DE69008254T2 - Flüssigkeit, die auf ein Magnetfeld reagiert. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein rheologisches Fluid, das auf ein magnetisches Feld anspricht.
• Auf magnetische Felder ansprechende rheologische Fluide sind bekannt. Es sind auch auf elektrische Felder ansprechende rheologisclie Fluide bekannt. Solche Fluide werden in Kupplungen, Stoßdämpfern und anderen Vorrichtungen verwendet. Ein Merkmal dieser rheologischen Fluide besteht darin, daß Feststoffe in dem Fluid ausgerichtet werden und das Fließvermögen des Fluids wesentlich vermindert wird, wenn sie geeigneten Energiefeldern ausgesetzt werden.
• Auf elektrische Felder ansprechende Fluide und auf magnetische Felder ansprechende Fluide enthalten ein Trägermedium, z.B ein dielektrisches Medium wie ein Mineralöl oder ein Silikonöl, und feste Partikel. Im Falle eines auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluids sind diese festen Partikel magnetisierbar Beispiele für feste Partikel, die bis jetzt zur Verwendung in einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid vorgeschlagen wurden, sind Magnetit und Carbonyleisen. Das Fluid kann auch einen grenzflächenaktiven Stoff enthalten um die festen Partikel im Trägermedium suspensiert zu halten.
• Eine von der GAF Corporation in Wayne, New Jersey, veröffentlichte Broschüre, die die Kennummer 1M-785 und den Titel "Carbonyl Iron Powders" trägt, enthält eine Beschreibung von der GAF Corporation vertriebener Carbonyleisenpulver. Die Eisenpartikel sind unterteilt in "straight powders", "alloys", "reduced powders" und "insulated reduced powders". Als Beispiel für "straight powder" ist ein als Carbonyl "E" bekanntes Pulver angegeben.
• Die Broschüre enthält eine kurze Beschreibung von auf magnetische Felder ansprechenden Fluiden. Sie gibt an: "Bei der Anwendung von magnetischen Fluiden in Kupplungen wirken die kugelförmigen Carbonyleisenpartikel vermutlich wie Kugellager. Die Kleinheit der Eisenpartikel ergibt eine größere Oberfläche und mehr Kontakte als bei anderen Pulvern und damit bei einer Sperrung eine bessere Übertragung. Zur Erzielung der besten Ergebnisse werden normalerweise ein Schmiermittel und ein Dispergiermittel benötigt." Die Beschreibung enthält keine Offenbarung bezüglich des Typs des bei einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluids zu verwendenden Carbonyleisens oder Dispergiermittels.
• Eine Veröffentlichung von J. D. Coolidge, Jr. und R. W. Halberg, AIEE Transactions, Abhandlung 55-170 (Febr. 1955), Seiten 149-152, mit dem Titel "Some Properties of Magnetic Fluids" offenbart die Verwendung von verschiedenen Carbonyleisen in einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid. Die offenbarten Carbonyieisen enthalten Carbonyl "E" und Carbonyl "SF", sogenannte reine Pulver, und Carbonyl "L", Carbonyl "HP" und Carbonyl "C", die alle reduzierte Pulver sind. Dieser Artikel enthält keine Schlüsse, daß bei einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid ein Carbonyleisen einem anderen vor zuziehen sei.
• Eine Veröffentlichung von Jacob Rabinow, NBS Tech. Rep. Nr. 1213 (1948) [auch: Trans. Amer. Inst. Elec. Eng., Vorabdruck 48-238 (1948)] mit dem Titel "The Magnetic Fluid Clutch" offenbart die Verwendung von wasserstoffreduziertem Eisen und Carbonyieisen "SF", was wie oben gesagt ein "reines" Pulver ist.
• In der US-A-2 597 276 ist ein Verfahren zum Isolieren von Partikeln ferromagnetischer Metallpulver offenbart, besonders der durch thermische Zerlegung vor Metallcarbonylen insbesondere Eisencarbonyl, erhaltenen Pulver. Das so erhaltene isolierte Puiver wird zur Herstellung von magnetischen Kernen und anderer geformten Gegenständen verwendt.
• Die obengenannten Dokumente enthalten keinen Hinweis, daß bei einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid ein Carbonyl einem anderen vorzuziehen sei.
