CN1694338A - 用于电流变液应用的平行场电极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在ER液应用范围内的电极的新型结构。电极配置为用于产生电场,该电场的有效分量平行于可能破坏ER颗粒凝聚的可能变形方向的任何预期施加力。通过这样安置平行这种作用力的电场,因此对于被破坏颗粒的相反及趋势有一个强结合力。
Description
技术领域
本发明涉及电流变(ER)液应用中的新型场结构,并涉及用于产生这种场结构的方法和装置。具体地,本发明涉及ER设备,在其中电极结构布置为提供具有与任何预施加作用力或变形方向平行的有效分量的施加电场。
背景技术
电流变(ER)液一般包括悬浮在电绝缘液体中的ER颗粒。ER液是非常公知的,因而在此不必详细说明。该液体具有这样的性质,可通过施加电场控制液体的流变特性。具体地,在电场的作用下,液体的粘性增加,并且这种性质可以在许多应用中使用,从而例如在电场的作用下,流体既可(a)提供剪切阻力、(b)提供流动阻力、又可(c)提供弯曲变形阻力。
但是,在ER应用中经常提供剪切阻力,然而剪切阻力随着剪切速率的增加而减小,以致在较高剪切速率时,剪切阻力是最小的,也就是说,ER液失去了其功能。这是公知的一般性问题。类似问题也发生在当流速较高时ER液被用于提供流动阻力时。对于打算提供弯曲变形阻力的ER应用,尽管确实有弯曲变形阻力,但是产生的硬度对于大多数应用来说通常不够高。
发明内容
根据本发明,提供一种电流变设备,包括电流变液和电极结构,该电极结构安置成产生具有平行于预期的外部应力场方向的有效分量的电场。
通过提供电极结构,该电极结构产生具有至少一个有效分量的电场,该有效分量平行于可能破坏ER颗粒凝聚的任何形式的外作用力方向,从而在反抗颗粒和将被破坏的颗粒凝聚趋势之间提供强电流变结合力。
优选地,电极结构包括形成在绝缘基底上的多个正和负电极,所述电极布置在所述基底上以在所述方向提供一系列等距离交替隔开的正和负电极。
上面发明原理可用于许多不同的电流变应用。
例如,从另一个主要方面考虑,本发明提供一种电流变离合器,包括圆柱形驱动部件、圆柱形从动部件、和布置在所述圆柱形驱动部件和所述圆柱形从动部件间的电流变液,其中所述离合器进一步包括用于产生电场的电极结构,所述电极结构用以产生平行于所述驱动和从动部件的表面、且垂直于所述驱动和从动部件的转动轴的有效分量。
离合器可以包括在圆柱形壳体内的圆柱形转子,转子适用于绕转动轴转动,电极结构可以包括多个平行于转动轴并关于转动轴等距离隔开的条片电极,以使正和负电极交替绕轴。转子和圆柱形壳体间的间隔与条片电极间的间隔优选是相同的。
例如,可以在圆柱形转子的相对端提供第一和第二电极,并且条片电极从在圆柱形转子的外部表面的第一和第二电极的一个延伸向第一和第二电极的另一个。优选地,平行于转动轴的条片电极被另外提供在圆柱形壳体的内部表面。
从第一电极延伸向第二电极的条片电极和从第二电极延伸向第一电极的条片电极长度相等并且相互间隔相等。
在另一主要方面,以下发明原理可实施在用于约束电流变液流动的设备(例如,这样的设备可用作阻尼器)中,并且因而从进一步主要方面考虑,本发明也扩展至用于约束电流变液流动的装置,包括:用于限定所述电流变液流动路径的通道,所述通道由绝缘材料形成并在其上形成多个电极,所述电极垂直于所述液体流动路径延伸,并且交替电极分别被正极性和负极性充电。
优选地,电极在液体流动方向互相等距离间隔,以及优选地,通道具有约为两个相邻正和负电极间之间隔的宽度。
通道可以是具有绕通道的内圆周延伸的电极的导管。可选择地,通道可由两个平行绝缘板限定,并且所述电极形成在所述板中的一个之上。根据本发明的又一方面,提供一种可改变硬度的导管部件,包括绕轴卷绕以限定所述导管部件的绝缘材料的薄片,所述绝缘材料的薄片形成为具有安置在所述绝缘薄片上的交替正和负条片电极,以使每个条片电极垂直于所述轴延伸并使交替正和负电极沿所述轴等距离间隔,以及在所述电极间具有电流变液。
附图说明
现在通过例子并参考结合的附图说明本发明一些实施方案,其中:
图1图示说明在高剪切速率处剪切/流动阻力的减小;
