CN104361964B - 一种基于磁流变效应的转动式变阻装置 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流变效应的可调变阻装置，包括第一磁铁、第二磁铁、封闭型外套、底座，磁流变材料安装在封闭型外套内，两个电极分别布置在所述封闭型外套的上、下两面，两个导线分别连接两个电极，旋转轴固定在所述封闭型外套的前、后两个面上，并插入到两侧对应的两个固定支架的圆孔中，第一磁铁、第二磁铁、固定支架置于底座上。本发明一种基于磁流变效应的可调变阻装置，可以通过改变外磁场强度、磁流变材料种类以及其浓度，可跟据实际需求给出符合不同区间的电阻范围。

Description

一种基于磁流变效应的转动式变阻装置

技术领域

本发明涉及一种可调变阻装置，特别是一种基于磁流变效应的可调变阻装置。

背景技术

磁流变效应是通过磁场控制磁流体自身性质的一种物理现象，由于其响应快、可控性好、变化连续、性能稳定等优点，在智能化控制领域有着广泛的应用前景。磁流变材料作为一种具有稳定磁流变性能的新型智能材料，国内外已有十几个国家投巨资,对该项目进行加速研究和开发,竞相发展这一技术。目前已在研磨(抛光)工艺、智能阀门、机械手抓持机构以及在采矿、印刷等行业的传感及自动化控制领域获得应用，特别是在汽车行业的座位减振器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器方面得到了快速的发展。

通常，磁流变材料是由高磁导率、低磁滞性的软磁性微小颗粒和非导磁性载液混合而成的悬浮体。如果软磁性微小颗粒为一种导电材料而载液为一种不良导体材料，则将呈现出受磁场调控的电学性能[专利号：ZL 201310073784]。在零磁场情况下,由于磁流变材料的随机流动性，其电学特性表现为不良导电性能；而在强磁场作用下，由于磁流变材料的类固体特性，其表现为良导体性质；而且这种变化是连续且可逆的。根据这种磁流变材料的独特电学特性，可设计出相关的磁控电学器件。

发明内容

为了利用磁流变材料的磁控电学特性，本发明提出一种基于磁流变效应的转动式变阻装置，以获得结构简单且可灵活调控的变阻装置。

本发明采取的技术方案为：

一种基于磁流变效应的可调变阻装置，包括第一磁铁、第二磁铁、封闭型外套、底座，磁流变材料安装在封闭型外套内，两个电极分别布置在所述封闭型外套的上、下两面，两个导线分别连接两个电极，旋转轴固定在所述封闭型外套的前、后两个面上，并插入到两侧对应的两个固定支架的圆孔中，第一磁铁、第二磁铁、固定支架置于底座上。

所述封闭型外套为方形体，其前、后、左、右四个面是采用绝缘材料，而上、下两面则采用两个电极直接封闭该外套。

所述磁流变材料是具有磁流变效应的流体或者胶体。

第一磁铁、第二磁铁相对磁极的极性相反。

第一磁铁、第二磁铁为可提供稳定磁场强度的永久磁铁或者电磁铁。

一种基于磁流变效应的转动式变阻方法，旋转封闭型外套，可以调控磁场对封闭型外套的作用方向；随着磁场方向的改变，两个电极的电阻将发生变化，磁流变材料在外界磁场的作用下，内部磁性微颗粒的排列结构发生变化，通过改变磁场方向与电场方向之间的角度，改变磁流变材料的导电能力。两个电极面垂直方向，即导电方向。

一种基于磁流变效应的转动式变阻方法，改变外磁场强度、磁流变材料种类以及其浓度，可跟据实际需求给出符合不同区间的电阻范围。

一种基于磁流变效应的转动式变阻方法，当均匀静磁场的施加方向垂直于两个电极平面时，即磁场方向平行于导电方向时，导电链束与电极之间形成良好接触，减小了颗粒之间的距离，增强了磁流变液的导电性能，电阻值达到最小。当均匀静磁场的施加方向平行于两个电极平面时，即磁场方向垂直于导电方向时，导电链束与电极之间形成不良接触，增大了颗粒之间的距离，减弱了磁流变材料的导电性能，电阻值达到最大。

一种基于磁流变效应的转动式变阻方法，其特征在于，可通过调整旋转角度，从磁场方向平行于导电方向旋转到磁场方向垂直于导电方向，增大了链束取向与导电方向之间的夹角，增大了颗粒之间的间距，减弱了磁流变材料的导电性能，进而达到了利用调节旋转角度来控制磁流变材料电阻大小的目的。

