CN108343171A - 电磁谐振式惯质阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁谐振式惯质阻尼器，包括尾筒、滚珠丝杠机构、变速箱和旋转飞轮、发电机及蓄电池；发电机安装在尾筒内，发电机通过变速箱与飞轮的一端连接，飞轮的另一端与滚珠丝杠机构的丝杠连接；滚珠丝杠机构的螺母与连接件连接；发电机输出端与电阻‑电感‑电容式RLC串联谐振电路连接，电阻‑电感‑电容式RLC串联谐振电路与稳压电流器连接，稳压电流器与蓄电池连接；蓄电池输出端通过导线与自供能半主动控制器模块连接，自供能半主动控制器模块通过信号线与稳压电流器连接。发明具有发电效率高、非接触、无机械摩擦和磨损、无需润滑、寿命长及刚度与阻尼可控的特点；并且能够将结构振动机械能转化为电能，收集振动能量。

Description

电磁谐振式惯质阻尼器

技术领域

本发明属于阻尼器技术领域，具体是涉及一种电磁谐振式惯质阻尼器。

背景技术

土木工程结构在受到自然环境中强风，暴雨，地震等外部作用下，容易产生大幅振动，增加了结构的损伤，以至于影响结构的安全性和舒适性，同时减少了结构的使用年限。如何减轻结构由于外界动力荷载所引起的响应这一问题，成为了国内外学者研究的热点。迄今为止，国内外学者研究并开发了众多结构控制技术，根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制等。结构被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术，可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类，如隔震支座和调谐质量阻尼器，但是被动控制装置存在一些缺点，如 TMD 减振调谐受限易谐振失调，且由于传统调谐质量阻尼器的弹簧和阻尼的特性不随时间变化而变化，因而限制了传统调谐质量阻尼器对各种频率和形式外界激励的适应能力；结构主动控制是利用外部能源，在结构受激励振动过程中，对结构施加主动控制力，从而迅速减振，然而由于其结构复杂、耗能高、成本高等，其研究还并没有得到广泛应用。近年来，由于半主动控制具备被动控制系统的鲁棒性与主动控制系统的可调性等优点，成为土木工程隔振、减振及振动控制研究与工程应用的重要技术，然而由于半主动控制需要有专用的传感器和控制设备给阻尼器输入能量，也限制了半主动控制技术的应用。

“惯质”的概念于Smith于2002年提出，其实质是一种通过旋转或惯性飞轮放大质量的容器，目前研究主要集中在汽车悬架和火车悬架的减隔振方面。为解决阻尼器谐振失调、对各种频率和形式外界激励的适应能力以及主动控制与半主动外部能源供应的问题，国内外学者积极开展自供能半主动控制、阻尼器调频和调阻尼比以及其他调谐方面的研究。如专利号201610644195.2，授权号CN106015420A，名称为“一种半主动式振动控制电涡流阻尼器”，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，实现了阻尼可变的半主动控制，但是改变磁场强度范围是有限的，在阻尼调节上存在一定的问题，而且振动开关的灵敏度不高，影响减振性能；专利号201310422426.1，授权号CN103470676 A，名称为“带并联阻尼器的惯性质量蓄能式减振装置”，由弹簧和阻尼器并联组成传统隔振体，由惯性质量蓄能器和阻尼器并联，再和弹簧串联组成新型隔振体，惯性质量蓄能式减振装置由传统隔振体与新型隔振体并联构成，实现了减振装置工作空间不变的情况下，可以极大地提升悬上质量的振动特性，使减振装置的整体性能得到大幅提升，但是由于阻尼器的弹簧和阻尼的特性不随时间变化而变化，因而限制了阻尼器对各种频率和形式外界激励的适应能力；专利号201110443539.0，授权号CN102493572A，名称为“一种可调阻尼蓄能式调谐质量阻尼器”，由永磁铁、线圈、辅助杆、蓄能电池、可调电阻、LED预警指示灯组成阻尼器的阻尼调节装置，通过调节阻尼调节装置中的可调电阻，从而改变电磁阻尼的大小，使结构的阻尼比达到最优阻尼比，并利用蓄能电池回收多余能量，但是由于该阻尼器无法实现对各种频率和形式外界激励的适应，容易导致阻尼器无法调频，影响阻尼器减振效果；专利号201510589913.6，授权号CN105221622A，名称为“可变旋转等效惯性质量阻尼器”，由耗能元件、平动/转动转换装置、变速装置、次要耗能元件、转动质量、控制芯片和电路等组成，实现了实时调节等效惯性质量和粘滞阻尼所需最优值，同时可实现部分振动能量的收割和储存，但由于其采用的磁流变液作为阻尼器主要耗能材料，在长期工作后，存在力学性能退化的情况；专利号201210104614.5，授权号CN102619293A，名称为“一种桁架结构的半主动颗粒阻尼器减振装置”，由填充在桁架结构空腔钢管内的导磁金属颗粒、缠绕在空腔钢管外壁的线圈、与线圈连接的电流控制模块、设置在被减振结构上的拾振传感器、和直流电源模块组成，实现了能跟踪被减振结构的振动频率并迅速调节颗粒阻尼器的最佳阻尼比，从而提高其在更宽的频带范围内的减振性能，但是此半主动颗粒阻尼器使用范围存在局限性，对于低频振动的感应不强。特别值得说明的一点，现在的控制技术中，还未见将电磁调谐谐振电路RLC、电磁耗能和惯质以及自供能半主动控制综合使用到阻尼器装置中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，能够利用被控结构自身振动的机械能转化为电能，并能利用变速箱与旋转飞轮装置实现以较小自身重量获得较大“虚质量”的效果，有效提升结构减振控制的性能的电磁谐振式惯质阻尼器，它还能够起到能量收集的作用，利用捕获的能量实现自供能半主动振动控制所需的电源，实现了电磁耗能、惯质和电磁调谐以及自供能半主动控制的多重效果，并具有电磁转换效率高，使用寿命长，减振性能好，刚度与阻尼可控，适用范围广的优点。