• Eine Veröffentlichung von S. F. Blunden, The Engineer, 191, 244 (1951) mit dem Titel "The Magnetic Fluid Clutch" offenbart die Verwendung von zwei Klassen von Carbonyleisen, Klasse "ME" und Klasse "MC". Klasse "ME" ist als mechanisch "hart" bezeichnet, und Klasse "MC" ist als mechanisch "weich" bezeichnet. Auch hier wird keinem Carbonyleisen ein Vorzug gegenüber einem anderen gegeben.
• Eine Veröffentlichung von NBS Tech. News Bull., 34, 168 (1950) mit dem Titel "Further Development of the NBS Magnetic Fluid Clutch" offenbart die Verwendung von Carbonyl "E"-Pulver in einem magnetischen Fluid. Es werden auch weitere Informationen über die Fluidzusammensetzung gegeben.
• Die US-A-4 604 229 offenbart die Verwendung eines Kohlenwasserstoff-Trägermittels mit 4% - 10% Magnetit, 8% 12% elektrisch leitendem Ruß und einem Dispergiermittel. Pulverförmiges Magnetit (Fe&sub3;O&sub4;) ist das vollständig oxidierte magnetische Oxid von Eisen, Carbonyleisen oder Eisen-Nickel. Eine ähnliche Offenbarung ist in der US-A-4 673 997 enthalten.
• Die US-A-3 006 656 offenbart einen Stoßdämpfer mit magnetischen Partikeln, der eine Zusammensetzung enthält, die Carbonyleisen, ein Trägennedium wie Öl sowie Graphit enthalten kann. Bezüglich der Zusammensetzung werden Carbonyleisen und Magnetit als äquivalente Materialien beschrieben. Das Patent macht keine Angaben, welches Carbonyleisen verwendet wurde.
• Die US-A-2 519 449 offenbart die Kombination von Carbonyl E und festem, pulverförmigen Graphit in einer Mischung von 50 : 50. Die zusammenhängende Phase oder das dielektrische Medium der Zusammensetzung ist Luft. Das Graphit wirkt als Schmiermittel.
• In der US-A-2 661 596 ist ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid offenbart, dar 100 Teile Eisencarbonlypulver, 10 Teile dielektrisches Öl und 2 Teile Dispergiermittel w.ie ein Eisen(II)-oleat enthält. Die Form des verwendeten Carbonyleisens ist nicht offenbart.
• Die US-A-2 663 809 und die US-A-2 886 151 offenbaren die Verwendung von Carbonyleisen in einer Fluidkupplung. Die Form des Carbonyleisens ist nicht offenbart.
• Die US-A-2 772 761 offenbart eine elektromagnetische Kupplung, die ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid verwendet, das ein Eisenpulver aus einer Mischung von 80 : 20 Plasteisen und Carbonyl "E" sowie ein Dispergiermittel enthält, das z.B. 39% Graphit, 46% Naphtha und 15% Alkylharz enthält.
• In der US-A-4 737 886 ist ein Fluid mit einer sich bei einem elektrischen Feld ändernden Viskosität offenbart. Das Fluid spricht auf ein elektrisches Feld an. Es werden auch auf magnetische Felder ansprechende Fluide beschrieben. In dem Patent wird erwahnt, daß solche magnetischen Felder "relativ hohe elektrische Ströme und erhebliche elektrische Kreise (z.B. große Spulenwicklungen) zur Bewirkung der geeigneten Reaktion im Fluid" benötigen.
• Eine Veröffentlichung von Jack L. Blumenthal, Summer, 1986, Seiten 53-63 mit dem Titel "Quest", veröffentlichi von der TRW Corporation, offenbart die Zusammensetzung und die Eigenschaften eines kohlenstoffhaltigen Materials mit faserigen Kohlenstoffpartikeln, die mittels einer Kohlenstoff-Disproportionierungsreaktion erhalten wurden. Die Kohlenstoffasern der einzelnen Partikel sind miteinander verschlungen und bilden eine poröse Struktur. Die Partikel sind in der Lage, andere fein unterteilte Pulver aufzunehmen und in Fluiden zu suspendieren.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Errfindung, ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes verbessertes rheologisches Fluid zu schaffen, das eine hohe Ansprechgeschwindigkeit auf ein magnetisches Feld besitzt und dessen magnetisches Feld von einem relativ geringen Stromfluß durch eine kleine Anzahl von Spulenwicklungen erzeugt werden kann.
