CN104362900B - 基于形状记忆合金的蠕动型直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，包括输出轴，由动子、形状记忆合金弹簧、复位弹簧、定子和离合器组成的位移输出装置，直线滑轨，壳体和端盖。电机采用多个由动子、关于动子中心轴对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧、复位弹簧、定子和离合器组成的位移输出装置，利用多个位移输出装置依次循环动作驱动输出轴输出直线位移的方法，实现直线电机的蠕动输出。相比于传统的形状记忆合金直线电机，本发明具有输出位移大、响应速度快、输出稳定，运行平稳和能实现最大行程内两个方向任意直线运动的优点，推动了形状记忆合金直线电机在精密机械驱动领域更加广泛的应用。

Description

基于形状记忆合金的蠕动型直线电机

技术领域

本发明涉及一种精密机械驱动领域的直线电机，具体的说是一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机。

背景技术

形状记忆合金是一种在低于其相变温度时形状被改变后，一旦温度升高超过其相变温度，可以恢复到形状改变之前原始状态的一种合金材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应制作的直线电机在航空航天、机器人、光学、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的关于利用形状记忆合金驱动的直线电机的文献，中国专利“直线电机”（专利申请号：201410067586.3）中公开了一种利用多根形状记忆合金丝作为驱动源驱动滑腔中的滑块，利用复位弹簧进行复位，反复加热形状记忆合金丝来驱动电机输出往复直线运动的技术方案。

现有技术存在如下不足：形状记忆合金丝的变形量很小，因此直线电机的直线输出位移很小；利用同一位移输出装置反复加热单一的一组形状记忆合金丝驱动输出需要等到复位弹簧将形状记忆合金复位之后才能进行下一次的动作，导致直线电机的响应速度较慢，若形状记忆合金丝没有完全恢复到加热前的形状就再次加热则将导致输出直线位移不稳定。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，该直线电机具有输出位移大输出位移大、响应速度快、输出稳定，运行平稳和能实现最大行程内两个方向任意直线运动的优点。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，包括输出轴，由动子、形状记忆合金弹簧、复位弹簧、定子和离合器组成的位移输出装置，直线滑轨，壳体和端盖。位移输出装置中动子和定子为平行和同轴的关系，动子和定子之间通过复位弹簧连接，复位弹簧轴线垂直于动子和定子的端面，复位弹簧和定子及动子同轴。动子和离合器为同轴固定连接，形状记忆合金弹簧一端同动子固定连接、另一端同定子固定连接，形状记忆合金弹簧可在加热时产生长度方向的收缩，多个形状记忆合金弹簧关于动子中心轴对称均匀分布，形状记忆合金弹簧长度方向的直线和动子的中心轴线共面。位移输出装置的定子和壳体之间为固定连接，位移输出装置的动子和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下位移输出装置和输出轴为过盈配合，动子可通过离合器向输出轴传递直线位移，离合器在松开状态下输出轴和位移输出装置之间为间隙配合，输出轴不受位移输出装置的作用。直线导轨和壳体为固定连接，输出轴和直线导轨之间为移动副连接，直线导轨上安装有常闭型锁紧装置，锁紧时输出轴和直线导轨不能相对移动。端盖和壳体之间为可拆卸固定连接，以方便直线电机的装配和封装。

所述动子为中心对称的圆盘状，同时为减小直线电机输出位移时动子本身的运动惯量，增大其负载能力，动子结构可进行减重处理，将其设计为蜂窝状或轮辐状。

所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动动子运动。

所述多个位移输出装置的数量为偶数，一半数量的位移输出装置采取和另一半位移输出装置输出的位移方向相反的方式安装，以保证直线电机可以实现两个方向最大行程内的任意直线运动。

