CN107298131A - 用于车辆气动阻力减少的等离子体致动器 - Google Patents

Abstract

一种等离子体致动器包括设置在由介电层覆盖的基板上的第一电极和设置在介电层上的第二电极。在操作中，等离子体致动器产生等离子体区域，改变致动器上方流动的空气。在各种实施例中的等离子体致动器：不具有移动部件，通过减少气动阻力来帮助提高燃料经济性，改善在严重的非稳态流动环境下的车辆稳定性控制，减少使用致动器的车辆周围的风噪，并且通过燃料经济性改善来减少排放和CO2排放量。

Description

用于车辆气动阻力减少的等离子体致动器

技术领域

本技术大体上涉及诸如汽车的运输车辆，且更具体地涉及用于汽车的气动阻力减少。

背景技术

燃料经济性是当今汽车市场的卖点之一。消费者想要提高燃料效率的汽车，这样他们可以在汽车拥有期间实现节约。

燃料效率取决于几个因素，诸如发动机设计、车身设计、燃料质量、驾驶习惯等。在设计车身或汽车的外部形状的过程期间，考虑了许多因素，诸如舒适性、风格和效用。外部形状影响汽车的外观，并且具有对影响汽车燃料效率的气动阻力效应的很大影响。

可以通过延迟或消除汽车表面上的流动分离或控制汽车后端处的流动分离来减少阻力。汽车表面上的这种流动控制除了对汽车车身的修改外，还需要安装额外的机械设备。也可以通过修改外部形状来减少阻力。然而，外部形状不能显著改变，因为它影响了汽车的美感，这当然影响到消费者对汽车的需求。

本技术主要针对减少阻力并提高汽车的燃料效率而不牺牲美观的系统。

发明内容

本技术包括等离子体致动器，其在被激活时产生等离子体区域，改变等离子体致动器周围的流体流动。在一个实施例中，等离子体致动器包括基板、设置在基板上的第一电极、设置在基板上并覆盖第一电极的介电层，以及设置在介电层上的第二电极。

在替代实施例中，本公开描述了一种汽车，其具有设置在汽车的外表面上或外表面处的至少一个等离子体致动器，其中等离子体致动器包括基板、设置在基板上的第一电极、设置在基板上并覆盖第一电极的介电层，以及设置在介电层上的第二电极。

在另一替代实施例中，本公开描述了一种等离子体致动器，其包括基板、设置在基板上的第一电极、设置在基板上并与第一电极分离的第二电极、设置在基板上并覆盖第一电极的第一介电层、设置在基板上并覆盖第二电极的第二介电层、设置在第一介电层上的第三电极，以及设置在第二介电层上的第四电极。

以下参考附图详细描述该技术的其它特征和优点，以及该技术的各种实施例的结构和操作。注意，该技术不限于本文描述的具体实施例。这些实施例仅在本文中为了说明的目的而呈现。基于本文包含的教导，附加实施例对相关领域的技术人员是显而易见的。

附图说明

并入本文并且形成本说明书的一部分的附图说明了本技术，并且与说明书一起进一步用于解释技术的原理并且使相关领域的技术人员制作和使用该技术。

图1是根据本技术的等离子体致动器的横截面视图的示意图。

图2是本技术的等离子体致动器的示意图的立体视图。

图3是本技术的等离子体致动器的横截面视图的替代示意图。

图4是配备有本技术的等离子体致动器的汽车的图示。

图5是示出在汽车车身下放置等离子体致动器的另一个图示。

图6是示出等离子体致动器在汽车上的放置的第三图示。

图7是示出等离子体致动器在侧视镜上的放置的第四图示。

图8示出用于边界层流动控制的等离子体致动器的使用。

图9示出等离子体致动器的应用。

图10描绘了通过本技术的实施例的向下的力的控制。

图11示出了来自图10的实施例的向下的力。

图12是使用本技术的流动控制的图示。

图13是使用本技术的流动控制的另一图示。

具体实施方式

虽然本技术在本文中被描述为具体应用的说明性实施例，但是应当理解，该技术不限于此。本文提供的本领域技术人员可以访问的教导将认识到其范围内的附加修改、应用和实施例以及技术将具有重大实用性的附加领域。

