CN116989083A - 一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装方法 - Google Patents
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Abstract
一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装方法，包括永磁电涡流阻尼器部分、调谐质量阻尼器部分和与塔筒连接的外壳部分。永磁电涡流阻尼器部分由两个永磁电涡流阻尼器组成，调谐质量阻尼器部分包括主要耗能的质量块、旋转轴承、质量块支架、支撑筒体、主要承重拉索和防撞磁块。外壳部分包括塔筒连接板和阻尼器支架。发明提出一个由永磁电涡流阻尼器部分、调谐质量阻尼器部分和塔筒连接的外壳部分组成的组合阻尼装置，可以在塔筒内安装多个阻尼装置来控制不同阶模态，从而适应不同荷载激发的塔筒结构。旋转轴承可带动阻尼装置转动至主风力方向，永磁电涡流阻尼器作为质量块的缓冲器，将质量块的动能转为电能导出，实现耗能。
Description
技术领域
本发明属于土木结构振动控制装置技术领域，具体涉及的是适于风力机塔筒减振的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装技术。
背景技术
进入21世纪以来，能源问题受到世界各国的重视，风能作为一种清洁无污染的可再生能力被广泛利用，风力发电塔、风力涡轮机的市场也在不断扩大。随着风电技术日益向大功率的方向发展，风力发电机塔架的高度和体量不断增加，传统的抗风结构设计越来越难以满足塔架结构的使用要求，塔架在风荷载作用下的振动问题日益凸显。然而，受到风、地震等环境激励的作用，风力发电机塔架产生过大的振动，从而导致塔架倒塌的事故屡见不鲜，因此，对于该结构耗能减振的处理方法受到了广大土木工程研究人员的重视。采用振动控制技术可以较为安全、经济、可靠、有效地解决这个问题。在风力发电机塔架中考虑与设置振动控制装置，以调谐和减轻塔架结构的振动效应对于减小风力发电机塔架的振动反应，有效地保护风力发电机组整体结构正常工作状态、遭受强风和强震状况的安全性均具有重要的意义。
以油阻尼器作为代表。油阻尼器可以满足大行程要求，20世纪80年代末开始在土木工程领域应用。美国在这方面的研究与应用起步较早，中国油阻尼器产品经过10多年的发展也取得了很大的技术进步，已经在实际工程中应用。为了实现高耗能密度，土木工程使用的油阻尼器与机械工程的有源液压器件和内外管式油阻尼器不同，它采用了单管密封高压油(可达100 MPa)结构。然而，这种结构也带来2个难以克服的缺点：密封摩擦力大、减振灵敏度低。一旦磨损漏油就立即失去阻尼力，只能更换。因此，目前使用的很多油阻尼器达不到减振设计要求，甚至三到五年就要更换，类似问题也存在于很多重型装备上的减振缓冲装置中。
发明内容
本发明目的是提供适于风力机塔筒减振的一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装方法。
本发明是一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装方法，永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，由永磁电涡流阻尼器部分、调谐质量阻尼器部分以及与塔筒连接的外壳部分三部分组成，调谐质量阻尼器部分有旋转轴承，永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分能够水平自由旋转来实现减振方向的转变从而达到多向减振；永磁电涡流阻尼器部分由两个永磁电涡流阻尼器组成，每个永磁电涡流阻尼器包括：永磁体1、导体圆盘2、推力轴承3、丝杠4、螺母5、背铁6、永磁电涡流阻尼器外壳7；位于中央的丝杠4旋转放置在三个螺母5中央，三个导体圆盘2分别焊接在螺母5上，十二个永磁体1分别吸附固定在背铁6上，所述螺母5与背铁6之间有推力轴承3连接；所述丝杠4与质量块9和所述永磁电涡流阻尼器外壳7与底部的旋转轴承8之间的的连接方式采用球关节连接。
