CN107218337A - 一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器 - Google Patents

Abstract

一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征在于：矩形压电陶瓷片粘贴在圆筒式定子外圆，通电振动激励出定子B(0,n)振动模态对剪切腔中磁流变液施加超声场。阻尼器磁流变液工作在圆筒式剪切模式下，可对输入旋转的转轴产生较大而可靠的制动力矩。在零磁场工作模式下，向磁流变液施加超声场可减小磁流变液零场阻尼对转轴的影响；在非零场工作模式下，控制不同激励信号可产生不同强度超声场和磁场以精确调控磁流变液阻尼，从而对转轴旋转速度和任意角度进行精确控制。本发明阻尼器结构简单紧凑，动作响应快，阻尼调节范围广且精密。

Description

一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器

技术领域

本发明涉及超声近场对微观颗粒操控排列技术以及磁流变液智能材料的应用技术，尤其是涉及基于超声近场和磁场耦合下的磁流变液中磁性颗粒和流变现象应用技术以及磁流变液粘度精调技术。

背景技术

磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，具有响应快（毫秒级）、阻尼连续可调、能耗低等优良特点被大量应用于振动控制领域，但都是仅限于磁流变液在单一磁场下阻尼可调的特性制成各种阻尼器。然而，随着磁流变液阻尼器应用的越来越广泛，在不同的领域有着不同的性能要求。由于磁流变液粘度随磁场增加的响应极快，但是在某些应用要求（比如飞行器姿态调整）磁流变液阻尼器的阻尼可精确调控并且调节范围更加广泛。在现有超声场和磁场耦合下的磁流变效应控制的研究基础上，发明人扩大了磁流变液阻尼器调控范围，发明了一种阻尼精确可调并且零场阻尼小的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器。

故发明人考虑到磁流变液阻尼精调技术领域空白以及成本、和高效可靠性，设计了一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器实现转轴旋转速度和任意角度的精确控制，以用于飞行器的姿态调整。该阻尼器亦可作为超声场和磁场耦合作用下的磁流变液流变特性的测试装置，可大规模应用于多场耦合下的磁流变液机理研究。

发明内容

针对于上述现有技术的空白，本发明要填补的技术空白是：提供一种超声场和磁场耦合作用的旋转型磁流变液阻尼器，通过超声近场工作部件和磁流变工作部件相结合来实现转轴的自由高速旋转和任意角度的控制，整个阻尼器响应快易控制，结构简单紧凑，速度变化连续可调，拓展磁流变液的阻尼调节范围。

本发明的技术方案之一是：

一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征在于它包括一套超声近场发生组件和一套励磁组件，所述的超声近场发生组件包括若干片压电陶瓷片20，压电陶瓷片20均布贴于圆筒式定子8外圆，通电激励出定子B(0,4)振动模态对剪切腔7中磁流变液施加超声场；定子8夹持位置均布在振动节线位置以减小对振动模态的干扰；定子8与导磁套18间留有单边间隙，由此形成圆筒式的磁流变液剪切工作腔7磁流变液对导磁套18施加控制力矩，导磁套18安装在转轴1上；磁流变液剪切工作腔7两端均安装有密封圈以对磁流变液进行动密封；所述的励磁组件包括线圈16和导磁套18，导磁套18安装在转轴1上以增强转轴表面的磁导率；励磁线圈16和尼龙骨架15装配在导磁轴承杯13上，而导磁轴承杯13与法兰盘11通过螺钉紧固并与导磁套18对齐，从而使得线圈16产生的磁感线17穿透过磁流变液剪切工作腔7并依次经过定子8、导磁套18、导磁轴承杯13、法兰盘110、导磁壳9和导磁盖6形成闭合回路；法兰盘11设有径向定位的凸台14以及用于线圈引线的孔12；线圈16嵌入导磁壳9中；端盖3内部支撑轴承25，外部设有磁流变液添加孔24，磁流变液添加孔24与磁流变液剪切工作腔7相对齐。

所述的压电陶瓷20及其导线均涂有硅胶，定子8两端均采用O型密封圈密封，以减小对振动模态的干扰。

所述的定子8与导磁套18间留有的单边间隙为2mm。

所述的导磁套18采用胶接或者机械式刚性连接安装在转轴1上，从而对转轴输出来自磁流变液的控制力矩。

所述的导磁盖6内侧留有用于压电陶瓷的周向引线的空间21，引线最终经端盖上引线孔22引出。

本发明的技术方案之二是：

一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器的使用方法，其特征是：矩形压电陶瓷片贴于圆筒式定子外圆，通电振动以激励出定子B(0,n)振动模态对剪切腔中磁流变液施加超声场；阻尼器磁流变液工作在圆筒式剪切模式下，向磁流变液施加强度可控超声场和磁场，可对输入旋转的转轴产生可控且可靠的阻尼制动力矩；切断励磁线圈电信号，使磁流变液处于零磁场工作模式下，此时接通压电陶瓷电信号向磁流变液施加超声场，可减小磁流变液零场阻尼对转轴的影响；接通励磁线圈电信号，此时磁流变液工作在非零磁场模式下，控制压电陶瓷与励磁线圈不同大小的激励信号可产生不同强度超声场和磁场以精确调控磁流变液阻尼，从而对转轴速度进行精确控制。

