CN111371341A - 微小型sma活齿传动的电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微小型SMA活齿传动的电机，其包括壳体、驱动部分和传动部分，驱动部分采用SMA丝缠绕在激波器螺纹外套和压簧共同驱动的方式，增加了SMA丝长度便于实现设定的偏心运动，压簧较以往的拉簧减少了拉紧机构便于实现微小型化，能提供更大的驱动力；传动部分采用活齿架固定中心轮输出的方式实现连续传动，实现了低速大转矩输出；活齿架由螺钉固定在上外筒与下外筒之间，并与激波器和中心轮间留有间隙，这种结构简化了结构，安装更加方便；中心轮作为可转动的输出装置，且加工有通孔用于安装输出轴，增加了普适性。
Description
技术领域
本发明属于微型集成电机技术领域，涉及一种微小型SMA活齿传动的电机。
背景技术
现有的电机是电磁相互转化实现电能到动能的转化，体积大消耗的资源多，随着航空航天，智能机器人，汽车领域的不断发展对微型集成电机的要求愈加广泛。文献【机电集成形状记忆合金谐波传动】研究了一种SMA驱动活齿传动装置，该装置的活齿传动环节采用径向活齿传动，因为径向啮合力限制激波器的径向摆动，所以难以实现SMA驱动下活齿啮合副的连续啮合；此外，该装置的平衡弹簧采用拉伸弹簧，需要拉紧机构固定，难以实现装置的小型化；第三，该装置记忆合金丝的固定方式限制了记忆合金丝的可用长度，较短的记忆合金丝实现给定偏心的摆动非常困难。
发明内容
本发明的目的在于提供能够实现比以往更微小型的新材料的减速电机，它的结构紧凑，能够实现连续啮合传动平稳，增大了输出转矩。
本发明提出一种微小型SMA活齿传动的电机，其包括壳体、驱动部分和传动部分；
所述壳体包括底座、下外筒和上外筒；所述底座为平面结构，下外筒安装在底座上表面，活齿架安装在下外筒上部，上外筒安装在活齿架上，中心轮安装在上外筒内部；下外筒沿着外表面的圆周方向上加工有方形的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的中心线与螺纹外套外表面相切，沿着所述螺纹外套外表面分别产生第一切点、第二切点、第三切点和第四切点，所述第一切点、第三切点的连线和所述第二切点、第四切点的连线都穿过所述螺纹外套外的中轴线，并且所述第一切点、第三切点的连线垂直于所述第二切点、第四切点的连线；
驱动部分包括SMA丝、压簧和激波器；所述SMA丝包括第一SMA丝和第二SMA丝；
所述激波器为圆柱体，所述圆柱体圆周表面套有激波器螺纹外套；所述激波器螺纹外套等高度位置有两个凹槽平面，所述凹槽平面之间的圆心角为90 度；所述压簧顶在所述凹槽与下外筒之间，激波器下表面通过平衡钢珠小球与底座相连，激波器上表面有圆形活齿轨道，所述活齿轨道的内表面与活齿外表面匹配；
所述第一SMA丝的第一端连接第一电源的第一端，其第二端从下外筒的第一通孔里穿入，缠绕激波器螺纹外套半圆周180度后，从第三通孔穿出，与所述第一电源的第二端相连；所述第二SMA丝的第一端连接第二电源的第一端，其第二端从下外筒的第二通孔里穿入，缠绕激波器螺纹外套半圆周180 度后，从第四通孔穿出，与所述第二电源的第二端相连；所述第一电源和第二电源的电流周期相差四分之一周期；所述电流周期等分为四个阶段，第一阶段给SMA丝通电预加热，第二阶段SMA丝继续通电达到相变温度，SMA丝相变做功，第三阶段、第四阶段断电对SMA丝吹风冷却；所述压簧顶在激波器螺纹外套凹槽平面与下外筒之间，压簧能提供更大的驱动力；激波器在SMA 丝和压簧共同的拉力作用下实现蠕动，为微小型减速电机提供动力；
传动部分包括活齿、活齿架、中心轮和输出轴；
所述活齿为球形钢珠，在活齿架的约束下沿着激波器上表面的圆周形活齿轨道运动，从而带动中心轮转动；
