CN108374330B - 半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器 - Google Patents

半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，包括质量块、永磁直线发电机及弹簧；弹簧和永磁直线发电机垂直于质量块设置在质量块的下方；弹簧和永磁直线发电机的上端通过连接件与质量块连接，弹簧和永磁直线发电机的下端用于与被控结构连接；永磁直线发电机的输出端通过电阻‑电感‑电容式RLC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和能量储存单元连接，形成永磁直线发电机、电阻‑电感‑电容式RLC谐振电路、稳压电流器和能量储存单元并联电路。本发明实现了阻尼力实时可调的半主动控制和振动能量的回收以及电磁调谐的多重效果，具有能量收集效率高，结构简单，减振控制性能好，适用范围广的优点。

Description

半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器
技术领域
本发明属于结构振动控制技术领域，具体是涉及一种半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器。
背景技术
随着科学技术的发展以及人们对生活需求不断提高，土木工程中高层建筑越来越多，大跨度桥梁日益增加，而自然环境中强风，暴雨，地震等作用无处不在，往往在这些荷载作用下，土木工程结构容易产生较为强烈的振动，增加了结构的损伤，以至于影响结构的安全性和舒适性，减少了结构的使用年限。当今社会，在土木工程行业中，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，主要分为三类：主动控制、半主动控制以及被动控制。传统的被动控制减震装置由质量块、弹簧和阻尼器并联构成，这一装置虽被广泛应用于土木工程结构的振动控制，但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；主动控制减震装置由于其结构复杂、耗能高、成本高等，其研究还并没有得到广泛应用。为了使调谐质量阻尼器具有更好的减振性能，使得阻尼参数更加稳定可调，众多研究者从调谐质量阻尼器调频和调阻尼比以及调谐方面展开了研究。如专利号201310591043.7，授权号CN103628586A，名称为“一种磁流变半主动滚动式质量摆阻尼器”，由磁流变轨道装置，滚轴和配重块组成，突破了滚动质量阻尼器控制力不可控的局限，实现了对滚动调谐质量摆阻尼器的半主动控制，但是由于该阻尼器采用封闭式的磁流变装置，存在密封漏磁流变液的问题；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201310461903.5，授权号CN103485438A，名称为“半主动控制碰撞阻尼器”由阻尼器固定面板，嵌板，附加质量块运动轨道，碰撞挡件，碰撞挡件控制器和附加质量块组成，实现了一种耗能能力好、价格低廉、减振频带宽的新型半主动控制冲击碰撞阻尼器，但控制器的阻尼与控制力不能根据外部激励和结构特性实时调节，以至于不能够达到最佳的控制效果，而且采用机械咬合的方式会引起构件磨损，影响使用年限；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。从上述文献分析，当需要外界提供能量的阻尼器，外部能源无法保证时，则该阻尼器的减振性能必然降低；而不需要提供能量的阻尼器，仅仅是一种最优的被动控制，无法实现阻尼比实时调节，更重要的一点，现在的控制技术中，大部分阻尼器装置还没有利用电磁调谐即电阻-电感-电容式RLC谐振电路来优化阻尼器的减震性能和能量进行回收利用。
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，具备了能量收集和电磁调谐以及阻尼力实时可调的多重效果的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器。它还具有发电效率高，结构简单，减振控制性能好，适用范围广的优点。
本发明采用的技术方案是：一种半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，包括质量块、永磁直线发电机及弹簧；弹簧和永磁直线发电机垂直于质量块设置在质量块的下方；弹簧和永磁直线发电机的上端通过连接件与质量块连接，弹簧和永磁直线发电机的下端用于与被控结构连接；永磁直线发电机的输出端通过电阻-电感-电容式RLC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和能量储存单元连接，形成永磁直线发电机、电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器和能量储存单元并联电路。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，电阻-电感-电容式RLC谐振电路包括可调磁心电感器、电位器及电容器，可调磁心电感器、电位器及电容器依次通过导线串联；电位器与稳压电流器并联。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，所述的永磁直线发电机采用的是音圈发电机或圆筒型永磁直线发电机；当永磁直线发电机采用的是交流永磁直线发电机时，稳压电流器采用的是AC/DC稳压电流器，当永磁直线发电机采用的是直流永磁直线发电机时，稳压电流器采用的是DC/DC稳压电流器。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，所述质量块采用水箱或钢材。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，所述能量储存单元采用的是蓄电池。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，圆筒型永磁直线发电机包括动子磁轭、永磁体磁极、励磁绕组、定子铁芯、电机直轴及电机机壳和电机机座，所述的定子铁芯为圆筒结构，其上端与质量块连接，定子铁芯内壁上等距设有多个环形凹槽，环形凹槽内设有励磁绕组；电机直轴插装在定子铁芯内孔内，动子磁轭安装在电机直轴的侧壁上，多个永磁体磁极等距安装在动子磁轭外壁上；所述的电机机座与电机直轴的下端连接，电机机座底部设有连接件，连接件用于与被控结构连接。
