專利名稱：用于電流變液應(yīng)用的平行場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流變(ER)液應(yīng)用中的新型場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并涉及用于產(chǎn)生這種場(chǎng)結(jié)構(gòu)的方法和裝置。具體地，本發(fā)明涉及ER設(shè)備，在其中電極結(jié)構(gòu)布置為提供具有與任何預(yù)施加作用力或變形方向平行的有效分量的施加電場(chǎng)。
背景技術(shù)：
電流變(ER)液一般包括懸浮在電絕緣液體中的ER顆粒。ER液是非常公知的，因而在此不必詳細(xì)說(shuō)明。該液體具有這樣的性質(zhì)，可通過(guò)施加電場(chǎng)控制液體的流變特性。具體地，在電場(chǎng)的作用下，液體的粘性增加，并且這種性質(zhì)可以在許多應(yīng)用中使用，從而例如在電場(chǎng)的作用下，流體既可(a)提供剪切阻力、(b)提供流動(dòng)阻力、又可(c)提供彎曲變形阻力。
但是，在ER應(yīng)用中經(jīng)常提供剪切阻力，然而剪切阻力隨著剪切速率的增加而減小，以致在較高剪切速率時(shí)，剪切阻力是最小的，也就是說(shuō)，ER液失去了其功能。這是公知的一般性問(wèn)題。類似問(wèn)題也發(fā)生在當(dāng)流速較高時(shí)ER液被用于提供流動(dòng)阻力時(shí)。對(duì)于打算提供彎曲變形阻力的ER應(yīng)用，盡管確實(shí)有彎曲變形阻力，但是產(chǎn)生的硬度對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種電流變?cè)O(shè)備，包括電流變液和電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)安置成產(chǎn)生具有平行于預(yù)期的外部應(yīng)力場(chǎng)方向的有效分量的電場(chǎng)。
通過(guò)提供電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生具有至少一個(gè)有效分量的電場(chǎng)，該有效分量平行于可能破壞ER顆粒凝聚的任何形式的外作用力方向，從而在反抗顆粒和將被破壞的顆粒凝聚趨勢(shì)之間提供強(qiáng)電流變結(jié)合力。
優(yōu)選地，電極結(jié)構(gòu)包括形成在絕緣基底上的多個(gè)正和負(fù)電極，所述電極布置在所述基底上以在所述方向提供一系列等距離交替隔開的正和負(fù)電極。
上面發(fā)明原理可用于許多不同的電流變應(yīng)用。
例如，從另一個(gè)主要方面考慮，本發(fā)明提供一種電流變離合器，包括圓柱形驅(qū)動(dòng)部件、圓柱形從動(dòng)部件、和布置在所述圓柱形驅(qū)動(dòng)部件和所述圓柱形從動(dòng)部件間的電流變液，其中所述離合器進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)用以產(chǎn)生平行于所述驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)部件的表面、且垂直于所述驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的有效分量。
離合器可以包括在圓柱形殼體內(nèi)的圓柱形轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子適用于繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電極結(jié)構(gòu)可以包括多個(gè)平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸并關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸等距離隔開的條片電極，以使正和負(fù)電極交替繞軸。轉(zhuǎn)子和圓柱形殼體間的間隔與條片電極間的間隔優(yōu)選是相同的。
例如，可以在圓柱形轉(zhuǎn)子的相對(duì)端提供第一和第二電極，并且條片電極從在圓柱形轉(zhuǎn)子的外部表面的第一和第二電極的一個(gè)延伸向第一和第二電極的另一個(gè)。優(yōu)選地，平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的條片電極被另外提供在圓柱形殼體的內(nèi)部表面。
從第一電極延伸向第二電極的條片電極和從第二電極延伸向第一電極的條片電極長(zhǎng)度相等并且相互間隔相等。
