WO2015139404A1 - 一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器 - Google Patents

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陈政清
黄智文
王建辉
华旭刚
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陈政清
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    • F16F15/02Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/03Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means
    • F16F15/035Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using magnetic or electromagnetic means by use of eddy or induced-current damping

Abstract

一种利用螺旋传动方式制作的大型轴向电涡流阻尼器,包括螺旋副传动组件、旋转式电涡流阻尼产生器;旋转式电涡流阻尼产生器包括大小一致且按上下平行设置的由导磁材料制成的上圆盘(3)和下圆盘(9),上圆盘(3)与下圆盘(9)之间设有与上圆盘(3)平行的由导电材料或导磁材料制成的旋转圆盘(4),旋转圆盘(4)安装在螺旋副传动组件上并随螺旋副传动组件做旋转运动;上圆盘(3)与下圆盘(9)之间还设有多对磁体,每对磁体中上磁体(1)与下磁体(15)相对的磁极极性相反。利用螺旋传动方式制作的大型轴向电涡流阻尼器通过螺旋副把受控结构的轴向运动转化为阻尼器内部结构的旋转运动进行控制,实现了控制效率的大幅提高,把轴向电涡流阻尼器的阻尼力与自身重量比提高到了粘滞流体阻尼器的同等水平或更高水平。

Description

一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器 技术领域
本发明涉及到一种利用螺旋传动方式制作的大型轴向电涡流阻尼器, 特别适用于工作频 率低且要求阻尼系数大、 工作行程长的大型土木工程结构的被动和半主动振动控制。
背景技术
电涡流阻尼产生的基本原理是: 当处于磁场中的导体板切割磁力线时会在导体板中产生 电涡流, 电涡流又会产生与原磁场方向相反的新磁场, 从而在原磁场和导体之间形成阻碍二 者相对运动的阻尼力, 同时导体板的电阻效应将导体板的动能通过电涡流转换为热能耗散出 去。 如果将导体板与振动结构相连接, 就可以产生结构减振与耗能的作用, 成为电涡流阻尼 器。 与结构振动控制领域常用的一些阻尼装置相比, 电涡流阻尼器不依靠机械摩擦耗能, 没 有工作流体也就不存在漏液和密封的问题, 具有可靠性高、 耐久性好和构造相对简单等优 点, 因此特别适合用在要求疲劳寿命长且不易维护的工作环境。 目前, 电涡流阻尼器已广泛 用作载重汽车的软刹车系统。 因为磁体和导体板都是质量密度很高的物质, 与具备相同阻尼 系数和最大阻尼力的粘滞流体阻尼器相比, 采用相同运动方式的电涡流阻尼器往往要重很 多、 大很多。 计算表明, 按磁体与导体之间直接采用轴向相对运动方式制作一个在每秒一厘 米的速度下产生 10kN 阻尼力的轴向电涡流阻尼器, 其重量要比粘滞流体阻尼器高一到两个 数量级, 已无实用价值。 因此提高电涡流阻尼器的阻尼力与自身重量比, 制作出大阻尼系数 的电涡流阻尼器是在土木工程领域推广和应用电涡流阻尼技术亟待解决的关键问题。 目前我 国已公开的轴向电涡流阻尼器发明专利主要从防止漏磁和优化磁路设计的的途径去提高阻尼 器的性能, 对提高阻尼力与自身重量比的作用有限。
