旋轉式磁流變阻尼器專利技術發展趨勢

楊茂彪

摘要：為了研究旋轉式磁流變阻尼器的發展趨勢，本文主要以DWPI專利數據庫以及CNABS數據庫中的檢索結果為分析樣本，從專利文獻的視角對旋轉式磁流變阻尼器的構造的發展趨勢進行了相應分析。

關鍵詞：旋轉式磁流變阻尼器；專利文獻；發展趨勢

旋轉式磁流變阻尼器是磁流變液應用的一個重要方向，有些應用場合如醫學用康復機系統、變速與傳動機構等，要求阻尼器能夠連續旋轉，并能夠提供可控的阻尼力矩，在這種情況下，旋轉式磁流變阻尼器的研究成為了近年來研究的熱點；旋轉式磁流變阻尼器的構造可以分成四個子系統：磁回路子系統、旋轉機械子系統、結構子系統與控制子系統。

1、磁回路子系統

1）磁場發生器向著多元化、組合化方向發展，其有利于阻尼器的輸出力矩連續可調。磁場發生器包括了永久磁鐵以及勵磁線圈，現有專利文獻中，只有少部分僅采用永久磁鐵作為磁場發生器，大多數則采用了勵磁線圈作為磁場發生器（例如CN1563738A中使用了12個勵磁線圈電磁元件并由此構成了多級可調的磁流變阻尼器），亦或者是將勵磁線圈與永久磁鐵進行組合使用，JP2014-101999A中更是采用了磁體、軟磁體以及勵磁線圈的組合來作為其磁場發生器，其中由磁體磁場產生的磁流變液的剪切應力直接作用在轉子上，并通過勵磁線圈的供電而使得轉子受到的剪切應力下降；如此看來，為了獲得既穩定又方便調節可控的磁場環境，旋轉阻尼器正從單獨使用一種磁場發生器向著組合使用多種磁場發生器的方向進行發展。

2）磁場發生器的設置位置靈活多變，向著有利于減小阻尼器的尺寸、增強磁流變液的密封或達到某種特殊效果的方向發展。磁場發生器的布置位置一般設置在阻尼器殼體內部，例如CN2659492Y、JP2009-287639A等，這些文獻所共有的一個特點就是阻尼器體積較大；然而，隨著技術發展的進步，越來越多的專利文獻將磁場發生器設置在阻尼器殼體的外部，例如JP2003-35337A中，磁場發生器被設置在殼體徑向上的外部、JP2003-35337A中將磁場發生器設置在相對于殼體外部空間的軸向方向上、JP2005-172096A更是將磁場發生器設置于轉子的內部以利于阻尼器尺寸小型化，這樣設置也有利于對磁流變液體的密封；較為特殊的是專利文獻JP7-301271A中，其將磁場發生器相對于殼體外部偏置設置，使懸臂在特定角度達到減振的效果。

2、旋轉機械子系統

1）轉子阻尼片形狀多種多樣且向著多片式、迷宮式方向發展，其有利于提升旋轉阻尼器的輸出力矩大小。旋轉阻尼片有圓盤式（如CN2659492Y）、圓桶式（如CN102562923A）、以及圓錐式（如CN102562923A），此外，旋轉阻尼片還有例如JP9-264492A中的T型形狀、JP2005-172096A 中的單葉片性狀、US6318522B1中的雙葉片形狀、US2004/0217568A1中的多葉片形狀；然而，傳統的單盤式和單筒式磁流變液阻尼器存在傳遞轉矩較小，體積較大的問題，不能滿足大功率機電產品傳動需求，越來越多的專利技術正使用多片式、迷宮式的轉子阻尼片來提升其輸出力矩大小。

