CN108518326B - 一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，活动轴及其上部的磁铁座和电磁铁随形状记忆合金弹簧伸长变形而产生沿一定角度旋转运动，电磁铁通电时，转子在电磁力作用下随活动轴旋转一定角度，当形状记忆合金弹簧电压减小时，电磁铁断电，活动轴恢复原始状态，转子保持一定角度不变，工作时两个形状记忆合金弹簧同步伸长或缩短变形，对活动轴作用是同向的，同时施加两个形状记忆合金弹簧使活动轴具有较大转矩，恢复弹簧为恢复初始状态提供弹力，螺纹杆对形状记忆合金弹簧和恢复弹簧初始预紧力调节。本发明将电磁夹持技术与形状记忆合金驱动相结合，使非接触旋转驱动器具有较大的输出转矩，减小了能力损耗，具有更加广阔的应用前景。

Description

一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器及方法

技术领域

本发明涉及一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，属于旋转驱动器技术领域。

背景技术

精密驱动技术已经在微型机器人、航空航天、医疗器械以及精密定位等领域发挥重要作用，其中旋转驱动器则是一种广泛被应用的精密驱动装置。形状记忆合金作为一种智能材料，因具有体积小、变形大、驱动电压低等优点而受到关注和应用。形状记忆合金作为驱动材料主要用于微型机器人、微型直线执行器和驱动器，目前基于记忆合金驱动而设计的旋转驱动器相对较少。

本发明针对以上问题，提供一种由形状记忆合金驱动和电磁非接触夹持相结合的旋转驱动器，以便使得驱动器具有能耗低、输出力矩大、结构简单等优点。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其包括底座、支撑盘、形状记忆合金弹簧、恢复弹簧、螺纹杆、活动轴、磁铁座、电磁铁、转子和壳体，其特征在于，

所述支撑盘定位固定在所述底座上，所述壳体定位固定在所述支撑盘上；

所述支撑盘为方形环状结构，且所述支撑盘的前后侧面上分别设置有两个螺纹孔，四个螺纹孔内均螺纹连接有所述螺纹杆；

两个所述形状记忆合金弹簧的一端分别固定在其中一组成对角设置的两个螺纹杆上，两个所述恢复弹簧的一端分别固定在另外一组成对角设置的两个螺纹杆上；

两个所述形状记忆合金弹簧的另一端分别连接在所述活动轴的左右臂上，两个所述恢复弹簧的另一端也分别连接在所述活动轴的左右臂上；

所述活动轴的上端采用螺纹连接在所述磁铁座上；

所述磁铁座为圆柱体，且其侧面开有八个槽，八个所述电磁铁分别镶嵌于磁铁座侧面的各个槽内；

所述转子的底端为筒状中空结构，所述转子非接触套设于所述磁铁座和电磁铁的外部，且所述转子悬空于所述磁铁座和电磁铁的上方；

所述转子上端可转动的设置在所述壳体上，所述活动轴下端可转动的设置在所述底座上。

进一步，作为优选，两个形状记忆合金弹簧连接三角波信号发生器，所述电磁铁连接方波信号发生器。

进一步，作为优选，所述磁体座的端面均布有八个通孔，所述转子的筒状结构的上端面均匀分布有八个扇形孔。

进一步，作为优选，所述活动轴的左右臂设置在所述活动轴的中间段上，左右臂均为长方体臂，长方体臂正反面距离轴心相等位置处分别设有圆形槽，形状记忆合金弹簧的另一端和恢复弹簧的另一端均伸入定位在所述圆形槽内。

进一步，作为优选，所述支撑盘通过下端面左右两端的凸出结构固定在底座上方，所述壳体下端通过螺钉II与支撑盘和底座固定。

进一步，作为优选，所述活动轴下端通过轴承II与底座相连，轴用弹性挡圈I安装于活动轴下端的轴槽内，轴承II外侧通过轴承端盖II固定，轴承端盖II通过螺钉I固定于底座下端。

进一步，作为优选，所述壳体上端通过轴承I与转子上端输出轴连接，转子上端轴槽内安装有轴用弹性挡圈II，利用螺钉I将轴承端盖I固定在壳体最上端。

进一步，作为优选，所述电磁铁设计成长方体结构，其中最外侧面与转子环面接近处设计成圆弧面，以增大电磁铁与转子之间的电磁力。

进一步，作为优选，所述壳体为U型结构。

进一步，本发明还提供了一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的驱动方法，其特征在于：其采用本发明提供的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其驱动方法如下：

