磁流變阻尼器的磁源問題的技術(shù)綜述

摘 要：磁源猶如磁流變阻尼器的"心臟"，為磁流變材料提供流變變化的動(dòng)力。通常采用外部電源進(jìn)行線圈勵(lì)磁的方式提供磁源，這是最基本的也是最通用。但是該方法受到斷電、環(huán)境等影響。本文從永磁和自供能方面，梳理了專利文獻(xiàn)中磁流變阻尼器的磁源的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：磁源；永磁；自供能；壓電；磁電

1 引言

磁源猶如磁流變阻尼器的“心臟”，為磁流變材料提供流變變化的動(dòng)力。通常采用外部電源進(jìn)行線圈勵(lì)磁的方式提供磁源，這是最基本的也是最通用。然而，外部電源有時(shí)候并不可靠，最常見的斷電、極端的地質(zhì)災(zāi)害，如地震等，會(huì)導(dǎo)致失去電源供應(yīng)，無法為磁流變阻尼器中磁流變介質(zhì)提供必要的磁場；另外，對于野外的建筑等環(huán)境中，直接獲得外部電源也比較困難。

針對上述技術(shù)問題，在目前的專利文獻(xiàn)中，存在如下解決問題的技術(shù)手段：（1）在磁流變器件中引入永磁體，通過永磁體提供磁源；（2）由于被控結(jié)構(gòu)處于振動(dòng)環(huán)境中，將其振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能供給磁流變阻尼器，實(shí)現(xiàn)自供能，這可使控制系統(tǒng)擺脫對外部電源的依賴，將有助于解決磁流變控制系統(tǒng)附加設(shè)備造成的問題。

本文將從上述方面對磁流變阻尼器的磁源問題進(jìn)行梳理。

2 磁源-永磁體

永磁體也稱硬磁材料，是一種經(jīng)外部磁場飽和充磁后，長期保持自身磁性的一種特殊磁性材料[1]。

常見的永磁材料：釹鐵硼（NdFeB）永磁體。

對于永磁體作為磁源，不需要額外配置外部電源，不需要線圈，避免了線圈產(chǎn)熱問題，一直能夠提供磁場，防止磁流變介質(zhì)沉降。

在美國科學(xué)家Jacob Rabinow提出磁流變效應(yīng)時(shí)，其申請的專利中就采用了永磁體作為磁源為磁流變液提供磁場，是采用“永磁體”提供磁場的鼻祖。1951年，Jacob Rabinow在專利文獻(xiàn)US2575360 A中提出在磁流變器件中采用永磁體提供磁場。

1998年，美國LORD公司的CHRZAN M. J.等人在專利文獻(xiàn)WO9839577 A1中采用永磁體提供磁場。

2005年，中國湖南大學(xué)的陳政清在專利文獻(xiàn)CN1632345 A中提出永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器，包括外管和內(nèi)管，在內(nèi)管內(nèi)還設(shè)有螺桿，螺桿上固設(shè)有磁鋼。

2007年，中國浙江大學(xué)的唐志峰在專利文獻(xiàn)CN101225864 A中提出采用永磁體、磁軛、磁流變介質(zhì)和軟磁體構(gòu)成輸出磁回路，不需要驅(qū)動(dòng)線圈和外部電源，即可實(shí)現(xiàn)被控結(jié)構(gòu)振動(dòng)機(jī)械能向磁場能的轉(zhuǎn)換。

2012年，日本的KYB株式會(huì)社的齋藤啟司等人在多篇專利文獻(xiàn)WO2012172961 A1、WO2012172963 A1、WO2012172963 A1中提出磁體部的永磁體具有沿著缸體的外周而成的內(nèi)周形狀，環(huán)狀構(gòu)件由磁性體形成、配置在永磁體的外周側(cè)。

2016年，韓國仁荷大學(xué)的CHOI等人在專利文獻(xiàn)KR20160133754 A中提出采用永磁體提供磁場，避免勵(lì)磁線圈的使用。

3磁源-永磁與外部電源復(fù)合

將永磁引入外部電源供電的結(jié)構(gòu)，既能保持勵(lì)磁線圈的便于控制的優(yōu)點(diǎn)，又能夠防止失電后磁場消失，磁流變液無法進(jìn)行流變變化的缺陷。

1997年，德國的Wulff 等人在專利文獻(xiàn)US5632361 A中提出通過永磁體提供偏置磁場，與勵(lì)磁線圈提供的磁場共同作用。

2003年，奧托？博克保健有限公司在專利文獻(xiàn)US2003187517 A1中提出在活塞中構(gòu)成磁路，該磁路通過永磁體 和活塞構(gòu)成。

2005年，中國重慶大學(xué)在專利文獻(xiàn)CN1603651 A中提出活塞式磁場發(fā)生器的永磁體置于電磁線圈中，電磁線圈中的電流為雙向。

2010年，美國的德爾福（DELPHI）的Nehl 等人在專利文獻(xiàn)US2010089711 A1中提出通過永磁體提供偏置磁場，與勵(lì)磁電流共同作用。

