CN103647369A - 一种变螺旋形状记忆合金旋转电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，该机构采用形状记忆合金螺旋作为驱动元件，形状记忆合金螺旋一端通过紧定螺钉与输出轴连接，另一端通过固定夹具与电机基座连接，输出轴通过轴承固定在电机基座上；该形状记忆合金螺旋高温下定形为中径尺寸较大的螺旋，低温下加工为中径尺寸较小的螺旋后安装于电机中，高温下螺旋与低温下螺旋具有相同的高度，电源接通后，形状记忆合金螺旋由于形状记忆效应回复到高温下中径尺寸较大的螺旋，带动输出轴作旋转运动，输出扭矩和转角，但不会输出轴向位移。所述变螺旋形状记忆合金电机结构简单、控制方便、功率密度大、能量利用效率高，可以用作非连续旋转、输出扭矩和转角一定的动力装置。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆合金电机的技术领域，特别涉及一种形状记忆合金螺旋驱动的旋转电机。
背景技术
很多机构或系统需要非连续旋转、输出转角一定的扭矩动力输出装置，如航天器中太阳能电池板的展开（转角一般在180°以内）、自适应机翼的翼型和攻角控制、旋翼机中桨叶的扭转控制等等。目前这种扭矩动力输出装置多采用涡卷弹簧或传统电机，涡卷弹簧展开过程中存在冲击、不易控制，而传统电机由于需要减速装置、电控等多种因素，导致结构复杂。
形状记忆合金（shape memory alloys，简称SMA）是一种新型智能材料，这种材料具有形状记忆效应和较高的功重比，并且驱动简单、控制方便，已经作为驱动元件得到了广泛的应用。
发明内容
本发明针对非连续旋转、输出一定扭矩和转角等应用条件，提供了一种由形状记忆合金螺旋驱动的旋转电机。
本发明采用的技术方案为：一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，该旋转电机包括：电机基座、电机外罩、轴承、输出轴、形状记忆合金螺旋、螺旋固定夹具、紧定螺钉、连接螺栓、电源等；其中，形状记忆合金螺旋一端通过紧定螺钉与输出轴连接，另一端通过固定夹具与电机基座连接，输出轴通过轴承安装在电机基座上，电机基座与电机外罩组成整个电机的支架和外壳。
其中，所述的形状记忆合金螺旋高温下通过热处理手段定形为中径尺寸为D的螺旋，低温下被加工为中径尺寸为d的螺旋，高温下螺旋与低温下螺旋的中径尺寸满足D＞d，且高温下的螺旋与低温下的螺旋具有相同的高度，螺旋两端分别通过输出轴上的紧定螺钉和螺旋固定夹具固定。
其中，所述的输出轴一侧加工凸台，凸台上加工螺纹，供安装紧定螺钉使用，凸台开有微小细缝，供形状记忆合金螺旋穿过；通过紧定螺钉挤压穿过细缝的形状记忆合金螺旋实现固定；输出轴一端开有键槽，用于扭矩输出。
其中，所述的螺旋固定夹具通过螺钉固定在基座上，固定夹具包括两个L型板，一个作为承力挡板，另一个板上加工螺纹并且安装紧定螺钉，通过紧定螺钉挤压形状记忆合金螺旋实现固定。
其中，所述的电机基座与电机外罩通过螺栓连接，两者之间形成轴承座用于安装轴承，并且在一侧开有导线引出孔；电机基座上加工机械接口，用于电机的安装固定。
其中，所述的形状记忆合金螺旋采用电流分段加热，在形状记忆合金螺旋中平均设置多个加热段，每一段螺旋都布置加热导线和控制开关，电机工作时，通过电路控制单元依次接通每一段螺旋的控制开关，每两段螺旋的控制开关接通的时间间隔为每一段螺旋的作动时间，据此实现顺次加热、顺次作动；此外，也可通过在形状记忆合金螺旋外侧缠绕加热带实现加热。
其中，所述的形状记忆合金与输出轴和固定夹具连接处，均通过粘贴聚酰亚胺胶带实现绝缘隔离。
其中，所述的形状记忆合金螺旋，其输出转角可精确计算，高温下中径尺寸为D、圈数为N、高度为H、低温下中径尺寸为d、形状记忆合金丝直径为r的形状记忆合金螺旋在从低温加热到高温的过程中，输出的转角α为：
本发明的原理在于
本发明采用形状记忆合金螺旋作为驱动机构，该形状记忆合金螺旋高温下定形为中径尺寸较大的螺旋，安装在电机中时被加工为中径尺寸较小的螺旋；形状记忆合金螺旋的一端通过夹具固定在电机基座上，另一端通过紧定螺钉与输出轴连接，输出轴通过轴承固定在电机基座上；电机工作时，对形状记忆合金螺旋通电加热，由于形状记忆效应，螺旋回复到高温下中径较大的尺寸，在此过程中，形状记忆合金螺旋的运动端作旋转运动，带动输出轴转动，同时输出转角和扭矩。
