壁布置磁极，内芯转动的时候可以切割磁感线，将结构振动的机械能先转化为电能最终转化为热能耗散掉。

本实施方案中需要注意以下几个方面：

一、该装置应设置在被控结构顶部较为开阔的位置，弹簧摆会根据地震作用或者风荷载的方向，沿各个方向摆动；

二、弹簧的长度和刚度应根据被控结构的主频率进行选择，使其能满足内共振的条件；

三、弹簧和合金绞线选择形状记忆合金，能够具有较强的自我复位能力，有较好的吸振功能，同时还能保护下端的质量球；

四、电磁阻尼器中导体端部连接弹簧，可以保证导体正常运动不碰到外箱壁的同时，还能增加阻尼，提高吸能效果。

五、滑块在导轨能正常运动，平动齿条与转动齿轮贴合紧密，才能保证电涡流阻尼器中内芯正常转动。

本实施方案中，应当根据结构的具体情况确定多维调谐电磁耗能减振装置的安装位置和数量，以达到最佳的减振吸能效果。

本发明属于被动控制装置，无需外部能源的输入，可通过装置自身对结构进行实时控制，施工技术简便，性价比高，安全性能高。

本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，包括一个外箱体和内箱体，所述的外箱体内设有多个小球，内箱体设置在小球上，确保其可以在水平方向自由移动；且内箱体的两侧通过电磁阻尼器与外箱体的内侧壁相连，在所述内箱体的内顶部和内底部各设有一个磁体，且内箱的顶部悬挂有弹簧摆，弹簧摆位于磁铁形成的磁性空间内，其摆动可以切割磁感线；所述外箱体的外侧壁通过滑块可以在外力作用下沿着导轨移动，且所述的滑块与一个平动齿条相连，所述的平动齿条随滑块运动，带动与其啮合的转动齿轮转动，所述的转动齿轮带动一个内芯转动，所述的内芯安装在内壁有磁极的外圆筒中，内芯上缠绕有线圈，内芯转动切割磁感线，进而形成了电涡流阻尼器。

2.如权利要求1所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧摆包括一个弹簧以及竖直连接在弹簧下端的质量球，其运动方式为弹簧摆上下振动与质量球水平摆动两种运动方式的耦合，当所述弹簧摆满足内共振时，两个振动模态强烈耦合，一种振动激发另一种振动，达到非线性吸振效果。

3.如权利要求2所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的质量球为导体，摆动过程中切割磁感线，可以产生电流。

4.如权利要求2所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧采用形状记忆合金制成。

5.如权利要求2所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧中间贯穿一根弹性合金绞线，弹性合金绞线采用形状记忆合金制成。

6.如权利要求2所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧摆与被控结构的主频率接近，根据被控结构的频率来确定弹簧的参数。

7.如权利要求1所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的电磁阻尼器包括带有闭合线圈的导体，导体外套装有弹簧，导体的上下两侧是磁极；导体的一端通过连接装置连接内箱体，另一端连接外箱体；导体随着内箱体发生水平方向移动。

8.如权利要求7所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的电磁阻尼器在内箱体左右移动时提供阻尼，将内箱体的机械能转化为其他形式的能量并逐渐耗散。

9.如权利要求7所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的弹簧采用形状记忆合金制成。

10.如权利要求1所述的多维调谐电磁耗能减振装置，其特征在于，所述的电涡流阻尼器下方布置一个垫块，固定外圆筒。