发明内容
本发明的目的在于, 针对现有技术的不足, 提供一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻 尼器, 可以将旋转式电涡流阻尼部分的阻尼系数放大成百上千倍, 转变为非常大的轴向阻尼 系数, 解决了一般电涡流方式难以制作大阻尼系数的轴向阻尼器问题, 特别适用于工作频率 低且要求很大的阻尼系数的大型土木工程结构的振动控制, 结构简单耐用。
本发明的技术方案为, 一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 包括传动组件、 旋 转式电涡流阻尼产生器, 所述传动组件为螺旋副传动组件; 所述旋转式电涡流阻尼产生器包 括大小一致且按上下平行设置的由导磁材料制成的上圆盘和下圆盘, 所述螺旋副传动组件沿 上圆盘和下圆盘的轴向方向贯穿上圆盘和下圆盘, 并在上圆盘与下圆盘之间设有与上圆盘平 行的由导电材料或导磁材料制成的旋转圆盘, 所述旋转圆盘安装在螺旋副传动组件上并随螺 旋副传动组件做旋转运动; 所述上圆盘与下圆盘之间还设有多对磁体, 每对磁体包括上磁体 和沿上圆盘轴线方向安装在上磁体下方的下磁体, 所述每对磁体中上磁体与下磁体相对的磁 极极性相反; 所述旋转式电涡流阻尼产生器还设有两端分别与上圆盘、 下圆盘连接并提供导 磁回路的立柱, 所述上磁体和下磁体均置于立柱与螺旋副传动组件之间。
所述上磁体、 下磁体均与立柱之间留有空隙。
根据电涡流阻尼的实现方式, 本发明所采用的技术方案包括磁体固定式方案和磁体旋转 式方案两种。
磁体固定式方案为: 上磁体安装在上圆盘底面, 而下磁体安装在下圆盘顶面, 旋转圆盘 为导电材料; 立柱可以设置与上磁体数量一致的立柱, 且立柱与对应上磁体在上圆盘的径向 直线上; 立柱还可以设置成封闭的圆环形; 上磁体、 下磁体均与旋转圆盘之间留有空隙。 以 上两种立柱设置方式均可实现磁路最短和防止漏磁的目的。 其中设置与上磁体数量一致的立 柱时, 可以减轻阻尼器结构重量; 而设置圆环形立柱时, 圆环形立柱与上下圆盘可以形成一 个坚固的封闭的空腔, 保护内部结构, 并可彻底消除漏磁现象。
当旋转圆盘旋转时切割磁体的磁力线, 立即在旋转圆盘内产生电涡流, 同时产生阻碍旋 转圆盘旋转的阻尼力。 每对磁体产生一个垂直通过旋转圆盘的强磁场, 旋转圆盘应与上下磁 体保持 2至 3mm的距离; 磁体沿圆周方向的平面布置按照磁路最短原则安排。
磁体一般用永磁体, 如要求特别大的磁场强度或进行半主动控制, 则应采用电磁铁。 旋 转圆盘由优良导电材料制成, 如电工紫铜。 所述上圆盘、 下圆盘与立柱都由导磁性能良好的 材料制成, 例如电工软铁或低碳钢。
旋转磁体式方案为: 所述上磁体安装在旋转圆盘的顶面, 而下磁体对应安装在旋转圆盘 的底面, 并在上圆盘的底面安装由导电材料制成的上内圆盘, 下圆盘的顶面安装由导电材料 制成的下内圆盘, 所述旋转圆盘为导磁材料。 当旋转圆盘带动上、 下磁体一起旋转时, 上、 下磁体之间形成的磁场也会随之一起旋转, 于是上内圆盘和下内圆盘会切割磁力线, 产生电 涡流效应。 旋转磁体式方案必须将立柱设计为封闭的圆环形, 这样由立柱、 上圆盘和下圆盘 形成的封闭式空腔圆柱体可以保证在磁体旋转过程中始终提供最短磁路并不会漏磁。
所述螺旋副传动组件包括沿上圆盘和下圆盘轴向方向贯穿上圆盘和下圆盘并作轴向运动 的螺杆、 安装在螺杆上并置于上圆盘与下圆盘之间的螺母, 所述旋转圆盘安装在螺母上; 所 述螺杆的顶端设有上连接杆, 所述下圆盘底面设有罩在螺杆底端的下支撑柱, 并在下支撑柱 底部设有下连接杆。