上述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器中，所述的可调磁心电感器包括带螺纹的软磁铁氧体磁心、电感线圈、两个套管和电感基座，所述的两个套管固定在电感基座上，并穿过电感基座；所述的带螺纹的软磁铁氧体磁心固定安装在电感基座上，电感线圈通过螺纹安装在带螺纹的软磁铁氧体磁心上；电感线圈的两个接头分别穿过两个套管，一个接头通过导线与永磁直线发电机的一输出端连接，另一接头与电位器的端子连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器能量收集效率高，结构简单，减振控制性能好，适用范围广。
（2）本发明设有电阻-电感-电容式RLC谐振电路、永磁直线发电机及能量储存单元，被控结构引起永磁直线发电机的动子相对于定子移动，产生感应电动势，然后通过电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器传输至能量储存单元存储，实现了振动能量的回收。
（3）本发明的电阻-电感-电容式RLC谐振电路电位器、电容器及可调磁心电感器可调节，实现了电磁阻尼的大小的可调，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。
（4）利用稳压电流器的稳压作用和能量存储单元的存储功能，回收多余能量，保障了在地震与强风时，振动控制所需能量无法保证时，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。
附图说明
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的圆筒型永磁直线发电机的剖面图。
图3为本发明的可调磁心电感器的结构组成图。
图中：1为质量块，2为弹簧，3为永磁直线发电机，4为动子磁轭，5为永磁体磁极，6为励磁绕组，7为定子铁芯，8为电机直轴，9为电机机壳，10为电机机座，11为连接件，12为可调磁心电感器,13为带螺纹的软磁铁氧体磁心，14为电感线圈，15为套管，16为电感基座，17为电容器，18为电位器， 19为稳压电流器，20为蓄电池，21为导线。
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1-3所示，本发明包括质量块1、弹簧2和永磁直线发电机3，弹簧2和永磁直线发电机3垂直与质量块1设置在质量块1下方，弹簧2和永磁直线发电机3的上端通过连接件与质量块1连接，弹簧2和永磁直线发电机3的下端用于与被控结构连接。
如图2所示，所述的永磁直线发电机3采用的是圆筒型永磁直线发电机，包括动子磁轭4、永磁体磁极5、励磁绕组6、定子铁芯7、电机直轴8及电机机壳9和电机机座10，所述的定子铁芯7为圆筒结构，其上端与质量块1连接，定子铁芯7内壁上等距设有多个环形凹槽，环形凹槽内设有励磁绕组6。所述的电机直轴8插装在定子铁芯7内孔中，动子磁轭4安装在电机直轴8的侧壁上，多个永磁体磁极5等距安装在动子磁轭4外壁上。所述的电机机座10与电机直轴8的下端连接，电机机座10底部设有连接件11，连接件11用于与高层结构连接。在高层结构受到外界干扰而振动时，引起质量块1上下运动，永磁直线发电机3中动子磁轭4和永磁体磁极5相对于励磁绕组6产生移动，励磁绕组6切割磁感线运动而产生感应电动势，进而产生感应电流，从而使质量块1的振动机械能转化为电能。所述的永磁直线发电机3还可以采用音圈发电机。
所述的永磁直线发电机3的输出端通过导线21依次将可调磁心电感器12、电位器18和电容器17串联，形成RLC串联谐振电路。稳压电流器19与电位器18并联，稳压电流器19的输出端通过导线与蓄电池20连接。当永磁直线发电机3采用的是交流永磁直线发电机时，稳压电流器19采用的是AC/DC稳压电流器，当永磁直线发电机3采用的是直流永磁直线发电机时，稳压电流器19采用的是DC/DC稳压电流器。
本发明的永磁直线发电机3因为高层结构振动产生电能，一部分电能会形成电磁阻尼来抑制电机直轴8运动，达到传统调谐质量阻尼器中粘性阻尼单元的效果。一部分电能通过调节RLC谐振电路的可调磁心电感器12、电位器18和电容器17的参数，进行整个系统的调谐工作，通过调节RLC谐振电路中的电位器18，调节本发明所需的最优阻尼，从而使本发明对被控高层结构的振动控制达到一个更好的效果。整个系统在减振半主动控制过程，使本发明实现了阻尼力实时可调的半主动控制和能量回收以及电磁调谐的三重作用功效。
如图1和图3所示，所述的可调磁心电感器12包括带螺纹的软磁铁氧体磁心13、电感线圈14、两个套管15和电感基座16，所述的两个套管15固定在电感基座16上，并穿过电感基座16，所述的带螺纹的软磁铁氧体磁心13固定安装在电感基座16上，电感线圈14通过螺纹安装在带螺纹的软磁铁氧体磁心13上；电感线圈的两个接头分别穿过两个套管15，一个接头通过导线21与永磁直线发电机3的一输出端连接，另一接头与电位器的端子连接。可调磁心电感器12通过电感线圈14的旋转改变带螺纹的软磁铁氧体磁心13在电感线圈14中的位置，从而改变可调磁心电感器12的电感量，进一步和电位器18以及电容器17形成RLC串联电路，实现电磁调谐功能。

