CN108869617B - 一种自供电式磁流变减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供电式磁流变减振装置，包括外筒，在所述的外筒内固定有两个内筒，内筒内部中空形成阻尼腔；内筒之间设有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的两端各连接一个刚性杆，两个刚性杆穿过阻尼腔后与外筒内壁相连；刚性杆上位于阻尼腔内的部分固定设有多个叶片，且在内筒内用于填装磁流变液，内筒外部缠绕有通电线圈；在所述的滚珠丝杠副下方设有与其相连的移动装置，在移动装置内设有质量块，质量块的两侧安装有钢板，移动装置侧壁上设有磁铁，钢板位于相邻磁铁之间；刚性杆外周过盈固定连接转子，转子由永磁体和转子磁轭组成；转子外周为定子铁芯，定子铁芯上设有定子绕组，定子铁芯外部紧固连接有定子外壳，定子外壳与内筒外壁固定接触。

Description

一种自供电式磁流变减振装置

技术领域

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种自供电式磁流变减振装置，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。

背景技术

随着科学技术的进步和社会的发展，建筑结构形式的发展逐渐趋向多样化和复杂化，高层建筑对地震或风荷载的敏感度显著提高。环境振动容易诱发主体结构产生较大的侧向振动和变形，甚至超出可允许的舒适度要求。近年来，为了减小结构的振动响应，在高层建筑和高耸结构中安装合理有效的阻尼系统得到了越来越多的关注。

目前，根据是否有外部能量输入情况，振动控制可分为被动控制、半主动控制和主动控制。被动控制不需要能量输入而有良好的减振效果，但是其不能根据外界环境的变化而实现自身调节。主动控制需要大量的能量输入，且在不同的外界环境下具有显著的耗能能力，但是其造价昂贵，制作复杂。相比而言，半主动控制在振动控制领域中有很大的发展前景。半主动控制仅需少量的能量输入，即可具有良好的减振效果。其中，磁流变阻尼器兼具被动控制的可靠性和主动控制的适应性，在工程中得到了广泛的应用。磁流变液能够随着外部磁场的变化快速地改变自身的流动状态，可以根据外界环境情况实时调整阻尼器提供的阻尼力，达到智能减振的目的。然而，目前研究较为普遍的磁流变阻尼器属于活塞孔隙流动模式，这种磁流变阻尼器所需磁流变液用量较多，利用率低，且易发生沉淀阻塞。同时阻尼力可调范围较窄，当外界环境激励较小时，阻尼器不能提供适当的阻尼力。

基于以上缺陷，在不增加磁流变阻尼器外部尺寸和能耗的条件下，为实现活塞杆与可控阻尼力的合理设计，最大化磁流变阻尼器提供的阻尼力，提高磁流变液的利用率和增大磁流变阻尼器的阻尼调节范围，并进一步降低磁流变阻尼器制造成本，有必要对磁流变阻尼器的结构进行改进，提出更优越的设计原理和更理想的阻尼模式。

发明内容

本发明目的是提供一种自供电式磁流变减振装置，旨在减小高层建筑或高耸结构在风荷载及地震作用下的水平振动响应，达到耗能减振的目的。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种自供电式磁流变减振装置，包括一个外筒，在所述的外筒内固定有两个内筒，两个内筒内部中空形成阻尼腔；两个内筒之间水平设置有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的两端各连接一个刚性杆，两个刚性杆穿过阻尼腔后与外筒内壁相连；刚性杆上位于阻尼腔内的部分固定设有多个叶片，且在内筒内用于填装磁流变液，内筒外部缠绕有通电线圈；在所述的滚珠丝杠副下方设有一个与其相连的移动装置，在所述的移动装置内设有一个质量块，质量块的两侧安装有钢板，所述的移动装置侧壁上设有磁铁，钢板位于磁铁间；

