技术领域
[0001] 本
发明涉及一种主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器，属于工程结构消能减振技术领域。
背景技术
[0002] 当结构体系受到外界动
力荷载激励时，现有的旋转惯性质量阻尼器可以通过
滚珠螺母/螺杆将阻尼器两端平动转
化成转动质量的高速转动，获得较大等效惯性质量及等效负
刚度，取得较好的减震效果。但是由于其等效惯性质量无法根据结构响应状态实时调节，导致无法实现对于结构的最优控制；而阻尼器的出力与其两端
加速度相关，会造成过载时阻尼器出力较大，容易造成阻尼器及其连接装置的破坏。
[0003]
专利201510589913.6(一种可变旋转等效惯性质量阻尼器)则采用行星
齿轮组变速装置，并将电磁阻尼器的线圈缠绕在行星齿轮轴上，通过控制
电路实时调节电磁阻尼器中
电阻值的大小，从而控制行星齿轮轴的加速度，进而改变筒状惯性质量的旋转加速度，达到调节等效惯性质量的目的。但是，该方案的技术局限在于：电磁阻尼器是一种
被动阻尼器，其出力大小与线圈中的
电流大小(即，电路中的电阻值大小)和线圈转速有关，当线圈转速较小时，电磁阻尼器出力也较小，因此其对于筒状惯性质量的旋转加速度控制能力有限。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，克服
现有技术的不足，提供一种主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器。
[0005] 为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
[0006] 一种主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器，包括直流伺服
电机、平动/转动转换装置、
行星齿轮组变速装置、转动质量、
能量收割电路、控
制芯片、控制电路等。本发明通过平动/转动转换装置，将阻尼器两端的相对平动转化为
传动轴的高速转动；通过行星齿轮组变速装置与直流
伺服电机，调节阻尼器的等效惯性质量；实时调节能量收割电路的电阻值以达到所需等效粘滞阻尼值。
[0007] 具体的，本发明所述主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器包括筒状转动质量、直流伺服电机、平动/转动转换装置、行星齿轮组变速装置、电磁
阀、电磁阻尼器、充电
电池、转速
传感器、
压力传感器、左套筒和右套筒。进一步，平动/转动转换装置包括滚珠
丝杠、滚珠螺母、丝杠限位
螺栓和止推
轴承；行星齿轮组变速装置包括行星齿轮轴、行星齿轮、太阳齿轮和齿圈；电磁阻尼器包括
永磁体及线圈；
[0008] 左套筒的左端为双层套筒结构，筒状转动质量采用
滚珠轴承安装于左套筒的内筒与外筒之间，筒状转动质量在其靠近右端部分内设有齿痕并形成齿圈，筒状转动质量与左套筒的外筒之间设置有
转速传感器、
电磁阀，直流伺服电机通过电机支座安装在左套筒的内筒内，滚珠丝杠与直流伺服电机的输出端同轴设置，左套筒的左侧设置有封板，左套筒右侧设置有锥形
支撑结构，滚珠丝杠上设置有丝杠限位螺栓，锥形支撑结构与丝杠限位螺栓通过止推轴承相连，且止推轴承与锥形支撑结构间设置压力传感器。进一步，在锥形支撑结构与左套筒之间还设置有支撑加劲肋；左套筒外
侧壁上设置有高强度
法兰盘，作为整个阻尼器左端的安装法兰。
[0009] 进一步，行星齿轮轴、太阳齿轮的轴线均与滚珠丝杠同轴设置，行星齿轮轴的左端通过电磁阀与直流伺服电机连接，滚珠丝杠的左端穿过行星齿轮轴并与行星齿轮轴固定连接，太阳齿轮固定套设在滚珠丝杠上，行星齿轮可转动地安装在行星齿轮轴上，且行星齿轮同时与太阳齿轮、筒状转动质量内侧的齿圈
