一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器

技术领域

本发明属于土木工程减振控制设备技术领域，具体而言，涉及一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器。

背景技术

对于动力荷载作用下的土木工程结构，在结构中恰当地安装振动控制系统能够有效地减小结构的动力反应，提高结构的振动舒适度水平，减轻结构构件的破坏或损伤以及提高结构的抗灾能力。大量的研究表明，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，简称TMD)对于风振和地震都有较好的减振效果，但TMD具有频率调谐敏感，控制频带窄等缺陷。故而国内外学者提出了主动调谐质量阻尼器(Active Tuned Mass Driver，简称ATMD)，绝大多数的ATMD采用液压装置或伺服电机驱动。其中，液压驱动出力较大，适用于大型土木工程结构，但其结构复杂、制造成本较高，且其操作频率低、反应相对较慢，导致控制效果较差且存在控制不稳定等隐患。而伺服电机驱动对液压驱动作了一些改进，一定程度上提高了系统的工作性能和控制效果，但需要借助于机械传动部件等中间环节，机械部件间的摩擦会使得控制装置存在响应时间慢、控制精度低及加速度受限等缺陷。

针对液压和电机驱动型ATMD存在的诸多问题，学者们提出了电磁驱动型ATMD，现有的电磁驱动型ATMD通过直接把质量块与电磁驱动装置一体化,利用电磁推力推动质量块运动,不需要中间运动形式变换。目前，电磁驱动型ATMD多为平板式，但是，因质量块磁悬浮于驱动装置而需要额外的磁悬浮构件，此外，由于需要通过导向杆等与驱动装置相连接而仍存在一定的摩擦。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器，旨在有效解决上述问题。

本发明实施例提供的一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器，包括：

与外部建筑结构固定连接的悬吊装置；

悬吊于所述悬吊装置下的质量块；

设置于所述质量块下方的电磁驱动装置；

位于所述电磁驱动装置下且固定连接于所述建筑结构上的保护底座；

其中，所述质量块的底部设有第一弧形结构，所述电磁驱动装置的顶部设有与所述第一弧形结构的曲率相一致的第二弧形结构，所述质量块上安装有第一电磁感应元件，所述电磁驱动装置上安装有第二电磁感应元件，以通过改变所述第一电磁感应元件或第二电磁感应元件中的电流来形成不同的电磁驱动力，且所述电磁驱动力的方向与所述质量块作单摆运动所形成轨迹的切线方向相平行。

进一步地，所述第一电磁感应元件为直流励磁线圈，所述第二电磁感应元件为第一三相绕组。

进一步地，所述第一电磁感应元件为第二三相绕组，所述第二电磁感应元件为第一永磁铁。

进一步地，所述主动调谐质量阻尼器还包括用于保证所述质量块在振动时作单摆运动的吊索，所述吊索的一端与所述悬吊装置固定连接、另一端与所述质量块固定连接。

进一步地，所述主动调谐质量阻尼器还包括用于调整所述吊索长度的间隙微调装置。

进一步地，所述保护底座上还设置有限位缓冲装置。

进一步地，所述限位缓冲装置包括多个液压缓冲器和与外部电源电性连接的机械限位开关。

进一步地，所述电磁驱动装置包括初级部和次级部，所述次级部位于所述初级部的两侧，所述初级部内设置有第三三相绕组，所述次级部内设置有第二永磁体，所述第三三相绕组设置于所述初级部嵌入所述次级部内的区域或所述初级部位于所述次级部下的区域。

进一步地，所述电磁驱动装置还包括初级安装底座和背铁，所述初级安装底座与所述第三三相绕组一体成型，所述背铁安装于所述次级部的外侧。

进一步地，所述主动调谐质量阻尼器固定安装于所述建筑结构的顶层，所述建筑结构上还设置有用于采集自身振动信息的传感器和用于改变所述第一电磁感应元件或第二电磁感应元件中电流的控制器。

本发明实施例的有益效果至少有以下方面：

1、首先，将所述质量块悬吊于所述悬吊装置下，以保证所述质量块在相应的平面内作单摆运动，避免采取额外的悬浮构件，结构简单和经济；

2、其次，在所述质量块的下方设置电磁驱动装置，通过安装于所述质量块上的第一电磁感应元件和安装于所述电磁驱动装置上的第二电磁感应元件，以对所述质量块施加相应的电磁驱动力，由于无需通过导向杆与电磁驱动装置连接，因此，不存在摩擦且能够有效减小建筑结构的振动。当控制器停止主动控制时，所述主动调谐质量阻尼器相当于电涡流被动TMD系统，可以发挥其被动控制的作用和效果，具有Fail-safe的可靠性。同时，通过改变所述电磁驱动装置中的电流可以改变被动TMD系统的附加阻尼，在控制器发挥主动控制作用时，所述主动调谐质量阻尼器变为主动ATMD系统。

