CN113803395A - 一种旋转机构的电涡流阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转机构的电涡流阻尼器，包括外壳、外壳盖板，穿设在外壳中的圆齿条，与圆齿条传动连接的永磁单元，以及固定在外壳内部的环形导体；所述圆齿条沿其轴向运动时，带动永磁单元进行旋转，所述永磁单元与所述环形导体产生相对运动。本发明提供的电涡流阻尼器，永磁体用量少，可以少量永磁体通过旋转机构放大速度得到所需的阻尼力；承载力大，摩擦力低，具有高耐久性；温度稳定性高，频率适用范围广；具有磁屏蔽措施，磁场对周边环境的影响小；可通过调整磁场间隙调节阻尼力，具有广泛的应用前景。

Description

一种旋转机构的电涡流阻尼器

技术领域

本发明属于建筑、桥梁、构筑物等结构和机械的减振领域，具体涉及一种旋转机构的电涡流阻尼器。

背景技术

粘滞阻尼器是一种与速度相关的耗能装置，通过将动能转化为热能以降低物体的运动速度或振动。作为阻尼单元，粘滞阻尼器与质量单元和刚度单元共同构成调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，缩写TMD)，其利用与受控结构相连的惯性系统吸收结构振动能量并产生有相位差的共振，来降低结构由于共振效应产生的振动，通过调整这三个单元的参数与受控结构的质量和自振频率的关系来得到最优的减振效率。传统的TMD包括由钢材构成的质量单元，由弹簧或吊索构成的刚度单元和由液体粘滞阻尼器构成的阻尼单元构成。另外，由于受控结构的设计质量和自振频率与实际情况存在偏差，TMD的振动频率和阻尼往往需要根据实际情况进一步调整。

传统液体粘滞阻尼器存在以下问题：1)安装后阻尼力无法调节；2)频繁工作时密封圈易磨损，导致漏油，属于易损件需要更换；3)因密封圈箍紧活塞杆，导致摩擦力较大，阻尼器不易启动；4)外部环境温度变化对阻尼的性能影响较大；5)长时间工作引起阻尼器内部温度升高对阻尼的性能影响较大。

目前，技术人员将电涡流阻尼器代替液体粘滞阻尼器应用在TMD上，但较多为单侧板式电涡流阻尼器。电涡流阻尼器通过永磁体与其一侧的导体之间的相对运动产生的洛伦兹力提供阻尼力，具体为永磁体与导体之间存在间隙(磁场间隙)，两者的相对运动使永磁体的磁场切割导体，导体中产生感应电涡流，感应电涡流的电磁场与永磁体磁场相反，并产生阻碍永磁体与导体的相对运动的阻尼力。阻尼力与相对运动速度成正比，并随磁场间隙的缩小而急剧升高。现有的电涡流阻尼器多为单侧板式电涡流阻尼器，例如专利CN201310080464.3和CN201610870649.8，永磁体阵列构成的平面或曲面与导体构成的平面或曲面平行并存在间隙，产生在平面或曲面上的相对运动。

然而，板式电涡流阻尼器存在如下问题：1)出现垂直于永磁体和导体平面或曲面方向的振动时磁场间隙大小难以保证，阻尼力不稳定，磁场间隙较小的情况下永磁体和导体容易碰撞；2)当需要的永磁体和导体的面积较大时，由于加工安装误差和自重变形，导致磁场间隙难以保证，阻尼力偏差难以控制；3)由于问题1)和2)，磁场间隙无法做到很小，磁场能量利用率不高；4)面积较大不易布置；5)所需永磁体数量多，且永磁体吸力大(较大永磁体吸力通常为数十公斤)，人力安装困难，安装时经常发生损坏永磁体或致伤事件。

为了克服板式电涡流阻尼器的问题，科研技术人员开发了其他类型的电涡流阻尼器。例如专利CN201610895139.6提供了一种智能电涡流传感阻尼装置，该装置的电磁屏蔽罩中心插设活塞杆，活塞杆底端连接永磁单元，电磁屏蔽罩内部固定铜导体，铜导体底部固定永磁体，活塞杆底端的永磁单元和铜导体底部的永磁体在活塞杆的运动中发生相对位移，产生阻尼力。

