WO2016041116A1 - 一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器 - Google Patents

一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器 Download PDF

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Abstract

一种利用螺旋传动制作的大型轴向电涡流阻尼器，包括传动组件和电涡流阻尼产生器，传动组件包括螺旋传动副和分别由导磁材料制成的定子、转子；螺旋传动副包括螺杆和套装在螺杆上的螺母；螺杆顺次穿过定子的上法兰盘中心孔和定子的下法兰盘中心孔，而螺母置于定子内部；转子包括外转子和底端设有下连接法兰盘的内转子，定子与外转子之间设有一个或多个电涡流阻尼产生器，可以将旋转式电涡流阻尼部分的阻尼系数和惯性质量矩放大成百上千倍，转变为非常大的轴向阻尼系数和轴向等效附加质量，同时解决了电涡流阻尼难以制作大阻尼系数的轴向阻尼器问题和模拟速度指数小于1的抗震阻尼器问题。

Description

一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器 技术领域
本发明涉及到一种利用螺旋传动制作的大型轴向电涡流阻尼器。
背景技术
电涡流阻尼产生的基本原理是：当处于局部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获得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。
阻尼器的效率指数是指在额定速度下阻尼器产生的阻尼力与自身重量之比。电涡流阻尼本身耗能密度低，导致直接采用轴向相对运动方式的电涡流阻尼器的效率指数也低，这是长期阻碍电涡流阻尼在大型工程结构中应用的主要原因。公开号为CN103821861A的发明专利申请用螺旋传动方式大幅提高了电涡流阻尼器的效率指数，但其中的旋转盘式结构难以满足速度指数小于1的抗震要求。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种外杯旋转式 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和惯性质量矩放大成百上千倍，转变为非常大的轴向阻尼系数和轴向等效附加质量，同时解决了电涡流阻尼难以制作大阻尼系数的轴向阻尼器问题和模拟速度指数小于1的抗震阻尼器问题，而且充分利用了旋转式电涡流阻尼产生器的惯性质量矩产生的负刚度效应，进一步提高了轴向电涡流阻尼器的抗震控制效果，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，一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，包括传动组件和电涡流阻尼产生器，所述传动组件包括螺旋传动副和分别由导磁材料制成的定子、转子；所述螺旋传动副包括螺杆和套装在螺杆上的螺母；所述定子为上下开口的一段圆管，所述定子的上部开口安装上法兰盘，而定子的下部开口安装下法兰盘，所述螺杆顺次穿过上法兰盘的中心孔和下法兰盘的中心孔，而螺母置于定子内部，所述螺母的上端面通过上轴承与上法兰盘的底面连接，而螺母的下端面通过下轴承与下法兰盘的顶面连接；所述转子包括外转子和底端设有下连接法兰盘的内转子，所述下连接法兰盘的固定在螺母的上端面与上轴承的下端面之间，内转子穿过上法兰盘的中心孔且内转子的顶端与置于定子外周的外转子连接，所述螺杆与内转子之间留有间隙；所述定子与外转子之间设有一个或多个电涡流阻尼产生器；所述螺杆的上端伸出外转子的顶端且螺杆的顶端设有上连接端，所述下法兰盘的下方设有下连接管，所述下连接管的顶端与下法兰盘连接而将螺杆的下端包围在下连接管内侧，所述下连接管的底端设有下连接端。
所述外转子下端与定子之间安装转动轴承。
所述电涡流阻尼产生器包括多个磁体、导体圆管和多个阻尼力调节器，所述磁体沿定子的周向均匀安装在定子的外表面，相邻磁体的极性相反；而导体圆管套装在外转子的内壁，且导体圆管与外转子通过沿外转子周向均匀设置的多个阻尼力调节器连接；所述磁体与导体圆管之间留有间隙。
所述磁体与定子圆筒之间加装导磁垫块，磁体与导体圆管之间留有转动间隙；间隙过大时，可在磁体与定子之间加装导磁垫块。
所述导体圆管的外表面与外转子的内表面形成滑动配合。
所述磁体一般用永磁体，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。
阻尼力调节器可以用小螺栓穿过外转子，沿径向给导体圆管施加适当的压力实现，也可以由其他方式实现。阻尼力调节器的作用是控制导体圆管随外转子旋转的状态：当外转子的旋转速度小于本电涡流阻尼产生器的设计最大工作速度时，导体圆管与外转子同步转动；当外转子的速度超过电涡流阻尼发生器的最大工作速度时，导体圆管与外转子之间有相对滑动，导体圆管维持设计最大工作速度旋转，从而维持最大阻尼力不变。
由n个电涡流发生器的不同配置，可以形成有n+1段折线的阻尼力速度曲线，可模拟任何一种速度指数小于1的轴向阻尼器工作特性，而且可以在阻尼器外部直接调节。
本发明的工作原理说明如下：将阻尼器的上、下连接端与受控结 构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，这一运动由所述传动组件转变为定子与转子的相对旋转运动。由于固定在定子外壁的磁体的磁力线大多数垂直穿过外转子，所以随外转子旋转的导体圆管切割磁力线，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阻力扭矩，这个扭矩经过螺旋副又转换为一个很大的总是与螺杆轴向运动方向相反的阻尼力，于是阻尼器获得了很大的阻尼系数。
设第m个电涡流阻尼产生器的单个磁体处的电涡流阻尼系数为Ce，可以证明，当不计螺旋副内的摩擦力时，第m个电涡流阻尼产生器产生的等效轴向阻尼系数Cm为
