CN112144689B - 一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器，包括支承系统、弹簧质量系统、电涡流阻尼系统和负刚度系统；所述支承系统包括外框架和导杆；所述弹簧质量系统包括弹簧和配重块；所述电涡流阻尼系统包括低速端永磁体、高速端永磁体、导轨、滑块、调磁板、导体板和背铁；所述负刚度系统包括运动永磁体和固定永磁体。本发明的阻尼器中应用了磁场调制原理和负刚度非线性能量阱的概念。通过调磁板加快高速端永磁体的运动速度，提高阻尼器的耗能效率；通过同名永磁体之间排斥力的切向分量可以促进配重块的运动，从而拓宽了减振频带，鲁棒性更好，弥补了传统调谐质量阻尼器失调时减振效果差的问题。

Description

一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于工程结构的振动控制装置领域，具体涉及一种负刚度水平调谐质量磁场调制式电涡流阻尼器。

背景技术

使用调谐质量阻尼器(TMD)进行结构减振属于结构振动被动控制技术的一种，在工程结构领域被广泛应用，将其安装在振动的桥梁结构或高层建筑结构中，对于结构振动有非常明显的抑制作用。

但是传统的水平电涡流调谐质量阻尼器存在进一步改进的空间：1.电涡流阻尼装置耗能效率有待进一步提升；2.传统TMD的减振频带较窄，需要拓宽减振频带，提高装置的鲁棒性。

如专利CN201410399913涉及一种磁负刚度阻尼器，包括：导电管、安装轴、滑动轴承以及沿所述导电管轴向排列的一对或多对磁体；每对磁体包括平衡状态下几何中心位于同一水平位置的第一磁体和第二磁体，所述第一磁体通过所述安装轴安装在所述导电管内部由所述滑动轴承控制沿轴向移动，所述第二磁体固定于所述导电管上；所述第一磁体和所述第二磁体的沿轴向磁化方向相同，两者相对运动形成负刚度作用；所述导电管位于所述第二磁体两端对称的位置，所述第一磁体与所述导电管的相对运动形成电涡流阻尼作用。该发明的磁负刚度阻尼器将负刚度和电涡流阻尼结合在一起，其结构简单且紧凑，能广泛应用在土木、机械和航空航天结构的振动控制中。

专利申请CN202010185135提供一种非线性负刚度多维减振装置，包括外箱体、外质量框架及内质量块，内质量块位于外质量框架的内部，外质量框架位于外箱体的内部；外质量框架与刚性外箱体之间设有电涡流减振机构；内质量块与刚性外箱体之间设有扭转弹簧减振机构；外质量框架与内质量块之间设有负刚度减振机构。当内质量块在水平X向上往复运动时，负刚度减振机构中预压弹簧的负刚度作用会与扭转弹簧减振机构中扭转弹簧产生的阻尼力相联合，可实现非线性高效减振。当外质量框架在水平Y向上往复运动时，负刚度减振机构中预压弹簧的负刚度作用会与电涡流减振机构产生的电涡流阻尼力相联合，可实现多重高效减振。内质量块和外质量框架的运动分属两个维度且彼此独立，满足多维减振。

而专利申请CN201811249160提供一种非线性电涡流惯质阻尼器及设计方法，所述非线性电涡流惯质阻尼器包括传动组件、旋转式电涡流阻尼元件、惯性飞轮和外筒；传动组件包括滚珠丝杠系统、直线导轨和连接杆；旋转式电涡流阻尼元件包括上下导磁圆板、磁体组和导体圆板；惯性飞轮套装在滚珠丝杠并与滚珠螺母固定为一体；滚珠丝杆顺次穿过上导磁圆板、滚珠螺母、下导磁圆板和惯性飞轮的中心孔。该发明可以将旋转式电涡流阻尼部分的阻尼系数和旋转构件的转动惯量分别转化为放大多倍的等效轴向阻尼系数和惯性质量，其惯性质量负刚度效应进一步提高了阻尼器的耗能减振效率，同时实现了电涡流阻尼力速度指数小于1的非线性特征。

