具有沉淀穩定性的磁性流變流體裝置的制作方法

專利名稱：具有沉淀穩定性的磁性流變流體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及可控流體裝置領域，特別是涉及一種使用磁性可控流體的可控流體裝置。
背景技術：
在緩沖裝置中使用液壓流體作為工作介質來形成緩沖力以控制運動、沖擊和/或振動是一種公知技術。這些裝置中的一個具體的種類就是包括磁性流變(magnetorheological)(MR)流體的裝置。MR流體裝置引起人們興趣的原因在于它們只是需要較小的電流(重重幾個安培或者更少)并且不會產生潛在的電擊危險，因為它們是在低壓(通常12伏特或者更少)下工作。MR流體裝置例如象緩沖裝置、制動器和離合器使用一種可控的磁性流變(MR)流體，該磁性流變流體由分散在一個載液中的小的軟磁顆粒構成。典型的軟磁顆粒包括羥基鐵或者類似物，這些顆粒可以具有各種形狀但是其形狀最好為球形的，并且其平均直徑在0.1um到500um之間，優選為1um到100um之間。載液包括各種已知的液壓油或者類似物。在暴露在足夠強度的磁場中后，這些MR流體表現出一種稠化行為(一種流變變化)，有時又稱為“顯式粘度變化”。施加到MR流體上的磁場強度越高，通過具體的MR流體裝置所實現的阻力(緩沖力、制動或者鎖定扭矩)越高。MR流體裝置的例子可以參見美國專利US5578238和US5382373。
MR流體尤其可以通過施加到磁場發生器(一般為一個電磁線圈)上的電流的簡單波動來進行控制。現有技術中的MR裝置和緩沖裝置的例子參見美國專利US5492312、US5398917、US5284330、US5277281和尚未授權的美國專利申請08/674371(題目是“可控振動設備”)。而可控制動器的描述參見尚未授權的美國專利申請08674371(題目是“可控制動器”)和08/304005(題目是“磁性流變流體裝置以及利用該磁性流變流體裝置控制鍛煉設備的控制力的方法”)。
最近，有人提出用MR緩沖裝置控制民用工程結構，以降低地震危險。由于MR緩沖裝置只是需要較低的功率，因此MR緩沖裝置適合用蓄電池進行供電。值得注意的是，在地震發生時一個現實情況就是市電電源的斷電，這使得MR緩沖裝置更具有吸引力。在這些應用中，MR流體必須能夠耐受相對較長的靜止周期(長達20年或者更長)。尤其是MR流體的沉淀可以對裝置的性能產生傷害。人們已經做了大量工作來研究減小MR液體中的沉淀的方法，有些方法比其它方法更為有效。例如，題目為“磁性流變流體的地震緩沖裝置”的PCT/US97/02743申請中描述了一個“甘草蛋奶糕”流體，該流體具有蛋奶糕一樣的防止沉淀的粘滯性。而題目為“包括一個流體儲藏室的可控流體康復裝置”PCT/US97/02322申請中提示可以施加一個低強度磁場到鍛煉設備的一個較大的流體儲藏室內以防止顆粒沉淀，使用者將身體的一部分插入到該鍛煉設備的內部。值得注意的是，MR流體中的顆粒的沉淀所產生的一個問題是這種沉淀很難僅通過公式化方法來進行解決。而且在緩沖裝置和制動器內的顆粒的沉淀的問題遠還沒有解決。因此，需要提供一種長期穩定并且其流體不發生沉淀的裝置。
技術方案注意到現有技術中的系統的優點和不足，本發明提供一個磁性流變流體裝置。該流體裝置包括一個殼體、一個可移動元件、一個磁性流變流體、一個用于產生一個磁場以作用到容納在所述的至少一個工作部分內的磁性流變流體上的裝置，以及一個用于產生一個低強度磁場以作用到容納在所述的至少一個腔室內的磁性流變流體上，以減少容納在所述的腔室內的磁性流變流體沉淀的裝置；所述的殼體包括一個空腔；所述的可移動元件位于所述的空腔內，所述的殼體和所述的可移動元件進行用于形成位于所述的空腔內的至少一個工作部分和至少一個腔室；所述的磁性流變流體容納在所述的至少一個工作部分和所述的至少一個腔室內。該裝置可以是一個具有可移動元件的緩沖裝置，所述的可移動元件包括一個緩沖活塞裝置，所述的緩沖活塞裝置包括一個第一端、一個第二端和一個至少包括一個第一腔室和一個第二腔室的腔室，所述的第一腔室和所述的第二腔室分開一定距離并位于所述的活塞裝置的兩端。本發明的裝置與一個包括一個第一和第二可移動結構件的一個結構結合，其中所述的體連接到所述的第一結構件，而所述的移動部分通過一個活塞桿連接到所述的第二結構件。
