CN107304753A - 使用形状记忆合金制成的旋转促动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用形状记忆合金制成的旋转促动器，涉及一种适合于驱动一个机械装置的旋转促动器。该促动器包括芯轴和至少一根形状记忆合金线。该合金线缠绕成螺旋状，以形成有两个端点的螺旋状的绕组，并且螺旋状的绕组和芯轴相连接。该合金线在做成绕组之前，因为拉伸而承受形变。该螺旋状的绕组的一个端点固定到一个固定点，该螺旋状绕组的另一端被固定到一个需要驱动的机械装置。所述芯轴能够保持绕组的直径和所述导线的缠绕匝间距，并且所述芯轴包括，在所述线移动时，相对所述线产生较小摩擦的装置。该促动器还包括加热装置，能使所述形状记忆合金线从马氏体状态转化到奥氏体状态。

Description

使用形状记忆合金制成的旋转促动器

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是机械在航空和航天领域的应用。尤其是，本发明涉及一种使用形状记忆合金的旋转促动器。

背景技术

使用形状记忆合金制成的旋转促动器有很重要的应用前景，譬如，在很小的可用空间中，且局限于电能作为能量来源，却需要产生很大的力。

专利US5396769A描述一种形状记忆合金旋转促动器。它使用两根分开的线，每根线分别绕在卷轴上，其中一根线在预拉伸状态，另一根线处于绷紧的状态。促动器通过对每个卷轴进行不同的加热来工作，加热旨在改变形状记忆合金线的状态。

然而，这种解决方案有一些缺点，即在使用时，因为卷轴和合金线之间的相对运动，会出现较大的摩擦力。这将导致显著的效率损失。除此之外，这个摩擦是可积累的，因此存在一个最大的缠绕匝数，超过这个最大匝数的额外匝数对于促动器的工作不再有贡献。

本发明旨在提供一种摩擦系数显著减小的旋转促动器。

发明内容

本发明涉及一种促动器，该促动器包括至少一根由形状记忆合金做成的线。该合金线形成在奥氏体状态的螺旋状绕组或弹簧，并且通过本领域技术人员所有已知的技术转化到马氏体状态时，被拉伸应力拉长；因为拉长过程中的形变而赢得缠绕匝数；马氏体状态的弹簧呈螺旋状被绕在圆柱状的芯轴上，芯轴直径根据弹簧的直径调整，以至于芯轴可以保持绕组的直径和缠绕匝间距。在一实施例中，该螺旋绕组的一端被固定到芯轴或者框架的一个固定点，该螺旋线的另一端被固定到一需要驱动的机械装置；另外提供加热装置使形状记忆合金从马氏体状态向奥氏体状态转变。当促动器被加热时，因为被缠绕于芯轴上的形状记忆合金绕组保持缠绕半径，并保持缠绕匝间距，所以绕组除了沿缠绕匝方向收缩没有其他的选择。从而，固定到需要驱动的机械装置的一端，通过收缩，驱动机械装置旋转。

由此，本发明的旋转促动器适合于驱动一个机械装置，包括芯轴和至少一根形状记忆合金线，其特征在于：

·该线缠绕成螺旋状，以形成有两个端点的螺旋状的绕组，并且螺旋状的绕组和芯轴相连接，

·该线在做成绕组之前，因为拉伸而承受形变，

·螺旋状的绕组的一个端点固定到一个固定点，该螺旋状绕组的另一端被固定到一个需要驱动的机械装置，

·所述芯轴能够保持绕组的直径和所述导线的缠绕匝间距，并且所述芯轴包括，在所述线移动时，相对所述线产生较小摩擦的装置，

·促动器还包括加热装置，能使所述形状记忆合金线从马氏体状态转化到奥氏体状态。

在一实施例中，形状记忆合金选自基于钛镍的合金，比如钛镍(TiNi),钛镍铜(TiNiCu)，钛镍铁(TiNiFe)，钛镍钯(TiNiPd),钛镍锆(TiNiZr)，钛镍铌(TiNiNb),钛镍铪(TiNiHf)，或者基于含铜合金，比如铜锌铝(CuZnAL)，铜铝铍(CuAlBe)，铜铝锰(CuAlMn)，铜铝镍(CuAlNi)，呈单晶或多晶结构。

