CN108183629A - 可变速变扭矩sma电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变速变扭矩SMA电机，其包括：一控制系统；驱动单元阵列，所述驱动单元阵列通过SMA记忆合金线连接所述控制系统，其中，对所述SMA记忆合金线通电，SMA记忆合金线收缩，所述驱动单元阵列驱动动力输出装置运动；断电后，SMA记忆合金线伸长，动力输出装置反向转动，回到初始位置。控制系统可以任意控制驱动单元阵列的工作方式，控制系统可同时让多个驱动单元阵列工作，可以提高动力输出装置的输出扭矩；当驱动单元阵列串行顺序启动时，由于SMA记忆合金线冷却需要一定的时间，所以在上一个SMA记忆合金线冷却期间，使下一个驱动单元运作，如此便可使动力输出装置的转速大大提高，使用的灵活性大大提高。

Description

可变速变扭矩SMA电机

技术领域

本发明涉及一种电能转换为机械能的设备，尤其涉及一种可变速变扭矩SMA电机。

背景技术

形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称为SMA)电机输出位移较大，同时有较高的功率-重量比，具有广阔的应用前景。当前的SMA电机。由驱动元件和执行机构两部分组成，驱动元件即SMA材料，多为丝材、片材和管材，可根据需要做成不同形状、规格的驱动元件，常使用的有直线张力金属丝型、螺旋压缩弹簧型、螺旋拉伸弹簧型、悬臂弹簧型、盘状弹簧型、螺旋扭转弹簧型、扭转金属丝型和扭转金属管型等。传统的SMA电机执行机构比较简单有偏置式和推挽式两种。偏置式系统由SMA弹簧和偏动的普通拉伸弹簧组成，推挽式系统只是将偏置系统中的普通拉伸弹簧换为SMA弹簧。按电机的运动形式其基本结构可分为直线位移型和旋转位移型。直线位移型电机的基本结构如图5、6所示，转动关节型电机的基本结构如图7、8所示。

电机的运行原理是，对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生逆相变，此时SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使电机输出位移。对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，电机具有双向做功的能力。

SMA电机有以下优势，1、高功率重量比，适于微型化，2、集传感、控制、换能、致动于一身，3、结构简单，易于控制，4、对环境适应能力强，不受温度以外的其他因素影响，5、无振动噪声，无污染等。虽然SMA电机有很多优势，但受制于SMA加热收缩—冷却伸长都需要一定时间，是响应时间较长，电加热可以使温度迅速上升，但是冷却过程却难以控制，动作频率较低，特别是当电机有较大扭矩需求时，所需SMA线直径较粗，加热和散热时间更长，动作频率更慢，严重地制约了电机的适用性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种可变速变扭矩SMA电机，其具有可根据需要调节扭矩和转速的特性。

本发明是这样实现的：一种可变速变扭矩SMA电机，其包括：

一控制系统；

一个控制系统管理的以SMA线加热收缩为目标的多电流回路阵列；

驱动单元阵列；所述驱动单元阵列通过SMA记忆合金线连接所述控制系统，其中，所述控制系统向所述SMA记忆合金线加载电流，所述SMA记忆合金线收缩，所述驱动单元阵列驱动动力输出装置运动；断电后，所述SMA记忆合金线伸长，动力输出装置反向转动，回到初始位置。

进一步地，每一所述驱动单元均为一独立的模块，所述驱动单元包括一驱动轮、一绕线架、一SMA记忆合金线、一单向轴承、一迴转挂耳、一弹性导线，动力输出装置为一主轴，所述主轴装设于所述单向轴承内，所述单向轴承设于所述驱动轮内，所述驱动轮装设于所述绕线架内，所述SMA记忆合金线缠绕于绕线架上，其中，所述SMA记忆合金线通电时，所述SMA记忆合金线由于受热收缩带动所述驱动轮和单向轴承转动，单向轴承驱动主轴转动；SMA记忆合金线断电时，所述SMA记忆合金线冷却伸长，弹性导线带动驱动轮反向转动，驱动轮回到初始位置。

进一步地，可变速变扭矩SMA电机还包括，一外壳，其内装设所述主轴，所述主轴的一端用以装设一齿轮，所述主轴和所述外壳之间设置一电磁抱闸以防止非控制期间的运作，所述绕线架的外侧设置至少一沟槽，所述SMA记忆合金线装设于所述沟槽中。

进一步地，一绕线架，装设于所述外壳内，所述绕线架与所述主轴同轴设置，所述绕线架上装设一第一接线板、一第二接线板，所述第一接线板上装设多个接线柱，所述绕线架的侧壁开设多个滑行槽，每一所述接线柱对应每一所述滑行槽。