虽然技术主要是关于汽车描述的，但是本公开不限于汽车。下面的描述可以应用于其它移动物体，诸如飞机、卡车、拖车和火车，仅作为几个非限制性示例。

本公开描述了一种等离子体致动器，其减少由气流引起的气动阻力。通过产生控制车身表面周围的流动分离的等离子体区域来实现气动阻力的减少。本技术的等离子体致动器与任何表面齐平并且对流动是微创的。各种实施例中的等离子体致动器有利地没有移动部件，并且通过减少气动阻力来提高燃料经济性，改善在严重的非稳态流动环境下的车辆稳定性控制，减少车辆周围的风噪，并且通过燃料经济性改善来减少排放和CO2排放量。通过缺少移动部件，等离子体致动器更简单地制作，并且通常更坚固，在运动时或运动之间不易于发生部件故障。

等离子体致动器用于向低动量边界层增加能量，并且因此延迟流动分离。抵消电极的放置允许车身的力影响与表面相切的空气速度。车身的力矢量可以通过电极布置和介电材料来控制。致动器通常构造成具有由介电材料隔开的上部暴露的电极和下部覆盖的电极的不对称配置。等离子体致动器结构紧凑，重量轻，并且通过影响本地流动流线提供实质的控制权限。等离子体致动器使用具有频率范围(例如约20kHz)的高电压(例如约10kVrms)，并且需要低电流0.2A和相对较低的功耗。等离子体致动器响应时间约为几毫秒，这比当前应用于性能车辆的液压机械致动器(超过100秒)要快得多。

图1是根据本技术的用于减少流体流动阻力(例如气流)的等离子体致动器的示意图。等离子体致动器具有通常暴露于气流16的第一电极10，嵌入介电层12中的第二电极14，以及位于基板18上的等离子体致动器。第二电极14可以延伸到介电层12的底部并接触基板18，如图1所示。基板18和任何其它一个部件或多个部件等离子体致动器可以是柔性的，诸如用于成形为匹配目标汽车部件的尺寸，如下文所引用的。

在各种实施例中，第一电极10的前缘与介电层12的前缘间隔开(在图1的视图中横向)。

在各种实施例中，第二电极14的前缘在操作中在气流16的方向上在第一电极10的后缘(在气流16的方向中)的下方或附近。电极在一些实施方式中被定位成使得它们至少部分地重叠(在图1的视图的竖直方向上使得它们至少部分地重叠，并且在其它方向使得它们根本不重叠)。

第一电极10和第二电极14经由两个单独的连接器连接到电源20。虽然电源20可以被配置为传送各种各样的功率输出中的任一种，但是在各种实施例中，电源20能够传送10kVrms。电源20可以是DC或AC源。连接到脉冲DC源的等离子体致动器的性能优越，与AC等离子体致动器相比，其在低得多的电压下生成较大的车身的力。具有40英寸长电极的脉冲DC等离子体致动器的功耗约为1W，其比AC等离子体致动器小约100倍。当第一电极10和第二电极14由电源20激励时，随着空气16在等离子体致动器上方流动，气流由第一电极10和第二电极14电离，从而产生等离子体区域22，如图2所示，从第一电极10的边缘延伸。在示例中，从图1中的顶部到底部测量的电极的厚度约为0.1mm，从图1中的顶部到底部测量的介电层的厚度从约0.1mm变化到约6mm，取决于电源的电压的大小。介电层在多个实施例中被配置为具有足以防止两个电极10、14之间的短路的厚度。从图1中的一侧到另一侧测量的电极的宽度约25mm。

图2示出了本技术的另一实施例。在图2中，第一电极10与第二电极14重叠。两个电极可以如图1所示分离或如图2所示重叠。第二电极14设置在介电层24的下方和基板18的内部，并且等离子体区域22在气流16的方向中由第一电极10的后缘形成。在各种实施例中，第一电介质10的前缘可以与介电层和/或基板的前部边缘对准，如图2所示。

图3示出了本技术的另一实施例。第一电极10设置在介电层24的上方并暴露于气流16。第二电极14至少部分地设置在基板18内。基板18可以小于介电层24。第一电极10和第二电极14连接到电源20。类似于如图1和图2所描述的，随着空气16在第一电极10上方流动并且电极被激励时，空气被电离，并且在第一电极10的后缘之后形成等离子体区域22。等离子体将能量注入到空气流动的边界层，从而延缓流动分离。

如图所示，新颖的等离子体致动器通过具有相对简单的结构在减少阻力方面非常有效。在各种实施例中，等离子体致动器可以被配置为在厚度上与铝箔条类似的小条，其具有或连接到胶层以便于附接到汽车车身，并且然后连接到电源。等离子体致动器的厚度对应于电源的电压-例如，等离子体致动器被配置为具有基于已知电压的厚度，或者电源被配置或选择为传送具有与预定等离子体致动器厚度对应的电压。生成等离子体需要相对高的电压，等离子体致动器的电压电平和配置应对应于避免从过电压到等离子体致动器且特别是其非常薄的电极的损坏。