在另一主要方面，以下發(fā)明原理可實(shí)施在用于約束電流變液流動(dòng)的設(shè)備(例如，這樣的設(shè)備可用作阻尼器)中，并且因而從進(jìn)一步主要方面考慮，本發(fā)明也擴(kuò)展至用于約束電流變液流動(dòng)的裝置，包括用于限定所述電流變液流動(dòng)路徑的通道，所述通道由絕緣材料形成并在其上形成多個(gè)電極，所述電極垂直于所述液體流動(dòng)路徑延伸，并且交替電極分別被正極性和負(fù)極性充電。
優(yōu)選地，電極在液體流動(dòng)方向互相等距離間隔，以及優(yōu)選地，通道具有約為兩個(gè)相鄰正和負(fù)電極間之間隔的寬度。
通道可以是具有繞通道的內(nèi)圓周延伸的電極的導(dǎo)管。可選擇地，通道可由兩個(gè)平行絕緣板限定，并且所述電極形成在所述板中的一個(gè)之上。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種可改變硬度的導(dǎo)管部件，包括繞軸卷繞以限定所述導(dǎo)管部件的絕緣材料的薄片，所述絕緣材料的薄片形成為具有安置在所述絕緣薄片上的交替正和負(fù)條片電極，以使每個(gè)條片電極垂直于所述軸延伸并使交替正和負(fù)電極沿所述軸等距離間隔，以及在所述電極間具有電流變液。


現(xiàn)在通過(guò)例子并參考結(jié)合的

本發(fā)明一些實(shí)施方案，其中圖1圖示說(shuō)明在高剪切速率處剪切/流動(dòng)阻力的減??；
圖2圖示說(shuō)明較低的彎曲變形阻力；圖3(a)和圖3(b)示意性圖示說(shuō)明依據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施方案的ER離合器；圖4表示圖3中的離合器在不同剪切速率處施加的電場(chǎng)變化與剪切應(yīng)力間的關(guān)系；圖5表示一個(gè)用于在圓柱形通道中增加流動(dòng)阻力的本發(fā)明的實(shí)施方案；圖6表示一個(gè)用于在平行板通道中增加流動(dòng)阻力的本發(fā)明的實(shí)施方案；和圖7(a)和圖7(b)表示一個(gè)可變彎曲阻力的管形狀的本發(fā)明的實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是基于這種觀察，即ER液的高電場(chǎng)狀態(tài)實(shí)質(zhì)上是固有的各向異性，這能解決在許多ER液應(yīng)用中的上述問(wèn)題。也就是，ER液的高電場(chǎng)狀態(tài)從固體顆粒(在ER懸浮液中)沿電場(chǎng)線的凝聚中得到它的類似固體的強(qiáng)度。從而即使在高施加電場(chǎng)下，垂直于電場(chǎng)線僅有微弱的結(jié)合力。在剪切的情況下，圖1說(shuō)明了為什么在高剪切速率處剪切阻力減小。
當(dāng)剪切速率增加時(shí)，由于一直順應(yīng)電場(chǎng)的作用力線在連接顆粒的線(假想)上具有逐漸減小的投影分量，導(dǎo)致剪切阻力逐漸減小。類似的原因適用于流動(dòng)阻力應(yīng)用。對(duì)于彎曲變形，圖2再次說(shuō)明變形通常垂直于作用力線，由于垂直于鏈條片或在鏈條片間的作用力比沿鏈條片的作用力更微弱，因而變形阻力是微弱的。
本發(fā)明通過(guò)使用設(shè)計(jì)的使電場(chǎng)平行于預(yù)期變形方向的電極結(jié)構(gòu)，從而提供了一種現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的解決方案，或至少緩解了這些問(wèn)題。在那種情況下，無(wú)論剪切速率是多少，在連接顆粒的線(假想)上一直有作用力線的有效投影，從而提供較大阻力?？梢岳斫猓梢杂葾C或DC產(chǎn)生施加的電場(chǎng)。
圖3表示ER離合器形式的本發(fā)明的第一實(shí)施方案。圖3(a)表示裝配好的離合器，為了清楚起見，圖3(b)表示離合器的分解圖。圓柱形的ER離合器1由轉(zhuǎn)子10和絕緣外圓筒2組成。轉(zhuǎn)子10沿外圓筒的中心軸12放置在絕緣外圓筒2的里面。在外圓筒2和轉(zhuǎn)子10間形成間隙6，常規(guī)的ER液分布在間隙6中。轉(zhuǎn)子10由圓柱形部分3和能連接到正和負(fù)電源的兩個(gè)電極7和8組成。圓柱形部分由絕緣材料譬如塑料制造，在其上安裝具有垂直條片的兩個(gè)杯狀金屬電極4和5。電極4連接電極7，和電極5連接電極8。電極4、5的垂直條片平行于中心軸12在轉(zhuǎn)子10的外表面上延伸。
形成為各個(gè)電極4、5部分的垂直條片等距離地間隔圍繞在轉(zhuǎn)子上，并且電極4的兩個(gè)相鄰條片間的間距與電極5的兩個(gè)相鄰條片間的間距相同，以及將條片設(shè)置成使頂部電極4和底部電極5的垂直條片交替圍繞在轉(zhuǎn)子12的圓周上，這樣若電極4、7由負(fù)電源供電，并且電極5、8由正電源供電，那么交替的正和負(fù)電壓就沿轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)。