初始状态时，两个形状记忆合金弹簧和两个恢复弹簧在四个螺纹杆的预紧力下处于压缩状态，活动轴在形状记忆合金弹簧和恢复弹簧的弹性力下处于平衡状态，活动轴、磁铁座、电磁铁和转子的转角为0，且电磁铁和转子之间不存在电磁力作用；

通电状态时，给两个形状记忆合金弹簧提供幅值为U1的三角波信号，该三角波信号特点是前T/2周期幅值上升，T/2-3T/4幅值快速下降到0，最后T/4周期为0电压信号，给电磁铁提供幅值为U2的方波信号；

在0～T/2前半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧随时间的增加而发生伸长变形，变形量驱使活动轴沿顺时针转过α角，与此同时，由于八个电磁铁在方波信号的作用下产生了电磁力，电磁力紧紧吸住转子下端筒状中空结构，转子随活动轴转动，在时间为T/2时，转子顺时针转过α角；

在T/2～T后半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧电压逐渐减小，在3T/4时减小到0，从3T/4～T电压一直保持0不变，两形状记忆合金弹簧变形不断收缩，活动轴在两恢复弹簧弹力作用下反方向转动，直到恢复至初始0转角状态，由于电磁铁在T/2～T时信号幅值为0，故电磁力为0，转子不随活动轴和电磁铁发生转动，转子保持在α角的位置；

因此，在一个周期T内，活动轴和电磁铁的最终转角为0，而转子的转角为α，故在连续周期信号的作用下，转子实现连续转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的活动轴及其上部的磁铁座和电磁铁随形状记忆合金弹簧伸长变形而产生沿一定角度的旋转运动，当电磁铁通电时，转子在电磁力的作用下随活动轴旋转一定角度，而当形状记忆合金弹簧电压减小时，电磁铁断电，活动轴恢复原始状态，转子保持一定角度不变。工作时，两个形状记忆合金弹簧同步发生伸长或缩短变形，对活动轴的作用是同向的，同时施加两个形状记忆合金弹簧使活动轴具有较大的转矩，两个恢复弹簧的作用是为活动轴恢复初始状态提供弹力，四个螺纹杆可以对形状记忆合金弹簧和恢复弹簧的初始预紧力进行调节。

本发明与现有技术相比，将电磁夹持技术与形状记忆合金驱动相结合，使非接触旋转驱动器具有较大的输出转矩，磁铁座上的八个圆孔和转子上的八个扇形孔降低了磁铁座和转子的重量，减小了能力损耗，故本发明使得形状记忆合金驱动器具有更加广阔的应用前景。

附图说明

图1为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的爆炸图；

图2为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的立体图；

图3为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的主视图；

图4为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的A-A剖视图；

图5为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的B-B剖视图；

图6为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的磁铁座；

图7为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的转子；

图8为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的活动轴；

图9为形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的驱动电压信号波形图。

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。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其包括底座11、支撑盘12、形状记忆合金弹簧6、恢复弹簧13、螺纹杆14、活动轴5、磁铁座4、电磁铁15、转子3和壳体16，所述支撑盘12通过下端面左右两端的凸出结构固定在底座11上方，所述壳体16下端通过螺钉II8与支撑盘12和底座11固定。所述支撑盘12为方形环状结构，且所述支撑盘12的前后侧面上分别设置有两个螺纹孔，四个螺纹孔内均螺纹连接有螺纹杆14；两个所述形状记忆合金弹簧6的一端分别固定在其中一组成对角设置的两个螺纹杆14上，两个所述恢复弹簧13的一端分别固定在另外一组成对角设置的两个螺纹杆14上；两个所述形状记忆合金弹簧6-1,6-2的另一端分别连接在所述活动轴5的左右臂上，两个所述恢复弹簧13-1,13-2的另一端也分别连接在所述活动轴5的左右臂上；所述活动轴5采用螺纹连接在所述磁铁座4上；所述磁铁座4为圆柱体，且其侧面开有八个槽，八个电磁铁15镶嵌于磁铁座4的槽内；所述转子3的底端为筒状中空结构，所述转子3套设于所述磁铁座4和电磁铁15的外部，且所述转子3悬空于磁铁座4和电磁铁15的上方；所述转子3上端可转动的设置在所述壳体16上，所述活动轴5下端可转动的设置在所述底座11上。

在本实施例中，两个形状记忆合金弹簧6连接三角波信号发生器，所述电磁铁15连接方波信号发生器。

作为较佳的实施例，为了减轻磁铁座和转子的重量，所述磁体座4的端面均布设计八个通孔，所述转子3的筒状结构上端面均匀分布八个扇形孔。为了增大电磁铁与转子之间的电磁力，将所述电磁铁15设计成近似长方体结构，其中最外侧面与转子3环面接近处设计成圆弧面。

