JP2017511867A - アウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー - Google Patents

アウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー Download PDF

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Abstract

スクリュードライブを利用して作成された大型の軸方向渦電流ダンパーは、スクリュードライブペアとそれぞれ磁性材料からなる固定子及び回転子とを含む伝動部材と、渦電流ダンピング発生器と、を含み、スクリュードライブペアは、スクリューロッドと、スクリューロッドに外嵌されるナットとを含み、スクリューロッドは、順次、固定子の上フランジの中心穴と固定子の下フランジの中心穴を挿通し、ナットは、固定子の内部に位置し、回転子は、外回転子と、底端に下接続フランジが設けられた内回転子とを含み、固定子と外回転子との間に一つ又は複数の渦電流ダンピング発生器が設けられることによって、回転型渦電流ダンピングのダンピング係数と質量慣性モーメントを数百数千倍に拡大でき、非常に大きな軸方向ダンピング係数と軸方向同等付加質量とに変換でき、渦電流ダンピングによって大きなダンピング係数の軸方向ダンパーを製造できない問題と速度指数が１より小さい耐震ダンパーをシミュレーションできない問題とを共に解決できる。

Description

本願は、スクリュードライブによって作成された大型の軸方向渦電流ダンパーに関する。
渦電流ダンピングの形成の基本原理としては、一部の磁場に位置する導体プレートが磁力線を切るときに、導体プレートに渦電流が形成され、渦電流で原磁場の方向との反対方向の新磁場を形成することで、原磁場と導体との間に両者の相対運動を阻止するダンピング力が形成されるとともに、導体プレートの抵抗効果で、導体プレートの運動エネルギーが渦電流を介して熱エネルギーに変換して放出する。導体プレートを振動機構に接続させると、構造制振とエネルギー消費の機能を発揮でき、渦電流ダンパーになる。構造振動制御領域によく使用されたダンパー装置に比べて、渦電流ダンパーは、機械摩擦によるエネルギー消費がなく、動作流体を使用しないので、液漏れと密封の問題が存在しない。このため、渦電流ダンパーは、信頼性が高く、耐久性がよく、構造が相対的に簡単であるメリットを有するので、特に長い疲労寿命が要求され、メンテナンスしにくい作業環境に適用する。
ダンパーの効率指数は、定格速度で稼働するダンパーからのダンピング力と自身の質量の比である。渦電流ダンピング自身のエネルギー消費密度が低いので、軸方向相対運動の方式を直接に採用する渦電流ダンパーの効率指数が低くなる。これは、渦電流ダンピングの大型の工事構造における応用を長期に阻止する主な原因である。公開番号がＣＮ１０３８２１８６１Ａである中国発明特許出願において、スクリュードライブ方式を採用して、大幅に渦電流ダンパーの効率指数を向上したが、回転ディスク方式の構造は、速度指数が１より小さい耐震要求を満足できない。
中国特許出願公開第１０３８２１８６１号明細書
本発明は、従来技術の不足に鑑みて、回転型渦電流ダンピング部分のダンピング係数と質量慣性モーメントを数百数千倍に拡大でき、非常に大きな軸方向のダンピング係数と軸方向の同等付加質量に変換でき、渦電流ダンピングによって大きなダンピング係数の軸方向ダンパーを製造できない問題と速度指数が１より小さい耐震ダンパーをシミュレーションできない問題とを共に解決でき、そして回転型渦電流ダンピング発生器の質量慣性モーメントから形成される負スチフネス効果を充分に利用して、さらに軸方向渦電流ダンパーの耐震制御効果を向上でき、特に、動作周波数が低い且つ大きなダンピング係数が要求される大型の土木工事構造の振動制御に適用し、構造が簡単であり且つ耐久性を有するアウタカップ回転型軸方向渦電流を提供することを目的とする。
