一种具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的制作方法

2021-01-14 16:01:09|

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本发明属于工程结构的振动控制装置领域，具体涉及一种具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器。

背景技术：

使用调谐质量阻尼器(tmd)进行结构减振属于结构振动被动控制技术的一种，在工程结构领域被广泛应用，将其安装在振动的桥梁结构或高层建筑结构中，对于结构振动有非常明显的抑制作用。

但是tmd的弹簧元件的刚度在低频振动时，其理论刚度较高频段明显减小，其弹簧静伸长非常大，这样无法满足使用要求。为了解决tmd弹簧静伸长的问题，引入惯容器与之结合，其中的一种方式利用滚珠丝杠将配重块的直线运动转化为飞轮的旋转运动，该装置可以使用较小的物理质量产生较大的惯性力，从而可以减小配重块的物理质量，并克服弹簧静伸长量过大的问题。

如专利申请cn202010086393提供了一种具有负刚度非线性能量阱的低频竖向调谐质量阻尼器，属于结构振动控制技术领域，所述的调谐质量阻尼器包括底板、推力轴承、螺旋弹簧、滚珠丝杆、滚珠螺母、配重块、运动永磁体组、不动钢板、固定永磁体组、滑动轴承和铜质飞轮组成；该发明利用运动永磁体组和固定永磁体组之间吸引力的非线性使装置具有负刚度非线性能量阱特征；采用滚珠丝杠式惯容机构放大了调谐质量阻尼器的等效振动质量，在提升调谐质量阻尼器减振效果的同时，解决超低频竖向调谐质量阻尼器弹簧净伸长过大的问题；该装置融合了非线性能量阱和调谐质量阻尼器的优势，拓宽了调谐质量阻尼器的控制频带；同时采用电涡流阻尼技术，提升了装置的耐久性。

但该装置中电涡流产生的阻尼力时刻变化，间距较大时阻尼力将非常小。该装置中也没有解决电涡流阻尼器的漏磁问题。此外，由于铜质飞轮旋转产生阻尼力，阻尼力对装置有扭矩作用，会增加配重块与光滑导轴之间的压力从而产生摩擦力。再者，传统的滚珠丝杠式惯容器的螺母与丝杆之间仍存在摩擦力，导致阻尼器效率降低，并在长期的使用过程中可能出现磨损而破坏的问题，降低阻尼器的耐久性。

因此，本领域需要提供一种阻尼力稳定、耗能效率更高、运动顺畅且耐久性更好的阻尼器。

技术实现要素：

本发明旨在提高传统tmd的轻量化和耐久性水平，提高系统的鲁棒性，解决传统tmd物理质量过大、弹簧静伸长量过大、减振频带较窄以及滚珠丝杠式惯容器存在摩擦等问题，提出一种具有负刚度非线性能量阱的竖向调谐质量磁力丝杠式惯容电涡流阻尼器。

本发明提供一种具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器，包括弹簧质量系统、惯性质量系统、电涡流阻尼系统、负刚度系统和支承系统；所述弹簧质量系统包括弹簧(3)和配重块(5)；所述惯性质量系统包括能在水平面内做旋转运动的飞轮(6)、包含磁力螺母(71)和磁力丝杠(72)的磁力丝杠螺母副(7)以及包含转子(81)和定子(82)的磁悬浮推力轴承(8)；所述电涡流阻尼系统包括直条永磁铁(9)、导体板(10)和背铁(11)；所述支承系统包括外框架(1)、导杆(2)和支撑托架(4)；

所述导杆(2)竖直设置，所述支撑托架(4)水平设置，所述支撑托架(4)将所述外框架(1)分为上下两层，所述导杆(2)设置于上层或设置于下层，所述导杆的两端分别固定设置在支撑托架(4)上以及外框架(1)的顶壁或底板上；