假如相反極性的兩個(gè)相鄰電極間的間隔是入，那么有效電場(chǎng)將從圓柱形表面向外延伸至距離～λ。再者，電場(chǎng)將具有既平行于圓筒2的表面又垂直于所述條片的有效分量。外圓筒2和轉(zhuǎn)子10間的間隙6也優(yōu)選為λ，這樣有效電場(chǎng)充滿整個(gè)間隙。在這種情況下，當(dāng)在內(nèi)部和外部圓筒間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以看到剪切變形將平行于電場(chǎng)。
也可以理解，布置在絕緣外圓筒2的內(nèi)圓周表面的交替垂直條片電極可被替代或另外安裝至轉(zhuǎn)子的圓柱形部分3。假如交替垂直條片電極布置成既在轉(zhuǎn)子10的圓周形部分3的表面上又在絕緣外圓筒2的表面上，這樣就使得隨時(shí)間變化的(+和-)電壓交替施加到轉(zhuǎn)子或外部圓筒，譬如，每隔幾秒將施加電壓從一個(gè)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)。
圖4表示使用依據(jù)具有絕緣外圓筒的圖3實(shí)施方案的圓柱形離合器獲得的試驗(yàn)結(jié)果。條片間的間隔是1mm，內(nèi)和外圓筒(內(nèi)表面)間的間隙是0.5mm。ER液包括具有50nm(平均直徑)的鋇鈦氧基草酸鹽核和5nm(平均直徑)的尿素涂層的涂層毫微粒(nanoparticle)，該毫微粒被散布在濃度為每0.7ml硅油含有1g顆粒的硅油中。在圖4中對(duì)于四個(gè)剪切速率75s-1、106s-1、140s-1和196s-1，將測(cè)得的剪切應(yīng)力繪制成作為電場(chǎng)的函數(shù)。插圖表示作為剪切速率在1.5kV/mm的施加電場(chǎng)處的剪切應(yīng)力，可以看到，剪切應(yīng)力相當(dāng)恒定，直至200sec-1的剪切速率，剪切應(yīng)力幾乎是一個(gè)常數(shù)。
本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施方案提供ER阻尼器應(yīng)用，其中對(duì)ER液的電場(chǎng)的應(yīng)用具有增加通道中流動(dòng)阻力的目的。圖5表示圓柱形通道形式的實(shí)施方案，同時(shí)圖6表示平行板通道。
參考圖5，金屬圓周條片電極13、14被形成在沿絕緣圓柱形通道17的內(nèi)圓周表面，在通道中充填ER液，以使電極13、14圍繞通道17的內(nèi)表面延伸。條片電極13、14由正和負(fù)電源供電，以使沿圓柱形通道17的長(zhǎng)度等間隔交替正和負(fù)電極。圓柱形通道的直徑與相反極性的兩個(gè)電極13、14的間隔應(yīng)當(dāng)具有相同的大小。在這個(gè)電極結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的電場(chǎng)E平行于如圖5中箭頭所示ER液的左/右流動(dòng)方向。
同樣地，在如圖6中所示平行板的情況下，分別交替地施加正和負(fù)電壓至安裝在平面絕緣基底23上的等間隔金屬條片電極20和21，以增加ER液在左/右流動(dòng)方向(如圖6中箭頭所示流動(dòng)方向)的阻力。電極20、21平行于流動(dòng)方向延伸。絕緣對(duì)應(yīng)基底24與基底23一起限定了其寬度與正和負(fù)條片電極20和21間的間隔相同的間隙，其中充填ER液。
在兩種情況下，平行場(chǎng)結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出了即使在高流動(dòng)速率中、ER液中的固體顆粒仍將具有明顯相互作用的優(yōu)點(diǎn)，從而提供可通過(guò)施加電壓調(diào)整其大小的流動(dòng)阻力。
在本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施方案中，其目的是通過(guò)電場(chǎng)的應(yīng)用得到理想的可改變硬度的薄管或?qū)Ч?。在這個(gè)實(shí)施方案中，如圖7(a)所示在絕緣彈性薄片上具有內(nèi)部數(shù)字電極結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)梳齒狀金屬電極25和26安裝成使得每個(gè)梳齒狀電極的條片29、30像梯子狀交替地內(nèi)部對(duì)準(zhǔn)地排列在絕緣彈性薄片28上。進(jìn)一步，電壓能被施加至每個(gè)梳齒狀金屬電極。ER液充填在梳齒狀金屬電極的條片間的空間27中。然后具有內(nèi)部數(shù)字金屬電極的絕緣薄片由放置在其上的另一絕緣彈性薄片31密封。這種薄的彈性層結(jié)構(gòu)能沿平行于如圖7(b)所示的金屬條片方向卷繞。在這種情況下，電場(chǎng)將沿管(或?qū)Ч?的長(zhǎng)度方向，并且由于在該情況下作用力線沿變形方向，因而任何彎曲變形將遇到有效阻力，以將在ER懸浮液中的固體顆粒拉伸開來(lái)。
權(quán)利要求
