CN113574273B - 在低电力下操作的包括形状记忆合金螺旋弹簧的线性致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及线性致动器，线性致动器包括电控的形状记忆合金螺旋弹簧(23)，该弹簧(23)适用于在阀、开关、锁定系统中提供线性位移并且在每个末端设置有压接端子，所述压接端子中的每个压接端子包括圧接部件(21)和适用于将弹簧(23)安装至线性致动器中的接合构件(22)。本发明进一步公开了具有特定几何特性和压接系统的所述弹簧的使用，以确保可用冲程和疲劳寿命的最大化、结构简单化、较低的电力需求和热惯量、较小的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括电控形状记忆合金螺旋弹簧的致动器，该螺旋弹簧适用于控制阀、开关、锁定系统等中的线性位移并且要求低电压和电流。
背景技术
致动器在诸如废水处理厂、发电厂、制造厂和炼油厂的各种工业应用中以及在某些消费或诸如白色家电的住宅装置中是众所周知的。致动器可以与所谓的单稳定性机构或多稳定性机构联结以协助致动器组件应用，单稳定性或多稳定性分别指对象具有一个或多个(两个或更多个)稳定状态的能力。将对象保持在稳定状态中的任何一个稳定状态(例如，双稳态对象的两个状态)只需要很少能量或不需要能量，然而使对象从稳定状态移位(例如，在两个给定稳定状态之间切换)需要致动能量。
用于致动器诱导运动的最常用的装置类型是螺线管，螺线管是适用于将能量转化为可移动元件的线性位移的装置。机电螺线管通常包括围绕磁芯缠绕的导电线圈，使得该线圈在电流通过时产生磁场，从而诱导磁芯轴向移动。可移动元件联结至磁芯使得可移动元件可以被致动以获得线性位移，示例性应用是阀、用于白色家电的门的开关或锁定系统的致动。
关于机电螺线管的常见限制——特别地但不仅是当机电螺线管在小型消费应用或便携式消费应用中使用时——是它们具有较大的动力需求的事实。事实上，螺线管的运行需要昂贵且复杂的动力源，因为螺线管必须配备有交流到直流动力转换器或“串联”配置的各种昂贵的电池。
螺线管的进一步缺点在于下述事实：螺线管会产生热量以及产生外部磁场，这可能会影响致动器或装置中的其他部件，以及精确控制可能会是困难的并且它们的响应时间比期望时间长。
在过去的几十年里，已经做到了由包括形状记忆合金(SMA)材料的部件取代螺线管。SMA材料具有在环境温度下的第一松弛(马氏体)状态以及当加热到预定温度时的第二完全致动(奥氏体)状态。由SMA材料制成的部件在商业上可采用形状和结构：线材、棒材、螺旋弹簧、片材都是普遍的示例。已经进行了用这些SMA部件取代线性致动器中的螺线管的若干尝试，致动领域中的这些SMA部件受电控制而不是对环境温度作出响应。
US 5211371公开了线性致动的阀，其中通过由非SMA弹簧偏置的SMA线材的操作，密封件能够相对于关闭位置与打开位置之间的主体移动。US 5211371公开的主要在于直SMA线材的使用的简单构型的特征在于有限的冲程，即致动器的可移动部分的位移太小导致无法在许多应用中使用。
事实上，已经在一些出版物中描述了改进通过使用SMA部件获得的冲程的一些尝试。
US 9027903公开了SMA线材与三个带轮结合使用的致动器。带轮布置结构对于降低组件的形式因素要求是必要的：使细丝在组件内在带轮之间来回“蜿蜒”允许将可移动部分的位移(即，有效冲程)提升大约单个直行线材位移的四倍。明显的是，像这样的解决方案会使致动器的结构更加复杂，并且如果在致动器内部布置带轮时存在很大的限制则无法总是使用像这样的解决方案。
尽管有上述限制，线材也已经是线性致动器中由电力供应驱动的利用最多的SMA部件，特别是与螺旋弹簧相比。事实上，SMA弹簧通常用作响应于环境温度而不响应于电流的构件，因为SMA弹簧容易受到温度梯度的影响，如果SMA弹簧的某些部分没有达到相位变换的适当温度，温度梯度就会使螺旋形状变形。此外，螺旋形状的SMA部件没有和线性形状的SMA部件一样大且同质的恢复力：事实上，弹簧的恢复力仅在弹簧表面达到最大并且朝向中心减弱。
