CN111404353B - 一种基于液态金属驱动的旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于液态金属驱动的旋转电机，包括定子模块、转子模块、供电模块、轴承，其中定子模块由上电机框架、下电机框架，环形水槽构成。上电机框架和下电机框架为液态金属驱动的旋转电机提供结构支撑；环形水槽的外圈水槽内装有电解质溶液为转子模块中的液态金属液滴提供溶液环境。转子模块由电机转轴、转子框架、石墨电极、液态金属液滴组成。转子框架上的液态金属存储腔内的液态金属液滴在石墨电极提供的驱动电场作用下向高电势方向移动，推动电机转轴转动。供电模块为嵌入在电机内部的双通路液态金属导电滑环，实现电机的外部供电。本发明中的液态金属驱动的旋转电机是一种新型高效低成本的扭矩输出设备，具有广泛的适用性与通用性，尤其在转子堵转的情况下不会出现转子线圈过热而烧毁电机。

Description

一种基于液态金属驱动的旋转电机

技术领域

本发明属于机电设备技术领域，涉及一种连续扭矩输出设备，具体为基于液态金属驱动的旋转电机，能够连续的将电能转化成旋转机械能。

背景技术

电机是机电设备的核心，在社会发展中有着广泛应用。目前最广泛的电驱动方式是电磁驱动，利用通用导线在磁场中受力的原理将电能转换成机械能。但是电磁电机需要复杂的电流换向机构或者电路控制系统，并且在转子框架发生堵转时，电机会因此过热甚至烧毁。另外传统电机中，静电电机是一种通过电荷之间的库仑力实现转子转动的电机，其具有结构简单，空载转速高的特点，在微机电系统中具有广泛的应用。但静电电机输出功率小，启动难，供电电压高等缺点也极大的限制了其应用与发展。

电激励材料作为智能材料为电驱动器的研发提供了新的选择，例如压电电机，形状记忆合金电机，电活性聚合物。压电电机利用逆压电原理，将电能转化为机械能，目前在数码相机、医疗设备等领域已经有成功应用的案例。但是效率低、输出扭矩受结构限制，使用寿命较短。形状记忆合金电机是通过一定结构将形状记忆合金的直线变形转换成转子转动。受形状记忆合金热传导效率的影响，SMA电机具有转速过低的缺点。电活性聚合物电机是利用电活性聚合物在电刺激下产生收缩或膨胀的特性实现将电能转化为机械能的电机。但是电聚合物具有使用寿命较短，驱动电压过高的缺点。

因此发展一款结构简单，轻便，适用性广，驱动效率高，不易损坏的电机越发重要。而最近出现的液态金属电场驱动为新型电机的研究与发展提供了新的思路。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于液态金属驱动的旋转电机，具有结构简单、轻便，通用性强，效率高，不会因为转子堵转而引起电机过热烧毁的新型电机，为设计新型电机设备提供了全新的思路，对液态金属的应用研究亦具有重要的意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于液态金属驱动的旋转电机，包括：定子模块、转子模块和供电模块；所述定子模块包括上电机框架、下电机框架和环形水槽；所述转子模块包括转子框架、石墨电极和电机转轴，转子框架固定在电机转轴上，通过滚珠轴承使转子模块整体安装在定子模块内，并且转子模块相对定子模块自由旋转；所述供电模块为嵌入在旋转电机内部的双通路的液态金属导电滑环，所述液态金属导电滑环分为上层导电滑环和下层导电滑环，上层导电滑环由上层导电滑环定子、上层导电滑环定子电极、上层导电滑环中的液态金属、上层导电滑环转子电极和转子框架圆心处上方的圆环形水槽构成；下层导电滑环由转子框架圆心处下方的管状凸台、下层导电滑环转子电极、下层导电滑环中的液态金属、下层导电滑环定子电极和环形水槽的内圈水槽构成；所述环形水槽固定在下电机框架内，且环形水槽的外圈水槽内装有电解质溶液，为液态金属存储腔中的液态金属的液滴驱动提供溶液环境；转子框架为运动单元，其上有多个浸没在环形水槽的外圈水槽内的液态金属存储腔，所述液态金属存储腔内的液态金属的液滴在电场作用下推动转子框架转动；每个液态金属存储腔的外表面分别搭载有两个石墨电极，每个液态金属存储腔上的石墨电极沿转子框架的旋转方向布置，通过液态金属导电滑环向石墨电极接入外部直流电源，为液态金属存储腔内的液态金属提供独立的驱动电场，驱动基于液态金属驱动的旋转电机持续旋转。