但上述发明中都依然没有彻底解决上述两个问题。

发明内容

2001年，英国谢菲尔德大学D.Howe教授首次将磁场调制机理引入到磁力齿轮结构中，该原理可大大提高永磁体的利用率和传动效率。另外，非线性能量阱(NES)的基本原理是通过设置具有强非线性刚度特性的附加子结构，使之对主结构的动力响应形成内共振俘获来吸收和耗散主结构响应能量，同样属于被动控制。将负刚度系统添加到NES中，可形成负刚度NES，这种减振装置的性能全面优于已有的立方NES，具有强鲁棒性，减振效率更高，在工程减振领域有很广阔的应用前景。这两种原理的应用可以很好地弥补传统水平TMD的不足。

本发明旨在提高传统水平电涡流TMD的减振效率和灵敏度水平，提出一种负刚度水平调谐质量磁场调制式电涡流阻尼器。

因此，本发明提供一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器，所述阻尼器包括支承系统、弹簧质量系统、电涡流阻尼系统和负刚度系统；

所述支承系统包括外框架(11)和导杆(12)，所述导杆(12)水平设置且其两端固定安装在所述外框架(11)上；

所述弹簧质量系统包括弹簧(1)和配重块(2)，所述弹簧(1)套设在导杆(12)上，所述弹簧(1)的固定端与外框架(11)固结，自由端与配重块(2)固结；所述配重块(2)套在所述导杆(12)上并且可沿其进行水平方向的左右直线运动；

所述电涡流阻尼系统包括低速端永磁体(3)、高速端永磁体(4)、导轨(5)、滑块(6)、调磁板(8)、导体板(9)和背铁(10)，所述低速端永磁体(3)固定安装在所述配重块(2)的底面或顶面上，所述高速端永磁体(4)固定在可沿所述导轨(5)作水平方向左右直线运动的所述滑块(6)上，所述导轨(5)的两端固定在所述外框架(11)上，所述调磁板(8)的板面水平设置且固定安装在所述外框架(11)上，所述导体板(9)和背铁(10)固定安装在所述外框架(11)上；所述低速端永磁体(3)包括两对以上永磁体，所述高速端永磁体(4)包括一对以上永磁体，低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)的每对永磁体均包括左右相邻的两条永磁体，所述低速端永磁体(3)包含的永磁体对数大于所述高速端永磁体(4)包含的永磁体对数，所述低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)中的每条永磁体的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在竖直方向上，且左右相邻的两条永磁体的充磁方向相反；在竖直方向上，所述调磁板(8)设置在低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)之间，所述调磁板(8)包含间隔设置的多根导磁条和多根非导磁条，调磁板(8)的导磁条数目即其调磁铁心数，且所述低速端永磁体(3)的永磁体对数与高速端永磁体(4)的永磁体对数之和与所述调磁板(8)的调磁铁心数相等；

所述负刚度系统包括运动永磁体(13)和固定永磁体(14)，所述运动永磁体(13)固定安装在所述配重块(2)的前后侧壁上，用于随配重块一起水平左右运动，所述固定永磁体(14)固定安装在所述外框架(11)上且与运动永磁体(13)相对设置，所述运动永磁体(13)和固定永磁体(14)的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在水平方向上，且同一组运动永磁体(13)和固定永磁体(14)同极相对设置。

在一种具体的实施方式中，所述导磁条为导磁性能良好的铁磁材料，优选铁条，所述非导磁条为绝磁材料，优选环氧树脂条。

在一种具体的实施方式中，所述低速端永磁体(3)的永磁体对数为2对、3对或4对，所述高速端永磁体(4)的永磁体对数为1对。

在一种具体的实施方式中，所述背铁(10)贴合设置在所述外框架(11)底板的顶面上，所述导体板(9)贴合所述背铁(10)设置。

在一种具体的实施方式中，所述配重块(2)呈长方体状，所述低速端永磁体(3)设置在配重块(2)的底面，所述调磁板(8)和高速端永磁体(4)依次设置在低速端永磁体(3)的下方，且调磁板(8)与低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)之间都留有竖向间隙，所述高速端永磁体(4)和导体板(9)之间同样留有竖向间隙。

