JP6913648B2 - Mass damper - Google Patents

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本発明は、構造物などの振動を抑制するのに用いられるマスダンパに関する。 The present invention relates to a mass damper used to suppress vibration of a structure or the like.
従来のマスダンパとして、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。このマスダンパは、慣性質量要素に粘性要素を直列に接続したものであり、構造物を含む系内の相対変位する第1部位と第2部位の間に設けられる。慣性質量要素は、一端部が第1部位に連結されたねじ軸と、ねじ軸にボールを介して螺合する回転自在のナットと、一端部が第2部位に連結され、ナットを回転自在に支持する内筒と、内筒に回転自在に支持された回転マスなどで構成されている。一方、粘性要素は、ナットと回転マスとの間の流体室に充填された粘性体と、流体室を第1室と第2室に仕切るとともに、ナットと回転マスとの相対回転に伴って流体室内を軸線方向に移動するように構成された可動体と、可動体に設けられた調整弁及びリリーフ弁などで構成されている。 As a conventional mass damper, for example, one disclosed in Patent Document 1 is known. This mass damper is formed by connecting a viscous element in series with an inertial mass element, and is provided between a first portion and a second portion that are relatively displaced in a system including a structure. The inertial mass element consists of a screw shaft whose one end is connected to the first part, a rotatable nut which is screwed to the screw shaft via a ball, and one end which is connected to the second part so that the nut can rotate. It is composed of an inner cylinder that supports it and a rotating mass that is rotatably supported by the inner cylinder. On the other hand, the viscous element divides the viscous body filled in the fluid chamber between the nut and the rotating mass into the first chamber and the second chamber, and the fluid accompanies the relative rotation between the nut and the rotating mass. It is composed of a movable body configured to move in the axial direction in the room, a regulating valve and a relief valve provided on the movable body, and the like.
このマスダンパでは、地震時などに第1及び第2部位の間に相対変位が発生すると、ねじ軸の直線運動がナットの回転運動に変換され、回転マスが回転することによって、回転慣性効果が発揮され、構造物の振動が抑制される。また、ナットと回転マスとの相対回転が生じると、可動体が流体室内を移動することによって、粘性体が調整弁を介して第1室と第2室の間を流れる。これにより、調整弁に設定された減衰係数に基づき、粘性体の移動速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。 In this mass damper, when a relative displacement occurs between the first and second parts during an earthquake or the like, the linear motion of the screw shaft is converted into the rotary motion of the nut, and the rotary mass rotates to exert the rotational inertia effect. And the vibration of the structure is suppressed. Further, when the relative rotation between the nut and the rotating mass occurs, the movable body moves in the fluid chamber, and the viscous body flows between the first chamber and the second chamber via the adjusting valve. As a result, the viscous damping effect according to the moving speed of the viscous body is exhibited based on the damping coefficient set in the regulating valve.
さらに、可動体の移動に伴い、第1室及び第2室の一方の圧力が上昇し、それに伴い、回転マスの回転慣性力及び粘性体の粘性抵抗(減衰力)も増大する。そして、上昇した圧力が所定圧力に達したときに、リリーフ弁が開弁する。これにより、この圧力が低下することによって、回転マスの回転慣性力及び粘性体の粘性抵抗のそれ以上の増大が抑制され、マスダンパの軸力(マスダンパに作用する軸方向の荷重)が制限される。 Further, as the movable body moves, the pressure in one of the first chamber and the second chamber increases, and the rotational inertial force of the rotating mass and the viscous resistance (damping force) of the viscous body also increase accordingly. Then, when the increased pressure reaches a predetermined pressure, the relief valve opens. As a result, by reducing this pressure, further increase in the rotational inertial force of the rotating mass and the viscous resistance of the viscous body is suppressed, and the axial force of the mass damper (the axial load acting on the mass damper) is limited. ..
また、マスダンパの軸力を制限する従来の軸力制限機構として、例えば特許文献2に開示されたものが知られている。この軸力制限機構は、機械式のものであり、ボールねじのナットの外周面に当接する摩擦材と、回転マスにねじ込まれた締め付けボルトと、摩擦材と締め付けボルトの間に配置され、摩擦材をナット側に付勢する皿ばねなどを備えている。この構成では、マスダンパの軸力が、皿ばねのばね定数や締め付けボルトの締め付け度合などで定まる所定値に達すると、摩擦材とナットの間に滑りが発生することによって、回転マスの回転が抑制され、マスダンパの軸力が制限される。 Further, as a conventional axial force limiting mechanism for limiting the axial force of the mass damper, for example, one disclosed in Patent Document 2 is known. This axial force limiting mechanism is a mechanical type, and is arranged between the friction material that abuts on the outer peripheral surface of the nut of the ball screw, the tightening bolt screwed into the rotating mass, and the friction material and the tightening bolt, and friction. It is equipped with a disc spring that urges the material to the nut side. In this configuration, when the axial force of the mass damper reaches a predetermined value determined by the spring constant of the disc spring and the tightening degree of the tightening bolt, slippage occurs between the friction material and the nut, and the rotation of the rotating mass is suppressed. And the axial force of the mass damper is limited.
