CN101963567A - 一种磁性液体磁化粘度测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种磁性液体磁化粘度测试方法与装置，采用永磁体作磁源、约束磁场连续可调，以调整导磁动环沿转轴上、下调整径向可调间隙达到磁回路磁阻和磁通量调节，进而调整施加在磁性液体材料样品上的磁场强度，启动调速电机后通过转轴带动导磁动环转动使磁性液体受到剪切作用，转换成转动扭矩和转动角速度，通过磁通计测定磁回路上的磁通量，最后按公式计算磁化粘度和磁通密度。测试装置由变速电机、扭矩与转速传感器、转轴、无磁定心组件、导磁定环、导磁动环、永磁环等构成，并由导磁定环、永磁环、导磁动环形成具有恒定间隙和可调间隙的磁回路，恒定间隙用于形成均匀磁场约束材料样品并对其适加剪切力。本发明能准确测定临界工作磁场，实现低温磁化粘度测定，为密封及阻尼减振等器件的优化设计提供依据，具有材料样品用量少、对样品温度无影响、使用方便、功耗小的优点。

Description

一种磁性液体磁化粘度测试方法与装置

技术领域

本发明涉及一种磁性液体材料粘度的测试方法与装置，尤其是在磁场磁化作用下的磁性液体磁化粘度测试方法与装置。

背景技术

磁性液体材料是由磁性粒子通过表面活性剂稳定分散于某种载液中而生成的具有磁性的固液二相功能材料，其整体形态、微观结构和粘度等特性受外加磁场的约束和控制，在密封、阻尼减振、电磁滤通、高品质音响、传感、制动等多方面具有非常广泛的应用前景。磁性液体在磁场中和不同温度下的粘度特性研究尤其重要，是其应用研究的基础。当外加磁场低于某临界值时，磁性液体中磁性粒子的布朗热运动占主导地位，不易发生链状序化，整体材料的粘度特性与普通流体相同；但是在外加强磁场作用下，磁性液体材料表现出极强的磁化增粘特性，而且这种磁化增粘特性与磁化时间有关。磁化增粘特性对于阻尼减振、制动等功用是有益的，但是对于密封和高品质音响等功用是有害的。因此需要测定其不同温度下的粘度随外加磁场强度和时间的变化曲线，以确定不同磁性液体材料的工作磁场，并为密封及阻尼减振等器件的优化设计提供依据。

普通的流体粘度测试方法不适于磁性液体材料的磁化粘度的测试。一方面在现有粘度测试设备上，无法方便对其施加强磁场，即使是施加了外磁场，一些靠重力作用的粘度计也无法使用，因为磁力会大于重力的作用。另一方面普通方法每次需要的液体样品数量较大。

中国专利申请公开号为CN1737531A和专利授权公告号为CN2802498Y给出的磁性液体表观粘度的测试方法采用磁性液体密封相近的聚磁结构，通过增加或减少聚磁结构中永磁体块的数量来控制外加约束磁场的强度，这样作一方面每次更换永磁块不方便，另一方面约束磁场的变化是不连续的，无法准确测定临界工作磁场，同时该专利也未给出工作磁场强度的测定方法。中国专利授权公告号为CN2099316U中给出的测定方法是传统运动粘度测试方法的一种改进，虽然采用电磁取代了永磁，实现了外加磁场的连续变化，但是很难在较长时间内达到并维持较高的磁场强度，而且每次测试时需要大量的液体样品和耗费较多的电能，特别是电磁线圈在工作时会产生大量的热，难以控制被测样品的温度，尤其是较难实现低温磁化粘度特性的测定。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用永磁体作磁源、约束磁场连续可调的磁性液体磁化粘度测试方法与装置，要求材料样品用量少，且不会对样品温度产生影响，使用方便，功耗小，实现低温磁化粘度特性的测定。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种磁性液体磁化粘度测试方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