所述活齿架为上下表面为平面的圆环状，固定在上下外筒壳体之间，所述活齿架下表面与激波器留有空隙，垂直于所述活齿架上下表面加工有沿圆周均布的活齿通孔，所述活齿通孔的形状与活齿外表面匹配，用于固定所述活齿进行周向运动；
所述中心轮为上下表面为平面的圆环状，安装在活齿架的上方、上外筒的内部，利用圆锥滚子轴承与上外筒相连，在中心轮下表面端加工有活齿运动轨道，活齿运动轨道内表面与活齿外表面匹配，所述活齿轨道沿着圆周方向为周期正弦波形的波浪形，用于固定活齿；所述活齿轨道周期正弦波形的周期数由活齿数和传动比确定；
所述输出轴的轴线与中心轮的轴线重合，并且所述输出轴与中心轮固定连接，用于输出转矩。
优选的，安装在中心轮内部的输出轴可拆卸。
优选的，所述第一电源和第二电源的电流周期为4s，第一秒电流为15.7mA，第二秒电流为14.5mA，第三秒和第四秒断电、对SMA丝吹风冷却。
优选的，所述活齿架由螺钉固定在上外筒与下外筒之间。
优选的，所述激波器上部圆柱直径小、下部圆柱直径大，螺纹外套套在上部圆柱的外圆周表面。
优选的，所述激波器下端加工有四个均布的圆形的凹槽，所述凹槽用于容纳所述平衡钢珠小球。
优选的，所述中心轮下表面的正弦波形活齿运动轨道内表面的截面是上部窄下部宽的四边形；所述激波器上表面的活齿轨道的内表面的截面是底部窄上部开口宽的四边形。
工作过程中，给SMA丝通电加热时，SMA丝内部发生马氏体逆相变，由于弹性模量增大SMA丝拉力变大，SMA丝收缩克服压簧的推力拉动激波器运动，当SMA丝断电冷却，SMA丝内部发生马氏体正相变，由于SMA丝弹性模量减小导致SMA丝拉力减小，激波器在压簧的推力下朝着另一方向运动，激波器在两路成正交方向的SMA丝和压簧的共同作用下帯动活齿运动，活齿在活齿架的固定约束下带动中心轮运动，中心轮上安装输出轴，输出低速大转矩。
本发明的效果如下：
根据微小型SMA活齿传动的电机，其驱动部分采用SMA丝缠绕在激波器螺纹外套和压簧共同驱动的方式，增加了SMA丝长度便于实现设定的偏心运动，压簧较以往的拉簧减少了拉紧机构便于实现微小型化，能提供更大的驱动力；传动部分采用活齿架固定中心轮输出的方式实现连续传动，实现了低速大转矩输出；活齿架由螺钉固定在上外筒与下外筒之间，并与激波器和中心轮间留有间隙，这种结构简化了结构，安装更加方便；中心轮作为可转动的输出装置，且加工有通孔用于安装输出轴，增加了普适性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1的A-A剖面示意图；
图3是本发明实施例的轴测示意图；
图4是本发明实施例的激波器零件轴测示意图；
图5是本发明实施例的激波器零件二维图；
图6是本发明实施例的活齿架零件轴测示意图；
图7是本发明实施例的活齿架零件二维图；
图8是本发明实施例的中心轮零件轴测示意图；以及
图9是本发明实施例的中心轮二维图。
图中：1、底座，2、激波器，3、激波器螺纹外套，4、SMA丝，5、活齿架，6、下外筒，7、上外筒，8、中心轮，9、压簧，10、平衡钢珠小球，11、凹槽平面，12、激波器上端的活齿运动轨道，13、中心轮下端活齿运动轨道， 14、活齿，15、圆锥滚子轴承，16、活齿通孔。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明中为了清楚描述各零部件，在部件名称前添加了“上”和“下”以示区分，“上”“下”是依据附图的位置，在实际安装过程中部件位置发生改变，其方位的称谓随之改变，不能视为对专利保护范围的限制。
如图1所示，本发明实施例提出一种微小型SMA活齿传动的电机，该装置包括壳体、驱动部分和传动部分。
本发明实施例采用活齿减速，减速传动比是：
i＝zK/(zK-zG)