特開2015−124820号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-124820 特許第5189213号公報Japanese Patent No. 5189213
特許文献1のマスダンパにおいて粘性要素を構成する粘性体の粘性抵抗は、温度の上昇に伴って低下する温度依存性や、振動が繰り返し作用するのに伴って低下する繰り返し依存性を有する。このため、近年、特に懸念されている長周期地震動が発生したような場合には、大きな振動エネルギがマスダンパに繰り返し入力され、粘性体で吸収される結果、粘性体の温度が大きく上昇し、粘性抵抗が著しく低下するおそれがある。また、粘性体の粘性抵抗は、圧力に応じて変化する圧力依存性を有する。このため、粘性抵抗を調整するための調整弁などが必要になるとともに、その設定を詳細に行うことが必要になる。また、大きな粘性抵抗を確保するためには、粘性体のせん断面積を大きくすることが必要であり、粘性体の実装部分が大型化するという問題もある。 In the mass damper of Patent Document 1, the viscous resistance of the viscous body constituting the viscous element has a temperature dependence that decreases as the temperature rises and a repetition dependence that decreases as the vibration repeatedly acts. For this reason, in recent years, when a long-period ground motion of particular concern occurs, a large amount of vibration energy is repeatedly input to the mass damper and absorbed by the viscous body, resulting in a large increase in the temperature of the viscous body and viscosity. Resistance may drop significantly. Further, the viscous resistance of the viscous body has a pressure dependence that changes depending on the pressure. Therefore, an adjusting valve or the like for adjusting the viscous resistance is required, and it is necessary to make the setting in detail. Further, in order to secure a large viscous resistance, it is necessary to increase the shear area of the viscous body, and there is also a problem that the mounting portion of the viscous body becomes large.
また、特許文献2に記載される軸力制限機構は、摩擦材を用いているため、マスダンパに大きな振動エネルギが繰り返し入力された場合には、摩擦材の発熱によって摩擦抵抗が低下する結果、マスダンパの軸力制限を良好に行えないおそれがある。 Further, since the axial force limiting mechanism described in Patent Document 2 uses a friction material, when a large vibration energy is repeatedly input to the mass damper, the frictional resistance decreases due to the heat generation of the friction material, and as a result, the mass damper There is a risk that the axial force can not be limited properly.
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、慣性質量要素と減衰要素が直列に接続され、この減衰要素が、温度依存性や繰り返し依存性が小さく、かつ速度に依存する減衰特性を有するとともに、マスダンパの軸力を適切に制限することができるマスダンパを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems. The inertial mass element and the damping element are connected in series, and the damping element has low temperature dependence and repetition dependence, and has low speed. It is an object of the present invention to provide a mass damper having dependent damping characteristics and capable of appropriately limiting the axial force of the mass damper.
この目的を達成するために、請求項1に係る発明は、構造物を含む系内の相対変位する第1部位と第2部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、一端部が第1部位に連結されるねじ軸、及びねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、一端部が第2部位に連結され、ねじ軸と同軸状に延びるとともに、ナットを回転自在に支持する内筒と、ナット及び内筒の外周を覆うように配置され、ナット及び内筒に対して回転自在の筒状の回転マスと、を備え、ナット及び回転マスの一方は強磁性体で構成され、ナット及び回転マスの他方は導電材料で構成されており、ナット及び回転マスの前記一方に周方向に沿って配置され、磁界内を回転するナットに、ナットの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を発生させるように構成された複数の永久磁石を強磁性体側に備えることを特徴とする。 In order to achieve this object, the invention according to claim 1 is a mass damper provided between a first portion and a second portion that are relatively displaced in a system including a structure to attenuate vibration energy, and one end thereof. A screw shaft whose part is connected to the first part, a ball screw having a nut which is screwed to the screw shaft via a ball, and one end part which is connected to the second part and extends coaxially with the screw shaft and a nut. It is provided with an inner cylinder that rotatably supports the nut and a tubular rotating mass that is arranged so as to cover the outer periphery of the nut and the inner cylinder and is rotatable with respect to the nut and the inner cylinder, and one of the nut and the rotating mass is provided. It is composed of a ferromagnetic material, the other of the nut and the rotating mass is composed of a conductive material, and is arranged along the circumferential direction on the one of the nut and the rotating mass. It is characterized in that a plurality of permanent magnets configured to generate a Lorentz force due to an eddy current in the opposite direction are provided on the ferromagnetic side.
