磁流变阻尼器的磁源问题的技术综述

摘 要：磁源犹如磁流变阻尼器的"心脏"，为磁流变材料提供流变变化的动力。通常采用外部电源进行线圈励磁的方式提供磁源，这是最基本的也是最通用。但是该方法受到断电、环境等影响。本文从永磁和自供能方面，梳理了专利文献中磁流变阻尼器的磁源的技术手段。

关键词：磁源；永磁；自供能；压电；磁电

1 引言

磁源犹如磁流变阻尼器的“心脏”，为磁流变材料提供流变变化的动力。通常采用外部电源进行线圈励磁的方式提供磁源，这是最基本的也是最通用。然而，外部电源有时候并不可靠，最常见的断电、极端的地质灾害，如地震等，会导致失去电源供应，无法为磁流变阻尼器中磁流变介质提供必要的磁场；另外，对于野外的建筑等环境中，直接获得外部电源也比较困难。

针对上述技术问题，在目前的专利文献中，存在如下解决问题的技术手段：（1）在磁流变器件中引入永磁体，通过永磁体提供磁源；（2）由于被控结构处于振动环境中，将其振动能转换为电能供给磁流变阻尼器，实现自供能，这可使控制系统摆脱对外部电源的依赖，将有助于解决磁流变控制系统附加设备造成的问题。

本文将从上述方面对磁流变阻尼器的磁源问题进行梳理。

2 磁源-永磁体

永磁体也称硬磁材料，是一种经外部磁场饱和充磁后，长期保持自身磁性的一种特殊磁性材料[1]。

常见的永磁材料：钕铁硼（NdFeB）永磁体。

对于永磁体作为磁源，不需要额外配置外部电源，不需要线圈，避免了线圈产热问题，一直能够提供磁场，防止磁流变介质沉降。

在美国科学家Jacob Rabinow提出磁流变效应时，其申请的专利中就采用了永磁体作为磁源为磁流变液提供磁场，是采用“永磁体”提供磁场的鼻祖。1951年，Jacob Rabinow在专利文献US2575360 A中提出在磁流变器件中采用永磁体提供磁场。

1998年，美国LORD公司的CHRZAN M. J.等人在專利文献WO9839577 A1中采用永磁体提供磁场。

2005年，中国湖南大学的陈政清在专利文献CN1632345 A中提出永磁调节装配式磁流变阻尼器，包括外管和内管，在内管内还设有螺杆，螺杆上固设有磁钢。

2007年，中国浙江大学的唐志峰在专利文献CN101225864 A中提出采用永磁体、磁轭、磁流变介质和软磁体构成输出磁回路，不需要驱动线圈和外部电源，即可实现被控结构振动机械能向磁场能的转换。

2012年，日本的KYB株式会社的斋藤启司等人在多篇专利文献WO2012172961 A1、WO2012172963 A1、WO2012172963 A1中提出磁体部的永磁体具有沿着缸体的外周而成的内周形状，环状构件由磁性体形成、配置在永磁体的外周侧。

2016年，韩国仁荷大学的CHOI等人在专利文献KR20160133754 A中提出采用永磁体提供磁场，避免励磁线圈的使用。

3磁源-永磁与外部电源复合

将永磁引入外部电源供电的结构，既能保持励磁线圈的便于控制的优点，又能够防止失电后磁场消失，磁流变液无法进行流变变化的缺陷。

1997年，德国的Wulff 等人在专利文献US5632361 A中提出通过永磁体提供偏置磁场，与励磁线圈提供的磁场共同作用。

2003年，奥托？博克保健有限公司在专利文献US2003187517 A1中提出在活塞中构成磁路，该磁路通过永磁体 和活塞构成。

2005年，中国重庆大学在专利文献CN1603651 A中提出活塞式磁场发生器的永磁体置于电磁线圈中，电磁线圈中的电流为双向。

2010年，美国的德尔福（DELPHI）的Nehl 等人在专利文献US2010089711 A1中提出通过永磁体提供偏置磁场，与励磁电流共同作用。

2011年，因文图斯工程有限公司在专利文献WO2011076415 A2中提出铁心的径向内部区域由NdFeB组成而径向外部区域由铝镍钴合金组成，铁心部分地由固定的永磁体并且部分地由可变永磁体组成。

2017年，专利文献CN107084221 A中提出可记忆磁路结构，活塞轴上依次套有钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，永磁体组的外侧设有线圈，线圈位于导磁活塞内或减振器导磁壳体的侧壁上；在减振器导磁壳体与导磁活塞之间充有磁流变液。

4磁源-自供能

由于磁流变阻尼器处于振动环境中，因此，将其受到的振动转化为能量为阻尼器提供电源也是专利申请的重要分支。

对于磁流变阻尼器，振动能量的收集技术主要有两种方式：压电方式和磁电方式。

（1）压电式集能：

在振动环境中，压电材料发生形变，使相对的两个材料表面产生等量的异号电荷，并且所生成的电荷总量与压缩力或者拉伸力成正比，这种由材料形变产生电能的现象叫做压电效应，可以应用于振动能量的采集。

