CN110616819B - 一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，包括连接板、固定在连接板上的支撑导轨、惯性质量块、固定在惯性质量块上的安装组件、安装在安装组件上的发电式电磁阻尼机构；发电式电磁阻尼机构包括安装在安装组件上的发电式电磁阻尼组件、转动式安装在安装组件上的滚轮、安装在滚轮上的主动轮、安装在发电式电磁阻尼组件输出端的从动轮、套在主动轮和从动轮上的传送带；滚轮滚动式安装在支撑导轨上，滚轮和主动轮的转动中心相同且同步转动。本发明能将滚轮机械能间接转化为发电式电磁阻尼组件的定子与转子之间的电磁力，定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力，达到减震的效果，同时本发明能将转子的机械能转化为绕组中的电能。

Description

一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器
技术领域
本发明涉及高层高耸结构减振(震)阻尼器的技术领域，尤其涉及一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器。
背景技术
近年来，随着社会经济的快速发展，世界各地涌现出大量的复杂超高层建筑和高耸结构。高层高耸结构属于低阻尼柔性结构，结构在地震与风荷载作用下的安全性和舒适性引起了人们的普遍关注。调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)造价相对较低且控制效果良好，被广泛应用于高层高耸结构的振动控制。TMD通常由惯性质量块、刚度元件和阻尼元件组成，需要指出的是，本发明重点关注TMD阻尼元件。
目前，最为常见的TMD阻尼元件的实现方式大致可分为两类：一类是传统的速度型阻尼器(如油阻尼器)；另一类是利用摩擦为TMD提供阻尼。其中，传统的速度型阻尼器在TMD运行过程中，可能与惯性质量块存在夹角，从而导致TMD阻尼参数偏离最优状态，使TMD无法达到预期性能。摩擦型TMD对摩擦面的材料性能要求较高，且摩擦型TMD存在较为复杂的非线性行为，无法保证TMD阻尼在长期运行过程中一直保持最优状态。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，本发明能将滚轮机械能间接转化为发电式电磁阻尼组件的定子与转子之间的电磁力，定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力，同时本发明能将转子的机械能转化为绕组中的电能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，包括连接板、固定在连接板上的支撑导轨、惯性质量块、固定在惯性质量块上的安装组件、安装在安装组件上的发电式电磁阻尼机构；发电式电磁阻尼机构包括安装在安装组件上的发电式电磁阻尼组件、转动式安装在安装组件上的滚轮、安装在滚轮上的主动轮、安装在发电式电磁阻尼组件输出端的从动轮、套在主动轮和从动轮上的传送带；滚轮滚动式安装在支撑导轨上，滚轮和主动轮的转动中心相同且同步转动。运动的时候，滚轮在支撑导轨上滚动的时候通过主动轮和传送带带动从动轮转动，从动轮将动能传递到发电式电磁阻尼组件内的转子，通过定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力，同时本发明能将转子的机械能转化为绕组中的电能。
进一步的是：发电式电磁阻尼组件包括发电式电磁阻尼器、与发电式电磁阻尼器输出轴固定连接的轴承；轴承固套在发电式电磁阻尼器的输出轴上，从动轮固套在轴承上，发电式电磁阻尼器内设有转子、定子和绕组。从动轮带动轴承转动，轴承带动发电式电磁阻尼器的输出轴转动从而带动转子转动，转子转动的时候定子与转子之间的会产生电磁力。在运动过程中惯性质量块通过带动滚轮移动，滚轮通过传送带带动发电式电磁阻尼器移动，实现惯性质量块、滚轮、发电式电磁阻尼器一起移动。
