CN102221066B - 带有永磁偏磁场的磁流变装置 - Google Patents

Abstract

一种磁流变阻尼器装置包括一活塞和一壳元件，两者都可用于承载磁通量。在该活塞和壳元件之间存在一通道，一定量的磁流变液体位于该活塞和壳元件之间并在所述通道内流动。一第一磁通量发生器和一第二磁通量发生器协同产生一净通量，该净通量作用于通道内的磁流变液并影响通道内液体的流动。磁通量发生器中的一个由永磁体组成，以在活塞和壳元件之间产生一偏通量，磁通量发生器中的另一个由在活塞和壳元件之间提供可控磁通量的方式细成。

Description

带有永磁偏磁场的磁流变装置

技术领域

本发明大致涉及磁流变(MR)装置，更具体地涉及一种磁流变阻尼装置的改进设计。

背景技术

用于悬置部件和控制或阻碍他们相对运动的装置在本领域是已知的。例如，这些装置已知并被用于汽车领域的车辆悬架系统。装置可能是减震器、减震支柱的形式，和其他运动或震动的阻尼结构。

基本上，很多这种装置利用液体来控制机械部件的相对运动。例如，可利用液压液体作为产生阻尼力或转矩，或控制运动的介质。一类这种运动控制装置利用液体介质，该液体介质通过应用磁场实现可控的。这种磁力控制液体被称作磁流变，或磁流变液。磁流变液处于足够强度的磁场影响下时显示出增稠特性(流变性变化)。磁流变液受到的磁场强度越高，磁流变装置所能达到的限流或阻尼力就越大。有望利用磁流变液的这种特性来控制磁流变装置的阻尼，例如根据驾驶者的操作或路面情况来修正车辆的乘坐特性。

磁流变装置可利用电磁体，其包括穿过线圈流动的电流，以作用于磁场进而影响磁流变液的流动特性。磁流变装置的阻尼力是提供给电磁体的电流的函数。如果没有电流提供给电磁体，阻尼处于最低水平。没有施加磁场的阻尼水平可能比多数车辆运行情况下所需的水平的要低。在车辆运行的大多数时候，需要提供持续的电流以提供所需的阻尼水平。这种电流需求增加车辆电力系统的负载，这对燃油经济性具有不利的影响。同时，用于形成电磁体的电线，和车辆线束和电线接头一样，必须大小合适以适应所需的电流水平。另外，在车辆控制的角度上来看，阻尼器的控制电流被中断，从而没有施加磁场的低阻尼水平是不宜发生的。

为了降低工作电流和/或没有电流时提供期望的阻尼水平，本领域已知的方法包括磁流变装置内的永磁体以提供偏磁通量。例如，US专利5632361和6419057公开了这种方法。偏通量增加了没有电流通过电磁体时的磁流变装置的阻尼力。电磁体可用于提供磁通量以补充偏通量。

在使用磁流变装置时，一个重要的特性就是所谓的“放大率”。放大率是指磁流变装置产生的最大力或转矩除以同装置输出的最小力或转矩的比值。在设计可控的磁流变制动器时，在给定的运行情况下，通常希望放大率最大。当磁流变液处于最大磁场时，该放大率的最大化可通过增加可能的转矩或力，和/或当液体处于最小磁场时，通过最小化输出的转矩或力。在传统的磁流变装置中，当整个磁场由电磁体产生时，由于零电流提供给电磁体而没有引起磁场的产生，此时的电磁场最小。对于这样的装置，放大率主要依赖于磁流变液的特性，即磁场作用下液体的屈变力和没有电磁场时液体的粘度。

在磁流变装置中增加永磁体以提供偏磁通量也具有不利影响。现有技术中，已知的结构配置要完全抵消偏通量是不可能的，这使得一直有显著水平的通量作用于磁流变液以提高输出的最小力，从而降低放大率。已知的现有结构配置可能需要很高的电流水平来抵消偏通量以达到低最小力，从而达到期望的高放大率的需求。已知的现有结构配置还需要昂贵的永磁体材料来降低电磁体通量使永磁体退磁的风险。

因此，需要一种磁流变阻尼器，其将在受控运行中降低电流需求，且在电源切断时提供比最低水平更高的阻尼，同时保持高放大率。

发明内容

当磁流变装置的电源不提供控制电流时，本发明的磁流变装置提供比最低水平更高的阻尼。本发明的装置包括活塞，围绕该活塞的至少一部分的第一磁通量发生器，围绕第一磁通量发生器的至少一部分的第二磁通量发生器。磁通量发生器中的一个由永磁体组成，磁通量发生器中的另一个由承载电流的线圈组成并充当电磁体。永磁体被放置于引导磁通量穿过磁流变液体流动路径以引起磁流变液流动的阻力。用于阻碍磁流变装置的活塞和另一元件之间的相对运动的阻尼力依赖于磁流变液的流变性。穿过线圈的电流提供一磁通量，该通量与永磁体的通量合在一起以实现控制阻尼力。通过控制电流穿过线圈的方向，线圈产生的磁通量的极性可控制从而增加或抵消偏通量。当没有可用的控制电流时，永磁体可实现阻尼，同时降低被控阻尼所需的峰值电流。通过合理控制穿过线圈的电流，线圈和永磁体倾向于允许通过磁流变液体通道的通量在方向上完全抵消。