所述定子模块中的上电机框架为内部有十字框架的圆环结构，下电机框架为底部有十字框架的桶形框架，共同组成液态金属驱动的旋转电机的圆柱形框架，为转子框架输出旋转运动提供结构支撑。

所述上电机框架和下电机框架采用轻质材料，所述轻质材料为铝合金和光敏树脂，提供足够的结构强度，同时减轻电机自重；上电机框架和下电机框架的使用的材料及尺寸根据工作需求进行调整，如果需要轻量紧凑的工作要求时，上电机框架和下电机框架采用更为轻的光敏树脂，其尺寸相应减小。

所述环形水槽为光敏树脂3D打印加工，满足绝缘与轻量的要求，所述环形水槽包括两个环形的水槽和一个内孔，两个环形的水槽分别为环形水槽的外圈水槽和环形水槽的内圈水槽；环形水槽的外圈水槽用于装载电解质溶液为液态金属液滴驱动提供溶液环境；环形水槽的内圈水槽底部固定有下层导电滑环定子电极，下层导电滑环定子电极为金属铜片制作的环形结构，并且环形水槽的内圈水槽内注入有电解质溶液和液态金属。

所述上层导电滑环定子为光敏树脂3D打印加工的管状结构，上层导电滑环定子固定在上电机框架圆心处，底部固定有上层导电滑环定子电极，上层导电滑环定子电极为金属铜片制作的环形结构。

所述转子框架为光敏树脂3D打印加工,转子框架沿圆周均匀分有多个浸没在环形水槽的外圈水槽内的液态金属存储腔的圆盘结构，转子框架的圆心处上方有一圆环形水槽，下方有一管状凸台，每个液态金属存储腔的顶部留有空隙用于调节液态金属存储腔的腔室内外压强大小，且每个液态金属存储腔的外表面分别搭载有两个石墨电极，每个液态金属存储腔上的石墨电极沿转子框架的旋转方向布置，为存储腔内的液态金属提供独立的驱动电场；所述转子框架圆心处上方的圆环形水槽底部固定有上层导电滑环转子电极，上层导电滑环转子电极为金属铜片制作的环形结构，且转子框架圆心处上方的圆环形水槽内注入有液态金属和电解质溶液；所述管状凸台底部固定有下层导电滑环转子电极，下层导电滑环转子电极为金属铜片制作的环形结构。

所述上层导电滑由上层导电滑环定子、上层导电滑环定子电极、转子框架圆心处上方的圆环形水槽、上层导电滑环转子电极、上层导电滑环中的液态金属、电解质溶液组成；上层导电滑环定子与转子框架圆心处上方的圆环形水槽底部留有间隙，使得上层导电滑环定子与转子框架相对转动且上层导电滑环定子电极和上层导电滑环转子电极间上层导电滑环中的液态金属；由于液态金属具有液体的流体特性和金属材料的良导电性，因此既实现上层导电滑环定子与转子框架的相对转动，又保证上层导电滑环定子电极和上层导电滑环转子电极间的电路连通。

所述下层导电滑由环形水槽的内圈水槽、下层导电滑环定子电极、转子框架圆心处下方的管状凸台、下层导电滑环转子电极、下层导电滑环中的液态金属、电解质溶液组成；转子框架圆心处下方的管状凸台与环形水槽的内圈水槽底部留有间隙，使得环形水槽与转子框架相对转动且下层导电滑环定子电极和下层导电滑环转子电极间存储有下层导电滑环中的液态金属；由于液态金属具有液体的流体特性和金属材料的良好的导电性(电导率为3.4*10⁷S.m^-1)，既实现环形水槽与转子框架的相对转动，又保证下层导电滑环定子电极和下层导电滑环转子电极间的电路连通。

