一种能量回收式电涡流阻尼器的制作方法

本发明属于土木工程的振动控制领域，具体涉及一种能量回收式电涡流阻尼器，主要应用于控制高层建筑和高耸结构的振动响应。

技术背景

传统的结构强度设计方法通过增强结构自身抗力来抵抗外力。随着科学技术的不断进步，人类抵抗各种自然灾害的能力不断提高，近年来振动控制技术是建筑结构抗震领域内的一个新的研究热点，它是通过采用结构振动控制理论和方法来增强结构的抗振能力。

结构振动控制技术根据所采取的控制措施是否需要外部能源可分为：被动控制、主动控制和半主动控制。常用的被动控制方式有隔震技术、吸振技术和耗能技术。被动控制具有无需外部能源、构造简单等优点且具有良好的减振效果，在工程中得到了广泛的应用。但是其无法根据振动的变化情况做出相应的调整且适应能力较差。主动控制方式主要有主动调谐质量控制系统、主动锚索控制系统和空气动力附件系统等。其通过实时计算驱动作动器对控制目标施加一定影响，达到智能控制结构振动的目的。但是主动控制制造技术复杂，造价昂贵，其应用范围相对较小。

半主动控制只需要输入少量的能量即可实现与主动控制相近的控制效果，且构造相对简单，造价经济，因此具有广泛的应用前景。其中，电涡流阻尼器利用电磁感应原理，导体处于变化磁场中切割磁感线，导致磁通量就会发生变化，从而产生电涡流阻碍导体与磁场相对运动的阻尼力，最终结构振动的能量将以热量耗散掉。电涡流阻尼器不改变被控结构的动力特性，同时不需要考虑粘滞阻尼器或磁流变阻尼器中液体介质的密封问题。以往针对电涡流阻尼器，为了大幅度增加阻尼器提供的阻尼力，可以通过缠绕线圈增加磁场强度来实现半主动智能控制结构振动的目的。但是这种方法需要配置外部电源，使得阻尼器的设计和构造难度大大增加。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种能量回收式电涡流阻尼器，旨在减小高层建筑或高耸结构在风荷载及地震作用下的水平振动响应，达到耗能减振的目的。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种能量回收式电涡流阻尼器，包括一个外筒，所述的外筒中设有一个滚珠丝杠副、一个内筒i和一个内筒ii；

所述的滚珠丝杠副的一端连接在所述的内筒i，另一端悬空；在丝杠螺母副的螺母外圈设有多个钢板；螺母的两端固定连接设有发电模块，发电模块由转子和定子组成；转子由永磁体和转子磁轭组成；所述转子外周为定子铁芯，定子铁芯上设有定子绕组，所述的定子铁芯外部紧固连接有定子外壳，转子与定子外壳端面处设有平面轴承，使得螺母带动转子旋转时不会发生轴向位移；定子外壳上设有导线出口，导线由导线出口伸出外接固定在内筒ii外壁的整流器，所述的整流器与外部增设的蓄电池连接；所述的蓄电池与加速度传感器、控制器和通电线圈组成串联控制电路；所述的加速度传感器固定在受控结构上。

所述的内筒ii内部中空形成阻尼腔，内筒ii位于所述的钢板下方，内筒ii固定在外筒底板上与定子外壳相连；所述的阻尼腔内部设有磁铁，磁铁的磁极交错布置且相邻磁铁间留有用于通过钢板的间隙，磁铁上缠绕有通电线圈

所述的内筒i内设置设有质量块和导向杆，所述的导向杆水平设置且与丝杆轴线垂直，所述的导向杆贯穿质量块中部的通孔且两端固定在内筒i内壁上；质量块的两端通过弹簧与内筒i相连。

进一步的技术方案为：所述的外筒由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

进一步的技术方案为：所述的钢板为导体，材料可为铜或铝。所述的弹簧由智能材料形状记忆合金制作而成。

进一步的技术方案为：所述的质量块底部设有定向轮，使得质量块能沿导向杆在与丝杆轴线垂直的水平方向上自由移动。所述的内筒i的底部也设有定向轮，使得质量块和内筒i能在沿着丝杠轴线方向发生移动。