この構成によれば、地震時などに振動エネルギが構造物に入力され、第1及び第2部位の間に相対変位が発生すると、第1部位に連結されたねじ軸の相対的な直線運動が、ねじ軸に螺合するナットの回転運動に変換されることによって、ナットが永久磁石の磁界内を回転する。これにより、ナットに渦電流(誘導電流)が発生すると同時に、この渦電流と永久磁石の磁界との相互作用によってローレンツ力が発生する。 According to this configuration, when vibration energy is input to the structure during an earthquake or the like and a relative displacement occurs between the first and second parts, the relative linear motion of the screw shaft connected to the first part is generated. The nut rotates in the magnetic field of the permanent magnet by being converted into the rotational motion of the nut screwed into the screw shaft. As a result, an eddy current (induced current) is generated in the nut, and at the same time, a Lorentz force is generated by the interaction between this eddy current and the magnetic field of the permanent magnet.
この渦電流によるローレンツ力(以下、適宜「ローレンツ力」という)は、ナットには、その回転方向と反対方向の抵抗力(制動力)として作用し、それにより、減衰効果が発揮される。一方、上記のローレンツ力は、回転マスには、ナットの回転方向と同じ方向の駆動力として作用する。これにより、回転マスが駆動され、回転することによって、回転マスの等価質量が実質量に対して増幅され、非常に大きな反力(回転慣性力)として作用する回転慣性効果が発揮され、構造物の振動が抑制される。以上の関係から、このマスダンパは、永久磁石から成る減衰要素に回転マスから成る慣性質量要素が直列に接続された構成になる。 The Lorentz force due to this eddy current (hereinafter, appropriately referred to as "Lorentz force") acts on the nut as a resistance force (braking force) in the direction opposite to the rotation direction thereof, thereby exerting a damping effect. On the other hand, the Lorentz force acts on the rotating mass as a driving force in the same direction as the rotation direction of the nut. As a result, the rotating mass is driven and rotated, so that the equivalent mass of the rotating mass is amplified with respect to the actual amount, and the rotational inertia effect acting as a very large reaction force (rotational inertial force) is exhibited, and the structure is exhibited. Vibration is suppressed. From the above relationship, this mass damper has a configuration in which an inertial mass element composed of a rotating mass is connected in series to a damping element composed of a permanent magnet.
また、このローレンツ力は、構造物におけるマスダンパの使用環境では、粘性要素の粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、回転マスの回転慣性効果と永久磁石による減衰効果を安定して発揮させることができ、それにより、マスダンパの所要の振動抑制性能を確保することができる。 Further, this Lorentz force has little temperature dependence and repeatability dependence in the usage environment of the mass damper in the structure, unlike the viscous resistance of the viscous element. Therefore, even when a large vibration energy is repeatedly input to the structure as in the occurrence of long-period ground motion, the rotational inertia effect of the rotating mass and the permanent magnet are not affected by the repeated input of temperature and vibration energy. It is possible to stably exert the damping effect due to the above, thereby ensuring the required vibration suppression performance of the mass damper.
さらに、ローレンツ力は、粘性要素の粘性抵抗と同様、速度に依存する減衰特性(傾向)を示す。このため、ローレンツ力を粘性抵抗と同様に取り扱うことができ、例えば、粘性抵抗に代わるローレンツ力の設計を、速度をパラメータとして適切かつ容易に行うことができる。 Furthermore, the Lorentz force exhibits velocity-dependent damping characteristics (tendencies), similar to the viscous resistance of viscous elements. Therefore, the Lorentz force can be treated in the same manner as the viscous resistance, and for example, the design of the Lorentz force instead of the viscous resistance can be appropriately and easily performed with the velocity as a parameter.