定子采用强导磁材料电工纯铁制得，转轴上装配有导磁套以增强转轴表面的磁导率，导磁套与转轴采用胶接或螺纹连接；励磁线圈和其尼龙骨架装配在导磁轴承杯上，而导磁轴承杯与法兰盘通过螺钉紧固。线圈产生的磁感线穿透过剪切腔并依次经过定子、导磁套、导磁轴承杯、法兰盘、导磁壳和导磁盖形成闭合回路；导磁零件均由强磁导率的电工纯铁制得，法兰盘由钢制得，端盖由高磁阻的黄铜制得，整个电磁回路中除了留有必要焊点高度、回转间隙以及定子压电陶瓷引线空间外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。

线圈骨架采用尼龙制得，尼龙材料具有较高的耐热性；也可以设计无骨架线圈，保证良好的热传递效果。

转轴剪切轴端为空心轴段，并与磁流变液剪切工作腔7连通，用于存储多余的磁流变液的同时还能增加散热面积，延长阻尼器工作寿命。

本发明的阻尼器，可作为磁流变液的圆筒剪切性能测试系统中的核心工作部件，用于超声和磁场耦合下的磁流变液圆筒型剪切性能测试与机理研究。

本发明的超声场和磁场耦合作用的旋转型磁流变液阻尼器包括一个超声近场发生组件（其有限元模型如图2），矩形压电陶瓷片均布粘贴于圆筒式定子外圆，通电以激励出定子B(0,n)振动模态对剪切腔中磁流变液施加超声场，定子振动模态如图3。定子的夹持位置均布于振动节线位置以减小对振动模态的影响。为了满足密封要求，压电陶瓷及其导线应涂硅胶密封且定子端部采用O型密封圈密封，这种类似于柔性机构对定子的约束小，也可减小对定子振动模态的干扰。定子与导磁套间留有间隙，由此形成圆筒式的磁流变液剪切工作腔。磁流变液对导磁套施加控制力矩，导磁套装配于转轴上，两者采用胶接或者螺纹等机械式刚性连接，使转轴输出来自磁流变液的控制力矩。剪切腔两端采用唇形密封圈对磁流变液进行动密封。由于漏磁的存在，缝隙中的磁流变液粘度较大，其本身也起到了一定程度的密封作用。

在电磁回路中，定子和各导磁部件均采用强导磁材料电工纯铁制得，转轴装配有导磁套以增强转轴表面的磁导率。励磁线圈和其尼龙骨架装配在导磁轴承杯上，而导磁轴承杯与法兰盘通过螺钉紧固并与导磁套对齐。这使得励磁线圈产生的磁感线穿透剪切腔并依次经过定子、磁流变液、导磁套、导磁轴承杯、法兰盘、导磁壳和导磁盖形成闭合回路。整个电磁回路中除了留有必要焊点高度、回转间隙以及定子压电陶瓷引线空间外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。法兰盘由钢制，为方便与外系统连接，法兰盘设计有径向定位的凸台。励磁线圈可采用多对形式嵌入导磁壳之中，这既充分利用了导磁体内部空间，减少导磁壳材料的使用，也可增加线圈的散热面积。阻尼器头部的端盖由黄铜制得，端盖内部支撑轴承，外部设计有磁流变液的添加孔并与磁流变液剪切腔相对齐，具体实施时，采用注射器向添加孔注入磁流变液后，用螺钉和密封垫将添加孔密封。也可充分利用转轴内部的空间，以储存多余的磁流变液，增加其散热面积。在导磁盖的内侧留有一定的空间用于压电陶瓷的周向引线，导线最终经过端盖上引线孔引出。

阻尼器磁流变液工作在圆筒式剪切模式下，向磁流变液施加强度可控超声场和磁场，可对输入旋转运动的转轴产生可控且可靠的阻尼制动力矩。切断励磁线圈电信号，使磁流变液零磁场工作模式下，此时对压电陶瓷通电向磁流变液施加超声场，可以减小磁流变液零场阻尼对转轴的影响；接通励磁线圈电信号，使磁流变液工作在非零磁场模式下，控制压电陶瓷与励磁线圈的激励信号可产生不同强度超声场和磁场以精确调控磁流变液阻尼，从而对转轴速度进行精确控制。本发明阻尼器结构简单，体积小，动作响应快，阻尼调节范围广，调节精确，可用在基于阻尼调节下飞行器姿态控制机构中。

