CN112267593A - 一种永磁悬浮主动驱动质量装置 - Google Patents

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高素美
郭见生
温柯剑
陈晨
周振宇
杨欢
纪文静
赵正创
李妍
张春雨
王泰力
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Abstract

本发明提供了一种永磁悬浮主动驱动质量装置，通过被动、半主动、主动、智能控制等几种方式驱动质量块，改变动态特性，实现抑制地震和风荷载作用下的单平移和扭转方向振动的目的，具有非接触传力的优势，同时还具有不消耗能量、占用空间小等优点，在永磁电机、机械振动抑制等领域可广泛应用。

Description

一种永磁悬浮主动驱动质量装置
技术领域
本发明涉及土木工程结构振动控制技术领域，具体涉及一种永磁悬浮主动驱动质量装置。
背景技术
土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称，它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养、维修等技术活动，也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆上，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水排水以及防护工程等。
在土木工程领域高速发展的今天，出现了大量轻质、柔性结构，该类结构具有质量小、跨度大、阻尼小、固有频率低等特点。当行人或其它外界干扰频率和结构固有频率接近，容易引发结构共振，产生较大的响应。轻则引起行人舒适度问题，使人恐惧害怕，头晕呕吐，重则振动导致结构破坏，建(构)筑物倒塌破坏，损害人身和财产安全。为了减少事故的发生率和生命财产的损失，需要对此类大跨度结构进行振动控制。
大量研究结果和实践都证明了主动质量驱动装置是迄今为止最为有效的结构振动主动控制技术和手段，但是传统的驱动控制装置通过导轨与导轮接触，控制质量块移动，存在运行时噪声污染，运行速度较低等缺陷或不足，且其响应速度无法满足要求，极大地限制了主动驱动质量装置的应用和发展。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种永磁悬浮主动驱动质量装置，有非接触传力的优势，同时还具有不消耗能量、占用空间小等优点，可适用于很多土木工程领域。
本发明提供的一种永磁悬浮主动驱动质量装置，结构呈左右对称，包括上永磁铁、支架导磁铁心、导向支架、质量块、下永磁铁、直流感应电机、电机初级、电机次级、辅助导向轮、侧面辅助导向轮和底面辅助导向轮，所述上永磁铁和所述下永磁铁的充磁方向相反，所述导向支架呈U型槽长条状，所述支架导磁铁心呈U型槽状，数量为两个，分别对称安装于所述导向支架两侧顶端，所述支架导磁铁心的槽内排布安装多个所述上永磁铁，所述质量块位于所述导向支架的槽内，所述侧面辅助导向轮安装于所述质量块的侧面，并于所述导向支架的槽侧面接触，所述底面辅助导向轮安装于所述质量块的底面，并于所述导向支架的槽底面接触，所述质量块上端呈倒梯形，两侧面安装有所述下永磁铁，所述上永磁铁和下永磁铁面对面设置，所述直流感应电机由所述电机初级和所述电机次级构成，所述电机初级固定安装于所述质量块的底面，所述电机次级为长条状，固定安装于所述导向支架的槽底面，所述电机初级和所述电机次级面对面设置。在导向支架两侧顶端的支架导磁铁心和质量块上端两侧分别设置充磁方向相反的永磁铁，左右两侧结构对称，由于永磁铁间斥力的原因，使质量块获得向上的磁力，当两侧向上的磁力与质量块重力相同时，质量块即可实现无接触悬浮，稳定悬浮后，由固定在导向支架上的次级和质量块上的初级组成的直线感应电机驱动质量块在导向支架的槽内来回运行。
作为本发明进一步改进，所述上永磁铁和下永磁铁都是单向充磁。
作为本发明进一步改进，所述上永磁铁和下永磁铁都是双向充磁。
本发明的有益效果有如下两点：
1、由于质量块和导向支架不接触，通过永磁铁间的排斥力，悬浮于所述导向支架内，并在内移动，噪音污染无；
2、体积小，不占空间，无能量消耗，响应速度块，可广泛应用于很多土木工程领域的减震。