所述弹簧(3)套在所述导杆(2)上，所述配重块(5)可滑动地套设在所述导杆(2)上，所述弹簧(3)的固定端与外框架(1)或支撑托架(4)固接，自由端与配重块(5)固接；

所述直条永磁铁(9)固定设置在所述配重块(5)的竖向侧壁上因而能随配重块(5)上下运动，所述背铁(11)贴合设置在外框架的竖向内侧壁上，且背铁(11)与直条永磁铁(9)和配重块(5)同处在外框架的上层或下层内；所述导体板(10)贴合设置在所述背铁(11)的表面，且直条永磁铁(9)与所述导体板(10)之间留有设定间隙；

所述磁力丝杠(72)竖直设置，且其固定端与配重块(5)在配重块(5)水平面内的几何中心位置固接；磁力丝杠(72)的自由端穿过所述支撑托架(4)上留有的孔洞并延伸至不设配重块(5)的所述下层或上层内；所述飞轮(6)同轴固接在磁力螺母(71)的径向外侧，且飞轮(6)和磁力螺母(71)均套设在磁力丝杠(72)上，且飞轮(6)和磁力螺母(71)二者均设置在磁力丝杠(72)自由端所在的下层或上层内；所述磁悬浮推力轴承(8)的转子(81)固定在飞轮(6)上因而能随飞轮转动，所述定子(82)固定在所述外框架(1)和支撑托架(4)上；所述磁悬浮推力轴承(8)均与飞轮(6)和磁力丝杠螺母副(7)同轴设置；在竖直方向上，一个磁悬浮推力轴承(8)设置在所述飞轮(6)与所述支撑托架(4)之间，另一个磁悬浮推力轴承(8)设置在所述飞轮(6)与所述外框架(1)的底板或顶板之间；

所述负刚度系统包括异名永磁体组(14)和/或同名永磁体组(13)，所述异名永磁体组(14)包括设置在配重块(5)的顶面和底面上的第一异名永磁体以及设置在外框架(1)和支撑托架(4)上的第二异名永磁体，所述第一异名永磁体和第二异名永磁体的充磁方向即其n极和s极的连线方向均与配重块(5)的上下板面垂直，且设置在配重块顶面上的第一异名永磁体与相应设置在支撑托架(4)下表面上的或设置在外框架(1)顶板下底面上的第二异名永磁体的磁极异名相对设置，而设置在配重块底面上的第一异名永磁体与相应设置在支撑托架(4)上表面上的或设置在外框架(1)底板上表面上的第二异名永磁体的磁极异名相对设置；所述直条永磁铁(9)设置在配重块(5)的前后左右侧壁中的一对侧壁上时，所述同名永磁体组(13)包括固定设置在所述配重块(5)前后左右侧壁中的另一对侧壁上的第一同名永磁体，以及包括设置在与第一同名永磁体相对位置的外框架(1)内侧壁上的第二同名永磁体，所述第一同名永磁体和第二同名永磁体的充磁方向即其n极和s极的连线方向均与外框架(1)的侧壁面垂直，且设置在配重块(5)上的第一同名永磁体与设置在外框内侧壁上的第二同名永磁体的磁极同名相对设置。

在一种具体的实施方式中，所述外框架(1)为长方体构架，且外框架(1)与所述支撑托架(4)为固接关系；所述配重块(5)为长方体；直条永磁铁(9)对称分布在配重块(5)的前后侧面和/或左右侧面上；优选所述永磁铁分布在配重块(5)的前后左右四个侧面上。

本发明中，当阻尼器对电涡流的阻尼力要求较大时，可以在配重块的前后左右四个侧面上均设置直条永磁铁，此时相应不设置同名永磁体组，而仅设置异名永磁体组。

而当阻尼器对电涡流的阻尼力要求不太大时，可以仅在配重块的前后两个侧面或左右两个侧面上设置直条永磁体，而配重块的另外两个相对侧面上可以设置同名永磁体组，还可以选择在配重块的顶面和底面上设置异名永磁体组。