US 5816306公开了百叶窗机构的形状记忆合金致动器，该致动器包括至少一个SMA弹簧，但是没有提及如何克服与使用电流相关的上述限制。
US 2015/0073318公开了包括形状记忆合金(SMA)线性致动器构件的主动压缩服装，该致动器构件构造成基于存在或不存在所施加的电刺激而对感兴趣的本体部分施加压缩或从感兴趣的本体部分去除压缩。线性致动器构件包括SMA螺旋弹簧，螺旋弹簧的外径与螺旋线材的厚度之间的比率为4.08，但是没有提及所述弹簧如何连接至致动器单元和连接至从动元件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中描述的线性致动器中的SMA部件的缺点，确保提供普遍应用的可能性的可用冲程和寿命周期数的最大化、结构简单化、较低的电力需求和热惯量、较小的尺寸。
附图说明
将借助于以下附图说明本发明：
·图1示出了根据本发明的弹簧及其从未致动状态到致动状态工作的示意图；
·图2示出了根据本发明的具有压接端子的弹簧；
·图3示出了图2的压接端子的放大纵向截面图；以及
·图4a至图4d示出了根据本发明的弹簧的替代性压接端子。
具体实施方式
上述附图中仅示出了用于理解本发明的基本元件，没有示出诸如电流供应源的辅助部件，因为辅助部件是技术领域中已知的普通装置。此外，在一些情况下改变元件尺寸和尺寸比例来提高元件的可读性，特别地但不唯一参照SMA线材直径。
本发明不限于任何特定的形状记忆合金材料，即使优选的是基于镍-钛的合金，例如以镍钛合金的商品名普遍已知的合金，其基本特性在US4830262中进行描述。也可以采用在US 8152941和US 8430981中以SAES智能材料的名称进行描述的更新的和改进的形状记忆合金。
特别地，术语基于镍-钛的形状记忆合金包括主要含量为镍和钛(至少60％的原子百分比(at％))的形状记忆合金，因为另外的元素可能赋予不同的特性，例如在US 4565589中描述的镍-钛-铜合金的情况下具有较低的迟滞现象，或例如在US 5114504中描述的镍-钛-铪合金的情况下具有较高的转变温度。
本发明主要在于一种线性致动器，该线性致动器包括具有特定几何特性的SMA螺旋弹簧和用于连接至从动元件的装置。事实上，发明人已经发现，当螺旋弹簧的端子部分以适用于提高寿命周期数的新颖方式压接时，螺旋弹簧的外径(D)与螺旋线材的厚度(T)之间的比率(Φ)包括在4与10之间的螺旋弹簧可以有利地用于线性致动器中。
如果比率Φ低于4，会发现弹簧不适用于实现所期望的冲程和致动速度，因为线材太粗并且具有高热惯量，而当该比率高于10时，弹簧的低强度限制了弹簧用于替换螺线管的优势，因为线材太细而不能提供足够的力。
图1示意性地表示了根据本发明的弹簧11，该弹簧11由具有厚度T的SMA线材形成，该SMA线材以下述方式盘绕：使得具有末端12和13的螺旋弹簧11具有外径D、内径d和当弹簧11处于其未致动状态A时的长度L。为了清晰起见，重要的是注意外径D和厚度T可以分别根据弹簧的截面和螺旋线材的截面进行测量。因为弹簧11和构成该弹簧的螺旋线材都可以具有不是完全圆形的横截面，为了本发明的目的，外径D和厚度T可以被认为是可以外接所述横截面的最小圆的直径。
图1的未致动状态A与致动状态B之间的比较示意性地示出了当在弹簧11的末端12和13处供应电力时，弹簧11如何与偏置负载(未示出)相关联地工作，使得弹簧11移动至其致动状态B并且其长度减小到L’，提供定义为L-L’的冲程S。根据本发明的弹簧11的使用允许实现比未盘绕的线材高许多倍的冲程，通常在2倍与12倍之间。
外径D优选地包括在0.1mm至10mm之间，线材厚度T优选地包括在0.025mm至1mm之间，并且弹簧11的匝数优选地包括在2至240之间。用于制造弹簧的盘绕的SMA线材可以可选地涂覆有不同的材料，例如聚氨酯、硅树脂、金属、漆、涂料、微胶囊化相变材料。在这种情况下，对于外径D和线材厚度T的测量，不必考虑涂层对弹簧和线材的各自部分的贡献，即各部分需要参照由SMA材料制成的弹簧和线材的芯部来进行评估。