啮合；在优选的实施方式中，行星齿轮可以设置有三个；行星齿轮可通过太阳齿轮、行星齿轮轴在直流伺服电机的带动下旋转，进而带动筒状转动质量旋转。
[0010] 右套筒的内腔左端设置有滚珠螺母，滚珠丝杠穿设在滚珠螺母中并与其配套形成滚珠丝杠副，用以将阻尼器两端的
水平运动变成丝杠的高速转动；右套筒的内腔右端设置有电磁阻尼器，滚珠丝杠的右端穿过电磁阻尼器；其中，永磁体固定于滚珠丝杠的右端，线圈缠绕在右套筒内侧并位于永磁体外围；右套筒内腔中还设置有充电电池，线圈与充电电池连接；当滚珠丝杠旋转时，线圈切割磁感线，产生电磁阻尼力及电流，并存储进充电电池。
[0011] 进一步，本发明所述主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器中还设置有控制芯片、控制电路、工作状态电路、能量收割电路。
[0012] 控制电路主要包括：与直流伺服电机连接的控制电路A及与电磁阻尼器相连接的控制电路B；控制电路A、控制电路B分别通过设置于
导线软管内的导线与工作状态电路、充电电池相连接。
[0013] 控制电路A中设置有传感器(转速传感器及压力传感器)、外部
信号接收端口、控制芯片，控制芯片的输入端分别连接传感器(转速传感器及压力传感器)和外部信号接收端口，控制芯片的输出端与直流伺服伺服电机以及电磁阀相连。控制电路A可以根据传感器(转速传感器及压力传感器)及外部信号接收端口传递的系统响应，通过芯片上集成的
算法，实时调节直流伺服电机的
扭矩大小。
[0014] 控制电路B中设置有稳压装置、由集成于控制电路
电路板中的可变电阻及电路构成的能量收割电路、控制芯片；能量收割电路的输入端连接控制芯片，其输出端连接电磁阻尼器的线圈；线圈的输出端连接稳压装置，稳压装置的输出端连接充电电池。
[0015] 工作状态电路中设置有工作状态指示芯片、
液晶显示屏及充电电池；工作状态指示芯片的输入端与控制芯片连接，其输出端与液晶显示屏连接；充电电池的输出端分别与直流伺服电机、控制芯片、工作状态指示芯片和液晶显示屏连接。
[0016] 在本发明中，当阻尼器两端的平动通过平动/转动转化装置转化为滚动丝杠、行星齿轮组变速装置及筒状转动质量的转动；控制电路A根据外部信号接收端口传递的结构响应情况，由控制芯片内嵌算法计算出直流伺服电机所需扭矩；若该扭矩超过直流伺服电机限值则电磁阀进入出力保护状态，若该扭矩在出力范围内，则通过直流伺服电机，改变行星
齿轮转速，从而改变筒状转动质量的转速；通过压力传感器测得的
力反馈大小，判断是否超过阻尼器轴力限值，同时反馈给控制电路A，如果超过允许范围则电磁阀进入保护状态。控制电路B则按照控制芯片指令调节能量收割电路中的可变电阻值，从而达到所需电磁阻尼器阻尼力，并保证在电磁阀进入保护状态时该电磁阻尼器产生最大耗能能力；所收割的能量输入充电电池。
[0017] 本发明提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器为拟负刚度阻尼器，其在随机荷载作用下滞回环表现为负刚度；其负刚度大小及滞回圈饱满程度可以通过控制电路进行调节。
[0018] 本发明提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器采用了直流伺服电机从外界获取能量(
电能)，是一种主动阻尼器。因为伺服电机输出的扭矩在低转速下达到最大，其扭矩转速关系符合电机扭矩转速曲线，故能够在保持原有可变旋转等效惯性质量阻尼器已有优点的同时，在电机扭矩转速曲线内，根据需要即时调节所输出的扭矩的大小，实现对于旋转惯性阻尼器的等效惯性质量与等效粘滞阻尼的高效控制，并有效地减小阻尼力过载时阻尼器的出力。同时，由于丝杠本身的“杠杆”作用，所需电机扭矩相对于阻尼器出力较小(典型情况下，10N·m左右的电机扭矩可以达到约8kN的轴向出力，如图1所示)，故该方案具有较高的可行性。本发明采用模