在一种具体的实施方式中，所述阻尼器包括两根以上平行设置在同一高度的导杆(12)，所述配重块(2)上设置有可供导杆(12)穿过的孔洞。

在一种具体的实施方式中，所述高速端永磁体(4)镶嵌在所述滑块(6)上。

在一种具体的实施方式中，所述导轨(5)和所述滑块(6)组成滚动直线导轨副，所述滑块(6)的左右两端套在所述导轨(5)上，所述阻尼器包括两根以上平行设置在同一高度的导轨(5)。在配重块和导杆之间设置滚动导轨装置，由此可保证配重块以较小摩擦平稳地运动。

在一种具体的实施方式中，所述高速端永磁体(4)和滑块(6)一体化设置。

在一种具体的实施方式中，所述电涡流阻尼系统还包括限位垫块(7)，所述限位垫块(7)安装在导轨的左右两端。

本发明阻尼器的工作原理如下：阻尼器通过外框架底板与受控结构进行固定，当受控结构发生水平向振动，且阻尼器的主振动频率调节至受控结构振动频率的附近时，受控结构的振动能量将传递给阻尼器，配重块开始沿导杆做水平直线运动，此时组成负刚度系统的运动永磁体和固定永磁体之间排斥力的切向分力可推动配重块快速运动，固定安装在配重块上的低速端永磁体与配重块同步运动，其产生的磁场经过调磁板的磁场调制作用，在气隙中形成高速运动的调制谐波磁场，该调制谐波磁场与高速端永磁体的主磁场相互作用，使得高速端永磁体沿导轨与调制谐波磁场同步快速运动，导体板切割磁感线产生电涡流阻尼力，即可消耗振动的能量，最终受控结构振动的能量将以热能的形式耗散掉，以此达到减振的目的。

本发明的有益效果至少包括：

1.本发明为一种电涡流阻尼TMD，为单节点阻尼器，通过弹簧质量系统进行调谐吸振和通过电涡流阻尼系统耗能减振。本发明通过调谐吸振和耗能减振共同作用，提高了阻尼器的耗能效率。

2.本发明中，将弹簧套在导杆上，改善了弹簧无规律变形的问题，提高了TMD的灵敏度。另外，本发明中起刚度单元作用的弹簧本身不提供阻尼力，即本发明中阻尼单元和刚度单元完全分离，大大减小了摩擦。

3.本发明在电涡流阻尼系统中应用了磁场调制原理，在不改变电涡流阻尼装置基本构成的基础上，可明显提高电涡流阻尼装置的耗能效率。也就是说，本发明通过使用低速端永磁体、高速端永磁体和调磁板的组合，应用了磁场调制原理，加速了永磁体的运动，使得耗能效率得以提高，减振效率随之提高。

4.本发明中负刚度系统的使用改善了传统水平电涡流TMD在失调时的减振效果，具有更好的鲁棒性。且本发明中的负刚度系统可发挥负刚度效果的范围较大，低频减振的效果更好。本发明利用永磁体作为负刚度单元的组件，使用寿命长，运动永磁体和固定永磁体之间无接触，无摩擦，效果更佳。

5.本发明可通过调节导体板与所述高速端永磁体之间的间隙来调节阻尼大小，方便使用，适应范围广。

6.优选本发明协同应用滚动直线导轨副和磁场调制原理，滚动直线导轨副使得永磁体的运动摩擦系数在0.003-0.005之间，摩擦力非常小，协同磁场调制原理的应用，加快了导体板切割磁感线的速度，耗能效率大大提高。

总的来说，本发明的阻尼器中应用了磁场调制原理和负刚度非线性能量阱的概念。通过调磁板加快高速端永磁体的运动速度，提高阻尼器的耗能效率；通过同名永磁体之间排斥力的切向分量可以促进配重块的运动，从而拓宽了减振频带，鲁棒性更好，弥补了传统调谐质量阻尼器失调时减振效果差的问题。