本発明の技術形態は、スクリュードライブペアとそれぞれ磁性材料からなる固定子及び回転子とを含む伝動部材と、渦電流ダンピング発生器と、を含むアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパーであって、前記スクリュードライブペアは、スクリューロッドと、スクリューロッドに外嵌されるナットとを含み、前記固定子は、上下両方が開口される円管であり、前記固定子の上部の開口に上フランジが取り付けられ、固定子の下部の開口に下フランジが取り付けられ、前記スクリューロッドは、順次、上フランジの中心穴と下フランジの中心穴を挿通し、ナットは、固定子の内部に位置し、前記ナットの上端面が上軸受を介して上フランジの底面と接続され、ナットの下端面が下軸受を介して下フランジの頂面と接続され、前記回転子は、外回転子と、底端に下接続フランジが設けられた内回転子とを含み、前記下接続フランジは、ナットの上端面と上軸受の下端面との間に固定され、内回転子は、上フランジの中心穴を貫通し、内回転子の頂端は、固定子の外周に位置する外回転子と接続され、前記スクリューロッドと内回転子との間に間隙が設けられ、前記固定子と外回転子との間に一つ又は複数の渦電流ダンピング発生器が設けられ、前記スクリューロッドの上端は、外回転子の頂端から延出し、スクリューロッドの頂端に、上接続端が設けられ、前記下フランジの下方に下接続管が設けられ、前記下接続管の頂端は、下接続管の内側にスクリューロッドの下端を囲むように、下フランジと接続され、前記下接続管の底端に下接続端が設けられる。
前記外回転子の下端と固定子との間に回転軸受が取り付けられる。
前記渦電流ダンピング発生器は、複数の磁石と、複数の導体円管と、複数のダンピング力調整器とを含み、前記磁石は、固定子の周方向に沿って固定子の外面に均等に取り付けられ、隣接する磁石の極性が反対であり、導体円管は、外回転子の内壁に内嵌され、導体円管は、外回転子の周方向に沿って均等に設けられた複数のダンピング力調整器を介して外回転子と接続され、前記磁石と導体円管との間に間隙が設けられる。
前記磁石と固定子の円筒との間に磁性パッドが増設され、磁石と導体円管との間に回転間隙が設けられる。間隙が過大である時、磁石と固定子との間に磁性パッドを増設することができる。
前記導体円管の外面は外回転子の内面とスライド可能に係合される。
前記磁石は、通常永久磁石を使用し、大きな磁場強度或いはセミアクティブ制御が必要である場合、電磁石を使用する。
ダンピング力調整器は、小螺子で外回転子を貫通して、径方向に沿って導体円管に適当な圧力を加えることで実現でき、また他の方式で実現できる。ダンピング力調整器の作用は、導体円管の外回転子に従って回転する状態を制御することである。外回転子の回転速度が本渦電流ダンピング発生器の設計最大動作速度より小さい場合、導体円管と外回転子とを同期に回転させる。外回転子の速度が渦電流ダンピング発生器の最大動作速度より大きい場合、導体円管と外回転子とを相対的にスライドさせ、導体円管を設計最大動作速度で回転させることにより、最大ダンピング力が変わらないことを維持する。
ｎ個の渦電流発生器の配設方式によって、ｎ＋１の折り線のダンピング力速度曲線を形成できる。このため、任意の速度指数が１より小さい軸方向ダンパーの動作特性をシミュレーションでき、そしてダンパーの外部から直接に調整できる。
本発明の動作原理について、以下のように説明する。ダンパーの上、下の接続端を制御対象とする構造の相対的に振動する両側と接続させると、構造振動によって、スクリューロッドを軸方向に沿って往復に運動させ、この運動は、前記伝動部材を介して、固定子と回転子との相対回転運動に変換される。固定子の外壁に固定された磁石の磁力線の大分が、垂直に外回転子を通るので、外回転子に従って回転する導体円管が磁力線を切ることによって、渦電流効果が起こられる。渦電流効果で形成されるダンピング力から、回転軸に対する大きな抵抗トルクを生じ、このトルクがスクリュードペアを介して大きく且つスクリューロッドの軸方向の運動方向と反対のダンピング力に変換するので、ダンパーが大きなダンピング係数を有する。