a、设定磁性液体磁化粘度测试装置的轴向恒定间隙大小为δ、轴向恒定间隙圆柱面半径为R、轴向恒定间隙圆柱面高度为L；

b、在所述装置的轴向恒定间隙内通过管路注入磁性液体材料样品；

c、通过导磁动环相对转轴作上、下连续移动来调整径向可调间隙来达到调整磁回路的磁通量Φ；

d、通过径向可调间隙调整磁回路磁阻和磁通量来调整轴向恒定间隙内施加在磁性液体材料样品上的磁场强度；

e、启动调速电机，通过扭矩与转速传感器、转轴带动导磁动环转动，使轴向恒定间隙内的磁性液体材料受到剪切作用，材料样品的粘度特征转换成剪切力并被扭矩与转速传感器测定导磁动环转动扭矩M和转动角速度ω；

f、通过感应线圈及与其相连的磁通计测定磁回路上的磁通量Φ；

g、通过下列公式计算转换为磁性液体材料样品的磁化粘度η；

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{dv}/\mathrm{dx}}\≈\frac{F/A}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{M/2\mathrm{\π}{R}^{2}l}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{\mathrm{M\δ}}{2\mathrm{\π}{R}^3\mathrm{l\ω}}$

式中：η为材料样品磁化粘度，

δ为轴向恒定间隙大小，

R为轴向恒定间隙圆柱面半径，

L为轴向恒定间隙圆柱面高度，

ω为导磁动环转动角速度，

M为导磁动环转动扭矩，

τ为材料样品所受剪应力，

为速度梯度，

F为扭转力，

A为恒定间隙柱面面积；

h、磁通量Φ通过感应线圈及与其相连的磁通计测定后，通过公式转换为材料样品的磁通密度B

$B=\frac{\mathrm{\φ}}{A}=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\πRl}}$

式中：B为恒定轴向间隙磁通密度，

Φ为磁回路上的磁通量。

一种用于所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，该装置包括变速电机，支承在轴承中的转轴及连接在转轴上的扭矩与转速传感器，其特征在于所述的转轴上连接有由紧固件紧固的导磁动环，该导磁动环与转轴同步旋转并作上、下调节，导磁定环通过无磁定心组件与转轴同心连接，导磁定环与导磁动环间形成注入被测磁性液体的轴向恒定间隙，导磁定环与导磁动环之间还设有永磁环并形成径向可调间隙，并由导磁定环、导磁动环、永磁环、以及轴向恒定间隙和径向可调间隙一起构成磁回路，并形成内环腔，内环腔内设有与磁通计相连的感应线圈，并固定于导磁定环上。

所述的导磁动环与转轴的连接为螺纹连接。

所述的导磁定环通过无磁定心组件与转轴的同心连接是导磁定环固定在无磁定心组件中；所述的永磁环设在导磁动环上，由永磁环与导磁定环形成径向可调间隙。

所述的导磁定环通过无磁定心组件与转轴的同心连接是导磁定环螺纹连接在无磁定心组件中上、下移动调节；所述的永磁环设在导磁动环上，在永磁环上设有起保护导磁作用的极靴环，并由极靴环与导磁定环形成径向可调间隙。

所述的导磁定环通过无磁定心组件与转轴的同心连接是导磁定环固定在无磁定心组件中；所述永磁环设在导磁定环下方，由永磁环与导磁动环形成径向可调间隙。

本发明与现有技术相比，采用永磁体作磁源、约束磁场连续可调，能准确测定临界工作磁场，实现低温磁化粘度特性的测定，确定不同磁性液体材料的工作磁场，为密封及阻尼减振等器件的优化设计提供依据，其测试过程材料样品用量少，不会对样品温度产生影响，使用方便，功耗小。

附图说明

图1为本发明实施例1的测试装置结构示意图。

图2为本发明磁回路参数M、δ、L相关位置图。

图3为本发明实施例2的测试装置结构示意图。

图4为本发明实施例3的测试装置结构示意图。

图中：1、变速电机，2、扭矩与转速传感器，3、转轴，4、轴承，5、无磁定心组件，6、轴向恒定间隙，7、导磁定环，8、径向可调间隙，9、永磁环，10、导磁动环，11、感应线圈，12、紧固件，13、内环腔，14、极靴环。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方案作进一步详细描述。