专利CN201410475528.4公开了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(滚珠丝杠)和由导磁材料制成的定子、转子；螺旋传动副的螺杆穿过阻尼器主体，定子设置在上、下法兰盘上，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(永磁体与导体)。该装置采用滚珠丝杠传动，轴向力向滚珠施加压力，通过螺纹滚道导向使轴向运动转变为绕轴旋转运动，由于滚珠丝杠采用了钢珠作为运转承载，承载能力较低，并且对润滑条件要求较高，要定期注油润滑。同时对使用环境要求也有所提高，要注意防尘，避免杂质进入滚道内。

专利CN207437653U公开了一种座式内旋转型轴向电涡流阻尼器，该阻尼器的内筒可以在外筒内转动，多组电涡流阻尼组件沿内筒或外筒的轴向排布，电涡流阻尼组件的线圈组件沿内筒的轴向缠绕于其外壁上，磁性组件的磁性片沿外筒的轴向设置于其内壁上。该装置也是采用内部旋转的方式实现磁性片的运动，提高磁场利用率。

目前，上述的一些电涡流阻尼器虽然放大了阻尼效果，但构造比较复杂，承载力较低，多数采用传动轴法平面旋转方式，对传动构造要求很高，无润滑情况下摩擦力较大，磨损比较严重，维护比较困难，而且阻尼力难以根据TMD的调试需求进行调节。

发明内容

为了至少解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案是提供一种永磁体数量少，阻尼力可调节，运转稳定可靠的旋转机构的电涡流阻尼器。

为了至少实现上述目的之一，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种旋转机构的电涡流阻尼器，包括外壳、外壳盖板，穿设在外壳中的圆齿条，与圆齿条传动连接的永磁单元，以及固定在外壳内部的环形导体；所述圆齿条沿其轴向运动时，带动永磁单元进行旋转，所述永磁单元与所述环形导体产生相对运动。

进一步地，所述永磁单元包括齿轮，自润滑垫圈、齿轮轴、齿轮轴孔板一、齿轮轴孔板二、齿轮盖板一、齿轮盖板二、旋臂、万向球及永磁体，所述齿轮轴穿过自润滑垫圈、齿轮、齿轮盖板一、齿轮盖板二和旋臂，所述齿轮轴的两端固连在齿轮轴孔板一和齿轮轴孔板二上；所述旋臂的两端固接有永磁体，在所述旋臂上还固定有万向球，所述万向球位于所述永磁体的内侧。

进一步地，所述齿轮轴孔板一与自润滑垫圈固定连接，所述自润滑垫圈与齿轮相贴合，所述齿轮、齿轮盖板一、齿轮盖板二和旋臂相对固定连接。

进一步地，所述环形导体固定在外壳的内表面，所述环形导体与所述永磁体的旋转路径相对应。

进一步地，所述万向球通过万向球螺杆连接在所述旋臂上，在所述万向球与旋臂之间的万向球螺杆上设置有万向球垫圈，通过调节所述万向球垫圈的数量，可以调节永磁体与环形导体的间隙。

进一步地，所述齿轮轴孔板一焊接在所述外壳盖板上，所述齿轮轴孔板二焊接在所述外壳的内部。

进一步地，所述外壳下部设置有内支撑架，在外壳的上部与内支撑架的上部分别设置有通孔，在两个所述通孔处分别楔入石墨铜套，所述圆齿条穿过两个石墨铜套并与外壳中部的齿轮相啮合，在圆齿条的底部安装有限位螺丝和限位垫圈，所述限位垫圈的直径大于所述石墨铜套的孔径。

进一步地，所述圆齿条的顶部固定连接有上关节轴承，所述内支撑架的底部固定连接有下关节轴承。

进一步地，所述齿轮盖板二与所述旋臂之间设置有盖板螺杆，所述盖板螺杆上设置有盖板垫圈，通过调节盖板垫圈的数量，以保证所述万向球与所述外壳相接触。

本发明提供的旋转机构的电涡流阻尼器与现有技术相比，有益效果在于：

(1)以旋转机构放大永磁体与导体相对运动速度，用少量永磁体通过该放大机构得到所需的阻尼力，从而大幅减少永磁体用量；本发明所述阻尼装置阻尼力为F＝nCV(D₂/D₁)²，其中n为永磁体数量；C为永磁体阻尼系数；V为圆齿条轴向运动速度；D₂为旋臂两端永磁体中心的距离；D₁为齿轮分度圆直径。例如运动速度放大7倍(D₂/D₁＝7)可将阻尼力放大49倍；

