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磁流变阻尼技术发展及专利布局状况如何?这篇文章告诉你

发布时间:2018-01-26  来源:冯连东 孙磊 中国知识产权报  作者:冯连东 孙磊 中国知识产权报   浏览:463

  


   磁流变液(Magneto Rheological Fluid,简称MRF)是指在外加磁场作用下的一种黏性、塑性等可使流体发生急剧变化的材料。其在外磁场作用下能瞬间从自由流动的液体转变为半固体,且材料屈服强度会随着外磁场的强度大小变化随机调控磁流变效应。磁流变液产生于1948年,是由美国学者J.Rabinow在实验中首次发现的。随着近几年的快速发展,磁流变液作为智能材料的重要组成部分,其研究和应用已得到世界各国科研人员的极大关注,各国纷纷投入了较大财力、物力来抢占先机。


   磁流变阻尼器是磁流变液重要的应用领域之一,其可通过对阻尼力特性的高精度调控,在汽车制造、测量技术、机械加工等领域具有一定的应用价值,相比应用于汽车上的传统阻尼器,磁流变阻尼器有着更快的反应速度和更大的阻尼变化范围,它能以每秒1000次的频率调整自身的悬挂特性。早在2009年,一辆搭载了磁流变阻尼器悬挂控制系统的凯迪拉克CTS-V汽车,在纽伯格林北环赛道跑出7分59秒32的最快圈速,一举打破了长期以来四门轿车无法突破8分钟圈速的魔咒。如今,随着我国高铁技术的不断发展,磁流变阻尼技术动力大、范围广、反应迅速的优势,使得其在高铁减振领域具有广阔的应用前景。


   技术发展及专利布局


   笔者以IPC分类号f16f9+、磁流变阻尼器及中英文相关扩展词作为基本检索要素,在中国专利全文库(CNTXT)中进行模块化检索发现,截至2017年12月底,中国提交的磁流变阻尼技术专利申请共计3721件,转库到中国专利文摘数据库(CNABS)中进行统计发现,中国、美国两国申请人的申请数量之和占到了全部专利申请的一半以上。


   中国与美国是拥有磁流变阻尼相关专利最多的国家。美国在该领域提交的专利申请更多来自于企业,如美国德尔福(DELPHI)公司(115件)、专注振动运动管理的美国洛德(LORD)公司(80件),这两个企业都拥有较多磁流变阻尼技术的基础专利。同时,美国的磁流变阻尼技术在工程应用领域的产业化发展较快,洛德(LORD)公司早在1989年就提交了公开号为US4887699A的专利申请,随后其又陆续在磁流变阻尼技术领域进行相应的技术扩展与专利储备,并抢先在全球开展专利布局。


   中国在磁流变阻尼技术的专利申请情况从1998年起发展至今已有长足进步,从2000年至2015年该领域呈现逐年递增的趋势,之后一直处于申请量的平稳发展阶段。截至2017年10月31日,中国在该领域提交的专利申请量已达到3721件,目前专利申请量比较多的国内创新主体包括:重庆大学(113件)、哈尔滨工业大学(87件)、北京京西重工有限公司(53件)、合肥工业大学(52件)、浙江大学(51件)、重庆材料研究院有限公司(17件)等。值得一提的是,北京京西重工有限公司于2009年成功收购了美国德尔福(DELPHI)公司的减振和制动业务,在磁流变阻尼技术领域加快了研发应用和专利布局的步伐,但其申请人大部分为国外发明人。


   技术分析及应用前景


   笔者通过分析发现,由于磁流变效应只有在外磁场的作用下才会发生效能,因此磁场发生单元作为最核心的技术已成为该领域专利申请的必争之地。磁场发生单元通常包括利用永磁体的磁场和线圈励磁产生的磁场两种。线圈励磁方式是通过改变加在线圈内的电流大小来改变磁场强度。一般通过外部电源装置给线圈供电,对磁场的强度控制较容易实现,然而线圈励磁对外部电源具有较强依赖性,使得其在断电时无法保证阻尼力,同时由于在零电流状态下阻尼力间隙磁场近似于零,使得磁流变液长期处于零磁场状态下,容易出现沉降及凝聚难以保证的情况,因此在一些技术中出现了利用永磁体磁场来作为磁场发生单元的阻尼器,如浙江大学获得的专利号为ZL201020277204.7的无源磁流变抗拉阻尼自适应控制装置的专利,就采用超磁致伸缩材料、永磁体、磁轭、磁流变液介质和软磁材料等来构造输入输出磁回路,省掉了线圈和外配电源,且在永磁体不存在零磁场的情况下,有效防止磁流变液沉降。


   我国专利申请人对磁场发生单元相关方式进行创新探索与研究。一是从外部电源与永磁体结合使用的角度来对磁场发生单元进行技术改进,提高磁场发生单元的运行效率,如重庆大学获得的专利号为ZL200410079249.2的汽车悬架系统磁流变液阻尼装置的磁场发生器的专利,就是由永磁体和电磁线圈组成,实现了降低能源消耗和减小阻尼器的发热的效果,同时配上相应的电流控制器还可实时调节阻尼特性,提高汽车行驶安全性。二是选择压电陶瓷或电磁感应单元的方式产生电能或励磁电流,可改进线圈励磁产生磁场的方式,实现无源节能、能量回收等效果,如西安科技大学获得的专利号为ZL201510945800.5的自供能量式车辆减振装置的专利,就是新增了多个镶嵌有压电振子的压电模块作为压电发电单元,将电磁感应单元的感应线圈缠绕在防漏磁套的外壁上,采用压电发电单元和电磁感应单元共同产生电能的作用,以产生足够电能供给磁流变阻尼单元使用,同时把产生的多余电能输送给车载蓄电池储存起来,在电源断电或不足的情况下正常工作。


   通过上述对技术走向及专利分布情况的分析可知,磁流变阻尼技术下一步的专利布局趋势很可能会在提高磁场发生单元的效率、降低运行能耗、提升密封性能、实现节能环保和结构简单可靠等方面展开。


   如今,我国创新主体在磁流变阻尼技术领域的技术创新和专利储备上虽取得长足进步,但如何解决磁流变阻尼技术领域存在的专利供需不足现象,不断提高自主知识产权磁流变阻尼器的市场竞争力和市场占有率,则是需要加快改进的地方。未来,我国还应积极整合各类资源,促进产学研各方的合作,调动发明人实施专利转化的积极性、主动性,与企业间形成优势互补,尽早实现专利技术成果转化。



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