本发明亦可作为磁流变液的圆筒剪切性能测试平台中的核心工作部件，用于超声和磁场耦合下的磁流变液圆筒型剪切性能测试与机理研究，如图4所示。具体实施时，先将磁流变液材料注射于剪切腔中，再调节施加的电压或者电流信号分别调节超声场和磁场的强度，记录下电机扭矩和转速的数据，根据磁流变液的Bingham模型本构方程：

为磁流变液的剪切应力；为磁流变液的屈服应力，为磁流变液的屈服强度，由磁流变液的性能和加在磁流变液上的磁场强度决定；为磁力变液的粘度，为磁流变液的剪应变率。剪切应力和剪切变率均可分别由扭矩和转速表征而得，屈服应力与磁场强度存在关系。据此，保持同一剪切变率（即保证转速不变），可以在不同超声形态及强度下对比转矩的变化，间接可以反映出超声场对磁流变液的影响。本平台用到的电磁电机、扭矩传感器、中空型光电编码器均是是实验室设备，容易获得，故成本低，实现了本发明的两用化。

本发明的有益效果：

本发明阻尼器结构简单紧凑，动作响应快，阻尼调节范围广且精密，可用在基于阻尼调节下飞行器姿态控制机构中，还可作为测试部件用于超声和磁场耦合下的磁流变液圆筒型剪切性能测试与机理研究。

附图说明

图1是本发明的阻尼器装配结构示意图。

图2是本发明的定子组件有限元模型图。

图3是本发明的定子组件模态图。

图4是本发明在磁流变液圆筒型剪切测试中的应用结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，它包括一个超声近场发生组件（其有限元模型如图2）和一个励磁组件，如图1所示，八片压电陶瓷片20均布贴于圆筒式定子8外圆，通电激励出定子B(0,4)振动模态对剪切腔7中磁流变液施加超声场，定子组件振动模态如图3。定子8夹持位置均布在振动节线位置以减小对振动模态的干扰。为满足密封要求，压电陶瓷20及其导线应涂硅胶密封且定子8端部采用O型密封圈5、19密封，这种类似于柔性机构对定子8约束小，也可减小对振动模态的干扰。定子8与导磁套18间留有单边2mm间隙，由此形成圆筒式的磁流变液剪切工作腔7。磁流变液对导磁套18施加控制力矩，导磁套18套于转轴1上，两者采用胶接或者可用螺纹等机械式刚性连接，使转轴输出来自磁流变液的控制力矩。在剪切腔7两端采用唇形密封圈4、10对磁流变液进行动密封。由于漏磁的存在，缝隙中的磁流变液粘度较大，其本身也起到了一定程度的密封作用。在电磁回路中，定子8和各导磁零件均采用强导磁材料电工纯铁制得，转轴1上装配有导磁套18以增强转轴表面的磁导率。励磁线圈16和其尼龙骨架15装配在导磁轴承杯13上，而导磁轴承杯13与法兰盘11通过螺钉紧固并与导磁套18对齐。这使得线圈16产生的磁感线17穿透过剪切腔7并依次经过定子8、导磁套18、导磁轴承杯13、法兰盘11、导磁壳9和导磁盖6形成闭合回路。整个电磁回路中除了留有必要焊点高度、回转间隙以及定子压电陶瓷引线空间外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。法兰盘11由钢制，为方便与外系统连接，法兰盘上设计有径向定位的凸台14以及用于线圈引线的孔12。励磁线圈16可用多对形式嵌入导磁壳9之中，这既充分利用了导磁壳9内部空间，减少导磁壳9材料的使用，又可增加线圈16的散热面积。阻尼器头部的端盖3由黄铜制得，内部支撑轴承25，外部设计有磁流变液添加孔24，并与磁流变液剪切腔7相对齐。具体实施时，采用注射器向添加孔24中注入磁流变液后，用螺钉23和密封垫将添加孔24密封。当然也可充分利用转轴1内部的空间，以储存多余的磁流变液，增加其散热面积。导磁盖6内侧留有一定空间21用于压电陶瓷的周向引线，导线最终经端盖上引线孔22引出。