在一实施例中，促动器包括至少两根线。在另一实施例中，促动器包括3、4、5根线。在另一实施例中，在芯轴的外部有连接各段线的端部的连接焊盘。

在第一实施例中，芯轴是一个圆柱形的整件，在其外围，可以设置壳体或凹槽。

在第二实施例中，芯轴由多个彼此独立的，并且安装在同一旋转轴线上的同轴盘构成。在一个实施例中，这些盘有相同的直径和相同的厚度。盘的厚度可以，根据在更简单的构造和更好的性能这两者之间所需的优化，在几倍于缠绕匝间距和几分之一个缠绕匝间距之间变化。芯轴包括越多的盘，线就能更自由的收缩。在一实施例中，芯轴包括5到100，优选地8到50个盘。

芯轴和/或者组成芯轴的盘最好是由电绝缘材料制成。

在第三实施例中，芯轴包括(或者其组成部分是)圆柱体或圆柱形笼子。在笼子的周壁上均匀分布的排列着轴向取向的一系列针。每根针是一个小圆筒，各自装在一个圆柱形的笼子上的壳体中。每根针都能在壳体中绕其轴线自由地转动。螺旋状绕组安装在笼子周围，与针的全部或者一部分接触，针被笼子保持在固定位置。在一个实施例中，圆柱形笼子的端口被用于在支撑上安装芯轴的盘子封闭。考虑到支撑只在特定的位置，并且针可以自由的旋转，摩擦力的耦合实际上完全被消除了。

为了触发促动器，需要对形状记忆合金加热。在第一实施例中，加热功能被集成，以便在最大程度上限制在旋转促动器的其他部件上的热量损失。

在另一实施例中，以通过电流的方法对形状记忆合金部件的直接加热，需要应用非常低电压(通常情况下低于1伏)且高强度(譬如10到20安培)的电力供应源。

在第二实施例中，如上所述的电力供应源不可得，需要召集也可用于其它电气设备的电源，譬如用于电磁马达的。那么，我们可以考虑不同的可能性。

根据第一可能方案，形状记忆合金线被一个绕组包围。绕组由连续或者不连续的螺旋线构成，金属线被低摩擦系数且不导电的材料包裹，连接到电流供应源。

根据第二种可能性，形状记忆合金线上包裹三个表层，一层电绝缘并具有低摩擦系数的聚合物，连接到电流供应源的电阻金属材料制成的薄膜或者绕组，电绝缘聚合物薄膜。

在形状记忆合金线和电阻金属材料之间的聚合物层最好和前两者之一固定，并且机械地相对前两者之另一个自由地机械滑动，这样就避免了聚合物承受由于形状记忆合金线的强烈形变产生的剪应力。薄膜或者金属只发生轻微的形变。

对形状记忆合金部件加热是通过在中间金属层通电流实现的。

根据本发明的一实施例，形状记忆合金线呈管状，也就是说有一贯穿整个长度的孔，在孔的内部放置有一枚电阻，此电阻被电绝缘且低摩擦系数的聚合物隔绝。

根据本发明的另一实施例，多根形状记忆合金线围绕在一枚电阻周围并编织在一起。此电阻被电绝缘且低摩擦系数的聚合物隔绝。

有利的是，所述电绝缘聚合物一方面能抵抗相对较高的温度(譬如从150℃到250℃)与较高的压强，另一方面有较小的摩擦系数。在一实施例中，聚合物是聚四氟乙烯或聚甲醛。

在第一种实施例中，前文所述的旋转促动器只可以使用一次。

在第二种实施例中，在加上一个设计成反弹簧(counter spring)的额外的组件之后，这样我们得到一个可以使用多次的旋转促动器，不需要再每次操作重新赋予记忆合金马氏体状态的形状，这就是多次使用促动器。反弹簧是由游丝构成。游丝的一段被连接到促动器的固定点，游丝的另一端被连接到促动器的移动点和需要驱动的机械装置。如此一来，游丝施加在形状记忆合金线上一个趋向于拉长的拉伸张力。