3、此外，在所述质量块的底部设有第一弧形结构和在所述电磁驱动装置的顶部设有第二弧形结构，且所述第一弧形结构和第二弧形结构的曲率相一致，从而能够有效防止所述质量块在作单摆运动过程中与所述电磁驱动装置相撞。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例提供的主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的应用于图1中的电磁驱动装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的应用于图1中的电磁驱动装置的实现形式示意图。

图中标记分别为：

悬吊装置100； 吊索200； 质量块300； 电磁驱动装置400；

保护底座500； 第一电磁感应元件600； 第二电磁感应元件700；

间隙微调装置800； 限位缓冲装置900； 初级部101；

次级部102； 背铁103； 初级安装底座104。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。

此外，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。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器可以包括悬吊装置100、质量块300、电磁驱动装置400和保护底座500。其中，所述悬吊装置100与外部的建筑结构固定连接，所述质量块300悬吊于所述悬吊装置100的下方，所述电磁驱动装置400设置于所述质量块300的下方，所述保护底座500位于所述电磁驱动装置400下且固定连接于所述建筑结构上，所述保护底座500呈凹槽形。

本实施例中，通过将所述质量块300悬吊于所述悬吊装置100下，并保证所述质量块300在相应的平面内作单摆运动，避免采取额外的悬浮构件，结构简单和经济。

为了产生匹配的电磁驱动力，在所述质量块300上安装有第一电磁感应元件600和在所述电磁驱动装置400上安装有第二电磁感应元件700，所述第二电磁感应元件700与所述第一电磁感应元件600相对应。其中，所述第一电磁感应元件600或第二电磁感应元件700与外部电源电连接。

实施时，通过改变流入所述第一电磁感应元件600或第二电磁感应元件700中的电流来形成不同的电磁驱动力，且所述电磁驱动力的方向与所述质量块300作单摆运动所形成轨迹的切线方向相平行。

具体地，当所述第一电磁感应元件600为直流励磁线圈时，所述第二电磁感应元件700为第一三相绕组。实施时，往所述第一三相绕组中通入三相对称正弦电流后，产生气隙磁场。所述第一三相绕组的次级不通电时，所述质量块300在气隙磁场中运动，则会产生相应的感生或感应电动势，从而形成电涡流。此时，ATMD(Active Tuned Mass Driver，主动调谐质量阻尼器)系统相当于电涡流TMD(Tuned Mass Damper，调谐质量阻尼器)系统。当所述第一三相绕组的次级中通入直流电时，其产生的磁场和气隙磁场相互作用便产生了电磁驱动力，推动次级运动，实现主动控制。因此，可通过改变其初级中的交流电和次级中的直流电的频率和辐值来控制所述质量块300的运动状态。

具体地，当控制器停止主动控制时，所述主动调谐质量阻尼器相当于电涡流被动TMD系统，可以发挥其被动控制的作用和效果，具有Fail-safe的可靠性。同时，通过改变所述电磁驱动装置400中的电流可以改变被动TMD系统的附加阻尼，在控制器发挥主动控制作用时，所述主动调谐质量阻尼器变为主动ATMD系统。本实施例中，所述控制器优选为主动控制作动器。

当所述第一电磁感应元件600为第二三相绕组时，所述第二电磁感应元件700为第一永磁铁。其中，所述第一永磁铁可提供大小恒定的磁场。在往所述第二三相绕组中通入电流后，产生的磁场与所述第一永磁体产生的磁场相互作用，进而产生电磁驱动力，推动所述质量块300运动，实现主动控制。因此，可通过改变所述第二三相绕组中的电流来控制所述质量块300的运动状态。

可以理解的是，在所述质量块300的下方设置电磁驱动装置400，通过安装于所述质量块300上的第一电磁感应元件600和安装于所述电磁驱动装置400上的第二电磁感应元件700，以对所述质量块300施加相应的电磁驱动力，由于无需通过导向杆与电磁驱动装置400连接，因此，不存在摩擦且能够有效减小建筑结构的振动。

本实施例中，所述质量块300可以为非规则柱状结构，所述质量块300的底部设有第一弧形结构。所述电磁驱动装置400呈矩形槽状，所述电磁驱动装置400的顶部设有第二弧形结构。所述第一弧形结构和第二弧形结构的曲率相一致，从而能够有效防止所述质量块300在作单摆运动过程中与所述电磁驱动装置400相撞。

