CN209054005U

CN209054005U - 一种非线性电涡流惯质阻尼器

Info

Publication number: CN209054005U
Application number: CN201821735518.XU
Authority: CN
Inventors: 田文文; 郜辉; 寇琛; 岳方方; 崔凯强; 尹光照; 汪志昊; 徐宙元
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2019-07-02
Anticipated expiration: 2028-10-25

Abstract

本实用新型属于结构振动控制技术领域，具体涉及一种非线性电涡流惯质阻尼器，所述非线性电涡流惯质阻尼器包括传动组件、旋转式电涡流阻尼元件、惯性飞轮和外筒；传动组件包括滚珠丝杠系统、直线导轨和连接杆；旋转式电涡流阻尼元件包括上下导磁圆板、磁体组和导体圆板；惯性飞轮套装在滚珠丝杠并与滚珠螺母固定为一体；滚珠丝杆顺次穿过上导磁圆板、滚珠螺母、下导磁圆板和惯性飞轮的中心孔。本实用新型可以将旋转式电涡流阻尼部分的阻尼系数和旋转构件的转动惯量分别转化为放大多倍的等效轴向阻尼系数和惯性质量，其惯性质量负刚度效应进一步提高了阻尼器的耗能减振效率，同时实现了电涡流阻尼力速度指数小于1的非线性特征。

Description

一种非线性电涡流惯质阻尼器

技术领域

本实用新型属于结构振动控制技术领域，特别涉及一种利用滚珠丝杠传动系统制作的非线性电涡流惯质阻尼器。

背景技术

结构振动控制领域常用阻尼装置多为传统的粘滞、粘弹性阻尼器，但该类阻尼器随着时间推移存在易漏液、耐久性低、后期阻尼参数调节困难等问题。电涡流阻尼器可以有效解决以上问题，具有无接触、低摩擦，维护方便、寿命长、工作原理简单、控制方便、可靠性高，以及对环境不会造成污染等优点。电涡流阻尼器利用电磁感应原理，当导体圆板切割磁力线时会在导体圆板中产生电涡流，电涡流与原磁场相互作用，产生阻碍导体圆板运动的洛伦兹力，同时导体圆板将获得的动能通过电涡流转换为热能耗散出去。目前电涡阻尼器已广泛应用于航天结构与汽车减振、刹车，旋转机构振动控制等领域，在土木工程领域的应用相对较少。

近年来随着对电涡流阻尼器阻尼性能的深入研究，电涡流阻尼器出现多种构造形式，比如板式、轴向相对运动方式、轴向旋转式等，无论从外观到内部构造的设计，大多主要集中在电涡流阻尼器耗能效率提升方面。板式电涡流阻尼器和轴向相对运动式电涡流阻尼器本身阻尼系数相对较低，很难满足大型土木工程结构所需的阻尼力。采用滚珠丝杠副传动系统能够将电涡流阻尼耗能效率明显提高，从而实现大吨位电涡流阻尼器的设计。目前，大多数电涡流阻尼器虽均能实现阻尼力速度指数等于1的线性特征，但其耗能效率远低于阻尼力速度指数小于1的非线性特征的电涡流阻尼器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种非线性电涡流惯质阻尼器，采用滚珠丝杠传动系统将旋转式电涡流阻尼部分的阻尼系数和旋转构件的惯性质量转化为放大多倍的等效轴向阻尼系数和等效轴向附加质量。通过导体圆板往复直线运动实现了电涡流阻尼力速度指数小于1的非线性特征，同时充分利用阻尼器旋转构件产生的表观质量负刚度效应，进一步提高了电涡流阻尼器的耗能减振效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：