在本实施例中，为了保证运行可靠，提高定位安装准确性，所述活动轴5的左右臂设置在所述活动轴5的中间段，左右臂均为长方体臂，长方体臂正反面距离轴心相等位置处分别设有圆形槽，形状记忆合金弹簧6的另一端和恢复弹簧13的另一端均伸入定位在所述圆形槽内。

作为更佳的实施例，所述活动轴5下端通过轴承II 7与底座11相连，轴用弹性挡圈I10安装于活动轴5下端的轴槽内，轴承II 7外侧通过轴承端盖II9固定，轴承端盖II9通过螺钉I1固定于底座11下端。所述壳体16上端通过轴承I17与转子3上端输出轴连接，转子3上端轴槽内安装有轴用弹性挡圈II18，利用螺钉I1将轴承端盖I2固定在壳体16最上端。如图1所示，所述壳体16为U型结构。

此外，本发明还提供了一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的驱动方法，其采用本发明提供的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其驱动方法如下：

初始状态时，两个形状记忆合金弹簧6-1,6-2和两个恢复弹簧13-1,13-2在四个螺纹杆14的预紧力下处于压缩状态，活动轴5在形状记忆合金弹簧6-1,6-2和恢复弹簧13-1,13-2的弹性力下处于平衡状态，活动轴5、磁铁座4、电磁铁15和转子3的转角为0，且电磁铁15和转子3之间不存在电磁力作用；

通电状态时，给两个形状记忆合金弹簧6-1,6-2提供幅值为U1的三角波信号，该三角波信号特点是前T/2周期幅值上升，T/2-3T/4幅值快速下降到0，最后T/4周期为0电压信号，给电磁铁15提供幅值为U2的方波信号；

在0～T/2前半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧6-1,6-2随时间的增加而发生伸长变形，变形量驱使活动轴5沿顺时针转过α角，与此同时，由于八个电磁铁15在方波信号的作用下产生了电磁力，电磁力紧紧吸住转子3下端筒状中空结构，转子3随活动轴5转动，在时间为T/2时，转子3顺时针转过α角；

在T/2～T后半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧6-1,6-2电压逐渐减小，在3T/4时减小到0，从3T/4～T电压一直保持0不变，两形状记忆合金弹簧6-1,6-2变形不断收缩，活动轴5在两恢复弹簧13-1,13-2弹力作用下反方向转动，直到恢复至初始0转角状态，由于电磁铁15在T/2～T时信号幅值为0，故电磁力为0，转子3不随活动轴5和电磁铁15发生转动，转子3保持在α角的位置；

因此，在一个周期T内，活动轴5和电磁铁15的最终转角为0，而转子3的转角为α，故在连续周期信号的作用下，转子3实现连续转动。

本发明的活动轴及其上部的磁铁座和电磁铁随形状记忆合金弹簧伸长变形而产生沿一定角度的旋转运动，当电磁铁通电时，转子在电磁力的作用下随活动轴旋转一定角度，而当形状记忆合金弹簧电压减小时，电磁铁断电，活动轴恢复原始状态，转子保持一定角度不变。工作时，两个形状记忆合金弹簧同步发生伸长或缩短变形，对活动轴的作用是同向的，同时施加两个形状记忆合金弹簧使活动轴具有较大的转矩，两个恢复弹簧的作用是为活动轴恢复初始状态提供弹力，四个螺纹杆可以对形状记忆合金弹簧和恢复弹簧的初始预紧力进行调节。

本发明与现有技术相比，将电磁夹持技术与形状记忆合金驱动相结合，使非接触旋转驱动器具有较大的输出转矩，磁铁座上的八个圆孔和转子上的八个扇形孔降低了磁铁座和转子的重量，减小了能力损耗，故本发明使得形状记忆合金驱动器具有更加广阔的应用前景。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其包括底座(11)、支撑盘(12)、形状记忆合金弹簧(6)、恢复弹簧(13)、螺纹杆(14)、活动轴(5)、磁铁座(4)、电磁铁(15)、转子(3)和壳体(16)，其特征在于，

所述支撑盘(12)定位固定在所述底座(11)上，所述壳体(16)定位固定在所述支撑盘(12)上；

所述支撑盘(12)为方形环状结构，且所述支撑盘(12)的前后侧面上分别设置有两个螺纹孔，四个螺纹孔内均螺纹连接有所述螺纹杆(14)；

两个所述形状记忆合金弹簧(6)的一端分别固定在其中一组成对角设置的两个螺纹杆(14)上，两个所述恢复弹簧(13)的一端分别固定在另外一组成对角设置的两个螺纹杆(14)上；