式中i是传动比，zK是活齿个数，zG是上外筒7波齿数。
壳体是这种微小型减速电机的基础，包括底座1、下外筒6和上外筒7，底座1用于支撑安装整个机构，下外筒6用于安装驱动部分，上外筒7用于安装上外筒7输出部分，是这个机构的重要零部件；
激波器通过四个底部平衡钢珠小球10与底座1相连并保持水平平稳，激波器在SMA丝4和压簧9的驱动和四个底部平衡钢珠小球10带动下蠕动，底部平衡钢球小球10使激波器2的运动在同一水平面上，传动平稳；
SMA丝4用SMA的细丝形状占据空间小，SMA丝4通电加热其内部发生马氏体逆向变长度收缩断电冷却SMA丝4内部发生马氏体正向变长度增加，两根SMA丝4都采用缠绕的方式缠在激波器螺纹外套3上，安装完后SMA 丝4呈正交分布，螺纹外套3平面上的平面凹槽在11一根对折的SMA丝4 之间；
螺纹外套3上加工着两个凹槽平面11，凹槽平面11的形状是矩形，两个凹槽平面11在螺纹外套3上之间呈90°。
压簧9顶在激波器螺纹外套3上的凹槽平面11与下外筒6之间，安装时两根压簧9顶在激波器螺纹外套3与下外筒6之间，弹簧采用压簧9比拉簧提供更大的驱动力，并且这种安装方式较少了拉紧固定结构，简化了结构便于实现轻量化微小型化；
激波器2做成法兰的圆凸台形式中心加工有圆形通孔，激波器螺纹外套3 套在激波器凸台的位置，激波器2下端加工有四个均布的圆形的凹槽，四个底部平衡钢珠小球10在圆形凹槽内使激波器2在水平面上运动，给压簧9和SMA 丝4提供了安装工作空间，激波器2的驱动半径可以尽可能的做大，增大了机构的输出转矩，激波器2的上端加工有活齿运动轨道12；
激波器螺纹外套3的材质是塑料，激波器螺纹套3外部加工有螺纹，内部加工成圆通孔内径与激波器外径相等，安装时套在激波器2上部外圆周上，在激波器螺纹外套3上加工有两个凹槽平面11，凹槽平面11形状是矩形，凹槽平面11之间的圆心角为90度，SMA丝4和激波器2都是金属，对SMA丝4 通电加热时如果SMA丝4和激波器2直接相连会短路，激波器螺纹外套3的作用就是短路处理避免了SMA丝4和激波器直2接接触时的短路情况，凹槽平面11的加工使压簧9安装简便；
如图6和图7所示，活齿架5的外圆周与下外筒6和上外筒7相同，中间加工圆通孔，在活齿架5面上加工着9个活齿通孔16，活齿通孔16在活齿架 5的上下平面的径向尺寸与活齿14前后都留两个偏心距的距离，圆周方向上的尺寸等于活齿14直径，安装时活齿14在活齿架5的9个活齿通孔16的约束下在激波器上端活齿运动轨道12上运动并带动中心轮8转动输出转矩，相比以往的活齿架5该结构直接用螺钉固定在上外筒7与下外筒之间，它同时还起到了支撑圆锥滚子轴承15的作用，活齿架5上还加工着定位机构，活齿架 5上加工着活齿槽用于活齿14的周向定位，中间加工通孔减轻了机构的质量，便于轻量化。
如图8和图9所示，中心轮8下端加工有带有8个正弦波形的活齿运动轨道13，通过圆锥滚子轴承15与上外筒7相连，中间加工有通孔用于安装可拆卸的输出轴，该结构比较精巧，增加了结构的普适性。
活齿14在活齿架5的9个活齿通孔16中，SMA丝4与压簧9驱动激波器2运动，活齿14在活齿架5的9个活齿通孔16的约束下，在激波器2的驱动下，在激波器上端活齿运动轨道12内运动并带动中心轮8转动。
本发明的工作过程是：
工作时，这种微小型电机的驱动力主要是SMA丝4在通电断电内部的相变过程导致SMA丝4的长度发生变化与压簧9共同作用下以提供驱动力，给 SMA丝4通电加热，SMA丝4内部发生马氏体逆向变，SMA丝4内部弹性模量增大拉力增大压缩压簧9激波器向一侧运动，SMA丝4断电冷却SMA丝内部发生马氏体正向变，SMA丝内部弹性模量减小拉力减小，同路的压簧9 推动激波器2向另一侧运动，在正交方向加工同样的SMA丝4与压簧9安装方式相同，差别是给该路SMA丝4通滞后1/4周期的电流，激波器在两路SMA 丝4与压簧9的综合驱动下蠕动，并带动活齿14一起运动，活齿14安装在激波器上端活齿运动轨道12、活齿架5的9个活齿通孔16和中心轮下端活齿运动轨道13之间，中心轮下端活齿运动轨道13是正弦波形，由此活齿14在激波器2的驱动和活齿架5的活齿通孔的约束下推动中心轮8转动，输出转矩。该电机通过活齿降低机构传动，输出低转速大转矩的运动。
