基于形状记忆合金的步进电的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于形状记忆合金的步进电机，包括转轴，由转子、形状记忆合金弹簧、滚动体、滚动体保持架、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖。电机采用多个由转子、关于转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧、滚动体、滚动体保持架、定子和离合器组成的旋转驱动装置，利用多个旋转驱动装置驱动电流和离合器依次循环动作驱动转轴旋转步进的方法，实现步进电机的360°旋转步进输出。相比于传统的形状记忆合金电机，本实用新型具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速度快和能实现任意角度转动的优点，推动了形状记忆合金电机在精密机械驱动领域更加广泛的应用。
【专利说明】基于形状记忆合金的步进电机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种精密机械驱动领域的步进电机，具体的说是一种基于形状记忆合金的步进电机。
【背景技术】
[0002]形状记忆合金是一种在低于其相变温度时形状被改变后，一旦温度升高超过其相变温度，可以恢复到形状改变之前原始状态的一种合金材料。利用形状记忆合金的形状记忆效应制作的电机在航空航天、微生物、机器人、生物医学、微机械电子系统等领域得到了广泛的应用。现有的利用形状记忆合金驱动的电机一般采用类似中国专利“一种回转关节的形状记忆合金驱动装置”(专利申请号:201120120071.7)中公开的方法，利用形状记忆合金材料制作的弹簧作为驱动源驱动滑块，利用曲柄连杆机构将曲柄的直线运动转化为曲柄的有限转角旋转运动，或采用于东等2010年在《机械工程学报》上发表的文献“形状记忆合金步进电机结构设计方法”中描述的采用两根丝状形状记忆合金差动拉动中心固定的转轮两侧完成往返有限角度转动，或采用直线驱动器侧向摩擦中心转轮两侧的方法实现有限角度的转动；
[0003]现有技术存在如下不足:利用曲柄连杆机构将形状记忆合金线性运动转化为旋转运动的电机其体积较大、结构不紧凑，且由两根差动形状记忆合金弹簧作为驱动器件其输出转动力矩小；采用两根拉动中心固定的转轮的两侧转动的驱动器同样体积很大、单根丝状驱动器的驱动力很小，且其在产生旋转扭矩的同时圆盘的转轴会受到径向力的作用，这就导致了转轮和转轴之间摩擦力的增大，影响了驱动器的机械效率和运动平稳性；采用直线驱动器侧向摩擦中心转轮两侧实现有限角度转动的电机，其输出力矩受直线驱动器和转轮的摩擦力限制，很难实现大力矩输出。最重要的是基于以上技术的电机目前都只能进行有限角度的转动而不能实现像传统电机一样的任意角度旋转。
实用新型内容
[0004]本实用新型针对现有技术的不足提供了一种基于形状记忆合金的步进电机，该步进电机具有结构紧凑、功重比大、输出转矩大、运行平稳、低噪音、响应速率快和能够实现360。转动的优点；
[0005]为实现上述目的，本实用新型提出如下的技术方案:一种基于形状记忆合金的步进电机，包括转轴，由转子、形状记忆合金弹簧、滚动体、滚动体保持架、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖。旋转装置中转子和定子同轴且通过滚动体和滚动体保持架形成转动副连接，形状记忆合金弹簧一端连接转子、另一端连接定子，形状记忆合金弹簧和转子连接点所对应的转子半径与形状记忆合金弹簧的轴线之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧和定子连接点所对应的定子半径与形状记忆合金弹簧的轴线之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧关于转子中心对称均匀分布，在增大其输出转矩的同时保证转轴不受径向力作用。旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和转轴为同轴关系，旋转驱动装置的转子和离合器外圈为同轴固定连接，离合器在抱紧状态下旋转驱动装置的转子可通过离合器向转轴传递扭矩，离合器在松开状态下转轴不受旋转驱动装置的作用。多个旋转驱动装置通过离合器的动作在时间上采用依次循环驱动转轴旋转的方法，即在一个旋转驱动装置的弹性记忆合金弹簧上施加电流且离合器抱紧以驱动转轴的时候，其它旋转驱动装置不施加驱动电流且离合器松开，在旋转驱动装置的转角输出最大时，断开其驱动电流并松开离合器，同时另一旋转驱动装置重复上述动作，依次循环实现电机的任意角度旋转。转轴通过两个轴承和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接，以方便电机的装配和封装；
[0006]所述转子为中心对称的圆盘状，同时为减小步进电机输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，转子结构可进行减重处理，将其设计为蜂窝状或轮辐状；
[0007]所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动转子旋转，旋转驱动装置在完成最大转角输出断电后，依靠变形后形状记忆合金弹簧的弹性力恢复到原来的形状；