进一步的是：第一安装架包括不动轴和第一V形支撑；直轴的两端均有第一V形支撑，滚轮和主动轮均转动式安装在不动轴上并位于两个第一V形支撑之间，第一V形支撑的弯折处与不动轴固定连接，第一V形支撑的两端均设有第一固定片，第一V形支撑通过第一固定片与惯性质量块固定连接。两个第一V形支撑使得滚轮承受惯性质量块的力更加均匀。
进一步的是：第二安装架包括第二V形支撑和直管；第二V形支撑的弯折处和直管的一端均与发电式电磁阻尼器的外壳固定连接，第二V形支撑的两端和直管的另一端均设有第二固定片，第二V形支撑和直管均通过第二固定片与惯性质量块固定连接。使得发电式电磁阻尼器牢固地固定在惯性质量块上。
进一步的是：第二安装架还包括第三V形支撑；第三V形支撑的弯折处设有圆管，发电式电磁阻尼器的输出轴的末端转动式安装在圆管内，第三V形支撑的两端均设有第三固定片，第三V形支撑通过第三固定片与惯性质量块固定连接，使得发电式电磁阻尼器的输出轴受力更大。
进一步的是：支撑导轨上设有凸块，凸块沿着滚轮滚动方向设置，滚轮的圆周面上设有凹槽，滚轮通过凹槽与凸块配合滚动式安装在支撑导轨上，通过凹槽与凸块相适应防止滚轮脱离。
进一步的是：支撑导轨的上表面为圆弧面，支撑导轨上还设有限位块，限位块位于圆弧面的两端，限位块可以避免因为质量块运动过大导致滚轮脱离支撑导轨。
进一步的是：主动轮的直径大于从动轮的直径，可通过调整从动轮直径调节阻尼力大小，可以将滚轮的机械能按需要转化为定子与转子之间的电磁力，从而产生合适的阻尼力和电能。
进一步的是：支撑导轨和发电式电磁阻尼机构有若干个，若干个支撑导轨均固定在连接板的上表面，若干个支撑导轨沿着连接板的长度方向和宽度方向均匀分布，若干个发电式电磁阻尼机构的滚轮分别转动式安装在若干个支撑导轨上。多个支撑导轨和发电式电磁阻尼机构使得阻尼力更大，可以使得新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器能够拥有更好的减震效果，同时也可以能够将震动产生的机械能转变成更多的电能。
总的说来，本发明具有如下优点：
一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，本新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器通过支撑导轨的曲率来调整TMD的振动频率，TMD振动频率与质量无关，具有较好地鲁棒性。惯性质量块的运动间接通过传动带传递至发电式电磁阻尼器的轴承，轴承带动发电式电磁阻尼器内部转子旋转，从而在定子与转子之间产生电磁力，通过阻尼器定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力，发电式电磁阻尼器的本质就是将转子的机械能转化为绕组中的电能，这个过程中产生的电能的最后用途本发明不作要求。发电式电磁阻尼器可与惯性质量块实现一体化连接，与被控结构无额外连接，具有构造简单、施工方便等优点。最重要的是，新型发电式电磁阻尼器的阻尼力直接作用于滚轮上，使得阻尼力与惯性质量块的运动方向保持严格一致，避免了工程实践中常见的阻尼器与惯性质量块之间存在夹角的问题，保证了TMD的阻尼一直处于最优状态，从而提升TMD在实际工程应用中的性能水准，可保证TMD装置在强震或强风作用下地安全性。
附图说明
图1是本新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器的结构示意图。
图2是发电式电磁阻尼机构的结构示意图。