2）通過轉軸將其它的運動形式轉換為旋轉阻尼器的旋轉運動，其有利于對其它的運動形式進行減振、制動。例如EP0442570A1中轉軸與轉向裝置相連，來到達汽車轉向的目的；US5816372A中利用轉軸與皮帶輪連接進行力矩傳遞，來達到健身的目的；JP9-264492A中轉軸與滾珠絲杠相連，來達到對活塞桿的減振目的；US2002/0144871A1中，其轉軸與蝸桿相連來達到對電機制動的目的；JP2009-63011A中通過齒輪齒條機構將活塞桿的滑動轉換為轉子阻尼片的旋轉進行減振；如此看來，任何一種形式的運動都可以采用適當的轉換機構通過旋轉式磁流變液阻尼器進行減振。

3、結構子系統

1）阻尼器殼體內部空間形狀多樣可變，其有利于將轉子限定在特定的轉角范圍內。例如US4942947A中采用了扇形殼體形狀以滿足汽車懸架系統中懸臂擺動過程中的吸振要求；US2004/0217568A1中阻尼器殼體內壁具有與星狀轉子相適應的若干扇形空間，電線圈調節殼體中磁流變流體的粘度，以控制穩定桿上的扭轉剛度，以防止車身過度滾動；

2）磁流變液被充入滾動軸承、滑動軸承中，軸承正向著智能控制方向發展。例如JP2012-197841A中其在滾動軸承的內外圈及滾動體內部空間內充入磁流變液并進行密封，由于滾動元件可滾動地布置在內筒和外筒之間，所以通過改變給予磁流變流體的磁場的強度，可以有效地控制內筒和外筒的相對旋轉；EP3147521A1中磁流變液被充入滑動軸承中，外部磁場由控制單元控制，磁流變液受磁場控制，其可用于減少諸如發電機等流體流動機和渦輪機中的油滑動軸承的軸承振動；由此可見越來越多的不同種類的軸承已經被充入磁流變液，軸承正向著智能可控制方向發展。

4、控制子系統

1）阻尼器與傳感器以及cpu相連，向著反饋式閉環控制回路方向發展，其有利于提升阻尼器的實時可調控性能。旋轉式磁流變阻尼器起先都是開環式阻尼器，例如JP2006-264579A中公開了一種用于車輛制動系統的制動操作輸入裝置，電阻控制裝置用于根據制動操作構件的轉速的增加來提高制動操作構件的旋轉阻力，其為開環控制；然而，隨著控制技術的發展及使用需要，旋轉式磁流變阻尼器正向著閉環可控式方向發展，CN1571269A中通過傳感器將阻尼器的輸出力矩反饋給單片機，單片機進行判斷后再控制勵磁線圈中的電流大小從而實現阻尼力矩閉環可控制；DE69602386T2中則根據汽車行駛的速度來控制磁流變液磁力的大小，其被應用于汽車動力轉向裝置中。

2）轉軸與發電機相連，發電機反向給勵磁線圈供電，向著阻尼器自供電方向發展，其有利于降低阻尼器的能耗。例如CN101825146A中，與轉軸連接的發電機的轉子繞組的輸出端直接或通過整流控制電路與旋轉磁流變阻尼器的勵磁線圈的線圈連接，其被應用于電磁離合器中；CN101825146A中轉子上的線圈切割磁場發電反向供應勵磁線圈，其被用于發動機轉軸的吸振中；WO2014/104313A1中一種建筑結構阻尼裝置的衰減裝置，其中轉子的轉軸與發電機相連，發電機產生的電流反向給勵磁線圈供電；由此看來，旋轉式磁流變阻尼器正向著低能耗及自供電的方向發展。

總結：

旋轉式磁流變阻尼器越來越多的應用于線控轉向力反饋裝置、無人機驅動控制、ABS制動器、轉子系統的振動控制、醫學用康復機系統等控制場合，隨著技術的不斷發展及需要，對于旋轉式磁流變阻尼器的輸出力矩、體積、可控性、響應速度以及能耗等方面提出了更高的要求，而與此相適應的專利技術也隨之應用而生。

參考文獻：

[1]石逸鵬.磁黏滯式旋轉阻尼器之設計開發與特性研究，臺灣大學碩士學位論文，2008年6月.