阻尼器磁流变液工作在圆筒式剪切模式下，向磁流变液施加强度可控超声场和磁场，可对由外部输入运动的转轴1产生可控且可靠的阻尼制动力。切断励磁线圈电信号，使磁流变液零磁场工作模式下，此时接上压电陶瓷的电信号向磁流变液施加超声场，这可减小磁流变液零场阻尼对转轴的影响；接上励磁线圈电信号，使磁流变液工作在非零磁场模式下，控制压电陶瓷与励磁线圈不同大小的激励信号可产生不同强度超声场和磁场以精确调控磁流变液阻尼，从而对转轴速度进行精确控制。本发明阻尼器结构简单，体积小，动作响应快，阻尼调节范围广，调节精确，可用在基于阻尼调节下飞行器姿态控制机构中；还可另作为测试部件用于超声和磁场耦合下的磁流变液圆筒型剪切性能测试与机理研究，这里不加以赘述了。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征在于它包括一套超声近场发生组件和一套励磁组件，所述的超声近场发生组件包括若干片压电陶瓷片（20），压电陶瓷片（20）均布贴于圆筒式定子（8）外圆，通电激励出定子B(0,4)振动模态对剪切腔（7）中磁流变液施加超声场；定子（8）夹持位置均布在振动节线位置以减小对振动模态的干扰；定子（8）与导磁套（18）间留有单边间隙，由此形成圆筒式的磁流变液剪切工作腔（7）磁流变液对导磁套（18）施加控制力矩，导磁套（18）安装在转轴（1）上；磁流变液剪切工作腔（7）两端均安装有密封圈以对磁流变液进行动密封；所述的励磁组件包括线圈（16）和导磁套（18），导磁套（18）安装在转轴（1）上以增强转轴表面的磁导率；励磁线圈（16）和尼龙骨架（15）装配在导磁轴承杯（13）上，而导磁轴承杯（13）与法兰盘（11）通过螺钉紧固并与导磁套（18）对齐，从而使得线圈（16）产生的磁感线（17）穿透过磁流变液剪切工作腔（7）并依次经过定子（8）、导磁套（18）、导磁轴承杯（13）、法兰盘（110、导磁壳（9）和导磁盖（6）形成闭合回路；法兰盘（11）设有径向定位的凸台（14）以及用于线圈引线的孔（12）；线圈（16）嵌入导磁壳（9）中；端盖（3）内部支撑轴承（25），外部设有磁流变液添加孔（24），磁流变液添加孔（24）与磁流变液剪切工作腔（7）相对齐。

2.根据权利要求1所述的超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征是所述的压电陶瓷（20）及其导线均涂有硅胶，定子（8）两端均采用O型密封圈密封，以减小对振动模态的干扰。

3.根据权利要求1所述的超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征是所述的定子（8）与导磁套（18）间留有的单边间隙为2mm。

4.根据权利要求1所述的超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征是所述的导磁套（18）采用胶接或者机械式刚性连接安装在转轴（1）上，从而对转轴输出来自磁流变液的控制力矩。

5.根据权利要求1所述的超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器，其特征是所述的导磁盖（6）内侧留有用于压电陶瓷的周向引线的空间（21），引线最终经端盖上引线孔（22）引出。

6.一种权利要求1所述的阻尼器的使用方法，其特征是：矩形压电陶瓷片贴于圆筒式定子外圆，通电振动以激励出定子B(0,n)振动模态对剪切腔中磁流变液施加超声场；阻尼器磁流变液工作在圆筒式剪切模式下，向磁流变液施加强度可控超声场和磁场，可对输入旋转的转轴产生可控且可靠的阻尼制动力矩；切断励磁线圈电信号，使磁流变液处于零磁场工作模式下，此时接通压电陶瓷电信号向磁流变液施加超声场，可减小磁流变液零场阻尼对转轴的影响；接通励磁线圈电信号，此时磁流变液工作在非零磁场模式下，控制压电陶瓷与励磁线圈不同大小的激励信号可产生不同强度超声场和磁场以精确调控磁流变液阻尼，从而对转轴速度进行精确控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，定子采用强导磁材料电工纯铁制得，转轴上装配有导磁套以增强转轴表面的磁导率，导磁套与转轴采用胶接或螺纹连接；励磁线圈和其尼龙骨架装配在导磁轴承杯上，而导磁轴承杯与法兰盘通过螺钉紧固；线圈产生的磁感线穿透过剪切腔并依次经过定子、导磁套、导磁轴承杯、法兰盘、导磁壳和导磁盖形成闭合回路；导磁零件均由强磁导率的电工纯铁制得，法兰盘由钢制得，端盖由高磁阻的黄铜制得，整个电磁回路中除了留有必要焊点高度、回转间隙以及定子压电陶瓷引线空间外均保证紧密连接以减小磁阻和磁漏。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，线圈骨架采用尼龙制得，尼龙材料具有较高的耐热性；也可以设计无骨架线圈，保证良好的热传递效果。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，转轴剪切轴端为空心轴段，并与磁流变液剪切工作腔（7）连通，用于存储多余的磁流变液的同时还能增加散热面积，延长阻尼器工作寿命。

10.一种权利要求1所述的阻尼器，其特征在于作为磁流变液的圆筒剪切性能测试系统中的核心工作部件，用于超声和磁场耦合下的磁流变液圆筒型剪切性能测试与机理研究。