Figure PCTCN2014086502-appb-000001
式中r为导体圆管的内径，h是螺杆的导程。由于r远大于h，所述阻尼器等效阻尼系数Cm可以达到单个磁体处阻尼系数的成百上千倍。而阻尼器的总的等效阻尼系数又是m个电涡流发生器产生的阻尼系数之和。
本发明中各个电涡流阻尼产生器的最大工作速度可分别通过对应的阻尼力调整装置设置。设计最大工作速度选定后，所述的每个电涡流阻尼产生器都有两种不同的工作状态。当外转子的旋转速度小于设计最大工作速度时，导体圆管随外转子同步旋转，阻尼力随转速增加而线性增加，阻尼力与外转子的旋转速度的曲线是一段斜线。当外转子的旋转速度大于电涡流阻尼产生器的设计最大工作速度后，导体 圆管的旋转速度保持在设计最大旋转速度不变，此时阻尼力与外转子旋转速度的曲线是一段水平线。
对每个电涡流阻尼产生器设置不同的最大工作速度，那么n个电涡流阻尼产生器产生的阻尼力合成后的总的阻尼力对阻尼器轴向速度的曲线是一条n+1段的折线，它可以模拟任何速度指数小于1的阻尼器的工作特性，其精度完全可以满足工程要求。
除电涡流阻尼力外，转子的旋转惯性质量矩经过螺旋副转换为一个很大的阻尼器附加轴向质量。设转子各部件的扭转质量矩总和为Ig，可以证明，在不考虑传动损失的条件下，所述阻尼器的轴向运动等效附加质量me为，
Figure PCTCN2014086502-appb-000002
可以看到，当螺杆的导程h很小时，转子的扭转质量矩可以被放大成百上千倍，形成很大的轴向运动等效质量，附加的轴向质量产生阻碍阻尼器轴向运动的轴向惯性力，使所述阻尼器具有很大的负刚度效应，进一步提高了电涡流阻尼器的抗震控制效果。
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，把轴向电涡流阻尼器的效率指数(在额定速度下的 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)所述阻尼器充分利用了旋转式电涡流阻尼产生器中旋转运动构件的惯性质量矩，可以形成显著的负刚度效应，进一步提高了轴向电涡流阻尼器的减震控制效果。
3)所述阻尼器可以通过阻尼力调整装置方便地调节各个电涡流阻尼产生器的最大工作转速，由多个电涡流阻尼产生器模拟速度指数小于1的非线性阻尼器，具有与粘滞流体阻尼器同样的阻尼力速度工作特性，并且电涡流阻尼器容许的最大工作速度远远高于粘滞流体阻尼器。
4)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，因增加行程而需要增加的成本很少。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。
5)所述阻尼器可以通过增加定子和转子的直径、增大磁体磁场强度、增加磁体数量等三种方式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。
6)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。
7)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是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1中的A-A面剖示图。
具体实施方式
如图1所示，一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，包括传动组件和电涡流阻尼产生器，所述传动组件包括螺旋传动副和分别由导磁材料制成的定子、转子；螺旋传动副包括螺杆1和套装在螺杆1上的螺母2；所述定子3为上下开口的一段圆管，定子3的上部开口安装上法兰盘4，而定子3的下部开口安装下法兰盘5，螺杆1顺次穿过上法兰盘4的中心孔和下法兰盘5的中心孔，而螺母2置于定子3内部，螺母2的上端面通过上推力轴承8与上法兰盘4的底面连接，而螺母2的下端面通过下推力轴承9与下法兰盘5的顶面连接；转子包括外转子12和底端设有下连接法兰盘的内转子11，下连接法兰盘固定在螺母2的上端面与上轴承8的下端面之间，内转子11穿过上法兰盘4的中心孔且内转子11的顶端与置于定子3外周的外转子12连接，螺杆1与内转子11之间留有间隙；螺杆1的上端伸出外转子12的顶端且螺杆1的顶端设有上连接端13，下法兰盘5的下方设有下连接管6，下连接管6的顶端与下法兰盘5连接而将螺杆1的下端包围在下连接管6内侧，所述下连接管6的底端设有下连接端7；外转子12下端与定子3之间安装转动轴承10。
内转子11将螺母2的旋转运动传到定子外面，带动外转子12一起旋转，当阻尼器上下连接端有相对运动时，外转子就会旋转。
从上至下设置3个电涡流阻尼产生器，电涡流阻尼产生器包括 18个永磁体14、导体圆管15和6个阻尼力调节器16，永磁体14沿定子3的周向均匀安装在定子3的外表面，如图2所示，相邻磁体14的极性相反；而导体圆管15套装在外转子12的内壁，且导体圆管15与外转子通过沿外转子周向均匀设置的6个阻尼力调节器16连接；永磁体14与导体圆管15之间留有间隙，间隙为3mm。导体圆管15的外表面与外转子12的内表面形成滑动配合。
阻尼力调节器沿外转子12的周向均匀分布安装，它的作用是控制导体圆管15随外转子12旋转的状态：当外转子的旋转速度小于本电涡流阻尼产生器的设计最大工作速度时，导体圆管15与外转子12同步转动；当外转子的速度超过电涡流阻尼发生器的最大工作速度时，导体圆管15与外转子12之间有相对滑动，导体圆管维持设计最大工作速度旋转，从而维持最大阻尼力不变。
每个电涡流阻尼产生器的最大阻尼力设置值可以不同，可以形成由4段折线组成的阻尼力速度曲线，可模拟任何一种速度指数小于1的轴向阻尼器工作特性，而且可以在阻尼器外部直接调节。
所述阻尼力调节器16采用小螺栓穿过外转子，沿径向给导体圆管施加适当的正压力的方法实现阻尼力的调节。
导电材料是电工紫铜，导磁材料是电工软铁。