本发明的描述中，术语“围绕”“缠绕”“绕”等等应该理解为非限制于完全不间断的环绕。例如，如果活塞的一部分位于通量发生器的两部分之间，活塞的该部分可认为是被通量发生器围绕。因此，通量发生器可示例为由彼此间隔开的多个永磁体段组成，其中磁铁段间隙和空隙共同环绕活塞部分。

根据优选实施例的如下描述，本发明的各种特性和优点对于本领域的技术人员来说是明显的。配合详细描述的附图描述如下：

附图说明

图1是本发明第一实施例的磁流变阻尼器的侧视剖面图，包括一磁流变活塞组件，示出了磁流变活塞组件带有一电线圈组和一永磁体；

图2是在第一运行条件下的磁通量分布图；

图3是在第二运行条件下的磁通量分布图；

图4是在第三运行条件下的磁通量分布图；

图5是本发明另一实施例的侧视剖面图。

具体实施方式

现参考附图，图1示出了本发明的典型实施例。一磁流变阻尼器138包括管140，活塞组件110和磁流变液144。活塞组件110包括活塞112，杆114，流量环116，线圈134和永磁体150。活塞112由可承载磁通量的材料组成。活塞具有一纵轴118，第一纵末端126和第二纵末端128。在一种构造中，轴118定义一对称轴，组件围绕该轴线大体上圆柱形或环形方式设置，但是其他非圆形的结构也是合理的。在图1中，活塞112示出为包括一活塞下部124和一活塞上部132，这表示活塞可以由多个部分组成以便于装配。另外，也可使用合适的加工工艺以形成整块的活塞。

一壳元件也可承载围绕活塞112的磁通量，以便于在壳元件和活塞112之间定义一通道146。在图1中，壳元件被描述成通量环116，该环在管140内随活塞112轴向运动。在未示出的另一实施例中，通量环116可以省略，而管140可由合适的磁性材料组成以充当壳元件并承载磁通量以同样定义通道146。

在图1描述的实施例中，设置一环形永磁体150以围绕活塞112的一部分。线圈134围绕永磁体150设置。线圈134具有电气接线盒(图未示)以允许电流穿过线圈流动。

图1还示出了一环形磁隙130，该磁隙的作用在下面进行描述。

在图1示出的磁流变阻尼器138中，杆114具有连接于活塞112的第一纵末端126的第一末端部分122和纵向延伸到管140外部的第二末端部分142。

如图1，操作时，当施加外力于杆末端部分142以推动活塞112在管140内部的轴向运动时，磁流变液144被挤压流过通道146。所施加的阻止活塞运动的力取决于磁流变液144的流变性，这可以通过控制出现在通道146内的作用于磁流变液144的磁通量来进行控制。

图2-图4示出了各种运行情况下穿过磁通路的磁通量的形式，该磁通路由通道146，活塞112，磁隙130，和壳元件(包括通量环116和管140)组成。图2-图4还示出了活塞112和杆114之间的磁隙130。磁隙130包括部分130a、130b和130c。磁隙部分130b临近永磁体150，用于降低永磁体150侧面的磁通量泄露。线圈134充当永磁体150的另一侧的磁隙以降低该侧的通量泄露。磁隙部分130a和130c可单独使用或同时使用以有利影响穿过磁通路的通量分布。

在图2中，没有电流穿过线圈134，磁通路仅由永磁体150产生的偏通量组成。在这种条件下，穿过通道146的显著的磁通量影响管道内磁流变液的流变性，由此产生的阻尼力处于超过最低水平某个水平上，该最低水平在没有磁通量的情况下出现。该磁通路与永磁体150互相配合可用于建立阻尼的静态水平。穿过线圈的电流变化实现的通量变化可达到控制阻尼的静态水平。由于永磁体150提供偏磁通量，这种配置可降低为达到所需的阻尼水平而穿过线圈134的所需的电流水平。另外，如果穿过线圈134的电流被非预期中断，这种配置可提供希望的自动防故障的阻尼水平。

图3示出了当穿过线圈134的电流是极性的，以产生磁通量，该磁通量与由永磁体150产生的偏通量在通道146中叠加。在这种条件下，与图2描述的零电流情况相比通道146内穿过磁流变液的磁通量增强，这预期使得与零电流阻尼力相比可控的阻尼力增大。应该注意，如果省略永磁体150而由线圈134产生整个磁场，穿过线圈134的电流比所需的电流少，永磁体150产生的偏通量使得输出的阻尼力水平超过静止水平。