本发明中，因为异名永磁体组和/或同名永磁体组的设置，因而当配重块运动偏离平衡位置时，且具体是当配重块在上下方向上运动一段位移时，所述异名永磁体组和/或同名永磁体组为配重块提供与原运动方向一致的非线性磁力，促进配重块运动。具体地，当所述配重块由于外部作用而沿所述导杆上下运动时，同名永磁体之间的排斥力的竖向分力可进一步促使所述配重块运动；当所述配重块由于外部作用而沿所述导杆上下运动时，上下两个异名永磁体组之间的吸引力差可进一步促使所述配重块运动。因而本发明通过设置异名永磁体组和/或同名永磁体组使得该电涡流阻尼器具备负刚度非线性能量阱效应。

在一种具体的实施方式中，所述支撑托架(4)中心位置留有直径大于所述磁力丝杠(72)直径的圆孔；优选所述导杆(2)不少于三个，且导杆与配重块(5)的三个以上的交点不全共线。

在一种具体的实施方式中，所述转子(81)和定子(82)均包含永磁铁，所述转子(81)和定子(82)的充磁方向即其n极和s极的连线方向均在竖直方向上，且同一个磁悬浮推力轴承(8)中的转子(81)和定子(82)的磁极设置为同极相对；优选所述转子(81)在水平方向上的宽度小于所述定子(82)在水平方向上的宽度，使得飞轮在发生横向晃动时能保持处在磁场范围内，因而飞轮能迅速稳定和归位。

在一种具体的实施方式中，所述外框架(1)在所述磁力丝杠(72)的自由端的运动轨迹上留有足够的空间或者开有孔洞，优选在所述外框底板的顶面或外框顶板的底面上设置有一定高度的凸出平台。

在一种具体的实施方式中，所述配重块(5)与导杆(2)连接处还设置有用于减小二者之间摩擦的导向轴承。

在一种具体的实施方式中，所述直条永磁铁(9)为长度方向水平设置的直条状磁铁，且永磁铁的充磁方向即其n极和s极的连线方向与对应的导体板(10)的板面垂直，且相邻的上下两条永磁铁之间的极性相反，即当在上的一条永磁铁靠近导体板的一侧为n极，远离导体板的一侧为s极时，则与其相邻的在下的一条永磁铁靠近导体板的一侧为s极，远离导体板的一侧为n极；优选上下相邻的两个直条永磁铁(9)间的间距为2～5cm。

本发明中，每条所述直条永磁铁可以是通长的一条，也可以是多条直条永磁铁前后续接或多条直条永磁铁前后之间间隔一段距离。永磁铁的长宽高尺寸和永磁铁之间的间距可以根据阻尼系数需要的大小进行设计。所述直条永磁铁、同名永磁体组和异名永磁体组例如可以是定制的钕铁硼磁铁。

在一种具体的实施方式中，在配重块(5)上下运动过程中，永磁铁和导体板之间的间隙保持不变，且该间隙可以根据阻尼系数需要的大小进行调节，例如0.2～20mm，优选为1～5mm；优选弹簧的固定端与所述支撑托架(4)的顶面或所述外框架(1)底板的顶面固接。

在一种具体的实施方式中，所述磁力螺母(71)包含n极和s极均呈螺旋状且n极和s极间隔排列的永磁铁，所述磁力丝杠(72)同样包含n极和s极均呈螺旋状且n极和s极间隔排列的永磁铁。

在一种具体的实施方式中，所述惯性质量系统还可以包括用于提高磁力丝杠螺母副(7)的传动效率的调制环(12)，所述调制环(12)竖直方向的两端分别固定在外框架(1)和支撑托架(4)上，所述调制环(12)竖直方向的中间段在径向方向上设置在所述磁力螺母(71)和磁力丝杠(72)之间，且所述调制环(12)包含导磁块和非导磁块，两者均呈螺旋状且间隔排列。

