CN116292742A - 一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，涉及减振领域，包括第一固定铰支座、两个第二固定铰支座、两个仿生支撑构件、自复位电磁涡流核心减振单元；该种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，通过自复位单元实现整个结构的自复位，同时通过类似人体腿结构的仿生支撑，从而实现装置控制力随仿生支撑相对夹角及其变化率的非线性可调，达到宽频减振的要求；并在集能单元的作用下，存储电路中产生的电能；通过在核心减振构件中设置有多组能够进行调节的涡流单元和供磁单元，使得核心减振构件能够在实际工程中根据需求灵活的选择合适组数的涡流单元和供磁单元以提供不同大小的阻尼力，进而满足工程需求。

Description

一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置

技术领域

本发明涉及减振领域，尤其是一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置。

背景技术

目前国内外机械设备、建筑桥梁和轨道结构等减隔振主体结构采用传统减隔振装置改善工作性能。减隔振装置作为机械设备等减隔振主体结构必备的关键部件，其性能的好坏将直接影响整个主体结构的运行稳定性、可靠性、工作精度，振动严重时可导致主体结构过度磨损、疲劳和使用寿命下降等问题。随着建筑桥梁、轨道结构、机械装备向大型化、高速、高精密、智能化等方向快速发展，多种复杂激励及其耦合作用使主体结构所处的动力学环境越来越复杂，对减隔振装置的性能要求也日益提升，不仅要能够在一个较宽的频域内保持较高的减隔振效率，而且能够有效缓解多种复杂激励负载激励、环境激励、基础干扰等耦合作用对系统的干扰。

而传统减隔振装置大量使用线性质量弹簧阻尼组成的减隔振装置，当承受多种复杂激励如各种工况下工作载荷、不同环境激励、基础干扰等耦合作用或激振频率发生偏移时，减隔振效果明显劣化，明显不能满足现有主体结构减隔振需求且在结构振动后无法复原。为了获得良好的减隔振，只能从降低系统的谐振频率入手，也就是要设法增加系统的质量或降低减振器的刚度。然而在实际工程设计中主体结构的质量是不允许变动的，只能使减隔振装置的刚度下降。但是如果减隔振装置的刚度过小，其承载能力也就随之降低。另外由于宽频域激振环境使减隔振装置的刚度很难降低到足以能够避开激振频率域的程度，这样系统必然要遇到低频谐振的问题。另外，传统的减隔振装置在制造成型后，其力学性能和减隔振性能亦随着确定。然而减隔振主体结构如轨道，建筑物的振动特性会随自身结构参数的变化而变化，为适应不同主体结构的振动特性需求，减隔振装置的性能应该随着主体结构的需求具有一定的参数可调节性和振后可恢复性。

面对振动与冲击领域的共同难题，为实现宽频减振需求，本文引入仿生学理论，本发明公开了一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，通过自复位单元实现整个结构的自复位，同时通过调整结构内涡流单元和供磁单元的组数，使得核心减振构件能够在实际工程中根据需求灵活的选择合适组数的涡流单元和供磁单元以提供不同大小的阻尼力，进而满足工程需求；并在集能单元的作用下，存储电路中产生的电能。

其中的电磁涡流单元通过利用局部磁场中的铜制导体盘切割磁场在导体盘中产生电涡流，电涡流又产生与原磁力方向相反的新磁场，从而在原磁场和导体之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力，同时导体板的电阻效应将导体板获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。自复位功能依靠设置在相互咬和的第二背铁和第三背铁两侧的永磁体结构实现。集能单元通过利用局部磁场中的线圈切割磁感线产生电流，通过外接电路将这部分电能储存起来用以供给工程中的其余构件。

发明内容

为了克服现有传统减隔振装置参数不可调，宽频带减隔振效果差和振后结构功能不可恢复的问题，本发明引入仿生学，提供了一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，通过自复位单元实现整个结构的自复位，同时通过调整结构内涡流单元和供磁单元的组数，使得核心减振构件能够在实际工程中根据需求灵活的选择合适组数的涡流单元和供磁单元以提供不同大小的阻尼力，进而满足工程需求；并在集能单元的作用下，存储电路中产生的电能。

本发明提供解决其技术问题的技术方案是：

一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，固定在减隔振主体与基础台面之间并与外接电路电连接，包括固定连接在所述减隔振主体上的第一固定铰支座和两个固定在所述基础台面上的第二固定铰支座；

所述第一固定铰支座和两个所述第二固定铰支座之间设有两组仿生支撑构件；

仿生支撑构件包括固定在所述第一固定铰支座上的第一连接杆、两根长度相同并分别固定在两个所述第二固定铰支座上的第二连接杆，所述第一连接杆和两根所述第二连接杆之间设有自复位电磁涡流核心减振单元；

