CN116066512B - 一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，设置在塔筒内用于进行减振，包括：供磁部，包括质量块，所述质量块设置在所述塔筒内，且所述质量块的顶部设置有连接件，所述质量块的底面固接有永磁体；生流部，包括若干导体，所述塔筒内壁设置有定位件，所述永磁体贯穿所述定位件，且所述永磁体与所述定位件之间留有间隙，若干所述导体设置在所述定位件内，且若干所述导体绕所述永磁体周向等间距设置。本发明采用电磁阻尼作为阻尼单元，无接触无磨耗、无需复杂机械连接、具有阻尼系数可调节、制造安装与后期维护方便、减振效果好等特点。

Description

一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置

技术领域

本发明涉及结构减振技术领域，特别是涉及一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置。

背景技术

碳中和是全球主要经济体针对碳排放问题提出的核心发展目标，为实现“碳达峰、碳中和”，各国积极推动能源绿色低碳转型，新能源和可再生能源势必成为能源体系主流，其中风能作为一种高效清洁的可再生能源日益受到重视。风能开发与利用有陆上风电和海上风电两种技术，陆上风力发电占用土地资源，且受地形限制，相比之下，我国海上风电资源丰富，同时具有运行效率高、就地消纳方便、不占用土地、适宜大规模开发等特点。在碳中和背景下，随着风机技术的发展和对能源需求的增加，海上风电将成为未来新能源发展重心之一。海上风力发电机组所处海洋环境恶劣，在风、浪、流等外界条件的激励作用以及风机本身叶片转动产生的动力作用下，容易引起风电机组的振动，当振动过大时，不但会缩短风力机本身的寿命，并且会降低发电机组的发电效率，因此对海上风机进行振动控制尤为必要。

近年来，也有不少专家学者开展风力机减振控制的研究，减少随机激励下风机结构的动力响应，以期提高结构的稳定性和可靠性。例如专利(201910334511.X)公开了一种适用于半潜式风力发电机的调谐质量阻尼器平台，其将调谐质量阻尼器安装在基础的浮力仓与甲板之间，对风电机组进行振动控制。但是，将阻尼器放置在整体结构偏下的位置不但振动控制效果有限，并且装置与外界环境直接接触，易受腐蚀。专利(201610307189.8)公开了一种基于磁流变阻尼器半主动控制的海上风机减载方法，该专利在机舱内放置磁流变阻尼器并通过控制器对其进行控振，以达到减小海上风电机组的总体荷载，保证浮台平稳的目的。然而机舱内部有齿轮箱、发电机等装置，可放置的阻尼器装置空间十分有限，并且放在机舱内的额外阻尼器质量重心，与塔筒质量重心不共线，对基础结构会产生附加偏心距，而且受阻尼器布置方向的影响，只能有效应对某一方向的的外激励作用，减振效果受限。专利(202011073258.6)也公开了一种海上风机振动控制的自适应悬吊液体质量双调谐阻尼器，包括自适应混合调频平动控制系统和自适应主动变阻尼扭振控制系统，分别针对风、浪、流耦合作用下海上风机的平动运动和扭转运动进行控制，在工作过程中用到水箱、水管、磁流变阻尼液等来实现能量的转换时，会产生机械摩擦，容易产生液漏等情况，降低装置使用寿命。近几年来，工程中也发展了一种采用电磁阻尼作为阻尼单元的电涡流阻尼器，具有不依靠液体黏滞力耗能、不需要复杂机械连接等优点，电涡流阻尼器在建筑、桥梁减振领域得到应用，因此，如果将该阻尼器进一步创新和发展，将其应用在海上风机结构减振领域将很有应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，设置在塔筒内用于进行减振，包括：

供磁部，包括质量块，所述质量块设置在所述塔筒内，且所述质量块的顶部设置有连接件，所述质量块的底面固接有永磁体；

生流部，包括若干导体，所述塔筒内壁设置有定位件，所述永磁体贯穿所述定位件，且所述永磁体与所述定位件之间留有间隙，若干所述导体设置在所述定位件内，且若干所述导体绕所述永磁体周向等间距设置。

优选的，所述连接件包括若干斜拉索，若干所述斜拉索绕所述质量块轴线周向等间距设置，且所述斜拉索的一端与所述质量块顶部外壁通过挂耳固接，所述斜拉索的另一端与所述塔筒内壁固接。

优选的，所述定位件包括上放置板和下放置板，所述上放置板和所述下放置板固接在所述塔筒内壁上，且所述上放置板和所述下放置板平行设置，所述上放置板和所述下放置板设置为环形结构，所述永磁体贯穿所述上放置板和所述下放置板，且所述永磁体外壁与所述上放置板和所述下放置板之间留有间隙，所述上放置板和所述下放置板的两端通过螺栓与所述塔筒内壁固接。

优选的，所述上放置板和所述下放置板内圈包覆设置有防撞垫。

优选的，所述导体设置为圆弧板状结构，若干所述导体绕所述永磁体轴线周向等间距设置在所述上放置板和所述下放置板之间，若干所述导体的顶部与所述上放置板的底面固接，若干所述导体的底面与所述下放置板顶面固接。