本发明采用的技术方案是：一种电磁谐振式惯质阻尼器，包括尾筒、滚珠丝杠机构、变速箱和旋转飞轮、发电机及蓄电池；所述的发电机安装在尾筒内，发电机通过变速箱与飞轮的一端连接，飞轮的另一端与滚珠丝杠机构的丝杠连接；滚珠丝杠机构的螺母与连接件连接；

发电机输出端与电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路连接，电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路与稳压电流器的输入端连接，稳压电流器的输出端与蓄电池连接；形成发电机、电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池并联连接电路；蓄电池输出端通过导线与自供能半主动控制器模块连接，自供能半主动控制器模块通过信号线与稳压电流器连接。

上述的电磁谐振式惯质阻尼器中，所述的电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路包括可调磁心电感器、可调电容器及电位器；所述的可调磁心电感器、电位器和可调电容器通过导线依次串联；稳压电流器与电位器并联；稳压电流器的输出端和蓄电池连接。

上述的电磁谐振式惯质阻尼器中，发电机采用的是旋转永磁式交流发电机或旋转永磁式直流发电机。

上述的电磁谐振式惯质阻尼器中，当采用旋转永磁式交流发电机，稳压电流器采用的是AC/DC稳压电流器；当采用旋转永磁式直流发电机，稳压电流器采用的是DC/DC稳压电流器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明设有电阻-电感-电容式RLC电路、稳压电流器、能量回收以及自供能半主动控制等装置，具有发电效率高、非接触、无机械摩擦和磨损、无需润滑、寿命长及刚度与阻尼可控的特点；并且能够利用滚珠丝杆机构、旋转永磁式发电机和谐振电路 RLC ，将结构振动机械能转化为电能，并利用蓄电池存储功能，回收多余能量，解决了半主动控制所需电能，实现该阻尼器无需外部供电的半主动控制，并为监测结构其他小耗能仪器提供部分能量。

（2）本发明利用滚珠丝杆的直线转换旋转装置，使低频的直线运动转换为高频的旋转运动，提高了振动机械能转化为电能的工作效率；本发明通过滚珠丝杠、变速箱与飞轮装置，大幅提升了电磁阻尼器的惯质系数，提升阻尼器减振性能。

（3）本发明利用电阻-电感-电容式RLC谐振电路与传统的电磁阻尼器合理集成，不仅具备了系统的电磁调谐功能，而且具备更优的减振效果。

（4）本发明通过稳压电流器和电位器合理结合，改变电磁阻尼的大小，实现阻尼器的阻尼力实时可调，使阻尼器对结构减振控制性能达到更优，同时阻尼比可调范围较大。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图中：1为旋转飞轮，2为变速箱，3为旋转永磁式发电机，4为联轴器，5为滚珠丝杆机构，6为丝杠，7为滚珠，8为螺母，9为尾筒，10为连接件，11为可调磁心电感器， 12为电感线圈，13为套管，14为电感基座，15为带螺纹的软磁铁氧体磁心， 16为可调电容器，17为电位器，18为稳压电流器，19为蓄电池，20为自供能半主动控制模块，21为导线，22为信号线。

具体的实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包括滚珠丝杠机构5、变速箱2、旋转飞轮1与发电机3，发电机3和变速箱2安装在尾筒9内，发电机3输入轴和变速箱2的输出轴连接；变速箱2的输入轴与旋转飞轮1的上端连接，旋转飞轮1的下端与滚珠丝杠机构5的丝杠连接；滚珠丝杠机构5的螺母与连接件10的上端连接。发电机3的输出端与电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路连接，电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路与稳压电流器18的输入端连接，稳压电流器18的输出端与蓄电池19连接，形成发电机3、电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器18和蓄电池19并联连接电路。蓄电池19输出端通过导线21与自供能半主动控制器模块20连接，自供能半主动控制器模块通过信号线22与稳压电流器18连接。