总之，本发明的永磁悬浮主动驱动质量装置，通过被动、半主动、主动、智能控制等几种方式驱动质量块，改变动态特性，实现抑制地震和风荷载作用下的单平移和扭转方向振动的目的，具有非接触传力的优势，同时还具有不消耗能量、占用空间小等优点，在永磁电机、机械振动抑制等领域可广泛应用。
附图说明
图1本发明的永磁悬浮主动驱动质量装置立体结构示意图；
图2为图1的永磁悬浮主动驱动质量装置横截面A-A示意图；
图3为单向永磁铁悬浮系统结构示意图；
图4为上下两块永磁铁极化强度矢量平行时的模型；
图5为所述质量块支撑示意图；
图6为双向永磁铁悬浮系统结构示意图；
其中标识1a、永磁铁；1b、支架导磁铁心；2、导向支架；3、质量块；1c、质量块导磁铁心；4、直流感应电机；4a、电机初级；4b、电机次级；5、辅助导向轮；5a、侧面辅助导向轮；5b、底面辅助导向轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图2所示，本发明提供的一种永磁悬浮主动驱动质量装置，结构呈左右对称设置，包括上永磁铁1a、支架导磁铁心1b、导向支架2、质量块3、下永磁铁1c、直流感应电机4、电机初级4a、电机次级4b、辅助导向轮5、侧面辅助导向轮5a和底面辅助导向轮5b，所述上永磁铁1a和所述下永磁铁1c的充磁方向相反，所述导向支架2呈U型槽长条状，所述支架导磁铁心1b呈U型槽状，数量为两个，分别对称安装于所述导向支架2两侧顶端，所述支架导磁铁心1b的槽内排布安装多个所述上永磁铁1a，所述质量块3位于所述导向支架2的槽内，所述侧面辅助导向轮5a安装于所述质量块3的侧面，并于所述导向支架2的槽侧面接触，所述底面辅助导向轮5b安装于所述质量块3的底面，并于所述导向支架2的槽底面接触，所述质量块3上端呈倒梯形，两侧面安装有所述下永磁铁1c，所述上永磁铁1a和下永磁铁 1c面对面设置，所述直流感应电机4由所述电机初级4a和所述电机次级4b构成，所述电机初级4a固定安装于所述质量块3的底面，所述电机次级4b为长条状，固定安装于所述导向支架2的槽底面，所述电机初级4a和所述电机次级4b面对面设置。在导向支架两侧顶端的支架导磁铁心和质量块上端两侧分别设置充磁方向相反的永磁铁，左右两侧结构对称，由于永磁铁间斥力的原因，使质量块获得向上的磁力，当两侧向上的磁力与质量块重力相同时，质量块即可实现无接触悬浮，稳定悬浮后，由固定在导向支架上的次级和质量块上的初级组成的直线感应电机驱动质量块在导向支架的槽内来回运行。
所述上永磁铁1a和下永磁铁1c都是单向充磁的，即导向支架两侧顶端的支架导磁铁心和质量块上端两侧的永磁铁都是单向的，由于结构的对称性，质量块的两侧永磁铁与固定在导向支架上永磁铁对应处完全相同，故只对质量块的一侧上永磁铁与对应设置的导向支架上的下永磁铁垂直方向进行分析，如图3-4所示，根据磁荷理论，已知真空中两个点磁荷 q1和q2之间的相互作用力可表示为：
Figure BDA0002794683420000031
其中μ0为真空磁导率，r为两磁荷间距，
Figure 1
为一磁荷指向另一磁荷的单位矢量。
为了得到质量块支撑特性，必须分析质量块上的永磁铁与导向支架两侧顶端的支架导磁铁心上的永磁铁之间的解析模型。
两块长方体永磁铁如图4所示，两块永磁铁的各边分别互相平行，磁铁的磁极化强度矢量分别为J和J′，相互平行但方向相反，假设磁铁充磁均匀且磁场强度保持不变，磁铁的中心点分别为O和O′。两块磁铁的几何尺寸分别为a×b×h和a′×b′×h′。在坐标系OXYZ中，O′的坐标为(x，y，z)。磁荷密度为
Figure BDA0002794683420000033
因为J的方向与a×b垂直，故
Figure BDA0002794683420000034
则两块长方体永磁铁间的磁相互作用能为：
Figure BDA0002794683420000041
其中
Figure BDA0002794683420000042
经过积分后可以得到：
Figure BDA0002794683420000043
式中：
Figure BDA0002794683420000044
Figure BDA0002794683420000045
永磁铁之间作用力为磁相互作用能的负梯度，因此可由上面永磁铁间的磁相互作用能公式得到两块长方体永磁铁之间的磁力公式：
Figure BDA0002794683420000046
得
Figure BDA0002794683420000047
其中
Figure BDA0002794683420000048