附图说明

图1为一种负刚度水平调谐质量磁场调制式电涡流阻尼器的主视结构示意图。

图2为一种负刚度水平调谐质量磁场调制式电涡流阻尼器的俯视图。

图中：

1-弹簧；2-配重块；3-低速端永磁体；4-高速端永磁体；5-导轨；6-滑块；7-限位垫块；8-调磁板；9-导体板；10-背铁；11-外框架；12-导杆；13-运动永磁体；14-固定永磁体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1和图2所示为一种负刚度水平调谐质量磁场调制式电涡流阻尼器，所述阻尼器包括支承系统、弹簧质量系统、电涡流阻尼系统和负刚度系统；所述支承系统包括外框架(11)和导杆(12)，所述导杆(12)水平设置且其两端固定安装在所述外框架(11)上；所述弹簧质量系统包括弹簧(1)和配重块(2)，所述弹簧(1)套设在导杆(12)上，所述弹簧(1)的固定端与外框架(11)固结，自由端与配重块(2)固结；所述配重块(2)套在所述导杆(12)上并且可沿其进行水平方向的左右直线运动；所述电涡流阻尼系统包括低速端永磁体(3)、高速端永磁体(4)、导轨(5)、滑块(6)、调磁板(8)、导体板(9)和背铁(10)，所述低速端永磁体(3)固定安装在所述配重块(2)的底面或顶面上，所述高速端永磁体(4)固定在可沿所述导轨(5)作水平方向左右直线运动的所述滑块(6)上，所述导轨(5)的两端固定在所述外框架(11)上，所述调磁板(8)的板面水平设置且固定安装在所述外框架(11)上，所述导体板(9)和背铁(10)固定安装在所述外框架(11)上；所述低速端永磁体(3)包括两对以上永磁体，所述高速端永磁体(4)包括一对以上永磁体，低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)的每对永磁体均包括左右相邻的两条永磁体，所述低速端永磁体(3)包含的永磁体对数大于所述高速端永磁体(4)包含的永磁体对数，所述低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)中的每条永磁体的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在竖直方向上，且左右相邻的两条永磁体的充磁方向相反；在竖直方向上，所述调磁板(8)设置在低速端永磁体(3)和高速端永磁体(4)之间，所述调磁板(8)包含间隔设置的多根导磁条和多根非导磁条，调磁板(8)的导磁条数目即其调磁铁心数，且所述低速端永磁体(3)的永磁体对数与高速端永磁体(4)的永磁体对数之和与所述调磁板(8)的调磁铁心数相等；所述负刚度系统包括运动永磁体(13)和固定永磁体(14)，所述运动永磁体(13)固定安装在所述配重块(2)的前后侧壁上，用于随配重块一起水平左右运动，所述固定永磁体(14)固定安装在所述外框架(11)上且与运动永磁体(13)相对设置，所述运动永磁体(13)和固定永磁体(14)的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在水平方向上，且同一组运动永磁体(13)和固定永磁体(14)同极相对设置。

图1中所述高速端永磁体4设置在调磁板8的下方，而低速端永磁体3和配重块2均设置在调磁板8的上方，如此设置可以使得阻尼器的安装更为方便。但其位置可以对调，即高速端永磁体4设置在调磁板8的上方，而低速端永磁体3和配重块2均设置在调磁板8的下方。相应的，所述背铁10和导体板9也调整为设置在高速端永磁体4的上方。

本发明所述阻尼器用于降低受控结构在水平方向上的振动，所述阻尼器属于吸振器，即通过质量单元调谐和磁场调制式电涡流阻尼将外部能量即受控结构传递来的能量转化为电能，最终以热量消耗，从而达到使受控结构减振的目的。本发明所述阻尼器既可以安装在受控结构的顶部，也可以安装在受控结构的底面下方。

本发明中，高速端永磁体的在水平方向上的运动速度大于低速端永磁体，并因此命名。当高速端永磁体的对数为1对，而低速端永磁体的对数为2对或3对时，所述高速端永磁体的运动速度相应为低速端永磁体运动速度的2倍或3倍。

本发明中，当所述配重块由于外部作用而沿所述导杆左右运动时，所述运动永磁体13和固定永磁体14之间产生的磁力线的水平分量进一步促使所述配重块运动。因而所述负刚度系统能调节阻尼器在水平方向的振动响应灵敏度。

本发明中，每条低速端永磁体3和高速端永磁体4的长度方向的两端设置在阻尼器的前后方向上，调磁板8上每根导磁条和非导磁条的长度方向的两端也设置在阻尼器的前后方向上。所述运动永磁体13和固定永磁体14可以设置为其长度方向的两端在阻尼器的左右方向上的长条形，也可以设置为与配重块2的竖向侧面匹配的整面形，此外，所述运动永磁体13和固定永磁体14的左右宽度可以大于、小于或等于所述配重块2的左右宽度。