[0008]所述多个旋转驱动装置可以以多种方式排列安装在转轴上，当以旋转驱动装置的输出力矩方向相同的安装方式安装时，步进电机只能实现一个方向的转动；当以相邻旋转驱动装置的输出力矩方向相反的安装方式安装时，步进电机可以实现两个方向的转动；
[0009]所述转轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度；
[0010]所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其可靠性；
[0011]本实用新型基于形状记忆合金的步进电机的工作原理为:首先在第一个旋转驱动装置中关于转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧上施加驱动电流并且离合器抱紧转轴时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动转子带动转轴进行旋转，当第一个旋转驱动装置中形状记忆合金弹簧的收缩形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置加热电流并且松开离合器的同时在第二个旋转驱动装置中关于圆盘转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧中施加驱动电流并且离合器抱紧转轴，使第二个旋转驱动装置继续以相同或相反方向的转矩继续驱动转轴转动，第一个旋转驱动装置则在形状记忆合金弹簧的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置进行方向相同或相反的步进驱动，最后一个旋转驱动装置完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置循环，以此来实现步进电机任意角度的旋转；
[0012]本实用新型基于形状记忆合金的步进电机相比传统的形状记忆合金电机来讲其优势在于:采用了多个由转子、关于转子中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧、滚动体、滚动体保持架和定子组成的旋转驱动装置，利用了多个离合器和旋转驱动装置结合异步驱动旋转步进的方法，多个形状记忆合金弹簧同时作用使得驱动器的结构紧凑，功重比大，大大提高了电机的输出转矩；形状记忆合金弹簧的对称分布结构抵消了转轴收到的径向力，使得驱动器的运行更平稳，减小磨损和运行噪音；通过依次循环控制多个旋转驱动装置中驱动电流和离合器的动作可以实现电机的360°的旋转。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型基于形状记忆合金的步进电机的剖面结构示意图；
[0014]图2为本实用新型旋转驱动装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015]以下将结合附图1、附图2和一个具体实施例对本实用新型基于形状记忆合金的步进电机进行进一步的说明；
[0016]如图1和图2所示为本实用新型基于形状记忆合金的步进电机的一个实施例，步进电机包括转轴1，由转子201、形状记忆合金弹簧202、滚动体204、滚动体保持架205、定子206和离合器203组成的旋转驱动装置2a-2h，轴承3a、3b、壳体4和端盖5。旋转驱动装置2a-2h中转子201和定子203同轴且通过滚动体204和滚动体保持架205形成转动副连接，形状记忆合金弹簧202 —端连接转子201、另一端连接定子203，形状记忆合金弹簧202和转子201连接点所对应的转子半径与形状记忆合金弹簧202的轴线之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧202和定子203连接点所对应的定子半径与形状记忆合金弹簧202的轴线之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧202关于转子201中心对称均匀分布，在增大其输出转矩的同时保证转轴I不受径向力作用。旋转驱动装置2a-2h的定子203和壳体4之间为固定连接，旋转驱动装置2a-2h的转子201和转轴I为同轴关系，旋转驱动装置2a_2h的转子201和离合器206外圈为同轴固定连接，离合器206在抱紧状态下旋转驱动装置2a_2h的转子可通过离合器206向转轴I传递扭矩，离合器206在松开状态下转轴I不受旋转驱动装置2a-2h的作用。多个旋转驱动装置2a-2h通过离合器206的动作在时间上采用依次循环驱动转轴I旋转的方法，即2a-2h中一个旋转驱动装置的弹性记忆合金弹簧202上施加电流且离合器206抱紧以驱动转轴I的时候，其它旋转驱动装置不施加驱动电流且离合器206松开，在旋转驱动装置的转角输出最大时，断开其驱动电流并松开离合器206，同时另一旋转驱动装置重复上述动作，依次循环实现电机的任意角度旋转。转轴I通过两个轴承3a、3b和壳体4之间形成转动副连接，端盖5和壳体4之间为可拆卸固定连接，以方便电机的装配和封装；