本发明的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置安装方法，其步骤为：
步骤（1）将塔筒连接板14焊接在预定位置，再将底部的阻尼器支架15与塔筒连接板14下侧焊接；
步骤（2）将质量块9焊接在质量块支架10上，再通过主要承重拉索11与顶部的旋转轴承8用高强度螺栓连接；
步骤（3）将四个背铁6焊接在永磁电涡流阻尼器外壳7中，十二个永磁体1分别吸附固定在背铁6上，三个导体圆盘2分别焊接在三个螺母5上，每个螺母5与两边的背铁6之间通过推力轴承3连接，丝杠4旋转放置在三个螺母5中央组成一个永磁电涡流阻尼器；
步骤（4）将质量块9下部分别与两个永磁电涡流阻尼器中的丝杠4球节点连接，两个永磁电涡流阻尼器中永磁电涡流阻尼器外壳7与底部的旋转轴承8球节点连接；
步骤（5）将两块防撞磁块12吸附固定在质量块支架10最外侧和支撑筒体13所对应的位置，再将顶部和底部的旋转轴承8分别焊接在支撑筒体13上；
步骤（6）将支撑筒体13下侧焊接在底部的阻尼器支架15上，将顶部的阻尼器支架15与塔筒连接板14上侧和支撑筒体13上侧分别焊接；完成安装。
本发明的有益之处为：1、本发明装置由于是模块化永磁电涡流阻尼器设计，因此在不同的风振强度需求下，可以由需设置一个或多个模块来满足抗振需求。2、本发明装置在上下部分别布置旋转轴承，从而可以通过风力发电机自带的偏航系统自由旋转，达到旋转多向减振的效果。本发明所使用的永磁电涡流阻尼器摩擦小，损耗小，减振灵敏度高，服役周期长。本发明由于模块化设计可以直接吊装，方便安装和检修。本发明采用安装防撞磁块的设计，从而避免质量块撞击支撑筒体。6、本发明永磁电涡流阻尼器与质量块和旋转轴承的连接部分采取球关节连接，装置旋转时工作时连接处不易破损。
附图说明
图1是本发明的试验装置的三维视图，图2是本发明的试验装置只安装一个模块的安装示意图，图3是本发明的试验装置永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器的部分剖面视图，图4是本发明的试验装置转动部分的示意图，图5是本发明的试验装置永磁电涡流阻尼器的部分剖面视图，图6是本发明的试验装置外壳部分的三维视图，附图标记及对应名称为：1为永磁体，2为导体圆盘，3为推力轴承，4为丝杠，5为螺母，6为背铁，7为球关节连接，8为旋转轴承，9为质量块，10为质量块支架，11为主要承重拉索，12为防撞磁块，13支撑筒体，14为塔筒连接板，15为阻尼器支架，16为塔筒连接板的镂空。
实施方式
如图1~图6所示，本发明是一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置及其安装方法，永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，由永磁电涡流阻尼器部分、调谐质量阻尼器部分以及与塔筒连接的外壳部分三部分组成，调谐质量阻尼器部分有旋转轴承，永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分能够水平自由旋转来实现减振方向的转变从而达到多向减振；永磁电涡流阻尼器部分由两个永磁电涡流阻尼器组成，每个永磁电涡流阻尼器包括：永磁体1、导体圆盘2、推力轴承3、丝杠4、螺母5、背铁6、永磁电涡流阻尼器外壳7；位于中央的丝杠4旋转放置在三个螺母5中央，三个导体圆盘2分别焊接在螺母5上，十二个永磁体1分别吸附固定在背铁6上，所述螺母5与背铁6之间有推力轴承3连接；所述丝杠4与质量块9和所述永磁电涡流阻尼器外壳7与底部的旋转轴承8之间的的连接方式采用球关节连接，
在旋转时连接处不易发生破坏。
本发明所使用的永磁电涡流阻尼器没有传统油阻尼器磨损高、初始摩擦力大、减振灵敏度底、安装困难、使用寿命短等缺点，并且相比传统的电涡流阻尼器，本发明使用的永磁电涡流阻尼器可以制造出更大阻尼力，达到与油阻尼器相当的耗能密度。