• Die Fluidzusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält ein Trägermedium und feste, magnetisierbare Partikel, die in dem Trägermedium suspendiert sind. Vorzugsweise enthält die Fluidzusammensetzung auch ein Dispergiermittel. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die magnetisierbaren Partikel isolierte, reduzierte Carbonyleisenpartikel.
• Die vorliegende Erfindung beruht auch auf der Entdeckung eines neuen Dispergiermittels für ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid, wobei das Dispergiermittel aus faserigen Kohlenstoffpartikeln besteht, von denen jeder Partikel verschlungene Kohlenstoffasern mit einem Verhältnis von Lage zu Durchmesser im Bereich von ungefahr 10:1 bis ungefähr 1000:1 besitzt. Vorzugsweise besitzen die Fasern eine Oberfläche von ungefähr 300 Quadratmetern je Gramm.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich dem Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung durch das Lasen der folgenden Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, in denen:
• - Fig. 1 eine Vorrichtung zeigt, die ein rheologisches Fluid in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet;
• - Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 zeigt;
• - Fig. 3 eine Draufsicht eines in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten Blattes zeigt;
• - Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines in der Vorrichtung von Fig. 1 verwendeten Elektromagneten zeigt;
• - Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 4 zeigt;
• - Fig. 6 eine Draufsicht des Elektromagneten von Fig 4 zeigt; und
• - Fig. 7 ein Diagramm zeigt, das die Betriebsmerkmale der Vorrichtung von Fig. 1 darstellt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführung
• Die Fluidzusammensetzung der vorliegenden Erfindung enthält ein Trägermedium, z.B. Mineralöl, Silikonöl oder CONOCO LVT-Öl; ein isoliertes, reduziertes Carbonyleisen und vorzugsweise ein Dispergiermittel, das aus verschlungenen Kohlenstoffaserpartikeln besteht.
• Carbonyleisen wird durch die Zerlegung von Eisenpentacarbonyl Fe(CO)&sub5; hergestellt. Dieses Verfahren erzeugt ein kugelförmiges, reduziertes Partikel, dessen Aufbau aufgrund von kleinen Kohlenstoffeinlagerungen in verschiedenen Schichten als Zwiebelschalenaufbau bezeichnet wird. Der Kohlenstoffgehalt beträgt ungefähr 1 %. Die Reduktion oder die Kohlenstoffentziehung des unreduzierten Pulvers wird dadurch ausgeführt, daß das Pulver einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt wird, gefolgt von einer Verdichtung. Dies zerstört die Zwiebelschalenstruktur und erzeugt ein Gemisch mit zufällig angeordneten, kleinen Eisenpartikeln. Der Kohlenstoffgehalt des Pulvers beträgt ungefähr 0,075 %.
• In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung besitzt das reduzierte Pulver eine isolierende Beschichtung, um einen Kontakt von Partikel zu Partikel zu verhindern. Die Partikel sind physikalisch weich und kompressibel. Ihre Gestalt ist kugelförmig. Reduzierte Partikel, die auch isoliert sind, werden von der GAF Corporation unter den Bezeichnungen "GQ-4" und "GS-6" vertrieben. Die folgende Tabelle 1 stellt die physikalischen und chemischen Eigenschaften für die isolierten, reduzierten Pulver dar: Tabelle 1 GAF Carbonyleisenpulver Typ mittlerer Partikeldurchmesser in Mikrometer (Fisher Sub-Sieve Sizer) scheinbare Dichte g/cm³ Stückdichte g/cm³
• Die Werte von Tabelle 1 können auf Seite 4 der oben genannten GAF-Broschüre gefunden werden, die die Kennummer IM-785 trägt. Die Offenbarung dieser GAF- Broschüre ist hierin durch Bezugnahme eingeschlossen.