等离子体致动器可以放置在汽车车身的不同位置上，优选地在汽车车身周围的各种边缘处或附近(前后)，其中气流边界层倾向于分离。图4示出了具有放置在不同表面上的等离子体致动器的汽车车身。作为第一示例，等离子体致动器可以放置在A柱40上以减少通常存在于A柱40周围的任何涡流(图8中的附图标记82，作为示例)。等离子体致动器可以更特别地定位在每个A柱上或附近，诸如通过定位在柱的稍前方或稍后方。等离子体致动器可以被配置成沿着柱的各种长度的任何长度延伸，包括沿着柱的大致全部或整体，如图4所示。等离子体致动器在各种实施例中弯曲和/或以其它方式成形以匹配柱的尺寸，和/或等离子体致动器包括足以使等离子体致动器呈现为足够柔性以成形为(例如，用柱的弯头弯曲)齐平配合的的材料(一些或全部)。

根据本技术的等离子体致动器可以用于任何车辆的柱处，诸如在任何一个或多个B柱和C柱处。

等离子体致动器还可以围绕前挡泥板裙部42放置以控制前轮胎流动分离并减少前轮胎尾迹。等离子体致动器可以位于裙部处或裙部附近，并且沿其任何长度定位。此外，等离子体致动器在各种实施例中弯曲和/或以其它方式成形以匹配裙部的尺寸，和/或等离子体致动器包括足以使等离子体致动器呈现为足够柔性以成形为(例如，用裙部的弯头弯曲)齐平配合的材料(一些或全部)。在这种情况下，等离子体致动器可以围绕相应的车辆部件定位，例如围绕裙部。

等离子体致动器可以进一步放置在后挡泥板44处或其附近(例如，后挡泥板的前缘)，和/或等离子体致动器也可以定位在后挡泥板尾缘46处或附近以控制后流动边界层和产生的尾迹区域的分离。此外，等离子体致动器可以定位在后挡泥板或后挡泥板尾缘处或其附近，并且沿其任何长度定位。此外，等离子体致动器在各种实施例中弯曲和/或以其它方式成形以匹配挡泥板或边缘的尺寸，和/或等离子体致动器包括足以使等离子体致动器呈现为足够柔性以成形为后挡泥板或后挡泥板尾缘(例如，例如，用后挡泥板或后挡泥板尾缘的弯头弯曲)齐平配合的的材料(一些或全部)。在这种情况下，等离子体致动器可以围绕相应的车辆部件定位-例如围绕后挡泥板或后挡泥板尾缘。

等离子体致动器可以放置在可能存在空气扰动的汽车车身上的许多其它位置中。例如，图5示出了其中可以放置等离子体致动器的汽车底盘下方暴露的车辆表面上的示例位置。等离子体致动器可以放置在前空气坝50的下面，围绕底板52、54、56。通过将等离子体致动器放置在底盘下方的这些位置上，可以减小空气扰动，并且从而减少阻力。

图6示出了围绕其中可以放置等离子体致动器的汽车后部的位置。放置在后挡泥板尾缘64周围的致动器可以改善在阵风或不稳定流动环境下的车辆气动稳定性。放置在车顶边缘上的等离子体致动器60也可用于触发在车身周围流动的空气流的分流66，从而减少升力并提高侧风稳定性。通过将两个相对的等离子体致动器(图10)放置在行李箱或行李箱盖的后边缘62周围，可以在车辆的端部附近产生向下的力116。后端向下的力有助于在严重的侧风条件下改善车辆的稳定性。穿过行李箱盖边缘上的两个相对的等离子体致动器62(也是图10)的气流112将与向上的流114、110相互作用。流112和114之间的相互作用将产生如图10和图11所示的向下的力116、103。

本技术的等离子体致动器可以具有不同的结构，其允许更好地控制感应气流。图10示出了通过连接两个等离子体致动器102和104制成的等离子体致动器的替代实施例。等离子体致动器102和104中的每一个具有类似于图1中描述的结构。在预期的实施例中，一个或两个等离子体致动器如图2所示。等离子体致动器102和104彼此相对，诸如彼此镜像。等离子体致动器102和104可以设置在共同的基板18上，并且每个等离子体致动器由放置在介电层12上方的一个暴露电极10制成，而另一个电极14嵌入介电层12内部，并且电源20连接到两个电极10和14。每个等离子体致动器改变在等离子体致动器上方流动的气流。因为两个等离子体致动器102、104彼此相对设置，所以引起的流106、108彼此相对，从而迫使向上的流110。当放置在汽车的行李箱盖边缘上时，等离子体致动器的该替代实施例由于向上的流110而产生向下的力103。尽管在图10中示出了两个单独的介电层，但是它们可以由覆盖两个等离子体致动器104的一个单一介电层替代，并且它们也可以由一个单一电源供电。