本发明将调谐质量阻尼器（TMD）与永磁电涡流阻尼器结合在一起，再在装置上下部加装旋转轴承，使其能够自由旋转，发挥减振装置最大减振耗能效率，还将装置设计为一种模块化的形式直接吊装，可以根据荷载激发的塔筒结构的不同模态在塔筒内安装多个阻尼装置来控制不同阶模态。由于模块化可直接吊装的设计，安装方便，运输和检修成本会降低，具有重要的工程现实意义。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图3所示，调谐质量阻尼器部分包括：旋转轴承8、质量块9、质量块支架10、主要承重拉索11、防撞磁块12、支撑筒体13；旋转轴承8与支撑筒体13点焊连接，主要承重拉索11与上部旋转轴承8使用高强度螺栓锚固连接，质量块9通过质量块支架10与主要承重拉索11用高强度螺栓锚固连接，两块防撞磁块12吸附固定在质量块支架10最外侧和支撑筒体13所对应的位置；两块防撞磁块12正负极相同，防止质量块9撞在支撑筒体13上。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图6所示，与塔筒连接的外壳部分包括：塔筒连接板14、阻尼器支架15；所述永磁电涡流阻尼器和主要承重拉索11分别连接的上下部旋转轴承8焊接在阻尼器支架15上；四块塔筒连接板14分别与阻尼器支架15焊接连接，且塔筒连接板14外侧和风力发电发机塔筒内壁焊接连接；如图2所示，塔筒连接板14四个方向与塔筒锚固连接，能将塔筒的振动传到阻尼器的主要减振模块中，且预留空间用于爬梯。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图5所示，永磁电涡流阻尼器部分中，所述丝杠4与螺母5组成螺旋传动装置，螺母5通过竖直丝杠4的竖直移动来旋转，连带螺母5所连接的导体圆盘2的旋转，通过尽可能增大导体圆盘2的半径来实现对旋转运动速度的放大。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图3所示，在上述的永磁电涡流阻尼器部分中，所述永磁电涡流阻尼器与所述下部旋转轴承8夹角等于45°，且与质量块9采取球关节连接。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图4所示，调谐质量阻尼器部分中，所述主要承重拉索11在质量块支架10上设有四条，两两等距连接至上部旋转轴承8用于主要用于承担质量块9的重力。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图4所示，由于有旋转轴承8，永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分能够自由转动，通过风力发电机的偏航系统控制旋转，来实现旋转多方向的减振耗能效果。
以上所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，如图2所示，塔筒连接的外壳部分由塔筒连接板14、阻尼器支架15组成；塔筒连接板14焊接在预定位置，将底部的阻尼器支架15与塔筒连接板14下侧焊接，再将顶部的阻尼器支架15与筒连接板14上侧焊接，顶部与底部的阻尼器支架15与支撑筒体13焊接连接，从而完成所述塔筒用旋转多向阻尼装置与风力发电机塔筒的固定。
本发明的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置安装方法，其步骤为：
步骤（1）将塔筒连接板14焊接在预定位置，再将底部的阻尼器支架15与塔筒连接板14下侧焊接；
步骤（2）将质量块9焊接在质量块支架10上，再通过主要承重拉索11与顶部的旋转轴承8用高强度螺栓连接；
步骤（3）将四个背铁6焊接在永磁电涡流阻尼器外壳7中，十二个永磁体1分别吸附固定在背铁6上，三个导体圆盘2分别焊接在三个螺母5上，每个螺母5与两边的背铁6之间通过推力轴承3连接，丝杠4旋转放置在三个螺母5中央组成一个永磁电涡流阻尼器；
