专利名称：一种磁流变材料测试设备磁场发生装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及磁流变液的技术领域，尤其是涉及一种磁流变材料测试设备的磁 场发生装置。
背景技术：
磁流变材料是一种新型智能材料，包括磁流变脂、磁流变弹塑体、磁流变液等，其 中磁流变液的研究和应用最为广泛。磁流变液，是一种由微米级铁磁性颗粒均勻分布于特 定溶剂中所形成的悬浮混合物，当无外加磁场时，流变特性与普通牛顿流体类似，但在外 加强磁场作用下时可产生磁流变效应(Magnetorheological Effect MRE)，即表观粘度可 在毫秒级内增加几个数量级，呈现类固体的力学性质，且剪切应力与粘度随磁场发生可逆 变化。这是因为当磁流变液处于强磁场作用下时，其悬浮磁性颗粒被感应为强磁性，在磁极 之间形成“链”状的桥，使其在瞬间由液体变为黏性类固体。磁流变液由Rabinow于1948年实用新型以来，在机械、航空航天、石油、土木工程 等众多工程领域内已有一定的理论研究和应用实践。随着科技的生产实践的发展，其应用 越来越广，不断地有新型配方的磁流变液出现。故怎样对新产生的磁流变液的性能进行测 试，就需要专门的测试设备。现有技术中已存在一些用于检测磁流变液性能的技术，比如我国实用新型专利号 ZL200810030896. 2所公布的一种磁流变抛光液流变性测试设备，它包括计算机、支架以及 固定于支架上的扭矩测量装置、磁场发生装置、剪切机构和驱动机构，扭矩测量装置、磁场 发生装置和驱动机构与计算机相连，装设于磁场发生装置中的剪切机构包括剪切环和固 定环，剪切环位于固定环的上方，剪切环和固定环上的外圆周处分别设有具有一定高度的 剪切环边沿和固定环边沿，剪切环边沿和固定环边沿之间形成用来存储磁流变抛光液的 储液凹槽，呈盘状的剪切环中心处上方设有与驱动机构相连的旋转轴，固定环的中心处下 方设有与扭矩测量装置相连的连接轴。该实用新型具有结构简单紧凑、成本低廉、控制方 便、测试稳定且精度高等优点。又如我国实用新型专利申请号01113648. 0所公布的一种磁流变液流变特性的测 试系统，其结构包括导磁回路和盛放磁流变液的容腔及用于测量扭矩的应变片和测量磁场 强度的霍尔片。其容腔是由两块导磁材料构成的上、下等径圆盘、下圆盘周边固连的由非导 磁材料构成的套环组合构成的桶状密封容器，上圆盘轴与步进电机主轴相接，下圆盘轴上 连接有升降机构。在桶状容器近处设置有两个或两个以上、以上下圆盘轴心线对称分布的 励磁线圈，霍尔片及应变片分别设置在下圆盘盘面下方和下圆盘轴表面上。本装置磁场分 布均勻，R/h比值高，其扭矩测量部位设置在由非导磁材料构成的静止轴上，不会受到磁 场力的影响及支承摩擦力矩的影响，提高了测量精度。这些现有的检测装置，其磁场发生装置，均是采用普通的绕组线圈，存在产生磁通 量小，安全性差的缺陷。
实用新型内容针对上述现有技术的不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种产生磁通 量大，安全性好的磁流变材料测试设备磁场发生装置。为了解决上述技术问题，本实用新型中采用了如下的技术方案一种磁流变材料测试设备磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁 极，所述上磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的上衬套和位于上衬套外部的电磁线圈绕 组，所述下磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的下衬套和位于下衬套外部的电磁线圈绕 组，所述下衬套上端具有向外侧延展的台阶；所述上衬套和上衬套外部的电磁线圈绕组固 定于上连接板上，上连接板连接于机架，所述下衬套和下衬套外部的电磁线圈绕组固定在 下连接板上，下连接板固定于机架；其中所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次 相邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹 有绝缘纸。