Claims (5)

1.一种半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，其特征是：包括质量块、永磁直线发电机及弹簧；弹簧和永磁直线发电机垂直于质量块设置在质量块的下方；弹簧和永磁直线发电机的上端通过连接件与质量块连接，弹簧和永磁直线发电机的下端用于与被控结构连接；永磁直线发电机的输出端通过电阻-电感-电容式RLC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和能量储存单元连接，形成永磁直线发电机、电阻-电感-电容式RLC谐振电路、稳压电流器和能量储存单元并联电路；电阻-电感-电容式RLC谐振电路包括可调磁心电感器、电位器及电容器，可调磁心电感器、电位器及电容器依次通过导线串联；电位器与稳压电流器并联；所述的可调磁心电感器包括带螺纹的软磁铁氧体磁心、电感线圈、两个套管和电感基座，所述的两个套管固定在电感基座上，并穿过电感基座；所述的带螺纹的软磁铁氧体磁心固定安装在电感基座上，电感线圈通过螺纹安装在带螺纹的软磁铁氧体磁心上；电感线圈的两个接头分别穿过两个套管，一个接头通过导线与永磁直线发电机的一输出端连接，另一接头与电位器的端子连接；所述电阻-电感-电容式RLC谐振电路的可调磁心电感器通过电感线圈的旋转改变带螺纹的软磁铁氧体磁心在电感线圈中的位置，调节可调磁心电感器的电感量，实现半主动电磁调谐功能。
2.根据权利要求1所述的半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，其特征是：所述的永磁直线发电机采用的是音圈发电机或圆筒型永磁直线发电机；当永磁直线发电机采用的是交流永磁直线发电机时，稳压电流器采用的是AC/DC稳压电流器，当永磁直线发电机采用的是直流永磁直线发电机时，稳压电流器采用的是DC/DC稳压电流器。
3.根据权利要求1所述半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述质量块采用水箱或钢材。
4.根据权利要求1所述半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，其特征在于：所述能量储存单元采用的是蓄电池。
5.根据权利要求3所述半主动电磁谐振式调谐质量阻尼器，其特征在于：圆筒型永磁直线发电机包括动子磁轭、永磁体磁极、励磁绕组、定子铁芯、电机直轴及电机机壳和电机机座，所述的定子铁芯为圆筒结构，其上端与质量块连接，定子铁芯内壁上等距设有多个环形凹槽，环形凹槽内设有励磁绕组；电机直轴插装在定子铁芯内孔内，动子磁轭安装在电机直轴的侧壁上，多个永磁体磁极等距安装在动子磁轭外壁上；所述的电机机座与电机直轴的下端连接，电机机座底部设有连接件，连接件用于与被控结构连接。
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