进一步地，所述第一接线板、所述第二接线板均固定于所述绕线架的外侧，所述第一接线板位于所述滑行槽的旁边，所述第一接线板、第二接线板相对设置。

进一步地，所述驱动单元阵列可根据需要设为2个、3个、4个或者更多个。

进一步地，所述SMA记忆合金线（Shape Memory Alloy 简称SMA）为一种通电就会受热收缩的特殊导线，所述SMA记忆合金线缠绕于所述绕线架，所述合金线的一端固定于所述迴转挂耳，所述SMA记忆合金线的另一端固定于所述第二接线板。

进一步的，所述电流回路阵列由线缆、记忆合金线、控制系统、接线柱、接线板、弹性导线等零件组成。其中弹性导线装设于接线柱与迴转挂耳之间，用以带动断电期间驱动轮的反向转动过程。

本发明驱动单元阵列连接至控制系统，所述控制系统可以任意控制驱动单元阵列的工作方式，例如并行、串行，控制系统可同时让多个驱动单元工作，可以提高动力输出装置的输出扭矩，相对于以往的设计，其输出的扭矩成倍的增加；当驱动单元阵列串行顺序启动时，由于SMA记忆合金线冷却需要一定的时间，所以在上一个SMA记忆合金线冷却期间，使下一个驱动单元运作，如此便可使动力输出装置的转速大大提高，使用的灵活性大大提高。所以通过控制系统，可根据需要调节电机的扭矩和转速。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的可变速变扭矩SMA电机的立体图；

图2为本发明提供的可变速变扭矩SMA电机剖视图；

图3为本发明提供的可变速变扭矩SMA电机的立体分解图；

图4为先前技术中直线位移型电机的基本结构示意图；

图5为先前技术中直线位移型电机的基本结构示意图；

图6为先前技术中转动关节型电机的基本结构示意图；

图7为先前技术中转动关节型电机的基本结构示意图；

图8为本发明提供的框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8，一种可变速变扭矩SMA电机，其包括：一控制系统；一个控 制系统管理的以SMA线加热收缩为目标的多电流回路阵列；驱动单元阵列；所 述驱动单元阵列通过SMA记忆合金线4连接所述控制系统，其中，对所述SMA 记忆合金线4通电，所述SMA记忆合金线4收缩，所述驱动单元阵列驱动动力 输出装置运动；断电后，所述SMA记忆合金线4伸长，动力输出装置反向转动， 回到初始位置。每一所述驱动单元均为一独立的模块，所述驱动单元包括一驱 动轮31(转轮31)、一绕线架2、一SMA记忆合金线4、一单向轴承32、一迴 转挂耳(也称为金属挂耳)、一弹性导线34，动力输出装置为一主轴13，所述 主轴13装设于所述一单向轴承32内，所述单向轴承32设于所述驱动轮31内， 所述驱动轮31装设于所述绕线架2内，所述SMA记忆合金线4缠绕于绕线架2 上，其中，所述SMA记忆合金线4通电时，所述SMA记忆合金线4由于受热 收缩带动所述驱动轮31和单向轴承32转动，单向轴承32驱动主轴13转动； SMA记忆合金线4断电时，所述SMA记忆合金线4冷却伸长，弹性导线34带 动驱动轮31反向转动，驱动轮31回到初始位置。

驱动单元阵列均连接至控制系统，所述控制系统可以任意控制驱动单元阵列的工作方式，例如并行、串行，控制系统可同时让多个驱动单元工作，可以提高动力输出装置的输出扭矩，相对于以往的设计，其输出的扭矩成倍的增加；当驱动单元阵列串行顺序启动时，由于SMA记忆合金线4冷却需要一定的时间，所以在上一个SMA记忆合金线4冷却期间，使下一个驱动单元运作，如此便可使动力输出装置的转速大大提高，使用的灵活性大大提高。所以通过控制系统，可根据需要调节电机的扭矩和转速。

