CN1584362A

CN1584362A - 电磁摩擦控制装置

Info

Publication number: CN1584362A
Application number: CN 200410043601
Authority: CN
Inventors: 王伟
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-02-23

Abstract

电磁摩擦控制装置，它涉及一种用于控制结构振动的装置。本发明电磁铁(1)设置在衔铁(2)的上部，电磁铁(1)的下端与衔铁(2)的上端之间接触、滑动或摩擦，支撑体(3)的上端与衔铁(2)的下端固定连接，控制电路(4)与电磁铁(1)电连接。电磁铁(1)由E形电磁铁架(1－1)和线圈(L)组成，E形电磁铁架(1－1)由硅钢片冲压叠加制成，线圈(L)由缠绕在E形电磁铁架(1－1)中心的硅钢片(1－2)上的漆包线制成。衔铁(2)由条形硅钢片(2－1)叠合制成。支撑体(3)是人字形架或桁架。本发明是一种没有任何智能材料的、具有自识别、自调整功能的智能型控制装置。本发明具有结构简单、造价低廉、可有效控制结构的地震反应，控制效果好，能够满足建筑功能要求的优点。

Description

电磁摩擦控制装置

技术领域：

本发明涉及一种用于控制结构振动的装置。

背景技术：

智能控制技术不同于经典和现代控制技术。它研究的主要目标不只是被控对象，而是控制装置本身。智能控制技术的核心是智能控制装置。智能控制装置一般是由具有某些特效功能的智能材料制作的。这种装置反应迅速、变化连续、所需外界能量小，产生驱动力大。这些装置可用于半主动控制，同时也可用于被动控制，是一种新型控制装置。目前已有的智能控制装置有：电流变控制装置(ER)，磁流变控制装置(MR)，形状记忆合金控制元件(SMA)，压电材料控制元件(PE)等。智能控制装置用于土木工程，目前还是起步阶段。大多数的研究仍局限于装置本身的性能试验和智能结构体系模型试验。因此，智能控制装置的实用化将成为智能控制技术的关键问题。摩擦耗能装置是目前国内外广泛研究的各种耗能装置中构造最为简单的耗能装置。一方面，摩擦耗能装置取材容易、能量耗散性好；另一方面，荷载大小，频率循环次数及加载方式对摩擦耗能装置的直接性能影响不大。普通摩擦耗能装置主要是通过受预紧力的金属接触面之间的相对滑动产生的摩擦力来耗散结构振动能量，使用过程中正压力是恒定的，如果不进行处理其滞回曲线是矩形，恢复力为常数。普通摩擦耗能装置存在的主要缺点和不足为：1、普通摩擦耗能装置均由螺栓紧固力来提供正压力，装置在工作中反复运动，螺栓松弛不可避免。因此，装置性能不稳定。2、普通摩擦耗能装置均由螺栓紧固力来提供正压力，由于紧固力是固定的，因此，摩擦力不能改变，没有自适应性。3、普通摩擦耗能装置安装在结构上不具备识别功能，无法识别结构的层间位移。4、普通摩擦耗能装置仅适用于被动控制，无法用于主动或半主动控制。