第ｍ個の渦電流ダンピング発生器の個別の磁石の渦電流ダンピング係数をＣｅに設定する場合、スクリュードペア内の摩擦力を省略すると、第ｍ個の渦電流ダンピング発生器で形成された等效軸方向ダンピング係数Ｃｍは以下になることを証明できる。
Figure 2017511867
式において、ｒが導体円管の内径であり、ｈがスクリューロッドのストロークである。ｒが遥かにｈより大きいので、前記ダンパーの等效ダンピング係数Ｃｍは、個別の磁石のダンピング係数の数百数千倍に達することができる。そして、ダンパーの総同等ダンピング係数は、ｍ個の渦電流発生器からのダンピング係数の合計である。
本発明の各渦電流ダンピング発生器の最大動作速度は、それぞれ対応のダンピング力調整装置によって設定できる。設計最大動作速度が選定された後、前記の各渦電流ダンピング発生器は、いずれも二つの異なる動作状態を有する。外回転子の回転速度が設計最大動作速度より小さい場合、導体円管が回転子と同期に回転し、ダンピング力が回転数の増加に従って線形に増加し、ダンピング力の外回転子の回転速度に対する曲線は斜線である。外回転子の回転速度が渦電流ダンピング発生器の設計最大動作速度より大きくなると、導体円管の回転速度が設定最大回転速度に保持され、このとき、ダンピング力の外回転子の回転速度に対する曲線は水平線になる。
各渦電流ダンピング発生器に対して異なる最大動作速度を設定すると、ｎ個の渦電流ダンピング発生器からのダンピング力を合成した後の総ダンピング力のダンパーの軸方向速度に対する曲線は、ｎ＋１段の折り線である。これは、任意の速度指数が１より小さいダンパーの動作特性をシミュレーションでき、その精度が十分に工事の要求に満足できる。
渦電流ダンピング力以外、回転子の回転質量慣性モーメントがスクリュードペアを介して大きなダンパー付加軸方向質量に変換される。回転子の各部品の捩れ質量モーメントの合計をＩｇに設定する場合、伝動損失を考慮しないと、前記ダンパーの軸方向運動同等付加質量ｍeは以下になることを証明できる。
Figure 2017511867
これで分かるように、スクリューロッドのストロークｈが非常に小さい場合、回転子の捩れ質量モーメントが数百数千倍に拡大され、大きな軸方向運動等価質量が形成され、付加の軸方向質量によって、ダンパーの軸方向運動を阻止する軸方向慣性力が形成され、前記ダンパーが大きな負スチフネス効果を有し、さらに渦電流ダンパーの耐震制御効果を向上させる。
本発明は、特に動作周波数が低い且つ大きなダンピング係数が要求される大型の土木工事構造の振動制御に適用し、渦電流ダンパーの構造が簡単であり且つ耐久性を有し、そしてメンテナンスがほとんど不要などのメリットを有する以外、従来の流体粘性ダンパーの技術に比べて以下のメリットを有する。
１)前記ダンパーは、スクリュードペアを介して制御対象とする構造の軸方向の運動をダンパーの内部構造の回転運動に変換させることによって、軸方向の渦電流ダンパーの効率指数(定格速度におけるダンピング力と自身の質量との比)を流体粘性ダンパーと同等或いはより高いレベルに向上できる。
２)前記ダンパーは、回転型の渦電流ダンピング発生器における回転運動部材の質量慣性モーメントを充分に利用して、顕著な負スチフネス効果を形成できるので、さらに軸方向渦電流ダンパーの制振制御効果を向上できる。
３)前記ダンパーは、ダンピング力調整装置によって容易に各渦電流ダンピング発生器の最大動作回転数を調整でき、複数の渦電流ダンピング発生器で速度指数が１より小さい非線形ダンパーをシミュレーションできるので、流体粘性ダンパーと同様なダンピング力速度動作特性を有し、そして渦電流ダンパーの許容の最大動作速度が、流体粘性ダンパーより遥かに高い。
４)前記ダンパーは、スクリューロッドの長さを増加させることで、ダンパーの動作ストロークを増加できるので、ストロークの増加によるコストの増加が小さい。これに対して、流体粘性ダンパーは、同時にピストンロッドの長さとシリンダの長さを増加させると、ダンパーの動作ストロークを増加できるので、ストロークが長い流体粘性ダンパーの価格がとても高い。
５)前記ダンパーは、固定子と回転子の直径の増加、磁石の磁場強度の増大、磁石の数量の増加などの三つの方式によってダンパーのダンピング係数を増加できるので、大型、中型、小型の各型のダンパーの製造に適する。