本发明一种磁性液体磁化粘度测试方法，亦称磁性液体在磁场中的粘度测试方法，首先对测试装置的轴向恒定间隙6的间隙δ、圆柱面半径R、圆柱面高度L进行设计，本装置实施例的轴向恒定间隙δ＝0.2～2mm；圆柱面半径R＝20～100mm；圆柱面高度L＝5～20mm(如图2所示)；然后在该装置的轴向恒定间隙6内通过管路注入磁性液体材料样品，以注满为止；调整导磁动环10沿螺纹转轴3上、下调整径向可调间隙8来达到调整磁回路磁通量Φ，并通过径向可调间隙8调整磁回路磁阻和磁通量达到调整施加在磁性液体材料样品上的磁场强度；上述调整完成后即可启动调速电机1，通过转轴3带动导磁动环10转动，使轴向恒定间隙6内的磁性液体受到剪切作用，根据材料样品的粘度特征与剪切力的转换被扭矩与转速传感器2测定导磁动环10转动扭矩M和转动角速度ω；再通过与感应线圈11相连的磁通计测定磁回路上的磁通量Φ；最后按公式计算磁性液体材料样品的磁化粘度η和磁通密度B：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{dv}/\mathrm{dx}}\≈\frac{F/A}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{M/2\mathrm{\π}{R}^{2}l}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{\mathrm{M\δ}}{2\mathrm{\π}{R}^3\mathrm{l\ω}}$

$B=\frac{\mathrm{\φ}}{A}=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\πRl}}$

根据磁化粘度η和磁通密度B就可绘制出磁性液体或磁流变体在磁场中的粘度特性曲线，为密封及阻尼减振等器件的优化设计提供依据。

本发明一种磁性液体磁化粘度测试装置，该装置包括由变速电机1、扭矩与转速传感器2、转轴3、轴承4、无磁定心组件5、导磁定环7、永磁环9、导磁动环10、连接磁通计的感应线圈11和紧固件12等构成。其中导磁动环10与转轴3螺纹连接，可上、下位移调节，亦随转轴同步旋转，导磁定环7通过无磁定心组件5与转轴3同心连接，导磁定环7、永磁环9和导磁动环10形成具有轴向恒定间隙6和径向可调间隙8的磁回路，并形成内环腔13，内环腔内设有与磁通计相连的感应线圈11，并固定于导磁定环7上。

其中轴向恒定间隙6用于形成均匀磁场约束磁性液体或磁流变体材料样品并对材料样品适加剪切力；径向可调间隙8用作可调磁阻，调整轴向恒定间隙6内的磁通密度B。

本发明装置有三个实施例，每一实施例在上述结构基础上还存在差异，分述如下：

实施例1：

所述的导磁定环7通过无磁定心组件5与转轴3的同心连接是导磁定环7固定在无磁定心组件5中；所述的永磁环9设在导磁动环10上，由永磁环9与导磁定环7形成径向可调间隙8，如图1所示。

实施例2：

所述的导磁定环7通过无磁定心组件5与转轴3的同心连接是导磁定环7螺纹连接在无磁定心组件5中可上、下移动调节；调节径向可调间隙8大小；所述的永磁环9设在导磁动环10上，在永磁环9上设有起保护导磁作用的极靴环、14，并由极靴环14与导磁定环7形成径向可调间隙8，如图3所示。

实施例3：

所述的导磁定环7通过无磁定心组件5与转轴3的同心连接与实施例1相同，也是将导磁定环7固定在无磁定心组件5中；所述的永磁环9设在导磁定环7下方，由永磁环9与导磁动环10形成径向可调间隙8，如图4所示。

Claims (6)