图2图示说明较低的弯曲变形阻力;
图3(a)和图3(b)示意性图示说明依据本发明具体实施方案的ER离合器;
图4表示图3中的离合器在不同剪切速率处施加的电场变化与剪切应力间的关系;
图5表示一个用于在圆柱形通道中增加流动阻力的本发明的实施方案;
图6表示一个用于在平行板通道中增加流动阻力的本发明的实施方案;和
图7(a)和图7(b)表示一个可变弯曲阻力的管形状的本发明的实施方案。
具体实施方式
本发明是基于这种观察,即ER液的高电场状态实质上是固有的各向异性,这能解决在许多ER液应用中的上述问题。也就是,ER液的高电场状态从固体颗粒(在ER悬浮液中)沿电场线的凝聚中得到它的类似固体的强度。从而即使在高施加电场下,垂直于电场线仅有微弱的结合力。在剪切的情况下,图1说明了为什么在高剪切速率处剪切阻力减小。
当剪切速率增加时,由于一直顺应电场的作用力线在连接颗粒的线(假想)上具有逐渐减小的投影分量,导致剪切阻力逐渐减小。类似的原因适用于流动阻力应用。对于弯曲变形,图2再次说明变形通常垂直于作用力线,由于垂直于链条片或在链条片间的作用力比沿链条片的作用力更微弱,因而变形阻力是微弱的。
本发明通过使用设计的使电场平行于预期变形方向的电极结构,从而提供了一种现有技术问题的解决方案,或至少缓解了这些问题。在那种情况下,无论剪切速率是多少,在连接颗粒的线(假想)上一直有作用力线的有效投影,从而提供较大阻力。可以理解,可以由AC或DC产生施加的电场。
图3表示ER离合器形式的本发明的第一实施方案。图3(a)表示装配好的离合器,为了清楚起见,图3(b)表示离合器的分解图。圆柱形的ER离合器1由转子10和绝缘外圆筒2组成。转子10沿外圆筒的中心轴12放置在绝缘外圆筒2的里面。在外圆筒2和转子10间形成间隙6,常规的ER液分布在间隙6中。转子10由圆柱形部分3和能连接到正和负电源的两个电极7和8组成。圆柱形部分由绝缘材料譬如塑料制造,在其上安装具有垂直条片的两个杯状金属电极4和5。电极4连接电极7,和电极5连接电极8。电极4、5的垂直条片平行于中心轴12在转子10的外表面上延伸。
形成为各个电极4、5部分的垂直条片等距离地间隔围绕在转子上,并且电极4的两个相邻条片间的间距与电极5的两个相邻条片间的间距相同,以及将条片设置成使顶部电极4和底部电极5的垂直条片交替围绕在转子12的圆周上,这样若电极4、7由负电源供电,并且电极5、8由正电源供电,那么交替的正和负电压就沿转子表面出现。
假如相反极性的两个相邻电极间的间隔是入,那么有效电场将从圆柱形表面向外延伸至距离~λ。再者,电场将具有既平行于圆筒2的表面又垂直于所述条片的有效分量。外圆筒2和转子10间的间隙6也优选为λ,这样有效电场充满整个间隙。在这种情况下,当在内部和外部圆筒间有相对转动时,可以看到剪切变形将平行于电场。
也可以理解,布置在绝缘外圆筒2的内圆周表面的交替垂直条片电极可被替代或另外安装至转子的圆柱形部分3。假如交替垂直条片电极布置成既在转子10的圆周形部分3的表面上又在绝缘外圆筒2的表面上,这样就使得随时间变化的(+和-)电压交替施加到转子或外部圆筒,譬如,每隔几秒将施加电压从一个转换到另一个。
图4表示使用依据具有绝缘外圆筒的图3实施方案的圆柱形离合器获得的试验结果。条片间的间隔是1mm,内和外圆筒(内表面)间的间隙是0.5mm。ER液包括具有50nm(平均直径)的钡钛氧基草酸盐核和5nm(平均直径)的尿素涂层的涂层毫微粒(nanoparticle),该毫微粒被散布在浓度为每0.7ml硅油含有1g颗粒的硅油中。在图4中对于四个剪切速率75s-1、106s-1、140s-1和196s-1,将测得的剪切应力绘制成作为电场的函数。插图表示作为剪切速率在1.5kV/mm的施加电场处的剪切应力,可以看到,剪切应力相当恒定,直至200sec-1的剪切速率,剪切应力几乎是一个常数。
本发明的第二个实施方案提供ER阻尼器应用,其中对ER液的电场的应用具有增加通道中流动阻力的目的。图5表示圆柱形通道形式的实施方案,同时图6表示平行板通道。