图3是发电式电磁阻尼器的剖视图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：
1为连接板，2为支撑导轨，3为惯性质量块，4为发电式电磁阻尼组件，5为滚轮，6为主动轮，7为从动轮，8为传送带，9为发电式电磁阻尼器，10为转子，11为定子，12为绕组，13为第一V形支撑，14为直轴，15为第一固定片，16为第二V形支撑，17为直管，18为第二固定片，19为第三V形支撑，20为圆管，21为第三固定片，22为发电式电磁阻尼器的外壳，23为发电式电磁阻尼器的输出轴，24为轴承。
结合图1、图2、图3所示，一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，包括连接板、固定在连接板上的支撑导轨、惯性质量块、固定在惯性质量块上的安装组件、安装在安装组件上的发电式电磁阻尼机构；支撑导轨通过连接板与被控结构连接。连接板固定安装在被控机构上，被控机构是高层建筑和高耸结构等结构。发电式电磁阻尼机构包括安装在安装组件上的发电式电磁阻尼组件、转动式安装在安装组件上的滚轮、安装在滚轮上的主动轮、安装在发电式电磁阻尼组件输出端的从动轮、套在主动轮和从动轮上的传送带；安装组件固定在惯性质量块的下表面，滚轮和发电式电磁阻尼组件均位于惯性质量块的下方。滚轮滚动式安装在支撑导轨上，滚轮的圆周侧面与支撑导轨的上表面接触，滚轮和主动轮的转动中心相同且同时转动，滚轮和主动轮的转动中心相对固定，滚轮和主动轮同步转动且角速度相同。被控机构发生震动的时候，惯性质量块发生晃动的同时驱动滚轮在支撑导轨上滚动，滚轮带动主动轮转动，主动轮通过传送带将转动传递到从动轮，发电式电磁阻尼组件内设有转子、定子、绕组，从动轮带动发电式电磁阻尼组件的转子转动，转子的旋转使得在定子与转子之间产生电磁力，通过阻尼器定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力。
发电式电磁阻尼组件包括发电式电磁阻尼器、与发电式电磁阻尼器输出轴固定连接的轴承；轴承固套在发电式电磁阻尼器的输出轴上，从动轮固套在轴承上，发电式电磁阻尼器内设有转子、定子和绕组。发电式电磁阻尼器由定子、转子、绕组组成。转子由非磁性材料制成，且转子上设置永磁体，定子由磁导率较高材料制成，绕组由具有绝缘层的导电金属电线组成，发电式电磁阻尼器的定子与转子的尺寸均由惯性质量块的机械能大小初步确定，发电式电磁阻尼器的永磁体以及绕组依据阻尼器额定数据进行设计。惯性质量块与支撑导轨通过滚轮接触，在滚轮旁边设置主动轮，主动轮通过传动带将惯性质量块的运动传递至从动轮，从动轮将运动传递至发电式电磁阻尼器的输出轴上的轴承，轴承带动发电式电磁阻尼器内部的转子旋转，从而在定子与转子之间产生电磁力，通过发电式电磁阻尼器的定子与转子之间的电磁力为惯性质量块提供阻尼力。发电式电磁阻尼器的本质就是将转子的机械能转化为绕组中的电能，但是电能最后的用途本发明不作要求。
安装组件包括均固定安装在惯性质量块上的第一安装架和第二安装架；滚轮转动式安装在第一安装架上，发电式电磁阻尼器安装在第二安装架上。第一安装架和第二安装架均固定安装在惯性质量块的下表面。滚轮和发电式电磁阻尼器分别安装在第一安装架和第二安装架便于将滚轮和发电式电磁阻尼器的安装与拆卸。
第一安装架包括直轴和第一V形支撑；第一V形支撑呈弯折状，直轴的两端均有第一V形支撑，第一V形支撑有两个，两个第一V形支撑的弯折处分别固定在直轴的两端。滚轮和主动轮均转动式安装在直轴上并位于两个第一V形支撑之间，滚轮和主动轮均绕着直轴转动。第一V形支撑的弯折处朝下设置并与直轴固定连接，第一V形支撑的两端朝上设置并均设有第一固定片，第一V形支撑通过第一固定片与惯性质量块固定连接，第一固定片上设有四个螺纹孔，使用螺栓或螺钉与螺纹孔配合将第一固定片固定在惯性质量块的下表面。第一V形支撑与直轴一体成型，第一V形支撑与第一固定片一体成型。
