专利名称：发电机耗能可调谐质量阻尼器的制作方法
技术领域：
本发明属房屋建筑技术领域，具体涉及一种能对高层建筑或高耸结构的振动进行控制的发电机耗能可调谐质量阻尼器(TMD)。
在传统的结构设计中，一般是通过增大结构强度、刚度与延性来增强结构自身的抗御风、地震等灾害的能力。而结构控制则是通过在结构上安装控制机构对结构施加控制力，以减轻由于外部激励所引起的结构振动。
结构振动控制可分为被动控制、主动控制和混合控制三种。被动控制是指在无外加能源供给情况下，控制力是在控制装置随结构一起振动或变形时，引起装置自身的运动或变形而被动产生的。主动控制是在有外加能源供给情况下，控制力是控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。混合控制就是在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一种方式的主、被动控制装置，这样可以充分发挥各种控制形式和各种方式的长处。
结构的被动控制不需要能源，原理和装置都比较简单，实现起来比较容易，适用性、可靠性较好，因此在土木工程中应用较多。被动控制可分为吸能减振、基础隔振、耗能减振等三类。吸能减振在工程实践尤其在超高层建筑中用得较多，大致可以分为两类1、调谐质量阻尼器调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper-TMD)就是在建筑主体结构上部附加一个质量块、弹簧、阻尼器，组成一个子振动系统。原主体结构上安装了TMD系统后，结构的动力特性将发生较大的变化。当结构承受地震和强风等动力荷载时，既可通过TMD与主结构的相互作用，实现能量从主结构向TMD系统的转移并加以消耗，达到减小主结构振动的目的。
2、调谐液体阻尼器调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper-TLD)在结构振动控制中的应用始于二十世纪80年代。它是利用调整液体阻尼器，在结构振动过程中，液体对阻尼器箱壁产生的动压差来作为结构控制力的，从而达到在地震或强风时，减小结构振动的目的。
目前TMD、TLD装置已被用于美国波士顿的John Hancock大厦、纽约的Citicorp大楼及澳大利亚悉尼Centerpoint电视塔、加拿大多伦多电视塔及日本很多建筑物的风振或地震响应控制。在我国也有一些电视塔与建筑物采用TMD、TLD等装置进行结构控制。由于TMD、TLD等装置体积一般很大，往往要占用很大空间，因此在实际TLD的应用中，常利用建筑物已有的水箱设备层等作为装置的一部分。
对于TMD理论研究证明，存在一个最佳的TMD阻尼系数，将TMD的阻尼器调整在此值时，建筑物能得到最有效的减振效果，大于或小于此值，减振效果将明显降低。为此，在工程实践中，都将阻尼器的参数设计得可以调整。并且要求参数在很长的时间内稳定，这样可以保证建筑物也在很长的时间内具有最有效的减振效果。
设计出来的TMD质量、弹簧参数要在实际工程上实现，相对来说还比较容易。但要实现一个参数在很长时间内稳定、参数又容易调节的阻尼器，就不那么简单了。因此设计一个成功的阻尼器往往成为设计TMD的关键。在现有工程实践中已应用的TMD阻尼器的方式有多种；电液伺服式、液压阻尼式等。其中电液伺服式效果很好，阻尼系数方便可调，相对来说也比较稳定，但是造价昂贵，需要良好的保养和维修。液压阻尼式的阻尼系数受到温度和油品质随时间改变的影响，不能在长时间内稳定，因此不能在长时间内得到最佳的减振效果。