进一步的技术方案为：所述的钢板设置有多圈，每圈均匀设置多个。

本发明的工作原理如下：

外筒水平轴线方向可分为x向和y向；定义滚珠丝杠轴线所在的方向为x方向；与滚珠丝杠轴线垂直的方向为y方向；将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构的顶部。在地震或风荷载作用下，主体结构发生振动。当主体结构发生轴线x方向振动时，质量块由于惯性带动导向杆与内筒i同时在水平x方向上移动，内筒i移动通过刚性杆拉动丝杆在水平x方向上发生位移。由于固定在阻尼腔内壁上的定子外壳的限制，螺母和转子发生旋转。螺母外周上固定的钢板在磁铁间隙中转动，钢板不断切割磁感线导致钢板中磁通量发生变化，产生电涡流抑制螺母转动速度并减缓丝杆的轴向移动，最终实现控制结构振动的目的。同时，转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组切割磁感线发电产生电流，电流经过固定在内筒ii外壁的整流器整流后，将电能储存在蓄电池内。加速度传感器接收到主体结构的振动信号并传递给控制器，控制器根据结构振动加速度的大小控制通电线圈中的电流大小，实时增加了磁场强度并提高了输出阻尼力，进一步抑制主体结构的水平振动。

当主体结构发生轴线y方向振动时，质量块由于惯性沿导向杆在内筒i内发生移动。质量块移动导致弹簧发生拉伸或压缩，弹簧给质量块提供了一个与运动方向相反的阻尼力，进而实现控制主体结构振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的具有良好的变形可恢复能力，将工作后的减振装置恢复到原始状态，避免影响到下次应用时的工作性能。

本发明的有益效果是：

(1)本发明利用滚珠丝杠副将主体结构的水平振动转化为减振构件的高速旋转，相比传统的传动机械有较高的联动效率。当发生振动时，钢板与两侧的磁铁发生相对转动，在钢板中产生电涡流，增加了减振装置的工作效率。

(2)本发明利用电磁感应原理，导体在磁场中运动导致磁通量的变化，产生电涡流最终以热量的形式耗散掉。磁铁外部套设的线圈的充磁方向与磁铁的磁场方向相同，使得磁场强度可以根据振动的强烈程度而实时调整。同时，在无电力供应时，阻尼器也可以正常工作。

(3)本发明通过螺母旋转带动转子与定子发生相对转动，产生电量经过整流后存储在蓄电池中。根据结构振动大小给通电线圈输出电流，增大磁场强度使得阻尼器提供更大的阻尼力，在不影响阻尼器原有减振性能的基础上实现能量回收。

(4)本发明采用智能材料形状记忆合金，利用其显著的超弹性效应，在主体结构振动时提供所需的阻尼力，振动结束后将减振装置恢复原状，避免影响到下次应用时的工作性能。

(5)本发明利用自供电式智能控制技术，使其振动控制效果与主动控制效果相近，而与主动控制相比有具有结构简单，造价经济等良好优点，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种能量回收式电涡流阻尼器的俯视图；

图2为一种能量回收式电涡流阻尼器的主视图；

图3为一种能量回收式电涡流阻尼器的a-a剖面图；

图4为一种能量回收式电涡流阻尼器的b-b剖面图；

图5为一种能量回收式电涡流阻尼器的c-c剖面图；

图6为一种能量回收式电涡流阻尼器的阻尼腔构造图；

图7为一种能量回收式电涡流阻尼器的控制电路示意图

图中，1外筒，2内筒i，3质量块，4导向杆，5弹簧，6丝杆，7螺母，8滚珠，9钢板，10平面轴承，11刚性杆，12永磁体，13定子绕组，14定子外壳，15定向轮ⅰ，16定向轮ⅱ，17转子磁轭，18定子铁芯，19内筒ii，20磁铁，21整流器，22发电模块，23蓄电池，24加速度传感器，25控制器，26通电线圈。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如

背景技术：
所介绍的，现有技术中半主动控制只需要输入少量的能量即可实现与主动控制相近的控制效果，且构造相对简单，造价经济，因此具有广泛的应用前景。其中，电涡流阻尼器利用电磁感应原理，导体处于变化磁场中切割磁感线，导致磁通量就会发生变化，从而产生电涡流阻碍导体与磁场相对运动的阻尼力，最终结构振动的能量将以热量耗散掉。电涡流阻尼器不改变被控结构的动力特性，同时不需要考虑粘滞阻尼器或磁流变阻尼器中液体介质的密封问题。以往针对电涡流阻尼器，为了大幅度增加阻尼器提供的阻尼力，可以通过缠绕线圈增加磁场强度来实现半主动智能控制结构振动的目的。但是这种方法需要配置外部电源，使得阻尼器的设计和构造难度大大增加，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种能量回收式电涡流阻尼器。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种能量回收式电涡流阻尼器，包括一个外筒1、一个滚珠丝杠副、一个内筒i2和一个内筒ii19。滚珠丝杠副包括一个丝杆6、螺母7和数个滚珠8组成。丝杆6部分和螺母7之间形成循环通道，其中设有滚珠8。螺母7外周设有钢板9，钢板9下部设有固定在外筒1底板上的内筒ii19，内筒ii19内部中空形成阻尼腔，阻尼腔内部设有磁铁20，磁铁20的磁极交错布置且相临两个磁铁20间留有通过钢板9的间隙，磁铁20上缠绕有通电线圈。丝杆6的一端设有刚性杆11，刚性杆11的另一个端面固定连接在内筒i2侧壁上；丝杆6的另一端悬空。