第二安装架包括第二V形支撑和直管；第二V形支撑呈弯折状，第二V形支撑的弯折处和直管的一端均与发电式电磁阻尼器的外壳固定连接。发电式电磁阻尼器的外壳呈圆筒状，第二V形支撑的弯折处朝下设置并与发电式电磁阻尼器的外壳的端面固定连接，直管的一端与发电式电磁阻尼器的外壳的圆周侧面固定连接。第二V形支撑的两端和直管的另一端均朝上设置且均设有第二固定片，第二V形支撑和直管均通过第二固定片与惯性质量块固定连接，第二固定片上设有四个螺纹孔，使用螺栓或螺钉与螺纹孔配合将第二固定片固定在惯性质量块的下表面。第二V形支撑与第二固定片一体成型。转子固定在轴承上，定子通过连接件固定在惯性质量块表面，绕组分布于定子内发电式电磁阻尼器的外壳内。
第二安装架还包括第三V形支撑；第三V形支撑呈弯折状，第三V形支撑的弯折处朝下设置设有圆管，发电式电磁阻尼器的输出轴的末端转动式安装在圆管内，圆管为发电式电磁阻尼器的输出轴的末端提供支撑，使得输出轴的受力范围更大。第三V形支撑的两端朝上设置且均设有第三固定片，第三V形支撑通过第三固定片与惯性质量块固定连接。第三固定片上设有四个螺纹孔，使用螺栓或螺钉与螺纹孔配合将第三固定片固定在惯性质量块的下表面。第三V形管与圆管一体成型，第三V形支撑与第三固定片一体成型。
第一V形支撑、第二V形支撑、第三V形支撑均呈V形，使得滚轮、发电式电磁阻尼器的受力更加均匀，使得本新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器的性能更加稳定。
支撑导轨上设有凸块，凸块沿着滚轮滚动方向设置，滚轮的圆周面上设有凹槽，滚轮通过凹槽与凸块配合滚动式安装在支撑导轨上。滚轮的圆周侧面嵌在凸块上，凸块可以防止滚轮沿滚轮的径向脱离支撑导轨。支承轨道于滚轮的接触面为凸形弧面，凸形弧面沿着滚轮滚动方向设置，滚轮为凹形圆轮，通过凹形圆轮与凸形弧面接触面相适应防止滚轮脱离。
支撑导轨的上表面为圆弧面，沿着滚轮的运动方向，支撑导轨上表面的两端高，支撑导轨上表面的中间低，根据被控结构的振动频率，设置支承轨道圆弧面的曲率。滚轮在支撑导轨滚动的时候两端较高使得滚轮不容易脱离支撑导轨。同时，为了进一步防止滚轮滚动的时候脱离支撑导轨，支撑导轨上还设有限位块，限位块位于凸块的两端，即位于支撑导轨两端的最高处，限制滚轮滚到支撑导轨外，限位块内侧设有防撞材料。
主动轮的直径大于从动轮的直径，可通过调整从动轮直径调节阻尼力大小，可以将滚轮的机械能按需要转化为定子与转子之间的电磁力，从而产生合适的阻尼力和电能。
支撑导轨和发电式电磁阻尼机构有若干个，若干个支撑导轨均固定在连接板的上表面，若干个支撑导轨沿着连接板的长度方向和宽度方向均匀分布，若干个发电式电磁阻尼机构的滚轮分别转动式安装在若干个支撑导轨上。若干个支撑导轨和若干个发电式电磁阻尼机构一一对应，每个支撑导轨上面都安装有一个发电式电磁阻尼机构。支撑导轨和发电式电磁阻尼机构的数量可按照实际情况确定，在惯性质量块上表面沿着长度或宽度方向均匀排列即可，也可以在长度和宽度方向均均匀排列若干个。本实例中，在惯性质量块上表面的长度方向和宽度方向均排列两个支撑导轨和发电式电磁阻尼机构，形成一个2X2的阵列。