作为图2和图3中所示出的本发明的主要技术特征，弹簧在其末端与压接端子一起使用，每个端子包括压接部件21和通过所述压接部件21连接至弹簧23的接合构件22，其由适用于被适当地变形的延展性材料(例如黄铜、铝、铜)制成并且在图中仍然以其未变形形状示出。
图3示出了图2的压接端子的放大纵向横截面，其中，压接部件21具有管状体21a，管状体21a在其远端端部朝向接合构件22可选地设置有锥形扩口21b，接合构件22具有通常是棒状线性形状的连接部分22a以及用于与设置在线性致动器中的相应接合装置接合的钩形的装配部分22b。锥形扩口也可以可选地定位在近端端部处、即朝向弹簧以使弹簧的插入简化。此外，管状体可以由管或经过适当的预变形具有管状形状但是没有结构连续性的金属条带获得。为了适当地保持和使用弹簧23，接合构件22用作压接端子的内部部分，而压接部件21用作压接端子的外部部分，这与常规的压接系统不同，在常规的压接系统中，装配部分形成在压接部件21上、即没有单独的接合构件22。
更具体地，内部部分的连接部分22a的直径基本上等于弹簧的内径d，而外部部分的管状体21a的内部直径等于或远大于弹簧23的外径D。外部部分(压接构件21)在弹簧23的端子部分和内部部分(接合构件22)两者上适当地变形和压接，允许在其各部分之中没有相对运动的情况下处理和使用整个系统，内部部分负责保持弹簧23仅在与外部部分相对应时不变形。为了这个目的，内部部分通常由必须比外部部分硬的材料制成，比如钢，尽管外部部分也可以由钢制成，如果由钢制成的外部部分的厚度允许所需的变形(即使优选的是较软的材料)。
如上所述，钩形接合构件22适用于帮助将弹簧23安装至设置有相应接合装置的装置的线性致动器中，并且类似地，图4a至图4d示出了用于压接端子的包括接合构件的一些替代形状，其中，装配部分具有如图4a中的“L”形44、如图4b中的钉形44’、如图4c中的球形44”或图4d中的带孔方形44”’。
即使在上述描述中，已经参照弹簧的线性构型对本发明的工作原理进行了解释，但在第二可能的实施方式中(附图中未示出)，所述弹簧可以安装在最终装置中从而形成“V”形或“U”形。在这些替代方式中，通过移动元件连接至弹簧的中间部分而不是连接至弹簧端部中的一个端部来保证移动元件的线性位移。
通过设置相同的工作力和相同的安装长度，以及供给适当的电流来对直线材和螺旋弹簧两者进行致动，可以实行线材与弹簧之间的比较，线材与弹簧之间的比较适用于通过使用低电力供应为根据本发明的弹簧替代线性致动器中的线材或螺线管的优势给出证明。使用专用的测试设备，该专用测试设备由非常坚硬的铝制超静压框架组成以保证线材/弹簧变形的正确测量，因为这种框架允许保持约束的SMA元件(线材和弹簧)并且允许向约束的SMA元件供给电流，以及允许用恒定的负载或偏置弹簧来加载这种框架。
由于内部设计的电子设备，这种测试设备允许用于SMA元件的不同参数的测量，例如冲程、馈电电流、致动时间、疲劳表征的循环次数。通过使用激光测量冲程，并且可以证实的是，用根据本发明的弹簧获得的冲程可以达到弹簧长度的12％，而线材确保的值限于3％左右。
类似的方法用于线性螺线管与根据本发明的SMA弹簧之间的比较，通过从线性螺线管的性能出发然后设计出可以执行相同机械工作的SMA弹簧。对以前的测试设备进行了修改以便允许螺线管的供给，从而保证线性螺线管(12V)的适当供给和SMA弹簧(能够根据弹簧长度变化)的适当供给两者，并且因此对实际馈电电流、为SMA弹簧提供电力的电压以及致动时间进行测量。通过向螺线管的运动部分施加稳定的力并且在12V的电压下为装置提供电力而获得机械功，两个端部止挡件施加与两个端部止挡件之间的距离相等的相同的冲程，因此力与冲程的乘积就是机械功。
对这两种致动器的重量和尺寸以及这两种致动器执行相同的机械功能所需要的电力进行比较，结果是与螺线管相比，SMA螺旋弹簧可以允许获得若干优势。事实上，可以实现重量和体积两者都超过90％的显著减少，以及用于致动器的致动的电力的大幅减少，即比螺线管所需动力减少50％以上且最多90％。
下面，将参照以下非限制性示例更详细地说明本发明，目的是与常用的压接系统相比为根据本发明压接的弹簧的优势给出证明。