本发明实施例提供一种可变速变扭矩SMA电机，具体结构可参见如下描述，其包括：一外壳1，其内装设一主轴13，所述主轴13的一端用以装设一齿轮14，所述齿轮14露出所述外壳1，所述主轴13和所述外壳1之间设置一电磁抱闸15，外壳与主轴之间通过电磁抱闸15控制，通电时，电磁抱闸15松开，外壳和主轴之间可以相对转动；一绕线架2，装设于所述外壳1内，所述绕线架2与所述主轴13同轴设置，所述绕线架2上装设一第一接线板21、一第二接线板22，所述第一接线板21上装设至少一接线柱23，所述绕线架2的侧壁开设至少一滑行槽24，每一所述接线柱23对应每一所述滑行槽24；一转动轮3，装设于所述绕线架2中，所述转动轮3包括一转轮31和装设于所述转轮31中的一单向轴承32，所述单向轴承32固定于所述主轴13，所述转轮31的外侧设置一迴转挂耳33，所述迴转挂耳33位于所述滑行槽24中，所述迴转挂耳33和所述接线柱23之间通过弹性导线34连接；一SMA记忆合金线4（也称记忆合金线），缠绕于所述绕线架2，所述SMA记忆合金线4的一端固定于所述迴转挂耳33，所述SMA记忆合金线4的另一端固定于所述第二接线板22；其中，对所述SMA记忆合金线4通电，所述SMA记忆合金线4收缩，所述SMA记忆合金线4的一端带动所述迴转挂耳33在所述滑行槽24中运动，使迴转挂耳33连同所述转轮31、单向轴承32、主轴13一起转动；断电后，所述弹性导线34带动所述转轮31反向转动，回到初始位置。

所述绕线架2的外侧设置至少一沟槽，所述SMA记忆合金线4装设于所述沟槽中。所述外壳1包括一筒体11和两个盖体12，两个盖体12分别固定于所述筒体11的两端，所述绕线架2固定于所述盖体12，所述电磁抱闸15装设于所述盖体12，所述主轴13的一端插置于所述电磁抱闸15中。

所述第一接线板21上装设多个接线柱23，每一所述接线柱23分别连接一个线缆25，所述线缆25用以连接电源的正极，所述线缆25连接有驱动单元，所述第二接线板22用以连接电源的负极。所述绕线架2中装设多个转动轮3，每一所述转动轮3具有一所述迴转挂耳33，所述迴转挂耳33装设于对应的所述滑行槽24，每一所述迴转挂耳33对应连接每一所述SMA记忆合金线4的一端，所述SMA记忆合金线4的另一端均固定于所述第二接线板22，每一所述弹性导线34的一端固定于每一对应的所述接线柱23，每一所述弹性导线34的另一端固定于对应的每一所述迴转挂耳33。

所述第一接线板21、所述第二接线板22均固定于所述绕线架2的外侧，所述第一接线板21位于所述滑行槽24的旁边，所述第一接线板21、第二接线板22相对设置。所述主轴13上设置一花键131，所述花键131呈长条状，所述花键131凸出所述主轴13的侧面，所述单向轴承32具有一外轮和一内轮，所述外轮固定于所述转轮31，所述内轮上开设有卡槽321，所述花键131卡扣于所述卡槽321。所述绕线架2呈圆筒状，所述滑行槽24沿所述绕线架2所在圆的圆弧方向设置

使用时，控制系统26给出电信号，所述线缆25中有电流通过，电流通过第二接线板22上的接线柱23进入到弹性导线34上，电流通过弹性导线34流入到迴转挂耳3上，通过迴转挂耳33流入到SMA记忆合金线4的一端，从SMA记忆合金线4的另一端流出，再流经第二接线板22，第二接线板22连接电源负极，形成一个回路，外壳和主轴松开，外壳和主轴之间可以相对转动，SMA记忆合金线4通电后收缩，由于SMA记忆合金线4的另一端固定在第二接线板22，故SMA记忆合金线4收缩将带动与SMA记忆合金线4的一端连接的迴转挂耳33运动，迴转挂耳33在滑行槽24中沿着滑行槽24坐在的平面做圆周运动，迴转挂耳33带动转轮31转动，转轮31带动单向轴承32转动，单向轴承32带动主轴13一起转动，即迴转挂耳33、转轮31、单向轴承32、主轴13作为一个整体一起转动，主轴13再带动齿轮14转动，通过电流的大小以调节SMA记忆合金线4的收缩长短，可以准确调节主轴13转动的角度。控制系统26给出断电的电信号后，所述线缆25中没有电流通过，SMA记忆合金线4伸长恢复到常态下的长度，由于所述迴转挂耳33和所述接线柱23之间通过弹性导线34连接，弹性导线34此时处于拉伸状态，弹性导线34将迴转挂耳33朝相反的方向拉动，迴转挂耳33则带动转轮31回转，由于转轮31和主轴13之间通过单向轴承32连接，故迴转挂耳33和转轮31将一起回转，而主轴13不回转，即单向轴承32空转，当转轮31在迴转挂耳33的弹性力作用下，转回到初始位置时，控制系统26再次向SMA记忆合金线4加载电流，使SMA记忆合金线4收缩，转轮31、单向轴承32、转轴一体转动，如此反复循环运动，以实现电机的运作。