６)前記ダンパーの使用するスクリュードペア伝動は、標準な機械伝動方式であるので、本ダンパーが、容易に標準化され、量産される。
７)電磁石を使用すると、セミアクティブ制御を実現でき、磁気粘性ダンパーに比べて、構造が簡単であり、コストが低い。
本発明の実施例の構造の模式図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である。
図１に示すように、アウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパーは、伝動部材と渦電流ダンピング発生器とを含む。前記伝動部材は、スクリュードライブペアと、磁性材料からなる固定子及び回転子とを含む。スクリュードライブペアは、スクリューロッド１と、スクリューロッド１に外嵌されるナット２とを含む。前記固定子３は、上下両方が開口される円管であり、固定子３の上部の開口に上フランジ４が取り付けられ、固定子３の下部の開口に下フランジ５が取り付けられる。スクリューロッド１は、順次、上フランジ４の中心穴と下フランジ５の中心穴を挿通する。ナット２は、固定子３の内部に位置し、ナット２の上端面が上ベアリング８を介して上フランジ４の底面と接続され、ナット２の下端面が下ベアリング９を介して下フランジ５の頂面と接続される。回転子は、外回転子１２と、底端に下接続フランジが設けられる内回転子１１とを含む。下接続フランジは、ナット２の上端面と上軸受８の下端面との間に固定され、内回転子１１は、上フランジ４の中心穴を貫通し、その頂端が固定子３の外周に位置する外回転子１２と接続される。スクリューロッド１と内回転子１１との間に間隙が設けられ、スクリューロッド１の上端は、外回転子１２の頂端から延出し、スクリューロッド１の頂端に、上接続端１３が設けられる。下フランジ５の下方に下接続管６が設けられ、下接続管６の頂端は、下接続管６の内側にスクリューロッド１の下端を囲むように、下フランジ５と接続され、前記下接続管６の底端に下接続端７が設けられる。外回転子１２の下端と固定子３との間に回転軸受１０が取り付けられる。
内回転子１１は、ナット２の回転運動を固定子の外に伝達し、外回転子１２を駆動して一緒に回転させる。ダンパーの上下の接続端が相対的に運動すると、外回転子が回転する。
上から下まで、３つの渦電流ダンピング発生器が設けられる。渦電流ダンピング発生器は、１８個の永久磁石１４と、導体円管１５と、６個のダンピング力調整器１６とを含む。永久磁石１４は、固定子３の周方向に沿って固定子３の外面に均等に取り付けられ、図２に示すように、隣接する磁石１４の極性が反対である。導体円管１５は外回転子１２の内壁に内嵌され、導体円管１５は、外回転子の周方向に沿って均等に設けられた６個のダンピング力調整器１６を介して外回転子と接続される。永久磁石１４と導体円管１５との間に３ｍｍの間隙が設けられる。導体円管１５の外面は、外回転子１２の内面とスライド可能に係合される。
ダンピング力調整器は、外回転子１２の周方向に沿って均等に分布するように取り付けられ、その作用は、導体円管１５の外回転子１２に従って回転する状態を制御することにある。外回転子の回転速度が渦電流ダンピング発生器の設計最大動作速度より小さい場合、導体円管１５と外回転子１２とを同期に回転させる。外回転子の速度が渦電流ダンピング発生器の最大動作速度より大きい場合、導体円管１５と外回転子１２とを相対的にスライドさせ、導体円管を設計最大動作速度で回転させることにより、最大ダンピング力が変わらないことを維持する。
各渦電流ダンピング発生器の最大ダンピング力の設定値は、異なってもよく、４つの折り線からなるダンピング力速度曲線を形成でき、任意の速度指数が１より小さい軸方向ダンパーの動作特性をシミュレーションでき、そしてダンパーの外部から直接に調整できる。
前記ダンピング力調整器１６は、小螺子で外回転子を貫通させ、径方向に沿って導体円管に適当な正圧力を加える方法を利用してダンピング力の調整を実現する。
導電材料は、電気工学赤銅を使用し、磁性材料は、電気工学軟鉄を使用する。

