专利名称：大扭矩连续旋转型sma电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用SMA丝的形状记忆效应和摩擦棘轮原理设计的一种能够连续旋转并输出较大扭矩(相对于相同重量下的普通电机)的机构。
背景技术：
很多机构或系统(如航天器)需要功重比大的电机进行驱动，如航天飞船舱门的开启，太阳能帆板角度调整、飞机发动机矢量喷口转向等，目前这些地方多使用普通电机。但它们体积大，重量重，提高了航空航天飞行器的飞行成本，甚至某些地方由于安装空间狭小，而要求输出扭矩较大，普通电机根本不能使用。解决这些问题的焦点集中在利用新材料(如形状记忆合金，英文縮写SMA)发展一种新型的高功重比，大扭矩连续旋转的电机。
在利用SMA研制电机上上，国内外都有了一定的进展，提出了多种设计方案，主要有直线型电机和旋转型电机两类方案。直线型电机方案主要以"基于内嵌式形状记忆合金电机的组合式拟人机械手"(中国专利申请号200610018786)为代表，这类直线型电机的结构、原理及其所实现的功能都和本申请的"大扭矩连续旋转型SMA电机"不同，在此不作讨论。另一类设计方案为旋转型电机，其中以Smith，W.K.提出的"活塞式偏心曲柄型热机"最具有代表性(参见《形状记忆合金》，174页，日，舟久保熙康编)，其结构如图l所示，它由飞轮1、SMA弹簧2、驱动单元3、曲轴4组成。飞轮1连接到曲轴4上，每个驱动单元3分别和曲轴相连。工作时，顺次对各个驱动单元3加热(加热方法未给出)，每个驱动单元3依次作动，从而使曲轴连续旋转，输出扭矩。"活塞式偏心曲柄型热机"虽然具有能连续运转、输出扭矩等特点，但其也具有致命的缺点 (1)采用SMA弹簧作为驱动源，使得输出扭矩很小(在丝径相同的情况下，SMA弹簧输出的力要比SMA丝小很多)。 (2)没有考虑对SMA弹簧的安装及加热方式，现有技术中，SMA弹簧加热远不如SMA丝方便高效。 (3)对SMA弹簧的通电加热开始和结束时间受相位角的约束，使得对加热的控制变得比较困难。在该现有技术方案中，SMA弹簧的回复伸展是靠其他SMA弹簧的收縮和/或曲轴的继续转动来完成的。具体说，图1中显示处于伸展状态的SMA弹簧在下一冲程里将进行加热收縮(致动)，图1中处于收縮状态的SMA弹簧在下一冲程里将进行降温伸展(回复)；这需要很难实现的加热/降温相位角的精确控制。此外，为了使SMA弹簧产生可以接受的回复力，SMA弹簧的弹簧丝一般很粗，这使得通电加热很难实现，电热丝加热或者水浴加热等，加热效率比较低。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在的输出扭矩小，加热方式效率低的问题，提供了一种输出扭矩大，加热效率高的新型大扭矩连续旋转型SMA电机。
3技术方案如下至少两个驱动单元串联安装在主轴上，主轴安装在支架 上，各驱动单元通过顺次作动带动主轴连续转动。驱动单元主要包括SMA丝、弹簧、旋转盘、 棘轮和棘爪。其中，驱动单元的一个驱动端通过压扁的不锈钢管安装到陶瓷支座上，陶瓷支 座再安装到电机的上板上。驱动单元的另一驱动端通过安装在旋转盘上，弹簧的一端挂在 旋转盘上，另一端通过调节螺栓安装到底板上，棘爪安装在旋转盘上，同时它又被安装在旋 转盘上的弹簧片压紧并且和棘轮啮合，棘轮通过键槽安装到主轴上。