また、上述したように、ローレンツ力は、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、安定的に得られるとともに、その値が大きいほど、回転マスの回転慣性力はより大きくなる。したがって、ローレンツ力を構造物の相対変位などに応じて適宜、制限することによって、回転マスの回転慣性力の増大を抑制し、マスダンパの軸力を適切に制限することができる。 Further, as described above, the Lorentz force can be stably obtained without being affected by the repeated input of temperature and vibration energy, and the larger the value, the larger the rotational inertial force of the rotating mass. Therefore, by appropriately limiting the Lorentz force according to the relative displacement of the structure or the like, it is possible to suppress an increase in the rotational inertial force of the rotating mass and appropriately limit the axial force of the mass damper.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のマスダンパにおいて、渦電流によるローレンツ力は、ナットと回転マスとの相対速度が所定速度以上のときに、一定の所定値に設定されていることを特徴とする。 According to the second aspect of the present invention, in the mass damper according to the first aspect, the Lorentz force due to the eddy current is set to a constant predetermined value when the relative speed between the nut and the rotating mass is equal to or higher than a predetermined speed. It is characterized by.
この構成によれば、ナットと回転マスとの相対速度が所定速度以上になったときに、渦電流によるローレンツ力が一定の所定値に制限されることによって、回転マスの回転慣性力の増大を抑制し、マスダンパの軸力を適切に制限することができる。 According to this configuration, when the relative speed between the nut and the rotating mass exceeds a predetermined speed, the Lorentz force due to the eddy current is limited to a certain predetermined value, so that the rotational inertia force of the rotating mass is increased. It can be suppressed and the axial force of the mass damper can be appropriately limited.
請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載のマスダンパにおいて、回転マスと内筒との間の間隙に充填された粘性体をさらに備えることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is characterized in that, in the mass damper according to claim 1 or 2, a viscous body filled in a gap between a rotating mass and an inner cylinder is further provided.
この構成によれば、回転マスが回転するのに伴い、回転マスと回転しない内筒との間に充填された粘性体の粘性抵抗(せん断抵抗)によって、回転マスの回転速度に応じた粘性減衰効果が発揮され、それにより、マスダンパの振動抑制性能をさらにに高めることができる。この場合、粘性体から成る粘性要素は、回転マスから成る慣性質量要素に並列に接続された関係になる。 According to this configuration, as the rotating mass rotates, the viscous resistance (shear resistance) of the viscous body filled between the rotating mass and the non-rotating inner cylinder causes viscous damping according to the rotation speed of the rotating mass. The effect is exhibited, and thereby the vibration suppression performance of the mass damper can be further enhanced. In this case, the viscous element made of the viscous body is connected in parallel to the inertial mass element made of the rotating mass.
本発明の実施形態によるマスダンパを含む免震装置を構造物に設置した例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the example which installed the seismic isolation device including the mass damper by embodiment of this invention in a structure. マスダンパの縦断面図である。It is a vertical sectional view of a mass damper. 図2のX−X線に沿う、一部を省略した断面図である。It is a cross-sectional view along the X-ray line of FIG. 2 with a part omitted. マスダンパの動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation of a mass damper. 永久磁石によるローレンツ力の設定例を示す図である。It is a figure which shows the setting example of the Lorentz force by a permanent magnet. 粘性抵抗及びローレンツ力の速度に応じた特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic according to the velocity of viscous resistance and Lorentz force. マスダンパをモデル化して示す図である。It is a figure which shows by modeling the mass damper.
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図1は、実施形態によるマスダンパ1を、積層ゴム支承2とともに、建物などの構造物3に免震装置として設置した例を示す。積層ゴム支承2は、複数個(2つのみ図示)設けられており、構造物3と基礎4の間に固定され、構造物3を支持している。マスダンパ1は、複数個(1つのみ図示)設けられており、その両端部において、構造物3から下方に突設された支持部材5aと、基礎4から上方に突設された支持部材5bとの間に、設置される。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example in which a mass damper 1 according to an embodiment is installed as a seismic isolation device in a structure 3 such as a building together with a laminated rubber bearing 2. A plurality of laminated rubber bearings 2 (only two are shown) are provided, and are fixed between the structure 3 and the foundation 4 to support the structure 3. A plurality of mass dampers 1 (only one is shown) are provided, and at both ends thereof, a support member 5a projecting downward from the structure 3 and a support member 5b projecting upward from the foundation 4 are provided. Will be installed between.
図2に示すように、マスダンパ1は、ボールねじ11、内筒12、回転マス13、粘性体14及び永久磁石15などで構成されている。 As shown in FIG. 2, the mass damper 1 is composed of a ball screw 11, an inner cylinder 12, a rotating mass 13, a viscous body 14, a permanent magnet 15, and the like.