所述的刚性杆外周设有发电模块，发电模块由转子和定子组成。所述的刚性杆外周过盈固定连接转子，转子由永磁体和转子磁轭组成；所述转子外周为定子铁芯，定子铁芯上设有定子绕组，所述的定子铁芯外部紧固连接有定子外壳，所述的定子外壳与内筒外壁固定接触；定子外壳上设有导线出口，导线由导线出口伸出外接固定在内筒外壁的整流器，所述的整流器与外部增设的蓄电池连接。所述的蓄电池与加速度传感器、控制器和通电线圈组成串联控制电路。所述的加速度传感器固定在受控结构上。

进一步的技术方案为：所述的两个内筒为圆柱状，其轴线与滚珠丝杠副的轴线平行，内筒侧壁上开孔，孔内安装有平面轴承，所述的刚性杆与平面轴承相配合，确保刚性杆能与丝杆同步转动而不能发生轴向位移。

进一步的技术方案为：所述的内筒的开孔位置密封，防止磁流变液溢出。

进一步的技术方案为：所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的外筒固定安装在主体结构振动敏感位置。

进一步的技术方案为：所述的叶片与内筒内壁之间留有阻尼通道，且相对刚性杆的叶片远端切割成曲面，避免当叶片转动时因阻尼通道宽度变窄而导致磁流变液发生堵塞。

进一步的技术方案为：所述的质量块安装在导向杆上，且导向杆的方向与滚珠丝杠副的轴线方向垂直；导向杆的两端固定在移动装置内壁上。

进一步的技术方案为：所述的质量块底部设有定向轮，使得质量块能沿导向杆自由移动；所述的移动装置底部也设有定向轮，使得质量块和移动装置能在滚珠丝杠副轴向方向上发生移动。

进一步的技术方案为：所述的钢板为导电板，材料可为铜或铝。所述的磁铁磁极沿竖向交错布置且相对磁极间留有能够通过钢板的间隙。所述的磁铁和钢板沿与滚珠丝杠副轴向方向垂直的方向布置且每一层的磁铁和钢板可布置多个，且钢板在与滚珠丝杠副轴向方向垂直的方向的长度略小于或等于相应磁铁的长度，保证当钢板和磁铁有相对位移时有磁通量的变化。

进一步的技术方案为：所述的磁铁与质量块之间留有间隙，保证质量块沿与滚珠丝杠副轴向方向垂直的方向移动时不会与磁铁发生摩擦。

本发明的工作原理如下：

外筒水平轴线方向可分为X向和Y向；定义滚珠丝杠轴线所在的方向为X方向；与滚珠丝杠轴线垂直的方向为Y方向；将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构的顶部。在地震或风荷载作用下，主体结构发生振动。当主体结构发生轴线X方向振动时，质量块由于惯性带动导向杆与移动装置同时在X方向上移动。由于螺母与移动装置固定连接，螺母在X方向上沿丝杆发生轴线运动。滚珠丝杠把螺母的直线运动转变为螺杆和刚性杆的旋转运动。刚性杆带动叶片与阻尼腔相对转动时不断挤压阻尼腔中的磁流变液。同时，因为刚性杆与转子固定连接，所以转子随刚性杆一起作旋转运动。转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组切割磁感线发电产生电流，电流经过固定在内筒外壁的整流器整流后，将电能储存在蓄电池内。加速度传感器接收到主体结构的振动信号并传递给控制器，控制器根据结构振动加速度的大小控制通电线圈中的电流大小，磁流变液的流动性和粘度发生相应变化，提高了输出阻尼力有效抑制刚性杆转动，进而使得质量块和移动装置的直线运动受到阻碍，实现智能减振的目的。

当主体结构发生轴线Y方向振动时，质量块由于惯性沿导向杆在移动装置内发生移动。质量块带动钢板与磁铁相对运动时，由于在磁场中钢板的面积变化而导致穿过钢板的磁通量改变，会产生一个阻碍钢板与磁铁相对运动的阻尼力，最终主体结构振动的能量将以热量的形式耗散掉，实现控制水平Y方向的振动的目的。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用滚珠丝杠副结构将磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为叶片的旋转运动，相比传统的传动机械有更高的联动效率。同时，主体结构的高幅值、低幅值的水平振动均可转化为叶片的高速旋转，增大了磁流变阻尼器的阻尼调节范围。