本发明一种基于磁流变效应的可调变阻装置，技术效果如下：

1)、封闭型外套的上、下两面则用金属电极直接封闭该外套，以便于磁流变材料与电极的接触导电。

2)、旋转轴则固定在封闭型外套的前、后两个绝缘材料表面上，并插入到两侧对应的两个固定支架的两个圆孔中，以便于自由旋转封闭型外套。

3)、磁流变效应转动式可调变阻装置结构简单，内部填充的磁流变材料具有磁电阻性能好，并具有在磁场作用下反应迅速、可逆性好等优点。

4)、本发明磁流变效应电阻装置，可以通过改变外磁场强度、磁流变材料种类以及其浓度，可跟据实际需求给出符合不同区间的电阻范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明装置在1T均匀静磁场下，依赖于磁场方向(旋转角度)的磁流变液电阻特性测试曲线。

具体实施方式

如图1所示，一种基于磁流变效应旋转变阻装置的结构示意图，包括第一磁铁1、第二磁铁1’、导线2、固定支架3、旋转轴4、封闭型外套5、电极6以及底座7。第一磁铁1、第二磁铁1’是为磁流变效应旋转变阻装置提供均匀稳定的静磁场而设置，而且导线2、固定支架3、以及电极6均为两个。

所述封闭型外套5为方形体，其前、后、左、右四个面是采用绝缘材料，而上、下两面则用金属材质的电极6直接封闭该外套，以便于磁流变材料与电极6的接触导电。上、下两个导线2连接于电极6并通向外部检测设备，如：吉时利2400源表。旋转轴4则固定在封闭型外套5的前、后两个绝缘材料表面上，并插入到两侧对应的两个固定支架3的圆孔中，以便于自由旋转封闭型外套5。

图2所描述的是在1T均匀静磁场下依赖于磁场方向(旋转角度)的磁流变液电阻特性测试曲线。在这里0度表示的是，当均匀静磁场的施加方向垂直于两个电极6平面时的角度。

表1：

角度(°)	0	6	12	18	24	30	36	42	48	54	60
												电流(mA)	3.70	3.45	3.13	2.78	2.38	2	1.67	1.32	0.89	0.51	0.35
电阻(kΩ)	2.7	2.9	3.2	3.6	4.2	5.0	6.0	7.6	11.2	19.8	28.4

表1所描述的是在1T均匀静磁场下电极两端加上10V的电压，通过调节旋转角度来改变磁场方向与电场方向夹角，测试从0到90度的电流(0到60度曲线呈现单调性)，和磁流变材料的电阻。通过表1可以发现电流大小随角度的增大而逐渐减小，而磁流变材料电阻随角度的增大而逐渐增大。这说明在稳定外磁场作用下，通过改变电场和磁场之间夹角可以调制磁性流变材料内部形成的“导电通道”。

当受到外界磁场作用时，磁流变材料中的微颗粒将形成沿磁场方向的固化而且较粗的“链束”，磁性微颗粒将形成平行于外加磁场方向的一条“导电通道”，因为大量的可导电微颗粒聚拢成长链并固化后，就是一条能够导电的“链束”。当均匀静磁场的施加方向垂直于两个电极6平面时，即磁场方向平行于导电方向时，导电链束与电极6之间形成良好接触，减小了颗粒之间的距离，增强了磁流变液的导电性能，电阻值达到最小。当均匀静磁场的施加方向平行于两个电极6平面时，即磁场方向垂直于导电方向时，导电链束与电极6之间形成不良接触，增大了颗粒之间的距离，减弱了磁流变材料的导电性能，电阻值达到最大。

本发明一种基于磁流变效应的可调变阻装置，可通过调整旋转角度，从磁场方向平行于导电方向旋转到磁场方向垂直于导电方向，增大了链束取向与导电方向之间的夹角，增大了颗粒之间的间距，减弱了磁流变材料的导电性能，进而达到了利用调节旋转角度来控制磁流变材料电阻大小的目的。所述磁流变效应转动式变阻装置通过导线2与外界设备相连接，能作为可智能灵活调节电阻大小的变阻器使用。

所述磁流变材料可以是具有磁流变效应的流体或者胶体。

表2：

磁流变液体的电阻可以在几千欧姆(Ω)到几百万欧姆(Ω)区间变化，，磁流变胶体可以在几十欧姆(Ω)到几万欧姆(Ω)区间变化。磁流变液体和磁流变胶体，它们分别由不同的材料制备，不同的材料加磁场后产生的导电通路不同，而且所盛装磁流变材料的封闭外套(容器)几何结构及形状不同其呈现的电阻也不同，导致磁流变材料的导电特性的不同。

