專利名稱：一種用于增強(qiáng)電流變效應(yīng)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理方法，特別是采用升高電場頻率，加強(qiáng)電流變效應(yīng)的方法，及專用于該方法的裝置。
電流變液(Electrorheological fluid簡稱ER液體)。是指在電場作用下其粘滯性會(huì)增加的一種混合液體。這種物質(zhì)一般是由尺寸為1-100微米的固體顆粒和不導(dǎo)電的液體混合而成。在不加外電壓時(shí)呈現(xiàn)出液體的特征，在施加電壓于這種物質(zhì)時(shí)，當(dāng)電壓達(dá)到一定程度(例如1000V/mm)，這種物質(zhì)就會(huì)變成類似固體，粘滯性非常大，可以承受很大的剪切力。這種變化的響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級(jí)。當(dāng)去掉電壓后又立刻恢復(fù)成液體。這種效應(yīng)的重要應(yīng)用價(jià)值在于可用在機(jī)械傳動(dòng)方面。例如無極調(diào)速、離合器、減振器，閥門等。故在機(jī)械，汽車，航空，航天領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景，受到了人們的廣泛重視。目前的大多數(shù)研究工作集中在獲得高剪切強(qiáng)度的電流變液，并具有不沉淀、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特性。同時(shí)致力于發(fā)展電流變液的應(yīng)用，對(duì)電流變液的作用機(jī)理和規(guī)律的基礎(chǔ)研究也在大力發(fā)展。
從文獻(xiàn)及專利獲知目前為止，通常均是在電流變液上施加直流或50Hz(60Hz)的交流電壓。電流變液粘滯性近似隨電壓的平方而增大，但電壓不能太高，高電壓會(huì)造成擊穿。因此發(fā)展獲得高剪切力的電流變液和方法成為關(guān)鍵的問題。在對(duì)電流變液研究中使用了變頻的交流電場，但由于幅度小，(小于300V/mm)，且采用的SiO2是含水的，故所得的結(jié)論是剪切力隨頻率而降低。文獻(xiàn)J.E.STANGROOM，Proc.2nd Int.Conf.On Electrorheological fluid，Technomics Publis--hing Co.Iancaster，1990，P419。對(duì)低于50Hz交流電施加在電流變液進(jìn)行的研究涉及的頻率范圍狹窄、電壓低、電流微弱，所研究的結(jié)果不足以說明頻率對(duì)電流變液的本質(zhì)。
本發(fā)明的目的在于克服上述有技術(shù)的缺點(diǎn)，為了提高電流變液的剪切強(qiáng)度，使之達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，從而提供一種改變施加到電流變液上的交變電場的頻率，加大電流密度，使電流變頻的粘滯性(剪切力)不斷增大的方法和專用于實(shí)現(xiàn)增大電流變效應(yīng)的裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種增加電流變液粘滯性(剪切力)的裝置，利用該裝置輸出的交變電場頻率變化，來加大施加在電流變液上的電流密度達(dá)到剪切力加大，其具體方法如下1.首先確定電流變裝置的頻率響應(yīng)，利用可變頻的高壓電流測定，電流變液在各種頻率下，電流和電壓對(duì)剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線。2.選擇最佳頻率點(diǎn)一般是選在諧振附近，這時(shí)電流變液可獲得最大的輸入功率。3.確定最高承受電壓，對(duì)于不同材料的電流變液其承受電壓的能力有限，故在最高電壓以下工作，其方法是以不擊穿為止。4.在一定電壓下，增加頻率(諧振點(diǎn)附近)使其電流達(dá)最佳值。即當(dāng)電流繼續(xù)增加，其剪切強(qiáng)度增加緩慢，在達(dá)到某一段和點(diǎn)后確定該處頻率、電流、電壓值。
與此發(fā)明相聯(lián)系，通過改變交變電場的頻率，使電路處于諧振狀態(tài)，若保持電源電壓為固定值，在某一頻率附近，施加在電流變液上的電壓值可增大很多倍，這就可以用較低的電源獲得在電流變液上的高電壓，從而可得到高剪切力的電流變液。
本發(fā)明提供的提高電流變液粘滯性(剪切力)的裝置是采用多極板并聯(lián)方式，現(xiàn)結(jié)合圖(1)進(jìn)行詳細(xì)說明。