当对一号驱动单元SMA 丝通电加热时，SMA丝收縮，拉动旋转盘旋转，旋转盘通过安装在其上的棘爪推支棘轮旋转， 棘轮通过键连接带动主轴旋转，当停止对一号驱动单元加热后，立刻对二号单元加热，二号 驱动单元的SMA收縮带动主轴继续旋转，同时，一号驱动单元在停止加热后，SMA丝慢慢冷 却，在弹簧的作用下，旋转盘向与主轴运动相反的方向旋转，同时重新拉伸SMA丝，为下一 下作动作好准备，由于旋转盘和主轴是通过棘轮棘爪连接的，因此旋转盘反向旋转不会带 动主轴旋转，当对第五号驱动单元通电完毕后再次对一号单元通电，如此循环，保证主轴连 续转动，形成稳定输出。 根据本发明的一个方面，提供了一种SMA电机，其特征在于包括 —根主轴； 多个并置的SMA丝-弹簧驱动元件，每个所述SMA丝-弹簧驱动元件都包括一根 SMA丝和用于使该SMA丝伸展回复的弹簧； 分别为每个所述SMA丝-弹簧驱动元件设置的单向旋转驱动耦合装置，所述单向 旋转驱动耦合装置在所述SMA丝-弹簧驱动元件的SMA丝收縮驱动冲程里与所述主轴保持 啮合，而在所述SMA丝-弹簧驱动元件的弹簧收縮的冲程里与所述主轴脱离啮合。
本发明与现有的技术相比，具有输出扭矩大，加热效率高，不受相位角的约束等优 点，具体表现在以下几个方面 (1)本发明采用了 SMA丝和弹簧联合作动，构成驱动单元，而SMA丝通电加热后产 生的回复力要比相同丝径下的SMA弹簧加热后产生的回复力大很多，使得本发明和现有技 术相比，输出扭矩大大增加。 (2)本发明采用SMA丝作为驱动元件，SMA丝的通电加热效率远远高于SMA弹簧 (为了使SMA弹簧产生可以接受的回复力，SMA弹簧的弹簧丝一般很粗，这使得通电加热很 难实现，因为电热丝加热或者水浴加热等加热效率相对比较低；而SMA丝丝径一般很小，用 通电方法就能很好加热，加热效率高)，因此和现在技术相比，本发明的加热时间更短，加热
方式更简单有效。 (3)本发明在主轴和旋转盘之间采用单向旋转驱动耦合装置连接，使得本发明实 现了单向旋转致动，保证了在驱动大负载运动时不会发生因为负载过大而逆转的现象。另 外，棘轮棘爪连接还使得本发明驱动单元的作动不依赖于相位角，降低甚至消除了对加热/ 降温相位角进行精确控制的要求。 (4)本发明提供了 SMA丝、弹簧、陶瓷件的整装、模块化方案，其中SMA丝、弹簧、陶 瓷件可在整装完成之后再装配到电机驱动轴上，极大地便利了 SMA电机的安装、调试和/或 维修操作。 (5)本发明主轴设计采用了轴向传扭和周向止推键槽设计，大大简化了连接结构， 同时在保证正常传递扭矩的情况下控制了每个驱动单元安装时的累积公差，提高了安装精
4度。 (6)本发明中，采用了在有限空间内增大SMA丝的长度并同时保证绝缘性的措施， 从而大大增加了机构的裕度，增加了解锁的成功率。 (7)本发明采用了新颖的SMA丝的紧固措施，采用不锈钢管套住SMA丝并压扁，然 后再穿过其上有直径大于SMA丝直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座 来紧固，这样和现有技术相比，SMA丝更不易因机械损伤而断裂，从而提高了使用可靠性。
附 1 : 6 :
10 15 20 25
1为现有技术的"活塞式偏心曲柄型热机"的结构示意图。
2为本发明的大扭矩连续旋转型SMA电机的一个实施例的外观前视图。
3为图2所示的SMA电机的实施例的外观正等测图。