所述螺母通过上轴承与上圆盘连接, 所述螺母通过下轴承与下圆盘连接。 所述螺旋传动方式可以是滑动螺旋传动、 滚动螺旋传动、 静压螺旋传动及其它所有广 义的螺旋传动方式, 所述螺旋副传动组件可以是滑动螺旋传动组件、 滚动螺旋传动组件、 静 压螺旋传动组件及其它所有螺旋副结构形成的传动组件。
导电材料可以是电工紫铜或其他优良导电材料, 导磁材料可以是电工软铁或低碳钢等其 他导磁材料。
本发明的工作原理说明如下:
将所述阻尼器的上、 下连接杆与受控结构的相对振动的两点连接后, 结构振动强迫螺杆 作轴向往复运动, 这一运动由螺杆与螺母组成的螺旋副转变为旋转圆盘的旋转运动。 固定磁 体式方案的每一对上下磁体之间形成一个稳定的磁场, 导电材料的旋转圆盘旋转切割磁力 线, 产生电涡流效应; 当采用旋转磁体式实施方案时, 每对磁体之间形成的磁场随旋转圆盘 一起旋转, 导电体的上内圆盘和下内圆盘于是切割磁力线, 产生电涡流效应。 电涡流效应产 生的阻尼力对旋转轴形成一个大的扭矩, 这个扭矩经过螺旋副又转换为一个很大的阻碍螺杆 轴向运动的阻尼力, 于是阻尼器获得了很大的阻尼系数。 设每对磁体处的电涡流阻尼系数为
Ce , 可以证明, 当不计摩擦力时, 所述阻尼器的等效轴向阻尼系数 C为
Figure imgf000005_0001
式中 为磁体对数, r为磁体中心到旋转轴中心的距离, 是螺杆的导程。 由于 r远大 于 h, 所述阻尼器等效阻尼系数 C可以达到单对磁体处阻尼系数的成百上千倍。 试制的样机 已经证实了这一特点。
本发明特别适用于工作频率低且要求很大的阻尼系数的大型土木工程结构的振动控制, 除了具备电涡流阻尼器结构简单耐用, 几乎不用维护等固有优点外, 它同现有粘滞流体阻尼 器技术相比具有以下优点:
1 ) 所述阻尼器通过螺旋副把受控结构的轴向运动转化为阻尼器内部结构的旋转运动进 行控制, 实现了控制效率的大幅提高, 把轴向电涡流阻尼器的阻尼力与自身重量比提高到了 粘滞流体阻尼器的同等水平或更高水平。
2 ) 所述阻尼器只需要增加螺杆长度就可以增加阻尼器的工作行程, 因增加行程而增加 的成本很少。 而粘滞流体阻尼器必须同时增加活塞杆长度和油缸长度才能增加阻尼器工作行 程, 这使得大行程粘滞流体阻尼器特别昂贵。
3 ) 所述阻尼器可以通过增加转盘的直径、 增大磁体磁场强度、 增加磁体对数量等三种 方式以及增加电涡流产生器的数量来增大阻尼器的阻尼系数, 适合制造大中小型各类型阻尼 器°
4 ) 所述阻尼器采用的螺旋副传动是一种标准的机械传动方式, 因此本阻尼器很容易实 现标准化批量生产。
5 ) 采用电磁铁就可以实现半主动控制, 与磁流变阻尼器相比, 结构简单成本低。
附图说明
图 1是本发明实施例 1的结构示意图;
图 2是本发明实施例 1中上磁体在上圆盘上的布置示意图;
图 3是本发明实施例 1中下磁体在下圆盘上的布置示意图;
图 4是本发明实施例 2的结构示意图;
图 5是本发明实施例 2中上磁体在旋转圆盘顶面的布置示意图;
图 6是本发明实施例 2中下磁体在旋转圆盘底面的布置示意图。
具体实施方式
实施例 1
