CN104747238B

CN104747238B - 一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达

Info

Publication number: CN104747238B
Application number: CN201510121827.2A
Authority: CN
Inventors: 谢晋; 吴可可; 冯彦科; 万学飞; 鲁艳军
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-03-19
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-03-19
Also published as: CN104747238A

Abstract

本发明公开了一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，包括封闭筒、转动地设置于封闭筒内的主轴、固定在封闭筒两端的端盖，所述端盖的中心孔通过轴承与主轴两端相配合，所述主轴的中部对称地设置有两个与封闭筒内壁具有空气间隙的圆柱形驱动部，两个圆柱形驱动部的圆柱表面对称设置有螺旋方向相反的角度分布螺旋状空间曲线微槽结构，两个端盖上均设置有用于将空气引入由封闭筒、主轴和端盖形成的密封腔体内的进气孔，所述主轴一端的轴心处沿轴向设置有延伸至两个圆柱形驱动部之间的出气孔，该出气孔与密封腔体相连通。本发明可以将气体转换为机械动力，带动主轴旋转，形成一种无级变速的空气动力马达。

Description

一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达

技术领域

本发明涉及空气动力学领域，尤其涉及一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达。

背景技术

目前，动力马达所采用的动力源均为直流电或交流电，消耗电能，虽然风力发电、水力发电已广泛应用，但发电装置受环境等因素的影响，传统的动力马达已无法满足特殊环境和特殊使用情况的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的电驱动的动力马达的使用限制及电能损耗，采用表面附有空间曲线微槽的主轴，将带有一定压力的气体转换为机械动力输出，带动主轴的旋转，并通过设置进气孔和出气孔的位置，保证气体的循环流动，进而保证马达的稳定运转，马达的转动速度和转动扭矩通过气体压力和进气孔、出气孔的孔径以及主轴与封闭筒之间的空气间隙进行控制，是一种绿色节能的动力马达。

本发明可以通过如下技术方案实现：

一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，包括封闭筒、转动地设置于封闭筒内的主轴、固定在封闭筒两端的端盖，所述端盖的中心孔通过轴承与主轴两端相配合，所述主轴的中部对称地设置有两个与封闭筒内壁具有空气间隙的圆柱形驱动部，两个圆柱形驱动部的圆柱表面对称设置有螺旋方向相反的角度分布螺旋状空间曲线微槽结构，两个端盖上均设置有用于将空气引入由封闭筒、主轴和端盖形成的密封腔体内的进气孔，所述主轴一端的轴心处沿轴向设置有延伸至两个圆柱形驱动部之间的出气孔，该出气孔与密封腔体相连通。

进一步地，所述空间曲线微槽结构的横截面形状为V型槽、U型槽或者矩形槽。

进一步地，每个所述圆柱形驱动部的空间曲线微槽结构的个数为1-36个，深度为0.1～100毫米，螺距为1～100毫米。

进一步地，所述封闭筒内壁与主轴的圆柱形驱动部之间的空气间隙为0.1～10毫米。

进一步地，所述主轴材料为亚克力、钢、钛合金或铝合金。

进一步地，所述进气孔、出气孔的直径2～20毫米。

进一步地，所述封闭筒为亚克力、钢、钛合金、铝合金等金属材料。

进一步地，所述主轴与端盖的中心孔之间还设置有密封圈。

进一步地，所述主轴的长度为100～1000毫米，主轴的圆柱形驱动部直径30～500毫米。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明采用表面具有空间曲线微槽结构的主轴，将带有一定压力的气体转换为机械动力输出，获得稳定输出的马达，可减小电能损耗；

2.本发明所用的空间曲线微槽对称分布于主轴表面上，并产生相同方向的扭矩，使得主轴运转更加稳定；

3.本发明的马达转速和扭矩可通过气体压力，进气孔、出气孔直径和空气间隙控制，实现空气马达的无极变速。

附图说明

图1为本发明实施例的主轴及端盖装配示意图。

图2为本发明实施例的整体装配示意图。

图3为本发明实施例的空气动力马达工作原理示意图。

图4为本发明实施例的空气动力马达加工示意图。

图中所示为：1-进气孔；2-密封腔体；3-空气间隙；4-空间曲线微槽结构；5-主轴；6-出气孔；7-端盖；8-轴承；9-封闭筒；10-金刚石砂轮；11-三爪卡盘。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表示的范围。

如图1和图2所示，一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，包括封闭筒9、转动地设置于封闭筒9内的主轴5、固定在封闭筒9两端的端盖7，所述端盖7的中心孔通过轴承8与主轴5两端相配合，所述主轴5的中部对称地设置有两个与封闭筒9内壁具有空气间隙3的圆柱形驱动部，两个圆柱形驱动部的圆柱表面对称设置有螺旋方向相反的角度分布螺旋状空间曲线微槽结构4，两个端盖7上均设置有用于将空气引入由封闭筒9、主轴5和端盖7形成的密封腔体2内的进气孔1，进气孔气体压力0.2兆帕～10兆帕，所述主轴5一端的轴心处沿轴向设置有延伸至两个圆柱形驱动部之间的出气孔6，该出气孔6与密封腔体2相连通。