表3：

通过对磁流变液的40％和80％两个浓度的电阻特性进行测试并对比分析，两个浓度的电阻明显不同。我们可以确定浓度对电阻大小的影响还是很大的，40％和80％浓度的磁流变液，浓度越高，磁性颗粒越多，加磁场后产生的导电通路越多，导致导电特性越好，随浓度的增大磁流变液电阻减小。

表4：

通过对磁流变液的单个电阻特性(即平行方向或垂直方向)进行测试，即外加均匀变化磁场下磁流变液的电阻在特定角度随着磁场大小的增大而逐渐减小，且减小明显，表明在特定角度磁流变液的电阻特性在磁场大小变化时其表现十分敏感，而达到一定大小时开始平缓。从表中每条曲线可以看出在无磁场时电阻最大，随磁场强度的增强电阻值急剧下降，其特定大小范围为0-0.6T。在0.6T之后电阻下降趋于平缓，并逐渐趋近于一个固定的值。随着磁场的增强，磁流变液在磁场的作用下逐渐成链，形成越来越多的导通电路，从而电阻值迅速变小但随着磁场的不断增强，磁流变液中的铁磁性颗粒成链数趋于饱和，电阻值变化不明显。

所述旋转轴4则固定在封闭型外套5的前、后两个绝缘材料表面上，并插入到两侧对应的两个固定支架3的圆孔中，以便于自由旋转封闭型磁流变材料外套。通过控制旋转角度来调节外界施加的磁场方向，从而改变磁流变效应转动式可调变阻器的电阻。

第一磁铁1、第二磁铁1’是为磁流变效应旋转变阻装置提供均匀稳定的静磁场而设置，而且要求两个磁铁相对磁极的极性：即：N和S相反。所述第一磁铁1、第二磁铁1’为可提供均匀稳定磁场的永久磁铁或电磁铁。

Claims (6)

1.一种基于磁流变效应的可调变阻装置，包括第一磁铁(1)、第二磁铁(1’)、封闭型外套(5)、底座(7)，其特征在于，磁流变材料安装在封闭型外套(5)内，两个电极(6)分别布置在所述封闭型外套(5)的上、下两面，两个导线(2)分别连接两个电极(6)，旋转轴(4)固定在所述封闭型外套(5)的前、后两个面上，并插入到两侧对应的两个固定支架(3)的圆孔中，第一磁铁(1)、第二磁铁(1’)、固定支架(3)置于底座(7)上；所述封闭型外套(5)为方形体，其前、后、左、右四个面是采用绝缘材料，而上、下两面则采用两个电极(6)直接封闭该外套；所述磁流变材料是具有磁流变效应的液体。

2.根据权利要求1所述一种基于磁流变效应的可调变阻装置，其特征在于，第一磁铁(1)、第二磁铁(1’)相对磁极的极性相反。

3.根据权利要求1所述一种基于磁流变效应的可调变阻装置，其特征在于，第一磁铁(1)、第二磁铁(1’)为可提供稳定磁场强度的永久磁铁或者电磁铁。

4.采用如权利要求1～3任意一种基于磁流变效应的可调变阻装置的变阻方法，其特征在于，旋转封闭型外套(5),可以调控磁场对封闭型外套(5)的作用方向；随着磁场方向的改变，两个电极(6)的电阻将发生变化，磁流变材料在外界磁场的作用下，内部磁性微颗粒的排列结构发生变化，通过改变磁场方向与电场方向之间的角度，改变磁流变材料的导电能力。

5.采用如权利要求1～3任意一种基于磁流变效应的可调变阻装置的变阻方法，其特征在于，当均匀静磁场的施加方向垂直于两个电极(6)平面时，即磁场方向平行于导电方向时，导电链束与电极(6)之间形成良好接触，减小了颗粒之间的距离，增强了磁流变液的导电性能，电阻值达到最小；当均匀静磁场的施加方向平行于两个电极(6)平面时，即磁场方向垂直于导电方向时，导电链束与电极(6)之间形成不良接触，增大了颗粒之间的距离，减弱了磁流变材料的导电性能，电阻值达到最大。

6.采用如权利要求1～3任意一种基于磁流变效应的可调变阻装置的变阻方法，其特征在于，可通过调整旋转角度，从磁场方向平行于导电方向旋转到磁场方向垂直于导电方向，增大了链束取向与导电方向之间的夹角。