对本发明的应用而言，形状记忆材料的“形状记忆效应”是指：材料在高温下定形为某一形状后，在某一低温下被施加应力变形，卸载后其变形不能完全回复留有残余变形。但是只要对其加热到某个较高温度之上，则残余变形消失，回复到原来高温下的形状，表现为“记忆较高温度下的形状”，且回复过程中产生一定回复应力和位移。
针对非连续旋转、输出一定转角和扭矩等应用条件，本发明与现有的技术相比，具有结构简单、控制方便、作动过程无冲击、输出转角和扭矩数值精确、能量利用效率高、功率密度大等特点，具体表现在以下几个方面：
（1）、本机构采用形状记忆合金螺旋作为驱动元件，且形状记忆合金螺旋运动端直接与输出轴连接，无需传统电机中的减速机构、传动机构等装置，结构更加简单，且避免了传动过程中的能量损耗，极大地提高了能量利用效率。
（2）、本机构采用的形状记忆合金螺旋高温下通过热处理手段定形为中径尺寸为D的螺旋，低温下被加工为中径尺寸为d的螺旋，且高温下的螺旋与低温下的螺旋具有相同的高度，因此形状记忆合金螺旋在作动过程中只会产生旋转运动，不会产生轴向力，避免了轴向摩擦，进一步提高了能量利用效率。
（3）、本机构采用分段加热方式驱动形状记忆合金螺旋，实现形状记忆合金螺旋顺次加热、顺次作动，保证电机工作过程平稳、无冲击。
（4）、本机构利用电流的热效应加热形状记忆合金螺旋，通过控制加热功率即可控制形状记忆合金螺旋的作动速度，进而控制形状记忆合金电机的输出转速，方便可靠。
（5）、本机构采用形状记忆合金螺旋作为驱动元件，作动过程中，形状记忆合金螺旋的输出转角和扭矩可精确计算，因此可以通过性能要求选择合适的结构参数，并且保证一定的性能裕度。
（6）、本机构采用形状记忆合金螺旋作为驱动元件，形状记忆合金材料的功重比大，与其他传统结构相比，本机构具有相对较大的功率密度，在空间尺寸有限的情况下，可以输出相对较大的应力和应变。
附图说明
图1为一种变螺旋形状记忆合金旋转电机结构示意图。
图2为本发明的整体结构外形图。
图3为本发明形状记忆合金螺旋与输出轴连接处细节图。
图4为本发明螺旋固定夹具细节图。
图5为本发明形状记忆合金螺旋高温、低温下形状对比图。
图6为本发明形状记忆合金螺旋分段加热电路原理示意图。
图7为本发明形状记忆合金螺旋缠绕电阻带加热方式示意图。
附图标号说明：1：电机基座；2：电机外罩；3：轴承；4：输出轴；5：形状记忆合金螺旋；6：螺旋固定夹具；7：紧定螺钉；8：连接螺栓；9：电源导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。
本发明具体结构如图1所示。
如图1所示，本发明的形状记忆合金螺旋5一端通过紧定螺钉7与输出轴4连接，另一端通过螺旋固定夹具6与电机基座1连接，输出轴4通过轴承3安装在电机基座1上。
如图2所示，本发明的电机基座1与电机外罩2通过连接螺栓8连接，组成整个电机的支架和外壳。
如图1、图3所示，本发明的形状记忆合金螺旋5一端通过紧定螺钉7连接；输出轴4一侧加工凸台，凸台上加工螺纹，供安装紧定螺钉7使用，凸台开有微小细缝，供形状记忆合金螺旋穿过，通过紧定螺钉挤压穿过细缝的形状记忆合金螺旋实现固定。
如图1、图4所示，本发明的形状记忆合金螺旋5另一端通过螺旋固定夹具6固定；螺旋固定夹具6通过螺钉固定在基座上，固定夹具包括两个L型板，一个作为承力挡板，另一个板上加工螺纹并且安装紧定螺钉，通过紧定螺钉挤压形状记忆合金螺旋实现固定。
如图1、图5所示，本发明的形状记忆合金螺旋5高温、低温下的螺旋中径不同，高温下通过热处理手段定形为中径尺寸为D的螺旋，如图5（b）所示，低温下被加工为中径尺寸为d的螺旋，如图5（a）所示，高温下螺旋与低温下螺旋的中径尺寸满足D＞d，且高温下的螺旋与低温下的螺旋具有相同的高度。
如图6所示，本发明的形状记忆合金螺旋5采用电流分段加热，在形状记忆合金螺旋中平均设置多个加热段，每一段螺旋都布置加热导线和控制开关；电机工作时，通过电路控制单元依次接通每一段螺旋的控制开关，每两段螺旋的控制开关接通的时间间隔为每一段螺旋的作动时间，据此实现顺次加热、顺次作动；具体工作工程为：电机开始工作时，首先接通开关K1和K2，对第一段螺旋加热，第一段螺旋作动完成后，断开开关K1，闭合开关K3，对第二段螺旋加热，第二段螺旋作动完成后，断开开关K2，闭合开关K4，对第三段螺旋加热，以此类推，直至完成整个形状记忆合金螺旋的加热。