1.一种磁性液体磁化粘度测试方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

a、设定磁性液体磁化粘度测试装置的轴向恒定间隙(6)大小为δ、轴向恒定间隙(6)圆柱面半径为R、轴向恒定间隙(6)圆柱面高度为L；

b、在所述装置的轴向恒定间隙(6)内通过管路注入磁性液体材料样品；

c、通过导磁动环(10)相对转轴(3)作上、下连续移动来调整径向可调间隙(8)来达到调整磁回路的磁通量Φ；

d、通过径向可调间隙(8)调整磁回路磁阻和磁通量来调整轴向恒定间隙(6)内施加在磁性液体材料样品上的磁场强度；

e、启动调速电机(1)，通过扭矩与转速传感器(2)、转轴(3)带动导磁动环(10)转动，使轴向恒定间隙(6)内的磁性液体材料受到剪切作用，材料样品的粘度特征转换成剪切力并被扭矩与转速传感器(2)测定导磁动环(10)转动扭矩M和转动角速度ω；

f、通过感应线圈(11)及与其相连的磁通计测定磁回路上的磁通量Φ；

g、通过下列公式计算转换为磁性液体材料样品的磁化粘度η；

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{dv}/\mathrm{dx}}\≈\frac{F/A}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{M/2\mathrm{\π}{R}^{2}l}{\mathrm{R\ω}/\mathrm{\δ}}$

$=\frac{\mathrm{M\δ}}{2\mathrm{\π}{R}^3\mathrm{l\ω}}$

式中：η为材料样品磁化粘度，

δ为轴向恒定间隙大小，

R为轴向恒定间隙圆柱面半径，

L为轴向恒定间隙圆柱面高度，

ω为导磁动环转动角速度，

M为导磁动环转动扭矩，

τ为材料样品所受剪应力，

为速度梯度，

F为扭转力，

A为恒定间隙柱面面积；

h、磁通量Φ通过感应线圈(11)及与其相连的磁通计测定后，通过公式转换为材料样品的磁通密度B

$B=\frac{\mathrm{\φ}}{A}=\frac{\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\πRl}}$

式中：B为恒定轴向间隙磁通密度，

Φ为磁回路上的磁通量。

2.一种用于权利要求1所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，该装置包括变速电机(1)，支承在轴承(4)中的转轴(3)及连接在转轴上的扭矩与转速传感器(2)，其特征在于所述的转轴(3)上连接有由紧固件(12)紧固的导磁动环(10)，该导磁动环(10)与转轴(3)同步旋转并作上、下调节，导磁定环(7)通过无磁定心组件(5)与转轴(3)同心连接，导磁定环(7)与导磁动环(10)间形成注入被测磁性液体的轴向恒定间隙(6)，导磁定环(7)与导磁动环(10)之间还设有永磁环(9)并形成径向可调间隙(8)，并由导磁定环(7)、导磁动环(10)、永磁环(9)、以及轴向恒定间隙(6)和径向可调间隙(8)一起构成磁回路，并形成内环腔(13)，内环腔内设有与磁通计相连的感应线圈(11)，并固定于导磁定环(7)上。

3.根据权利要求2所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，其特征在于所述的导磁动环(10)与转轴(3)的连接为螺纹连接。

4.根据权利要求2或3所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，其特征在于所述的导磁定环(7)通过无磁定心组件(5)与转轴(3)的同心连接是导磁定环(7)固定在无磁定心组件(5)中；所述的永磁环(9)设在导磁动环(10)上，由永磁环(9)与导磁定环(7)形成径向可调间隙(8)。

5.根据权利要求2或3所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，其特征在于所述的导磁定环(7)通过无磁定心组件(5)与转轴(3)的同心连接是导磁定环(7)螺纹连接在无磁定心组件(5)中上、下移动调节；所述的永磁环(9)设在导磁动环(10)上，在永磁环(9)上设有起保护导磁作用的极靴环(14)，并由极靴环(14)与导磁定环(7)形成径向可调间隙(8)。

6.根据权利要求2或3所述的磁性液体磁化粘度测试方法的装置，其特征在于所述的导磁定环(7)通过无磁定心组件(5)与转轴(3)的同心连接是导磁定环(7)固定在无磁定心组件(5)中；所述永磁环(9)设在导磁定环(7)下方，由永磁环(9)与导磁动环(10)形成径向可调间隙(8)。

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