所述的电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路包括可调磁心电感器12、可调电容器16及电位器17；所述的可调磁心电感器12、电位器17和可调电容器16通过导线21依次串联；稳压电流器18与电位器17并联；稳压电流器18的输出端和蓄电池19连接。所述的发电机3采用的是旋转永磁式交流发电机或旋转永磁式直流发电机。

当采用旋转永磁式交流发电机，稳压电流器18采用的是AC/DC稳压电流器；当采用旋转永磁式直流发电机，稳压电流器18采用的是DC/DC稳压电流器。

本发明用于斜拉桥拉索减振时，其装置的上端可通过连接件10固定于拉索上，下端通过连接件固定于离地面较近的支座上。当斜拉桥拉索受到外界干扰而振动时，引起滚珠丝杠机构5的螺母8沿滚珠丝杆机构5的轴线进行直线运动，进而由滚珠7引起丝杠6做旋转运动，实现了将低频直线运动转变为高速旋转运动，最终滚珠丝杆机构5、变速箱2与旋转飞轮1同时进行旋转运动，从而实现以较小转动质量获得较大“虚质量”的效果，再通过联轴器4带动旋转永磁式发电机3做旋转运动，旋转永磁式发电机3发电，将斜拉桥拉索振动机械能转化为电能，同时一部分电能会形成电磁阻尼即反电动势来抑制电机动子运动，达到传统调谐质量阻尼器中粘性阻尼单元的效果。发电机3的输出端通过导线21与可调磁心电感器11和可调电容器16连接，可调磁心电感器11和可调电容器16通过导线21与电位器17连接，形成RLC串联谐振电路。电位器17将发电机3所发电能经过稳压电流器17经过稳压处理，再由导线把电能储存于蓄电池19，通过导线连接到自供能半主动控制模块20，为后续自供能半主动控制模块20工作提供电能。在自供能半主动控制模块20接收到斜拉桥拉索响应反馈之后，通过储存设备的直流电源逆向变为交流电的“逆变”电压，通过信号线26实施发出控制信号给稳压电流器18后，利用稳压电流器18和电位器17适时调节电磁谐振式惯质阻尼器所需的最优阻尼，从而实现类似于电磁调谐以及半主动控制的功能。也可通过调节电阻-电感-电容式RLC谐振电路各个组成单元参数，进行整个系统的调谐工作；通过调节电阻-电感-电容式RLC谐振电路中的电位器，调节阻尼器所需的最优阻尼，从而使电磁谐振式惯质阻尼器对斜拉桥拉索的振动控制达到一个最优效果；整个系统在自供能半主动控制过程中，实现了自供能半主动控制、电磁耗能、惯质以及电磁调谐的多重作用功效。

如图1所示，本发明电磁谐振式惯质阻尼器实施自供能半主动控制的工作原理是：在主结构受到外界干扰而振动时，引起本发明的电磁谐振式惯质阻尼器一起振动，由滚珠丝杠机构将低速直线运动转变为高速旋转运动，电磁谐振式惯质阻尼器产生电磁阻尼力和惯质效果反作用于主结构上。主结构的振动机械能转化为两部分，一部分有电磁谐振式惯质阻尼器的电磁阻尼力消耗，另一部分利用发电机3转化为电能存储于蓄电池19，以备后续自供能半主动控制模块20使用。当外界机理发生改变时，自供能半主动控制模块20接受到不同的结构响应信号，通过信号线发出控制信号给稳压电流器18，利用稳压电流器18和电位器17适时调节电磁谐振式惯质阻尼器所需的最优阻尼，从而实现类似于电磁调谐、电磁耗能以及半主动控制的功能。

Claims (4)

1.一种电磁谐振式惯质阻尼器，包括尾筒、滚珠丝杠机构、变速箱和旋转飞轮、发电机及蓄电池；其特征在于：所述的发电机安装在尾筒内，发电机通过变速箱与飞轮的一端连接，飞轮的另一端与滚珠丝杠机构的丝杠连接；滚珠丝杠机构的螺母与连接件连接；发电机输出端与电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路连接，电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路与稳压电流器的输入端连接，稳压电流器的输出端与蓄电池连接；形成发电机、电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器和蓄电池并联连接电路；蓄电池输出端通过导线与自供能半主动控制器模块连接，自供能半主动控制器模块通过信号线与稳压电流器连接。

2.根据权利要求1所述的电磁谐振式惯质阻尼器，其特征在于：所述的电阻-电感-电容式RLC串联谐振电路包括可调磁心电感器、可调电容器及电位器；所述的可调磁心电感器、电位器和可调电容器通过导线依次串联；稳压电流器与电位器并联；稳压电流器的输出端和蓄电池连接。

3.根据权利要求1或2所述的电磁谐振式惯质阻尼器，其特征在于：发电机采用的是旋转永磁式交流发电机或旋转永磁式直流发电机。

4.根据权利要求3所述的电磁谐振式惯质阻尼器，其特征在于：当采用旋转永磁式交流发电机，稳压电流器采用的是AC/DC稳压电流器；当采用旋转永磁式直流发电机，稳压电流器采用的是DC/DC稳压电流器。