• Die Isolationsschicht kann jedes die Partikel beschichtende Mittel sein, das in der Lage ist, die Carbonyleisenpartikel zu isolieren und Wirbelströme oder dielektrische Verluste zwischen den Partikeln zu verhindern. Die Isolationsschicht auf den Pulvern "GQ-4" und "GS-6" ist eine diskontinuierliche Schicht aus Siliziumoxid, hauptsächlich Siliziumdioxid. Das Silizium beträgt ungefähr 6,9 Atomprozen der Oberflächenzusammensetzung der Carbonyleisenpartikel. Siliziumdioxid ist sehr dielektrisch und sorgt für eine elektrische Widerstandsfähigkeit.
• Man geht davon aus, daß reduzierte Pulver eine zufälligere Anordnung der kleinen Eisenpartikel als die sogenannten "reinen" Pulver besitzen und daß dies zu einer geringeren Hysteresewirkung als bei "reinen" Pulvern führt. Die Isolation der Pulver verbessert die Wirksamkeit des magnetischen Fluids durch eine Verminderung von Störwirbelströmen um die Partikel, die die magnetische Feldstärke im Fluid nachteilig beeinflussen könnten.
• Wenn die magnetische Fluidzusammensetzung der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Übertragungsanwendungen verwendet wird, z.B. in einer Kupplung, rühren die sich bewegenden Bauteile der Kupplung die Zusammensetzung intensiv durch, und kein Dispergiermittel wird benötigt. Dies ist insbesondere dann dem Fall, wenn Permanentmagnete verwendet werden und die Kupplung niemals entmagnetisiert wird. In diesem Fall stellt das Setzen der Eisenpartikel kein Problem dar.
• In den Anwendungen, bei denen ein Dispergiermittel notwendig ist, kann die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung jedes Dispergiermittel oder jeden grenzflächenaktiven Stoff verwenden, der üblicherweise bei einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid verwendet wird. Beispiele für im Stand der Technik verwendete grenzflächenaküve Stoffe sind: Dispergiermittel, z.B. Eisen(II)-oleat oder Eisen(II)-naphthenat; Aluminiumseifen, z. B. Aluminiumtristearat oder Aluminiumdistearat alkalische Seifen, z.B Lithiumstearat oder Natriumstearat, verwendet zur Erzielung von thixotropen Eigenschaften; grenzflächenaktive Stoffe wie Fettsäuren, z.B. Olsäuren; Sulfonate, z.B. Petroleumsulfonate; Phosphatester, z.B. Alkoholester von ethoxiliertem Phosphatester; und Kombinationen der obigen.
• Ein bevorzugtes Dispergiermittel ist faseriger Kohlenstoff, Faseriger Kohlenstoff ist ein aus Partikeln bestehender Kohlenstoff, bei dem jeder Kohlenstoffpartikel aus einer großen Anzahl von verschlungenen kleinen Kohlenstofffasern zusammengesetzt ist. Solch ein faseriger Kohlenstoff ist "TRW Carbon", ein Warenzeichen der TRW Corporation. "TRW Carbon" ist in der oben genannten Veröffentlichung "Quest" offenbart. Die Offenbarung dieser Veröffentlichung ist hierin durch Bezugnahme eingeschlossen.
• "TRW Carbon" wird in einer katalytischen Kohlenstoft-Disproportionierungs- Reaktion hergestellt, bei der ein Brenngas mit einem niedrigen Heizwert oder eine andere Kohlenstoffquelle zur Aufrechterhaltung der Reaktion verwendet wird. Die einzelnen Fasern des faserigen Kohlenstoffs besitzen einen Durchmesser zwischen 0-05 und 0,5 Mikrometer, und sie besitzen eine Länge bis zu mehreren tausendmal ihrem Durchmesser. Ein bevorzugtes mittleres Verhältnis von Länge zu Durchmesser liegt im Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 1000:1. Die meisten der Fasern enthalten ein Kristallit eines Eisenmetalls (z.B. Eisen Nickel, Kobalt oder ihre Legierungen) oder ein Eisenmetallkarbid. Die Kohlenstoffasern wachsen während der Disproportionierungsreaktion von entgegengesetzten Seiten des einzelnen Kristallits. Der Kristallit stellt normalerweise 1 bis 10 Gewichtsprozent des Materials dar, er kann jedoch durch Säureauslaugung bis auf 0,1 Prozent vermindert werden. Mit Ausnahme der Kristallite bestehen die Fasern aus fast reinem Kohlenstoff plus einer geringen Menge von Wasserstoff im Bereich von 0,5 bis 1 Prozent. Die Fasern können entweder hohl oder porös sein.