圖1是一種增加電流變液粘滯性(剪切力)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是一種增加電流變液粘滯性(剪切力)的裝置電路圖。
圖3是一種增加電流變液粘滯性(剪切力)的裝置第二種電路圖。
圖4是一種增加電流變液粘滯性(剪切力)的裝置第三種電路圖。
(1)為電流變液裝置的外電極，它是由一系列金屬同軸的單元電極組成，在未加電壓情況下，由于電流變液ER流體是液態(tài)，故此電極為靜止?fàn)顟B(tài)。由于該電極內(nèi)嵌于外電極絕緣套(4)與密封軸承(8)形成緊配聯(lián)接方式。(2)為內(nèi)旋轉(zhuǎn)金屬電極，電極同外電極(1)形成無接觸的同心方式，其端部經(jīng)密封軸承(8)與外部電機(jī)(5)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)，電動(dòng)機(jī)(5)由外電路220V供電。在內(nèi)、外電極形成的間隙處充滿電流變液(3)，(7)為支撐軸。當(dāng)220V電壓接通至電動(dòng)機(jī)(5)時(shí)，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)內(nèi)電極轉(zhuǎn)動(dòng)，由于此時(shí)電流變液未加外電場而呈液態(tài)，故在電極的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)帶動(dòng)外筒的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)外電壓由(9)、(10)端施加于內(nèi)外電極時(shí)，此時(shí)充填在內(nèi)外電極間隙的電流變液的粘度隨外電場的電壓和電流增加而增強(qiáng)，(即剪切力增加)。當(dāng)外電場的強(qiáng)度增加到某一臨界電壓時(shí)，其電流變液的剪切力接近固態(tài)，此時(shí)外電極亦隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度隨外電場的增加而加快，改變外加電場強(qiáng)度和電流大小可以控制外筒的轉(zhuǎn)速，如將軸(6)與其它部件相連，即可以起到無極調(diào)速之目的，其調(diào)節(jié)方式簡單，易于控制。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖5是測量電流變液粘滯性的裝置圖。
圖6是所測電流對(duì)應(yīng)頻率的關(guān)系圖。
圖7是所測剪切力與頻率的關(guān)系曲線。
圖8是所測剪切力與外加電場強(qiáng)度關(guān)系曲線。
圖9是電流變液獲得的功率及剪切力與外場頻率曲線。
實(shí)施例1本發(fā)明使用的電流變液由35umKNbO3晶體粉末和硅油按0.1的體積比混合而成。用Nxs—11旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測量電流變液的粘滯系數(shù)，整個(gè)測量裝置按圖1聯(lián)接，其中采用電路內(nèi)圖2。圖2說明如下圖中CER是電流變液裝置，B為升壓器，E為變頻高壓電流，其頻率和幅度連續(xù)可調(diào)，變壓器次級(jí)高壓HV經(jīng)限流電阻R與電流變液CER相聯(lián)，當(dāng)E不變時(shí)，次級(jí)回路在頻率上諧振。如改變E可使CER兩端電壓在頻率改變時(shí)始終保持恒定。CER電流變無極調(diào)速離合器，組成由一根50mm×80mm銅管做外電極(1)套在內(nèi)電極(2)外，內(nèi)電極(2)為48mm×75mm同心圓片交錯(cuò)嵌在電動(dòng)機(jī)軸上，內(nèi)外電極之間隙為15mm，電流變液(3)充滿在內(nèi)，內(nèi)外電極互相絕緣。聚回氧乙烯絕緣套(4)套在外電極(1)外，電動(dòng)機(jī)(5)的軸穿過固定在絕緣套(4)一端密封軸承(8)與內(nèi)電極(2)聯(lián)接，支撐架(7)支撐于連接軸(6)，它又插如密封軸承(8)與絕緣套(4)相聯(lián)，接線柱(9)、(10)聯(lián)接在圖2所示電路圖P和P′點(diǎn)上。實(shí)施例2CER電流變液裝置同實(shí)施例1一樣，其電路聯(lián)接方式按圖3所示聯(lián)接，其中圖3中的L為高Q值大電感，當(dāng)改變E的頻率時(shí)，回路諧振在頻率上，當(dāng)L的Q值為100時(shí)，若輸入電壓為100V，則在諧振時(shí)CER上可獲得1萬伏的電壓。