本实用新型中，设计的电工纯铁制造的上衬套和下衬套，可以将磁通线路尽量引 致磁流变液所在位置，可以采用较小的成本产生较大的磁通量。同时，每层线圈之间采用绝 缘纸隔开，可以避免当一层线圈中某个线圈破损后不致于影响到其余层次的线圈，线圈绕 组外部包裹绝缘纸可以避免磁场扩散，使得磁场更加集中。所以本磁场发生装置，具有产生 磁通量大，安全性好的优点。申请人:还设计了一种包括本磁场发生装置结构的磁流变材料测试设备，其结构如 下。一种磁流变材料测试设备，包括机架，所述机架上设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁极，所述上磁极包括竖向设 置的电工纯铁制造的上衬套和位于上衬套外部的电磁线圈绕组，所述下磁极包括竖向设置 的电工纯铁制造的下衬套和位于下衬套外部的电磁线圈绕组，所述下衬套上端具有向外侧 延展的台阶；所述上衬套和上衬套外部的电磁线圈绕组固定于上连接板上，上连接板连接 于机架，所述下衬套和下衬套外部的电磁线圈绕组固定在下连接板上，下连接板固定于机 架；其中所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列地绕接得到的多层线 圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸；剪切机构，所述剪切机构包括同轴心设置的转轴、弱磁性材料制得的剪切环和固 定环；所述转轴靠轴承竖向设置在下衬套内部，转轴下方通过减速器连接电机；所述剪切 环安装固定在转轴上端；所述固定环上表面具有一个装配圆台，装配圆台侧壁设置有定位 键；所述剪切环上表面同轴心设置有一个环形的用于盛放磁流变液的磁流变液槽，磁流变 液槽位置与下衬套上端向外侧延展出的台阶位置对应，磁流变液槽底部嵌接有一个电工纯 铁制得的下圆环片，磁流变液槽外壁高度高于内壁，磁流变液槽内环之内同轴心设置有一 个环形的溢出槽，溢出槽内环之内同轴心设置有一个环形的滚珠槽，滚珠槽内安装有滚珠; 所述固定环下表面对应所述磁流变液槽设置有一个环形的凸台，该环形凸台由一个电工纯 铁材料的上圆环片嵌接在固定环上得到，上圆环片位置和上衬套下端位置对应；所述剪切 环和固定环贴合后，能够在磁流变液槽内形成一个外端封闭的磁流变液腔，在溢出槽内形 成一个与磁流变液腔连通的溢出腔，同时能够使剪切环和固定环通过滚珠形成滚动摩擦配 合；所述固定环上表面设置有与溢出腔连通的通孔；[0015]剪应力检测机构，包括一个设置在上衬套内部的传力筒，传力筒内壁下端设置有 键槽，所述固定环上表面的装配圆台可插接入传力筒内部并使得装配圆台上的定位键滑动 地配合在传力筒内部的键槽内，传力筒上端固定在上连接板上，传力筒外壁上设置有一个 内凹的台阶，该内凹的台阶上设置有剪应力传感器；加温及温度检测机构，包括位于固定环上表面的电加热装置和设置于固定环上表 面通孔内的温度探头；升降机构，包括竖向固定设置于磁场发生装置四周的数根定位立杆和一个固定连 接于上连接板上方的第三连接板，所述上连接板和第三连接板可滑动地套接在所述定位立 杆上；升降机构还包括一个竖向设置的螺旋杆，螺旋杆中部靠螺纹可转动地配合在机架上， 螺旋杆下端向下穿过第三连接板并设置有一个承托盘，承托盘与第三连接板之间设置有一 圈滚珠并靠滚珠实现对第三连接板的支承和滚动摩擦配合，螺旋杆上端横向设置有手柄；控制系统，所述控制系统包括计算机控制中心和与计算机控制中心连接的所述电 机、电磁线圈绕组、剪应力传感器、电加热装置和温度探头。