本实用新型提供了一种非线性电涡流惯质阻尼器，包括传动组件、旋转式电涡流阻尼元件、惯性飞轮和外筒；所述传动组件包括滚珠丝杠传动系统、直线导轨和连接杆，所述滚珠丝杠传动系统设置于阻尼器的中间位置，所述旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮均套装于滚珠丝杠传动系统的外部，所述直线导轨竖直穿过外筒的顶部，上端通过连接杆与滚珠丝杠传动系统固定连接，下端与旋转式电涡流阻尼元件固定连接；所述滚珠丝杠传动系统、旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮通过上推力轴承和下推力轴承内置于外筒。

进一步地，所述滚珠丝杠传动系统包括滚珠丝杆和套装在滚珠丝杆上的滚珠螺母，所述滚珠丝杆的上端设有上连接端。

进一步地，所述旋转式电涡流阻尼元件包括上导磁圆板、下导磁圆板、导体圆板、上磁体和下磁体；所述上导磁圆板和下导磁圆板分别固定在滚珠螺母的上端和下端；所述上磁体和下磁体的数量均为2n个，其中n≥1，所述上磁体沿上导磁圆板的周向均匀固定在上导磁圆板的下表面，所述下磁体固定在下导磁圆板的上表面，且与上磁体相对称；所述导体圆板套装于滚珠螺母的外部。

进一步地，所述惯性飞轮套装在滚珠丝杆上并与滚珠螺母固定为一体，且安装于下导磁圆板的下表面；所述惯性飞轮、上导磁圆板、下导磁圆板与滚珠螺母做同步旋转往复运动。

进一步地，所述导体圆板由导电材料制成；所述上导磁圆板和下导磁圆板由导磁材料制成；所述惯性飞轮为圆钢板；所述上磁体和下磁体采用永磁体。

进一步地，所述外筒包括上外筒、下外筒和分别固定在上外筒上下两端的外筒上圆板和外筒下圆板；所述下外筒的下端设有下连接端。

进一步地，所述滚珠丝杆自上而下依次顺序穿过外筒上圆板、上推力轴承、上导磁圆板、导体圆板、下导磁圆板、惯性飞轮、下推力轴承和外筒下圆板各组件中心孔，且以上各组件均与滚珠丝杆之间留有一定的间隙。

进一步地，所述直线导轨包括直线轴承和贯穿外筒上圆板的直线圆轨，所述直线圆轨的上端与连接杆固定连接，下端与导体圆板固定连接，所述直线圆轨与外筒上圆板和上导磁圆板之间均留有间隙；所述直线轴承套装于直线圆轨上，且固定于外筒上圆板的上表面；所述连接杆与滚珠丝杆固定连接；所述直线圆轨、导体圆板与滚珠丝杆做同步直线往复运动。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型能够满足大型土木工程振动控制的要求，具有结构简单、安装维护方便、寿命长、无污染等优点。

2、本实用新型的非线性电涡流惯质阻尼器利用旋转构件的表观质量负刚度效应，形成很大的阻尼器轴向阻尼力，进一步提高轴向旋转式电涡流阻尼器的耗能减振效率。

3、本实用新型的非线性电涡流惯质阻尼器通过穿过导体圆板磁感应强度的时时变化，实现电涡流阻尼力速度指数小于1的非线性特征，其耗能效率远高于速度指数等于1的阻尼力出力线性的电涡流阻尼器。

4、本实用新型的非线性电涡流惯质阻尼器可以通过调整永磁体数量和间距、永磁体磁场强度、导磁圆板的直径等方式来调整电涡流阻尼器的阻尼系数，同时可通过调整惯性飞轮的转动惯量来调整电涡流阻尼器的轴向阻尼力，适合制造大中小型各类型阻尼器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例的一种非线性电涡流惯质阻尼器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的轴向力-轴向位移滞回关系曲线图