根據本發明的一個具有新穎性的方面，所述的用于產生低強度磁場的裝置包括至少一個電磁鐵。所述的至少一個電磁鐵安裝到所述的殼體的所述的一個壁部分上或者安裝到所述的活塞裝置的所述的第一端和所述的第二端上。根據本發明的另外一個方面，所述的用于產生低強度磁場的裝置包括至少一個永磁鐵。所述永磁鐵容納在每一個所述的第一腔室和所述的第二腔室內，并且連接到所述的緩沖裝置活塞裝置的所述的第一端和所述的第二端上或者安裝到所述的殼體的所述的一個壁部分上，或者是上述兩種方式的結合。根據本發明的另外一個方面，所述的至少一個電磁鐵是設置在所述的殼體的外表面上的帶型磁鐵。本發明還可以應用于制動器和離合器，其中所述的殼體是一個外側元件而所述的移動元件是一個放置在外側元件內的轉子。因此，用于產生低強度磁場的裝置可以安裝到所述的轉子或者所述的殼體的一個壁部分上。
本發明MR裝置的一個優點是本發明的裝置具有一定的時間穩定性，本發明的裝置可以使用多年而工作MR流體中的顆粒不會沉淀。
本發明MR裝置的另外一個優點是在該裝置內的流體不會沉淀，并且其所產生的靜態阻抗(off state resistance)也不會受顯著影響。
參考附圖和優選實施方式的描述，本發明的上述的和其它的特點、優點和特性將會更加清楚。
附圖簡介附圖為說明書的一部分，用于說明本發明的幾個關鍵的實施例。附圖和說明書一起來解釋本發明。這些附圖包括

圖1a所示為一個MR緩沖裝置局部剖側視圖；圖1b所示為一個安裝到圖1a中的腔室內的環形磁鐵的立體圖；圖2a所示為MR緩沖裝置的第一個實施例的局部剖側視圖；圖2b所示為安裝到圖2a中的緩沖裝置的腔室內的鈕扣型磁鐵的立體圖；圖3a所示為MR緩沖裝置的第二個實施例的部分的局部剖側視圖；圖3b所示為書安裝到圖3a中的緩沖裝置的腔室內或者壁部分上的電磁鐵的立體圖；圖4a和4b所示為MR制動器的第一個和第二個實施例的側剖視圖；以及圖5所示為一個單管MR緩沖裝置的局部剖側視圖。
實施方式參考附圖，其中在附圖中相同的標號表述類似的部件。在圖1中，如圖中20所示，為MR裝置，特別是一個MR緩沖裝置的一個優選實施例。該緩沖裝置20最好在一個第一結構件21(例如象一個建筑物的或者橋梁的一部分)和一個第二結構件23(例如象一個建筑物或者橋梁的另外一部分)之間形成可控緩沖力。同樣地，該緩沖裝置20可以用于控制其它的民用工程結構或者任何兩個相對移動的結構之間的振動和移動。該緩沖裝置20包括一個通常為圓筒形殼體或者圓筒形體22，該圓筒形殼體最好為一個兩端部分封閉的空腔圓筒，該圓筒用軟磁材料例如象低碳鋼制成。圓筒形殼體22內部形成一個空腔33并且該圓筒形殼體22在殼體的端部具有一個圓形孔、最好具有兩個圓形孔28、28′。
至少一個活塞桿、最好兩個活塞桿24、24′軸向可滑動地容納在至少一個、最好兩個圓形孔28、28′內。圓形孔28、28′最好包括軸承和密封組件，以使一個活塞裝置26處于中心，并防止MR流體38溢出。用于將殼體22連接到第一結構件21的裝置包括凸緣和螺栓、螺釘、焊接件和類似物。類似地，將至少一個、最好兩個活塞桿24、24′連接到第二結構件23上的裝置包括螺紋連接到活塞桿24、24′上端的桿端，和通過螺栓、銷釘、焊接件或者類似物固定到第二結構件23上的托架33、33′。
活塞裝置26通過活塞桿24、24′上的螺紋端部用螺紋連接到至少一個、最好兩個活塞桿24、24′。該活塞裝置26可以在空腔30內軸向移動，因此將該空腔30分成一個第一腔室32和一個第二腔室34。值得注意的是，在活塞裝置26和圓筒形殼體22的內壁之間形成一個工作部分(間隙)36。
該工作部分36最好為環形并且由圓筒形殼體22和活塞裝置26的相互作用以及取向形成。值得注意的是，該工作部分26也可以穿過活塞裝置26，這是MR緩沖裝置領域的普通技術人員的公知技術。通過用適當的電流(通常為約1安培，這約需22瓦特的功率)而激勵多個交替纏繞的線圈40而產生足夠強度的磁場以控制第一腔室32和第二腔室34之間的MR流體38的流動。這就提供了一個可控緩沖力，這種可控緩沖力可以通過任何公知的算法進行控制。