两个所述形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)的另一端分别连接在所述活动轴(5)的左右臂上，两个所述恢复弹簧(13-1,13-2)的另一端也分别连接在所述活动轴(5)的左右臂上；

所述活动轴(5)的上端采用螺纹连接在所述磁铁座(4)上；

所述磁铁座(4)为圆柱体，且其侧面开有八个槽，八个所述电磁铁(15)分别镶嵌于磁铁座(4)侧面的各个槽内；

所述转子(3)的底端为筒状中空结构，所述转子(3)非接触套设于所述磁铁座(4)和电磁铁(15)的外部，且所述转子(3)悬空于所述磁铁座(4)和电磁铁(15)的上方；所述转子(3)上端可转动的设置在所述壳体(16)上，所述活动轴(5)下端可转动的设置在所述底座(11)上；

两个形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)连接三角波信号发生器，所述电磁铁(15)连接方波信号发生器；

所述磁铁座(4)的端面均布有八个通孔，所述转子(3)的筒状结构的上端面均匀分布有八个扇形孔。

2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述活动轴(5)的左右臂设置在所述活动轴(5)的中间段上，左右臂均为长方体臂，长方体臂正反面距离轴心相等位置处分别设有圆形槽，形状记忆合金弹簧(6)的另一端和恢复弹簧(13)的另一端均伸入定位在所述圆形槽内。

3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述支撑盘(12)通过下端面左右两端的凸出结构固定在底座(11)上方，所述壳体(16)下端通过螺钉II(8)与支撑盘(12)和底座(11)固定。

4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述活动轴(5)下端通过轴承II(7)与底座(11)相连，轴用弹性挡圈I(10)安装于活动轴(5)下端的轴槽内，轴承II(7)外侧通过轴承端盖II(9)固定，轴承端盖II(9)通过螺钉I(1)固定于底座(11)下端。

5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述壳体(16)上端通过轴承I(17)与转子(3)上端输出轴连接，转子(3)上端轴槽内安装有轴用弹性挡圈II(18)，利用螺钉I(1)将轴承端盖I(2)固定在壳体(16)最上端。

6.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述电磁铁(15)设计成长方体结构，其中最外侧面与转子(3)环面接近处设计成圆弧面，以增大电磁铁(15)与转子(3)之间的电磁力。

7.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其特征在于：所述壳体(16)为U型结构。

8.一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器的驱动方法，其特征在于：其采用权利要求1-7任意一项所述一种形状记忆合金与电磁联合驱动的旋转驱动器，其驱动方法如下：

初始状态时，两个形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)和两个恢复弹簧(13-1,13-2)在四个螺纹杆(14)的预紧力下处于压缩状态，活动轴(5)在形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)和恢复弹簧(13-1,13-2)的弹性力下处于平衡状态，活动轴(5)、磁铁座(4)、电磁铁(15)和转子(3)的转角为0，且电磁铁(15)和转子(3)之间不存在电磁力作用；

通电状态时，给两个形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)提供幅值为U1的三角波信号，该三角波信号特点是前T/2周期幅值上升，T/2-3T/4幅值快速下降到0，最后T/4周期为0电压信号，给电磁铁(15)提供幅值为U2的方波信号；

在0～T/2前半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)随时间的增加而发生伸长变形，变形量驱使活动轴(5)沿顺时针转过α角，与此同时，由于八个电磁铁(15)在方波信号的作用下产生了电磁力，电磁力紧紧吸住转子(3)下端筒状中空结构，转子(3)随活动轴(5)转动，在时间为T/2时，转子(3)顺时针转过α角；

在T/2～T后半个时间周期内，两形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)电压逐渐减小，在3T/4时减小到0，从3T/4～T电压一直保持0不变，两个形状记忆合金弹簧(6-1,6-2)变形不断收缩，活动轴(5)在两恢复弹簧(13-1,13-2)弹力作用下反方向转动，直到恢复至初始0转角状态，由于电磁铁(15)在T/2～T时信号幅值为0，故电磁力为0，转子(3)不随活动轴(5)和电磁铁(15)发生转动，转子(3)保持在α角的位置；

因此，在一个周期T内，活动轴(5)和电磁铁(15)的最终转角为0，而转子(3)的转角为α，故在连续周期信号的作用下，转子(3)实现连续转动。

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