本压接系统包括刚性部分，该刚性部分构成了不可变形的芯部，该芯部插入位于弹簧的两个端部处的螺旋匝内，使得所述螺旋匝被压缩/约束在刚性芯部与由可变形材料制成的外部管之间。传统的压接引起位于弹簧端部的螺旋匝变形，结果是，与根据本发明的压接系统相比，在相同的负载和冲程条件下，疲劳寿命较短。
线性疲劳测试是在工位上进行的，工位的设置如下：弹簧的第一端部锚定至工位结构的上部固定部分，第二端部借助于仅能以低摩擦竖直滑动的机械部件连接至钢制偏置弹簧的第一端部，并且钢制偏置弹簧的第二端部连接至工位的固定结构。将两个弹簧连接的机械部件具有冷止挡件，并且由于放置在工位结构上的霍尔传感器可以检测由与机械部件成一体的永久磁体产生的磁场，因此允许检测通过弹簧行进的冲程。通过与弹簧的冲程和负载相称的电脉冲发生弹簧的致动，操作周期之间的冷却时间与弹簧的质量严格相关。
通过施加0.5N的操作力和4mm的操作冲程对具有30螺旋匝、线材直径为0.13mm和内径为0.5mm的两个相同的弹簧实行了测试。具有这种压接几何形状(即，刚性内芯部)的弹簧能够工作100000次循环以上，而对于以常规方式压接的弹簧，疲劳寿命少于15000次循环。
根据本发明，使用包括SMA螺旋弹簧的线性致动器允许在若干装置——例如锁定装置、门闭合开关或流体阀——中获得上述所有优势。
Claims (12)
1.一种线性致动器，包括电控的形状记忆合金的螺旋弹簧(11，23)，所述螺旋弹簧具有外径(D)并且由具有厚度(T)的形状记忆合金螺旋线材制成，所述外径(D)与所述线材厚度(T)之间的比率(Φ)被包括在4与10之间，所述螺旋弹簧(23)在每个末端设置有压接端子，所述压接端子中的每个压接端子包括压接部件(21)以及装配部分(22b)，在所述螺旋弹簧(23)的端子部分上对所述压接部件(21)进行变形和压接，所述装配部分(22b)适用于将所述弹簧(23)安装至设置有相应的接合装置的所述线性致动器中，其特征在于，所述装配部分(22b)形成在所述压接端子的单独的接合构件(22)上，所述接合构件(22)包括连接部分(22a)，所述连接部分(22a)在尺寸和材料上构造成装配在所述螺旋弹簧(23)的所述端子部分中，并且在所述压接部件在所述螺旋弹簧(23)的所述端子部分上被压接时保持所述螺旋弹簧(23)的所述端子部分不变形。
2.根据权利要求1所述的线性致动器，其中，所述外径(D)被包括在0.1mm至10mm之间。
3.根据权利要求1或2所述的线性致动器，其中，所述线材厚度(T)被包括在0.025mm至1mm之间。
4.根据权利要求中1或2所述的线性致动器，其中，所述弹簧(11，23)的匝数被包括在2至240之间。
5.根据权利要求中1或2所述的线性致动器，其中，所述压接部件(21)包括管状体(21a)，所述管状体(21a)的内径等于或大于所述弹簧(23)的所述外径(D)。
6.根据权利要求5所述的线性致动器，其中，所述管状体(21a)由管或预成形的金属条带形成。
7.根据权利要求5所述的线性致动器，其中，所述管状体(21a)在所述管状体(21a)的朝向所述接合构件(22)的远端端部处和/或在所述管状体(21a)的朝向所述弹簧(23)的近端端部处设置有锥形扩口(21b)。
8.根据权利要求中1或2所述的线性致动器，其中，所述装配部分(22b)具有钩形、或L形(44)、或钉形(44’)、或球形(44”)或带孔方形(44”’)。
9.根据权利要求1或2所述的线性致动器，其中，所述形状记忆合金螺旋线材涂覆有选自聚氨酯、硅树脂、金属、涂料、微胶囊化相变材料的材料。
10.一种包括根据权利要求1至9中的任一项所述的线性致动器的装置，其特征在于，包括连接至线性布置的所述形状记忆合金螺旋弹簧(11，23)的末端的可移动元件。
11.一种包括根据权利要求1至9中的任一项所述的线性致动器的装置，其特征在于，包括连接至以U形或V形构型安装的所述形状记忆合金螺旋弹簧(11，23)的中间部分的可移动元件。
12.根据权利要求10或11所述的装置，所述装置是锁定装置、门闭合开关或流体阀。
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