本发明中，所述外框架(1)、导杆(2)和支撑托架(4)的材质均为钢结构，所述配重块(5)和飞轮(6)的材质为钢结构，所述导体板(10)为铜板或铝板。

本发明中，所述直条永磁铁(9)、同名永磁体组(13)、异名永磁体组(14)、包含磁力螺母(71)和磁力丝杠(72)的磁力丝杠螺母副(7)、包含转子(81)和定子(82)的磁悬浮推力轴承(8)、以及调制环(12)都可以直接商购或者是找磁铁生产厂商定制符合要求的永磁铁，所述永磁铁例如为钕铁硼磁铁。此外，本发明中，从俯视角度看，所述转子和定子均设置为呈一定宽度的圆环形。

本发明中，磁力螺母(71)、磁力丝杠(72)以及调制环(12)三者在径向上均存在一定间隙。

本发明中，配重块与飞轮位于不同层，一来方便后期更换零件，二来可以充分利用结构空间，保证飞轮足够大尺寸；弹簧随配重块运动发生形变，与导杆同轴设置以保证弹簧不发生歪斜。

本发明中，依据电磁感应原理，在配重块运动的情况下，直条永磁铁与导体板之间会产生阻尼作用力，可以通过调节直条永磁铁与导体板的间隙来调节阻尼。

作为优选方案，所述直条永磁铁固定安装在所述配重块的侧壁上，所述背铁固定在所述外框架的内侧壁上，所述导体板固定在背铁上，背铁的存在可以保证磁场闭合，减少漏磁。

作为优选方案，所述外框架的板必要时做成镂空，可以减小结构质量并且便于更换元件，所述外框架的顶板或支撑托架需留出足够大小的孔洞供所述磁力丝杠自由穿过。

作为优选方案，所述配重块形状为长方体，应留有可供所述导杆穿过的孔洞，且孔洞直径大于所述导杆的直径，配重块与导杆之间还可以设置导向轴承，便于配重块沿导杆运动而不产生较大摩擦。

作为优选方案，所述导杆并列设置至少三个，且所述导杆之间的连线至少三个不在一条直线上，这样可限制配重块只做竖向运动。

作为优选方案，所述飞轮中心内壁上固定安装磁力螺母的永磁铁磁极与所述丝杠上的永磁铁磁极均交替排布，使得丝杠可在飞轮中心无接触通过并带动飞轮转动。

作为优选方案，所述导体板与所述直条永磁铁平行设置并留有间隙，可通过调节间隙来调节阻尼大小。

本发明的有益效果包括：

1、本发明引入了惯容原理，减轻了物理配重，实现提升装置质量比的同时降低装置控制低频结构的弹簧净伸长量。

2、采用磁力丝杠螺母副或磁场调制式磁力丝杠螺母副代替滚珠丝杠，消除了丝杠与螺母之间的摩擦，提高了工作效率。同时配合使用磁悬浮推力轴承，保证飞轮悬浮在飞轮室中正常工作。结构整体的摩擦大大减小，延长了使用寿命。

3、采用直线式电涡流阻尼，背铁的运用减少漏磁显著提升了电涡流阻尼耗能效率，非接触式阻尼提高了装置的耐久性。

4、采用上下分层式框架结构，便于模块化装配，更换某些部件仍可使用，降低成本。且本发明为单节点阻尼器，其应用无需连接发生相对运动的两点，应用面广。

5、本发明的永磁铁和导体板之间的间隙在配重块等部件运动过程中保持不变，因而永磁铁和导体板之间的间距可以设置得很小，能产生很大的阻尼力；本发明中，配重块等部件做直线相对运动，阻尼力对配重块没有扭矩，不会增加配重块与导杆之间的压力，运动非常顺畅。而专利申请cn202010086393中磁体和导体板之间的间隙在运动过程中是变化的，阻尼力也跟着变化，间隙较大时阻尼力很小；且其永磁体和导体板产生相对旋转运动，配重块受到阻尼力的扭矩作用而对导杆产生压力，增加了配重块与导杆之间的摩擦。