如图 1所示, 一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 包括螺旋副传动组件、 旋转 式电涡流阻尼产生器, 所述旋转式电涡流阻尼产生器包括大小一致且按上下平行设置的由导 磁材料制成的上圆盘 3和下圆盘 9, 所述螺旋副传动组件沿上圆盘 3和下圆盘 9的轴向方向 贯穿上圆盘 3和下圆盘 9, 并在上圆盘 3与下圆盘 9之间设有与上圆盘 3平行的由导电材料 制成的旋转圆盘 4, 所述旋转圆盘 4安装在螺旋副传动组件上并随螺旋副传动组件做旋转运 动; 所述上圆盘 3与下圆盘 9之间还设有 8对磁体, 每对磁体包括上磁体 1和沿上圆盘 3轴 线方向安装在上磁体 1下方的下磁体 15, 所述每对磁体中上磁体 1与下磁体 15相对的磁极 极性相反; 所述旋转式电涡流阻尼产生器还设有两端分别与上圆盘 3、 下圆盘 9连接并提供 导磁回路的立柱 2, 所述上磁体 1和下磁体 15均置于立柱 2与螺旋副传动组件之间。 上磁 体 1、 下磁体 15均与立柱 2之间留有空隙, 且上磁体 1、 下磁体 15均与旋转圆盘之间留有 空隙。
螺旋副传动组件包括沿上圆盘 3和下圆盘 9轴向方向贯穿上圆盘 3和下圆盘 9并作轴向 运动的螺杆 7、 安装在螺杆 7上并置于上圆盘 3与下圆盘 9之间的螺母 8, 所述旋转圆盘 4 安装在螺母 8上; 所述螺杆 7的顶端设有上连接杆 6, 所述下圆盘 9底面设有罩在螺杆 7底 端的下支撑柱 11, 并在下支撑柱 11底部设有下连接杆 12。 螺母 8通过上轴承 5与上圆盘 3 连接, 所述螺母 8通过下轴承 10与下圆盘 9连接。
如图 2、 图 3所示, 上磁体 1 安装在上圆盘 3底面, 而下磁体 15安装在下圆盘 9顶 面。 设置 8个立柱 2, 且立柱 2与对应上磁体 1在上圆盘 3的径向直线上。
导电材料是电工紫铜, 导磁材料是电工软铁。
实施例 2
如图 4所示, 一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 包括螺旋副传动组件、 旋转 式电涡流阻尼产生器, 所述旋转式电涡流阻尼产生器包括大小一致且按上下平行设置的由导 磁材料制成的上圆盘 3和下圆盘 9, 所述螺旋副传动组件沿上圆盘 3和下圆盘 9的轴向方向 贯穿上圆盘 3和下圆盘 9, 并在上圆盘 3与下圆盘 9之间设有与上圆盘 3平行的由导磁材料 制成的旋转圆盘 4, 所述旋转圆盘 4安装在螺旋副传动组件上并随螺旋副传动组件做旋转运 动; 所述上圆盘 3与下圆盘 9之间还设有 8对磁体, 每对磁体包括上磁体 1和沿上圆盘 3轴 线方向安装在上磁体 1下方的下磁体 15, 所述每对磁体中上磁体 1与下磁体 15相对的磁极 极性相反; 所述旋转式电涡流阻尼产生器还设有两端分别与上圆盘 3、 下圆盘 9连接并提供 导磁回路的立柱 2, 所述上磁体 1和下磁体 15均置于立柱 2与螺旋副传动组件之间。 上磁 体 1、 下磁体 15均与立柱 2之间留有空隙。
螺旋副传动组件包括沿上圆盘 3和下圆盘 9轴向方向贯穿上圆盘 3和下圆盘 9并作轴向 运动的螺杆 7、 安装在螺杆 7上并置于上圆盘 3与下圆盘 9之间的螺母 8, 所述旋转圆盘 4 安装在螺母 8上; 所述螺杆 7的顶端设有上连接杆 6, 所述下圆盘 9底面设有罩在螺杆 7底 端的下支撑柱 11, 并在下支撑柱 11底部设有下连接杆 12。 螺母 8通过上轴承 5与上圆盘 3 连接, 所述螺母 8通过下轴承 10与下圆盘 9连接。
如图 5、 图 6所示, 上磁体 1安装在旋转圆盘 4的顶面, 而下磁体 15对应安装在旋转 圆盘 4的底面, 并在上圆盘 3的底面安装由导电材料制成的上内圆盘 13, 下圆盘 9的顶面 安装由导电材料制成的下内圆盘 14。 立柱 2为封闭的圆环形。
导电材料是电工紫铜, 导磁材料是电工软铁。

Claims

权 利 要 求