步骤（4）将质量块9下部分别与两个永磁电涡流阻尼器中的丝杠4球节点连接，两个永磁电涡流阻尼器中永磁电涡流阻尼器外壳7与底部的旋转轴承8球节点连接；
步骤（5）将两块防撞磁块12吸附固定在质量块支架10最外侧和支撑筒体13所对应的位置，再将顶部和底部的旋转轴承8分别焊接在支撑筒体13上；
步骤（6）将支撑筒体13下侧焊接在底部的阻尼器支架15上，将顶部的阻尼器支架15与塔筒连接板14上侧和支撑筒体13上侧分别焊接；完成安装。
本发明的理论原理为：永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，是由调谐质量阻尼器部分、永磁电涡流阻尼器部分以及与塔筒连接的外壳部分所构成的。在风力发电机遭受风振等有害振动时，风力发电机塔筒振动带动内部永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置振动，使质量块摆动，达到将风力发电机塔筒所受有害振动的能量传递至质量块，再由模块化多方向永磁电涡流阻尼器中永磁电涡流阻尼器部分将质量块摆动的能量转化为电能释放。
在永磁电涡流阻尼器部分中，利用螺旋传动装置，将轴向阻尼器两端的直线相对运动转化为阻尼器内部的高速转动，当导体板在局部磁场中运动时，导体板内的磁通量发生变化，由电磁感应原理，在导体板内马上产生感应电流，并自动在板内形成涡电流涡电流磁场又与原磁场相互作用，产生一个阻碍导体板运动的力，导体板与磁场相对运动的动能先转变为电能，从而起到耗能减振的作用。
螺母之间通过推力轴承相连，在丝杠的驱动下带动导体圆盘一起做旋转运动，轴向电涡流阻尼器中圆盘上产生的阻尼力矩经过丝杠的逆传动作用又转化为轴向电涡流阻尼力施加到结构上。
与传统油阻尼相比，本专利使用的永磁电涡流阻尼器达到与油阻尼器相当的耗能密度，同时又避免了油阻尼器初始摩擦力大，减振灵敏度不高，服役周期短等缺点。相比于传统电涡流阻尼器，本专利使用的永磁电涡流阻尼器针对传统电涡流阻尼生成方式耗能效率低，导体板与磁体在空间上相互约束的问题做出改良。
下面结合附图和实施例进一步展开本发明的内容。
实施例 1 ：请参阅图1是本发明的试验装置的三维视图。 根据风力机特性和所处环境选择需要安装的装置数量。
请参阅图6是本发明的试验装置外壳部分的三维视图。将外壳部分的塔筒连接板与风力发电机塔筒焊接。
请参阅图3是本发明的试验装置主永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分的部分剖面视图。再将主要减振模块焊接在外壳部分的为阻尼器支架上完成安装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，由永磁电涡流阻尼器部分、调谐质量阻尼器部分以及与塔筒连接的外壳部分三部分组成，其特征在于：调谐质量阻尼器部分有旋转轴承，永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分能够水平自由旋转来实现减振方向的转变从而达到多向减振；永磁电涡流阻尼器部分由两个永磁电涡流阻尼器组成，每个永磁电涡流阻尼器包括：永磁体（1）、导体圆盘（2）、推力轴承（3）、丝杠（4）、螺母（5）、背铁（6）、永磁电涡流阻尼器外壳（7）；位于中央的丝杠（4）旋转放置在三个螺母（5）中央，三个导体圆盘（2）分别焊接在螺母（5）上，十二个永磁体（1）分别吸附固定在背铁（6）上，所述螺母（5）与背铁（6）之间有推力轴承（3）连接；所述丝杠（4）与质量块（9）和所述永磁电涡流阻尼器外壳（7）与底部的旋转轴承（8）之间的的连接方式采用球关节连接。
2.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于调谐质量阻尼器部分包括：旋转轴承（8）、质量块（9）、质量块支架（10）、主要承重拉索（11）、防撞磁块（12）、支撑筒体（13）；旋转轴承（8）与支撑筒体（13）点焊连接，主要承重拉索（11）与上部旋转轴承（8）使用高强度螺栓锚固连接，质量块（9）通过质量块支架（10）与主要承重拉索（11）用高强度螺栓锚固连接，两块防撞磁块（12）吸附固定在质量块支架（10）最外侧和支撑筒体（13）所对应的位置；两块防撞磁块（12）正负极相同，防止质量块（9）撞在支撑筒体（13）上。