参考图5,金属圆周条片电极13、14被形成在沿绝缘圆柱形通道17的内圆周表面,在通道中充填ER液,以使电极13、14围绕通道17的内表面延伸。条片电极13、14由正和负电源供电,以使沿圆柱形通道17的长度等间隔交替正和负电极。圆柱形通道的直径与相反极性的两个电极13、14的间隔应当具有相同的大小。在这个电极结构中产生的电场E平行于如图5中箭头所示ER液的左/右流动方向。
同样地,在如图6中所示平行板的情况下,分别交替地施加正和负电压至安装在平面绝缘基底23上的等间隔金属条片电极20和21,以增加ER液在左/右流动方向(如图6中箭头所示流动方向)的阻力。电极20、21平行于流动方向延伸。绝缘对应基底24与基底23一起限定了其宽度与正和负条片电极20和21间的间隔相同的间隙,其中充填ER液。
在两种情况下,平行场结构均呈现出了即使在高流动速率中、ER液中的固体颗粒仍将具有明显相互作用的优点,从而提供可通过施加电压调整其大小的流动阻力。
在本发明的第三个实施方案中,其目的是通过电场的应用得到理想的可改变硬度的薄管或导管。在这个实施方案中,如图7(a)所示在绝缘弹性薄片上具有内部数字电极结构。将两个梳齿状金属电极25和26安装成使得每个梳齿状电极的条片29、30像梯子状交替地内部对准地排列在绝缘弹性薄片28上。进一步,电压能被施加至每个梳齿状金属电极。ER液充填在梳齿状金属电极的条片间的空间27中。然后具有内部数字金属电极的绝缘薄片由放置在其上的另一绝缘弹性薄片31密封。这种薄的弹性层结构能沿平行于如图7(b)所示的金属条片方向卷绕。在这种情况下,电场将沿管(或导管)的长度方向,并且由于在该情况下作用力线沿变形方向,因而任何弯曲变形将遇到有效阻力,以将在ER悬浮液中的固体颗粒拉伸开来。
Claims (14)
1.一种电流变设备,包括电流变液和电极结构,该电极结构被安置以产生具有平行于预期的外部应力场方向的有效分量的电场。
2.依据权利要求1所述的设备,其中所述电极结构包括形成在绝缘基底上的多个正和负电极,所述电极布置在所述基底上以在所述方向提供一系列等距离交替隔开的正和负电极。
3.一种电流变离合器,包括圆柱形驱动部件、圆柱形从动部件和布置在所述圆柱形驱动部件和所述圆柱形从动部件间的电流变液,其中所述离合器进一步包括用于产生电场的电极结构,所述电极结构用于产生垂直于所述驱动和从动部件的转动轴、且平行于所述驱动和从动部件的表面的有效分量。
4.依据权利要求3所述的离合器,包括在圆柱形壳体内的圆柱形转子,所述转子适用于绕所述转动轴转动,和所述电极结构包括多个平行于所述转动轴并绕所述转动轴等距离隔开的条片电极,以使正和负电极交替围绕所述轴。
5.依据权利要求4所述的离合器,其中转子和圆柱形壳体间的间隔与条片电极间的间隔是相同的。
6.依据权利要求4所述的离合器,其中所述圆柱形转子在相对两端具有第一和第二电极,和其中所述条片电极从在所述圆柱形转子的外部表面的所述第一和第二电极延伸向所述第一和第二电极的另一个。
7.依据权利要求6所述的离合器,其中平行于转动轴的条片电极还提供在圆柱形壳体的内部表面。
8.依据权利要求6所述的离合器,其中从第一电极延伸向第二电极的条片电极和从第二电极延伸向第一电极的条片电极长度相等并且相互间的间隔相等。
9.用于约束电流变液流动的装置,包括:用于限定所述电流变液流动路径的通道,所述通道由绝缘材料形成并在其上形成多个电极,所述电极垂直于所述液体流动路径延伸,并且交替电极分别被正极性和负极性充电。
10.依据权利要求9所述的装置,其中所述电极在液体流动方向互相等距离间隔。
11.依据权利要求10所述的装置,其中所述通道具有两个相邻电极间的间隔级的宽度。
12.依据权利要求9所述的装置,其中所述通道是导管,并且所述电极围绕所述通道的内圆周延伸。
13.依据权利要求9所述的装置,其中所述通道由两个平行绝缘板形成,并且所述电极形成在所述板中的一个上。
14.一种可改变硬度的导管部件,包括绕轴卷绕以形成所述导管部件的绝缘材料的薄片,所述绝缘材料的薄片形成为具有安置在所述绝缘薄片上的交替的正和负条片电极,以使每个条片电极垂直于所述轴延伸并使交替的正和负电极沿所述轴等距离间隔,以及在所述电极间具有电流变液。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |