[发明专利]大扭矩连续旋转型SMA电机

说明书

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，英文缩写：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1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弹簧的收缩和/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缩(致动)，图1中处于收缩状态的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。 

本发明的技术方案如下：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丝收缩，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收缩带动主轴继续旋转，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： 

一根主轴； 

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丝收缩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缩的冲程里与所述主轴脱离啮合。