图4示出了当适当量值和极性的电流穿过线圈134以在通道146内产生适当量值和方向上与永磁体150产生的偏通量相反的磁通量。在这种条件下，产生的穿过磁通路的磁通量使得基本上零通量作用于通道146内穿过的磁流变液体。因此，最低阻尼力可被控制在一个低水平，这是为了达到高放大率所需要的。

由于增加磁隙120，带来了意想不到的有益效果。如果杆114由磁性材料组成，磁流变装置结构内的磁隙降低了杆114对磁通路的影响。由于磁隙120，穿过磁通路的通量的对称性得到改善，允许通过由线圈134产生的磁通量抵消通道146内由永磁体150产生的偏通量。

如果穿过线圈134的电流增加到超过图4所示的水平，阻尼力也将增加。这是因为与通量的极性无关，磁流变液144对应于穿过通道146的磁通量的绝对值。当线圈134产生的磁通量超过抵消永磁体150产生的通量所需的水平时，通道146内通量水平的绝对值上升到超过最低通量水平，并用于提高通道146内的磁流变液的粘度，从而使得增大的阻尼超过最低阻尼水平。

图5示出了本发明的另一个实施例。在这个实施例中，永磁体250和线圈234设置于活塞212上，永磁体250围绕线圈234。线圈234充当磁隙以降低穿过永磁体250侧面的磁泄露。磁隙部分230a和230c可单独或同时使用以有效影响穿过磁通路的通量分布。图5还示出了永磁体250和线圈234并不局限为具有相同的轴向长度。

在另一个实施例中，永磁体150，线圈134，或两者可作为壳元件的一部分，例如作为通量环116的一部分。

应该注意，当提到磁隙时，应该理解根据本发明的应用并不局限于文字表述的结构上的间距或空隙。磁隙是指，与磁通路的其他元件的磁透率相比，具有更低磁透率的区域。磁隙可通过充满空气，磁流变液或其他具有低磁透率的物质的空隙来实现。如果磁隙是通过空隙实现的，可能还需要一个结构性的连接件，例如用网(图未示)的形式。另外，磁隙也可通过由低磁透率材料组成的结构部件来实现，例如但不局限于铝或非磁性不锈钢。

另外，本发明并不局限于控制如上所述的沿轴118的直线运动，还可用于控制围绕轴118的作用于杆末端部分142的旋转运动的作用转矩。因此，本发明可用于例如旋转式阻尼器，闸或离合器。

本发明通过其实施例的描述进行了说明，而实施例的描述又相当详细，申请人并不是意图用这些细节来限制或任何形式的约束后附权利要求的范围。对本领域的技术人员来说，其他的优点和变型是可能的。因此，在各个方面，本发明不局限于典型装置的特定细节，只是用于阐述示例和描述。相应地，可脱离这些细节但不脱离申请人总体发明观念的精神或范围。

Claims (8)

1.一种磁流变装置，包括：

具有轴的活塞；

围绕所述活塞至少一部分的壳元件，其中在所述活塞和所述壳元件之间定义一通道；

围绕活塞一部分的第一磁通量发生器；

围绕所述第一磁通量发生器至少一部分的第二磁通量发生器；

其特征在于，所述第一磁通量发生器和所述第二磁通量发生器中的一个包括永磁体以在所述活塞和所述壳元件之间产生一偏通量，所述第一磁通量发生器和所述第二磁通量发生器中的另一个包括电磁体以在所述活塞和所述壳元件之间提供一个可控的磁通量；

其中，所述的可控的磁通量和所述的偏通量在所述通道内协同产生一净通量，以控制所述通道内的磁流变液的流变性，

并且其中，所述活塞还包括一环形磁隙，该环形磁隙被设置为改善穿过磁通路的通量的对称性，以使得在对所述电磁体施加适当量值和极性的电流时，所述的可控的磁通量可完全克服偏通量，从而沿所述通道的长度的通道内的任何位置的净通量为零。

2.如权利要求1所述的磁流变装置，其特征在于，所述的第二磁通量发生器相对于所述第一磁通量发生器位于固定的位置上。

3.如权利要求1所述的磁流变装置，其特征在于，所述的活塞和所述的壳元件中的至少一个由在磁通路中可承载磁通量的材料组成。

4.如权利要求3所述的磁流变装置，其特征在于，所述的环形磁隙包括一环绕所述永磁体的第一环形磁隙部分。

5.如权利要求4所述的磁流变装置，其特征在于，所述的环形磁隙包括一超过所述永磁体的第一轴末端轴向延伸的第二环形磁隙部分。

6.如权利要求5所述的磁流变装置，其特征在于，所述的环形磁隙包括一超过所述永磁体的第二轴末端轴向延伸的第三环形磁隙部分。

7.如权利要求1所述的磁流变装置，其特征在于，进一步包括具有固定连接于活塞的第一末端部分的杆。

8.如权利要求7所述的磁流变装置，其特征在于，所述的杆和所述活塞共同限定它们之间的一磁隙。