3.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于与塔筒连接的外壳部分包括：塔筒连接板（14）、阻尼器支架（15）；所述永磁电涡流阻尼器和主要承重拉索（11）分别连接的上下部旋转轴承（8）焊接在阻尼器支架（15）上；四块塔筒连接板（14）分别与阻尼器支架（15）焊接连接，且塔筒连接板（14）外侧和风力发电发机塔筒内壁焊接连接；塔筒连接板（14）四个方向与塔筒锚固连接，能将塔筒的振动传到阻尼器的主要减振模块中，且预留空间用于爬梯。
4.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于在上述的永磁电涡流阻尼器部分中，所述丝杠（4）与螺母（5）组成螺旋传动装置，螺母（5）通过竖直丝杠（4）的竖直移动来旋转，连带螺母（5）所连接的导体圆盘（2）的旋转，通过尽可能增大导体圆盘（2）的半径来实现对旋转运动速度的放大。
5.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于在上述的永磁电涡流阻尼器部分中，所述永磁电涡流阻尼器与所述下部旋转轴承（8）夹角等于45°，且与质量块（9）采取球关节连接。
6.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于在上述的调谐质量阻尼器部分中，所述主要承重拉索（11）在质量块支架10上设有四条，两两等距连接至上部旋转轴承（8）用于主要用于承担质量块（9）的重力。
7.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于在上述的调谐质量阻尼器部分和永磁电涡流阻尼器部分中，由于有旋转轴承（8），永磁电涡流阻尼器部分和调谐质量阻尼器部分能够自由转动，并且通过风力发电机的偏航系统控制旋转，来实现旋转多方向的减振耗能效果。
8.根据权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置，其特征在于在上述的塔筒连接的外壳部分由塔筒连接板（14）、阻尼器支架（15）组成；塔筒连接板（14）焊接在预定位置，将底部的阻尼器支架（15）与塔筒连接板（14）下侧焊接，再将顶部的阻尼器支架（15）与筒连接板（14）上侧焊接，顶部与底部的阻尼器支架（15）与支撑筒体（13）焊接连接，从而完成所述塔筒用旋转多向阻尼装置与风力发电机塔筒的固定。
9.权利要求1所述的永磁电涡流和调谐质量组合阻尼装置安装方法，其特征在于，其步骤为：
步骤（1）将塔筒连接板（14）焊接在预定位置，再将底部的阻尼器支架（15）与塔筒连接板（14）下侧焊接；
步骤（2）将质量块（9）焊接在质量块支架（10）上，再通过主要承重拉索（11）与顶部的旋转轴承（8）用高强度螺栓连接；
步骤（3）将四个背铁（6）焊接在永磁电涡流阻尼器外壳（7）中，十二个永磁体（1）分别吸附固定在背铁（6）上，三个导体圆盘（2）分别焊接在三个螺母（5）上，每个螺母（5）与两边的背铁（6）之间通过推力轴承（3）连接，丝杠（4）旋转放置在三个螺母（5）中央组成一个永磁电涡流阻尼器；
步骤（4）将质量块（9）下部分别与两个永磁电涡流阻尼器中的丝杠（4）球节点连接，两个永磁电涡流阻尼器中永磁电涡流阻尼器外壳（7）与底部的旋转轴承（8）球节点连接；
步骤（5）将两块防撞磁块（12）吸附固定在质量块支架（10）最外侧和支撑筒体（13）所对应的位置，再将顶部和底部的旋转轴承（8）分别焊接在支撑筒体（13）上；
步骤（6）将支撑筒体（13）下侧焊接在底部的阻尼器支架（15）上，将顶部的阻尼器支架（15）与塔筒连接板（14）上侧和支撑筒体（13）上侧分别焊接；完成安装。
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