6、本发明将负刚度非线性能量阱运用到调谐质量阻尼器中，具有拓宽其控制频带的效果，使阻尼器具有更好的鲁棒性，可以解决调谐质量阻尼器只能在特定频率的一个极小邻域内才能具有较好减振效果的问题。也就是说，本发明采用永磁式负刚度非线性能量阱，通过其负刚度、非线性的特点，使阻尼器具有更宽的控制频带，且能从受控结构处吸收更多的振动能量。

附图说明

图1为配重块位于上层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含同名永磁体组和调制环。

图2为配重块位于上层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含同名永磁体组。

图3为配重块位于下层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含同名永磁体组和调制环。

图4为配重块位于下层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含同名永磁体组。

图5为配重块位于上层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含异名永磁体组和调制环。

图6为配重块位于上层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含异名永磁体组。

图7为配重块位于下层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含异名永磁体组和调制环。

图8为配重块位于下层的具有负刚度非线性能量阱的磁力丝杠式电涡流阻尼器的结构示意图，该方案中包含异名永磁体组。

图9为图1、图2、图5和图6的a-a剖面图。

图10为图3、图4、图7和图8的b-b剖面图。

图11为磁力丝杠螺母副的结构示意图。

图12为磁场调制式磁力丝杠螺母副的结构示意图。

图13为磁悬浮推力轴承的结构示意图。

图中：

1-外框架；2-导杆；3-弹簧；4-支撑托架；5-配重块；6-飞轮；7-磁力丝杠螺母副；71-磁力螺母；72-磁力丝杠；8-磁悬浮推力轴承；81-转子；82-定子；9-直条永磁铁；10-导体板；11-背铁；12-调制环；13-同名永磁体组；14-异名永磁体组。

具体实施方式

下面结合附图和两个具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图2、4、6和8所示为一种具有负刚度非线性能量阱的竖向调谐质量磁力丝杠式惯容电涡流阻尼器，包括弹簧质量系统、惯性质量系统、电涡流阻尼系统、负刚度系统和支承系统。

所述弹簧质量系统包括弹簧(3)和配重块(5)，所述配重块(5)形状为长方体，其上留有大于导杆(2)直径的孔洞，使配重块(5)套在导杆(2)上并且可沿其进行直线运动；弹簧(3)套在导杆(2)上，一端与配重块(5)固结，一端与外框架(1)或者支撑托架(4)固结。

所述惯性质量系统包括飞轮(6)、磁力丝杠螺母副(7)以及磁悬浮推力轴承(8)。所述飞轮(6)套在所述磁力丝杠螺母副(7)的磁力丝杠(72)和磁力螺母(71)上，飞轮(6)中心内壁上固定安装有磁力螺母(71)，磁力螺母的磁极与磁力丝杠(72)上的永磁铁磁极均交替排布；所述磁悬浮推力轴承(8)由所述飞轮(6)上固定的转子(81)与所述外框架(1)和支撑托架(4)上固定的定子(82)共同组成，并且转子(81)的横向宽度小于定子(82)的横向宽度。

所述电涡流阻尼系统包括直条永磁铁(9)、导体板(10)和背铁(11)。所述直条永磁铁(9)均匀固定安装在所述配重块(5)的侧壁上，所述直条永磁铁(9)之间有固定的间距，其充磁方向垂直于其所在的所述配重块(5)的侧壁，上下相邻的所述直条永磁铁(9)的充磁方向相反；所述导体板(10)固定在所述背铁(11)上，导体板与所述直条永磁铁(9)平行设置并留有间隙；所述背铁(11)固定在外框架(1)的内侧壁上。