当形状记忆合金线被加热时，合金线牵引反弹簧并驱动机械装置。

当冷却时，反弹簧把形状记忆合金线拽回到拉伸状态的马氏体形状。

从而通过一系列的加热和冷却，形状记忆合金线的可移动端，交替地在一个方向上，然后在另一个方向上，驱动机械装置旋转。

根据反弹簧施加的力，如此形成的多次使用促动器可以在加热，或者冷却，或者加热和冷却多种情况下施加扭矩。

本发明还公开了一种制造旋转促动器的方法，包括：

-在奥氏体状态，用至少一根形状记忆合金线制造螺旋状的绕组，得到直径为D的缠绕匝数为n的绕组，

-用拉伸应力机械性地拉长每根线，以便绕组的匝既不改变直径，也不改变缠绕匝间距，绕组(弹簧)赢得匝数Δn＝Σ·n，Σ是合金线的伸长形变，合金丝的长度从奥氏体形状的长度L改变到马氏体形态的长度L+ΔL＝（1Σ）L，

-把绕组安装在具有同样直径的芯轴上，

-绕轴的一段固定在一固定点，绕组的另一端固定在需要驱动的机械装置上。

附图说明

本发明可以通过详细阅读本发明的具体实施方案，来得到更好的理解。但是并不限于现有的图例中的实施方案。

图1是第一种类型促动器的侧视图；

图2是第一种类型促动器的端视图；

图3是第二种类型促动器的侧视图；

图4是第二种类型促动器的端视图；

图5到图7是三幅形状记忆合金线和相关加热器的横截面图；

图8是配备反弹簧的促动器的纵向截面图；

图9是图8所示促动器的端视图。

具体实施方式

图1和图2中的促动器包括一个螺旋形绕组2(也称为弹簧)，此绕组由形状记忆合金线制成。此绕组套在一个芯轴上，此芯轴由多个同轴排列的盘3组成的，这些盘彼此独立并在位于相同的旋转轴4上。在一实施例中，绕组由多根合金线构成，接头5用来连接各段合金线，以实现不管是从传递扭矩的角度，还是从电连接的角度的连接。由于芯轴被切割成相对彼此自由旋转的盘，摩擦力之间的耦合在很大程度上被消除了。

图3和图4示出了促动器第二个实施例，在此促动器中，支撑绕组的芯轴2是由一个圆柱形笼子6构成，在笼子6的周壁上排布了针7。在笼子的周壁上均匀分布的针7各自由一个小圆筒构成，小圆筒可绕其轴线自由地转动，每个小圆筒安装在一个笼子上的壳体中。尤其如图3所示，沿笼子6上同一母线排列着多根针7。配备在笼子6两端有两个盘8，盘8有同轴孔9且用于在支撑体上安装芯轴。由形状记忆合金线制成的螺旋状的绕组靠在针的相应点上，如此以致摩擦力的耦合实际上完全消除。

图5表示一根线10，此线由形状记忆合金制成，上面包裹有三个表层：一层电绝缘并具有低摩擦系数的聚合物12，电阻金属材料薄膜或者绕组13，电绝缘并具有低摩擦系数的聚合物薄膜14。聚合物，例如，由聚四氟乙烯或者由聚甲醛制成。

图6表示一个由形状记忆合金制成的元件15，此元件呈管状，管的内部空间有一电阻16，管和电阻之间的空间设置有电绝缘并且低摩擦系数的聚合物17。

图7表示一根缆绳，此缆绳由多根形状记忆合金线18组成形状，合金线18围绕在由电阻构成的芯19周围并编织在一起，被电绝缘且低摩擦系数的聚合物20隔离开。

如从上文叙述可知，此发明相对于现有的形状记忆合金旋转促动器的技术提供了一个很大的改进，其结构简单而高效，不光是克服了螺旋形绕组的摩擦问题，还克服了为了获得形状记忆合金元件的形变对其加热的问题。

这些特点有利于实现一个小型的促动器。传统的旋转促动器使用形状记忆合金扭转棒材，或者使用形状记忆合金弯曲板材，为了实现一定的扭矩和旋转角度，需要占据较大的体积。

在第一种实施例中，前文所述的旋转促动器只可以使用一次。

在第二种实施例中，在加上一个设计成反弹簧(counter spring)的额外的组件之后，这样我们得到一个可以使用多次的旋转促动器，不需要在每次操作时重新定义记忆合金线的马氏体形变，这就是多次使用促动器。反弹簧是由，例如，游丝22构成。游丝的一段被连接到促动器的固定点23，游丝的另一端被连接到促动器的移动点24和需要驱动的机械装置。如此一来，游丝施加在形状记忆合金线上一个趋向于拉长的拉伸张力。