4为根据本发明的SMA电机的一个实施例的驱动单元与主轴的正等测图
5为图4所示的驱动单元与主轴的正等测图。
6为图4所示的驱动单元的剖视图。
7为根据本发明的一个实施例的摩擦棘轮和主轴的剖视图。 8为图7所示的摩擦棘轮和主轴的正等测图。
9为根据本发明的一个实施例的SMA丝、弹簧、陶瓷件的安装方案示意图 图标号说明
飞轮2 :SMA弹簧 3 :驱动单元
支板 7:压扁的不锈钢管 :弹簧ll:调节螺栓 12:陶瓷外套 :旋转盘16:陶瓷滑轮 17:摩擦棘爪 :调节螺母21 :转接轴 22 :底座
:键 26:轴向键槽 27:周向键槽
4:曲轴 5:主轴 8 :陶瓷支座9 :SMA丝 13 :轴承14 :陶瓷垫 18:片弹簧19:摩擦棘轮 23 :上板24 :方孔 28:凸台29 :槽
具体实施例方式
对本发明的应用而言，SMA(形状记忆合金)材料的"形状记忆特性"是指材料在 某一较低温度下被拉伸变形，卸载后其变形不能完全回复，留有残余变形。但是只要对其加 热到某个较高温度之上，则残余变形消失，回复到原来的未被拉伸的形状，表现为"记忆较 低温度下的形状"，且回复过程中产生很大的回复力。 工程中通常将SMA丝与弹簧配合组成驱动元件，即通过一定拉伸变形的SMA丝与 弹簧相互连接，低温下弹簧力大于SMA丝的低温屈服力，使SMA丝保持在被拉伸的状态，直 至弹簧力与SMA丝的屈服力和输出负载平衡；当温度上升时，SMA丝收縮，SMA丝的回复力 克服弹簧力而使弹簧收縮。当温度再下降时，SMA丝恢复到与初始的弹簧力平衡的状态，从 而实现SMA-弹簧元件的往复作动。 下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。 如图4所示，SMA丝9通过陶瓷滑轮16安装在旋转盘15与陶瓷支座8之间，弹簧 10 —端挂在旋转盘15上，另一端通过调节螺栓11安装在底座22上。弹簧10用于在SMA 丝9的回复周期里拉伸SMA丝9。 SMA丝9收縮造成的扭矩作用在旋转盘15上。
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根据一优选实施例，如图4所示，SMA丝9依次穿过压扁的不锈钢管7，陶瓷支座8， 绕过陶瓷外套12，陶瓷滑轮16，然后折回绕过陶瓷外套12，穿过陶瓷支座8和压扁的不锈钢 管7，形成一个回路，加热时只需将导线和陶瓷支座8上面的两个SMA接头相连接，通电加热 即可。SMA丝9的这种折回设计在有限的空间内将SMA丝的长度增加了一倍多。另外，SMA 丝9的紧固是通过采用不锈钢管套住SMA丝9并压扁，然后再穿过其上有直径大于SMA丝9 直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座8来实现，使得SMA丝不易因机械 损伤而断裂。 固定在所述旋转盘15上的陶瓷垫14用于对SMA丝9进行导向和/或定位。