块式设计，传动概念清晰，传力路径简洁，模块之间功能分区清楚，制造工艺成熟，性价比高。
[0019] 与既有旋转惯性质量阻尼器相比，本发明的优点是：
[0020] (1)可以依据系统的响应，实现惯性质量效应及阻尼器出力的实时调节；
[0021] (2)可以收割部分振动输入能并转化为电池储能，延长电池使用时间；并在旋转质量部分退出工作时(出力过大时)仍保持一定的耗能能力；
[0022] (3)可以有效保护装置出力不超过允许值；
[0023] (4)本发明采用模块式设计，传动概念清晰，模块之间功能分区清楚，制造工艺成熟，适用于多种类型结构、性价比高。
附图说明
[0024] 图1是典型情况下，伺服电机的扭矩、阻尼器出力时程的曲线图；
[0025] 图2是本发明
实施例提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器的剖面图；
[0026] 图3是本发明实施例提供的直流伺服电机与行星齿轮轴大样图；
[0027] 图4是本发明实施例提供的行星齿轮大样图；
[0028] 图5是本发明实施例提供的控制电路及工作状态电路连接简图；
[0029] 图6是本发明实施例提供的控制电路控制逻辑简图；
[0030] 图7是典型应用下本发明实施例提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器的力－位移曲线。
[0031] 附图标记说明
[0032] 1.筒状转动质量(带齿圈)，2.直流伺服电机，3.行星齿轮，4.太阳齿轮，5.行星齿轮轴，6.电磁阀，7.封板，8.止推轴承，9.丝杠限位螺栓，10.支撑加劲肋，11.锥形支撑结构，12.安装法兰，13.电机支座，14.滚珠轴承，15.滚珠丝杠，16.永磁体，17.线圈，18.右套筒，
19.控制电路A电路板，20.控制电路B电路板，21.
液晶显示器，22.为外部信号接收端口，23.导线软管，24.左套筒，25.转速传感器，26.压力传感器，27.滚珠螺母。
具体实施方式
[0033] 下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
[0034] 需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0035] 对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权
说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
[0036] 本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
[0037] 实施例
[0038] 本发明提供一种主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器；图2是本发明实施例提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器的剖面图；图3是本发明实施例提供的直流伺服电机与行星齿轮轴大样图；图4是本发明实施例提供的行星齿轮大样图。
[0039] 如图2所示，本发明提供一种主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器，包括筒状转动质量1、直流伺服电机2、平动/转动转换装置、行星齿轮组变速装置、电磁阀6、电磁阻尼器、充电电池、转速传感器25、压力传感器26、控制芯片、控制电路A电路板19、控制电路B电路板20、工作状态电路、左套筒24和右套筒18。进一步，平动/转动转换装置包括滚珠丝杠15、滚珠螺母27、丝杠限位螺栓9和止推轴承8；行星齿轮组变速装置包括行星齿轮轴5、行星齿轮