Claims (7)

  1. スクリュードライブペアとそれぞれ磁性材料からなる固定子及び回転子とを含む伝動部材と、渦電流ダンピング発生器と、を含むアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパーであって、
    前記スクリュードライブペアは、スクリューロッド(１)と、スクリューロッド(１)に外嵌されるナット(２)とを含み、
    前記固定子(３)は、上下両方が開口される円管であり、固定子(３)の上部の開口に上フランジ(４)が取り付けられ、固定子(３)の下部の開口に下フランジ(５)が取り付けられ、 前記スクリューロッド(１)は、順次、上フランジ(４)の中心穴と下フランジ(５)の中心穴を挿通し、ナット(２)は、固定子(３)の内部に位置し、前記ナット(２)の上端面が上軸受(８)を介して上フランジ(４)の底面と接続され、ナット(２)の下端面が下軸受(９)を介して下フランジ(５)の頂面と接続され、
    前記回転子は、外回転子(１２)と、底端に下接続フランジが設けられる内回転子(１１)とを含み、前記下接続フランジは、ナット(２)の上端面と上軸受(８)の下端面との間に固定され、内回転子(１１)は、上フランジ(４)の中心穴を貫通し、内回転子(１１)の頂端が固定子(３)の外周に位置する外回転子(１２)と接続され、前記スクリューロッド(１)と内回転子(１１)との間に間隙が設けられ、
    前記固定子(３)と外回転子(１２)との間に一つ又は複数の渦電流ダンピング発生器が設けられ、
    前記スクリューロッド(１)の上端は、外回転子(１２)の頂端から延出し、スクリューロッド(１)の頂端に、上接続端（１３）が設けられ、
    前記下フランジ(５)の下方に下接続管(６)が設けられ、前記下接続管(６)の頂端は、下接続管(６)の内側にスクリューロッド(１)の下端を囲むように、下フランジ(５)と接続され、前記下接続管(６)の底端に下接続端（７）が設けられることを特徴とするアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  2. 前記外回転子(１２)の下端と固定子(３)との間に回転軸受(１０)が取り付けられることを特徴とする請求項１に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  3. 前記渦電流ダンピング発生器は、複数の磁石(１４)と、複数の導体円管(１５)と、複数のダンピング力調整器(１６)とを含み、
    前記磁石(１４)は、固定子(３)の周方向に沿って固定子(３)の外面に均等に取り付けられ、隣接する磁石(１４)の極性が反対であり、
    導体円管(１５)は、外回転子(１２)の内壁に内嵌し、導体円管(１５)は、外回転子の周方向に沿って均等に設けられた複数のダンピング力調整器(１６)を介して外回転子と接続され、
    前記磁石(１４)と導体円管(１５)との間に間隙が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  4. 前記磁石(１４)と固定子(３)との間に磁性パッドが増設されることを特徴とする請求項３に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  5. 前記導体円管(１５)の外面は外回転子(１２)の内面とスライド可能に係合されることを特徴とする請求項３に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  6. 前記ダンピング力調整器(１６)はボルトであることを特徴とする請求項３に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
  7. 前記磁石(１４)は永久磁石或いは電磁石であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアウタカップ回転型軸方向渦電流ダンパー。
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