所述转子框架上的每个液态金属存储腔上的两个石墨电极通过铜导线分别与上层导电滑环转子电极和下层导电滑环转子电极相连，并且上层导电滑环转子电极相连的石墨电极与下层导电滑环转子电极相连的石墨电极呈间隔分布；上层导电滑环的定子电极和下层导电滑环的定子电极分别与外部直流电源相连接，实现对基于液态金属驱动的旋转电机的持续供电。

所述上层导电滑环定子电极、上层导电滑环转子电极、下层导电滑环定子电极、下层导电滑环转子电极的表面需进行电润湿处理，使表面黏附上液态金属，提高上层导电滑环和下层导电滑环的导电可靠性。

本发明的优点及积极效果为：

(1)本发明采用液态金属驱动，对转子框架有保护作用，避免了常见的电磁电机的电极转子发生堵转时，电磁电机的电磁线圈出现烧毁的问题。

(2)本发明利用液态金属设计导电滑环，实现了外部对转子框架连续供电，具有结构简单、导电可靠、阻力小的特点。

(3)本发明设计有环形水槽，使液态金属驱动的应用场景进一步扩展，为液态金属驱动设备应用于非溶液环境提供重要思路。

(4)本发明利用的液态金属驱动原理和导电滑环的嵌入式设计使得电机的结构及装配较为简单方便。

附图说明

图1为本发明基于液态金属驱动的旋转电机的整体结构示意图；

图2为本发明基于液态金属驱动的旋转电机结构的爆炸视图示意图；

图3为本发明基于液态金属驱动的旋转电机的转子框架结构细节示意图；

图4为本发明基于液态金属驱动的旋转电机的环形水槽结构细节示意图。

其中：1为上电机框架，2为上层导电滑环定子，8和14为滚珠轴承一和二，13为上层导电滑环定子电极，3为上层导电滑环中的液态金属，12为上层导电滑环转子电极，4为转子框架，15为电机转轴，11为石墨电极，5为下层导电滑环转子电极，10为下层导电滑环中的液态金属，6为下层导电滑环定子电极，9为环形水槽，7为下电机框架。401为转子框架4的圆心处上方的圆环形水槽，402为转子框架4的圆心处下方的管状凸台，901为环形水槽的外圈水槽，902为环形水槽的内圈水槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1、2所示，本发明的一种基于液态金属驱动的旋转电机，包括上电机框架1，下电机框架7，上层导电滑环中的液态金属3，下层导电滑环中的液态金属10，滚珠轴承一8，滚珠轴承二14，转子框架4，石墨电极11，上层导电滑环定子2，上层导电滑环定子电极13，下层导电滑环定子电极6，上层导电滑环转子电极12，下层导电滑环转子电极5，环形水槽9，电机转轴15。

其中，上电机框架1与下电机框架7为同心圆结构，上电机框架1安装在下电机框架7的顶部，形成圆柱形的液态金属驱动的旋转电机的支撑框架。

其中，环形水槽9安装固定在下电机框架7底部，且环形水槽9的中心圆孔与下电机框架7底部中心的环形凸台相配合，保证环形水槽9与下电机框架7同心。

其中，环形水槽9的外圈水槽901注入有电解质溶液如氢氧化钠溶液；环形水槽9的内圈水槽902底部铺设有下层导电滑环定子电极6，并注入有下层导电滑环中的液态金属10与电解质溶液，下层导电滑环定子电极6为转子框架4的外部供电提供电源接入口。

其中，转子框架4与电机转轴15装配在一起并通过滚珠轴承8、滚珠轴承二14固定在上电机框架1与下电机框架7组成的液态金属驱动的旋转电机的支撑框架内。

其中，转子框架4均匀分布有多个存储有液态金属液滴的存储腔，每个液态金属存储腔的外表面分别搭载有两个石墨电极11，并延液态金属驱动的旋转电机的旋转方向布置；转子框架4上的存储腔会浸没在环形水槽9的内圈水槽901的电解质溶液中并于环形水槽9的内圈水槽901的底部留有一定间隙。

其中，转子框架4的圆心处上方有一圆环形水槽401，下方有一管状凸台402。转子框架4的圆心处上方的圆环形水槽401底部铺设有上层导电滑环转子电极12，且水槽内注入有上层导电滑环中的液态金属3和电解质溶液；转子框架4下方的管状凸台402底部固定有下层导电滑环转子电极5。