可以使用任何合適的磁性流變流體38。該MR流體38容納在工作部分36、第一腔室32和第二腔室34以及一個外部補償腔室44內。該外部補償腔室44容納在一個儲存裝置46內，該儲存裝置46還包括一個充氣腔室48，用于將緩沖裝置20內的MR流體38時間壓力。儲存裝置46還允許緩沖裝置20內的MR流體膨脹或者收縮，從而減少了空穴的發生。
活塞裝置26包括多個軸向分隔并且交替纏繞的線圈40，用于產生多個磁場，這些磁場由軟磁極件42引導而作用到工作部分36內的MR流體38上，因此產生流變變化(顯式粘度變化)，而這種變化將限制MR流體穿過工作部分36進行流動。這就形成可變的緩沖力。用于制造軟磁極塊體42和圓筒形殼體22的合適材料包括軟磁材料例如象12L14低碳鋼。
一個數字控制器50最好通過任何公知算法控制MR緩沖裝置。這包括利用加速度傳感器采集代表第一結構件21和第二結構件23移動的傳感器信息，所述的加速度傳感器檢測所述的結構件21、23的水平加速度。另外，通過一個位于所述的結構件21、23之間的水平位移或者速度傳感器可以直接測量和提供位移或者速度信息。值得注意的是，如果斷電，一個蓄電池將提供MR緩沖裝置和控制器50所需的電能。
控制器50根據合適的算法60處理來自一個或者多個傳感器的信號，然后給MR緩沖裝置20提供合適的輸出信號。各種控制算法對本領域的普通技術人員來說是公知的，例如象基于加速度反饋的限幅優化控制，參見“降低地震反應的磁性流變緩沖裝置的模型和控制”，Dyke，Spenver，Sain和Carlson(1996年8月1日)。也可以使用其它的基于速度和/或者位移輸入的算法。值得注意的是，在地震發生時，由于可能馬上斷電或者在地震開始發生的短時間內斷電，該裝置依靠蓄電池54的DC直流電進行操作。一個通過電源58驅動的充電器定期對蓄電池54進行充電以保證電源充足。
用于在第一腔室32和第二腔室34內產生低強度磁場的裝置最好包括至少一個固定到活塞裝置26的端部27、27′上的一個永磁鐵25或者至少一個安裝到圓筒形殼體22的壁部分29、29′上的永磁鐵25′。作為一種優選方式，永磁鐵25、25′安裝到活塞裝置26的兩個軸向相對的端部27、27′上以及圓筒形殼體22的內側壁部分29、29′上。然而只是采用一種方式或者另外一種方式也是足夠的。例如，只是在活塞裝置26或者只是在圓筒形殼體22的壁部分29、29′上設置永磁鐵也是足夠的。永磁鐵最好為如圖1所示的環形磁鐵，這些永磁鐵具有足夠的強度以產生磁場來控制沉淀。本文所述的磁鐵和永磁鐵應該產生的磁場強度最好為5～500奧斯特(400～40000A/m)、尤其是25～200奧斯特(2000～16000A/m)、特別是75～125奧斯特(6000～10000A/m)以防止第一腔室32和第二腔室34內的MR流體38內的鐵顆粒沉淀。最好選擇用鋇或者鐵酸鍶制成的磁鐵。另外可以使用的磁鐵可以由釹鐵硼、粘結的釹鐵硼、鎳鈷合金和磁鋼制成。永磁鐵25依靠其引力而固定到端部27、27′和壁部分29、29′上，但是也可以使用膠進行固定。
作為另外一種形式，多個圓盤型或者說鈕扣型磁鐵25、25′可以按照圓形方式在第一腔室32和第二腔室34內進行排列(例如位于12點、3點、6點和9點鐘位置)，并位于活塞裝置26的軸向端部27、27′和/或如圖2a所示者安裝在殼體22的壁部分29上，用于提供一種能夠在第一腔室32和第二腔室34內產生具有上述強度的低強度磁場的裝置。一個鈕扣型的磁鐵如圖2b所示。
作為另外一種形式，殼體22的端部41可以用硬磁材料制成例如象1040系列碳鋼。當置于較高強度磁場中時這些材料將會被磁化到一定的磁場強度從而可以防止第一腔室32和第二腔室34內的流體的沉淀。
參考圖3a，根據本發明的另外一個方面，用于在腔室32、34內產生上述的低強度磁場的裝置包括至少一個電磁鐵31，作為一種優選方式，多個電磁鐵在活塞裝置26的軸向端部27、27′排列成圓形(例如位于12點、3點、6點和9點鐘位置)，并且也安裝到殼體22的壁部分29、29′。如圖3b所示，電磁鐵31最好包括一個軟磁聚焦元件33，該軟磁聚焦元件33被擠壓到一個塑性線圈架35內，并用足夠數量的電線纏繞以形成一個低強度線圈37。電接線頭39、39′按照合適方式連接到電源或者接地。作為一種優選方式，在腔室32、34內的多個電磁鐵的電線按照電串聯關系進行排列。電磁鐵的優點是它可以在啟動控制算法(例如在地震發生時)時完全關閉，因此和前面所述的永磁鐵的實施例相比可以形成一個較低的靜止態(lower off state)。正如前面所述，電磁鐵31也可以安裝到殼體22的壁部分29′上，如圖中的虛線31′、31″所示。如圖所示，用于提供低強度磁場的裝置可以安裝在空腔內壁或者從該空腔外部進行安裝。如果從外部進行安裝，殼體的端部應該是非磁性的。