发明内容：

本发明的目的是提供一种电磁摩擦控制装置，它具有结构简单、造价低廉、可有效控制结构的地震反应，控制效果好，能够满足建筑功能要求的特点。本发明由电磁铁1、衔铁2、支撑体3、控制电路4组成，电磁铁1设置在衔铁2的上部，电磁铁1的下端与衔铁2的上端之间接触、滑动或摩擦，支撑体3的上端与衔铁2的下端固定连接，控制电路4与电磁铁1电连接。所述电磁铁1由E形电磁铁架1-1和线圈L组成，E形电磁铁架1-1由硅钢片冲压叠加制成，线圈L由缠绕在E形电磁铁架1-1中心的硅钢片1-2上的漆包线制成。所述衔铁2由条形硅钢片2-1叠合制成。所述支撑体3是人字形架或桁架。本发明是利用电磁铁通电后与衔铁产生的吸力(正压力)代替普通摩擦耗能器的预紧力，并且通过改变电磁铁的工作电流来实时改变正压力，实现摩擦力随移动位移的变化而实时改变。由此形成可变的滞回曲线，恢复力不再为常数。用于被动控制时，本发明安装在结构上可自动测得结构的位移反应，从而不需有传感器来识别结构的反应，并可随结构反应的大小实时改变和施加驱动力。这种作用转变连续、反应迅速、可逆识别。本发明具有自识别和自动调节的功能。用于主动控制时，本发明需通过传感器来识别结构的反应，经过控制算法算得应该施加控制力的大小，然后，根据控制力与电流的关系计算出相应的电流，将该电流输送给电磁摩擦控制装置，对受控结构实施该控制力，达到控制结构振动的目的。本发明所提出的电磁摩擦控制装置并非像其它智能控制装置一样，采用智能材料制作，以实现所谓智能功能，而是通过电磁效应的连续变化，使得由电磁感应所产生的磁场连续变化，从而使电磁铁与衔铁的摩擦力连续迅速可逆变化。因此具备了自我调节的功能。另外它与普通控制装置一样一端可随结构一起滑动，将位移量与电量进行转换后，即可实现对结构位移反应的识别。控制装置可根据结构的位移反应施加相应的控制力(摩擦力)。因此，本发明是一种没有任何智能材料的、具有自识别、自调整功能的智能型控制装置。本发明具有结构简单、造价低廉、可有效控制结构的地震反应，控制效果好，能够满足建筑功能要求的优点。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图，图2是E形电磁铁架1-1的结构示意图，图3是E形电磁铁架1-1与线圈L的结构示意图，图4是衔铁2的结构示意图，图5是节能控制电路图，图6是电子控制电路图。

具体实施方式：

具体实施方式一：(参见图1-图5)本实施方式由电磁铁1、衔铁2、支撑体3、控制电路4组成，电磁铁1设置在衔铁2的上部，电磁铁1的下端与衔铁2的上端之间接触、滑动或摩擦，支撑体3的上端与衔铁2的下端固定连接，控制电路4与电磁铁1电连接。所述电磁铁1由E形电磁铁架1-1和线圈L组成，E形电磁铁架1-1由硅钢片冲压叠加制成，线圈L由缠绕在E形电磁铁架1-1中心的硅钢片1-2上的漆包线制成。(其试验模型的数据为：线圈匝数为400匝，线径为1.3mm，直流电阻为2.45Ω。)所述衔铁2由条形硅钢片2-1叠合制成。衔铁2的一个大面通过磨床处理，使表面尽量光滑，以减小漏磁。所述支撑体3是人字形架或桁架。支撑体3可由角钢焊接而成，支撑体3应有足够的刚度，以保证装置的耗能作用。控制电路4是节能控制电路，它由可变电阻R₂和直流电源E₁组成，可变电阻R₂的两个固定端与电磁铁1上的线圈L的一端相连接，可变电阻R₂的滑动端K与直流电源E₁的负极相连接，直流电源E₁的正极与电磁铁1上的线圈L的另一端相连接。本节能控制电路由电学原理可知：

I = \frac{V}{R}

当电压为恒定时，电流和电阻成反比。即电流的变化取决于电阻的变化。为此，设电阻为：

R＝R₁+R₂

其中，R₁为电感线圈L的电阻，它为常数；R₂为附加可变电阻。

在电路中，当可变电阻R₂的滑动头K在原点时，I＝0，此时电路不通。当滑动头K向左或向右移动到可变电阻R₂的另一端时，电路接通，R＝R₁+R₂。随着移动的距离增大，可变电阻R₂的电阻将逐渐减小；当位移增大到极限时，R＝R₁。显然，在上述范围内位移越大电阻越小。电阻与滑动的位移可由下式表示：