本设计驱动单元阵列，所述控制系统连接所述驱动单元阵列，每一所述驱动单元包括转动轮、主轴、绕线架、SMA记忆合金线，所述转动轮装设于所述绕线架，所述SMA记忆合金线缠绕于绕线架，其中，对所述SMA记忆合金线通电，所述SMA记忆合金线收缩，使所述转动轮转动，以驱动主轴转动；断电后，所述SMA记忆合金线伸长，转动轮反向转动，回到初始位置，以此实现电机的运作，以9个驱动单元阵列配置为例，每一驱动单元对应每一个转动轮，可以实现1~9倍的扭矩和速度调节，当然也可以设置3个、四个、五个等，以此大大提升输出扭矩，由于SMA记忆合金线冷却需要一定的时间，所以当依次给SMA记忆合金线通电加热时，冷却时间与加热时间重合，时间减少，SMA记忆合金线受热收缩，多个SMA记忆合金线收缩的叠加，电机的转速就会增加，可以大大提高主轴的转速，在最短的时间内使主轴转动到一定的角度，同时，这种SMA记忆合金线转动的角度控制精确，在体现快的同时，也体现了准的要求。

本发明具有如下优点：

1、通过控制系统对驱动单元阵列的作用，实现多个驱动单元共同工作，大大提升输出扭矩，多个驱动轮同时转动，可以大大提升输出扭矩。

2、通过控制系统对驱动单元阵列的控制，可以实现驱动单元阵列的依次动作，由于SMA记忆合金线冷却需要一定的时间，所以当依次给SMA记忆合金线通电加热时，冷却时间与加热时间重合，时间减少，电机的转速就会增加，可以大大提高主轴的转速，在最短的时间内使主轴转动到一定的角度，同时，这种SMA记忆合金线转动的角度控制精确，在体现快的同时，也体现了准的要求。

3、本发明SMA电机，通过控制系统控制，可以根据场景需要，采用多种组合顺序启动驱动单元，或以辅以电流变化等方式，获得多种电机转速和扭矩。

4、本发明设计整体式绝缘、耐高温、高润滑塑胶绕线架，大大减少运动过程中的摩擦。

5、本发明设计弹性导线，提高导线连接的使用寿命，利用电阻—温度—收缩特性，利用电阻特性建立电机转速负反馈，调整电机转速，便于精准控制

6、本发明利用转速负反馈，侦测负载变化，设计动态控制程序，调整驱动轮启动数量、时序和电流值，实现理想的负载-转速曲线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于，包括：

一控制系统；

驱动单元阵列，所述驱动单元阵列通过SMA记忆合金线连接所述控制系统，其中，对所述SMA记忆合金线通电，所述SMA记忆合金线收缩，所述驱动单元阵列驱动动力输出装置运动；断电后，所述SMA记忆合金线伸长，动力输出装置反向转动，回到初始位置。

2.如权利要求1所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：每一所述驱动单元均为一独立的模块，所述驱动单元包括一驱动轮、一绕线架、一SMA记忆合金线、一单向轴承、一迴转挂耳、一弹性导线，动力输出装置为一主轴，所述主轴设于所述单向轴承内，所述单向轴承设于所述驱动轮内，所述驱动轮装设于所述绕线架内，所述SMA记忆合金线缠绕于绕线架上，其中，所述SMA记忆合金线通电时，所述SMA记忆合金线由于受热收缩带动所述驱动轮和单向轴承转动，单向轴承驱动主轴转动；SMA记忆合金线断电时，所述SMA记忆合金线冷却伸长，弹性导线带动驱动轮反向转动，驱动轮回到初始位置。

3.如权利要求2所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：可变速变扭矩SMA电机还包括，一外壳，其内装设所述主轴，所述主轴的一端用以装设一齿轮，所述主轴和所述外壳之间设置一电磁抱闸，所述绕线架的外侧设置至少一沟槽，所述SMA记忆合金线装设于所述沟槽中。

4.如权利要求3所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：一绕线架，装设于所述外壳内，所述绕线架与所述主轴同轴设置，所述绕线架上装设一第一接线板、一第二接线板，所述第一接线板上装设多个接线柱，所述绕线架的侧壁开设多个滑行槽，每一所述接线柱对应每一所述滑行槽。

5.如权利要求4所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：所述第一接线板、所述第二接线板均固定于所述绕线架的外侧，所述第一接线板位于所述滑行槽的旁边，所述第一接线板、第二接线板相对设置。

6.如权利要求1所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：所述驱动单元可根据需要设为2个、3个、4个或者更多个。

7.如权利要求5所述的一种可变速变扭矩SMA电机，其特征在于：所述SMA记忆合金线为一种通电就会受热收缩的特殊导线，所述SMA记忆合金线缠绕于所述绕线架，所述合金线的一端固定于所述迴转挂耳，所述SMA记忆合金线的另一端固定于所述第二接线板。