Claims (10)

1.一种旋转促动器(1)，其适合于驱动一个机械装置，包括芯轴和至少一根形状记忆合金线，其特征在于：

·该线缠绕成螺旋状，以形成有两个端点的螺旋状的绕组，并且螺旋状的绕组和芯轴相连接，

·该线在做成绕组之前，因为拉伸而承受形变，

·螺旋状的绕组的一个端点固定到一个固定点，该螺旋状绕组的另一端被固定到一个需要驱动的机械装置，

·所述芯轴能够保持绕组的直径和所述导线的缠绕匝间距，并且所述芯轴包括，在所述线移动时，相对所述线产生较小摩擦的装置，

·促动器还包括加热装置，能使所述形状记忆合金线从马氏体状态转化到奥氏体状态。

2.根据权利要求1所述的旋转促动器(1)，其特征在于，形状记忆合金选自基于钛镍的合金，比如钛镍(TiNi)，钛镍铜(TiNiCu)，钛镍铁(TiNiFe)，钛镍钯(TiNiPd),钛镍锆(TiNiZr)，钛镍铌(TiNiNb)，钛镍铪(TiNiHf)，或者基于含铜合金，比如铜锌铝(CuZnAL)，铜铝铍(CuAlBe)，铜铝锰(CuAlMn)，铜铝镍(CuAlNi)，呈单晶或多晶结构。

3.根据权利要求1所述的旋转促动器(1)，其特征在于，芯轴由多个彼此独立的，并且安装在同一旋转轴线上的同轴盘构成，或者芯轴是由一个圆柱形构成，在圆柱形的周壁上排列着轴向取向并且可绕其轴线转动的针。

4.根据权利要求1所述的旋转促动器(1)，其特征在于，芯轴是由一个圆柱形笼子(6)构成,在笼子的周壁上均匀分布的排列着轴向取向的，各自装在一个笼子(6)上的壳体中的，并且可绕其轴线自由地转动的小圆筒构成的针(7)，螺旋状绕组(2)安装在圆柱形的笼子(6)周围，与针(7)的全部或者一部分接触，圆柱形笼子(6)的端口被用于在支撑上安装芯轴的盘子封闭。

5.根据权利要求1至4所述的旋转促动器(1)，其特征在于，形状记忆合金线被一个绕组包围。绕组由连续或者不连续的螺旋线构成，金属线被低摩擦系数且不导电的材料包裹，连接到电流供应源。

6.根据权利要求1至4所述的旋转促动器(1)，其特征在于，形状记忆合金线(10)上包裹三个表层，一层(12)电绝缘聚合物，连接到电流供应源的电阻金属薄膜(13)，电绝缘聚合物薄膜(14)。

7.根据权利要求1至4所述的旋转促动器(1)，其特征在于，形状记忆合金线(15)呈管状，管的内部空间有一枚电阻(16)，此电阻被电绝缘且低摩擦系数的聚合物(17)隔绝。

8.根据权利要求1至4所述的旋转促动器(1)，其特征在于，多根形状记忆合金线(18)围绕在一枚电阻(19)周围并编织在一起。此电阻被电绝缘且低摩擦系数的聚合物(20)隔绝。

9.根据权利要求1至4所述的旋转促动器(1)，其特征在于，包括反弹簧(22)，一端被连接到促动器的固定点23，另一端被连接到促动器的移动点24，以施加在形状记忆合金线上一个趋向于拉长的拉伸张力。

10.根据权利要求1所述的用于实现旋转促动器(1)的方法，其特征在于，在奥氏体状态，用至少一根形状记忆合金线制造螺旋状的绕组，得到直径为D的缠绕匝数为n的绕组，用拉伸应力机械性地拉长每根线，以便绕组的匝既不改变直径，也不改变缠绕匝间距，绕组(弹簧)赢得匝数Δn＝Σ·n，Σ是合金线的伸长形变，合金丝的长度从奥氏体形状的长度L改变到马氏体形态的长度L+ΔL＝(1+Σ)L，把绕组安装在具有同样直径的芯轴上，绕轴的一段固定在一固定点，绕组的另一端固定在需要驱动的机械装置上。