1. 一种基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 包括传动组件、 旋转式电 涡流阻尼产生器, 其特征是, 所述传动组件为螺旋副传动组件; 所述旋转式电涡 流阻尼产生器包括大小一致且按上下平行设置的由导磁材料制成的上圆盘 (3) 和下圆盘 (9) , 所述螺旋副传动组件沿上圆盘 (3) 和下圆盘 (9) 的轴向方向 贯穿上圆盘 (3)和下圆盘 (9) , 并在上圆盘 (3) 与下圆盘 (9)之间设有与上 圆盘(3)平行的由导电材料或导磁材料制成的旋转圆盘(4),所述旋转圆盘(4) 安装在螺旋副传动组件上并随螺旋副传动组件做旋转运动; 所述上圆盘 (3) 与 下圆盘 (9) 之间还设有多对磁体, 每对磁体包括上磁体 (1) 和沿上圆盘 (3) 轴线方向安装在上磁体 (1) 下方的下磁体 (15) , 所述每对磁体中上磁体 (1) 与下磁体(15)相对的磁极极性相反; 所述旋转式电涡流阻尼产生器还设有两端 分别与上圆盘 (3) 、 下圆盘 (9) 连接并提供导磁回路的立柱 (2) , 所述上磁 体 (1) 和下磁体 (15) 均置于立柱 (2) 与螺旋副传动组件之间。
2. 根据权利要求 1所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器,其特征是, 所述上磁体 (1) 、 下磁体 (15) 均与立柱 (2) 之间留有空隙。
3. 根据权利要求 2所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器,其特征是, 所述上磁体 (1) 安装在上圆盘 (3) 底面, 而下磁体 (15) 安装在下圆盘 (9) 顶面, 且所述旋转圆盘 (4) 由导电材料制成。
4. 根据权利要求 3所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器,其特征是, 设置与上磁体 (1)数量一致的立柱 (2) , 且立柱 (2) 与对应上磁体 (1)在上 圆盘 (3) 的径向直线上, 且上磁体 (1) 、 下磁体 (15) 均与旋转圆盘 (4) 之 间留有空隙。
5. 根据权利要求 2所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器,其特征是, 所述上磁体 (1)安装在旋转圆盘(4) 的顶面, 而下磁体(15)对应安装在旋转 圆盘(4)的底面,并在上圆盘(3)的底面安装由导电材料制成的上内圆盘(13), 下圆盘(9)的顶面安装由导电材料制成的下内圆盘(14), 且所述旋转圆盘(4) 由导磁材料制成。
6. 根据权利要求 3或 5所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 其特 征是, 所述立柱 (2) 为封闭的圆环形。
7. 根据权利要求 1或 2所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器, 其特 征是, 所述螺旋副传动组件包括沿上圆盘(3)和下圆盘(9)轴向方向贯穿上圆 盘 (3)和下圆盘 (9) 并作轴向运动的螺杆 (7) 、 安装在螺杆 (7) 上并置于上 圆盘 (3) 与下圆盘 (9)之间的螺母 (8) , 所述旋转圆盘 (4) 安装在螺母 (8) 上; 所述螺杆 (7) 的顶端设有上连接杆 (6) , 所述下圆盘 (9) 底面设有罩在 螺杆(7)底端的下支撑柱(11), 并在下支撑柱(11)底部设有下连接杆(12) 。
8. 根据权利要求 7所述基于螺旋传动方式的轴向电涡流阻尼器,其特征是, 所述螺母 (8)通过上轴承 (5) 与上圆盘 (3)连接, 所述螺母 (8)通过下轴承
(10) 与下圆盘 (9) 连接。
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