本技术方案的测试设备，其使用时将待检测的磁流变液放入剪切环的磁流变液槽 内，合上固定环，通过升降机构控制上磁极下压使固定环的装配圆台装配入传力筒内，启动 电机带动剪切环转动，使得剪切环和固定环相对旋转，然后开始检测。检测时，可以通过控 制系统控制电机转速来调节剪应变率，同时通过剪应力传感器检测实际剪应力大小；通过 电加热装置调节温度，同时通过温度探头检测磁流变液实际温度；通过控制电磁线圈绕组 电流大小控制磁场强度；这样可以检测和计算出磁流变液的剪应力与温度、剪应变率、磁场 强度三者之间的线性关系，得到待检测磁流变液的特性。其中，由于电磁线圈绕组产生磁场 与电磁线圈绕组电流之间有严格的对应关系，电机电流和剪切环转速之间也存在严格的对 应关系，故可以先检测出该对应关系并通过程序预设在控制系统的计算机控制中心内，测 试设备工作时直接通过控制电磁线圈绕组电流来调节电磁线圈绕组磁场大小，通过控制电 机电流来控制剪切环转速，无需单独再设置磁场检测机构和转速检测机构，而温度的变化 容易受外界的影响，故需要设置温度探头检测磁流变液实际温度，使得最终测量结果的精 确度可以得到保证。本技术方案中，机架可以设置为框架式结构，用于支撑其余构件。磁场发生装置 中所述电工纯铁制造的上衬套和下衬套可以将电磁线圈产生的磁场集中引到中部，增加位 于上磁极和下磁极中部位置的剪切环和固定环所在位置的磁通量，特别是下衬套上端具有 一个向外延展的台阶，该台阶延展至与剪切环和固定环合拢后得到的磁流变液腔位置对应 处，同时上衬套下端位置也是和磁流变液腔位置对应，故可以进一步使得磁流变液腔处的 磁通量达到最大，这样可以使用较少的线圈和减小的线圈电流产生较大的试验所需磁通 量，间接地降低了装置实施成本。同时每层线圈之间采用绝缘纸隔开，可以避免当一层线圈 中某个线圈破损后不致于影响到其余层次的线圈，线圈绕组外部包裹绝缘纸可以避免磁场 扩散，使得磁场更加集中。磁场发生装置中，所述下连接板是直接固定在机架上，上连接板 则通过升降机构的配合可以相对机架活动。所述剪切机构中，电机通过减速器连接并带动 剪切环转动，提供剪切动力并可通过控制电机对剪应变率进行调整。其中所述剪切环是指 测试时由该剪切环旋转并提供剪切力，但实际剪切环是固定装配在下磁极上的，所述固定 环是指测试时该固定环在周向上固定不动，但实际该固定环只是被限位而并没有被固定；剪切环和固定环采用弱磁性材料制得，优选采用黄铜，但也可以采用其他弱磁性材料。所述 剪切机构中设置的电工纯铁制得的下圆环片和上圆环片也可以达到进一步增加磁流变液 腔位置磁通量的作用，具体实施时可以采用压床强行挤压使其嵌接进去。设置的溢出槽形 成的溢出腔，可以起到以下作用，一是减少固定环和剪切环之间的摩擦平面，使得固定环和 剪切环之间的转动摩擦剪切力尽量集中在磁流变液上，使得检测结果准确；二是由于本测 试设备中设置有电加热装置，测试温度对磁流变液影响时，磁流变液受热后可能产生膨胀， 这样膨胀溢出的磁流变液可以进入到溢出腔内，避免对实验结果产生影响。第三是溢出腔 对应的固定环上表面设置有连通溢出腔的通孔，这样设置在固定环上表面的电加热装置的 热量更容易通过通孔传递到溢出腔内的磁流变液中，由于溢出腔与磁流变液腔连通设置， 故两处的磁流变液温度基本一致，可以通过在通孔中设置的温度探头检测到磁流变液的温 度，方便了温度检测同时使得温度检测结果更准确。同时由于在测试时剪切环产生旋转，故 磁流变液会受一定离心力作用，不会从溢出腔的通孔内跑出。磁流变液槽外壁高度高于内 壁，可以加强对磁流变液的阻挡封闭效果，避免磁流变液在离心力作用下从磁流变液腔外 侧的缝隙中跑出。设置的滚珠槽和滚珠也可以进一步减小摩擦，使得剪切环和固定环之间 的旋转剪切摩擦主要集中在磁流变液处，提高检测准确性。所述剪应力检测机构中，通过传 力筒进行剪切力的传递，传力筒上端固定在上连接板上，下端通过键槽与固定环装配圆台 的定位键滑动配合并传递力矩，传力筒外壁内凹的台阶上设置剪应力传感器对剪应力进行 检测。