(2)本发明利用磁流变液的瞬时流变特性，给阻尼器提供瞬间改变的阻尼力，大大改善了一般半主动控制装置的时滞问题。可以根据激励荷载形式和结构响应状态，实时的调整阻尼器的阻尼和刚度，同时通过叶片旋转挤压磁流变液，不再需要对磁流变阻尼器进行行程补偿，达到智能减振的目的。

(3)本发明通过丝杆旋转带动转子与定子发生相对转动，产生电量经过整流后存储在蓄电池中。根据结构振动大小给通电线圈输出电流，改变阻尼腔中的磁场强度而实时调整磁流变阻尼器提供的阻尼力，在不影响阻尼器原有减振性能的基础上实现能量回收。

(4)本发明结合电涡流阻尼器的减振原理，对主体结构的水平振动进行有效控制。同时，可以根据主体结构在该方向的振动控制要求选择性的在磁铁上缠绕导线，导线与蓄电池串联。当主体结构振动时，导线通电增强磁铁的磁场强度，实现自供电控制结构振动的目的。

(5)本发明构造简单，灵活性高，且维护方便，有效提高结构的抗震抗风性能，适用于高层建筑和高耸结构，能够产生较好的社会效益和经济效益。

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。

图1为一种自供电式磁流变减振装置俯视图；

图2为一种自供电式磁流变减振装置正视图；

图3为一种自供电式磁流变减振装置A-A剖面图；

图4为一种自供电式磁流变减振装置B-B剖面图；

图5为一种自供电式磁流变减振装置C-C剖面图；

图6为一种自供电式磁流变减振装置的控制电路示意图。

图中：1外筒，2内筒，3丝杆，4螺母，5滚珠，6刚性杆，7永磁体，8定子绕组，9定子外壳，10平面轴承，11磁流变液，12通电线圈，13叶片，14移动装置，15磁铁，16钢板，17定向轮I，18转子磁轭，19定子铁芯，20质量块，21导向杆，22定向轮II，23整流器，24发电模块，25蓄电池，26加速度传感器，27控制器，28通电线圈。

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；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中目前研究较为普遍的磁流变阻尼器属于活塞孔隙流动模式，这种磁流变阻尼器所需磁流变液用量较多，利用率低，且易发生沉淀阻塞。同时阻尼力可调范围较窄，当外界环境激励较小时，阻尼器不能提供适当的阻尼力。

基于以上缺陷，在不增加磁流变阻尼器外部尺寸和能耗的条件下，为实现活塞杆与可控阻尼力的合理设计，最大化磁流变阻尼器提供的阻尼力，提高磁流变液的利用率和增大磁流变阻尼器的阻尼调节范围，并进一步降低磁流变阻尼器制造成本，有必要对磁流变阻尼器的结构进行改进，提出更优越的设计原理和更理想的阻尼模式。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种自供电式磁流变减振装置，包括一个外筒1，一个滚珠丝杠副和两个内筒2；两个内筒2内部中空形成阻尼腔；两个内筒之间设有水平设置有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的两端各连接一个刚性杆；两个内筒2分别固定在外筒1内部的左侧和右侧，固定不动；

滚珠丝杠副包括一个丝杆3，一个螺母4及在丝杆3和螺母4之间的滚珠5组成。丝杆3的轴线与内筒2的轴线位于同一条直线上；丝杆3两端设有与其固定连接的刚性杆6并贯穿在阻尼腔轴向方向上预留的通孔，在阻尼腔内的刚性杆6部分固定设有数个叶片13。阻尼腔的一个端面固定在外筒1的内壁上。阻尼腔空间内填满磁流变液11，且外壁缠绕有通电线圈12。在螺母4下部设有移动装置14和放置在移动装置内的质量块20，移动装置14侧壁与螺母4固定连接。移动装置14底部也设有定向轮I 17，使得质量块20和移动装置14能在X方向上发生移动。