所述支承系统包括外框架(1)、导杆(2)和支撑托架(4)，所述外框架(1)的板必要时做成镂空，外框架(1)的顶板或支撑托架(4)需留出足够大小的孔洞供所述磁力丝杠螺母副(7)的丝杠(72)自由穿过；所述导杆(2)两端分别固结在外框架(1)和支撑托架(4)上，且导杆(2)平行设置至少三个，且所述导杆(2)在同一水平面上的交点至少有三个点不在一条直线上；所述弹簧(3)套在导杆(2)上，弹簧(3)的两端分别与所述配重块(5)和外框架(1)或支撑托架(4)固接。

实施例2

如图1、3、5和7所示为一种具有负刚度非线性能量阱的竖向调谐质量磁场调制式磁力丝杠式惯容电涡流阻尼器，包括弹簧质量系统、惯性质量系统、电涡流阻尼系统、负刚度系统和支承系统。

所述惯性质量系统包括飞轮(6)、磁力丝杠螺母副(7)、调制环(12)和磁悬浮推力轴承(8)。所述飞轮(6)套在所述磁力丝杠螺母副(7)的磁力丝杠(72)和磁力螺母(71)上，飞轮(6)中心内壁上固定安装有磁力螺母(71)，磁力螺母的磁极与磁力丝杠(72)上的永磁铁磁极均交替排布；在径向上，所述磁力丝杠(72)和磁力螺母(71)之间设置有长度方向的两端固定在外框架(1)和支撑托架(4)上的调制环(12)；所述磁悬浮推力轴承(8)由所述飞轮(6)上固定的转子(81)与所述外框架(1)和支撑托架(4)上固定的定子(82)共同组成，并且转子(81)的横向宽度小于定子(82)的横向宽度。

所述负刚度系统包括异名永磁体组(14)和/或同名永磁体组(13)，其设置与实施例1相同。

此外，本发明中，当所述阻尼器包括异名永磁体组时，在配重块处于平衡位置时，上下两个异名永磁体组的第一异名永磁体和第二异名永磁体间的间距需要保持相同；当所述阻尼器包括同名永磁体组时，在配重块处于平衡位置时，所述第一同名永磁体和第二同名永磁体需要处在同样的高度。

本发明的工作原理如下：本装置通过外框架的底板与受控振动结构进行固定，当受控结构发生竖向振动时，且阻尼器的主振动频率调节至受控结构的振动频率附近时，受控结构的振动能量将传递给该阻尼器，配重块会随之沿着导杆发生上下运动，配重块四个侧壁上均匀排布的永磁铁产生磁场，导体板切割磁感线产生电涡流阻尼力；同时配重块的上下运动会带动磁力丝杠一起上下运动，磁力丝杠和磁力螺母产生的磁耦合力带动飞轮发生旋转，产生远大于自身物理质量的惯性质量效应，而磁力轴承利用两块同名永磁铁(即极性相同)的斥力，使飞轮在运动过程中保持无碰撞、无摩擦的悬浮状态；整个惯容质量系统使得物理质量大为减轻，实现提升装置质量比的同时降低装置控制低频结构的弹簧净伸长量。最终受控结构振动的能量将以热能的形式耗散掉，以此达到减振的目的。当配重块运动偏离平衡位置时，所述异名永磁体组和/或同名永磁体组为配重块提供与原运动方向一致的非线性磁力，促进配重块运动。因而本发明通过设置异名永磁体组和/或同名永磁体组使得该电涡流阻尼器具备负刚度非线性能量阱效应。

本发明采用了惯容原理以及磁力传动原理，通过磁力丝杠螺母副将配重块的直线运动转化为飞轮的旋转运动，使得较小的物理质量产生较大的惯性质量，相对可减小配重块的质量并且解决现有竖向调谐质量阻尼器弹簧静伸长过大的问题；而磁力丝杠螺母副和磁悬浮推力轴承的运用消除了飞轮与丝杠和飞轮与支承系统之间的摩擦力，提高了阻尼器的工作效率，延长了元件的使用寿命。

上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

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