在本申请人2007年11月12日提交的发明名称为"耐高温形状记忆合金丝紧固装 置"的中国专利申请第200710177157. 1号中，描述了用压扁的不锈钢管7和陶瓷支座8固 定SMA丝的方法；该专利申请在此被全文引用。 如图5和7所示，摩擦棘轮19通过键25连接安装在主轴5上，键25保证了摩擦棘 轮19和主轴5共同旋转。摩擦棘爪17安装在旋转盘15上，弹簧18安装在旋转盘15上， 它压紧摩擦棘爪17使之和摩擦棘轮19紧紧贴合，当SMA丝9被加热收縮拉动旋转盘15在 图5的图示中作逆时针旋转时，旋转盘15带动摩擦棘爪17旋转，摩擦棘爪17由于摩擦自 锁，带动摩擦棘轮19旋转，摩擦棘轮19则带动主轴5旋转，输出扭矩。而当主轴5顺时针 旋转时，摩擦棘轮19不会带动摩擦棘爪17旋转，从而实现单向旋转驱动。
根据本发明的一个实施例，如图9所示，先把SMA丝9、陶瓷支座8、陶瓷滑轮16、压 扁的不锈钢管7作为一个模块单独安装，当它们安装完毕后再将陶瓷滑轮16从上板23的 方孔24中穿过；方孔24面积比陶瓷滑轮16大，但又足够地小而不允许陶瓷支座8通过；然 后再绕过陶瓷套12，最后再沿垂直方向向下卡入设置在旋转盘15上的槽29中。固定在所 述旋转盘15上的陶瓷垫14用于对SMA丝9进行导向和/或定位。另外，弹簧10可根据需 要进行安装，只需要将弹簧10的挂钩挂上即可，安装极为方便。 请结合参阅图7、图8，根据本发明的一个实施例，主轴5上有轴向键槽26和5个 周向键槽27，摩擦棘轮19上有凸台28，安装时将主轴5右端穿入摩擦棘轮19中心孔中，穿 入的同时使凸台28置于轴向键槽26中，当穿到某一周向键槽27时，将摩擦棘轮19逆时针 旋转，使凸台28卡入周向键槽27中，再将键25轻敲入轴向键槽26和凸台28之间的空隙 里，从而完成摩擦棘轮19在主轴5上的安装。 如图4所示，SMA丝9依次绕过陶瓷套12，陶瓷滑轮16，陶瓷套12，再紧固于陶瓷 支座8上。这样在有限的空间内将SMA丝的长度增加了一倍多。 如图4所示，SMA丝9的紧固是通过采用不锈钢管套住SMA丝9并压扁，然后再穿 过其上有直径大于SMA丝9直径但远小于压扁后的不锈钢管的宽度的孔的陶瓷支座8来实 现。本发明的工作过程如下 如图2、3所示，采用若干个(例如五个)驱动单元3，把这些单元3依次安装在主 轴5上，主轴5安装在支板6上。工作时依次作动每个驱动单元3，驱动主轴5连续旋转。 如图4、5所示，将电源正负极接在第一个驱动单元SMA丝9的两端，对SMA丝9通电加热， SMA丝9收縮，带动旋转盘15顺时针(时针方向参考图4)旋转，旋转盘15带动摩擦棘爪 17顺时针旋转，摩擦棘爪17由于摩擦自锁带动摩擦棘轮19顺时针旋转，摩擦棘轮19带动 主轴5顺时针旋转，旋转盘15旋转的同时将弹簧10拉长，当SMA丝9收縮完毕后，停止对
6第一个驱动单元的通电，同时对第二个驱动单元进行通电，第二个驱动单元继续带动主轴5 顺时针旋转，在停止对第一个驱动单元进行通电后，第一个驱动单元的SMA丝9逐渐冷却， SMA丝9中的回复力逐渐减小，此时弹簧10的拉力逐渐大于SMA丝9中的回复力，在弹簧10 的作用下，旋转盘15逆时针(时针方向参考图4)旋转，重新将SMA丝9拉长，为下一次作 动作好准备。由于棘轮的单向运动工作原理，旋转盘15的逆时针运动不会带动棘轮运动， 因而不会对主轴的正常旋转造成影响。当第五个驱动单元作动完毕后再对第一个驱动单元 进行作动，如此循环实现SMA电机的连续运转。
权利要求
一种SMA电机，其特征在于包括一根主轴(5)；多个并置的SMA丝-弹簧驱动元件，每个所述SMA丝-弹簧驱动元件都包括一根SMA丝(9)和用于使该SMA丝伸展回复的弹簧(10)；分别为每个所述SMA丝-弹簧驱动元件设置的单向旋转驱动耦合装置(15，17，18，19)，所述单向旋转驱动耦合装置在所述SMA丝-弹簧驱动元件的SMA丝收缩驱动冲程里与所述主轴(5)保持啮合，而在所述SMA丝-弹簧驱动元件的弹簧(10)收缩的冲程里与所述主轴(5)脱离啮合。