所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将直线电机内部的位移输出装置封装起来，增强其可靠性。

所述基于形状记忆合金的蠕动型直线电机中输出轴、动子、定子、直线滑轨、壳体和端盖的材料均为高强度、大刚度的金属材料，复位弹簧材料为高强度耐疲劳弹簧钢。

本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机的工作原理为：首先给直线导轨的锁紧装置通入电流使锁紧装置解锁，同时在第一个位移输出装置关于动子中心轴对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧上施加驱动电流并且离合器抱紧输出轴时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动动子带动输出轴进行直线运动，当第一个位移输出装置中形状记忆合金弹簧的收缩形变达到最大时，断开第一个位移输出装置加热电流并且松开离合器的同时在第二个位移输出装置关于动子中心轴对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧中施加驱动电流并且离合器抱紧输出轴，使第二个位移输出装置继续以相同或相反方向的位移输出继续驱动输出轴输出位移，第一个位移输出装置断电后的形状记忆合金弹簧则在复位弹簧的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个位移输出装置完成一个蠕动位移输出后同样由后面的多个位移输出装置进行方向相同或相反的蠕动驱动，最后一个位移输出装置完成蠕动位移输出后可继续从第一个位移输出装置循环，以此来实现直线电机在最大行程内的两个方向任意直线运动。

本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机相比传统的形状记忆合金电机来讲其优势在于：采用了多个由动子、关于动子中心轴对称分布的形状记忆合金弹簧、复位弹簧、定子和离合器组成的位移输出装置，利用了离合器和形状记忆合金弹簧配合依次循环输出位移的方法，多个形状记忆合金弹簧同时作用使得驱动器的结构紧凑，功重比大，大大提高了电机的输出力；形状记忆合金弹簧的对称分布结构抵消了动子所受附加力矩的影响，使得驱动器的运行更平稳，减小磨损和运行噪音；通过依次循环控制多个位移输出装置中驱动电流和离合器的动作可以实现直线电机的蠕动输出，输出位移更大，且能实现最大行程内两个方向任意位置的直线运动。

附图说明

图1为本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机的内部结构示意图。

图2 为本发明位移输出装置的结构示意图。

图3 为本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机封装后的结构示意图。

图4为本发明多个位移输出装置安装时直线电机内部结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图1、附图2、附图3和一个具体实施例对本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机进行进一步的说明。以下所述实施例仅是为了更好的说明本发明的发明内容，本发明包含但不限于本实施例中所描述内容。

如图1、图2和图3所示分别为本发明基于形状记忆合金的蠕动型直线电机的内部结构示意图、位移输出装置的结构示意图和封装后的结构示意图，基于形状记忆合金的蠕动型直线电机由输出轴1，由动子201、形状记忆合金弹簧202、复位弹簧205、定子203和离合器204组成的位移输出装置2a、2b，直线滑轨3，壳体4和端盖5组成。位移输出装置2a、2b中动子201和定子203为平行和同轴关系，动子201和定子203之间通过复位弹簧205连接，复位弹簧205轴线垂直于动子201和定子203的端面，复位弹簧205和定子203及动子201同轴。动子201和离合器204为同轴固定连接，形状记忆合金弹簧202一端同动子201固定连接、另一端同定子203固定连接，形状记忆合金弹簧202可在加热时产生长度方向的收缩，多个形状记忆合金弹簧202关于动子中心轴对称均匀分布，形状记忆合金弹簧202长度方向的直线和动子201的中心轴线共面。位移输出装置2a、2b的定子201和壳体4之间为固定连接，位移输出装置2a、2b的动子201和输出轴1为同轴关系，离合器204在抱紧状态下位移输出装置2a、2b和输出轴1为过盈配合，动子201可通过离合器204向输出轴1传递直线位移，离合器204在松开状态下输出轴1和位移输出装置2a、2b之间为间隙配合，输出轴1不受位移输出装置2a、2b的作用。直线导轨3和壳体4为固定连接，输出轴1和直线导轨3之间为移动副连接，直线导轨3上安装有常闭型锁紧装置，锁紧时输出轴1和直线导轨3不能相对移动。端盖5和壳体4之间为可拆卸固定连接，以方便直线电机的装配和封装。