• Während der Disproportionierungsreaktion findet ein Verschlingen der Fasern zu aggregierten Partikeln statt. Das Verschlingen und das Bilden von kleinen Zwischenräumen in den Kohlenstoffpartikeln erlaubt dem faserigen Kohlenstoff, die im Bereich von Mikrometern großen Carbonyleisenpartikel aufzunehmen und die Carbonyleisenpartikel in einem Trägerfluid verteilt mechanisch zu suspendieren. Die faserigen Kohlenstoffpartikel besitzen eine große Oberfläche von ungefähr 300 Quadratmetern je Gramm und eine geringe Massendichte von ungefähr 0,02 bis ungefähr 0,7 Gramm je Milliliter. Das Porenvolumen der faserigen Kohlenstoffpartikel beträgt typischerweise ungefähr 0,5 bis ungefähr 0,9 Milliliter je Gramm.
• Die faserigen Kohlenstoffpartikel besitzen fluidähnliche Merkmale und fließen wie eine Flüssigkeit, ähnlich wie Graphit. Wenn sie in einem flüssigen Trägermedium in einer Menge eingebracht werden, daß sie als Dispergiermittel wirken, dicken sie das Trägermedium ein oder gelieren es und verhindern das Setzen der Carbonyleisenpartikel. Sie bilden eine thixotrope Mischung mit dem Trägermedium, die gute Fließeigenschaften ausweist, wenn sie einer Scherung unterworfen wird. Die Viskosität der thixotropen Mischung ist relativ unabhängig von der Temperatur.
• Das Trägermedium der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann jedes üblicherweise bei einem auf ein magnetisches Feld ansprechenden Fluid verwendete Trägermedium sein. Beispiele für geeignete Trägermedien sind im oben genannten Stand der Technik gegeben. Vorzugsweise ist das verwendete Trägermedium ein Öl mit einer Viskosität zwischen 1 und 1000 Zentipoise bei ungefähr 37,78ºC (100ºF). Spezielle Beispiele für geeignete Trägermedien und ihre Viskositäten sind in der folgenden Tabelle 2 gegeben: Tabelle 2 Trägermedium Viskosität Conoeo-LVT-Öl Kerosin Leichtes Paraffinöl Mineralöl (Kodak) Silikonöl
• Die Anteile der in der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung verwendeten Bestandteile sind in einem weiten Bereich variabel. Bei die Verwendung eines Dispergiermittels benötigenden Zusammensetzungen wird das Dispergiermittel in einer Menge verwendet, die ein Dispergieren der Carbonyleisenpartikel und ein Halten dieser Partikel im Trägermedium suspendiert bewirkt. Die Menge des verwendeten Trägermediums ist die Menge, die für das Trägermedium notwendig ist, damit es als die zusammenhängende Phase der Zusammensetzung wirkt. Lufteinschlüsse in der Zusammensetzung sollten vermieden werden. Der Rest der Zusammensetzung ist im wesentlichen Carbonyleisenpulver. Vorzugsweise beträgt das Gewichtsverhältnis von (Carbonyleisen zu Dispergiermittel ungefähr 90:10 bis ungefähr 99,5:0,5. Das Gewicht des Trägermediums beträgt ungefähr 15% bis ungefähr 50% des zusammengenommenen Gewichts des Carbonyleisens und des Dispergiermittels.
• Speziell gewählte Verhältnisse hängen von der Anwendung für die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung ab. Vorzugsweise sind die Verhältnisse so, daß die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung thixotrope Eigenschaften besitzt und mechanisch stabil in dem Sinne ist, daß die Zusammensetzung über lange Zeitabschnitte homogen bleibt.
• Bei den Zusammensetzungen, die im wesentlichen aus isoliertem, reduziertem Carbonyleisen und einem Trägermedium bestehen, wird das Trägermedium in einer solchen Menge verwendet, daß es die zusammenhängende Phase der Zusammensetzung bildet. Die speziell verwendete Menge hängt von den Eigenschaften des Trägermediums ab, z.B. von der Viskosität. Ein bevorzugtes Gewichtsverhältnis von Trägermedium zu Carbonyleisen liegt im Bereich von ungefähr 15% - 55% Trägermedium zu ungefähr 85% - 45% Carbonyleisen.