實(shí)施例3CER電流變液裝置同實(shí)施例1一樣，其電路聯(lián)接方式按圖4所示聯(lián)接，其中圖4中的工作原理與圖3同，其主要區(qū)別在于，當(dāng)E選在低頻范圍內(nèi)時(shí)，在L一定的情況下，可以改變并在電流變液CER的電容c’的容量使其回路諧振。c’要求用耐高壓的電容器，其損耗應(yīng)盡量小。
圖6是在一定電場情況下(每一曲線不變)。電流變液電流與頻率關(guān)系，例如曲線(b)所示，此時(shí)電流變液在一固定的外電場(Uc＝600V/mm)的作用下，隨著頻率升高，電流成正比地增長，與此對(duì)應(yīng)圖3中曲線(b’)可以看到，在頻率(或電流)增加時(shí)，電流變液剪切力亦隨之增大，在頻率為2000Hz時(shí)其剪切力與低頻情況下相比，約為5倍左右。圖(2)中曲線a，c，d和圖3中a’，c’，d’分別是在保持不同電場情況下的變化關(guān)系。圖(4)所示為電流變液剪切力隨外加電場的變化關(guān)系，例如e，f曲線分別是當(dāng)電流變液處在直流和2000Hz情況下，其剪切力與外加電場的變化關(guān)系。由此可以看到，在直流場的情況下，即使是1000V/mm的場強(qiáng)下，電流變液呈低剪切力狀態(tài)，與此相反，當(dāng)頻率為2000Hz是，隨著外場的增加，其剪切力呈指數(shù)增長，其關(guān)系式滿足(其中為剪切力，A為比例常數(shù)，Ec為施加在電流變液的外場)，可以看到，高頻情況下剪切力與直流情況相比，約為一個(gè)數(shù)量級(jí)的增長量。
圖5是在保持輸入電流電壓不變時(shí)，電流變液剪切力與頻率的關(guān)系曲線，電流變也和與容器的內(nèi)外筒一起實(shí)質(zhì)上可以等效為一個(gè)電容器CER，其容量由電流變液所用的材料種類，濃度以及內(nèi)外筒的面積，間隙大小共同決定，當(dāng)外部接有升壓變壓器的電感系統(tǒng)接入電流變液系統(tǒng)時(shí)，實(shí)質(zhì)上是可以等效為一個(gè)LC諧振回路，其諧振頻率ft曲線變壓器的電感量L和電流變液系統(tǒng)電容CER共同決定，滿足關(guān)系式ft上產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，其諧振曲線如圖(5)所示，從圖中可以看到，隨頻率的增加，施加在電流交液上的功率在1000Hz左右出現(xiàn)一個(gè)諧振最大值，與此對(duì)應(yīng)電流變液剪切力也出現(xiàn)最大強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種用于增強(qiáng)電流變效應(yīng)的方法，其特征在于采用改變施加到電流變液上的交變電場的頻率，加大電流密度，使電流變液的粘滯性(剪切力)不斷增大。
2.一種專用于增強(qiáng)電流變效應(yīng)的裝置，其特征在于包括變頻高壓電流與電流變無極調(diào)速離合器CER組成的L式電路相聯(lián)。
3.按權(quán)利要求2所述的專用于增強(qiáng)電流變效應(yīng)的裝置，其特征在于所述的電流變無極調(diào)速離合器包括由金屬制做的內(nèi)電極(1)套在金屬同心圓片交錯(cuò)嵌在電動(dòng)機(jī)軸上的外電極(2)外，它們之間充滿電流變液(3)，內(nèi)、外電極相互絕緣，絕緣套(4)套在外電極(1)外，電動(dòng)機(jī)(5)的軸穿過固定在絕緣套(4)一端，密封軸承(8)與內(nèi)電極(1)聯(lián)接，聯(lián)接軸(6)插入另一密封軸承(8)與絕緣套(4)相聯(lián)，接線柱(9)、(10)與變頻高壓電流相聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物理方法，特別是采用升高電場頻率，加強(qiáng)電流變效應(yīng)的方法及專用于該方法的裝置。本發(fā)明的目的為了提高電流變液的剪切強(qiáng)度，使之達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，從而提供一種改變施加到電流變液上的交變電場的頻率，加大電流密度，使電流變液的粘滯性(剪切力)不斷增大的方法和提供一種專用于實(shí)現(xiàn)增大電流變效應(yīng)的裝置。
文檔編號(hào)F15B21/04GK1126284SQ94111558
公開日1996年7月10日 申請(qǐng)日期1994年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月25日
發(fā)明者溫維佳, 陸坤權(quán) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院物理研究所