圖4a和4b說明一個MR裝置20a、20a′的制動器實施例。每一個實施例均包括一個殼體22a，該殼體22a包括一個空腔30a、一個容納在所述的空腔30a內的移動元件例如象轉子26a；所述的殼體22a和所述的轉子26a定向以形成至少一個工作部分，該工作部分的形式為多個位于所述的空腔30a內壁的空隙36a、36a′和至少一個腔室、最好兩個腔室32a、34a；一個MR液體38創造者在空隙36a、36a′和腔室32a、34a內。該實施例還包括一個用于產生磁場以作用到在所述的空隙36a、36a′內的MR流體38a上以在MR流體38a內部產生流變變化的磁場的裝置和一個用于產生低強度磁場以作用到所述的腔室32a、34a內的MR流體38a以減少在MR流體38a內部的沉淀。
在圖4a的實施例中，用于產生穿過空隙36a、36a′的一個磁場的裝置包括一個環形永磁鐵25a，該永磁鐵25a構成了轉子26a的內側部分，該內側部分鄰近所述的腔室32a、34a。對北極(n)和南極(s)進行定向設置從而使得在腔室32a、34a內的MR流體38a暴露在上述強度的低強度磁場內。這可以減少制動器20a未使用時在其內壁的MR流體38a的沉淀。作為一種選擇，轉子26a的最內側部分可以包括一種硬磁材料，該硬磁材料可以被磁化到合適強度以導致顆粒進行微小對齊，因此可以防止顆粒的沉淀。在如圖4b中，安裝到殼體22a的壁部分29a、29a′上的永磁鐵25a、25a′提供用于產生低強度磁場的裝置。盡管如圖所示使用環形磁鐵25a、25a′，也可以使用其它類型例如象帶狀、圓盤型/鈕扣型或電磁鐵可以用來代替環形磁鐵25a、25a′，這從前面所述的例子可以看出來。盡管所說明的是關于制動器的實施例，但是本發明同樣適用于離合器中的防止其流體的沉淀。
圖5說明本發明的裝置特別是一個單管MR緩沖裝置20b的另外一個實施例。該MR緩沖裝置20b包括一個基本上圓筒形殼體(緩沖裝置體)22b，該殼體內部形成一個空腔30b，對所述的殼體20b和活塞裝置26b進行設置以形成一個環形可控通道36b形式的工作部分，并將所述的空腔30b分成一個第一腔室和32b和一個第二腔室34b。該緩沖裝置20b還包括一個容納在所述的可控通道36b和第一腔室32b和第二腔室34b內的MR液體38b、用于產生作用到環形可控通道36b內的MR流體38b上的磁場以在MR流體38b內產生流變變化的裝置和一個用于產生作用到第一腔室32b和第二腔室34b內的MR流體38b的絕大部分上的低強度磁場以減少在MR流體38b內部產生的沉淀的分離的裝置。作為一種優選方式，用于產生暴露在環形可控通道36b上的磁場的裝置包括一個纏繞線圈40b或者類似物，但是也可以包括一個永磁鐵。用于產生低強度磁場的裝置最好包括一個安裝到殼體22b的外側壁部分29b上的帶型永磁鐵25b。該帶型永磁鐵25b可以可以是沿著圓周或者軸向延伸的帶。在該實施例中，低強度磁場也暴露在環形可控通道36b上。作為另外一種形式，磁鐵25b′、25b″和25b也可以包括用于產生低強度磁場的裝置。
盡管包括本發明的優選實施例的幾個實施例已經進行了詳細描述，在上述范圍內可以作出各種改進、變化、改變和修改而不偏離本發明的權利要求書所定義的本發明的實質和范圍。應該認為這些改進、變化、改變均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種磁性流變流體裝置，包括(a)一個殼體(22)，該殼體包括一個空腔(30)；(b)一個可移動元件，該可移動元件位于所述的空腔(30)內，所述的殼體(22)和所述的可移動元件進行定向以形成位于所述的空腔(30)內的至少一個工作部分和至少一個腔室；(c)一個磁性流變流體，所述的磁性流變流體容納在所述的至少一個工作部分和所述的至少一個腔室內；(d)用于產生一個磁場以作用到容納在所述的至少一個工作部分內的磁性流變流體上的裝置；(e)用于產生一個低強度磁場以作用到容納在所述的至少一個腔室內的磁性流變流體基本部分上以減少容納在該腔室內的磁性流變流體沉淀的裝置。