(2)减少永磁体用量可降低永磁体安装的难度和风险；

(3)齿条齿轮传动机构的承载力大；

(4)传动机构摩擦力低，具有高耐久性；

(5)碳钢外壳与外壳盖板的导磁效应在增加阻尼效果的同时具有磁屏蔽效果，可减少磁场对周边环境的影响；

(6)可通过调节磁场间隙调节阻尼力；

(7)高循环次数下温度上升缓慢，在各种工作频率下性能稳定。

总之，本发明提出了一种永磁体数量少，可以少量永磁体通过旋转机构放大速度得到所需的阻尼力，运转稳定可靠的旋转机构的电涡流阻尼器，其具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明电涡流阻尼器的结构示意图；

图2为图1的右视图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图3的B-B向剖视图；

图5为本发明电涡流阻尼器的滞回曲线；

其中，101上关节轴承、102下关节轴承、2圆齿条、3石墨铜套、301上石墨铜套、302下石墨铜套、4限位螺丝、5齿轮、6自润滑垫圈、7齿轮轴、801齿轮轴孔板一、802齿轮轴孔板二、901齿轮盖板一、902齿轮盖板二、10旋臂、11万向球、12永磁体、13环形导体、14外壳、15内支撑架、16耳板、17外壳盖板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下，将通过具体实施例对本发明提供的旋转机构的电涡流阻尼器作详细说明：

如图1-4所示，旋转机构的电涡流阻尼器，包括外壳14、外壳盖板17、穿设在外壳14中的圆齿条2，与圆齿条2传动连接的永磁单元，以及固定在外壳14内部的环形导体13；所述圆齿条2沿其轴向运动时，带动永磁单元进行旋转，所述永磁单元与所述环形导体13产生相对运动，所述外壳盖板17通过耳板16以螺丝固定连接在所述外壳14上。

根据本发明所述的永磁单元，包括齿轮5，自润滑垫圈6、齿轮轴7、齿轮轴孔板一801、齿轮轴孔板二802、齿轮盖板一901、齿轮盖板二902、旋臂10、万向球11及永磁体12，所述齿轮轴7依次穿过自润滑垫圈6、齿轮5、齿轮盖板一901、齿轮盖板二902和旋臂10，所述齿轮轴孔板一801焊接在所述外壳盖板17上，所述齿轮轴孔板二802焊接在所述外壳14上，所述齿轮轴7的两端分别楔入齿轮轴孔板一801和齿轮轴孔板二802上；所述齿轮轴孔板一801与自润滑垫圈6通过螺丝固定连接，所述自润滑垫圈6与齿轮5相贴合，所述齿轮5、齿轮盖板一901、齿轮盖板二902和旋臂10以螺丝固定连接；所述齿轮盖板二902在旋臂方向上长于齿轮的直径大小，形成伸出部，在所述伸出部与所述旋臂之间设置有盖板螺杆，所述盖板螺杆上设置有盖板垫圈，通过调节盖板垫圈的数量，以保证所述万向球11与所述外壳14相接触。

根据本发明所述的旋臂10，在所述旋臂10的两端靠近环形导体13侧以螺丝连接有永磁体12，在所述旋臂10上还固定有万向球11，所述万向球11位于所述永磁体12的内侧；所述万向球11通过万向球螺杆连接在所述旋臂10上，在所述万向球11与旋臂10之间的万向球螺杆上设置有万向球垫圈，通过调节所述万向球垫圈的数量，可以调节永磁体12与环形导体13的磁场间隙。

根据本发明所述的环形导体13粘结在外壳14的内表面，所述环形导体13与所述永磁体12的旋转路径相对应。

根据本发明所述的外壳14呈类圆形，在所述外壳14的下部设置有内支撑架15，在外壳的上部与内支撑架的上部分别设置有通孔，在两个所述通孔处分别楔入石墨铜套3，所述圆齿条2两端分别穿过外壳的上石墨铜套301和内支撑架上的下石墨铜套302，并与外壳14中部的齿轮5相啮合，在圆齿条2的底部安装有限位螺丝4和限位垫圈，所述限位垫圈的直径大于所述下石墨铜套的孔径；所述圆齿条2的顶部固定连接有上关节轴承101，所述内支撑架的底部固定连接有下关节轴承102。