本实施例中动子201为中心对称的圆盘状，同时为减小直线电机输出位移时动子201本身的运动惯量，增大其负载能力，动子201结构进行了减重处理，优选设计为轮辐状。形状记忆合金弹簧202为大伸缩率的形状记忆合金绕制而成的弹簧，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动动子201运动。位移输出装置共有两个2a和2b，两个位移输出装置2a、2b以输出位移方向相反的方式安装，以保证直线电机可以实现两个方向最大行程内的任意直线运动。壳体4上端开口的空心圆柱体形状，端盖5和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将直线电机内部的位移输出装置2a、2b封装起来，增强其可靠性。输出轴、动子、定子、直线滑轨、壳体和端盖的材料均为高强度、大刚度的结构钢，复位弹簧材料为高强度耐疲劳弹簧钢，离合器为电磁离合器。

当给直线导轨3的锁紧装置通入电流使锁紧装置解锁，同时在第一个位移输出装置2a关于动子中心轴对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202上施加驱动电流并且离合器204抱紧输出轴1时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动动子201带动输出轴1进行直线运动，当第一个位移输出装置2a中形状记忆合金弹簧202的收缩形变达到最大时，断开第一个位移输出装置2a加热电流并且松开离合器204的同时在第二个位移输出装置2b关于动子中心轴对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202中施加驱动电流并且离合器204抱紧输出轴1，使第二个位移输出装置2b以相反方向的位移输出继续驱动输出轴1输出位移，第一个位移输出装置2a断电后形状记忆合金弹簧202则在复位弹簧205的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个位移输出装置2b完成一个蠕动位移输出后可继续从第一个位移输出装置2a循环，以此来实现直线电机的往复直线运动。

同时，为增大直线电机的最大行程，可以如图4所示将多个位移输出装置以一半数量的位移输出装置输出位移方向和另一半相反的安装方式安装，依次可以增大直线电机最大行程的同时，可以通过选择控制位移输出装置的输出位移方向在最大行程范围内实现任意直线运动。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，本发明中未明确的部分属于本领域的公知技术。

Claims (4)

1.一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，其特征在于：包括输出轴，由动子、形状记忆合金弹簧、复位弹簧、定子和离合器组成的位移输出装置，直线滑轨，壳体和端盖；位移输出装置中动子和定子为平行和同轴的关系，动子和定子之间通过复位弹簧连接，复位弹簧轴线垂直于动子和定子的端面，复位弹簧和定子及动子同轴；动子和离合器为同轴固定连接，形状记忆合金弹簧一端同动子固定连接、另一端同定子固定连接，形状记忆合金弹簧可在加热时产生长度方向的收缩，多个形状记忆合金弹簧关于动子中心轴对称均匀分布，形状记忆合金弹簧长度方向的直线和动子的中心轴线共面；位移输出装置的定子和壳体之间为固定连接，位移输出装置的动子和输出轴为同轴关系，离合器在抱紧状态下位移输出装置和输出轴为过盈配合，动子可通过离合器向输出轴传递直线位移，离合器在松开状态下输出轴和位移输出装置之间为间隙配合，输出轴不受位移输出装置的作用；直线导轨和壳体为固定连接，输出轴和直线导轨之间为移动副连接，直线导轨上安装有常闭型锁紧装置，锁紧时输出轴和直线导轨不能相对移动；端盖和壳体之间为可拆卸固定连接，以方便直线电机的装配和封装。

2.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，其特征在于：所述动子为中心对称的圆盘状，同时为减小直线电机输出位移时动子本身的运动惯量，增大其负载能力，动子结构可进行减重处理，将其设计为蜂窝状或轮辐状。

3.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，其特征在于：所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行了低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动动子运动。

4.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的蠕动型直线电机，其特征在于：所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将直线电机内部的位移输出装置封装起来，增强其可靠性。