本发明设计的调谐质量阻尼器(TMD)由质量(m)、弹簧组(k)、阻尼器(c)组合构成，其结构原理图如
图1所示。其中阻尼器(c)采用一个发电机。
本发明的TMD质量(m)由滑动机架和附加质量组成，滑动机架由底部的滚动轴承支撑，侧向设置有限位轴承，对滑动机架的滑动加以限位。
本发明的TMD弹簧组有两组弹簧，每组弹簧一端与滑动机架相连，另一端与底板上的弹簧支架相连。两组弹簧成差动连接，即支架的安装位置应保证在滑动机架静止在中位时，两边的弹簧都受到一半的预拉伸。这种弹簧的差动连接可以使滑动机架连同TMD附加质量(m)在整个振动期间，使弹簧一直处于拉紧的直线状态，不会出现因弹簧松弛而相互碰撞的干扰，同时也提高了弹簧的线性。每组弹簧可以有若干根弹簧，可以通过弹簧数量的增减，调节弹性系数。
本发明的TMD发电机阻尼器安装在滑动机架下面，滑动机架底部安装有一根齿条，齿条与发电机阻尼器的齿轮相啮合，带动发电机转子转动。转子外接有一个可变电阻，用以调节转子电流，以便得到最佳阻尼。发电机定子可通有直流电流，以便在定子中产生恒定磁场。
上述TMD中，发电机可以直流型或交流型，定子的励磁可以为外源励磁方式或永久磁铁励磁方式。
本发明中，TMD的质量(m)、两组弹簧(k)和发电机阻尼器件(c)安装在一个金属铁底板上，构成了一个完整的TMD。
本发明的工作原理如下利用TMD质量运动，通过齿条-齿轮传动机构，带动发电机转动，发电机定子线圈通有直流电，产生一个恒定磁场。发电机转子由于切割了磁力线而产生感应电势，外接电阻后，产生电流，同时耗能。转子的电流在定子磁场的作用下，受到了阻尼力；因此在TMD的质量运动时，质量也就受到来自发电机的阻尼力。
建筑物在风或地震作用下的振动能量传递成顶部的TMD质量的振动，使发电机发电，并在外接电阻上以热能快速消耗，最终使建筑物的振动得到很大的衰减。
本发明设计的TMD装置安装在一个钢结构的模型上，并进行了模拟地震的振动台的试验。模型试验的结果表明应用发电机阻尼器的TMD用于高层建筑或高耸结构的振动控制效果明显。
本发明的优点如下1、由于发电机阻尼器的定子线圈内的电流和定子的磁场，可以通过调节直流电压，方便地得到调整；另外，发电机转子的输出电流也可以通过调节外接电阻的大小，方便地进行调整，为此阻尼系数可以在很大的范围内方便地设定，并且可设定在最佳值。从而使高层建筑抗风、抗震达到最佳效果。
2、一旦发电机阻尼器安装和调整好之后，由于导线材料、电阻材料以及磁性材料的物理特性，几十年是不会又什么变化的。而定子线圈的电流等参数要保持稳定，已不是难事。因此TMD阻尼系数的时间稳定性很好，可以实现几十年不变。从而保证了这种TMD装置的最佳减振效果长期保持不变。
3、TMD采用多根弹簧方式，可以方便地采用增加或减少弹簧根数的方法，调整弹性系数。两组弹簧组的差动连接，提高了弹簧的线性，也使弹簧在工作时，始终保持在原位。
4、结构简单可靠，易制造，造价低。由于稳定性好，又无什么复杂的传动机构，所以几乎没有什么保养维修。与采用液压阻尼器、电液伺服阻尼器的TMD相比，节省了很多人力和费用。
5、由于结构简单，制造方便，产品可以实现系列化、标准化，尤其是发电机阻尼器，可以在现有的发电机中广泛选择。如果采用定子为永久磁铁的发电机，定子供电也可取消。
6、高层建筑和高耸结构可以利用闲散空间大小选用大小不同的TMD产品，实现群体TMD减振方法，克服了有些TMD装置(电液伺服TMD)必须在高层占用楼面很大面积，从而减少建筑的使用面积的不足。