SMA丝内部向变为本构模型：
马氏体逆向变本构关系：逆向变条件
发生非孪晶马氏体向奥氏体转变的过程，公式中T是SMA丝4内部温度， As是奥氏体开始相变时的温度，Af是奥氏体结束相变时的温度，CA是奥氏体相变模数大小取9MPa/℃。
马氏体逆向变一维本构关系是：
公式中EM是马氏体相变模量，EA是奥氏体相变模量，式εas、εaf、εms、εmf是σas、σaf、σms、σaf对应的弹性应变，它们是奥氏体，马氏体相变开始结束时的应力大小，ξd是马氏体的体积分数，εmax是最大弹性应变，T0环境温度，Δη0相对初始温度下的熵的变化量J/(Kg℃)。
马氏体正向变本构关系：正向变条件:
发生奥氏体向非孪晶马氏体变化的过程，公式中CM是马氏体相变模数大小。
正向变一维本构关系：
给SMA丝通电加热与断电冷却，SMA丝内部的温度与应力，应变与拉力的关系在知道通的电流大小的情况下均可由以上一维本构模型获得。
给SMA丝断电冷却用吹风机强制冷却缩短冷却时间，若让电机自然冷却耗时过长不易实现电机的连续转动，采取强制冷却措施利于电机连续输出转矩。
本发明实施例的优点是：
1、本发明实施例采用SMA丝这一新型的智能材料代替了传统的电机电磁转化的机构，简化了结构，便于结构的轻量化，节约了资源。
2、本发明实施例的SMA采用缠绕在激波器螺纹外套上的方式，增加了 SMA丝长度便于实现给定的偏心运动。
3、本发明实施例采用压簧相比拉簧提供更大的驱动力，减少了拉紧固定机构，简化了安装结构，便于实现机构的轻量化；
4、本发明实施例采用活齿减速传动，将新型智能材料与活齿传动相结合，实现微小型化的低速大转矩输出；
5、本发明实施例在激波器底部用四个平衡钢珠小球使激波器在水平方向运动平稳，结构精巧便于实现微小型化，使激波器只存在绕运动中心的公转不存在自转简化了激波器运动减少驱动的损耗。
6、本发明实施例在活齿架的结构上是个优化简化的过程，此处直接将活齿架外圆半径做大，活齿架不仅起到对活齿的周向约束的作用还起到支撑圆锥滚子轴承的作用，大大简化了电机结构，方便了安装，节约了空间便于实现电机轻量微小型化，增加了电机的安装坚固性，利于电机投入使用。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，其包括壳体、驱动部分和传动部分；
所述壳体包括底座、下外筒和上外筒；所述底座为平面结构，下外筒安装在底座上表面，活齿架安装在下外筒上部，上外筒安装在活齿架上，中心轮安装在上外筒内部；下外筒沿着外表面的圆周方向上加工有方形的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，所述第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔的中心线与螺纹外套外表面相切，沿着所述螺纹外套外表面分别产生第一切点、第二切点、第三切点和第四切点，所述第一切点、第三切点的连线和所述第二切点、第四切点的连线都穿过所述螺纹外套外的中轴线，并且所述第一切点、第三切点的连线垂直于所述第二切点、第四切点的连线；
驱动部分包括SMA丝、压簧和激波器；所述SMA丝包括第一SMA丝和第二SMA丝；