本新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器的工作原理：在地震或风荷载作用下，本发明的阻尼力直接作用于滚轮上，滚轮在支撑导轨的圆弧曲面上来回滚动，滚轮产生的机械能间接传递到发电式电磁阻尼器，发电式电磁阻尼器内定子和转子以及绕着共同作用产生阻尼力和电能，达到减震的效果的同时将震动转化为电能。这个过程中产生的阻尼力与惯性质量块的运动方向保持严格一致，避免了工程实践中常见的阻尼器与惯性质量块之间存在夹角的问题，保证了TMD的阻尼一直处于最优状态，从而提升TMD在实际工程应用中的性能水准。发电式电磁阻尼器可与惯性质量块实现一体化设计，发电式电磁阻尼器和惯性质量块均与被控结构无额外连接，具有构造简单、施工方便等优点。依据被控结构的振动频率，通过调整支撑导轨的曲率确定TMD的频率，使得TMD频率与质量无关，具有较好的鲁棒性。此外，支撑导轨的限位块内侧均设置有防撞能材料，保证本发明在强震或强风作用下地安全性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：包括连接板、固定在连接板上的支撑导轨、惯性质量块、固定在惯性质量块上的安装组件、安装在安装组件上的发电式电磁阻尼机构；发电式电磁阻尼机构包括安装在安装组件上的发电式电磁阻尼组件、转动式安装在安装组件上的滚轮、安装在滚轮上的主动轮、安装在发电式电磁阻尼组件输出端的从动轮、套在主动轮和从动轮上的传送带；滚轮滚动式安装在支撑导轨上，滚轮和主动轮的转动中心相同且同步转动；
发电式电磁阻尼组件包括发电式电磁阻尼器、与发电式电磁阻尼器输出轴固定连接的轴承；轴承固套在发电式电磁阻尼器的输出轴上，从动轮固套在轴承上，发电式电磁阻尼器内设有转子、定子和绕组；
支撑导轨上设有凸块，凸块沿着滚轮滚动方向设置，滚轮的圆周面上设有凹槽，滚轮通过凹槽与凸块配合滚动式安装在支撑导轨上。
2.按照权利要求1所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：安装组件包括均固定安装在惯性质量块上的第一安装架和第二安装架；滚轮转动式安装在第一安装架上，发电式电磁阻尼器安装在第二安装架上。
3.按照权利要求2所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：第一安装架包括直轴和第一V形支撑；直轴的两端均有第一V形支撑，滚轮和主动轮均转动式安装在直轴上并位于两个第一V形支撑之间，第一V形支撑的弯折处与直轴固定连接，第一V形支撑的两端均设有第一固定片，第一V形支撑通过第一固定片与惯性质量块固定连接。
4.按照权利要求3所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：第二安装架包括第二V形支撑和直管；第二V形支撑的弯折处和直管的一端均与发电式电磁阻尼器的外壳固定连接，第二V形支撑的两端和直管的另一端均设有第二固定片，第二V形支撑和直管均通过第二固定片与惯性质量块固定连接。
5.按照权利要求4所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：第二安装架还包括第三V形支撑；第三V形支撑的弯折处设有圆管，发电式电磁阻尼器的输出轴的末端转动式安装在圆管内，第三V形支撑的两端均设有第三固定片，第三V形支撑通过第三固定片与惯性质量块固定连接。
6.按照权利要求1所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：支撑导轨的上表面为圆弧面，凸块位于圆弧面上并沿着圆弧面的圆弧分布，支撑导轨上还设有限位块，限位块位于圆弧面的两端。
7.按照权利要求1所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：主动轮的直径大于从动轮的直径。
8.按照权利要求1所述的一种新型发电式电磁阻尼调谐质量阻尼器，其特征在于：支撑导轨和发电式电磁阻尼机构有若干个，若干个支撑导轨均固定在连接板的上表面，若干个支撑导轨沿着连接板的长度方向和宽度方向均匀分布，若干个发电式电磁阻尼机构的滚轮分别转动式安装在若干个支撑导轨上。
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