3、太阳齿轮4和齿圈；电磁阻尼器包括永磁体16及线圈17，并由控制电路调节。
[0040] 左套筒24内装行星齿轮组变速装置、直流伺服电机2、电磁阀6及筒状转动质量1；左套筒24的左端为双层套筒结构，其内筒为电
机舱，筒状转动质量1采用滚珠轴承14安装于左套筒电机舱与外筒之间，筒状转动质量1在其靠近右端部分内设有齿痕并形成齿圈，筒状转动质量1与左套筒24的外筒之间设置有转速传感器25、电磁阀6，左套筒24的电机舱与滚珠丝杠15同轴设置，左套筒24的电机舱内放置直流伺服电机2、电磁阀6、行星齿轮组变速装置，直流伺服电机2通过电机支座13安装在电机舱内，直流伺服电机2、电磁阀6等由充电电池供电；左套筒24的左侧设置有封板7，左套筒24右侧设置锥形支撑结构11，锥形支撑结构
11与滚珠丝杠15上的丝杠限位螺栓9通过止推轴承8相连，且锥形支撑结构11右端设置有法兰用以固定止推轴承8，同时止推轴承8与锥形支撑结构11间设置压力传感器26。进一步，在锥形支撑结构11与左套筒24之间还设置有支撑加劲肋10；左套筒24外侧壁上设置有高强度法兰盘，作为整个阻尼器左端的安装法兰12。
[0041] 进一步，行星齿轮轴5与滚珠丝杠15、太阳齿轮4同轴设置，行星齿轮轴5的左端通过电磁阀6与直流伺服电机2连接，滚珠丝杠15的左端穿过行星齿轮轴5并与行星齿轮轴5固定连接，太阳齿轮4固定套设在滚珠丝杠15上，行星齿轮3同时与太阳齿轮4以及筒状转动质量1内侧的齿圈啮合；在优选的实施方式中，行星齿轮3可以设置有三个；行星齿轮3可通过太阳齿轮4在直流伺服电机2的带动下旋转，进而带动筒状转动质量1旋转。
[0042] 右套筒18中设置滚珠螺母27、电磁阻尼器、控制电路A电路板19、控制电路B电路板20及充电电池；滚珠丝杠15的左端穿过左套筒24内的行星齿轮轴5，中部通过丝杠限位螺栓
9与止推轴承8紧密相连，其右端穿过右套筒18的内腔体连接电磁阻尼器，同时滚珠螺母27与滚珠丝杠15配套形成滚珠丝杠副，用以将阻尼器两端的水平运动变成丝杠的高速转动。
[0043] 电磁阻尼器的永磁体16固定于滚珠丝杠15的右端，电磁阻尼器的线圈17设置于右套筒24内侧，并位于永磁体16外围；线圈17与充电电池及包含能量收割电路的控制电路B电路板20连接；当滚珠丝杠15旋转时，线圈17切割磁感线，产生电磁阻尼力及电流，并存储进充电电池。
[0044] 本发明中，控制电路主要包括：与直流伺服电机连接的控制电路A及与电磁阻尼器相连接的控制电路B；控制电路A、控制电路B分别通过设置于导线软管23内的导线与工作状态电路、充电电池相连接。
[0045] 图5-6所示为控制电路及工作状态电路连接简图及控制电路主要控制逻辑图。
[0046] 图5简要表明了控制电路及工作状态电路各组件的连接关系。
[0047] 控制电路A主要包括传感器(转速传感器及压力传感器)、外部信号接收端口、控制芯片，控制芯片的输入端分别连接传感器(转速传感器及压力传感器)和外部信号接收端口，控制芯片的输出端与直流伺服伺服电机以及电磁阀相连。控制电路A可以根据转速传感器、压力传感器及外部信号接收端口传递的系统响应，通过芯片上集成的算法，实时调节直流伺服电机的扭矩大小。
[0048] 控制电路B包括稳压装置、由集成于控制电路B电路板中的可变电阻及电路构成的能量收割电路、控制芯片；能量收割电路的输入端连接控制芯片，其输出端连接电磁阻尼器的线圈；线圈的输出端连接稳压装置，稳压装置的输出端连接充电电池。
[0049] 工作状态电路中设置有工作状态指示芯片、液晶显示屏及充电电池；工作状态指示芯片的输入端与控制芯片连接，其输出端与液晶显示屏连接；充电电池的输出端分别与直流伺服电机、控制芯片、工作状态指示芯片和液晶显示屏连接。