图3是本实用新型实施例中的总轴向力与电涡流阻尼力时程曲线图；

图4是本实用新型实施例中的电涡流阻尼力与轴向位移关系实测曲线图；

图5是本实用新型实施例中的电涡流阻尼力与轴向速度关系实测曲线图。

图中序号所代表的含义为：1.滚珠丝杆，2.滚珠螺母，3.上导磁圆板，4.下导磁圆板，5.上磁体，6.下磁体，7.导体圆板，8.惯性飞轮，9.连接杆，10.直线轴承，11.直线圆轨，12.上推力轴承，13.上外筒，14.下推力轴承，15.下外筒，16.上连接端，17.下连接端，18.外筒上圆板，19.外筒下圆板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，本实施例的一种非线性电涡流惯质阻尼器，包括传动组件、旋转式电涡流阻尼元件、惯性飞轮8和外筒；所述传动组件包括滚珠丝杠传动系统、直线导轨和连接杆9，所述滚珠丝杠传动系统设置于阻尼器的中间位置，所述旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮8均套装于滚珠丝杠传动系统的外部，所述直线导轨竖直穿过外筒的顶部，上端通过连接杆9与滚珠丝杠传动系统固定连接，下端与旋转式电涡流阻尼元件固定连接；所述滚珠丝杠传动系统、旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮8通过上推力轴承12和下推力轴承14内置于外筒。

所述滚珠丝杠传动系统包括滚珠丝杆1和套装在滚珠丝杆1上的滚珠螺母2，所述滚珠丝杆1的上端设有上连接端16。

所述旋转式电涡流阻尼元件包括上导磁圆板3、下导磁圆板4、导体圆板7、上磁体5和下磁体6；所述上导磁圆板3和下导磁圆板4分别固定在滚珠螺母2的上端和下端；所述上磁体5和下磁体6的数量均为2n个，其中n≥1，在本实施例中n取6，即上磁体5和下磁体6的数量均为24个，所述上磁体5沿上导磁圆板3的周向均匀固定在上导磁圆板3的下表面，所述下磁体6固定在下导磁圆板4的上表面，且与上磁体5相对称，相互吸引；所述导体圆板7套装于滚珠螺母2的外部。内、外圈磁体中心到滚珠丝杆1中心距离分别为43mm与68mm；导体圆板7与上磁体5、下磁体6的初始净矩h_g为15mm。

所述惯性飞轮8套装在滚珠丝杆1上并与滚珠螺母2固定为一体，且安装于下导磁圆板4的下表面；所述惯性飞轮8、上导磁圆板3、下导磁圆板4与滚珠螺母2做同步旋转往复运动。

所述导体圆板7由优良导电材料制成，例如电工紫铜；所述上导磁圆板3和下导磁圆板4由导磁性能良好的材料制成，例如电工软铁或低碳钢；所述惯性飞轮8为圆钢板；所述上磁体5和下磁体6采用N50型NdFeB永磁体，尺寸大小为20mm×20mm×10mm。

所述外筒包括上外筒13、下外筒15和分别固定在上外筒13上下两端的外筒上圆板18和外筒下圆板19；所述下外筒15的下端设有下连接端17。

所述滚珠丝杆1自上而下依次顺序穿过外筒上圆板18、上推力轴承12、上导磁圆板3、导体圆板7、下导磁圆板4、惯性飞轮8、下推力轴承14和外筒下圆板19各组件中心孔，且以上各组件均与滚珠丝杆1之间留有一定的间隙。

所述直线导轨包括直线轴承10和贯穿外筒上圆板18的直线圆轨11，所述直线圆轨11的上端与连接杆9固定连接，下端与导体圆板7固定连接，所述直线圆轨11与外筒上圆板18和上导磁圆板19之间均留有间隙；所述直线轴承10套装于直线圆轨11上，且固定于外筒上圆板18的上表面；所述连接杆9与滚珠丝杆1固定连接；所述直线圆轨11、导体圆板7与滚珠丝杆1做同步直线往复运动。

