TWI691660B

TWI691660B - 具飛輪之電磁式阻尼裝置

Info

Publication number: TWI691660B
Application number: TW108105459A
Authority: TW
Inventors: 林其璋; 林錦隆; 洪大智; 陳鈺靜; 林子婷; 林志軒
Original assignee: 林其璋
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2020-04-21
Also published as: TW202032036A

Abstract

一種具飛輪之電磁式阻尼裝置，適用於設置於一待減振結構體，並用以減緩該待減振結構體於一減振方向上之振動，包含一沿該減振方向延伸的齒軌，及一阻尼單元。該阻尼單元可相對於該齒軌沿該減振方向往返移動，包括一可相對於該齒軌沿該減振方向嚙合於該齒軌往返滾動的齒輪、一供該齒輪設置於其中一端的傳動模組，及設置於該傳動模組另一端的一發電模組與一飛輪，於該齒輪旋轉時，該齒輪帶動該傳動模組連動該發電模組轉動發電，該飛輪受該發電模組連動而轉動，並用以提供慣質。藉由設置該齒軌與對應之該齒輪，可以達到衝程大小不受限制之功效。

Description

具飛輪之電磁式阻尼裝置

本發明是有關於一種阻尼裝置，特別是指一種具飛輪之電磁式阻尼裝置。

阻尼裝置廣泛應用於土木結構工程之制振系統，以台北101大樓所採用的鐘擺式調諧質量阻尼系統作為說明，其原理是設計具有一巨大質量塊的系統，並在建築物產生水平振動時，使該質量塊產生反向振動，再利用黏滯(液流)阻尼裝置消散建築物的振動能量，以降低建築物振動，保護建築物免於受地震侵襲而損毀，振動能量最後是以廢熱的形式消散於大氣中。

習知黏滯阻尼裝置是具有一容置有黏滯性流體的壓缸，及一可於該壓缸中推拉的活塞，並利用黏滯性流體提供該活塞運動時之阻力，而達到消散振動能量之效果，然而，習知黏滯阻尼裝置之缺點有二，一是其衝程會受到該壓缸的長度限制，由於一般衝程與壓缸尺寸之比例需要到1比3~4左右，因此，實際上衝程常會受限於該壓缸所能製造的長度而無法設計到所需的數值，二是當該壓缸長度較長或該活塞之壓縮力較大時，容易產生挫曲(buckling)，導致該壓缸彎曲變形而造成該阻尼裝置損壞。

因此，本發明的目的，即在提供一種可改善上述問題的具飛輪之電磁式阻尼裝置。

於是，本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置，適用於設置於一待減振結構體，並用以減緩該待減振結構體於一減振方向上之振動，包含一沿該減振方向延伸的齒軌，及一阻尼單元。

該阻尼單元可相對於該齒軌沿該減振方向往返移動，包括一可相對於該齒軌沿該減振方向嚙合於該齒軌往返滾動的齒輪、一供該齒輪設置於其中一端的傳動模組，及設置於該傳動模組另一端的一發電模組與一飛輪，於該齒輪旋轉時，該齒輪帶動該傳動模組傳動該發電模組轉動發電，該飛輪受該發電模組連動而轉動，並用以提供慣質。

本發明的功效在於：藉由設置該齒軌與對應之該齒輪，可以將該減振方向上往返移動的運動轉換為旋轉運動，並經該發電模組而產生電能，且由於該齒軌可以任意依照所需長度設置，其衝程大小不受限制，再者，由於該齒軌與該齒輪間之相對運動為移動及旋轉，因此，並不會產生挫曲(buckling)之問題。

1:具飛輪之電磁式阻尼裝置

2:滑軌單元

21:第一基台

22:第一滑軌

23:第二基台

24:第二滑軌

3:質量塊

31:設置架

4:齒軌

5:阻尼單元

51:齒輪

52:傳動模組

521:第一傳動軸

522:變速機構

523:第二傳動軸

53:發電模組

54:飛輪

6:復位單元

61:彈簧

62:鋼索

9:待減振結構體

91:樓板

92:固定壁面

93:上層樓板

94:隔震層

95:基礎板

96:地基

961:支撐架

97:樓層

98:斜撐結構

99:平台

L:減振方向

531:馬達

532:可變電阻

X:第一減振方向

Y:第二減振方向

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置的一第一實施例應用於一待減振結構體的示意圖；圖2是該第一實施例的一運作示意圖；圖3是該第一實施例的一發電模組之電路示意圖；圖4是該第一實施例的另一應用示意圖；及圖5是本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置的一第二實施例應用於一待減振結構體的示意圖；圖6是本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置的一第三實施例應用於一待減振結構體的示意圖；圖7是該第三實施例的一運作示意圖；圖8是該第三實施例使用斜撐裝設方式應用於該待減振結構體的示意圖；及圖9是本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置的一第四實施例應用於一待減振結構體的示意圖。