上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种水平调谐的框架式电涡流阻尼器，所述阻尼器包括支承系统、弹簧质量系统、电涡流阻尼系统和负刚度系统；

所述支承系统包括外框架（11）和导杆（12），所述导杆（12）水平设置且其两端固定安装在所述外框架（11）上；

所述弹簧质量系统包括弹簧（1）和配重块（2），所述弹簧（1）套设在导杆（12）上，所述弹簧（1）的固定端与外框架（11）固结，自由端与配重块（2）固结；所述配重块（2）套在所述导杆（12）上并且可沿其进行水平方向的左右直线运动；

所述电涡流阻尼系统包括低速端永磁体（3）、高速端永磁体（4）、导轨（5）、滑块（6）、调磁板（8）、导体板（9）和背铁（10），所述低速端永磁体（3）固定安装在所述配重块（2）的底面或顶面上，所述高速端永磁体（4）固定在可沿所述导轨（5）作水平方向左右直线运动的所述滑块（6）上，所述导轨（5）的两端固定在所述外框架（11）上，所述调磁板（8）的板面水平设置且固定安装在所述外框架（11）上，所述导体板（9）和背铁（10）固定安装在所述外框架（11）上；所述低速端永磁体（3）包括两对以上永磁体，所述高速端永磁体（4）包括一对以上永磁体，低速端永磁体（3）和高速端永磁体（4）的每对永磁体均包括左右相邻的两条永磁体，所述低速端永磁体（3）包含的永磁体对数大于所述高速端永磁体（4）包含的永磁体对数，所述低速端永磁体（3）和高速端永磁体（4）中的每条永磁体的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在竖直方向上，且左右相邻的两条永磁体的充磁方向相反；在竖直方向上，所述调磁板（8）设置在低速端永磁体（3）和高速端永磁体（4）之间，所述调磁板（8）包含间隔设置的多根导磁条和多根非导磁条，调磁板（8）的导磁条数目即其调磁铁心数，且所述低速端永磁体（3）的永磁体对数与高速端永磁体（4）的永磁体对数之和与所述调磁板（8）的调磁铁心数相等；

所述负刚度系统包括运动永磁体（13）和固定永磁体（14），所述运动永磁体（13）固定安装在所述配重块（2）的前后侧壁上，用于随配重块一起水平左右运动，所述固定永磁体（14）固定安装在所述外框架（11）上且与运动永磁体（13）相对设置，所述运动永磁体（13）和固定永磁体（14）的充磁方向即其N极和S极的连线方向均在水平方向上，且同一组运动永磁体（13）和固定永磁体（14）同极相对设置。

2.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述导磁条为铁条，所述非导磁条为环氧树脂条。

3.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述低速端永磁体（3）的永磁体对数为2对、3对或4对，所述高速端永磁体（4）的永磁体对数为1对。

4.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述背铁（10）贴合设置在所述外框架（11）底板的顶面上，所述导体板（9）贴合所述背铁（10）设置。

5.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述配重块（2）呈长方体状，所述低速端永磁体（3）设置在配重块（2）的底面，所述调磁板（8）和高速端永磁体（4）依次设置在低速端永磁体（3）的下方，且调磁板（8）与低速端永磁体（3）和高速端永磁体（4）之间都留有竖向间隙，所述高速端永磁体（4）和导体板（9）之间同样留有竖向间隙。

6.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述阻尼器包括两根以上平行设置在同一高度的导杆（12），所述配重块（2）上设置有可供导杆（12）穿过的孔洞。

7.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述高速端永磁体（4）镶嵌在所述滑块（6）上。

8.根据权利要求7所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述导轨（5）和所述滑块（6）组成滚动直线导轨副，所述滑块（6）的左右两端套在所述导轨（5）上，所述阻尼器包括两根以上平行设置在同一高度的导轨（5）。

9.根据权利要求1所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述高速端永磁体（4）和滑块（6）一体化设置。

10.根据权利要求1~9中任意一项所述的水平调谐的框架式电涡流阻尼器，其特征在于，所述电涡流阻尼系统还包括限位垫块（7），所述限位垫块（7）安装在导轨的左右两端。

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