（2）磁电集能：

基于法拉第电磁感应定律原理进行能量转换：闭合回路在磁场中作切割磁感线运动，会在回路中形成电流，产生电能。这种方式主要采用直线直流电机或旋转电机结构。

因此，根据上述集能方式，自供能磁流变阻尼器主要分为压电式自供能磁流变阻尼器和磁电式自供能磁流变阻尼器。

4.1压电式自供能磁流变阻尼器

2003年，美国Tanner在专利文献US2004226788 A1中提出采用压电集能装置收集船体振动能为磁流变阻尼器供电。

2010年，韩国KOREA ADV INST SCI & TECHNOLOGY在专利文献KR20100007252 A中提出在磁流变阻尼器中设置压电装置。

2011年，中国嘉兴学院的蒋学争在专利文献CN102278410 A中提出无需外接电源的磁流变减振器，通过压电堆实现能量转换。

2011年，哈尔滨工业大学的关新春团队在专利文献CN102168459 A中提出基于压电自集能的磁流变隔震装置，其包括压电发电装置，压电发电装置产生电能，压电发电装置的电流输出端连接在磁流变阻尼器的电流输入端。压电发电装置采用压电堆结构、悬臂梁结构或者剪切型压电发电结构。

2016年，西安科技大学的寇发荣团队在专利文献CN105508495 A中提出一种馈能式磁流变弹性体车辆减振装置及其控制方法，活塞杆的中部套装有多个压电模块和多个磁流变弹性体。

4.3 磁电式自供能磁流变阻尼器

2004年，Cho和Lee在专利文献KR100416398 B1中提出智能被动磁流变控制系统的概念，该系统包括磁流变阻尼器和内置电磁换能装置。电磁换能装置由永磁体和感应线圈组成，永磁体来回往复运动，将机械能转化为电能供给磁流变阻尼器励磁线圈。如下图所示。

2007年，中国湖南大学的陈政清在专利文献CN101086179 A中提出自供电磁流变智能减振系统，将结构振动的传感器与磁流变阻尼器的供电电源集成到小型永磁式直流电机上。

2008年，美国的Choi和Wereley在专利文献US2008053763 A1中采用弹簧振子结构作为电磁集能装置，提出一种自供能磁流变阻尼器永磁体相对活塞振动并切割感应线圈产生电能供给阻尼器励磁线圈。

2009年，中国重庆大学的余淼在专利CN101550982 A中提出一种自供电磁流变阻尼器，由叶轮、碟形磁电换能器和密封装置组成，可将内部流体能转化为电能，用于阻尼器内部状态监测无线传感模块的能量供给。

2012年，中国香港中文大学的廖维新和陈超在专利文献CN102374255 A中将集能、速度传感和磁流变单元集成为一个器件，提出了一种自供电、自传感的磁流变体阻尼器，永磁体动子与活塞杆固定在一起，而感应线圈则固定于阻尼器外缸筒上。根据法拉第定律，永磁体动子随活塞杆运动在定子感应线圈内产生感生电动势供给磁流变单元励磁线圈。

2017年，韩国的现代集团的RHEE EUN JUN在专利文献KR20170113781 A中提出在外套筒内壁上设置感应线圈，在内套筒外壁上设置永磁体，通过感应产生电流。

4.4 压电式与磁电式复合自供能磁流变阻尼器

2011年，中国嘉兴学院的蒋学争在专利文献CN102287474 A中提出自供电自感应磁流变阻尼器，包括永磁体、电磁线圈、和压电电极、压电片，电能信号控制模块。实现压电和磁电共同作用实现自供能。

2016年，西安科技大学在多篇专利文献CN105351431 A、CN106286685 A 、CN107585066 A中提出通过压电模块和电磁感应单元实现自供电。

5 磁流变阻尼器的各种磁源对比

对于磁流变阻尼器的磁源，采用外部电源进行线圈励磁的技术手段，其专利文献数量占据了大部分（参见图1），这种方式的优点在于便于调节，但是受断电、地质灾害影响，存在磁流变阻尼器失效的问题，且受制于野外等使用环境。

对于永磁体作为磁源的技术手段，其能够保持稳定的磁场，不需要配备专门的供电系统，地震电源中断时仍能正常工作，提高了设备的安全性；不受使用环境影响；省掉了线圈，体积减小；避免了供电线圈产热的问题。但是磁场强度不易调节。

对于永磁体和外部电源复合磁源的技术手段，既能够保持稳定的磁场，又便于调节。失电情况下，通过永磁体产生固定磁场，可使阻尼间隙处保持一定的磁场强度；得电情况下，通过调节电流大小和方向，可使线圈中产生的磁场与永久磁铁产生的磁场方向相同或相反，起到同向增强磁场或异向消弱磁场的作用。[2]

对于自供能的磁源，不需要额外的电源输入设备，大大地降低了应用成本，特别适用于空间有限和供电不便的应用场所，如：大型建筑和桥梁等；绿色环保、节约能源，不受外部环境影响，但是该种方式使得阻尼器的结构比较复杂。

6 总结

从专利文献角度出发，对磁流变阻尼器中磁源问题进行了梳理。从永磁体磁源、自供能磁源方面，梳理了各个阶段专利文献中记载的技术手段。希望能够为企业的专利挖掘、专利战略提供一定帮助，也希望能够为高校的研究方向提供一点点指引。

参考文献：

[1] 宋后定， 陈培林. 永磁材料以及应用[M]. 北京： 机械工业出版社. 1984： 7-11。

[2] 华东交通大学. 一种采用永久磁铁和双线圈进行复合控制的磁流变阀：2015， CN204610973U [P].2015-09-02.

[3] 黄永虎. 自感知自供能磁流变阻尼器及其控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

作者簡介：

冯连东（1979-），男，硕士，审查员，主要从事机械领域的发明专利实质审查工作。