优选的，所述永磁体固接在所述质量块的底面中心，且所述永磁体径向充磁。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明整体质量均匀置于塔筒内部，阻尼器系统质量重心与塔筒重心共线，不会产生额外偏心距。而且，内置于塔筒的减振装置避免了与外部海洋环境的直接接触，耐候性好。

2.本发明整体装置对称分布，风机和塔筒在承受任意方向的外界激励下，斜拉索悬挂的质量块可以自由摆动，带动永磁体作任意方向的切割磁感线运动，从而产生阻尼力，实现全方位的减振控制。另外，本发明可以通过调整导体厚度与放置密度改变阻尼力的大小，调整斜拉索长度改变阻尼器频率，可以适应不同风电机组的要求。

3.本发明是利用电磁阻尼作为阻尼单元的一种新型阻尼器，其中电磁阻尼力是通过永磁体(连同调谐质量块)与导体的相对运动产生，其相对运动又是由结构响应导致的。换言之，结构响应越大，相对运动越显著，产生的电磁阻尼力也就越大，结构振动逐渐衰减程度越大。

4.本发明中导体与永磁体均为非接触式结构，产生阻尼的部分为零摩擦结构，启动摩擦力小，也不存在磨损的问题，具有启动灵敏度高，维护成本低的特点，另外，电涡流阻尼器为全金属结构，也不存在液漏和老化问题，耐久性好。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的轴视图；

图2为本发明的正视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明中定位件的结构示意图；

图5为本发明中定位件的正视图；

图6为本发明中质量块与永磁体的轴视图；

其中，1、斜拉索；2、质量块；3、永磁体；41、上放置板；42、下放置板；43、防撞垫；5、导体。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-6，本发明提供一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，设置在塔筒内用于进行减振，包括：

供磁部，包括质量块2，所述质量块2设置在所述塔筒内，且所述质量块2的顶部设置有连接件，所述质量块2的底面固接有永磁体3；

生流部，包括若干导体5，所述塔筒内壁设置有定位件，所述永磁体3贯穿所述定位件，且所述永磁体3与所述定位件之间留有间隙，若干所述导体5设置在所述定位件内，且若干所述导体5绕所述永磁体3周向等间距设置。

本发明中斜拉索1悬挂的质量块2对称置于塔筒内部，固定于质量块2底部中心的永磁体3均匀环绕导体5，且二者环向具有间隙，导体5置于固定在塔筒内壁的上放置板41和下放置板42之间。本发明可以通过调整导体5厚度与放置密度改变阻尼力的大小，调整斜拉索1长度改变阻尼器频率，以适应不同风电机组的要求。本发明采用电磁阻尼作为阻尼单元，无接触无磨耗、无需复杂机械连接、具有阻尼系数可调节、制造安装与后期维护方便、减振效果好等特点。

当风力机受荷载振动时，塔筒发生水平方向振动，质量块2发生摆动，从而带动固定在质量块2下端的永磁体3与导体5发生相对移动，进行切割磁感线运动，导体5内磁通量发生改变，进而导体5内部产生电涡流，电涡流与磁场相互作用，产生洛伦兹力，阻碍永磁体3和导体5之间的相对运动，发生电涡流阻尼效应，使得结构振动逐渐衰减，从而实现减振效果。本发明可适用于陆上或海上风机，特别海上风机受到海洋环境和运动响应复杂，振动响应更为明显，相对运动越大，本发明装置产生的电磁阻尼力越大，减振耗能效果更显著，因此，本发明特别在应对漂浮式风机的振动突出的问题更有优势。

该装置将振动能量转化为电涡流阻尼力进行耗散，无工作流体，不存在机械摩擦问题，并且不会产生附加偏心距，还能应对任意方向的外界激励作用，实现对风力机结构的全方位减振，尤其是更适合于浮式风电机组的减振问题。

进一步优化方案，所述连接件包括若干斜拉索1，若干所述斜拉索1绕所述质量块2轴线周向等间距设置，且所述斜拉索1的一端与所述质量块2顶部外壁通过挂耳固接，所述斜拉索1的另一端与所述塔筒内壁或者塔筒顶部支架固接。这样的设置可以保证风力机受到振动后，质量块2可以自由摆动。

斜拉索1材料采用预应力钢绞线，保证其能承担质量块2摆动时产生的拉力，一端固定在塔筒内壁或者塔筒顶部支架上，另一端通过挂耳与质量块2连接，围绕质量块2周围等间距对称均匀分布，不会将质量块2的摆动限制为单一方向的位移而影响结构的减振效果，斜拉索1的长度应根据阻尼器振动频率，质量块2和永磁体3质量、以及电涡流磁场大小等因素来计算确定。