2011年，因文圖斯工程有限公司在專利文獻(xiàn)WO2011076415 A2中提出鐵心的徑向內(nèi)部區(qū)域由NdFeB組成而徑向外部區(qū)域由鋁鎳鈷合金組成，鐵心部分地由固定的永磁體并且部分地由可變永磁體組成。

2017年，專利文獻(xiàn)CN107084221 A中提出可記憶磁路結(jié)構(gòu)，活塞軸上依次套有釹鐵硼永磁體和鋁鎳鈷永磁體，永磁體組的外側(cè)設(shè)有線圈，線圈位于導(dǎo)磁活塞內(nèi)或減振器導(dǎo)磁殼體的側(cè)壁上；在減振器導(dǎo)磁殼體與導(dǎo)磁活塞之間充有磁流變液。

4磁源-自供能

由于磁流變阻尼器處于振動(dòng)環(huán)境中，因此，將其受到的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為能量為阻尼器提供電源也是專利申請的重要分支。

對于磁流變阻尼器，振動(dòng)能量的收集技術(shù)主要有兩種方式：壓電方式和磁電方式。

（1）壓電式集能：

在振動(dòng)環(huán)境中，壓電材料發(fā)生形變，使相對的兩個(gè)材料表面產(chǎn)生等量的異號電荷，并且所生成的電荷總量與壓縮力或者拉伸力成正比，這種由材料形變產(chǎn)生電能的現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)，可以應(yīng)用于振動(dòng)能量的采集。

（2）磁電集能：

基于法拉第電磁感應(yīng)定律原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換：閉合回路在磁場中作切割磁感線運(yùn)動(dòng)，會(huì)在回路中形成電流，產(chǎn)生電能。這種方式主要采用直線直流電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)。

因此，根據(jù)上述集能方式，自供能磁流變阻尼器主要分為壓電式自供能磁流變阻尼器和磁電式自供能磁流變阻尼器。

4.1壓電式自供能磁流變阻尼器

2003年，美國Tanner在專利文獻(xiàn)US2004226788 A1中提出采用壓電集能裝置收集船體振動(dòng)能為磁流變阻尼器供電。

2010年，韓國KOREA ADV INST SCI & TECHNOLOGY在專利文獻(xiàn)KR20100007252 A中提出在磁流變阻尼器中設(shè)置壓電裝置。

2011年，中國嘉興學(xué)院的蔣學(xué)爭在專利文獻(xiàn)CN102278410 A中提出無需外接電源的磁流變減振器，通過壓電堆實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的關(guān)新春團(tuán)隊(duì)在專利文獻(xiàn)CN102168459 A中提出基于壓電自集能的磁流變隔震裝置，其包括壓電發(fā)電裝置，壓電發(fā)電裝置產(chǎn)生電能，壓電發(fā)電裝置的電流輸出端連接在磁流變阻尼器的電流輸入端。壓電發(fā)電裝置采用壓電堆結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)或者剪切型壓電發(fā)電結(jié)構(gòu)。

2016年，西安科技大學(xué)的寇發(fā)榮團(tuán)隊(duì)在專利文獻(xiàn)CN105508495 A中提出一種饋能式磁流變彈性體車輛減振裝置及其控制方法，活塞桿的中部套裝有多個(gè)壓電模塊和多個(gè)磁流變彈性體。

4.3 磁電式自供能磁流變阻尼器

2004年，Cho和Lee在專利文獻(xiàn)KR100416398 B1中提出智能被動(dòng)磁流變控制系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)包括磁流變阻尼器和內(nèi)置電磁換能裝置。電磁換能裝置由永磁體和感應(yīng)線圈組成，永磁體來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能供給磁流變阻尼器勵(lì)磁線圈。如下圖所示。

2007年，中國湖南大學(xué)的陳政清在專利文獻(xiàn)CN101086179 A中提出自供電磁流變智能減振系統(tǒng)，將結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳感器與磁流變阻尼器的供電電源集成到小型永磁式直流電機(jī)上。

2008年，美國的Choi和Wereley在專利文獻(xiàn)US2008053763 A1中采用彈簧振子結(jié)構(gòu)作為電磁集能裝置，提出一種自供能磁流變阻尼器永磁體相對活塞振動(dòng)并切割感應(yīng)線圈產(chǎn)生電能供給阻尼器勵(lì)磁線圈。