图1的等离子体致动器可以放置在前柱(A柱)周围，如图7所示。等离子体致动器70减少在前窗74和前挡风玻璃76处或附近形成的涡流78，从而减少总体车辆阻力。等离子体致动器也可以放置在侧反射镜72周围，以减少侧镜周围的涡流，从而减少整体的车辆阻力。

本技术的等离子体致动器也可用于控制边界层流。图8示出了在大致平行于电极10和14的长度的方向中流动的空气80。随着空气80在等离子体致动器上方流动，等离子体致动器从暴露的电极10引起气流16并形成等离子体区域22。引起的气流16在等离子体区域22周围形成涡流82。引起的气流16和涡流82的强度取决于等离子体区域22的大小或强度，这取决于由电源提供的电压强度。等离子体区域22还取决于分离两个电极的距离。可以通过相对于气流定位等离子体致动器来控制流动的边界层。图12示出等离子体致动器122的定位，其中引起的空气126流过在等离子体致动器上方流动的空气124。随着空气124流过引起的空气126，产生流动分离区域128。图13示出了等离子体致动器132的定位，使得引起的空气136大致在与进入的气流134相同的方向中流动。

等离子体致动器改变在表面上方流动的流体的特性，并且本技术的等离子体致动器可用于许多不同的应用。图9示出了将等离子体致动器94在飞机的机翼90上的放置。等离子体致动器94在被激活时将引起进入的气流16更靠近机翼90的表面流动，并且防止流动分离区域92的早期或预成熟的发生。等离子体致动器也可以放置在潜艇的螺旋桨的边缘上，并改变潜艇的声音特征。

应当理解，图未被按比例绘制，并且等离子体致动器的结构中示出的元件之间的相对物理尺寸可以与不同图示出的不同。本领域技术人员还应理解，可以组合不同附图中所示的元件以形成本技术范围内的新实施例。

应当理解，具体实施方式而不是主要内容和摘要部分旨在用于解释权利要求书。主要内容和摘要部分可以阐述本发明人所想到的本技术的一个或多个但不是全部的示例性实施例，并且因此不旨在以任何方式限制本技术和所附权利要求书。

Claims (10)

1.一种等离子体致动器，其包括：

基板；

设置在所述基板上的第一电极；

设置在所述基板上并覆盖所述第一电极的第一介电层；以及

设置在所述第一介电层上的第二电极。

2.根据权利要求1所述的等离子体致动器，其进一步包括设置在所述基板上并由第二介电层覆盖的第三电极，以及设置在所述第二介电层上并与所述第二电极间隔开的第四电极。

3.根据权利要求2所述的等离子体致动器，其中所述第一电极和所述第二电极的放置以及所述第三电极和所述第四电极的放置为彼此的镜像。

4.一种汽车，其包括：

表面；以及

设置在所述汽车的所述表面上的至少一个等离子体致动器，

其中所述至少一个等离子体致动器包括基板、设置在所述基板上的第一电极、设置在所述基板上并覆盖所述第一电极的第一介电层，以及设置在所述第一介电层上的第二电极。

5.根据权利要求4所述的汽车，其进一步包括行李箱盖，其中所述表面包括所述行李箱盖的表面，并且所述至少一个等离子体致动器设置在所述行李箱盖的边缘上。

6.根据权利要求4所述的汽车，其进一步包括底盘，其中所述表面在所述底盘下方。

7.根据权利要求4所述的汽车，其进一步包括侧镜，其中所述表面是所述侧镜的一部分，并且所述至少一个等离子体致动器围绕所述侧镜的一部分或全部来设置。

8.根据权利要求4所述的汽车，其进一步包括设置在所述基板上并由第二介电层覆盖的第三电极，以及设置在所述第二介电层上并与所述第二电极间隔开的第四电极。

9.一种等离子体致动器，其包括：

基板；

设置在所述基板上的第一电极；

设置在所述基板上并与所述第一电极分离的第二电极；

设置在所述基板上并覆盖所述第一电极的第一介电层；

设置在所述基板上并覆盖所述第二电极的第二介电层；

设置在所述第一介电层上的第三电极；以及

设置在所述第二介电层上的第四电极。

10.根据权利要求9所述的等离子体致动器，其中将所述第一介电层和所述第二介电层相连接。