如图5所示的质量块支撑示意图，质量块所在的坐标系(W，C，S)与上述分析的两侧永磁铁所在坐标系(X，Y，Z)之间的夹角分别为α和β，因此当质量块在平衡点附近悬浮时，质量块产生的位移很小，且由于质量块与导向支架间为无接触，因此阻尼力可忽略不计。当两侧结构对称时，得质量块在重力方向的永磁铁支撑刚度为：
Ks＝KLzcosα-∑(KLX，KLY)sinα+KRZcosβ-∑(KRX，KRY)sinβ (8)
其中KLX，KLY，KLZ和KRX，KRY，KRZ分别为左侧和右侧永磁铁在与其三个边互相平行的坐标系 (如图4)中的支撑刚度。
为形成更加稳定连续的永磁场，本发明还设计了一种双向永磁铁悬浮系统，如图6所示，所述上永磁铁1a和下永磁铁1c都是双向充磁的，即永磁铁组成了HalBach阵列。由于结构的对称性，我们仍旧只在质量块一侧的永磁铁与导向支架一侧顶端的支架导磁铁心上的永磁铁垂直方向进行分析,当质量块一侧的永磁铁与导向支架一侧顶端的支架导磁铁心上的永磁铁的磁极化强度矢量平行时，使用公式(6)计算出永磁铁间的磁力。当质量块一侧的永磁铁与导向支架一侧顶端的支架导磁铁心上永磁铁的磁极化强度矢量相互垂直时，依然根据磁荷理论，两块磁极化强度矢量相互垂直的永磁铁间的磁相互作用能为：
Figure BDA0002794683420000051
与两块磁极化强度矢量相
互平行的长方体永磁铁间的作用力计算一样，经过四重积分和对相互作用能进行梯度变换，两块磁极化强度矢量相互垂直的长方体永磁铁间的作用力为：
Figure BDA0002794683420000052
得
Figure BDA0002794683420000053
其中
Figure BDA0002794683420000054
如图5所示，当两侧结构对称时，质量块在重力方向的永磁铁支撑刚度也如公式(9)，但不同的是，当质量块一侧的永磁铁与导向支架一侧顶端的支架导磁铁心上的永磁铁都是双向充磁时，且采用图6所示的永磁铁组成的Halbach排列时：
Figure BDA0002794683420000055
其中KX，KY，KZ分别同式(8)，KLXmax，KLYmax，KLZmax分别为质量块左侧永磁铁在与其三个边互相平行的坐标系(如图4)中的最大支撑刚度，KRXmax，KRYmax，KRZmax分别为左侧和右侧永磁铁在与其三个边互相平行的坐标系(如图4)中的最大支撑刚度。
本发明的有益效果有如下两点：
1、由于质量块和导向支架不接触，通过永磁铁间的排斥力，悬浮于所述导向支架内，并在内移动，噪音污染无；
2、体积小，不占空间，无能量消耗，响应速度块，可广泛应用于很多土木工程领域的减震。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种永磁悬浮主动驱动质量装置，结构呈左右对称设置，其特征在于，包括上永磁铁(1a)、支架导磁铁心(1b)、导向支架(2)、质量块(3)、下永磁铁(1c)、直流感应电机(4)、电机初级(4a)、电机次级(4b)、辅助导向轮(5)、侧面辅助导向轮(5a)和底面辅助导向轮(5b)，所述上永磁铁(1a)和所述下永磁铁(1c)的充磁方向相反，所述导向支架(2)呈U型槽长条状，所述支架导磁铁心(1b)呈U型槽状，数量为两个，分别对称安装于所述导向支架(2)两侧顶端，所述支架导磁铁心(1b)的槽内排布安装多个所述上永磁铁(1a)，所述质量块(3)位于所述导向支架(2)的槽内，所述侧面辅助导向轮(5a)安装于所述质量块(3)的侧面，并于所述导向支架(2)的槽侧面接触，所述底面辅助导向轮(5b)安装于所述质量块(3)的底面，并于所述导向支架(2)的槽底面接触，所述质量块(3)上端呈倒梯形，两侧面安装有所述下永磁铁(1c)，所述上永磁铁(1a)和下永磁铁(1c)面对面设置，所述直流感应电机(4)由所述电机初级(4a)和所述电机次级(4b)构成，所述电机初级(4a)固定安装于所述质量块(3)的底面，所述电机次级(4b)为长条状，固定安装于所述导向支架(2)的槽底面，所述电机初级(4a)和所述电机次级(4b)面对面设置。
2.如权利要求1所述的一种永磁悬浮主动驱动质量装置，其特征在于，所述上永磁铁(1a)和下永磁铁(1c)都是单向充磁。
3.如权利要求1所述的一种永磁悬浮主动驱动质量装置，其特征在于，所述上永磁铁(1a)和下永磁铁(1c)都是双向充磁。
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