所述非线性电涡流惯质阻尼器的具体工作原理如下：

当非线性电涡流惯质阻尼器的上连接端16、下连接端17分别与结构内部存在相对位移的两节点相连，阻尼器两端连接点之间的相对轴向运动则转化为上下导磁圆板和惯性飞轮8的高速旋转运动，同时滚珠丝杆1和导体圆板7随结构振动做同步直线运动，上下导磁圆板和惯性飞轮8的高速旋转运动产生的转动惯性矩及导体圆板7切割永磁体组磁力线产生的电涡流阻尼力矩经滚珠丝杠传动系统进一步放大分别形成轴向惯性力和电涡流阻尼力。

基于上述的一种非线性电涡流惯质阻尼器的设计方法，包含以下设计步骤：

步骤S101，通过半理论半仿真分析初定滚珠丝杆、上下导磁圆板、导体圆板、永磁体组件和惯性飞轮的参数；

步骤S102，通过有限元仿真分析不断调整步骤1的参数直至满足设计目标要求。

进一步地，所述步骤S101具体包括：

步骤S1011，初定滚珠丝杆、上下导磁圆板、导体圆板、永磁体组件和惯性飞轮的参数；

步骤S1012，采用COMSOLMultiphysics软件仿真得到单组永磁体中心位置的主磁感应强度，由式F＝-v_rσδsB_z ²sign(v_r)计算得到单组永磁体与导体圆板相对运动产生电涡流效应形成的洛伦兹力F，其中σ表示导体圆板的电导率，δ表示导体圆板厚度，s表示单块永磁体磁场的平面投影面积，B_z表示导体圆板位置处的主磁感应强度，v_r表示永磁体中心线速度，sign()表示符号函数；

步骤S1013，通过式计算得到电涡流总阻尼力矩T_e，将T_e代入式计算得到洛伦兹力力偶对数n，即永磁体沿上下导磁圆板表面垂直于滚珠丝杆中轴线方向均匀对称布置2n组，其中，L_d与η分别表示滚珠丝杆的导程与滚珠丝杠传动系统的逆传动效率，d_i表示永磁体到滚珠丝杆的中心距，T_e表示相应对称两组永磁体对应的电涡流总阻尼力矩，F_e表示非线性电涡流惯质阻尼器的电涡流阻尼力，F表示单组永磁体与导体圆板相对运动产生电涡流效应形成的洛伦兹力；

步骤S1014，通过式和式计算得到旋转部件的总转动惯量J_w，选取惯性飞轮的尺寸，其中，F_a与m_a分别表示非线性电涡流惯质阻尼器的惯性力与惯性质量，L_d与η分别表示滚珠丝杆的导程与滚珠丝杠传动系统的逆传动效率，J_w表示非线性电涡流惯质阻尼器旋转部件的总转动惯量，表示非线性电涡流惯质阻尼器的轴向加速度；

所述步骤S102具体包括：

步骤S1021，采用COMSOLMultiphysics软件准静态分析模块AC/DC的瞬态分析方法对单组永磁体电涡流阻尼进行三维电磁场有限元仿真，获得单组永磁体对应的洛伦兹力F；

步骤S1022，通过式计算得到非线性电涡流惯质阻尼器的电涡流总阻尼力矩T_e，然后采用式换算得到电涡流阻尼力F_e，其中L_d与η分别表示滚珠丝杆的导程与滚珠丝杠传动系统的逆传动效率，d_i表示永磁体到滚珠丝杆的中心距，T_e表示相应对称两组永磁体对应的电涡流总阻尼力矩，F_e表示非线性电涡流惯质阻尼器的电涡流阻尼力，F表示单组永磁体与导体圆板相对运动产生电涡流效应形成的洛伦兹力，n表示洛伦兹力力偶对数；