所述自复位电磁涡流核心减振单元包括空心圆柱的外套筒，所述外套筒的两端面分别盖设有第一端盖、第二端盖，所述第一端盖、第二端盖同轴贯穿有中间轴，所述第一端盖、第二端内表面上设有集能单元，所述中间轴的表面固定连接有供磁单元，所述中间轴的表面与所述外套筒内壁之间设有能够自动复位的自复位单元，所述外套筒内壁上设有涡流单元，所述供磁单元、所述涡流单元以及所述集能单元对称布置；

所述涡流单元由固定在所述外套筒内表面的第二背铁和固定在所述第二背铁上的铜板组成；

所述集能单元由固定在第一端盖和第二端盖内表面的铁芯以及缠绕在所述铁芯上的线圈组成，所述集能单元与所述外接电路电连接；

所述供磁单元由两层第一永磁体和第一背铁组成，并且所述第一背铁设置在两层所述第一永磁体之间。

优选的，所述自复位单元包括咬合配合的定子和转子，所述定子对称分布在所述转子两侧，所述定子包括空心圆柱的所述第二背铁，所述第二背铁外圆表面与所述外套筒内壁之间设有环状分布的第四背铁，所述第四背铁两侧均设有第二永磁体，两个所述第四背铁之间构成咬合孔；所述转子固定在所述中间轴上，所述转子包括由第三背铁构成的空心圆盘，所述圆盘两侧设有与所述咬合孔咬合配合的咬合件，所述咬合件两侧壁上均设有第三永磁体，所述咬合孔与所述咬合件两侧壁之间留有空隙。

优选的，所述转子两端面上均设有第四永磁体，所述定子靠近所述转子一端面上设有所述铜板，所述铜板为扁平状空心圆柱。

优选的，所述定子远离所述转子一端面上设有所述集能单元。

优选的，两根所述第二连接杆分别与所述中间轴两端固定，所述第一连接杆连接在所述外套筒上。

优选的，所述第一端盖和所述第二端盖均设置为扁平状空心圆柱，并且所述第一端盖和所述第二端盖同心设置；所述第一端盖圆心处贯穿开设有第一通孔，所述第一通孔内嵌有第一轴承；所述第二端盖圆心处贯穿开设有第二通孔，所述第二通孔内嵌有第二轴承。

优选的，两组所述仿生支撑构件沿水平方向对称设置，所述第一固定铰支座和两个所述第二固定铰支座相互平行设置。

优选的，所述供磁单元和所述涡流单元的组数能够根据实际工程需求进行调整。

优选的，所述供磁单元和所述涡流单元之间预留有气隙。

优选的，所述永磁体沿环向采用相邻NS极交错或Halbach磁极阵列中的一种布置。

本发明的有益效果是：通过设置仿生支撑结构，使整体结构构造合理，传力耗能机制明确，在受到地震或振动激励作用时，第一固定铰支座与第一固定铰支座相互靠近或远离，整体产生拉伸或挤压变形而进行耗能，通过类似人体腿结构的仿生支撑从而实现装置控制力随仿生支撑相对夹角及其变化率的非线性可调，达到宽频减振的要求，从而使得工程结构不会在过大的作用下被破坏失效，保障了装置在作用下依旧可以安全工作。通过自复位单元中第二永磁体与第三永磁体之间的磁力作用，使定子与转子恢复初始状态，有效实现了减振结构在振后的功能恢复。通过在核心减振构件中设置有多组能够进行调节的涡流单元和供磁单元，使得核心减振构件能够在实际工程中根据需求灵活的选择合适组数的涡流单元和供磁单元以提供不同大小的阻尼力，进而满足工程需求。同时设置有集能单元，可将线圈中产生的电能通过外接电路储存，可用于向其他构件供电，实现本发明的双功能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施方式一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明自复位电磁涡流核心减振单元的剖视图；

图3是本发明A-A向永磁体布置图；

图4是本发明B-B向永磁体布置图；

图5是本发明定子结构图；

图6是本发明转子结构图。

图中标号：1、外套筒；2、第一连接杆；3、第一固定铰支座；4、杆件连接轴；5、第二固定铰支座；6、中间轴；7、铁芯；8、第一永磁体；9、铜板；10、线圈；11、第一轴承；12、套箍；13、第二连接杆；14、第一背铁；15、第二背铁；16、第三背铁；17、第二端盖；18、第一端盖；19、第二轴承；20、气隙；21、定子；22、转子；23、第二永磁体；24、第三永磁体；25、第四永磁体；26、咬合孔；27；咬合件；28、第四背铁。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-6所示，电磁涡流减隔振装置设置在减隔振主体与基础台面之间，包括固定连接在减隔振主体上的第一固定铰支座3和两个固定在基础台面上的第二固定铰支座5，第一固定铰支座3和两个第二固定铰支座5可相互平行设置；