如图1所示，定义平行于丝杆6轴线方向为水平x方向，垂直于丝杆6轴线方向为水平y方向。内筒i2内置放质量块4，质量块3内部沿水平y方向贯穿通孔，内部设有导向杆4，导向杆4的两端固定在内筒i2的内壁上。在内筒i2内部沿水平y方向设有弹簧5，弹簧5两端分别固定在质量块3和内筒i2内壁上。质量块3底部设有定向轮ⅰ15，使得质量块3可以沿导向杆4在内筒i2内水平移动。内筒i2底部也设有定向轮ⅱ16，使得内筒i2及内部结构可以在水平x方向上移动。

螺母7两端固定连接设有发电模块22，发电模块22由转子和定子组成。转子由永磁体12和转子磁轭17组成。转子外周为定子铁芯18，定子铁芯18上设有定子绕组13，定子铁芯18外部紧固连接有定子外壳14，转子与定子外壳14端面处设有平面轴承10，使得螺母7带动转子旋转时不会发生轴向位移。定子外壳14与内筒ii19外壁固定。定子外壳14上设有导线出口，导线由导线出口伸出外接固定在内筒ii19外壁的整流器21，所述的整流器21与外部增设的蓄电池23连接。所述的蓄电池23与加速度传感器24、控制器25和通电线圈26组成串联控制电路。所述的加速度传感器24固定在受控结构上。

外筒由不锈钢绝缘材料制成，在露天环境下对内部装置起到保护作用。

钢板为导体，材料可为铜或铝。所述的弹簧由智能材料形状记忆合金制作而成。

质量块底部设有定向轮，使得质量块能沿导向杆在与丝杆轴线垂直的水平方向上自由移动。所述的内筒i的底部也设有定向轮，使得质量块和内筒i能在沿着丝杠轴线方向发生移动。

将该阻尼器固定于高层建筑或高耸结构的顶部。在地震或风荷载作用下，主体结构发生振动。当主体结构发生轴线x方向振动时，质量块3由于惯性带动导向杆4与内筒i2同时在水平x方向上移动，内筒i2移动通过刚性杆11拉动丝杆6在水平x方向上发生位移。由于固定在阻尼腔内壁上的定子外壳14的限制，螺母7和转子发生旋转。螺母7外周上固定的钢板9在磁铁20间隙中转动，钢板9不断切割磁感线导致钢板9中磁通量发生变化，产生电涡流抑制螺母7转动速度并减缓丝杆6的轴向移动，最终实现控制结构振动的目的。同时，转子与定子组成内转子直驱发电机结构，当转子旋转时，定子绕组13切割磁感线发电产生电流，电流经过固定在内筒ii外壁的整流器整流后，将电能储存在蓄电池内。加速度传感器接收到主体结构的振动信号并传递给控制器，控制器根据结构振动加速度的大小控制通电线圈中的电流大小，实时增加了磁场强度并提高了输出阻尼力，进一步抑制主体结构的水平振动。

当主体结构发生轴线y方向振动时，质量块3由于惯性沿导向杆4在内筒i2内发生移动。质量块3移动导致弹簧5发生拉伸或压缩，弹簧5给质量块4提供了一个与运动方向相反的阻尼力，进而实现控制主体结构振动的目的。当振动结束后，由于形状记忆合金的具有良好的变形可恢复能力，将工作后的减振装置恢复到原始状态，避免影响到下次应用时的工作性能。

该阻尼器利用滚珠丝杠副将主体结构的水平振动转化为减振构件的高速旋转，相比传统的传动机械有较高的联动效率。并利用电磁感应原理，当发生振动时，钢板与两侧的磁铁发生相对转动，钢板在磁场中运动导致磁通量的变化，产生电涡流最终以热量的形式耗散掉。磁铁外部套设的线圈的充磁方向与磁铁的磁场方向相同，使得磁场强度可以根据振动的强烈程度而实时调整。同时，在无电力供应时，阻尼器也可以正常工作。

该阻尼器利用转子与定子组成的内转子直驱发电机结构，产生电量经过整流后存储在蓄电池中。根据结构振动大小给通电线圈输出电流，增大磁场强度使得阻尼器提供更大的阻尼力，在不影响阻尼器原有减振性能的基础上实现能量回收。

本发明利用自供电式智能控制技术，使其振动控制效果与主动控制效果相近，而与主动控制相比有具有结构简单，造价经济等良好优点，具有良好的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。