质量块20的两侧安装有钢板，所述的移动装置侧壁上设有磁铁，钢板位于磁铁间；

质量块20内部沿轴线Y方向预留孔道，孔道内设有导向杆21，导向杆21的两端固定在移动装置内壁上。导向杆21和质量块20的孔道内壁光滑。

钢板为导电板，材料可为铜或铝；磁铁磁极沿竖向交错布置且相对磁极间留有能够通过钢板的间隙。所述的磁铁和钢板沿轴线Y方向布置且每一层的磁铁和钢板可布置多个，且钢板沿Y方向的长度略小于或等于相应磁铁的长度，保证当钢板和磁铁有相对位移时有磁通量的变化。

磁铁与质量块之间留有间隙，保证质量块沿Y方向移动时不会与磁铁发生摩擦。

刚性杆6外周设有发电模块24。发电模块24由转子和定子组成。刚性6外周过盈固定转子，转子由转子磁轭18和永磁体7组成，永磁体7依附在转子磁轭18的表面。转子外周设有定子铁芯19，定子铁芯19上设有定子绕组8。定子铁芯19外周固定有定子外壳9，定子外壳9固定在阻尼腔上。定子外壳9上预留导线出口，导线伸出外接固定在内筒2外壁的整流器23，整流器23通过导线与蓄电池25相连接。蓄电池与加速度传感器、控制器和通电线圈组成串联控制电路。加速度传感器固定在受控结构上。阻尼腔通孔处设有平面轴承10，刚性杆6与平面轴承10相接触，确保刚性杆6能与丝杆3同步转动而不能发生轴向位移。并且阻尼腔通孔处密封，防止磁流变液11溢出。

叶片13与阻尼腔内壁之间留有阻尼通道，且相对刚性杆6的叶片13远端切割成曲面，为了进一步增加叶片13剪切磁流变液11的阻尼通道，可以在叶片13上预留多个圆孔。

当主体结构发生轴线X方向振动时，质量块20由于惯性带动导向杆21与移动装置在X方向上移动。由于螺母4与移动装置固定连接，螺母4在X方向上发生移动。滚珠丝杠把螺母4的直线运动转变为丝杆3和刚性杆6的旋转运动。刚性杆6带动叶片13与阻尼腔相对转动时不断挤压阻尼腔中的磁流变液11。同时，转子与刚性杆6一起转动。转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组8切割磁感线发电产生电流，，电流经过固定在内筒外壁的整流器23整流后，将电能储存在蓄电池25内。加速度传感器26接收到主体结构的振动信号并传递给控制器27，控制器根据结构振动加速度的大小控制通电线圈28中的电流大小，磁流变液的流动性和粘度发生相应变化，提高了输出阻尼力有效抑制刚性杆6转动，进而使得质量块20和移动装置的直线运动受到阻碍，实现智能控制水平X方向振动的目的。

移动装置内壁上设有磁铁15，磁铁15磁极沿竖向交错布置且相对磁极之间留有间隙，中间设有固定在质量块20上钢板16。质量块20底部设有定向轮II22，使得质量块20能沿导向杆21在Y方向上自由移动。钢板16为导电板，材料可为铜或铝。磁铁15和钢板16沿轴线Y方向布置且每一层的磁铁15和钢板16可布置数个，且钢板16沿Y方向的长度略小于或等于相应磁铁15的长度，保证当钢板16和磁铁15存在相对位移时有磁通量的变化。

当主体结构发生轴线Y方向振动时，质量块20由于惯性沿导向杆21在移动装置内发生移动。质量块20带动钢板16与磁铁15相对运动时，由于在磁场中钢板16的面积变化而导致穿过钢板16的磁通量改变，会产生一个阻碍钢板16与磁铁15相对运动的阻尼力，最终主体结构振动的能量将以导体热量的形式耗散掉，实现智能控制水平Y方向的振动目的。进一步的，可以根据主体结构在该方向的振动强度选择性的在磁铁15上缠绕导线，导线与蓄电池25、加速度传感器26和控制器27组成串联电路。当主体结构振动时，导线通电增强磁铁15的磁场强度，实现自供电控制结构振动的目的。