ボールねじ11は、ねじ軸11aと、ねじ軸11aに多数のボール11bを介して螺合するナット11cを有する。ねじ軸11aは、外端部において、自在継手17aを介して、第1フランジ17に移動不能に連結され、内端部は、ナット11cから突出し、内筒12の内部に延びている。ナット11cは、導電材料(例えば鋼材)で構成され、内端部において、クロスローラベアリング21を介して内筒12に嵌合し、回転自在に支持されている。 The ball screw 11 has a screw shaft 11a and a nut 11c screwed onto the screw shaft 11a via a large number of balls 11b. The screw shaft 11a is immovably connected to the first flange 17 at the outer end portion via the universal joint 17a, and the inner end portion protrudes from the nut 11c and extends into the inner cylinder 12. The nut 11c is made of a conductive material (for example, a steel material), is fitted to the inner cylinder 12 via a cross roller bearing 21 at the inner end portion, and is rotatably supported.
内筒12は、鋼材で構成され、ナット11cと同軸状に配置されており、外端部において、自在継手18aを介して、第2フランジ18に移動不能に連結されている。 The inner cylinder 12 is made of a steel material, is arranged coaxially with the nut 11c, and is immovably connected to the second flange 18 via a universal joint 18a at the outer end portion.
回転マス13は、比重が比較的大きな強磁性体(例えば鋼材)で構成され、肉厚の円筒状に形成されている。回転マス13は、ボールねじ11及び内筒12の外側に同軸状に配置されており、両端部において軸受け22、22を介し、ナット11c及び内筒12に回転自在に支持されている。 The rotating mass 13 is made of a ferromagnetic material (for example, a steel material) having a relatively large specific gravity, and is formed in a thick cylindrical shape. The rotary mass 13 is coaxially arranged on the outside of the ball screw 11 and the inner cylinder 12, and is rotatably supported by the nut 11c and the inner cylinder 12 via bearings 22 and 22 at both ends.
粘性体14は、内筒12と回転マス13との間の間隙Gに、シール23、23を介して液密状態で充填されている。粘性体14は、所定の粘度を有する粘性材、例えばシリコンオイルで構成されている。 The viscous body 14 is filled in the gap G between the inner cylinder 12 and the rotating mass 13 in a liquid-tight state via the seals 23 and 23. The viscous body 14 is made of a viscous material having a predetermined viscosity, for example, silicone oil.
図3に示すように、永久磁石15は、ナット11cと回転マス13の間、例えば回転マス13の内周面に複数個(この例では18個)、周方向に等間隔に配置されており、ナット11cに対向している。また、複数の永久磁石15の極性は、隣り合う各2つの間で互いに異なるように配置されている(図4参照)。 As shown in FIG. 3, a plurality of permanent magnets 15 (18 in this example) are arranged between the nut 11c and the rotating mass 13, for example, on the inner peripheral surface of the rotating mass 13 at equal intervals in the circumferential direction. , Facing the nut 11c. Further, the polarities of the plurality of permanent magnets 15 are arranged so as to be different from each other between two adjacent permanent magnets (see FIG. 4).
以上の構成のマスダンパ1は、例えば図1の構造物3及び基礎4に設けられた支持部材5a、5bに、第1及び第2フランジ17、18を介して連結され、設置される。この状態で、地震などの発生により、構造物3と基礎4の間に相対変位が発生すると、それらに連結された内筒12に対するねじ軸11aの直線運動がナット11cの回転運動に変換され、ナット11cが永久磁石15の磁界内を回転する。 The mass damper 1 having the above configuration is connected to, for example, the support members 5a and 5b provided on the structure 3 and the foundation 4 of FIG. 1 via the first and second flanges 17 and 18 and installed. In this state, when a relative displacement occurs between the structure 3 and the foundation 4 due to the occurrence of an earthquake or the like, the linear motion of the screw shaft 11a with respect to the inner cylinder 12 connected to them is converted into the rotational motion of the nut 11c. The nut 11c rotates in the magnetic field of the permanent magnet 15.
これに伴い、図4に示すように、ナット11cに渦電流(誘導電流)が発生するとともに、この渦電流と永久磁石15の磁界との相互作用によって、ローレンツ力が発生する。この渦電流によるローレンツ力(以下、適宜「ローレンツ力」という)は、ナット11cには、その回転方向(矢印A方向)と反対方向の抵抗力(制動力)として作用し、それにより、減衰効果が発揮される。 Along with this, as shown in FIG. 4, an eddy current (induced current) is generated in the nut 11c, and a Lorentz force is generated by the interaction between the eddy current and the magnetic field of the permanent magnet 15. The Lorentz force due to this eddy current (hereinafter, appropriately referred to as "Lorentz force") acts on the nut 11c as a resistance force (braking force) in the direction opposite to the rotation direction (arrow A direction), thereby causing a damping effect. Is demonstrated.