第一固定铰支座3和两个第二固定铰支座5之间设有两组仿生支撑构件，两组仿生支撑构件可沿水平方向对称设置，可使减隔振装置受力更均匀；

仿生支撑构件包括两根长度相同并分别固定在两个第二固定铰支座5上的第二连接杆13、固定在第一固定铰支座3上的第一连接杆2，第二连接杆13一端与第二固定铰支座5可通过杆件连接轴4固定连接，第一连接杆2一端和第一固定铰支座3可通过杆件连接轴4固定连接，第一连接杆2和第二连接杆13可为空心的圆柱状，第一连接杆2和两根第二连接杆13之间设有自复位电磁涡流核心减振单元；

自复位电磁涡流核心减振单元包括表面与第一连接杆2另一端固定连接的外套筒1、两端分别与两根第二连接杆13另一端固定连接的中间轴6、分别盖设在外套筒1两端的第一端盖18和第二端盖17、设于外套筒1内壁上的涡流单元、设于中间轴6上的供磁单元、设于中间轴表面与外套筒内壁之间能够自动复位的自复位单元、设于第一端盖18和第二端盖17上的集能单元；

一个供磁单元由两个固定在第一背铁14上的第一永磁体8组成，且与中间轴6连接，第一永磁体8的内圆周边与外圆周边均可使用套箍12固定在第一背铁14上；一个涡流单元由第二背铁15和固定在第二背铁上的铜板9组成，第二背铁15固定在外套筒的内表面上，；一个集能单元由两个缠绕在铁芯7上的线圈10组成并固定在第一端盖18和第二端盖17的内表面，集能单元与外连接电路电连接；

自复位单元包括设于中间轴6上的转子22、两个设于外套筒1内壁上的定子21；转子22和两个定子21咬合配合，两个定子21对称分布在转子22两侧，定子21包括空心圆柱的第二背铁15，第二背铁15外圆表面与外套筒1内壁之间设有环状分布的第四背铁28，第四背铁28两侧均设有第二永磁体23，两个第四背铁28之间构成咬合孔26；转子22固定在中间轴6上，转子22包括由第三背铁16构成的空心圆盘，圆盘两侧设有与咬合孔26咬合配合的咬合件27，咬合件27两侧壁上设有第三永磁体24；第二永磁体23一侧的磁极与所靠近的第三永磁体24一侧的磁极可相同；通过第二永磁体23与第三永磁体24之间的排斥力，可使咬合件27两侧所受力相同，从而使定子21和转子22在产生相对转动后仍可恢复初始状态实现自复位单元的自复位功能；咬合件27两侧壁与咬合孔26之间留有空隙，可使转子22和定子21做一定程度的相对转动。转子22两端面上均设有第四永磁体25，定子21靠近转子22一端面上设有铜板9，铜板9可为扁平状空心圆柱，可构成一个涡流单元，可使转子22与定子21发生相对转动时，产生涡流，将一部分动能耗散出去，加强整个减振结构的减振强度；定子21远离转子22一端面上设有集能单元，可存储定子21与转子22之间产生的电能。

本发明通过设置第一固定铰支座3、第二固定铰支座5、第一连接杆2、第二连接杆13以及自复位电磁涡流核心减振单元共同形成仿生结构，在电磁涡流减振装置受到地震或振动激励作用时，第一固定铰支座3与第二固定铰支座5相互靠近或远离，整体产生拉伸或挤压变形而进行耗能，通过类似人体腿结构的仿生支撑从而实现装置控制力随仿生支撑相对夹角及其变化率的非线性可调，达到宽频减振的要求，从而使得工程结构不会在过大的作用下被破坏失效，保障了装置在作用下依旧可以安全工作。通过第一连接杆2带动外套筒1转动，供磁单元中的第一背铁14和第一永磁体8共同作用会产生磁场，此为现有技术，这里不再赘述，自复位电磁涡流核心减振单元中的铜板9和第二背铁15也会发生转动，铜板9和第二背铁15切割供磁单元产生的磁场在涡流单元中产生电涡流，电涡流又产生与原磁场方向相反的新磁场，从而在原磁场和涡流单元之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力，同时涡流单元的电阻效应将涡流单元获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。集能单元通过利用局部磁场中的线圈10切割磁感线产生电流，通过外接电路将这部分电能储存起来用以供给工程中的其余构件；振动过后，通过第二永磁体23与第三永磁体24之间的磁力作用，可在电磁涡流减振装置振动后实现自复位单元的自复位功能，从而实现了减振结构在振后的功能恢复。