在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、圖2及圖3，本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置1之一第一實施例可應用為一具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置，並適用於設置於一待減振結構體9，用以減緩該待減振結構體9於一減振方向L上之振動，包含一滑軌單元2、一質量塊3、一齒軌4、一阻尼單元5及一復位單元6。

於本實施例中，該待減振結構體9以一大樓為例，且該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置適用於安裝於該大樓的一合適樓層之樓板91。

該滑軌單元2包括二沿該減振方向L延伸的第一滑軌22。

該質量塊3可沿該減振方向L移動地設置於該等第一滑軌22，並可具有一設置架31。

該齒軌4設置於該樓層之樓板91，且沿該減振方向L延伸，於圖1中，該減振方向L為垂直圖面之方向。

該阻尼單元5設置於該質量塊3，並可藉由該設置架31而與該質量塊3同步運動，該阻尼單元5可相對於該齒軌4沿該減振方向L往返移動，包括一可相對於該齒軌4沿該減振方向L嚙合於該齒軌4往返滾動的齒輪51、一供該齒輪51設置於其中一端的傳動模組52，及設置於該傳動模組52另一端的一發電模組53與一飛輪54，於該齒輪51旋轉時，該齒輪51帶動該傳動模組52連動該發電模組53轉動發電，該飛輪54受該發電模組53連動而轉動，並用以提供慣質。

值得一提的是，於本實施例中，該質量塊3是供該阻尼單元5設置，而該齒軌4是對應設置於該樓層之樓板91，但兩者之設置位置亦可互換，僅需使兩者可沿該減振方向L相對移動即可。

該傳動模組52具有一穿設該齒輪51之旋轉軸心的第一傳動軸521、一設置於該第一傳動軸521的變速機構522，及一受該變速機構522連動且供該發電模組53與該飛輪54設置的第二傳動軸523。

該第一傳動軸521與該第二傳動軸523之延伸方向較佳是垂直於該減振方向L。

該變速機構522用以將該第一傳動軸521之轉速提升後經該第二傳動軸523輸出並驅動該發電模組53與該飛輪54，且較佳是使用齒輪箱實施，其變速比可依實際需求而設計。

該發電模組53具有一受該傳動模組52連動而轉動發電並連動該飛輪54的直流馬達531，及一串接於該馬達531之電流路徑的可變電阻532。於圖3中，該馬達531以一內部電感533、一內部電阻534，及一電動勢e作為示意。

該飛輪54設置於該第二傳動軸523遠離該變速機構522 之一端，且較佳為與該馬達531同軸轉動。

該復位單元6包括複數兩端分別設置於該質量塊3與一對應固定端的彈簧61，用以恆提供該質量塊3於振動時復位之力。於本第一實施例中，該對應固定端可為該待減振結構體9的複數固定壁面92。

實際使用時，當該待減振結構體9遭遇地震侵襲時，會導致該待減振結構體9產生振動，此時，由於該質量塊3會以與該待減振結構體9相反之方向振動，因此，該質量塊3會帶動該阻尼單元5而與該齒軌4於該減振方向L上產生位移。

如圖2所示，當該齒軌4與該阻尼單元5於該減振方向L上產生位移時，會導致該齒輪51於該齒軌4上滾動，並帶動該第一傳動軸521繞自身軸線旋轉，該變速機構522受該第一傳動軸521旋轉帶動而運作，並將該第一傳動軸521之轉速提升後經該第二傳動軸523輸出，亦即，該第二傳動軸523之轉速大於該第一傳動軸521之轉速，如此，可將原本較慢的轉速提升至可驅動該馬達531發電的較高轉速，接著，該第二傳動軸523驅動該馬達531發電，由於該飛輪54同樣是套設於該第二傳動軸523上，且與該馬達531同軸轉動，因此，該飛輪54可以提供該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置運作時之慣質，改變該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置的頻率。而經由上述作動，該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置可以提供該待減振結構體9於該減振方向L上的阻尼，而減緩該待減振結構體9之振動，提升該待減振結構體9之安全性與舒適性。