Claims (7)

  1. 一种外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，包括传动组件和电涡流阻尼产生器，所述传动组件包括螺旋传动副和分别由导磁材料制成的定子、转子；其特征是，所述螺旋传动副包括螺杆(1)和套装在螺杆(1)上的螺母(2)；所述定子(3)为上下开口的一段圆管，定子(3)的上部开口安装上法兰盘(4)，而定子(3)的下部开口安装下法兰盘(5)，所述螺杆(1)顺次穿过上法兰盘(4)的中心孔和下法兰盘(5)的中心孔，而螺母(2)置于定子(3)内部，所述螺母(2)的上端面通过上轴承(8)与上法兰盘(4)的底面连接，而螺母(2)的下端面通过下轴承(9)与下法兰盘(5)的顶面连接；所述转子包括外转子(12)和底端设有下连接法兰盘的内转子(11)，所述下连接法兰盘固定在螺母(2)的上端面与上轴承(8)的下端面之间，内转子(11)穿过上法兰盘(4)的中心孔且内转子(11)的顶端与置于定子(3)外周的外转子(12)连接，所述螺杆(1)与内转子(11)之间留有间隙；所述定子(3)与外转子(12)之间设有一个或多个电涡流阻尼产生器；所述螺杆(1)的上端伸出外转子(12)的顶端且螺杆(1)的顶端设有上连接端13，所述下法兰盘(5)的下方设有下连接管(6)，所述下连接管(6)的顶端与下法兰盘(5)连接而将螺杆(1)的下端包围在下连接管(6)内侧，所述下连接管(6)的底端设有下连接端7。
  2. 根据权利要求1所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述外转子(12)下端与定子(3)之间安装转动轴承(10)。
  3. 根据权利要求1或2所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述电涡流阻尼产生器包括多个磁体(14)、导体圆管(15)和多个阻尼力调节器(16)，所述磁体(14)沿定子(3)的周向均匀安装在定子(3)的外表面，相邻磁体(14)的极性相反；而导体圆管(15)套装在外转子(12)的内壁，且导体圆管(15)与外转子通过沿外转子周向均匀设置的多个阻尼力调节器(16)连接；所述磁体(14)与导体圆管(15)之间留有间隙。
  4. 根据权利要求3所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述磁体(14)与定子(3)之间加装导磁垫块。
  5. 根据权利要求3所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述导体圆管(15)的外表面与外转子(12)的内表面形成滑动配合。
  6. 根据权利要求3所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述阻尼力调节器(16)为螺栓。
  7. 根据权利要求1或2所述外杯旋转式轴向电涡流阻尼器，其特征是，所述磁体(14)为永磁体或电磁铁。
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