进一步地，所述主动调谐质量阻尼器还包括吊索200。其中，所述吊索200的一端与所述悬吊装置100固定连接、另一端与所述质量块300固定连接。实施时，所述质量块300通过所述吊索200悬吊于所述悬吊装置100的下方。优选地，所述吊索200包括位于所述质量块300两侧的第一吊索和第二吊索，以保证所述质量块300在相应的平面内作单摆运动。

由于所述电磁驱动装置400对三相绕组的初级和次级之间的间隙要求较高，约为2mm-10mm之间，考虑到上下结构变形、连接部件伸长率、曲面加工精度、结构安装焊接精度等影响，间隙往往难以一步到位。为此，本发明实施例提供的一种主被动一体化悬吊式电磁驱动的主动调谐质量阻尼器还包括间隙微调装置800，所述间隙微调装置800用于调整所述吊索200的长度，从而调整初级与次级间的间隙。

为了防止质量块300运动幅度过大而受损或损伤主体建筑结构，在所述保护底座500上还设置有限位缓冲装置900。具体地，所述限位缓冲装置900包括多个液压缓冲器和与外部电源电性连接的机械限位开关。

实施时，当所述质量块300摆动振幅超过预设限值时，所述质量块300会撞击所述液压缓冲器以减缓并限制所述质量块300的运动，同时会触碰所述机械限位开关，由于机械限位开关与外部电源电性连接，从而会强行关闭电源，确保所述电磁驱动装置400不再使所述质量块300加速运动。

如图3所示，所述电磁驱动装置400可以包括初级部101和次级部102。其中，所述次级部102位于所述初级部101的两侧。在所述初级部101内设置有第三三相绕组以及在所述次级部102内设置有第二永磁体。另外，所述第三三相绕组设置于所述初级部101嵌入所述次级部102内的区域中，所述第三三相绕组还可以设置于所述初级部101位于所述次级部102下的区域。

本实施例中，所述电磁驱动装置400还包括初级安装底座104和背铁103。其中，所述初级安装底座104与所述第三三相绕组一体成型，所述背铁103安装于所述次级部102的外侧。实施时，所述第三三相绕组按预设的排列方式摆放后通过注塑的方法与所述初级安装底座104制成一个整体，如此便于所述电磁驱动装置400或其它部件的连接安装。另外，所述背铁103的外侧可悬挂所述质量块300。由于所述初级部101与次级部102在水平方向与竖直方向均不接触，从而能够防止因摩擦而影响到控制效果。实施时，可通过改变所述第三三相绕组中的电流来控制质量块300的运动。此外，所述电磁驱动力作用于所述次级部102的内表面，方向始终平行于所述初级部101运动方向的切向。

本实施中，所述悬吊装置100优选为支撑钢框架，所述支撑钢框架可内嵌于所述建筑结构内部或固定于所述建筑结构的顶端。另外，所述建筑结构上还设置有传感器和控制器。其中，所述传感器用于采集自身的振动信息，所述控制器用于改变所述第一电磁感应元件600或第二电磁感应元件700中的电流。根据建筑结构上安装的传感器采集结构响应，结合适当的控制算法，计算出控制电流，通过控制器施加于所述电磁感应装置，从而产生电磁驱动力并推动所述质量块300运动，进而能够共同抵御动荷载的作用，减小建筑结构的动力反应。

综上所述，本发明实施例的有益效果至少有以下方面：

首先，将所述质量块300悬吊于所述悬吊装置100下，以保证所述质量块300在相应的平面内作单摆运动，避免采取额外的悬浮构件，结构简单和经济。

其次，在所述质量块300的下方设置电磁驱动装置400，通过安装于所述质量块300上的第一电磁感应元件600和安装于所述电磁驱动装置400上的第二电磁感应元件700，以对所述质量块300施加相应的电磁驱动力，由于无需通过导向杆与电磁驱动装置400连接，因此，不存在摩擦且能够有效减小建筑结构的振动。当控制器停止主动控制时，所述主动调谐质量阻尼器相当于电涡流被动TMD系统，可以发挥其被动控制的作用和效果，具有Fail-safe的可靠性。同时，通过改变所述电磁驱动装置400中的电流可以改变被动TMD系统的附加阻尼，在控制器发挥主动控制作用时，所述主动调谐质量阻尼器变为主动ATMD系统。

此外，在所述质量块300的底部设有第一弧形结构和在所述电磁驱动装置400的顶部设有第二弧形结构，且所述第一弧形结构和第二弧形结构的曲率相一致，从而能够有效防止所述质量块300在作单摆运动过程中与所述电磁驱动装置400相撞。

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