所述剪应力传感器可以采用半桥贴片的方式或者采用现有技术中其他形式的剪应力 传感器，由于属于现有技术内容，故不在此详述。所述加温及温度检测机构中，电加热装置 具体可以采用环绕而成的电阻丝加热的结构，其中电加热装置和温度探头均属于现有成熟 技术内容，本实用新型对于现有技术作出贡献的地方在于将电加热装置和温度探头用于此 位置，使得本测试设备能够检测出温度对磁流变液性能的影响，而不在于电加热装置和温 度探头自身的结构，故不在此详述。所述升降机构的设置，可以对上磁极进行升降，方便固 定环的安装和拆卸，方便磁流变液的更换，同时，由于固定环与上磁极内的传力筒之间为键 和键槽的滑动配合，所以测试时，还可以在一定高度(一定高度指键和键槽配合段的长度范 围内)上对上磁极位置进行调整，检测磁流变液在不同磁场位置时的性能变化。升降机构工 作时，旋转手柄带动螺旋杆向上运动，即可通过承托盘带动第三连接板进而带动上连接板 和上磁极向上运动，当旋转手柄带动螺旋杆向下运动时，上连接板和上磁极可在自重作用 下向下运动。定位立杆用于导向，保证上磁极和下磁极对准。本升降机构自身还具有结构 简单，操作省力，纯机械式结构而价格便宜等优点。所述控制系统中，所述计算机控制中心 是一个集成化的上位概念，计算机控制中心集成有控制测试所需的温度控制功能、数显调 节功能、电机变频功能、磁场及磁场变化梯度控制功能、联轴器转速控制功能，等等，这些均 属于电气控制领域的公知常识性内容，不属于本申请对现有技术作出贡献的地方，故不在 此详述。综上所述，本实用新型的磁流变材料测试设备磁场发生装置，具有产生磁通量大， 安全性好的优点。
图1为一种采用了本实用新型结构的磁流变材料测试设备的结构示意图。[0023]图2为图1中单独上磁极处的结构示意图。图3为图1中单独下磁极处的结构示意图。图4为图1中单独固定环和剪切环配合好后的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和一种采用了本实用新型的磁流变材料测试设备对本实用新型的 结构作进一步的详细说明。具体实施时，一种采用了本实用新型的磁流变材料测试设备，其结构如图1至图4 所示，包括机架1，所述机架1上设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁极，所述上磁极包括竖向设 置的电工纯铁制造的上衬套2和位于上衬套外部的电磁线圈绕组3，所述下磁极包括竖向 设置的电工纯铁制造的下衬套4和位于下衬套外部的电磁线圈绕组5，所述下衬套4上端具 有向外侧延展的台阶；所述上衬套2和上衬套外部的电磁线圈绕组3固定于上连接板6上， 上连接板6连接于机架1，所述下衬套4和下衬套外部的电磁线圈绕组5固定在下连接板7 上，下连接板7固定于机架1 ；实施时，所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相 邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有 绝缘纸；剪切机构，所述剪切机构包括同轴心设置的转轴8、弱磁性材料制得的剪切环9和 固定环10 ；所述转轴8靠轴承11竖向设置在下衬套4内部，转轴8下方通过减速器12连 接电机13 ；所述剪切环9安装固定在转轴8上端；所述固定环10上表面具有一个装配圆台 14，装配圆台14侧壁设置有定位键15 ；所述剪切环9上表面同轴心设置有一个环形的用于 盛放磁流变液的磁流变液槽16，磁流变液槽16位置与下衬套2上端向外侧延展出的台阶位 置对应，磁流变液槽16底部嵌接有一个电工纯铁制得的下圆环片17，磁流变液槽16外壁高 度高于内壁，磁流变液槽16内环之内同轴心设置有一个环形的溢出槽18，溢出槽内环之内 同轴心设置有一个环形的滚珠槽，滚珠槽内安装有滚珠19 ；所述固定环10下表面对应所述 磁流变液槽16设置有一个环形的凸台，该环形凸台由一个电工纯铁材料的上圆环片20嵌 接在固定环10上得到，上圆环片20位置和上衬套2下端位置对应；所述剪切环9和固定环 10贴合后，能够在磁流变液槽16内形成一个外端封闭的磁流变液腔，在溢出槽18内形成一 个与磁流变液腔连通的溢出腔，同时能够使剪切环9和固定环10通过滚珠19形成滚动摩 擦配合(具体实施时剪切环和固定环其余贴合面留0. 