其原理說明如下：該馬達531所產生之電動勢及扭矩力如下列公式(1)、(2)所示，其中，e_gen(t)為感應電動勢(induced electromotive force，縮寫為EMF)、k_e為馬達反電動勢常數(motor back EMF constant)、

(t)為馬達轉速、τ_gen(t)為扭矩力、k_t為馬達扭矩常數(motor torque constant)、

(t)為電流。

由於k_e與k_t分別代表該馬達531在電路與機械方面的特性，其值與該馬達531幾何配置、線圈數量、與磁力特性等因素有關，以目前技術，兩個常數值可以作到幾乎一致，因此，於下述公式中，以k _gen代替k _e與k _t。

其中，公式(3)、(4)為該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置所提供的水平力與相對於該待減振結構體9之加速度與速度的關係式，F(t)為該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置所提供的水平力、J_fw為該飛輪54之轉動慣量、n_gh為該變速機構522所使用之齒輪箱的齒輪比、r_pin為該齒輪51之半徑、

(t)為相對加速度、R_load為該可變電阻532之電阻值、R_gen為該馬達531內部電阻534之值、

(t)為相對速度。

將公式(3)與公式(4)對應，可得慣質b_em、阻尼係數c_em分別如公式(5)、(6)所示。

該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置之頻率相關式如公式(7)所示，其中，ω為該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置之頻率、k為勁度係數、m為該質量塊3的質量。

由公式(5)、(7)可以看出，該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置可以藉由改變該飛輪54之轉動慣量J _fw而調整慣質b _em，並進而調整頻率ω，以實務上而言，在調諧質量阻尼裝置製作完成後，勁度係數k即為固定值，此時若該待減振結構體9發生離頻效應，則需由改變該質量塊3的質量m或慣質b_em去調整頻率ω，然而，調整該質量塊3的質量m之困難度遠大於調整慣質b_em之困難度，此是由於質量m一旦增加，將大幅提高該質量塊3搬運及裝設的不便，且需預留足夠的空間供增加的質量m設置，而轉動慣量J _fw是與轉動半徑平方成正比，因此，該飛輪54不需要增加極大的質量或甚至不需改變質量，僅需改變形狀及半徑，即可大幅提高轉動慣量J _fw，並進而產生極大的慣質b _em，於本實施之實驗數據中，1公斤的飛輪54可產生的慣質b _em等效於約500公斤之質量塊3，其增幅達500倍之多，因此，即使該待減振結構體9之基本振動頻率在完工之後發生變化(例如裝潢、增/改建或變更用途等)，也可以藉由更換不同轉動慣量J _fw(例如，改變質量或是半徑、形狀等)的該飛輪54而調整頻率ω，其搬運裝設施工皆十分便利。

由公式(6)中則可以看出，於該具飛輪之電磁式調諧質量阻尼裝置裝設完成後，仍然可以透過調整外加之該可變電阻532的電阻值R_load而改變所提供的阻尼值。

參閱圖4，為該具飛輪之電磁式阻尼裝置1應用於該待減振結構體9的另一種樣態，此樣態與上述第一實施例的差異在於：該滑軌單元2還包括一設置於該樓層樓板91的第一基台21、設置於該第一基台21的該等第一滑軌22、一可沿一第一減振方向X移動地設置於該等第一滑軌22的第二基台23，及二設置於該第二基台23且供該質量塊3可沿一第二減振方向Y移動地設置的第二滑軌24。其中，該第一減振方向X垂直於該第二減振方向Y。

於此樣態中，使用四條齒軌4及四組阻尼單元5(圖4中僅繪製兩組阻尼單元5，另兩組分別位於其對稱位置)，其中兩組阻尼單元5對應於該等第一滑軌22裝設於該第二基台23之相對稱位置，另外兩組對應於該等第二滑軌24裝設於該質量塊3之相對稱位置。

藉此，可以提供該待減振結構體9於水平雙向的減振效果。

參閱圖1、圖2及圖3，經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如下：

一、藉由設置該齒軌4與對應之該齒輪51，可以將該減振方向L上往返移動的運動轉換為旋轉運動，並經該發電模組53而產生電能，由於該齒軌4可以任意依照所需長度設置，其衝程大小不受限制，因此相較於習知技術能具有更大的應用範圍，再者，由於該齒軌4與該齒輪51間之相對運動為移動及旋轉，因此，並不會產生挫曲(buckling)之問題。