其中，上层导电滑环定子电极13铺设在上层导电滑环定子2底部，并一起套在上电机框架1上，为转子框架4的外部供电提供电源接入口。

其中，下层导电滑环的定子电极6与下层导电滑环的转子电极5中间留有间隙，用于存储下层导电滑环中的液态金属10；上层导电滑环的定子电极13与上层导电滑环的转子电极12中间留有间隙，用于存储上层导电滑环中的液态金属3。由于液态金属具有液体的流体特性和金属材料的良导电性，因此既实现了环形水槽9与转子框架4的相对转动，又保证了下层导电滑环的定子电极6与下层导电滑环的转子电极5的连通和上层导电滑环的定子电极13与上层导电滑环的转子电极12间的电路连通。

其中，上层导电滑环定子电极、上层导电滑环转子电极、下层导电滑环定子电极、下层导电滑环转子电极的表面需进行电润湿处理，使表面黏附上液态金属，提高上层导电滑环和下层导电滑环的导电可靠性。

其中，转子框架4上的每个液态金属存储腔上的两个石墨电极11通过铜导线分别与上层导电滑环转子电极12和下层导电滑环转子电极5相连，并且转子框架4上与上层导电滑环转子电极12相连的石墨电极11与下层导电滑环转子5电极相连的石墨电极11呈间隔分布；上层导电滑环的定子电极13和下层导电滑环的定子电极6分别与外部直流电源相连接，实现对基于液态金属驱动的旋转电机的持续供电。

其中，转子框架4的液态金属存储腔上石墨电极11为存储腔内的液态金属提供独立的驱动电场，存储腔内的液态金属在电解质溶液中表面会形成一层双电层，在电场作用下液态金属表面的双电层重新分布，靠近正极的双电层电压增加，靠近负极的双电层电压降低。因为电解质溶液的电导率有限，所以沿着石墨电极连线的方向，液态金属和周围电解液的界面之间会产生一个电位梯度。根据李普曼方程，和杨—拉普拉斯方程，靠近正极处的压力差会小于靠近阴极处的压力差，不平衡的压力差会产生一个驱动力，驱动液态金属向阳极移动，进而推动电机转子转动。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于，包括：定子模块、转子模块和供电模块；所述定子模块包括上电机框架、下电机框架和环形水槽；所述转子模块包括转子框架、石墨电极和电机转轴，转子框架固定在电机转轴上，通过滚珠轴承使转子模块整体安装在定子模块内，并且转子模块相对定子模块自由旋转；所述供电模块为嵌入在旋转电机内部的双通路的液态金属导电滑环，所述液态金属导电滑环分为上层导电滑环和下层导电滑环，上层导电滑环由上层导电滑环定子、上层导电滑环定子电极、上层导电滑环中的液态金属、上层导电滑环转子电极和转子框架圆心处上方的圆环形水槽构成；下层导电滑环由转子框架圆心处下方的管状凸台、下层导电滑环转子电极、下层导电滑环中的液态金属、下层导电滑环定子电极和环形水槽的内圈水槽构成；所述环形水槽固定在下电机框架内，且环形水槽的外圈水槽内装有电解质溶液，为液态金属存储腔中的液态金属的液滴驱动提供溶液环境；转子框架为运动单元，其上有多个浸没在环形水槽的外圈水槽内的液态金属存储腔，所述液态金属存储腔内的液态金属的液滴在电场作用下推动转子框架转动；每个液态金属存储腔的外表面分别搭载有两个石墨电极，每个液态金属存储腔上的石墨电极沿转子框架的旋转方向布置，通过液态金属导电滑环向石墨电极接入外部直流电源，为液态金属存储腔内的液态金属提供电场，驱动基于液态金属驱动的旋转电机持续旋转。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述定子模块中的上电机框架为内部有十字框架的圆环结构，下电机框架为底部有十字框架的桶形框架，上电机框架与下电机框架共同组成液态金属驱动的旋转电机的圆柱形框架，为转子框架输出旋转运动提供结构支撑。