[0017]本实施例中转子为中心对称的圆盘状，同时为减小步进电机输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，转子结构进行了减重处理，优先选择为轮辐状。形状记忆合金弹簧202由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动转子201旋转，旋转驱动装置2a-2h在完成最大转角输出断电后，依靠变形后形状记忆合金弹簧202的弹性力恢复到原来的形状；
[0018]旋转驱动装置2a_2h可以以多种方式排列安装在转轴I上，本实施例优先选择以相邻旋转驱动装置的输出力矩方向相反的安装方式安装，以实现步进电机在两个方向的任意转动。转轴I在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。壳体4为上端开口的空心圆柱体形状,端盖5和壳体4上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置2a-2h封装起来，增强其可靠性；
[0019]当在第一个旋转驱动装置2a中关于转子201中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202上施加驱动电流并且离合器206抱紧转轴I时，由于电流的热效应形状记忆合金的温度上升超过其马氏体相变温度产生收缩恢复力，从而拉动转子201带动转轴I进行旋转，当第一个旋转驱动装置2a中形状记忆合金弹簧202的收缩形变达到最大时，断开第一个旋转驱动装置2a加热电流并且松开离合器206的同时在第二个旋转驱动装置2b中关于转子201中心对称均匀分布的多个形状记忆合金弹簧202中施加驱动电流并且离合器206抱紧转轴1，使第二个旋转驱动装置2b继续以相同或相反方向的转矩继续驱动转轴I转动，第一个旋转驱动装置2a则在形状记忆合金弹簧202的弹性回复力作用下恢复到原来的形状，第二个旋转驱动装置2b完成一个有限转角的旋转驱动后同样由后面的多个旋转驱动装置2c-2h进行方向相同或相反的步进驱动，最后一个旋转驱动装置2h完成步进驱动后可继续从第一个旋转驱动装置2a循环，以此来实现步进电机任意角度的旋转；
[0020]旋转驱动装置2a_2h也可以以相同转矩输出方向的安装方式安装，此时电机只能进行一个方向的转动；
[0021]应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围，本实用新型中未明确的部分属于本领域的公知技术。
【权利要求】
1.一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:一种基于形状记忆合金的步进电机，包括转轴，由转子、形状记忆合金弹簧、滚动体、滚动体保持架、定子和离合器组成的旋转驱动装置，轴承，壳体和端盖；旋转装置中转子和定子同轴且通过滚动体和滚动体保持架形成转动副连接，形状记忆合金弹簧一端连接转子、另一端连接定子，形状记忆合金弹簧和转子连接点所对应的转子半径与形状记忆合金弹簧的轴线之间的角度为钝角，形状记忆合金弹簧和定子连接点所对应的定子半径与形状记忆合金弹簧的轴线之间的角度为锐角，多个形状记忆合金弹簧关于转子中心对称均匀分布；旋转驱动装置的定子和壳体之间为固定连接，旋转驱动装置的转子和转轴为同轴关系，旋转驱动装置的转子和离合器外圈为同轴固定连接；离合器在抱紧状态下旋转驱动装置和转轴之间为过盈配合，离合器在松开状态下转轴和旋转驱动装置为间隙配合；转轴通过两个轴承和壳体之间形成转动副连接，端盖和壳体之间为可拆卸固定连接。
2.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:所述转子为中心对称的圆盘状，同时为减小步进电机输出力矩时转子本身的转动惯量，增大其负载能力，转子结构可以为减重处理后的蜂窝状或轮辐状。
3.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:所述形状记忆合金弹簧由大伸缩率的形状记忆合金绕制而成，并进行低于其马氏体相变温度下的预拉伸，以保证其在通过电流的热效应加热超过其马氏体相变温度时产生收缩，从而拉动转子旋转，旋转驱动装置在完成最大转角输出断电后，依靠变形后形状记忆合金弹簧的弹性力恢复到原来的形状。
4.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:所述多个旋转驱动装置可以以多种方式排列安装在转轴上，当以旋转驱动装置的输出力矩方向相同的安装方式安装时，步进电机只能实现一个方向的转动；当以相邻旋转驱动装置的输出力矩方向相反的安装方式安装时，步进电机可以实现两个方向的转动。
5.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:所述转轴在轴向固定，只存在绕其中心轴线转动的自由度。
6.基于权利要求1所述的一种基于形状记忆合金的步进电机，其特征在于:所述壳体为上端开口的空心圆柱体形状，端盖和壳体上端开口通过螺纹连接固定，以将步进电机内部的旋转驱动装置封装起来，增强其可靠性。
【文档编号】H02K37/24GK204119004SQ201420516494
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】司红康, 刘淮祥, 周岳 申请人:六安源创电机制造科技有限公司