其中，藉由設置該發電模組53，可以將振動能量轉變為可用的電能，足以應用於建築物中之安全警示及緊急照明。

二、藉由設置該飛輪54提供慣質，能藉由改變該飛輪54的轉動慣量進而調整所需的頻率，相較於習知技術中，巨大質量塊3一旦設置後將難以更改應用的頻率，本發明之該飛輪54由於僅需較小的質量即可提供極大的慣質，因此，不僅容易搬運及裝設、不需要極大的安裝空間，且在該待減振結構體9的基本振動頻率發生變化時，亦方便進行更換及調整，而能隨時符合該待減振結構體9 當下的基本振動頻率，改善離頻效應(Detuning Effect)之問題，增加該待減振結構體9的安全性及延長使用壽命。

三、藉由設置串接於該馬達531之電流路徑的可變電阻532，可以於該具飛輪之電磁式阻尼裝置1裝設完成後，仍然可以透過調整外加之該可變電阻532的電阻值而改變所提供的阻尼，因此，可以提高應用變化的靈活性。

參閱圖5，為本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置1的一第二實施例，該第二實施例是類似於該第一實施例，該第二實施例與該第一實施例的差異在於：該復位單元6包括複數兩端分別設置於該質量塊3與一對應固定端的鋼索62，用以恆提供該質量塊3於振動時復位之力。於本第二實施例中，該對應固定端可為該待減振結構體9的一上層樓板93。

如此，該第二實施例亦可達到與上述第一實施例相同的目的與功效。

參閱圖6與圖7，為本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置1的一第三實施例，該第三實施例是類似於該第一實施例，該第三實施例與該第一實施例的差異在於：於本第三實施例中，該待減振結構體9以一具有一隔震層94的大樓為例，且該具飛輪之電磁式阻尼裝置1適用於安裝於該大樓的一基礎板95與地基96之間，並適用於架設複數支撐架961以提供該具飛輪之電磁式阻尼裝置1支撐性。

該齒軌4設置於該基礎板95，且該阻尼單元5設置於該地基96，並藉由該等支撐架961而與該地基96同步運動。

藉此，當該待減振結構體9遭遇地震侵襲而產生振動時，由於該基礎板95於該地基96間會因搖晃而具有位移，而使該齒軌4與該阻尼單元5亦隨之在該減振方向L上產生位移，並藉由該阻尼單元5提供該齒輪51相對於該齒軌4運動時的阻尼，而達到減緩該待減振結構體9振動、減緩該基礎板95相對於該地基96間位移之功效。

參閱圖8，為該第三實施例的另一種應用樣態，於此樣態中，於該待減振結構體9的每一樓層97或特定樓層97中，設置一斜撐結構98，及一設置於該斜撐結構98並供對應之該具飛輪之電磁式阻尼裝置1設置的平台99。

於每一設置的樓層97中，該齒軌4設置於對應之上層樓板93，該阻尼單元5設置於對應之平台99。藉此，可於該待減振結構體9振動時，減緩對應之上層樓板93與對應之平台99間的位移運動，進而降低該待減振結構體9整體之振動。

如此，該第三實施例同樣可達到上述第一實施例所述之衝程大小不受限制之功效，且於應用於該待減振結構體9時，同樣能達到提供各樓層增補阻尼，降低結構振動反應之功效。

參閱圖9，為本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置1的一第四實施例，該第四實施例是類似於該第三實施例，該第四實施例與該第三實施例的差異在於：該第四實施例還包含二第一滑軌22、設置於該等第一滑軌22的該質量塊3，及複數彈簧61。

該待減振結構體9具有複數設置於該地基96與該質量塊3的支撐架961，該等支撐架961用以供該齒軌4與該阻尼單元5設置。

該飛輪54設置於該傳動模組52與該發電模組53之間，由於該發電模組53與該飛輪54為同軸轉動，因此，改變該飛輪54之設置位置並不會改變其運作特性。

其中，該等彈簧61設置於該質量塊3之兩側(沿垂直圖面方向之兩側)，且為水平設置(垂直圖面之方向)，每一彈簧61一端設置於該質量塊3，另一端則可以是設置在由該基礎板95向下延伸的一設置座(圖未示)，以使該彈簧61可呈水平方向伸縮而提供沿水平方向的復位力。

如此，該第四實施例亦可達到與上述第一實施例相同的目的與功效。

綜上所述，本發明具飛輪之電磁式阻尼裝置具有衝程大小不受限制之功效，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。