本发明利用滚珠丝杠副结构将磁流变阻尼器活塞杆的线性运动转换为叶片的旋转运动，相比传统的传动机械有较稳定的联动效率。同时，主体结构的高幅值、低幅值的水平振动均可转化为叶片的高速旋转，增大了磁流变阻尼器的阻尼调节范围。

本发明通过丝杆旋转带动转子与定子发生相对转动，产生电量经过整流后存储在蓄电池中。根据结构振动大小给通电线圈输出电流，改变阻尼腔中的磁场强度而实时调整磁流变阻尼器提供的阻尼力，在不影响阻尼器原有减振性能的基础上实现能量回收。

该阻尼器安装在建筑主体结构易发生振动破坏的位置，能够有效抑制建筑结构在地震或风荷载作用下的振动响应，保证结构的安全性和耐久性。同时，该装置构造简单，加工方便，且性价比高，尤其适用于高层建筑或高耸结构。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，包括一个外筒，在所述的外筒内固定有两个内筒，两个内筒内部中空形成阻尼腔；两个内筒之间水平设置有滚珠丝杠副，滚珠丝杠副的两端各连接一个刚性杆，两个刚性杆穿过阻尼腔后与外筒内壁相连；刚性杆上位于阻尼腔内的部分固定设有多个叶片，且在内筒内用于填装磁流变液，内筒外部缠绕有通电线圈；在所述的滚珠丝杠副下方设有一个与其相连的移动装置，在所述的移动装置内设有一个质量块，质量块的两侧安装有钢板，所述的移动装置侧壁上设有磁铁，钢板位于相邻磁铁之间；

所述的刚性杆外周设有发电模块，发电模块由转子和定子组成；所述的刚性杆外周固定连接转子，转子由永磁体和转子磁轭组成；所述转子外周为定子铁芯，定子铁芯上设有定子绕组，所述的定子铁芯外部紧固连接有定子外壳，所述的定子外壳与内筒外壁固定接触；定子外壳上设有导线出口，导线由导线出口伸出外接固定在内筒外壁的整流器，所述的整流器与外部增设的蓄电池连接，所述的蓄电池与加速度传感器、控制器和通电线圈组成串联控制电路，所述的加速度传感器固定在受控结构上。

2.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的两个内筒为圆柱状，其轴线与滚珠丝杠副的轴线平行，内筒侧壁上开孔，孔内安装有平面轴承，所述的刚性杆与平面轴承相配合，确保刚性杆能与丝杆同步转动而不能发生轴向位移。

3.如权利要求2所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的内筒的开孔位置密封，防止磁流变液溢出。

4.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成。

5.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的外筒固定安装在主体结构振动敏感位置。

6.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的叶片与内筒内壁之间留有阻尼通道，且相对刚性杆的叶片远端切割成曲面。

7.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的质量块安装在导向杆上，且导向杆的方向与滚珠丝杠副的轴线方向垂直；导向杆的两端固定在移动装置内壁上。

8.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的质量块底部设有定向轮，使得质量块能沿导向杆自由移动；所述的移动装置底部也设有定向轮，使得质量块和移动装置能在滚珠丝杠副轴向方向上发生移动。

9.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的钢板为导电板；所述的磁铁磁极沿竖向交错布置且相对磁极间留有能够通过钢板的间隙；且钢板在与滚珠丝杠副轴向方向垂直的方向的长度略小于或等于相应磁铁的长度。

10.如权利要求1所述的一种自供电式磁流变减振装置，其特征在于，所述的磁铁与质量块之间留有间隙，保证质量块沿与滚珠丝杠副轴向方向垂直的方向移动时不会与磁铁发生摩擦。