3.根据权利要求1或2所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述上电机框架和下电机框架采用轻质材料，所述轻质材料为铝合金和光敏树脂，提供足够的结构强度，同时减轻电机自重；上电机框架和下电机框架的使用的材料及尺寸根据工作需求进行调整，如果需要轻量紧凑的工作要求时，上电机框架和下电机框架采用光敏树脂，其尺寸相应减小。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述环形水槽为光敏树脂3D打印加工，满足绝缘与轻量的要求，所述环形水槽包括两个环形的水槽和一个内孔，两个环形的水槽分别为环形水槽的外圈水槽和环形水槽的内圈水槽；环形水槽的外圈水槽用于装载电解质溶液为液态金属液滴驱动提供溶液环境；环形水槽的内圈水槽底部固定有下层导电滑环定子电极，下层导电滑环定子电极为金属铜片制作的环形结构，并且环形水槽的内圈水槽内注入有电解质溶液和液态金属。

5.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述上层导电滑环定子为光敏树脂3D打印加工的管状结构，上层导电滑环定子固定在上电机框架圆心处，底部固定有上层导电滑环定子电极，上层导电滑环定子电极为金属铜片制作的环形结构。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述转子框架为光敏树脂3D打印加工，转子框架沿圆周均匀分有多个浸没在环形水槽的外圈水槽内的液态金属存储腔的圆盘结构，转子框架的圆心处上方有一圆环形水槽，下方有一管状凸台，每个液态金属存储腔的顶部留有空隙用于调节液态金属存储腔的腔室内外压强大小，且每个液态金属存储腔的外表面分别搭载有两个石墨电极，每个液态金属存储腔上的石墨电极沿转子框架的旋转方向布置，为存储腔内的液态金属提供独立的驱动电场；所述转子框架圆心处上方的圆环形水槽底部固定有上层导电滑环转子电极，上层导电滑环转子电极为金属铜片制作的环形结构，且转子框架的圆环形水槽内注入有液态金属和电解质溶液；所述转子框架的管状凸台底部固定有下层导电滑环转子电极，下层导电滑环转子电极为金属铜片制作的环形结构。

7.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述上层导电滑由上层导电滑环定子、上层导电滑环定子电极、转子框架圆心处上方的圆环形水槽、上层导电滑环转子电极、上层导电滑环中的液态金属、电解质溶液组成；上层导电滑环定子与转子框架圆心处上方的圆环形水槽底部留有间隙，使得上层导电滑环定子与转子框架相对转动且上层导电滑环定子电极和上层导电滑环转子电极间上层导电滑环中的液态金属；由于液态金属具有液体的流体特性和金属材料的良导电性，因此既实现上层导电滑环定子与转子框架的相对转动，又保证上层导电滑环定子电极和上层导电滑环转子电极间的电路连通。

8.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述下层导电滑由环形水槽的内圈水槽、下层导电滑环定子电极、转子框架圆心处下方的管状凸台、下层导电滑环转子电极、下层导电滑环中的液态金属、电解质溶液组成；转子框架圆心处下方的管状凸台与环形水槽的内圈水槽底部留有间隙，使得环形水槽与转子框架相对转动且下层导电滑环定子电极和下层导电滑环转子电极间存储有下层导电滑环中的液态金属；由于液态金属具有液体的流体特性和金属材料的良好的导电性，既实现环形水槽与转子框架的相对转动，又保证下层导电滑环定子电极和下层导电滑环转子电极间的电路连通。

9.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述转子框架上的每个液态金属存储腔上的两个石墨电极通过铜导线分别与上层导电滑环转子电极和下层导电滑环转子电极相连，并且上层导电滑环转子电极相连的石墨电极与下层导电滑环转子电极相连的石墨电极呈间隔分布；上层导电滑环的定子电极和下层导电滑环的定子电极分别与外部直流电源相连接，实现对基于液态金属驱动的旋转电机的持续供电。

10.根据权利要求1所述的基于液态金属驱动的旋转电机，其特征在于：所述上层导电滑环定子电极、上层导电滑环转子电极、下层导电滑环定子电极、下层导电滑环转子电极的表面需进行电润湿处理，使表面黏附上液态金属，提高上层导电滑环和下层导电滑环的导电可靠性。

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