如图7所示，本发明的形状记忆合金螺旋5也可以通过缠绕电阻加热带的方法进行加热，同样得，通过对电阻加热带分段加热，实现形状记忆合金螺旋5的分段加热。
本发明的工作过程如下：
如图1所示的是机构安装初始状态，此时形状记忆合金螺旋5一端通过紧定螺钉7与输出轴4连接，另一端通过螺旋固定夹具6与电机基座1连接，输出轴4通过轴承3安装在电机基座1上。形状记忆合金螺旋5高温下通过热处理手段定形为中径尺寸较大的螺旋，安装状态下被加工为中径尺寸较小的螺旋。形状记忆合金螺旋5两端与导线9焊接，电机工作时，接通电源，利用电流对形状记忆合金螺旋5加热，由于形状记忆效应，螺旋回复到高温下中径较大的尺寸，在此过程中，形状记忆合金螺旋5的运动端作旋转运动，带动输出轴4转动，同时输出转角和扭矩。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，该旋转电机包括：电机基座（1），电机外罩（2），轴承（3），输出轴（4），形状记忆合金螺旋（5），螺旋固定夹具（6），紧定螺钉（7），连接螺栓（8）和电源导线（9）；其中，形状记忆合金螺旋（5）一端通过固定夹具（6）与电机基座（1）连接，另一端通过紧定螺钉（7）与输出轴（4）连接，输出轴（4）通过轴承（3）固定在电机基座（1）上，电机基座（1）和电机外罩（2）通过连接螺栓（8）连接，机构作动时，加热形状记忆合金螺旋（5），带动输出轴（4）输出扭矩和转角。
2.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的形状记忆合金螺旋（5）高温下通过热处理手段定形为中径尺寸为D的螺旋，低温下被加工为中径尺寸为d的螺旋后安装于电机中，高温下螺旋与低温下螺旋的中径尺寸满足D＞d，且高温下螺旋与低温下螺旋具有相同的高度。
3.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的形状记忆合金螺旋（5）采用电流分段加热，在形状记忆合金螺旋中平均设置多个加热段，每一段螺旋都布置加热导线和控制开关，电机工作时，通过电路控制单元依次接通每一段螺旋的控制开关，每两段螺旋的控制开关接通的时间间隔为每一段螺旋的作动时间，据此实现顺次加热、顺次作动；此外，也可通过在形状记忆合金螺旋外侧缠绕加热带实现加热。
4.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的电源（9）接通后，形状记忆合金螺旋（5）被加热，由于形状记忆效应，回复到高温下中径尺寸较大的螺旋，在此过程中形状记忆合金螺旋（5）的运动端带动输出轴（4）做旋转运动，但不输出轴向位移。
5.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的输出轴（4）一侧加工凸台，凸台上加工螺纹，供安装紧定螺钉使用，凸台开有微小细缝，供形状记忆合金螺旋穿过；通过紧定螺钉挤压穿过细缝的形状记忆合金螺旋实现固定，提高形状记忆合金螺旋与输出轴连接的可靠性。
6.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的螺旋固定夹具（6）通过螺钉固定在基座上，固定夹具（6）包括两个L型板，一个作为承力挡板，另一个板上加工螺纹并且安装紧定螺钉，通过紧定螺钉挤压形状记忆合金螺旋实现固定。
7.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的形状记忆合金螺旋（5）与输出轴（4）、固定夹具（6）的连接部位均采用绝缘措施隔离。
8.根据权利要求1所述的一种变螺旋形状记忆合金旋转电机，其特征在于，所述的形状记忆合金螺旋（5）输出转角可精确计算，高温下中径尺寸为D、圈数为N、高度为H、低温下中径尺寸为d、形状记忆合金丝直径为r的形状记忆合金螺旋在从低温加热到高温的过程中，输出的转角α为：
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