所述空间曲线微槽结构4的横截面形状为V型槽、U型槽或者矩形槽。

每个所述圆柱形驱动部的空间曲线微槽结构4的个数为1-36个，深度为0.1～100毫米，螺距为1～100毫米。

所述封闭筒9内壁与主轴5的圆柱形驱动部之间的空气间隙3为0.1～10毫米。

所述主轴5材料为亚克力、钢、钛合金、铝合金。

所述进气孔1、出气孔6的直径2～20毫米。

所述封闭筒9为亚克力、钢、钛合金、铝合金等金属材料，本实施例选用光滑亚克力。

所述主轴5与端盖7的中心孔之间还设置有密封圈。

所述主轴5的长度为100～1000毫米，主轴5的圆柱形驱动部直径30～500毫米。

如图3所示，气体通过进气孔1进入到密封腔体2中，同时经过主轴与封闭筒之间的空气间隙3进入到空间曲线微槽4中，并在空间曲线微槽4中形成稳定的流体，气体在空间曲线微槽4中受力F可分解为轴向力F ₂和径向力F ₁，径向力F ₁产生顺时针方向的扭矩，带动主轴5旋转，最终气体经出气孔6流出，并不断循环。由于两端空间曲线微槽4的方向相反，当气体沿着相反的方向由进气孔1进入两个螺旋方向相反的曲线微槽4内时，会产生两个方向相同的扭矩M，在这两个方向相同扭矩的作用下，保证主轴5稳定的旋转。当气体经过空间曲线微槽并由出气孔6流出时，整个装置形成一个循环系统，保证主轴5持续的旋转。

针对主轴5的加工方法，如图4所示，空间曲线微槽4可以在CNC精密磨床上，利用修型的金刚石砂轮精密磨削得到，所述修型的金刚石砂轮10由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料的粒度为300～3000目，所述金刚石砂轮10的尖端为V型，V型夹角为30～150度。在磨削过程中，空气动力主轴5由三爪卡盘11夹紧并固定在工作台上，V型尖端金刚石砂轮10转速为100～5000转/分钟，三爪卡盘11转速为50～500转/分钟。首先，V型尖端金刚石砂轮10沿着径向进给方向V ₁给定进给深度，所述进给深度以主轴5圆柱顶面为基准；然后,V型尖端金刚石砂轮10沿着轴向进给方向V ₂匀速直线运动；最后，将三爪卡盘11旋转一定角度，并利用相同的方法得到余下的空间曲线微槽。空间曲线微槽4的螺距由V型尖端金刚石砂轮10的轴向进给速度V ₂和三爪卡盘12的转速N ₂控制；空间曲线微槽4的深度由V型金刚石砂轮10的径向进给方向V ₁控制；空间曲线微槽4的间距由三爪卡盘11的旋转角度控制；空间曲线微槽4的形状由所述金刚石砂轮10的V型尖端控制。另外，可通过控制空间曲线微槽的形状、分布，以及调节气体压力，进气孔1、出气孔6的直径以及空气间隙3的大小，精确控制主轴5的转速和扭矩，使得转速为10～300转/分钟，扭矩0.1～50牛米。

下面针对三种具体尺寸的主轴的加工方法进行详细说明：

实施例 1

本实施例中，采用CNC精密磨床(SMRART B818)加工亚克力棒，将圆柱形亚克力棒固定在米其林三爪研磨器（MCL-550）上并随之旋转，亚克力棒长度为100毫米，主轴直径为30毫米；V型尖端金刚石砂轮10固定在砂轮轴上，由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料的粒度为300目，砂轮转速为100转/分钟，V型夹角为60度。首先，三爪研磨器以50转/分钟匀速转动，V型尖端金刚石砂轮沿径向方向进给深度为0.1毫米；然后，V型尖端金刚石砂轮沿轴向方向以进给速度50毫米/分钟匀速直线运动，得到微槽个数为1，微槽深度为0.1毫米，微槽螺距为1毫米，微槽角度为60度的空间曲线微槽；最后，将空气主轴反向装夹在三爪研磨器上，以同样的方法得到螺旋方向相反的空间曲线微槽。

将加工得到的V型槽主轴与直径为20毫米的调心滚子轴承、轴承端盖，外径为30毫米的封闭筒进行装配，进气孔、出气孔的直径为2毫米，空气间隙为0.1毫米。经过测试，当两端进气孔压力均为0.2兆帕时，激光测速仪得到的主轴转速为10转/分钟，扭力测试仪得到的输出扭矩为5牛米。