进一步的，集能单元还可以固定连接在第一端盖18和第二端盖17的内表面，可使电磁涡流核心减振单元内产生的磁场不外漏。

进一步的，第一端盖18可设置为扁平状圆柱，第二端盖17可设置为扁平状圆柱，并且第一端盖18和第二端盖17可同心设置。第一端盖18圆心处可贯穿开设有第一通孔，第一通孔内固定连接有第一轴承11。第二端盖17圆心处可贯穿开设有第二通孔，第二通孔内固定连接有第二轴承19。在第一轴承11和第二轴承19的内表面固定连接有中间轴6，进而中间轴6能够在第一端盖18和第二端盖17之间进行转动。

进一步的，供磁单元，涡流单元，集能单元和自复位单元为对称布置，并且在供磁单元，涡流单元，集能单元和自复位单元之间预留有气隙20。使得中间轴6在第一轴承11和第二轴承19之间转动的时候，固定连接在外套筒1的涡流单元能够相对于固定在中间轴6上供磁单元转动，进而能够产生电涡流和感应电流，电涡流会产生与原磁场方向相反的新磁场，从而在原磁场和导体之间形成阻碍二者相对运动的阻尼力达到减振目的，感应电流通过外接电路进行存储。

进一步的，供磁单元和涡流单元的组数能够根据实际工程需求进行调整，可使电磁涡流核心减振单元能够在实际工程中根据需求灵活的选择合适数量组数的涡流单元和供磁单元，进而满足不同的工程需求，提升整体减振装置的使用范围。

进一步的，永磁体沿环向采用相邻NS极交错或Halbach磁极阵列中的一种布置，具体参见图3-图4，可达到使用最少的磁体产生最强的磁场的效果，从而节约资源。

显然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，固定在减隔振主体与基础台面之间并与外接电路电连接，其特征在于：包括固定连接在所述减隔振主体上的第一固定铰支座和两个固定在所述基础台面上的第二固定铰支座；

所述第一固定铰支座和两个所述第二固定铰支座之间设有两组仿生支撑构件；

仿生支撑构件包括固定在所述第一固定铰支座上的第一连接杆、两根长度相同并分别固定在两个所述第二固定铰支座上的第二连接杆，所述第一连接杆和两根所述第二连接杆之间设有自复位电磁涡流核心减振单元；

所述自复位电磁涡流核心减振单元包括空心圆柱的外套筒，所述外套筒的两端面分别盖设有第一端盖、第二端盖，所述第一端盖、第二端盖同轴贯穿有中间轴，所述第一端盖、第二端内表面上设有集能单元，所述中间轴的表面固定连接有供磁单元，所述中间轴的表面与所述外套筒内壁之间设有能够自动复位的自复位单元，所述外套筒内壁上设有涡流单元，所述供磁单元、所述涡流单元以及所述集能单元所述中间轴对称布置；

所述涡流单元由固定在所述外套筒内表面的第二背铁和固定在所述第二背铁上的铜板组成；

所述集能单元由固定在第一端盖和第二端盖内表面的铁芯以及缠绕在所述铁芯上的线圈组成，所述集能单元与所述外接电路电连接；

所述供磁单元由两层第一永磁体和第一背铁组成，并且所述第一背铁设置在两层所述第一永磁体之间。

2.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述自复位单元包括咬合配合的定子和转子，所述定子对称分布在所述转子两侧，所述定子包括空心圆柱的所述第二背铁，所述第二背铁外圆表面与所述外套筒内壁之间设有环状分布的第四背铁，所述第四背铁两侧均设有第二永磁体，两个所述第四背铁之间构成咬合孔；所述转子固定在所述中间轴上，所述转子包括由第三背铁构成的空心圆盘，所述圆盘两侧设有与所述咬合孔咬合配合的咬合件，所述咬合件两侧壁上均设有第三永磁体，所述咬合孔与所述咬合件两侧壁之间留有空隙。

3.根据权利要求2所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述定子两端面上均设有第四永磁体，所述转子靠近所述定子一端面上设有所述铜板，所述铜板为扁平状空心圆柱。

4.根据权利要求2所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述定子远离所述转子一端面上设有所述集能单元。

5.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：两根所述第二连接杆分别与所述中间轴两端固定，所述第一连接杆连接在所述外套筒上。

6.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述第一端盖和所述第二端盖均设置为扁平状空心圆柱，并且所述第一端盖和所述第二端盖同心设置；所述第一端盖圆心处贯穿开设有第一通孔，所述第一通孔内嵌有第一轴承；所述第二端盖圆心处贯穿开设有第二通孔，所述第二通孔内嵌有第二轴承。

7.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：两组所述仿生支撑构件沿水平方向对称设置，所述第一固定铰支座和两个所述第二固定铰支座相互平行设置。

8.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述供磁单元和所述涡流单元的组数能够根据实际工程需求进行调整。

9.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述供磁单元和所述涡流单元之间预留有气隙。

10.根据权利要求1所述的一种双功能仿生自复位电磁涡流减振装置，其特征在于：所述永磁体沿环向采用相邻NS极交错或Halbach磁极阵列中的一种布置。

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