旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

楊茂彪

摘要：為了研究旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的發(fā)展趨勢(shì)，本文主要以DWPI專利數(shù)據(jù)庫以及CNABS數(shù)據(jù)庫中的檢索結(jié)果為分析樣本，從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的構(gòu)造的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了相應(yīng)分析。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器；專利文獻(xiàn)；發(fā)展趨勢(shì)

旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器是磁流變液應(yīng)用的一個(gè)重要方向，有些應(yīng)用場(chǎng)合如醫(yī)學(xué)用康復(fù)機(jī)系統(tǒng)、變速與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，要求阻尼器能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并能夠提供可控的阻尼力矩，在這種情況下，旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的研究成為了近年來研究的熱點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的構(gòu)造可以分成四個(gè)子系統(tǒng)：磁回路子系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械子系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)。

1、磁回路子系統(tǒng)

1）磁場(chǎng)發(fā)生器向著多元化、組合化方向發(fā)展，其有利于阻尼器的輸出力矩連續(xù)可調(diào)。磁場(chǎng)發(fā)生器包括了永久磁鐵以及勵(lì)磁線圈，現(xiàn)有專利文獻(xiàn)中，只有少部分僅采用永久磁鐵作為磁場(chǎng)發(fā)生器，大多數(shù)則采用了勵(lì)磁線圈作為磁場(chǎng)發(fā)生器（例如CN1563738A中使用了12個(gè)勵(lì)磁線圈電磁元件并由此構(gòu)成了多級(jí)可調(diào)的磁流變阻尼器），亦或者是將勵(lì)磁線圈與永久磁鐵進(jìn)行組合使用，JP2014-101999A中更是采用了磁體、軟磁體以及勵(lì)磁線圈的組合來作為其磁場(chǎng)發(fā)生器，其中由磁體磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁流變液的剪切應(yīng)力直接作用在轉(zhuǎn)子上，并通過勵(lì)磁線圈的供電而使得轉(zhuǎn)子受到的剪切應(yīng)力下降；如此看來，為了獲得既穩(wěn)定又方便調(diào)節(jié)可控的磁場(chǎng)環(huán)境，旋轉(zhuǎn)阻尼器正從單獨(dú)使用一種磁場(chǎng)發(fā)生器向著組合使用多種磁場(chǎng)發(fā)生器的方向進(jìn)行發(fā)展。

2）磁場(chǎng)發(fā)生器的設(shè)置位置靈活多變，向著有利于減小阻尼器的尺寸、增強(qiáng)磁流變液的密封或達(dá)到某種特殊效果的方向發(fā)展。磁場(chǎng)發(fā)生器的布置位置一般設(shè)置在阻尼器殼體內(nèi)部，例如CN2659492Y、JP2009-287639A等，這些文獻(xiàn)所共有的一個(gè)特點(diǎn)就是阻尼器體積較大；然而，隨著技術(shù)發(fā)展的進(jìn)步，越來越多的專利文獻(xiàn)將磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)置在阻尼器殼體的外部，例如JP2003-35337A中，磁場(chǎng)發(fā)生器被設(shè)置在殼體徑向上的外部、JP2003-35337A中將磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)置在相對(duì)于殼體外部空間的軸向方向上、JP2005-172096A更是將磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部以利于阻尼器尺寸小型化，這樣設(shè)置也有利于對(duì)磁流變液體的密封；較為特殊的是專利文獻(xiàn)JP7-301271A中，其將磁場(chǎng)發(fā)生器相對(duì)于殼體外部偏置設(shè)置，使懸臂在特定角度達(dá)到減振的效果。

2、旋轉(zhuǎn)機(jī)械子系統(tǒng)

1）轉(zhuǎn)子阻尼片形狀多種多樣且向著多片式、迷宮式方向發(fā)展，其有利于提升旋轉(zhuǎn)阻尼器的輸出力矩大小。旋轉(zhuǎn)阻尼片有圓盤式（如CN2659492Y）、圓桶式（如CN102562923A）、以及圓錐式（如CN102562923A），此外，旋轉(zhuǎn)阻尼片還有例如JP9-264492A中的T型形狀、JP2005-172096A 中的單葉片性狀、US6318522B1中的雙葉片形狀、US2004/0217568A1中的多葉片形狀；然而，傳統(tǒng)的單盤式和單筒式磁流變液阻尼器存在傳遞轉(zhuǎn)矩較小，體積較大的問題，不能滿足大功率機(jī)電產(chǎn)品傳動(dòng)需求，越來越多的專利技術(shù)正使用多片式、迷宮式的轉(zhuǎn)子阻尼片來提升其輸出力矩大小。