[0050] 图6简要表明了控制电路控制逻辑，即，当阻尼器两端的平动通过平动/转动转化装置转化为滚动丝杠、行星齿轮组变速装置及筒状转动质量的转动；控制电路A根据外部信号接收端口传递的结构响应情况，由控制芯片内嵌算法计算出直流伺服电机所需扭矩；若该扭矩超过直流伺服电机限值则电磁阀进入出力保护状态，若该扭矩在出力范围内，则通过直流伺服电机，改变行星齿轮转速，从而改变筒状转动质量的转速；通过压力传感器测得的力反馈大小，判断是否超过阻尼器轴力限值，同时反馈给控制电路A，如果超过允许范围则电磁阀进入保护状态。控制电路B则按照控制芯片指令调节能量收割电路中的可变电阻值，从而达到所需电磁阻尼器阻尼力，并保证在电磁阀进入保护状态时该电磁阻尼器产生最大耗能能力；所收割的能量输入充电电池。
[0051] 本发明提供的主动调谐质量效应的旋转惯性阻尼器为拟负刚度阻尼器，其在随机荷载作用下滞回环表现为负刚度(如图7所示)；其负刚度大小及滞回圈饱满程度可以通过控制电路进行调节。
[0052] 本发明中，通过在筒状转动质量1一端内侧设置齿圈，将直流伺服电机2与行星齿轮组的行星齿轮轴5连接，滚珠丝杠15与太阳齿轮4连接，形成可控行星齿轮组变速装置，从而可以通过调节直流伺服电机1扭矩及行星齿轮3转速，调节筒状转动质量1的转速，以获得所需等效惯性质量；在直流伺服电机2与行星齿轮轴5间、筒状转动质量1端部设置电磁阀6，限值过载情况下阻尼器出力，实现装置保护；通过附加电磁阻尼器及控制电路形成能量收割电路，调节等效粘滞阻尼；通过传感器、控制芯片及电路，根据主体结构响应实时控制直流伺服电机1及能量收割电路，调整阻尼器的等效惯性质量与等效粘滞阻尼所需至最优值。
[0053] 以上所述行星齿轮组与伺服电机具体关系为：行星齿轮组由行星齿轮轴5、行星齿轮3、太阳齿轮4和齿圈构成，所述齿圈由筒状转动质量1右端内侧齿痕构成；行星齿轮轴5与滚珠丝杠15、太阳齿轮4共轴；行星齿轮轴5左端通过电磁阀6与直流伺服电机2连接；太阳齿轮4固定于滚珠丝杠15上，连接行星齿轮3；行星齿轮3可在太阳齿轮4及直流伺服电机2的带动下旋转，进而带动筒状转动质量1旋转；直流伺服电机2可以根据控制芯片的指令实时调节输出扭矩，进而控制行星齿轮轴5转速，并控制装置的等效惯性质量及出力。
[0054] 筒状转动质量1端部的电磁阀6，及直流伺服电机2与行星轴间的电磁阀6，均可以根据力传感器度数实时调整开闭状态，以保护所述装置不超过最大允许出力。如，正常工作时，直流伺服电机2与行星轴间的电磁阀6关闭，筒状转动质量1端部电磁阀6打开，使行星齿轮系统能够有效传递转动至转动质量；当阻尼器出力过大或电机荷载过大时，直流伺服电机2与行星轴间的电磁阀6关闭，筒状转动质量1端部电磁阀6开启，转动质量停止旋转，电机扭矩暂停输出，仅行星齿轮3和太阳齿轮4高速转动。
[0055] 所述电磁阻尼器，包括主要包括永磁体16及线圈17，永磁体16固定于滚珠丝杠15右端，电磁阻尼器线圈17设置于右套筒18内侧，并通过导线接入控制电路B；当滚珠丝杠15旋转时，电磁阻尼器线圈17切割磁感线，产生电磁阻尼力时；同时产生电流，通过控制电路B存储进电池，起到振
动能量收割器的作用；通过控制电路B中的可变电阻调节电磁阻尼器阻尼力的大小，并保证在旋转质量部分退出工作时(出力过大时)该装置仍保持一定的耗能能力。
[0056] 本发明可以依据主体结构状态，实时调节阻尼器的等效惯性质量和等效粘滞阻尼至所需最优值；同时实现振动能量的收割和储存，以提供部分控制电路及工作状态指示装置所需电能；本发明应用于建筑
桥梁等多种工程振动控制中，具有较好的工程应用前景。
[0057] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。