2.根據權利要求1的裝置，其特征在于，該裝置是一個具有可移動元件的緩沖裝置，所述的可移動元件包括一個緩沖活塞裝置，所述的緩沖活塞裝置包括一個第一端、一個第二端和一個至少包括一個第一腔室和一個第二腔室的腔室，所述的第一腔室和所述的第二腔室分開一定距離并位于所述的活塞裝置的兩端。
3.根據權利要求2的裝置，其特征在于，該裝置與一個包括一個第一和第二可移動結構件的一個結構結合，其中所述的殼體(22)連接到所述的第一結構件，而所述的移動部分通過一個活塞桿連接到所述的第二結構件。
4.根據權利要求2所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的用于產生低強度磁場的裝置包括至少一個電磁鐵。
5.根據權利要求5所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個電磁鐵安裝到所述的殼體的所述的一個壁部分上。
6.根據權利要求5所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個電磁鐵安裝到所述的活塞裝置的所述的第一端和所述的第二端上。
7.根據權利要求2所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的用于產生低強度磁場的裝置包括至少一個永磁鐵。
8.根據權利要求7所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個永磁鐵容納在每一個所述的第一腔室和所述的第二腔室內。
9.根據權利要求8所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個永磁鐵連接到所述的緩沖裝置活塞裝置的所述的第一端和所述的第二端上。
10.根據權利要求7所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個永磁鐵安裝到所述的殼體的所述的一個壁部分上。
11.根據權利要求7所述的緩沖裝置，其特征在于，所述的至少一個電磁鐵是設置在所述的殼體的外表面上的帶型磁鐵。
12.根據權利要求1的裝置，其特征在于，所述的殼體是一個制動器的一個外側元件，而所述的移動元件是一個轉子。
13.根據權利要求12的裝置，其特征在于，所述的用于產生低強度磁場的裝置包括一個永磁鐵。
14.根據權利要求13的裝置，其特征在于，所述的永磁鐵安裝到所述的一個形成至少一個腔室的壁部分上。
15.根據權利要求13的裝置，其特征在于，所述的永磁鐵安裝到所述的轉子上。
16.根據權利要求1的裝置，其特征在于，所述的用于產生一個低強度磁場的裝置包括對靠近至少一個腔室的硬磁材料進行磁化。
全文摘要
本發明公開了一種具有沉淀穩定性的磁性流變(MR)裝置(20)。該MR流體裝置(20)包括一個殼體(22),而該殼體(22)包括一個空腔(30)、一個容納在所述的空腔(30)內的移動元件(26)、一個MR流體(38)、一個線圈(40)和一個磁鐵(25)或者電磁鐵(31)。所述的殼體(22)和所述的移動元件(26)配合以形成位于所述的空腔(30)內的一個工作部分(36)和一個腔室(32)。所述的MR流體(38)容納在所述的工作部分(36)和所述的腔室(32)內。所述的線圈(40)或者類似物用于產生一個磁場以作用到所述的工作部分(36)內的MR流體(38)上從而產生流變變化。所述的磁鐵(25)或者電磁鐵(31)用于產生一個低強度磁場以作用到容納在所述的腔室(32)內的MR流體(38)上以減少MR流體的沉淀。本發明還公開了直線和旋轉作用的實施例。
文檔編號F16F9/53GK1260031SQ97182336
公開日2000年7月12日 申請日期1997年8月4日 優先權日1997年8月4日
發明者J·戴維·卡爾森 申請人:勞德公司