2）通過轉(zhuǎn)軸將其它的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)阻尼器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其有利于對(duì)其它的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行減振、制動(dòng)。例如EP0442570A1中轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)向裝置相連，來到達(dá)汽車轉(zhuǎn)向的目的；US5816372A中利用轉(zhuǎn)軸與皮帶輪連接進(jìn)行力矩傳遞，來達(dá)到健身的目的；JP9-264492A中轉(zhuǎn)軸與滾珠絲杠相連，來達(dá)到對(duì)活塞桿的減振目的；US2002/0144871A1中，其轉(zhuǎn)軸與蝸桿相連來達(dá)到對(duì)電機(jī)制動(dòng)的目的；JP2009-63011A中通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)將活塞桿的滑動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子阻尼片的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行減振；如此看來，任何一種形式的運(yùn)動(dòng)都可以采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)式磁流變液阻尼器進(jìn)行減振。

3、結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)

1）阻尼器殼體內(nèi)部空間形狀多樣可變，其有利于將轉(zhuǎn)子限定在特定的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)。例如US4942947A中采用了扇形殼體形狀以滿足汽車懸架系統(tǒng)中懸臂擺動(dòng)過程中的吸振要求；US2004/0217568A1中阻尼器殼體內(nèi)壁具有與星狀轉(zhuǎn)子相適應(yīng)的若干扇形空間，電線圈調(diào)節(jié)殼體中磁流變流體的粘度，以控制穩(wěn)定桿上的扭轉(zhuǎn)剛度，以防止車身過度滾動(dòng)；

2）磁流變液被充入滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承中，軸承正向著智能控制方向發(fā)展。例如JP2012-197841A中其在滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈及滾動(dòng)體內(nèi)部空間內(nèi)充入磁流變液并進(jìn)行密封，由于滾動(dòng)元件可滾動(dòng)地布置在內(nèi)筒和外筒之間，所以通過改變給予磁流變流體的磁場(chǎng)的強(qiáng)度，可以有效地控制內(nèi)筒和外筒的相對(duì)旋轉(zhuǎn)；EP3147521A1中磁流變液被充入滑動(dòng)軸承中，外部磁場(chǎng)由控制單元控制，磁流變液受磁場(chǎng)控制，其可用于減少諸如發(fā)電機(jī)等流體流動(dòng)機(jī)和渦輪機(jī)中的油滑動(dòng)軸承的軸承振動(dòng)；由此可見越來越多的不同種類的軸承已經(jīng)被充入磁流變液，軸承正向著智能可控制方向發(fā)展。

4、控制子系統(tǒng)

1）阻尼器與傳感器以及cpu相連，向著反饋式閉環(huán)控制回路方向發(fā)展，其有利于提升阻尼器的實(shí)時(shí)可調(diào)控性能。旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器起先都是開環(huán)式阻尼器，例如JP2006-264579A中公開了一種用于車輛制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)操作輸入裝置，電阻控制裝置用于根據(jù)制動(dòng)操作構(gòu)件的轉(zhuǎn)速的增加來提高制動(dòng)操作構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)阻力，其為開環(huán)控制；然而，隨著控制技術(shù)的發(fā)展及使用需要，旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器正向著閉環(huán)可控式方向發(fā)展，CN1571269A中通過傳感器將阻尼器的輸出力矩反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行判斷后再控制勵(lì)磁線圈中的電流大小從而實(shí)現(xiàn)阻尼力矩閉環(huán)可控制；DE69602386T2中則根據(jù)汽車行駛的速度來控制磁流變液磁力的大小，其被應(yīng)用于汽車動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置中。

2）轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)反向給勵(lì)磁線圈供電，向著阻尼器自供電方向發(fā)展，其有利于降低阻尼器的能耗。例如CN101825146A中，與轉(zhuǎn)軸連接的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組的輸出端直接或通過整流控制電路與旋轉(zhuǎn)磁流變阻尼器的勵(lì)磁線圈的線圈連接，其被應(yīng)用于電磁離合器中；CN101825146A中轉(zhuǎn)子上的線圈切割磁場(chǎng)發(fā)電反向供應(yīng)勵(lì)磁線圈，其被用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的吸振中；WO2014/104313A1中一種建筑結(jié)構(gòu)阻尼裝置的衰減裝置，其中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流反向給勵(lì)磁線圈供電；由此看來，旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器正向著低能耗及自供電的方向發(fā)展。

總結(jié)：

旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器越來越多的應(yīng)用于線控轉(zhuǎn)向力反饋裝置、無人機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、ABS制動(dòng)器、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)控制、醫(yī)學(xué)用康復(fù)機(jī)系統(tǒng)等控制場(chǎng)合，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及需要，對(duì)于旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器的輸出力矩、體積、可控性、響應(yīng)速度以及能耗等方面提出了更高的要求，而與此相適應(yīng)的專利技術(shù)也隨之應(yīng)用而生。

參考文獻(xiàn)：

[1]石逸鵬.磁黏滯式旋轉(zhuǎn)阻尼器之設(shè)計(jì)開發(fā)與特性研究，臺(tái)灣大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008年6月.