2009年，中國重慶大學(xué)的余淼在專利CN101550982 A中提出一種自供電磁流變阻尼器，由葉輪、碟形磁電換能器和密封裝置組成，可將內(nèi)部流體能轉(zhuǎn)化為電能，用于阻尼器內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測無線傳感模塊的能量供給。

2012年，中國香港中文大學(xué)的廖維新和陳超在專利文獻(xiàn)CN102374255 A中將集能、速度傳感和磁流變單元集成為一個(gè)器件，提出了一種自供電、自傳感的磁流變體阻尼器，永磁體動(dòng)子與活塞桿固定在一起，而感應(yīng)線圈則固定于阻尼器外缸筒上。根據(jù)法拉第定律，永磁體動(dòng)子隨活塞桿運(yùn)動(dòng)在定子感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢供給磁流變單元?jiǎng)?lì)磁線圈。

2017年，韓國的現(xiàn)代集團(tuán)的RHEE EUN JUN在專利文獻(xiàn)KR20170113781 A中提出在外套筒內(nèi)壁上設(shè)置感應(yīng)線圈，在內(nèi)套筒外壁上設(shè)置永磁體，通過感應(yīng)產(chǎn)生電流。

4.4 壓電式與磁電式復(fù)合自供能磁流變阻尼器

2011年，中國嘉興學(xué)院的蔣學(xué)爭在專利文獻(xiàn)CN102287474 A中提出自供電自感應(yīng)磁流變阻尼器，包括永磁體、電磁線圈、和壓電電極、壓電片，電能信號控制模塊。實(shí)現(xiàn)壓電和磁電共同作用實(shí)現(xiàn)自供能。

2016年，西安科技大學(xué)在多篇專利文獻(xiàn)CN105351431 A、CN106286685 A 、CN107585066 A中提出通過壓電模塊和電磁感應(yīng)單元實(shí)現(xiàn)自供電。

5 磁流變阻尼器的各種磁源對比

對于磁流變阻尼器的磁源，采用外部電源進(jìn)行線圈勵(lì)磁的技術(shù)手段，其專利文獻(xiàn)數(shù)量占據(jù)了大部分（參見圖1），這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于便于調(diào)節(jié)，但是受斷電、地質(zhì)災(zāi)害影響，存在磁流變阻尼器失效的問題，且受制于野外等使用環(huán)境。

對于永磁體作為磁源的技術(shù)手段，其能夠保持穩(wěn)定的磁場，不需要配備專門的供電系統(tǒng)，地震電源中斷時(shí)仍能正常工作，提高了設(shè)備的安全性；不受使用環(huán)境影響；省掉了線圈，體積減??；避免了供電線圈產(chǎn)熱的問題。但是磁場強(qiáng)度不易調(diào)節(jié)。

對于永磁體和外部電源復(fù)合磁源的技術(shù)手段，既能夠保持穩(wěn)定的磁場，又便于調(diào)節(jié)。失電情況下，通過永磁體產(chǎn)生固定磁場，可使阻尼間隙處保持一定的磁場強(qiáng)度；得電情況下，通過調(diào)節(jié)電流大小和方向，可使線圈中產(chǎn)生的磁場與永久磁鐵產(chǎn)生的磁場方向相同或相反，起到同向增強(qiáng)磁場或異向消弱磁場的作用。[2]

對于自供能的磁源，不需要額外的電源輸入設(shè)備，大大地降低了應(yīng)用成本，特別適用于空間有限和供電不便的應(yīng)用場所，如：大型建筑和橋梁等；綠色環(huán)保、節(jié)約能源，不受外部環(huán)境影響，但是該種方式使得阻尼器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

6 總結(jié)

從專利文獻(xiàn)角度出發(fā)，對磁流變阻尼器中磁源問題進(jìn)行了梳理。從永磁體磁源、自供能磁源方面，梳理了各個(gè)階段專利文獻(xiàn)中記載的技術(shù)手段。希望能夠?yàn)槠髽I(yè)的專利挖掘、專利戰(zhàn)略提供一定幫助，也希望能夠?yàn)楦咝５难芯糠较蛱峁┮稽c(diǎn)點(diǎn)指引。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋后定， 陳培林. 永磁材料以及應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社. 1984： 7-11。

[2] 華東交通大學(xué). 一種采用永久磁鐵和雙線圈進(jìn)行復(fù)合控制的磁流變閥：2015， CN204610973U [P].2015-09-02.

[3] 黃永虎. 自感知自供能磁流變阻尼器及其控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

作者簡介：

馮連東（1979-），男，碩士，審查員，主要從事機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作。