实施例 2

本实施例中，采用CNC精密磨床(SMRART B818)加工亚克力棒，将圆柱形亚克力棒固定在米其林三爪研磨器（MCL-550）上并随之旋转，亚克力棒长度为100毫米，主轴直径为30毫米；V型尖端金刚石砂轮10固定在砂轮轴上，由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料的粒度为3000目，V型夹角为60度。首先，三爪研磨器以50转/分钟匀速转动，V型尖端金刚石砂轮沿径向方向进给深度为1毫米；然后，V型尖端金刚石砂轮沿轴向方向以进给速度500毫米/分钟匀速直线运动，得到1条微槽深度为1毫米，微槽螺距为10毫米，微槽角度为60度的空间曲线微槽；之后，当三爪研磨器每转动120度时，以相同的方法得到1条空间曲线微槽；最后，将空气主轴反向装夹在三爪研磨器上，以同样的方法得到螺旋方向相反的空间曲线微槽；最终得到的空间曲线V型槽的深度为1毫米，V型槽夹角为60度，V型槽间距为10毫米，每段空间曲线微的个数为3个。

将加工得到的V型槽主轴与直径为20毫米的调心滚子轴承、轴承端盖，外径为30毫米的封闭筒进行装配，进气孔、出气孔的直径为2毫米，空气间隙为0.1毫米。经过测试，当两端进气孔压力均为0.5兆帕时，激光测速仪得到的主轴转速为80转/分钟，扭力测试仪得到的输出扭矩为60牛米。

实施例 3

本实施例中，采用CNC精密磨床(SMRART B818)加工铝合金棒，将圆柱形铝合金棒固定在米其林三爪研磨器（MCL-550）上并随之旋转，亚克力棒长度为300毫米，主轴直径为60毫米；V型尖端金刚石砂轮10固定在砂轮轴上，由金刚石磨料和树脂结合剂组成，金刚石磨料的粒度为600目，V型夹角为60度。首先，三爪研磨器以50转/分钟匀速转动，V型尖端金刚石砂轮沿径向方向进给深度为5毫米；然后，V型尖端金刚石砂轮沿轴向方向以进给速度1000毫米/分钟匀速直线运动，得到1条微槽深度为5毫米，微槽螺距为20毫米，微槽角度为60度的空间曲线微槽；之后，当三转研磨器每转动60度时，以相同的方法得到1条空间曲线微槽；最后，将空气主轴反向装夹在三爪研磨器上，以同样的方法得到螺旋方向相反的空间曲线微槽；最终得到的空间曲线V型槽的深度为5毫米，V型槽夹角为60度，V型槽间距为20毫米，每段空间曲线微槽的个数为6个。

将加工得到的V型槽主轴与直径为40毫米的调心滚子轴承、轴承端盖，外径为60毫米的封闭筒进行装配，进气孔、出气孔的直径为5毫米，空气间隙为0.1毫米。经过测试，当两端进气孔压力均为10兆帕时，激光测试仪得到的主轴转速为300转/分钟，扭力测试仪得到的输出扭矩为100牛米。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：包括封闭筒（9）、转动地设置于封闭筒（9）内的主轴（5）、固定在封闭筒（9）两端的端盖（7），所述端盖（7）的中心孔通过轴承（8）与主轴（5）两端相配合，所述主轴（5）的中部对称地设置有两个与封闭筒（9）内壁具有空气间隙（3）的圆柱形驱动部，两个圆柱形驱动部的圆柱表面对称设置有螺旋方向相反的角度分布螺旋状空间曲线微槽结构（4），两个端盖（7）上均设置有用于将空气引入由封闭筒（9）、主轴（5）和端盖（7）形成的密封腔体（2）内的进气孔（1），所述主轴（5）一端的轴心处沿轴向设置有延伸至两个圆柱形驱动部之间的出气孔（6），该出气孔（6）与密封腔体（2）相连通。

2.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述空间曲线微槽结构（4）的横截面形状为V型槽、U型槽或者矩形槽。

3.根据权利要求2所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：每个所述圆柱形驱动部的空间曲线微槽结构（4）的个数为1-36个，深度为0.1～100毫米，螺距为1～100毫米。

4.根据权利要求3所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述封闭筒（9）内壁与主轴（5）的圆柱形驱动部之间的空气间隙(3)为0.1～10毫米。

5.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述主轴（5）材料为亚克力、钢、钛合金、铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述进气孔（1）、出气孔（6）的直径2～20毫米。

7.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述封闭筒（9）为亚克力、钢、钛合金或铝合金。

8.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述主轴（5）与端盖（7）的中心孔之间还设置有密封圈。

9.根据权利要求1所述的一种空间曲线微槽结构导流的空气动力马达，其特征在于：所述主轴（5）的长度为100～1000毫米，主轴（5）的圆柱形驱动部直径30～500毫米。