一方、上記のローレンツ力は、回転マス13には、ナット11cの回転方向と同じ方向の駆動力として作用する。これにより、回転マス13が駆動され、回転することによって、回転マス13の等価質量が実質量に対して増幅され、非常に大きな反力(回転慣性力)として作用する回転慣性効果が発揮され、構造物3の振動が抑制される。 On the other hand, the Lorentz force acts on the rotating mass 13 as a driving force in the same direction as the rotation direction of the nut 11c. As a result, the rotating mass 13 is driven and rotated, so that the equivalent mass of the rotating mass 13 is amplified with respect to the actual amount, and a rotational inertia effect acting as a very large reaction force (rotational inertial force) is exhibited. The vibration of the structure 3 is suppressed.
また、回転マス13の回転に伴い、回転マス13と回転しない内筒12との間に充填された粘性体14の粘性抵抗(せん断抵抗)によって、振動エネルギが吸収され、熱変換されることで、回転マス13の回転速度に応じた粘性減衰効果が発揮される。 Further, as the rotating mass 13 rotates, the viscous resistance (shearing resistance) of the viscous body 14 filled between the rotating mass 13 and the non-rotating inner cylinder 12 absorbs the vibration energy and converts it into heat. , The viscous damping effect according to the rotation speed of the rotating mass 13 is exhibited.
前述したように、渦電流によるローレンツ力は、構造物におけるマスダンパの地震時を含む使用環境(例えば最高温度:100〜150℃、累積変位:50m程度)では、粘性抵抗と異なり、温度依存性や繰り返し依存性が小さい。したがって、長周期地震動の発生時のように大きな振動エネルギが構造物に繰り返し入力される場合においても、温度や振動エネルギの入力の繰り返しの影響を受けることなく、回転マス13の回転慣性効果と永久磁石15による減衰効果を安定して発揮させることができる。 As mentioned above, the Lorentz force due to the eddy current is different from the viscous resistance in the usage environment (for example, maximum temperature: 100 to 150 ° C., cumulative displacement: about 50 m) including the time of an earthquake of the mass damper in the structure. Small repeat dependency. Therefore, even when a large vibration energy is repeatedly input to the structure as in the case of the occurrence of long-period ground motion, the rotational inertia effect of the rotating mass 13 and the permanent effect are not affected by the repeated input of temperature and vibration energy. The damping effect of the magnet 15 can be stably exhibited.
また、図5は、速度Vに対する、粘性体14の粘性抵抗FV及び渦電流によるローレンツ力FLの一般的な関係を示す。同図から理解されるように、ローレンツ力FLは、一般に、粘性抵抗FVと同様、速度Vに依存する減衰特性(傾向)を示すため、粘性抵抗FVと同様に取り扱うことができる。例えば、粘性抵抗FVに代わるローレンツ力FLの設計を、速度Vをパラメータとして適切かつ容易に行うことができる。なお、ローレンツ力FLの大きさ及び特性は、永久磁石15の数、配置やナット11cとの隙間の大きさなどによって変更することも可能である。 Further, FIG. 5 shows the general relationship between the viscous resistance FV of the viscous body 14 and the Lorentz force FL due to the eddy current with respect to the velocity V. As can be understood from the figure, the Lorentz force FL generally exhibits a damping characteristic (tendency) depending on the velocity V as well as the viscous resistance FV, and therefore can be treated in the same manner as the viscous resistance FV. For example, the design of the Lorentz force FL instead of the viscous resistance FV can be appropriately and easily performed with the velocity V as a parameter. The size and characteristics of the Lorentz force FL can be changed depending on the number and arrangement of the permanent magnets 15 and the size of the gap with the nut 11c.