图2为本发明的TMD结构图示。其中图2(a)为侧面图示，图2(b)为平面图示。
图中标号M-建筑物等效质量；K-建筑物等效弹簧；C-建筑物等效阻尼；1为TMD质量，2为TMD弹簧组，3为TMD阻尼，4为齿条，5为发电机，6为导轮(滚动轴承)，7为TMD弹簧连接支架，8为限位轴承，9为滑动机架，10为齿轮。
实施例TMD的质量主要为机架质量，再根据需要，可以附加额外质量。机架9用50*50的角钢焊接成矩形框架，中部焊有一个附加质量支架和弹簧组的连接支架。所有这些运动部件连同附加质量，组成了TMD的质量(m)，共有160公斤。在框架底部两侧共有10个外直径为50毫米的滚动轴承6支撑。为了防止框架在振动时左右晃动，框架两侧另由6个外直径为50毫米的限位轴承8。根据TMD设计的质量要求，附加质量由10公斤铁板组成。
TMD的弹簧2的弹簧长度为320毫米、外经为20毫米，共有92根，均分成两组，每组一端连接在矩形框架9上，另一端连接在底板弹簧支架7上。
TMD的发电机阻尼器5是一台功率为500瓦，转速为2400转/分的直流电机，定子由直流电源供电，2.5A。转子的外接电阻为0-50欧姆的瓷釉滑线电阻器。转子直接连齿轮10，齿轮的齿数为30，摸数为1.25，齿条4长度为750毫米，宽度为18毫米，齿轮10与齿条4直接啮合。
以上所述的部件全部安装在一块2000毫米*2000毫米厚度为10毫米的钢底板上，形成了整套TMD。
整套TMD装置安装在一个由小型型钢焊接而成的钢结构架子上，钢架外形尺寸为2000毫米*2000毫米*6000毫米，分3层。整个钢架连同TMD装置，安装在振动台上做了模拟多种地震的试验。试验证明；顶层位移的减振效果达到40％左右。
权利要求
1.一种调谐质量阻尼器，由质量(m)、弹簧组(k)、阻尼器(c)组合构成，其特征在于阻尼器(c)采用一个发电机。
2.根据权利要求1所述的调谐质量阻尼器，其特征在于质量(m)由滑动机架和附加质量组成，滑动机架由底部的滚动轴承支撑，侧向设置有限位轴承。
3.根据权利要求1所述的调谐质量阻尼器，其特征在于弹簧组(k)为两组弹簧，每组弹簧的一端与滑动机架相连，另一端与底板上的弹簧支架相连，两组弹簧成差动连接。
4.根据权利要求3所述的调谐质量阻尼器，其特征在于弹簧的弹性系数通过增减每组弹簧的个数来调节。
5.根据权利要求1所述的调谐质量阻尼器，其特征在于发电机安装于滑动机架下面，滑动机架底部安装有一根齿条，该齿条与电动机阻尼器的齿轮啮合，带动发电机转子转动；转子外接有一个用于调节转子电流的可变电阻。
6.根据权利要求5所述的调谐质量阻尼器，其特征在于发电机可以为直流型或交流型，定子励磁为外源励磁方式或永久磁铁励磁方式。
全文摘要
本发明是一种采用发电机作阻尼器的TMD装置。由TMD质量、发电机阻尼器、弹簧组组合构成。发电机通过齿轮齿条啮合，连接到TMD的质量，使质量在振动时带动发电机发电耗能形成阻尼，改变外接的负载电阻可以方便地改变阻尼系数。TMD的质量两端连有两组弹簧，弹簧多少的选用使TMD的弹性系数(或TMD的自振频率)方便可调，而预拉伸的差动连接有利于弹簧定位和改善线性。本装置安装在高层顶部，将阻尼系数设定在最佳值，使高层建筑的抗风、抗震达到最佳效果，并且可保持长期稳定。
文档编号H02P9/00GK1421581SQ0214511
公开日2003年6月4日 申请日期2002年11月7日 优先权日2002年11月7日
发明者吕西林, 方重 申请人:同济大学