Beispiel
• In diesem Beispiel wurden 99 Gew.% Carbonyleisen und 1 Gew.% TRW-Kohlenstoff miteinander vermischt. Dann wurde eine Mischung von 20 Gew.% Conoco-LVT-Öl und 80 Gew.% Carbonyleisen und die TRW-Kohlenstoff-Mischung in einer Homogemsiervorrichtung für 12 bis 24 Stunden unter Vakuum bomogenisiert. Ein intensives Mischen in der Homogenisiervorrichtung bewirkte, daß der TRW-Kohlenstoff und das Carbonyleisen gründlich miteinander vermischt wurden und daß das Carbonyleisen in der faserigen Struktur des TRW-Kohlenstoffs eingeschlossen wurde. Es wurde auch ein gründliches Benetzen aller Oberflächen des TRW-Kohlenstoffs und des Carbonyleisens mit dem LVT-Öl bewirkt. Das speziell verwendete Carbonyleisen war Carbonyl "GS-6", ein Warenzeichen der GAF Corporation.
• Zur Bestimmung der Kupplungskraftmerkmale der Zusammensetzung unter verschiedenen Bedingungen wurde eine Testvorrichtung konstruiert. Die Testvorrichtung ähnelt im Aufbau dem offenbarten Stoßdämpfer der schwebenden Anmeldung mit der Seriennummer 339 126, die am 14. April 1989 eingereicht und dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde. Die Testvorrichtung ist in den Zeichnungen dieser Anmeldung dargestellt.
• Unter Bezugnahme insbesondere auf die Figuren 1 und 2 enthält die Testvorrichtung 12 ein nichtmagnetisches Aluminiumgehäuse 14. Das Gehäuse 14 enthält einen ersten Gehäuseabschnitt 16 und einen zweiten Gehäuseabschnitt 18 (Fig. 2), die aneinander durch Schrauben 20 befestigt sind. Die Gehäuseabschnitte 16, 18 bestimmen eine Fluidkammer 22 (Fig. 2) im bezüglich der Zeichnungen rechten Endabschnitt 24 des Gehäuses. Wie in den Zeichnungen erkennbar, erstreckt sich durch den linken Endabschnitt 28 des Gehäuses 14 eine Welle 26. Die Welle 26 besitzt Wellenendabschnitt 30 und 32 (Fig. 2) und einen Wellenmittelabschnitt 34. Die Welle 26 dreht sich in Lageranordnungen 36 und 38. Dichtungen 40, 42 verhindern einen Fluidverlust entlang der Welle 26.
• Der Mittelabschnitt 34 der Welle 26 besitzt eine rechteckige Gestalt. Am Mittelabschnitt 34 ist ein Rotorblatt 44 so befestigt, daß es sich mit der Welle dreht. Das Rotorblatt 44 besitzt die in Fig. 3 gezeigte Gestalt. Es erstreckt sich radial vom Wellenmittelabschnitt 34 in die Fluidkammer 22.
• Der rechtsseitige Abschnitt 24 des Gehäuses 14 besitzt eine Öffnung 45, in der ein Halter 46 für einen Elektromagneten 54 angeordnet ist, und eine Öffnung 47, in der ein Halter 48 für einen Elektromagneten 56 angeordnet ist. Die Halter 46, 48 besitzen Kammern 50 bzw. 52, in denen die Elektromagnete 54 bzw. 56 angeordnet sind.
• Die Halter 46, 48 sind an den Gehäuseabschnitten 16 bzw. 18 mit Klammern 58 bzw 60 befestigt. Schrauben 62 bzw. 64 halten den Wicklungshalter 46 bzw. 48 an den Klammer 58, 60. Schrauben 66 (Fig. 1) halten die Klammern 58, 60 an den Gehäuseabschnitten 16, 18. Die Elektromagnete 54, 56 können an den Haltern 46, 48 chemisch befestigt oder alternativ mit dem Halter über nicht dargestellte Schrauben verbunden werden. Das nichtmagnetische Material des Gehäuses 12 und der Halter 46, 48 minimiert Magnetflußverluste von den Elektromagneten 54, 56.