本実施形態では、ローレンツ力FLは、図6に示すように設定されている。具体的には、ローレンツ力FLは、ナット11cと回転マス13との相対速度VRが所定速度V1以上のときに、所定値F1の付近でほぼ一定になり(飽和し)、それ以上、増加しないように設定されている。また、永久磁石15に、互いに並列の回転マス13及び粘性体14が直列に接続されるという接続関係から、回転マス13の回転慣性力及び粘性体14の粘性抵抗は、ローレンツ力FLに依存し、ローレンツ力FLが大きいほど、より大きくなる。したがって、ローレンツ力FLを上記のように設定することにより、ローレンツ力FLが飽和するのに応じて、回転マス13の回転慣性力及び粘性体14の粘性抵抗の増大を抑制でき、それにより、マスダンパ1の軸力を制限することができる。すなわち、この場合には、永久磁石15を軸力制限機構として用いることができ、永久磁石15は軸力制限要素を構成する。 In this embodiment, the Lorentz force FL is set as shown in FIG. Specifically, the Lorentz force FL becomes almost constant (saturated) in the vicinity of the predetermined value F1 when the relative speed VR between the nut 11c and the rotating mass 13 is the predetermined speed V1 or more, and does not increase any more. Is set to. Further, due to the connection relationship in which the rotating mass 13 and the viscous body 14 parallel to each other are connected in series to the permanent magnet 15, the rotational inertial force of the rotating mass 13 and the viscous resistance of the viscous body 14 depend on the Lorentz force FL. , The larger the Lorentz force FL, the larger it becomes. Therefore, by setting the Lorentz force FL as described above, it is possible to suppress an increase in the rotational inertial force of the rotating mass 13 and the viscous resistance of the viscous body 14 in response to the saturation of the Lorentz force FL, thereby causing the mass damper. The axial force of 1 can be limited. That is, in this case, the permanent magnet 15 can be used as the axial force limiting mechanism, and the permanent magnet 15 constitutes the axial force limiting element.
以上の構成及び動作から、マスダンパ1は、図7のようにモデル化される。すなわち、ローレンツ力を発生させる永久磁石15から成る減衰要素(軸力制限要素)に、互いに並列関係にある(a)回転マス13から成る慣性質量要素、及び(b)粘性体14から成る粘性要素が、直列に接続されるとともに、上記の減衰要素に、マスダンパ1の内部剛性や構造物3の支持部材5a、5bなどから成るばね要素が直列に接続されたモデルになる。 From the above configuration and operation, the mass damper 1 is modeled as shown in FIG. That is, a damping element (axial force limiting element) composed of a permanent magnet 15 that generates a Lorentz force, an inertial mass element composed of (a) rotating mass 13 and (b) a viscous element composed of a viscous body 14 are in parallel with each other. However, in addition to being connected in series, a spring element composed of the internal rigidity of the mass damper 1 and the support members 5a and 5b of the structure 3 is connected in series to the damping element.
したがって、マスダンパ1が接続される構造物3及び基礎4や支持部材5a、5bの剛性が比較的高い場合でも、回転マス13の回転慣性力による反力は、これに直列に接続された永久磁石15による減衰効果によって低減された状態で、構造物3及び基礎4に作用する。これにより、マスダンパ1を免震装置として用いた場合でも、構造物3の振動を適切に抑制することができる。また、マスダンパ1の軸力が大きくなった場合には、永久磁石15による軸力制限効果によって、マスダンパ1の軸力を適切に制限することができる。 Therefore, even when the structure 3 to which the mass damper 1 is connected and the foundation 4 and the support members 5a and 5b have relatively high rigidity, the reaction force due to the rotational inertia force of the rotating mass 13 is a permanent magnet connected in series with the structure 3 and the foundation 4 and the support members 5a and 5b. It acts on the structure 3 and the foundation 4 in a state of being reduced by the damping effect of 15. As a result, even when the mass damper 1 is used as a seismic isolation device, the vibration of the structure 3 can be appropriately suppressed. Further, when the axial force of the mass damper 1 becomes large, the axial force of the mass damper 1 can be appropriately limited by the axial force limiting effect of the permanent magnet 15.
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、第1実施形態では、永久磁石15を回転マス13側に配置し、ナット11cを相手部材(永久磁石が設けられず、ローレンツ力が発生する部材)としているが、この関係を逆にし、永久磁石15をナット11c側に配置し、回転マス13を相手部材としてもよい。 The present invention is not limited to the described embodiments, and can be carried out in various embodiments. For example, in the first embodiment, the permanent magnet 15 is arranged on the rotating mass 13 side, and the nut 11c is a mating member (a member in which the permanent magnet is not provided and a Lorentz force is generated). The permanent magnet 15 may be arranged on the nut 11c side, and the rotating mass 13 may be used as a mating member.
また、実施形態では、回転マス13の相手部材であるナット11cを構成する導電材料として、強磁性体である鋼材を例示しているが、強磁性体以外の導電材料、例えばフェライト系ステンレス鋼などの弱磁性体や、アルミニウム合金、オーステナイト系ステンレス又は銅合金などの非磁性体を用いることが可能である。 Further, in the embodiment, a steel material which is a ferromagnet is exemplified as a conductive material constituting the nut 11c which is a mating member of the rotating mass 13, but a conductive material other than the ferromagnet, for example, ferrite-based stainless steel or the like, etc. It is possible to use a weak magnetic material of the above or a non-magnetic material such as an aluminum alloy, an austenite-based stainless steel or a copper alloy.