2. 根据权利要求1的SMA电机，其特征在于每个所述单向旋转驱动耦合装置包括套装固定在所述主轴上的一个棘轮(19);一个旋转盘(15)，其与所述主轴同轴地设置，并可相对于所述主轴转动，所述SMA丝(9)与所述旋转盘(15)相耦合，从而使所述SMA丝(9)的收縮能驱动所述旋转盘(15)转动，一个棘爪(17)，所述棘爪(17)安装在所述旋转盘(15)上，一个棘轮弹簧(18)，其弹性力作用在所述棘爪(17)上而使所述棘爪(17)保持在抵靠所述棘轮(19)的状态。
3. 根据权利要求2所述的SMA电机，其特征在于每个所述SMA丝-弹簧驱动元件进一步包括一个陶瓷滑轮(16)，它被固定在所述旋转盘(15)上，所述SMA丝绕在陶瓷滑轮上，且所述SMA丝收縮对所述旋转盘(15)所产生的致动力矩与所述弹簧(10)收縮对所述旋转盘(15)所产生的致动力矩方向相反。
4. 根据权利要求3所述SMA电机，其特征在于，所述SMA丝(9)的两端固定在所述SMA电机的一个上板(23)上。
5. 根据权利要求2所述的SMA电机，其特征在于，所述主轴(5)上设置有一轴向键槽(26)和多个周向键槽(27)，所述多个周向键槽(27)的位置分别与各个所述SMA丝-弹簧驱动元件的在所述主轴上的安装位置相对应，所述棘轮(19)上设置有与所述周向键槽(27)相匹配的凸台(28)，从而使所述棘轮(19)与所述主轴(5)周向键连接，且使所述棘轮(19)能通过插入所述轴向键槽(26)和凸台(28)之间的空隙里的键(25)而被固定在所述主轴(5)上。
6. 根据权利要求2所述的SMA电机，其中所述棘轮(19)是摩擦棘轮(19)，所述棘爪(17)是摩擦棘爪(17)。
7. 根据权利要求4所述的SMA电机，其特征在于进一步包括为每个所述SMA丝-弹簧驱动元件设置的一个陶瓷外套(12)，所述SMA丝-弹簧驱动元件的所述SMA丝(9)绕过所述陶瓷外套(12)。
8. 根据权利要求4所述的SMA电机，其特征在于进一步包括固定在所述旋转盘(15)上的陶瓷垫(14)，用于对所述SMA丝(9)进行定位。
全文摘要
本发明提供一种大扭矩连续旋转型SMA电机，其中，至少两个驱动单元串联安装在主轴上，通过顺次作动每个驱动单元带动主轴连续转动。驱动单元主要由SMA丝、弹簧、旋转盘、棘轮和棘爪构成。其中，SMA丝的一端通过压扁的不锈钢管安装到陶瓷支座上，陶瓷支座再安装到电机的上板上。SMA丝的另一端通过陶瓷滑轮安装在旋转盘上。弹簧的一端挂在旋转盘上，另一端通过调节螺栓安装到底板上。棘爪安装在旋转盘上，同时它又被安装在旋转盘上的弹簧片压紧并且和棘轮啮合，棘轮通过键槽安装到主轴上。本发明采用了SMA丝和弹簧联合作动，构成驱动单元，输出扭矩大；SMA丝作为驱动元件，通电加热效率高；主轴和旋转盘之间采用棘轮棘爪连接，实现了单向旋转。
文档编号H02N2/02GK101789712SQ200910077840
公开日2010年7月28日 申请日期2009年1月22日 优先权日2009年1月22日
发明者傅石雨, 刘颖, 张小勇, 张辉, 聂景旭, 闫晓军 申请人:北京航空航天大学