• Die Figuren 4, 5 und 6 zeigen Details der Elektromagnete 54, 56. Jeder Elektromagnet 54, 56 enthält einen Weicheisenkern 70, um den eine elektrische Spule 72 gewickelt ist. Die elektrische Spule 72 ist mit einem Vergußmaterial überzogen, z.B. Epoxy. Jeder der Elektromagnete 54, 56 besitzt ein Paar Drahtenden 74. Ein äußerer Weicheisenpol 76 erstreckt sich um die Spule 72.
• Die Elektromagnete 54, 56 sind so angebracht, daß die Pole des Elektromagneten 54 den Polen des Elektromagneten 56 gegenüberliegen. Zwischen den Elektromagneten 54, 56 sind das Rotorblatt 44 und die Fluidkammer 22 angeordnet. Der Abstand zwischen einem Elektromagneten und dem Blatt beträgt ungefähr 0,25 Millimeter. Die Blattdicke beträgt ungefähr zwei Millimeter. Im vorliegenden Beispiel besitzt der Mittelkern 70 jedes Elektromagneten einen Durchmesser vor 38,1 mm (1.5 inch). Der Außendurchmesser jedes Elektromagneten beträgt 76,2 mm (3 Inch). Der äußere Pol 76 besitzt eine radiale Dicke von 4,76 mm (0,1875 Inch). Jede Spule 72 der Elektromagnete besitzt 894 Wicklungen.
• Wenn die Spulen 54, 56 mit Energie versorgt werden, erzeugt jeder Elektromagnet sein eigenes Magnetfeld. Zwischen den beiden Elektromagneten werden magnetische Flußlinien ausgebildet. Die Magnetflußlinien führen durch das Fluid in der Fluidkammer 22 und durch das Rotorblatt 44. Diese Magnetflußlinien wirken auf das fluid in der Fluidkammer 22 so, daß sie den Bewegungswiderstand des Rotorblatts 44 im Fluid verändern.
• Um die Kupplungskraft des magnetischen Fluids der vorliegenden Effindung zu testen, wenn es einem magnetischen Feld ausgesetzt ist, wurde die Welle 26 über einen Arm 78 (Fig. 2) mit einem (nicht dargestellten) Drehmomentmotor verbunden. Der Drehmomentmotor war mit einer Drehmomentmeßvorrichtung verbunden. An die Elektromagnete 54, 56 wurden unterschiedliche Ströme angelegt. Es wurde das zum Drehen des Blattes im magnetischen Fluid in der Kammer 22 unter dem Einfluß des magnetischen Feldes notwendige Drehmoment gemessen. Die Ergebnisse des Tests sind in Fig. 7 dargestellt.
• In Fig. 7 ist der Stromfluß in Ampere mal Wicklungen entlang der X-Achse aufgetragen. Der angelegte Strom verändert sich von 0 bis ungefähr 3,5 Ampere (3129 Ampere mal Wicklungen). Der Drehwiderstand des Blattes 44 ist entlang der Y-Achse in Pa (psi) gegeben, er verändert sich von ungefähr 0 bis ungefähr 344,74 10³ Pa (50 psi). Diese Messung wurde dadurch erhalten, daß die zum Drehen des Blattes notwendige Kraft des Drehmoments durch die dem auf das magnetische Feld ansprechende Fluid in der Kammer 22 ausgesetzte Blattoberfläche geteilt wurde. Es wurden auch Messungen bei verschiedenen Schwingungsfrequenzen durchgeführt die von 0,5 Hertz bis 5 Hertz variierten.
• Wie dargestellt, betrug der Drehwiderstand bei einem Strom von Null ungefähr Null, was die ausgezeichneten Schmiereigenschaften der Zusammensetzung der Erfindung anzeigt. Der Drehwiderstand erhöht sich bei einem Anwachsen des Stromflusses schnell auf ungefähr 262 10³ - 330,95 10³ Pa (38-48 psi) bei 3129 Ampere mal Wicklungen (ungefähr 3,5 Ampere). Die Messungen wurden bei unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt, und alle Messungen ergaben relativ ähnliche Kurven, was bedeutet, daß die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung relativ frequenzunempfindlich ist.