步骤S1023，与非线性电涡流惯质阻尼器的电涡流阻尼力目标设计值进行对比，校核初步设计结果，不断调整初步设计方案直至满足设计目标要求。

依据本实用新型方案进行非线性电涡流惯质阻尼器设计，设计得到的非线性电涡流惯质阻尼器具体参数见表1。

表1非线性涡流惯质阻尼器设计参数

非线性电涡流惯质阻尼器性能试验：通过偏心轮激振机构对非线性电涡流惯质阻尼器样机进行简谐位移激振，振幅保持10mm不变(激振频率分别设定为0.5Hz、1.0Hz与2.0Hz)；采用动态信号采集系统记录非线性电涡流惯质阻尼器的轴向力和轴向位移信号。

非线性电涡流惯质阻尼器试验结果：图2给出了非线性电涡流惯质阻尼器的轴向力-轴向位移滞回关系曲线测试结果，阻尼器表现出预期的负刚度效应。图3给出了非线性电涡流惯质阻尼器样机的总轴向力与电涡流阻尼力时程曲线。图4和图5分别给出了非线性电涡流惯质阻尼器的电涡流阻尼力与轴向位移、电涡流阻尼力与轴向速度关系实测曲线，可见各工况电涡流阻尼力均表现出非线性特征。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，包括传动组件、旋转式电涡流阻尼元件、惯性飞轮和外筒；所述传动组件包括滚珠丝杠传动系统、直线导轨和连接杆，所述滚珠丝杠传动系统设置于阻尼器的中间位置，所述旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮均套装于滚珠丝杠传动系统的外部，所述直线导轨竖直穿过外筒的顶部，上端通过连接杆与滚珠丝杠传动系统固定连接，下端与旋转式电涡流阻尼元件固定连接；所述滚珠丝杠传动系统、旋转式电涡流阻尼元件和惯性飞轮通过上推力轴承和下推力轴承内置于外筒。

2.根据权利要求1所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述滚珠丝杠传动系统包括滚珠丝杆和套装在滚珠丝杆上的滚珠螺母，所述滚珠丝杆的上端设有上连接端。

3.根据权利要求2所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述旋转式电涡流阻尼元件包括上导磁圆板、下导磁圆板、导体圆板、上磁体和下磁体；所述上导磁圆板和下导磁圆板分别固定在滚珠螺母的上端和下端；所述上磁体和下磁体的数量均为2n个，其中n≥1，所述上磁体沿上导磁圆板的周向均匀固定在上导磁圆板的下表面，所述下磁体固定在下导磁圆板的上表面，且与上磁体相对称；所述导体圆板套装于滚珠螺母的外部。

4.根据权利要求3所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述惯性飞轮套装在滚珠丝杆上并与滚珠螺母固定为一体，且安装于下导磁圆板的下表面；所述惯性飞轮、上导磁圆板、下导磁圆板与滚珠螺母做同步旋转往复运动。

5.根据权利要求4所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述导体圆板由导电材料制成；所述上导磁圆板和下导磁圆板由导磁材料制成；所述惯性飞轮为圆钢板；所述上磁体和下磁体采用永磁体。

6.根据权利要求4所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述外筒包括上外筒、下外筒和分别固定在上外筒上下两端的外筒上圆板和外筒下圆板；所述下外筒的下端设有下连接端。

7.根据权利要求6所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述滚珠丝杆自上而下依次顺序穿过外筒上圆板、上推力轴承、上导磁圆板、导体圆板、下导磁圆板、惯性飞轮、下推力轴承和外筒下圆板各组件中心孔，且以上各组件均与滚珠丝杆之间留有一定的间隙。

8.根据权利要求6所述的非线性电涡流惯质阻尼器，其特征在于，所述直线导轨包括直线轴承和贯穿外筒上圆板的直线圆轨，所述直线圆轨的上端与连接杆固定连接，下端与导体圆板固定连接，所述直线圆轨与外筒上圆板和上导磁圆板之间均留有间隙；所述直线轴承套装于直线圆轨上，且固定于外筒上圆板的上表面；所述连接杆与滚珠丝杆固定连接；所述直线圆轨、导体圆板与滚珠丝杆做同步直线往复运动。