1.一種電流變?cè)O(shè)備，包括電流變液和電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)被安置以產(chǎn)生具有平行于預(yù)期的外部應(yīng)力場(chǎng)方向的有效分量的電場(chǎng)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述電極結(jié)構(gòu)包括形成在絕緣基底上的多個(gè)正和負(fù)電極，所述電極布置在所述基底上以在所述方向提供一系列等距離交替隔開的正和負(fù)電極。
3.一種電流變離合器，包括圓柱形驅(qū)動(dòng)部件、圓柱形從動(dòng)部件和布置在所述圓柱形驅(qū)動(dòng)部件和所述圓柱形從動(dòng)部件間的電流變液，其中所述離合器進(jìn)一步包括用于產(chǎn)生電場(chǎng)的電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生垂直于所述驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸、且平行于所述驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)部件的表面的有效分量。
4.依據(jù)權(quán)利要求3所述的離合器，包括在圓柱形殼體內(nèi)的圓柱形轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子適用于繞所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，和所述電極結(jié)構(gòu)包括多個(gè)平行于所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸并繞所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸等距離隔開的條片電極，以使正和負(fù)電極交替圍繞所述軸。
5.依據(jù)權(quán)利要求4所述的離合器，其中轉(zhuǎn)子和圓柱形殼體間的間隔與條片電極間的間隔是相同的。
6.依據(jù)權(quán)利要求4所述的離合器，其中所述圓柱形轉(zhuǎn)子在相對(duì)兩端具有第一和第二電極，和其中所述條片電極從在所述圓柱形轉(zhuǎn)子的外部表面的所述第一和第二電極延伸向所述第一和第二電極的另一個(gè)。
7.依據(jù)權(quán)利要求6所述的離合器，其中平行于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的條片電極還提供在圓柱形殼體的內(nèi)部表面。
8.依據(jù)權(quán)利要求6所述的離合器，其中從第一電極延伸向第二電極的條片電極和從第二電極延伸向第一電極的條片電極長(zhǎng)度相等并且相互間的間隔相等。
9.用于約束電流變液流動(dòng)的裝置，包括用于限定所述電流變液流動(dòng)路徑的通道，所述通道由絕緣材料形成并在其上形成多個(gè)電極，所述電極垂直于所述液體流動(dòng)路徑延伸，并且交替電極分別被正極性和負(fù)極性充電。
10.依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述電極在液體流動(dòng)方向互相等距離間隔。
11.依據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述通道具有兩個(gè)相鄰電極間的間隔級(jí)的寬度。
12.依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述通道是導(dǎo)管，并且所述電極圍繞所述通道的內(nèi)圓周延伸。
13.依據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述通道由兩個(gè)平行絕緣板形成，并且所述電極形成在所述板中的一個(gè)上。
14.一種可改變硬度的導(dǎo)管部件，包括繞軸卷繞以形成所述導(dǎo)管部件的絕緣材料的薄片，所述絕緣材料的薄片形成為具有安置在所述絕緣薄片上的交替的正和負(fù)條片電極，以使每個(gè)條片電極垂直于所述軸延伸并使交替的正和負(fù)電極沿所述軸等距離間隔，以及在所述電極間具有電流變液。
全文摘要
本發(fā)明提供在ER液應(yīng)用范圍內(nèi)的電極的新型結(jié)構(gòu)。電極配置為用于產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)的有效分量平行于可能破壞ER顆粒凝聚的可能變形方向的任何預(yù)期施加力。通過(guò)這樣安置平行這種作用力的電場(chǎng)，因此對(duì)于被破壞顆粒的相反及趨勢(shì)有一個(gè)強(qiáng)結(jié)合力。
文檔編號(hào)F16D37/00GK1694338SQ20051006565
公開日2005年11月9日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者沈平, 溫維佳 申請(qǐng)人:中國(guó)專利投資有限公司