旋转式磁流变阻尼器专利技术发展趋势

杨茂彪

摘要：为了研究旋转式磁流变阻尼器的发展趋势，本文主要以DWPI专利数据库以及CNABS数据库中的检索结果为分析样本，从专利文献的视角对旋转式磁流变阻尼器的构造的发展趋势进行了相应分析。

关键词：旋轉式磁流变阻尼器；专利文献；发展趋势

旋转式磁流变阻尼器是磁流变液应用的一个重要方向，有些应用场合如医学用康复机系统、变速与传动机构等，要求阻尼器能够连续旋转，并能够提供可控的阻尼力矩，在这种情况下，旋转式磁流变阻尼器的研究成为了近年来研究的热点；旋转式磁流变阻尼器的构造可以分成四个子系统：磁回路子系统、旋转机械子系统、结构子系统与控制子系统。

1、磁回路子系统

1）磁场发生器向着多元化、组合化方向发展，其有利于阻尼器的输出力矩连续可调。磁场发生器包括了永久磁铁以及励磁线圈，现有专利文献中，只有少部分仅采用永久磁铁作为磁场发生器，大多数则采用了励磁线圈作为磁场发生器（例如CN1563738A中使用了12个励磁线圈电磁元件并由此构成了多级可调的磁流变阻尼器），亦或者是将励磁线圈与永久磁铁进行组合使用，JP2014-101999A中更是采用了磁体、软磁体以及励磁线圈的组合来作为其磁场发生器，其中由磁体磁场产生的磁流变液的剪切应力直接作用在转子上，并通过励磁线圈的供电而使得转子受到的剪切应力下降；如此看来，为了获得既稳定又方便调节可控的磁场环境，旋转阻尼器正从单独使用一种磁场发生器向着组合使用多种磁场发生器的方向进行发展。

2）磁场发生器的设置位置灵活多变，向着有利于减小阻尼器的尺寸、增强磁流变液的密封或达到某种特殊效果的方向发展。磁场发生器的布置位置一般设置在阻尼器壳体内部，例如CN2659492Y、JP2009-287639A等，这些文献所共有的一个特点就是阻尼器体积较大；然而，随着技术发展的进步，越来越多的专利文献将磁场发生器设置在阻尼器壳体的外部，例如JP2003-35337A中，磁场发生器被设置在壳体径向上的外部、JP2003-35337A中将磁场发生器设置在相对于壳体外部空间的轴向方向上、JP2005-172096A更是将磁场发生器设置于转子的内部以利于阻尼器尺寸小型化，这样设置也有利于对磁流变液体的密封；较为特殊的是专利文献JP7-301271A中，其将磁场发生器相对于壳体外部偏置设置，使悬臂在特定角度达到减振的效果。

2、旋转机械子系统

1）转子阻尼片形状多种多样且向着多片式、迷宫式方向发展，其有利于提升旋转阻尼器的输出力矩大小。旋转阻尼片有圆盘式（如CN2659492Y）、圆桶式（如CN102562923A）、以及圆锥式（如CN102562923A），此外，旋转阻尼片还有例如JP9-264492A中的T型形状、JP2005-172096A 中的单叶片性状、US6318522B1中的双叶片形状、US2004/0217568A1中的多叶片形状；然而，传统的单盘式和单筒式磁流变液阻尼器存在传递转矩较小，体积较大的问题，不能满足大功率机电产品传动需求，越来越多的专利技术正使用多片式、迷宫式的转子阻尼片来提升其输出力矩大小。

2）通过转轴将其它的运动形式转换为旋转阻尼器的旋转运动，其有利于对其它的运动形式进行减振、制动。例如EP0442570A1中转轴与转向装置相连，来到达汽车转向的目的；US5816372A中利用转轴与皮带轮连接进行力矩传递，来达到健身的目的；JP9-264492A中转轴与滚珠丝杠相连，来达到对活塞杆的减振目的；US2002/0144871A1中，其转轴与蜗杆相连来达到对电机制动的目的；JP2009-63011A中通过齿轮齿条机构将活塞杆的滑动转换为转子阻尼片的旋转进行减振；如此看来，任何一种形式的运动都可以采用适当的转换机构通过旋转式磁流变液阻尼器进行减振。

3、结构子系统

1）阻尼器壳体内部空间形状多样可变，其有利于将转子限定在特定的转角范围内。例如US4942947A中采用了扇形壳体形状以满足汽车悬架系统中悬臂摆动过程中的吸振要求；US2004/0217568A1中阻尼器壳体内壁具有与星状转子相适应的若干扇形空间，电线圈调节壳体中磁流变流体的粘度，以控制稳定杆上的扭转刚度，以防止车身过度滚动；

2）磁流变液被充入滚动轴承、滑动轴承中，轴承正向着智能控制方向发展。例如JP2012-197841A中其在滚动轴承的内外圈及滚动体内部空间内充入磁流变液并进行密封，由于滚动元件可滚动地布置在内筒和外筒之间，所以通过改变给予磁流变流体的磁场的强度，可以有效地控制内筒和外筒的相对旋转；EP3147521A1中磁流变液被充入滑动轴承中，外部磁场由控制单元控制，磁流变液受磁场控制，其可用于减少诸如发电机等流体流动机和涡轮机中的油滑动轴承的轴承振动；由此可见越来越多的不同种类的轴承已经被充入磁流变液，轴承正向着智能可控制方向发展。

4、控制子系统

1）阻尼器与传感器以及cpu相连，向着反馈式闭环控制回路方向发展，其有利于提升阻尼器的实时可调控性能。旋转式磁流变阻尼器起先都是开环式阻尼器，例如JP2006-264579A中公开了一种用于车辆制动系统的制动操作输入装置，电阻控制装置用于根据制动操作构件的转速的增加来提高制动操作构件的旋转阻力，其为开环控制；然而，随着控制技术的发展及使用需要，旋转式磁流变阻尼器正向着闭环可控式方向发展，CN1571269A中通过传感器将阻尼器的输出力矩反馈给单片机，单片机进行判断后再控制励磁线圈中的电流大小从而实现阻尼力矩闭环可控制；DE69602386T2中则根据汽车行驶的速度来控制磁流变液磁力的大小，其被应用于汽车动力转向装置中。

2）转轴与发电机相连，发电机反向给励磁线圈供电，向着阻尼器自供电方向发展，其有利于降低阻尼器的能耗。例如CN101825146A中，与转轴连接的发电机的转子绕组的输出端直接或通过整流控制电路与旋转磁流变阻尼器的励磁线圈的线圈连接，其被应用于电磁离合器中；CN101825146A中转子上的线圈切割磁场发电反向供应励磁线圈，其被用于发动机转轴的吸振中；WO2014/104313A1中一种建筑结构阻尼装置的衰减装置，其中转子的转轴与发电机相连，发电机产生的电流反向给励磁线圈供电；由此看来，旋转式磁流变阻尼器正向着低能耗及自供电的方向发展。

总结：

旋转式磁流变阻尼器越来越多的应用于线控转向力反馈装置、无人机驱动控制、ABS制动器、转子系统的振动控制、医学用康复机系统等控制场合，随着技术的不断发展及需要，对于旋转式磁流变阻尼器的输出力矩、体积、可控性、响应速度以及能耗等方面提出了更高的要求，而与此相适应的专利技术也随之应用而生。

参考文献：

[1]石逸鹏.磁黏滞式旋转阻尼器之设计开发与特性研究，台湾大学硕士学位论文，2008年6月.