R＝a-bx₁

其中，a，b为待定常数，x₁为电磁铁1与衔铁2之间的滑动位移。

这个电路的特点是电磁铁1和衔铁2的位移增加，其电流也增加，则“正压力”增大，摩擦力也增大。当位移等于零时电路不通，节省电源。

具体实施方式二：(见图6)本实施方式与具体实施方式一的不同点在于，控制电路4是电子控制电路，它由直线位移电位器W、大功率三极管T、二极管D、电容C、直流电源E₂组成，直线位移电位器W的一固定端接直流电源E₂的正极，直线位移电位器W的另一固定端接大功率三极管T的基极，大功率三极管T的集电极接直流电源E₂的正极，大功率三极管T的发射极与电磁铁1上的线圈L的一端相连接，电磁铁1上的线圈L的另一端接直流电源E₂的负极，电容C与电磁铁1上的线圈L并联连接，二极管D的负极与大功率三极管T的集电极相连接，二极管D的正极与大功率三极管T的发射极相连接，直线位移电位器W连接在电磁铁1上。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。本电子控制电路利用电磁铁1与衔铁2之间摩擦力做耗能元件时，可以通过传感器测量电磁铁1与衔铁2之间的位移或速度等，将测量信号自动输入控制电路，控制电路根据测量信号的大小，输出电流供电磁铁1使用，从而达到控制摩擦力的作用。本电路利用大功率三极管的开关特性来调整电流的输出。其原理是由直线位移电位器W输出给大功率三级管基极偏置电流使三极管工作，偏置电流大小决定三极管输出电流大小。将该电路的直线位移电位器W连到电磁铁1上，使直线位移电位器W的变化与电磁铁1和衔铁2相对位移的变化一致。这样可达到控制电磁铁1电流的目的。电子控制电路的特点是，位移为零时，即有小的偏置电流，可产生初始控制力。当位移增大时，偏置电流按指数增长，电流变化较大，几乎与负载无关，对电源的要求不那么苛刻。供给电磁摩擦耗能装置的电源，采用普通干荷蓄电池6QA-54两节，每节额定电压12伏，额定容量54Ah(安培小时)，并可供应162A的大电流。

Claims

1、电磁摩擦控制装置，它由电磁铁(1)、衔铁(2)、支撑体(3)、控制电路(4)组成，其特征在于电磁铁(1)设置在衔铁(2)的上部，电磁铁(1)的下端与衔铁(2)的上端之间接触、滑动或摩擦，支撑体(3)的上端与衔铁(2)的下端固定连接，控制电路(4)与电磁铁(1)电连接。

2、根据权利要求1所述的电磁摩擦控制装置，其特征在于所述电磁铁(1)由E形电磁铁架(1-1)和线圈(L)组成，E形电磁铁架(1-1)由硅钢片冲压叠加制成，线圈(L)由缠绕在E形电磁铁架(1-1)中心的硅钢片(1-2)上的漆包线制成。

3、根据权利要求1所述的电磁摩擦控制装置，其特征在于所述衔铁(2)由条形硅钢片(2-1)叠合制成。

4、根据权利要求1所述的电磁摩擦控制装置，其特征在于所述支撑体(3)是人字形架或桁架。

5、根据权利要求1所述的电磁摩擦控制装置，其特征在于控制电路(4)由可变电阻(R₂)和直流电源(E₁)组成，可变电阻(R₂)的两个固定端与电磁铁(1)上的线圈(L)的一端相连接，可变电阻(R₂)的滑动端(K)与直流电源(E₁)的负极相连接，直流电源(E₁)的正极与电磁铁(1)上的线圈(L)的另一端相连接。

6、根据权利要求1所述的电磁摩擦控制装置，其特征在于控制电路(4)由直线位移电位器(W)、大功率三极管(T)、二极管(D)、电容(C)、直流电源(E₂)组成，直线位移电位器(W)的一固定端接直流电源(E₂)的正极，直线位移电位器(W)的另一固定端接大功率三极管(T)的基极，大功率三极管(T)的集电极接直流电源(E₂)的正极，大功率三极管(T)的发射极与电磁铁(1)上的线圈(L)的一端相连接，电磁铁(1)上的线圈(L)的另一端接直流电源(E₂)的负极，电容(C)与电磁铁(1)上的线圈(L)并联连接，二极管(D)的负极与大功率三极管(T)的集电极相连接，二极管(D)的正极与大功率三极管(T)的发射极相连接，直线位移电位器(W)连接在电磁铁(1)上。