5mm左右的间隙);所述固定环10上表 面设置有与溢出腔连通的通孔22 ；剪应力检测机构，包括一个设置在上衬套2内部的传力筒23，传力筒23内壁下端 设置有键槽对，所述固定环10上表面的装配圆台14可插接入传力筒23内部并使得装配圆 台14上的定位键15滑动地配合在传力筒23内部的键槽M内，传力筒23上端固定在上连 接板6上，传力筒23外壁上设置有一个内凹的台阶，该内凹的台阶上设置有剪应力传感器 25 ；加温及温度检测机构，包括位于固定环10上表面的电加热装置沈和设置于固定 环10上表面通孔22内的温度探头27 ；升降机构，包括竖向固定设置于磁场发生装置四周的数根定位立杆观和一个固定连接于上连接板6上方的第三连接板34，所述上连接板6和第三连接板34可滑动地套 接在所述定位立杆观上；升降机构还包括一个竖向设置的螺旋杆四，螺旋杆四中部靠螺 纹可转动地配合在机架1上，螺旋杆四下端向下穿过第三连接板34并设置有一个承托盘 30，承托盘30与第三连接板34之间设置有一圈滚珠31并靠滚珠31实现对第三连接板34 的支承和滚动摩擦配合，螺旋杆四上端横向设置有手柄32 ；所述的升降机构的定位立杆观 上端为尖端向上的锥体段，定位立杆观下端为圆柱段； 控制系统，所述控制系统包括计算机控制中心33和与计算机控制中心33连接的 所述电机13、电磁线圈绕组、剪应力传感器25、电加热装置沈和温度探头27。
权利要求1. 一种磁流变材料测试设备磁场发生装置，所述磁场发生装置包括上磁极和下磁极， 所述上磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的上衬套和位于上衬套外部的电磁线圈绕组，所 述下磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的下衬套和位于下衬套外部的电磁线圈绕组，所述 下衬套上端具有向外侧延展的台阶；所述上衬套和上衬套外部的电磁线圈绕组固定于上连 接板上，上连接板连接于机架，所述下衬套和下衬套外部的电磁线圈绕组固定在下连接板 上，下连接板固定于机架；其中所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列 地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸。
专利摘要本实用新型公开了一种磁流变材料测试设备磁场发生装置，包括上磁极和下磁极，所述上磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的上衬套和位于上衬套外部的电磁线圈绕组，所述下磁极包括竖向设置的电工纯铁制造的下衬套和位于下衬套外部的电磁线圈绕组，所述下衬套上端具有向外侧延展的台阶；所述上衬套和上衬套外部的电磁线圈绕组固定于上连接板上，上连接板连接于机架，所述下衬套和下衬套外部的电磁线圈绕组固定在下连接板上，下连接板固定于机架；其中所述每个电磁线圈绕组包括采用一根漆包线依次相邻并列地绕接得到的多层线圈，每层线圈之间采用绝缘纸隔开，电磁线圈绕组外部包裹有绝缘纸。本实用新型具有产生磁通量大，安全性好优点。
文档编号G01N11/00GK201936716SQ201120028209
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者孙虎, 彭向和, 熊晨熙 申请人:重庆大学