• Ein herkömmliches, auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid würde dagegen Ströme mit einer wesentlich größeren Stärke erfordern, um einen gleichen Kupplungswiderstand zu erzielen. Ein herkömmliches rheologisches, auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid würde einen Kupplungswiderstand von weniger als 6,89476 10³ Pa (1 psi) bei einem Magnetfeld aufweisen, das mit einem Stromfluß von ungefähr 3129 Ampere mal Wicklungen erzeugt wird. Daher erlaubt das rheologische Fluid der vorliegenden Erfindung die Konstruktion von sehr kompakten, ein auf ein magnetisches Feld ansprechendes Fluid verwendende Vorrichtungen mit einer relativ hohen Kupplungskraft.
• Aus der obigen Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ergeben sich dem Fachmann Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen. Diese sich dem Fachmann ergebende Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen werden als von den beigefügten Patentansprüchen abgedeckt betrachtet.

Claims (10)

1. Eine rheologische Fluidzusammensetzung, die auf ein magnetisches Feld anspricht, wobei die Fluidzusammensetzung ein auf Öl basierendes Trägermedium enthält sowie einen festen, magnetisierbaren, aus Partikeln bestehenden Stoff, der in dem Trägermedium suspendiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierbare, aus Partikeln bestehende Stoff ein elektrisch isoliertes, reduziertes Carbonyleisen ist, das in der Zusammensetzung in einer Menge vorliegt, die der Zusammensetzung magnetische Eigenschaften verleiht.

2. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das Carbonyleisen eine Partikelgröße im Bereich von 3 bis 6 um besitzt.

3. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das auf Öl basierende Trägermedium 15 bis 55 Gew.-% des auf Öl basierenden Trägermediumgemischs ausmacht und das Carbonyleisen 85 bis 45 Gew.-% der Mischung aus auf Öl basierendem Trägermedium und Carbonyleisen ausmacht.

4. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der die Isolierung auf dem Carbonyleisen eine Schicht aus Siliziumoxid ist und der Kohlenstoffgehalt des Eisens weniger als 0,1 Gew.-% beträgt.

5. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der die Zusammensetzung ein Dispergiermittel zum durchgehenden Dispergieren des magnetisierbaren, aus Partikeln bestehenden Stoffs im auf Öl basierenden Trägermedium enthält, wobei das auf Öl basierende Trägermedium die zusammenhängende Phase der Zusammensetzung ist, und bei der das Dispergiermittel faserige Kohlenstoffpartikel enthält, deren Fasern ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 1000:1 besitzen, und bei der das auf Öl basierende Trägermedium eine Viskosität im Bereich von ungefähr 1 bis 1000 Zentipoise bei 37,78ºC (100ºF) besitzt.

6. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 5, bei der die Zusammensetzung enthält:

das elektrisch isolierte, reduzierte Carbonyleisen und das Dispergiermittei im Verhältnis von ungefähr 0,5 bis 10 Gewichtsteilen des Dispergiermittels zu und gefähr 90 bis 99,5 Gewichtsteilen des Carbonyleisens; und

das auf Öl basierende Trägermedium mit ungefähr 15 bis 50 Gew.-% des zusammengenommenen Gewichts des Carbonyleisens und des Dispergiermittels.

7. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der das isolierte, reduzierte Carbonyleisen reduziertes, durch ein Siliziumoxid isoliertes Carbonyleisen enthält.

8. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 1, bei der die Fluidzusammensetzung zusätzlich ein Dispergiermittel enthält, wobei das Dispergiermittel faserige Kohlenstoffpartikel enthält, deren Fasern ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser im Bereich von ungefähr 10:1 bis ungefähr 1000:1 und eine Oberfläche von ungefähr 300 m² je Gramm besitzen.

9. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 8, bei der das isolierte, reduzierte Carbonyleisen reduziertes, durch ein Siliziumoxid isoliertes Carbonyleisen enthält.

10. Fluidzusammensetzung nach Anspruch 8, bei der die Fluidzusammensetzung ferner das Carbonyleisen und das Dispergiermittel im Verhältnis von ungefähr 90 bis 99,5 Gewichtsteilen des Carbonyleisens zu ungefähr 10 bis 0,5 Gewichtsteilen des Dispergiermittels enthält und das auf Öl basierende Trägermedium im Anteil von ungefähr 15 bis 50 Gew.-%, basierend auf dem zusammengenommenen Gewicht des Carbonyleisens und des Dispergiermittels.