进一步优化方案，所述定位件包括上放置板41和下放置板42，所述上放置板41和所述下放置板42固接在所述塔筒内壁上，且所述上放置板41和所述下放置板42平行设置，所述上放置板41和所述下放置板42设置为环形结构，所述永磁体3贯穿所述上放置板41和所述下放置板42，且所述永磁体3外壁与所述上放置板41和所述下放置板42之间留有间隙，所述上放置板41和所述下放置板42的两端通过螺栓与所述塔筒内壁固接。

上放置板41和下放置板42间距略小于永磁体3长度，板中间段呈圆环状，环绕永磁体3。

进一步优化方案，所述上放置板41和所述下放置板42内圈包覆设置有防撞垫43。

进一步优化方案，所述导体5设置为圆弧板状结构，若干所述导体5绕所述永磁体3轴线周向等间距设置在所述上放置板41和所述下放置板42之间，若干所述导体5的顶部与所述上放置板41的底面固接，若干所述导体5的底面与所述下放置板42顶面固接。若干所述导体5沿着上放置板41和下放置板42均匀对称布置，可根据实际需要调整导体5的厚度和放置密度。

进一步优化方案，所述永磁体3固接在所述质量块2的底面中心，且所述永磁体3径向充磁。

质量块2为圆柱体、球体或方柱体；永磁体3为圆柱体或方柱体。

质量块2为圆柱体或者球体或方柱体其中的一种，材料采用钢结构，由斜拉索1通过挂耳悬挂在塔筒内部。

永磁体3为圆柱体，固定于质量块2底部，径向充磁，充磁方向及为N极S极方向，材料可采用稀土钴永磁材料。

质量块2和永磁体3的质量，与风力机支撑系统总质量之比是内摆式电涡流阻尼器设计的一个关键指标，根据减振指标的不同，通过有限元分析计算确定合适的质量比。

上放置板41和下放置板42布置高度与永磁体3相同，永磁体3长度大于两板间距，永磁体3长度与两板间距比值取1.2～1.5。上放置板41和下放置板42的内环半径由永磁体3半径和设计预留的间隙来确定。

导体5采用圆弧板形式，材质为铜，上下两端分别固定在上放置板41和下放置板42中间，沿着上放置板41和下放置板42均匀对称布置，电涡流感应可由公式(1)

J＝σ×(v×B) (1)

得到，式中σ为导体5的导电系数，v为导体5切割磁感线的速度向量，B为导体5内部磁感应强度。阻尼力可通过对导体5体积积分得到，

F＝∫J×BdV＝σv∫B²dV＝σvδ∫B²dS (2)

式中V为导体5体积，δ为导体5厚度，S为导体5分布面积。根据公式(2)可知阻尼力与导体5切割磁感线速度成正比，则等效阻尼系数c为

c＝σδ∫B²dS (3)

由公式(3)可知等效阻尼系数与导体5厚度，分布面积，磁场磁感应强度相关，因此可根据实际需要调整导体5的厚度与放置密度，控制永磁体3与导体5之间的间距，来实现结构阻尼的调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，设置在塔筒内用于进行减振，其特征在于，包括：

供磁部，包括质量块(2)，所述质量块(2)设置在所述塔筒内，且所述质量块(2)的顶部设置有连接件，所述质量块(2)的底面固接有永磁体(3)；

生流部，包括若干导体(5)，所述塔筒内壁设置有定位件，所述永磁体(3)贯穿所述定位件，且所述永磁体(3)与所述定位件之间留有间隙，若干所述导体(5)设置在所述定位件内，且若干所述导体(5)绕所述永磁体(3)周向等间距设置；

所述连接件包括若干斜拉索(1)，若干所述斜拉索(1)绕所述质量块(2)轴线周向等间距设置，且所述斜拉索(1)的一端与所述质量块(2)顶部外壁通过挂耳固接，所述斜拉索(1)的另一端与所述塔筒内壁固接；

所述定位件包括上放置板(41)和下放置板(42)，所述上放置板(41)和所述下放置板(42)固接在所述塔筒内壁上，且所述上放置板(41)和所述下放置板(42)平行设置，所述上放置板(41)和所述下放置板(42)设置为环形结构，所述永磁体(3)贯穿所述上放置板(41)和所述下放置板(42)，且所述永磁体(3)外壁与所述上放置板(41)和所述下放置板(42)之间留有间隙，所述上放置板(41)和所述下放置板(42)的两端通过螺栓与所述塔筒内壁固接。

2.根据权利要求1所述的一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，其特征在于：所述上放置板(41)和所述下放置板(42)内圈包覆设置有防撞垫(43)。

3.根据权利要求2所述的一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，其特征在于：所述导体(5)设置为圆弧板状结构，若干所述导体(5)绕所述永磁体(3)轴线周向等间距设置在所述上放置板(41)和所述下放置板(42)之间，若干所述导体(5)的顶部与所述上放置板(41)的底面固接，若干所述导体(5)的底面与所述下放置板(42)顶面固接。

4.根据权利要求3所述的一种风力机塔筒内摆式电涡流阻尼器减振装置，其特征在于：所述永磁体(3)固接在所述质量块(2)的底面中心，且所述永磁体(3)径向充磁。