また、実施形態では、内筒12と回転マス13の間に粘性体14を配置しているが、この粘性体14は省略してもよい。あるいは、粘性体14を永久磁石に置き換えてもよく、それにより、粘性体14の粘性減衰効果に代えて、温度や振動の繰り返しに依存しない永久磁石による減衰効果を得ることができる。また、実施形態に示した永久磁石15の数はあくまで例示であり、適宜、増減される。 Further, in the embodiment, the viscous body 14 is arranged between the inner cylinder 12 and the rotating mass 13, but the viscous body 14 may be omitted. Alternatively, the viscous body 14 may be replaced with a permanent magnet, whereby the damping effect of the permanent magnet that does not depend on the repetition of temperature and vibration can be obtained instead of the viscous damping effect of the viscous body 14. The number of permanent magnets 15 shown in the embodiment is merely an example, and may be increased or decreased as appropriate.
また、実施形態は、マスダンパ1を構造物の免震装置として用いた例であるが、制震装置として用いてもよい。その他、細部の構成を、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することが可能である。 Moreover, although the embodiment is an example in which the mass damper 1 is used as a seismic isolation device for a structure, it may be used as a seismic control device. In addition, the detailed configuration can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention.
1 マスダンパ
3 構造物
5a 支持部材(第1部位)
5b 支持部材(第2部位)
11 ボールねじ
11a ねじ軸
11b ボール
11c ナット
12 内筒
13 回転マス
14 粘性体
15 永久磁石
1 Mass damper 3 Structure 5a Support member (1st part)
5b Support member (second part)
11 Ball screw 11a Screw shaft 11b Ball 11c Nut 12 Inner cylinder 13 Rotating mass 14 Viscous body 15 Permanent magnet

Claims (3)

  1. 構造物を含む系内の相対変位する第1部位と第2部位の間に設けられ、振動エネルギを減衰するマスダンパであって、
    一端部が前記第1部位に連結されるねじ軸、及び当該ねじ軸にボールを介して螺合するナットを有するボールねじと、
    一端部が前記第2部位に連結され、前記ねじ軸と同軸状に延びるとともに、前記ナットを回転自在に支持する内筒と、
    前記ナット及び前記内筒の外周を覆うように配置され、前記ナット及び前記内筒に対して回転自在の筒状の回転マスと、を備え、
    前記ナット及び前記回転マスの一方は強磁性体で構成され、前記ナット及び前記回転マスの他方は導電材料で構成されており、
    前記ナット及び前記回転マスの前記一方に周方向に沿って配置され、磁界内を回転する前記ナットに、当該ナットの回転と反対方向の、渦電流によるローレンツ力を発生させるように構成された複数の永久磁石を強磁性体側に備えることを特徴とするマスダンパ。
    It is a mass damper that is provided between the first and second parts of the system that includes the structure and is displaced relative to each other, and attenuates the vibration energy.
    A screw shaft whose one end is connected to the first portion, and a ball screw having a nut screwed to the screw shaft via a ball.
    An inner cylinder whose one end is connected to the second portion, extends coaxially with the screw shaft, and rotatably supports the nut.
    A tubular rotating mass that is arranged so as to cover the outer periphery of the nut and the inner cylinder and is rotatable with respect to the nut and the inner cylinder is provided.
    One of the nut and the rotating mass is made of a ferromagnetic material, and the other of the nut and the rotating mass is made of a conductive material.
    A plurality of nuts arranged along the circumferential direction on one of the nut and the rotating mass and configured to generate a Lorentz force due to an eddy current in the direction opposite to the rotation of the nut in the nut rotating in a magnetic field. A mass damper characterized by having a permanent magnet on the ferromagnetic side.
  2. 前記渦電流によるローレンツ力は、前記ナットと前記回転マスとの相対速度が所定速度以上のときに、一定の所定値に設定されていることを特徴とする、請求項1に記載のマスダンパ。 The mass damper according to claim 1, wherein the Lorentz force due to the eddy current is set to a constant predetermined value when the relative speed between the nut and the rotating mass is equal to or higher than a predetermined speed.
  3. 前記回転マスと前記内筒との間の間隙に充填された粘性体をさらに備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載のマスダンパ。 The mass damper according to claim 1 or 2, further comprising a viscous body filled in a gap between the rotating mass and the inner cylinder.
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