所述激波器为圆柱体，所述圆柱体圆周表面套有激波器螺纹外套；所述激波器螺纹外套等高度位置有两个凹槽平面，所述凹槽平面之间的圆心角为90度；所述压簧顶在所述凹槽与下外筒之间，激波器下表面通过平衡钢珠小球与底座相连，激波器上表面有圆形活齿轨道，所述活齿轨道的内表面与活齿外表面匹配；
所述第一SMA丝的第一端连接第一电源的第一端，其第二端从下外筒的第一通孔里穿入，缠绕激波器螺纹外套半圆周180度后，从第三通孔穿出，与所述第一电源的第二端相连；所述第二SMA丝的第一端连接第二电源的第一端，其第二端从下外筒的第二通孔里穿入，缠绕激波器螺纹外套半圆周180度后，从第四通孔穿出，与所述第二电源的第二端相连；所述第一电源和第二电源的电流周期相差四分之一周期；所述电流周期等分为四个阶段，第一阶段给SMA丝通电预加热，第二阶段SMA丝继续通电达到相变温度，SMA丝相变做功，第三阶段、第四阶段断电对SMA丝吹风冷却；所述压簧顶在激波器螺纹外套凹槽平面与下外筒之间，压簧能提供更大的驱动力；激波器在SMA丝和压簧共同的拉力作用下实现蠕动，为微小型减速电机提供动力；
传动部分包括活齿、活齿架、中心轮和输出轴；
所述活齿为球形钢珠，在活齿架的约束下沿着激波器上表面的圆周形活齿轨道运动，从而带动中心轮转动；
所述活齿架为上下表面为平面的圆环状，固定在上下外筒壳体之间，所述活齿架下表面与激波器留有空隙，垂直于所述活齿架上下表面加工有沿圆周均布的活齿通孔，所述活齿通孔的形状与活齿外表面匹配，用于固定所述活齿进行周向运动；
所述中心轮为上下表面为平面的圆环状，安装在活齿架的上方、上外筒的内部，利用圆锥滚子轴承与上外筒相连，在中心轮下表面端加工有活齿运动轨道，活齿运动轨道内表面与活齿外表面匹配，所述活齿轨道沿着圆周方向为周期正弦波形的波浪形，用于固定活齿；所述活齿轨道周期正弦波形的周期数由活齿数和传动比确定；
所述输出轴的轴线与中心轮的轴线重合，并且所述输出轴与中心轮固定连接，用于输出转矩。
2.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，安装在中心轮内部的输出轴可拆卸。
3.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，所述第一电源和第二电源的电流周期为4s，第一秒电流为15.7mA，第二秒电流为14.5mA，第三秒和第四秒断电、对SMA丝吹风冷却。
4.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，所述活齿架由螺钉固定在上外筒与下外筒之间。
5.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，所述激波器上部圆柱直径小、下部圆柱直径大，螺纹外套套在上部圆柱的外圆周表面。
6.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，所述激波器下端加工有四个均布的圆形的凹槽，所述凹槽用于容纳所述平衡钢珠小球。
7.根据权利要求1所述的微小型SMA活齿传动的电机，其特征在于，所述中心轮下表面的正弦波形活齿运动轨道内表面的截面是上部窄下部宽的四边形；所述激波器上表面的活齿轨道的内表面的截面是底部窄上部开口宽的四边形。
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- 2020-03-24 CN CN202010214912.4A patent/CN111371341B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111371341B (zh) | 2021-04-30 |
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