本发明提供的旋转机构的电涡流阻尼器的工作原理，具体包括：

上关节轴承101和下关节轴承102分别连接至受控物体上具有速度差的两点，使圆齿条2产生轴向运动。圆齿条2轴向的振幅和运动速度由齿轮5转化成旋转运动并传递至旋臂10，旋臂10端部永磁体12位置的运动速度被杠杆原理放大。永磁体12与环形导体13的相对运动使环形导体13中产生感应电涡流，感应电涡流的电磁场与永磁体12磁场相反，并产生阻碍永磁体12与环形导体13的相对运动的阻尼力，并且导磁效应的碳钢外壳14将放大导体中的电涡流效应。由于上述放大效应，仅需少量永磁体即可达到目标阻尼。齿条齿轮的传动机构的简单可靠，可轻易实现较大的承载力。采用自润滑垫圈6、万向球11并在齿轮5上涂抹适当润滑剂可增加机构的耐磨性，延长使用寿命。如果阻尼力需要进行二次调整，可调整永磁体12和环形导体13的间隙。

采用本发明提供旋转机构的电涡流阻尼器在实际应用阻尼性能如下：

将本发明电涡流阻尼器的下关节轴承与固定基座连接，将上关节轴承与液压油缸连接，通过液压油缸施加固定周期的正弦位移，记录圆齿条的轴向位移时程和液压油缸载荷时程，并绘制出滞回曲线。将电涡流阻尼器调节为不同磁场间隙并重复上述过程。

滞回曲线如图5所示，从曲线“磁场间隙5”到“磁场间隙1”为磁场间隙依次减小，随之电涡流阻尼器的阻尼力依次增大，滞回曲线面积也随之增加。而采用其他类型的电涡流阻尼器，如板式电涡流阻尼器，达到同样的阻尼力则需要近50倍数量的永磁体。由此证明，该电涡流阻尼器以少量永磁体通过放大机构可达到所需的阻尼力，并可以通过调节磁场间隙改变阻尼力。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (9)

1.一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，包括外壳、外壳盖板，穿设在外壳中的圆齿条，与圆齿条传动连接的永磁单元，以及固定在外壳内部的环形导体；所述圆齿条沿其轴向运动时，带动永磁单元进行旋转，所述永磁单元与所述环形导体产生相对运动。

2.根据权利要求1所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述永磁单元包括齿轮，自润滑垫圈、齿轮轴、齿轮轴孔板一、齿轮轴孔板二、齿轮盖板一、齿轮盖板二、旋臂、万向球及永磁体，所述齿轮轴穿过自润滑垫圈、齿轮、齿轮盖板一、齿轮盖板二和旋臂，所述齿轮轴的两端固连在齿轮轴孔板一和齿轮轴孔板二上；所述旋臂的两端固接有永磁体，在所述旋臂上还固定有万向球，所述万向球位于所述永磁体的内侧。

3.根据权利要求2所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述齿轮轴孔板一与自润滑垫圈固定连接，所述自润滑垫圈与齿轮相贴合，所述齿轮、齿轮盖板一、齿轮盖板二和旋臂相对固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述环形导体固定在外壳的内表面，所述环形导体与所述永磁体的旋转路径相对应。

5.根据权利要求4所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述万向球通过万向球螺杆连接在所述旋臂上，在所述万向球与旋臂之间的万向球螺杆上设置有万向球垫圈，通过调节所述万向球垫圈的数量，可以调节永磁体与环形导体的间隙。

6.根据权利要求5所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述齿轮轴孔板一焊接在所述外壳盖板上，所述齿轮轴孔板二焊接在所述外壳的内部。

7.根据权利要求6所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述外壳下部设置有内支撑架，在外壳的上部与内支撑架的上部分别设置有通孔，在两个所述通孔处分别楔入石墨铜套，所述圆齿条穿过两个石墨铜套并与外壳中部的齿轮相啮合，在圆齿条的底部安装有限位螺丝和限位垫圈，所述限位垫圈的直径大于所述石墨铜套的孔径。

8.根据权利要求7所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述圆齿条的顶部固定连接有上关节轴承，所述内支撑架的底部固定连接有下关节轴承。

9.根据权利要求8所述的一种旋转机构的电涡流阻尼器，其特征在于，所述齿轮盖板二与所述旋臂之间设置有盖板螺杆，所述盖板螺杆上设置有盖板垫圈，通过调节盖板垫圈的数量，使所述万向球与所述外壳相接触。

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